張興偉，尹紹陽，梁俊宇，程志，許琦

（1.云南電網(wǎng)有限責任公司曲靖供電局，云南 曲靖 655000； 2. 云南電網(wǎng)有限責任公司電力科學(xué)研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

考慮電能替代效果的綜合能源系統(tǒng)評價指標體系可通過多種維度構(gòu)建。文獻[1]根據(jù)電網(wǎng)、投資運營商、用戶等群體利益關(guān)系建立區(qū)域綜合能源系統(tǒng)在能源、環(huán)境、經(jīng)濟、安全、可靠等方面的綜合效益評價指標體系；

文獻[2]以前期工作、工程建設(shè)、生產(chǎn)運行、經(jīng)濟效益等方面進行評估,進而分析電力建設(shè)項目存在的不足；文獻[3]研究了綜合能源系統(tǒng)技術(shù)性、經(jīng)濟性和環(huán)保性等指標的量化計算模型。評價方法可分為賦權(quán)和綜合評價兩個方面。賦權(quán)法包括層次分析法[4]、熵權(quán)法[5]等。綜合評價法包括TOPSIS[6]、物元可拓法[7]等。文獻[8]通過線性與非線性結(jié)合的直接關(guān)聯(lián)因素及系統(tǒng)性主成分分析等綜合方法量化分析了供給側(cè)改革因素對云南省電量發(fā)展的影響。文獻[9]在傳統(tǒng)逼近理想解排序法的基礎(chǔ)上引入灰色關(guān)聯(lián)度，利用熵權(quán)法確定指標權(quán)重，通過計算得出樣本之間的關(guān)聯(lián)度及相對貼近程度；

本文選擇以云南省某工業(yè)園區(qū)為例，構(gòu)建地區(qū)電能替代綜合潛力評價體系，研究節(jié)能減排環(huán)境下電能替代的評價方法，利用層次分析法（AHP）和熵權(quán)法進行組合權(quán)重的計算，提出基于主客觀組合權(quán)重的物元可拓評價方法，證明電能替代在綠色能源占比高的地區(qū)的可替代性，為后期電能替代的發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。

1 電能替代指標選擇與體系構(gòu)建

1.1 電能替代指標

1）清潔能源功能占比

清潔能源功能占比是體現(xiàn)綜合能源系統(tǒng)環(huán)保水平的一個重要指標，表示綜合能源系統(tǒng)對清潔能源的消納能力。表達式為：

式中：Nc為系統(tǒng)內(nèi)能源種類數(shù)；Qc,i為第i種清潔能源總供能量；NQ為系統(tǒng)內(nèi)清潔能源種類數(shù)；Qi為綜合能源系統(tǒng)內(nèi)第i種能源的供能總量；

2）低碳系數(shù)

基于碳平衡原理計算碳排放。計算表達式如下：

式中：Cin、Cout為是電能替代技術(shù)替代前的碳排放量和替代后的碳排放量；EF是排放因子，取值范圍為1.9～2.5。

1.2 可靠性指標

1）系統(tǒng)失負荷概率

失負荷概率指標表示系統(tǒng)受到某些故障而無法滿足負荷需求的概率，且能夠反映系統(tǒng)供能不足的風險[10]。

式中：NSAM為抽樣次數(shù)；XSAM為系統(tǒng)抽樣狀態(tài)集合；FL(Xi)為系統(tǒng)狀態(tài)Xi的失負荷情況，為0-1變量。

1.3 經(jīng)濟性指標

1）單位供能成本

單位供能成本間接反映能源系統(tǒng)的盈利能力。

式中：Ylife為項目建設(shè)方案投產(chǎn)年限；COP、CMA、CEN為系統(tǒng)運行、維護、排放成本，其表達式如公式(5)～(7)所示。

式中：PSYSy,l,t為園區(qū)在年份y場景l(fā)下t時刻與電網(wǎng)交互的電功率；GSYSy,l,t、QSYSy,l,t分別為園區(qū)與外界交互的天然氣和蒸汽功率；cEt、cGt、cSt分別為t時刻的電、氣和蒸汽單價；cMABAT、cMAHS、cMACS分別為電、熱、冷儲能設(shè)備的單位維護成本；PBATy,l,t、SHSy,l,t、CCSy,l,t分別為電、熱、冷儲能設(shè)備的運行功率；PMAeq,m、Peq,my,l,t分別為能源轉(zhuǎn)換裝置m的單位維護成本和運行功率；CE、CG、CS分別為火電、天然氣、蒸汽的單位排放成本。

2 用戶側(cè)電能替代綜合效益評估方法

2.1 組合賦權(quán)法

1）運用AHP[4]、熵權(quán)法[5]對所有評價指標進行賦權(quán)，形成指標權(quán)重矩陣，如公式(8)所示：

式中：Hz、Hk分別為主、客觀賦權(quán)法的數(shù)量。ωhj為賦權(quán)方法h下指標j的權(quán)重，其值滿足下式：

2）確定各指標期望組合權(quán)重公式

定義期望組合權(quán)重向量E(ω)為H組權(quán)重向量的線性組合。

式中：ωh=(ωh1,ωh2,...,ωhj)T為賦權(quán)方法h的權(quán)重向量結(jié)果；ωJ為指標j的期望組合權(quán)重；ηh為賦權(quán)方法h的加權(quán)系數(shù)，其值滿足公式(11)：

3）求解主、客觀權(quán)重的相對重要程度系數(shù)；指標主、客觀權(quán)重的平均值可由公式(12)和(13)計算：

指標j的主、客觀權(quán)重的相對重要程度系數(shù)γz,j和γk,j;如公式(14)和(15)所示：

4）建立組合賦權(quán)優(yōu)化模型

“基于權(quán)重向量偏差最小”的組合賦權(quán)法將求解期望組合權(quán)重的問題轉(zhuǎn)化為求解線性組合加權(quán)系數(shù)向量叮，按照期望組合權(quán)重向量與H個權(quán)重向量的偏差和最小的思想建立組合賦權(quán)優(yōu)化模型，如公式(16)所示：

5）組合賦權(quán)優(yōu)化模型的求解

求解組合賦權(quán)法的二次優(yōu)化模型，解出加權(quán)系數(shù)向量后代入上式即可求解指標體系的期望組合權(quán)重向量。

2.2 物元可拓分析法

1）計算不同規(guī)劃方案下指標的實際數(shù)值；

2）建立規(guī)劃方案的物元和經(jīng)典域以及節(jié)域模型（本文定義4個經(jīng)典域等級i為：差、中等、良好、優(yōu)秀，對應(yīng)標準分別為(0,70],(70,80],(8 0,90],(90,100])；

定義待評價對象（即規(guī)劃方案）為N0，其特征（即評價指標體系）為c，量值（即指標計算數(shù)值）為V，以R=(N0,c,V)作為描述N0的基本元，即物元，如公式(17)所示：

將評價方案在不同評價等級下的指標量值以區(qū)間形式表示，即為物元的經(jīng)典域模型，如公式(18)所示：

式中：Gi為第i個評價等級；Vi為指標集關(guān)于評價等級i的量值區(qū)間集合；μij、Vij分別為指標j關(guān)于等級i的量值下限和上限。

將經(jīng)典域模型拓展成包括規(guī)劃方案、評價指標以及指標對應(yīng)所有量值范圍即為節(jié)域模型，反映的是評價指標的全體范圍，如公式(19)所示：

式中：G為全體評價等級；滿足G=[G1,G2,...,Gp]；Vp為指標集關(guān)于全體評價等級的量值區(qū)間集合；μjp、vjp分別為指標j在全部評價等級的量值下限和上限。

3）分別計算指標計算數(shù)值與經(jīng)典域和節(jié)域的距離；

式中：vj為指標j的計算數(shù)值；Vji為指標j關(guān)于評價等級i的量值區(qū)間。

4）計算指標與等級之間的關(guān)聯(lián)度函數(shù)；

式中：Ki(vj)為評價指標vj對于評價等級i的關(guān)聯(lián)度。

5）引入指標期望組合權(quán)重計算方案與評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度

系統(tǒng)中全部評價指標隸屬于各個評價等級的程度稱為綜合關(guān)聯(lián)度，如公式(23)所示：

方案關(guān)于評價等級的關(guān)聯(lián)度值越大，則評價方案對該等級的隸屬度就越高，則評價方案的等級可以確定為i。

6）計算方案綜合評分

根據(jù)公式(24)和(25)計算所有方案的評價結(jié)果，用于方案的比較和排序。評價結(jié)果數(shù)值越大，說明方案效益表現(xiàn)越佳。

3 算例分析

本次研究的輕工業(yè)園區(qū)主要企業(yè)共有8戶，均已生產(chǎn)農(nóng)業(yè)飼料為主。根據(jù)園區(qū)最近一年的用電量和用煤量的數(shù)據(jù)，通過逐時系數(shù)法進行模擬，整體電力需求約為2774517 kWh，熱力需求折合為電量后為7800527 kWh。年平均電負荷為216.73 kW。該園區(qū)熱力和電力需求比為2.8:1。該園區(qū)現(xiàn)有的8戶企業(yè)中，為了滿足生產(chǎn)線的熱力需求，都配備了1～2噸/h不等的燃煤蒸汽鍋爐。由于不能滿足環(huán)保的要求，這些小型燃煤鍋爐面臨關(guān)停的風險。

為此，本文采用所提出的綜合能源系統(tǒng)效益評價方法，針對本園區(qū)的電能替代需求，對其綜合效益進行評估，并對評價模型和方法的有效性和通用性進行驗證。

3.1 工業(yè)園區(qū)方案評價結(jié)果分析

輕工業(yè)園區(qū)能源系統(tǒng)以每2年為一個規(guī)劃階段，共設(shè)兩個階段，各階段負荷按高增長率預(yù)測，增幅為現(xiàn)階段負荷的40%。各階段分設(shè)夏季、冬季和過渡季3種典型負荷場景，僅夏季有冷負荷需求，僅冬季有熱負荷需求，全年無天然氣負荷需求?；谝陨辖榻B的實例，采用指標計算方法[3]求取2個階段規(guī)劃方案的評價指標數(shù)值，如表1所示。

表1 園區(qū)能源系統(tǒng)的評價指標計算結(jié)果

確認指標體系和數(shù)值后，根據(jù)前面介紹的賦權(quán)方法進行賦權(quán)。組織專家填寫判斷矩陣并采用層次分析法求取主觀權(quán)重，結(jié)合客觀權(quán)重代入組合賦權(quán)模型，計算對比結(jié)果如圖1所示。

圖1 指標權(quán)重計算結(jié)果對比

3.2 電能替代設(shè)備投入分析

本項目基于相同算例情況下設(shè)置如下對比方案：

方案一：僅配置熱泵（HP），未配置電鍋爐（EB）；

方案二：僅配置電鍋爐（EB），未配置熱泵（HP）；

方案三：配置電鍋爐（EB）、熱泵（HP）。

由于3種方案的負荷水平相同，指標數(shù)值相同，不影響綜合評估結(jié)果。重新通過仿真計算求得指標組合權(quán)重，如表2所示。

表2 指標組合權(quán)重計算結(jié)果

將計算出的指標權(quán)重代入2.2的物元可拓模型得到不同方案的綜合評價結(jié)果，如圖2所示。

圖2 各階段方案綜合評分數(shù)值結(jié)果

由圖2可知，方案三的綜合評分結(jié)果明顯高于對比方案，說明隨著電能替代設(shè)備的投入，系統(tǒng)建設(shè)綜合效益呈明顯上升趨勢，由此證明其對綜合能源系統(tǒng)建設(shè)效益起到積極的影響。由于對比方案沒有同時配備EB和HP，在電能替代效益方面的表現(xiàn)顯然與方案三存在明顯差距，電能替代設(shè)備的配置使得園區(qū)清潔能源供能比重提升14.4%，圖3可反映這一情況。方案三的失負荷概率這項指標數(shù)值與其他兩個方案相差不大，3項方案的可靠性均處于較高水準，如圖4所示。

圖3 方案電能替代指標對比

圖4 方案可靠性指標對比

由于3項方案都以同一輕工業(yè)園區(qū)為例即負荷數(shù)據(jù)相同，用單位供能成本指標對方案經(jīng)濟性進行分析；方案三由于同時投入EB和HP一定會增加系統(tǒng)的運行成本，但促進了園區(qū)能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，提升了園區(qū)的節(jié)能減排效果；總體提升了系統(tǒng)的整體經(jīng)濟型[11]。

4 結(jié)束語

本文在所建立的指標體系的基礎(chǔ)上，提出了一種利用組合賦權(quán)法對物元可拓模型進行優(yōu)化的綜合評價方法，并在云南某個具備電能替代實施需求的輕工業(yè)院區(qū)進行了驗證計算。計算結(jié)果顯示電能替代工作的實施有利于優(yōu)化地區(qū)能源結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境現(xiàn)狀、極大程度地提高傳統(tǒng)能源利用效率，減少用戶運維費用。對于清潔電力占比高的地區(qū)，有利于消納清潔電力，為節(jié)能減排、構(gòu)建節(jié)約型社會提供了決策依據(jù)。