陸圣芝，曹俊杰，周峰，金城，陳正華

（國網(wǎng)江蘇省電力公司揚州供電公司，江蘇 揚州 225000）

隨著全球能源危機(jī)與環(huán)境問題的日益突出，能源互聯(lián)網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system，IES）等概念被提出，并在近幾年能源領(lǐng)域中被廣泛采用[1-2]。IES是能源互聯(lián)網(wǎng)的物理載體[3]，是適應(yīng)能源行業(yè)變革、促進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)推進(jìn)的重要支撐，其包含了冷、熱、電、氣等不同能源系統(tǒng)領(lǐng)域[4]。依據(jù)IES的地理因素與能源發(fā)/輸/配/用等特性，其可以劃分為三類：跨區(qū)級、區(qū)域級與用戶級[5]。作為承上啟下的重要環(huán)節(jié)，區(qū)域級綜合能 源 系 統(tǒng)（regional integrated energy system，RIES）的實現(xiàn)是整個IES建設(shè)的關(guān)鍵。為了實現(xiàn)RIES的有效構(gòu)建，滿足不同能源的合理、高效利用，以及充分了解與認(rèn)識RIES的核心價值，實現(xiàn)對RIES有效評估指標(biāo)體系的構(gòu)建以及方法的提出具有重要意義。

目前，針對RIES的能源轉(zhuǎn)換與利用評估、區(qū)域內(nèi)不同裝置的運行評估等方面均取得了一定的研究成果，例如：為了實現(xiàn)RIES內(nèi)運行設(shè)備的有效評估，考慮系統(tǒng)內(nèi)所存在的大量組件，文獻(xiàn)[6]提出了一種基于馬爾科夫模型多組件的評估方法，實現(xiàn)了區(qū)域RIES的有效評估，但所存在的邊界效應(yīng)需進(jìn)一步解決；針對RIES系統(tǒng)的設(shè)備節(jié)能潛力，文獻(xiàn)[7]通過冷-熱-電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)矩陣實現(xiàn)了該系統(tǒng)節(jié)能潛力的有效評估，取得了較好的效果；文獻(xiàn)[8]提出了基于蒙特卡洛模擬法的RIES評估體系，并依據(jù)不同能源網(wǎng)絡(luò)流動模型對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行了具體分析；站在系統(tǒng)規(guī)劃與運行的角度，文獻(xiàn)[9-12]分別從規(guī)劃方法、模型構(gòu)建與效益評估等角度對RIES進(jìn)行了研究，取得了較好的研究成果；針對RIES中能源利用效率問題，文獻(xiàn)[13]通過參數(shù)分析方法對四種不同的影響RIES效率的因素進(jìn)行了分析，得到了較好的分析效果，然而，文中僅考慮了設(shè)備轉(zhuǎn)換問題，并未對供能子系統(tǒng)做統(tǒng)一分析。通過上述分析可知，目前對于RIES的評估研究工作大多集中于某一特性獨立系統(tǒng)[14]，評估指標(biāo)的細(xì)化導(dǎo)致評估內(nèi)容缺乏多方位與完整性。

針對目前RIES評估指標(biāo)體系與方法所存在的問題，本文首先從能源供應(yīng)效率、能源轉(zhuǎn)換效率、能源供應(yīng)可靠性、能源供應(yīng)質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益與社會效益等六個維度構(gòu)建了用以評估RIES能效的多維度指標(biāo)體系；在此基礎(chǔ)上，通過主、客觀權(quán)重以及組合權(quán)重計算方法的分析，提出了基于多維度評估指標(biāo)體系的RIES能效評估方法；最后，以含有工業(yè)生產(chǎn)區(qū)與商業(yè)區(qū)的RIES為例，對所提多維度評估指標(biāo)體系與方法的有效性進(jìn)行了驗證。

1 RIES多維度能效評估指標(biāo)體系構(gòu)建

為了避免采用單一維度指標(biāo)對RIES評估所帶來的片面性、局限性，同時為確保綜合能效評估結(jié)果的科學(xué)性與合理性，根據(jù)評估目的和數(shù)據(jù)采集條件，從多個角度考慮系統(tǒng)的全部能量輸送與存儲環(huán)節(jié)，以反映評估對象的運行狀態(tài)與系統(tǒng)的本質(zhì)能效屬性為方向，從多維度能效評估角度對RIES進(jìn)行評估是實現(xiàn)規(guī)劃設(shè)計與調(diào)控優(yōu)化的重要依據(jù)。針對區(qū)域級綜合能源系統(tǒng)多維度能效評估指標(biāo)體系構(gòu)建的實際需求和SMART原理的基本概念，在指標(biāo)體系構(gòu)建時遵循目的性、規(guī)范性、全面性、系統(tǒng)性、簡明性、定性定量相結(jié)合與可比性等基本原則。同時考慮RIES中電、冷、熱、氣計量情況，以實用性與可操作性為前提，從能源供應(yīng)效率、能源轉(zhuǎn)換效率、能源供應(yīng)可靠性、能源供應(yīng)質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益以及社會效益六個維度構(gòu)建用以實現(xiàn)RIES多維度能效評估的指標(biāo)體系，具體體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1 綜合能源多維度能效評估指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Multi-dimensional energy efficiency evaluation index system structure of comprehensive energy

1.1 能源供應(yīng)效率指標(biāo)

在RIES中，能源供應(yīng)效率指標(biāo)主要考慮在傳輸網(wǎng)絡(luò)和存儲設(shè)備中的損耗。電、冷、熱、氣系統(tǒng)的供應(yīng)效率指標(biāo)分別如下。

1.1.1 電能供應(yīng)效率

RIES中的電力供應(yīng)主要由外部電網(wǎng)、儲能系統(tǒng)與能源轉(zhuǎn)換裝置三部分構(gòu)成，電力消耗對象則主要為純電負(fù)荷、儲電裝置以及實現(xiàn)熱（冷）、氣等轉(zhuǎn)換的設(shè)備等。因此，本文在考慮供電效率時主要考慮電能的輸送、分配與存儲環(huán)節(jié)?？紤]RIES從外部所購入的電能以及三聯(lián)供機(jī)組所提供電壓等級的不同，在此選定RIES的外購電壓等級與三聯(lián)供機(jī)組電壓等級分別為10 kV與380 V作為代表進(jìn)行具體分析，則RIES的電能供應(yīng)量WE為

式中：Pe為從外部電網(wǎng)購入的電量；ηt為變壓器運行效率；Echp為三聯(lián)供系統(tǒng)所產(chǎn)生的電能；Re為RIES中可再生能源產(chǎn)生的電能；γe為電負(fù)荷的折算系數(shù)；De為儲電裝置所釋放的能量；ηline為電力線路效率。

在RIES電能供應(yīng)量的基礎(chǔ)上，計算得到系統(tǒng)電能供應(yīng)效率：

式中：ηse與ηde分別為儲電裝置的儲/放電效率；Se為計及儲電裝置儲能損耗后實際儲入的能量。

1.1.2 冷/熱能供應(yīng)效率

RIES中的冷/熱供應(yīng)主要由系統(tǒng)外部購入的冷/熱、儲冷/熱系統(tǒng)提供的冷/熱、能源轉(zhuǎn)換裝置供應(yīng)的冷/熱等構(gòu)成。在冷/熱能供應(yīng)系統(tǒng)中，冷/熱能在管網(wǎng)中傳輸勢必會存在一定能量的耗散，在此通過單位長度的管網(wǎng)耗散情況簡化處理。由此，供冷與供熱系統(tǒng)的供冷量Wc與供熱量Wh分別為

式中：Ce-c，Ch-c分別為由電能和熱能通過能源轉(zhuǎn)換裝置獲得的冷能；Hg-h，He-h分別為由天然氣和電能轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換獲得的熱能；Rc，Rh分別為可再生能源產(chǎn)生的冷/熱能；γc為冷負(fù)荷的折算系數(shù)；Hchp為三聯(lián)供系統(tǒng)產(chǎn)生的熱能；Dh為儲熱裝置釋放的熱能；lc，lh分別為冷/熱管網(wǎng)的長度；ac，ah分別為冷/熱管網(wǎng)每100米的耗散率；γh為負(fù)荷的折算系數(shù)；Dc為儲冷裝置釋放的能量；Dh為儲熱裝置釋放的能量。

在RIES冷/熱能供應(yīng)量的基礎(chǔ)上，計算得到系統(tǒng)冷/熱能供應(yīng)效率分別為

式中：ηsh，ηdh分別為儲熱裝置的儲/放熱效率；ηsc，ηdc分別為儲冷裝置的儲/放冷效率；Sh，Sc為計及儲熱/冷裝置儲能損耗后實際儲入的能量；Ph為外部熱網(wǎng)輸入熱量。

1.1.3 供氣效率

RIES中的供氣系統(tǒng)主要指的是其天然氣供應(yīng)系統(tǒng)，其能量輸入端口為外部購入的天然氣與由能量轉(zhuǎn)換裝置產(chǎn)生的天然氣，輸出端口為純天然氣負(fù)荷以及用以轉(zhuǎn)換為冷/熱/電的負(fù)荷。本文不考慮天然氣在供氣系統(tǒng)中的損耗，由此可以計算得到供氣量Wg以及供氣效率近似為100%。

式中：Pg，Ge-g分別為由外部購入以及由電能轉(zhuǎn)換的天然氣量。

1.2 能源轉(zhuǎn)換系數(shù)指標(biāo)

在RIES中，能源轉(zhuǎn)換主要有電轉(zhuǎn)熱/冷、氣轉(zhuǎn)電/熱與熱轉(zhuǎn)冷等。本文考慮的不同能量之間轉(zhuǎn)換的系數(shù)指標(biāo)具體如下。

1.2.1 電轉(zhuǎn)熱/冷能源轉(zhuǎn)換設(shè)備能效

在電轉(zhuǎn)熱/冷過程中，能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的輸入端口為電能，輸出端口為熱/冷能。電轉(zhuǎn)熱/冷能源轉(zhuǎn)換系數(shù)分別可通過下式計算：

式中：Ce-h，Ce-c分別為電轉(zhuǎn)熱/冷的制熱/冷系數(shù)；λh，λe，λc分別為熱、電、冷能折算系數(shù)。

1.2.2 氣轉(zhuǎn)電/熱能源轉(zhuǎn)換設(shè)備能效

在氣轉(zhuǎn)電/熱過程中，能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的輸入端口為天然氣，輸出端口為電/熱能。在此主要考慮熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與燃?xì)忮仩t的能量轉(zhuǎn)換，兩者的轉(zhuǎn)換系數(shù)分別由下兩式計算：

式中：Echp，Hchp分別為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組所產(chǎn)生的電能與熱能；λsteam為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組蒸汽的折算系數(shù)；λg為天然氣折算系數(shù)；Gchp為熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組所消耗的天然氣量；COPg-h為天然氣的制熱系數(shù)。

1.2.3 熱轉(zhuǎn)冷設(shè)備能效

能源轉(zhuǎn)換設(shè)備的輸入端口為熱能，輸出端口為冷能，該類設(shè)備的能源轉(zhuǎn)換系數(shù)為

式中：COPh-c為制冷機(jī)的制冷系數(shù)。

1.3 能源供應(yīng)可靠性指標(biāo)

在RIES中，能源供應(yīng)可靠性指標(biāo)主要考慮冷、熱、電、氣能源供應(yīng)可靠程度，分別構(gòu)建指標(biāo)體系，具體如下。

1.3.1 供電可靠性

供電系統(tǒng)的可靠性通過供電可靠率指標(biāo)表示：

式中：λse為供電系統(tǒng)理論失效率（單位：失效次數(shù)/年）；μse為供電系統(tǒng)理論修復(fù)率（單位：修復(fù)次數(shù)/年）；MTTR為供電系統(tǒng)理論平均修復(fù)時間（單位：h）；MTTF為供電系統(tǒng)理論失效前平均運行時間（單位：h）；f為供電系統(tǒng)理論平均失效頻率（單位：失效次數(shù)/年）。

1.3.2 燃?xì)夤芫W(wǎng)供應(yīng)可靠性

燃?xì)夤芫W(wǎng)的供應(yīng)可靠性以燃?xì)夤芫W(wǎng)的出口壓力合格率表示，以燃?xì)夤芫W(wǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為基準(zhǔn)計算其合格率：

式中：Psc為燃?xì)夤芫W(wǎng)出口壓力測量值；Psb為燃?xì)夤芫W(wǎng)的相關(guān)壓力標(biāo)準(zhǔn)。

1.3.3 供熱、冷可靠性

對于RIES的供熱、冷可靠性以其相關(guān)設(shè)備的故障率表征：

式中：tc/h-n為供冷、熱設(shè)備的正常運行時間；tc/h-m為供冷、熱設(shè)備的故障維修時間。

1.4 能源供應(yīng)質(zhì)量指標(biāo)

在RIES中，能源供應(yīng)質(zhì)量指標(biāo)主要考慮電、冷、熱、氣能源供應(yīng)質(zhì)量，在此分別構(gòu)建指標(biāo)體系。

1.4.1 供電質(zhì)量

在RIES的供電網(wǎng)絡(luò)中，主要考慮中低壓臺區(qū)的諧波含量與電壓合格率兩個指標(biāo)：

式中：Ne-f為中低壓臺區(qū)滿足諧波含量的臺區(qū)數(shù)量；Nall-f為中低壓臺區(qū)總數(shù)量；Ne-U為中低壓臺區(qū)滿足電壓質(zhì)量的檢測點數(shù)量；Nall-U為中低壓臺區(qū)總檢測點數(shù)量。

1.4.2 供氣質(zhì)量

天然氣管網(wǎng)出口質(zhì)量合格率為

式中：TS，TH2S，TC分別為天然氣出口硫、硫化氫、二氧化碳雜質(zhì)含量的測試值；TS-n，TH2S-n，TC-n分別為天然氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中出口硫、硫化氫、二氧化碳雜質(zhì)含量的規(guī)定值。

1.4.3 供冷、熱質(zhì)量

RIES的供冷、熱質(zhì)量以冷、熱網(wǎng)出口溫度波動合格率表示：

式中：Tc/h-max，Tc/h-min分別為冷熱網(wǎng)出口的測量溫度最高與最低值；Tc/h-N為冷、熱用戶所需求的溫度值。

1.5 經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)

本文以單位投資供能成本、單位投資增供能量、財務(wù)凈現(xiàn)值、投資回收期與財務(wù)內(nèi)部收益率來反映其經(jīng)濟(jì)性水平，評價多能源配置條件下的經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化程度。

1.5.1 單位投資供能成本

單位投資供能成本計算如下：

式中：I0為初始投資；VR為固定資產(chǎn)殘值；N為項目運行年份；Ar為第r年的運行成本；Dr為第r年的折舊；Pr為第r年的利息；Yr為第r年的供能量，采用等效電法進(jìn)行統(tǒng)一度量；ir為折現(xiàn)率。

1.5.2 單位投資增供能量

單位投資增供能量UIES（單位：標(biāo)煤/萬元）可采用下式計算：

式中：FAWE，F(xiàn)VBP分別為期末、期初年供能量；CPICE為計算期內(nèi)綜合能源系統(tǒng)建設(shè)工程投資。

1.5.3 財務(wù)凈現(xiàn)值指標(biāo)

財務(wù)凈現(xiàn)值為系統(tǒng)收益能力的計算：

式中：nc為項目計算周期；NCt為計算周期內(nèi)第t年的新增凈現(xiàn)金流量；ic為基準(zhǔn)收益率。

1.5.4 投資回收期

投資回收期PP可采用下式計算：

式中：NY為累計凈現(xiàn)金流量開始出現(xiàn)正值的年分?jǐn)?shù)；ANCF為上年累計凈現(xiàn)金流量；NCF為當(dāng)年凈現(xiàn)金流量。

1.5.5 財務(wù)內(nèi)部收益率

財務(wù)內(nèi)部收益率可采用下式計算：

式中：FIRR為財務(wù)內(nèi)部收益率。

1.6 社會效益指標(biāo)

RIES的社會效益主要從其對環(huán)境的影響角度進(jìn)行分析，在此考慮可再生能源產(chǎn)能占比與年二氧化碳/硫排放減少量等指標(biāo)。

1.6.1 可再生能源產(chǎn)能占比

表示RIES內(nèi)可再生能源提供的能量與系統(tǒng)年總消耗量的比值：

式中：QRGx為RIES內(nèi)第x類可再生能源的年供能量；QGy為RIES內(nèi)第y類能源的年供能量；a為RIES中可再生能源種類數(shù)量；b為RIES中能源種類數(shù)量。

1.6.2 CO2/SO2年排放減少量

CO2/SO2年排放減少量可分別通過下二式計算：

式中：Fco2，F(xiàn)so2分別為CO2/SO2年排放減少量；FC為含碳能源節(jié)約量（折算為標(biāo)準(zhǔn)煤）；Csc為每噸標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)電所產(chǎn)生的CO2排放量；FS為含硫能源節(jié)約量（折算為標(biāo)準(zhǔn)煤）；Cssc為每噸標(biāo)準(zhǔn)煤發(fā)電所產(chǎn)生的SO2排放量。

2 基于多維度指標(biāo)體系的RIES能效評估方法

2.1 權(quán)重計算方法

為了反映不同指標(biāo)對于RIES多維度能效評估的貢獻(xiàn)度，在此選用組合權(quán)重法對指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計算分析，其中主觀權(quán)重法與客觀權(quán)重法分別采用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）與熵權(quán)法（entropy weight method，EWM），最后通過矩估計思想進(jìn)行規(guī)劃求解，進(jìn)而得到組合權(quán)重。

2.1.1 主觀權(quán)重計算

主觀權(quán)重的計算選用AHP，具體思路如下：

1）層次模型構(gòu)建；

2）相對重要程度確定，由此得到判斷矩陣P；

3）重要性排序計算：計算P的最大特征根λmax與特征向量w：P=λmaxw；然后，將特征向量歸一化，即得到各個因素的權(quán)重分配；

4）一致性檢驗：利用一致性檢驗來驗證權(quán)重的合理性，所需的一致性指標(biāo)為CI（consistency index）：CI=λmax/（k-1）；k為每一層次中影響因素數(shù)量；

5）計算一致性比例CR（consistency ratio）：CR=CI/RI，其中RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)。

2.1.2 客觀權(quán)重計算

客觀權(quán)重計算采用EWM，其主要思路為利用指標(biāo)的信息熵來確定熵值，然后通過熵權(quán)計算對權(quán)重進(jìn)行修正，具體步驟如下：

1）指標(biāo)矩陣的構(gòu)建。評價對象的樣本數(shù)為p，評價指標(biāo)數(shù)為q，各指標(biāo)值為v（iji=1，2，…，p；j=1，2，…，q），則指標(biāo)矩陣為Vpq。

2）規(guī)范化指標(biāo)矩陣。對指標(biāo)矩陣進(jìn)行規(guī)范化處理，得到規(guī)范化矩陣為X=（xi）jpq，其中xij為矩陣中第i個樣本的第j個指標(biāo)值，可通過下式計算：

3）EWM確定指標(biāo)權(quán)重。每種指標(biāo)出現(xiàn)的概率hij，第j項指標(biāo)的熵權(quán)sj，系統(tǒng)的信息熵kj分別為

指標(biāo)權(quán)重列向量為

式中，sq為第q項指標(biāo)權(quán)重。

4）加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化。加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣為

式中：yij為標(biāo)準(zhǔn)化矩陣第i個樣本的第j個指標(biāo)值。

2.1.3 組合權(quán)重計算

在此提出基于AHP-EWM的組合權(quán)重計算方法對指標(biāo)進(jìn)行賦值。由上述AHP與EWM計算得到的權(quán)重向量分別為T=（t1，t2，…，tq）與S=（s1，s2，…，sq）T，兩者對組合權(quán)重向量的相對重要程度分別為α與β，且滿足組合權(quán)重向量與主觀權(quán)重向量的偏差最?。?/p>

式中：H（w）j為組合權(quán)重；wj為第j個指標(biāo)組合權(quán)重；α為主觀權(quán)重向量對組合權(quán)重的相對重要程度；β為客觀權(quán)重向量對組合權(quán)重的相對重要程度。

依據(jù)矩估計的基本思想，計算不同指標(biāo)的主/客觀權(quán)重的期望值，進(jìn)而可以計算單一指標(biāo)主/客觀權(quán)重向量的相對重要系數(shù)：

對于多決策矩陣中的評價指標(biāo)，可計算整體主/客觀權(quán)重向量的相對重要系數(shù)：

針對每一個指標(biāo)xj，以H（w）j最小為優(yōu)，可轉(zhuǎn)換為如下公式：

將多目標(biāo)最優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)最優(yōu)化模型進(jìn)行求解，計算方式如下：

2.2 能效評估方法

基于上述所構(gòu)建的指標(biāo)體系，進(jìn)行RIES運行方案的能效評估，評價周期為一個自然年。鑒于優(yōu)劣解距離法（technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS）具有不受指標(biāo)量綱影響、能充分反映不同方案之間的差距、可以真實反映實際情況、直觀可靠等優(yōu)勢，具有普遍的適用性。然而，TOPSIS法對于單一方案的評估卻存在一定局限，由此提出改進(jìn)型TOPSIS法，具體如下：

1）建立評估初始矩陣。在樣本數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上得到實際值A(chǔ)1=[c11c12…c1e]，并選取指標(biāo)的預(yù)期值為最優(yōu)值A(chǔ)2=[c21c22…c2e]，選定傳統(tǒng)規(guī)劃方案下的指標(biāo)值為最劣值A(chǔ)3=[c31c32…c3e]，進(jìn)而構(gòu)建評估初始矩陣：

式中：e為二級指標(biāo)個數(shù)。

2）決策矩陣規(guī)范化。利用下式對初始矩陣進(jìn)行規(guī)范化處理：

3）構(gòu)造加權(quán)規(guī)范矩陣Z=（zmn）3×e：

4）實際值與最優(yōu)/劣值之間的距離：

式中：d+與d-為實際值與最優(yōu)/最劣值之間的距離；zm+與zm-分別為正理想解與負(fù)理想解，zm+由矩陣Z中每列數(shù)據(jù)的最大值構(gòu)成，zm-由矩陣Z中每列數(shù)據(jù)的最小值構(gòu)成。

5）評分標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建：

該評分標(biāo)準(zhǔn)反映了指標(biāo)實際值與最優(yōu)值的接近程度，該值越大則越優(yōu)。相較于其他方法，對單個評價對象指標(biāo)最優(yōu)/劣值的選取進(jìn)行了優(yōu)化，改進(jìn)了各指標(biāo)實際值與最優(yōu)值接近程度的計算方法，改進(jìn)后的TOPSIS法可以通過定量計算分析各方案的效果，更加直觀、清晰地對不同規(guī)劃方案進(jìn)行評估。在該方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合上文所提出的多維度能效評估指標(biāo)體系，對RIES的能效進(jìn)行評估，具體評估流程如圖2所示。

圖2 評估流程示意圖Fig.2 Schematic diagram of assessment process

由圖2可知：從能源供應(yīng)與轉(zhuǎn)換效率、能源供應(yīng)可靠性與質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)與社會效益等角度確定了RIES的指標(biāo)體系；然后，通過組合賦權(quán)法實現(xiàn)指標(biāo)體系權(quán)重的計算；最后，基于構(gòu)建的指標(biāo)體系與權(quán)重，利用改進(jìn)的TOPSIS法對RIES的能效進(jìn)行評估，即形成基于多維度能效評估指標(biāo)體系的RIES評估方法。

3 算例分析

以某一138平方公里區(qū)域系統(tǒng)為例進(jìn)行計算分析，該區(qū)域由工業(yè)生產(chǎn)區(qū)與商業(yè)區(qū)構(gòu)成。區(qū)域內(nèi)電負(fù)荷由外部電網(wǎng)、CCHP機(jī)組供應(yīng)，冷負(fù)荷由常規(guī)冷機(jī)等供應(yīng)（基于供熱負(fù)荷指標(biāo)與用地規(guī)劃情況進(jìn)行供熱/制冷負(fù)荷估算，其中全年累計供熱、制冷天數(shù)選取120天，且將熱水負(fù)荷需求按照熱水水溫為60℃、冷水水溫20℃進(jìn)行熱負(fù)荷折算）。追溯至電力生產(chǎn)的污染物排放強(qiáng)度參考表1所示。

表1 污染排放強(qiáng)度參考Tab.1 Pollution emission intensity reference

在此對該區(qū)域的工業(yè)生產(chǎn)區(qū)與商業(yè)區(qū)兩種RIES典型場景進(jìn)行多維度能效評估。RIES在源-網(wǎng)-荷-儲配置時，最優(yōu)的容量配置可以確保系統(tǒng)能在滿足可靠性以及安全性約束的條件下實現(xiàn)最低成本投入并且保證系統(tǒng)在最優(yōu)情況下運行。系統(tǒng)設(shè)備過度的容量配置會增加系統(tǒng)的成本，然而配置不足則會造成可再生能源的浪費、能源供不應(yīng)求等情況。因此，為了對比分析不同配置方式下系統(tǒng)的多維度能效，本文選取RIES的單一目標(biāo)最優(yōu)配置方式以及多目標(biāo)最優(yōu)配置方式兩種不同方案進(jìn)行多維度能效評估。

3.1 工業(yè)生產(chǎn)區(qū)能效評估

3.1.1 單一目標(biāo)效益最優(yōu)供能模式

為了緩解環(huán)境污染壓力、降低碳排放，RIES通過可再生能源的有效利用能夠減少污染氣體的排放。選取環(huán)境效益為單一目標(biāo)進(jìn)行仿真，在環(huán)境效益最優(yōu)模式中，以系統(tǒng)各個設(shè)備年運行中的污染氣體排放量為目標(biāo)函數(shù)，利用污染排放系數(shù)表示能源消耗的污染排放。運行優(yōu)化也以污染最小為目標(biāo)。某區(qū)域環(huán)境效益最優(yōu)匹配方案如下所示，其環(huán)境效益好，但經(jīng)濟(jì)性與能源效率都較差。

在環(huán)境效益最優(yōu)模式下，以降低碳排放、降低污染物排放為主要目標(biāo)進(jìn)行容量配置，工業(yè)生產(chǎn)區(qū)配置容量情況如下：光伏發(fā)電系統(tǒng)25 MW，燃?xì)廨啓C(jī)101.5 MW，吸收式制冷機(jī)69.592 MW，余熱鍋爐55.59 MW，水源熱泵3 MW，地源熱泵3.28 MW，其余能量由電網(wǎng)提供。

3.1.2 多目標(biāo)效益最優(yōu)供能模式

根據(jù)區(qū)域資源情況選取合適的分布式能源設(shè)備，以年成本最低為目標(biāo)進(jìn)行容量配置。年成本包括設(shè)備初始投資等年值、年購能花費、年設(shè)備維護(hù)費用。運行層面的優(yōu)化以每小時的經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，使得系統(tǒng)的運行成本最低。

多目標(biāo)效益最優(yōu)供能模式下，工業(yè)生產(chǎn)區(qū)資源情況選取合適的分布式能源設(shè)備，以年成本最低為目標(biāo)進(jìn)行容量配置，配置容量情況為：光伏發(fā)電系統(tǒng)30 MW，燃?xì)廨啓C(jī)80.011 MW，吸收式制冷機(jī)52.614 MW，余熱鍋爐44.645 MW，燃?xì)忮仩t10.9 MW，水源熱泵1.668 MW，地源熱泵3.121 MW，空氣源熱泵1.352 MW，其余能量由電網(wǎng)提供。根據(jù)上文的指標(biāo)計算方法進(jìn)行指標(biāo)計算，結(jié)果如表2所示。

使用層次分析法計算一級指標(biāo)與二級指標(biāo)的主觀權(quán)重，使用熵權(quán)法計算各二級指標(biāo)客觀權(quán)，然后基于矩估計的思想，構(gòu)建組合權(quán)重的目標(biāo)函數(shù)，使用非線性規(guī)劃求解計算得到最優(yōu)組合權(quán)重，結(jié)果如圖3所示。

圖3 工業(yè)生產(chǎn)區(qū)指標(biāo)組合權(quán)重計算結(jié)果Fig.3 Calculation results of index combination weight in industrial production area

使用改進(jìn)TOPSIS評價方法對兩種供能模式下的能效進(jìn)行評估。通過仿真，得到各典型場景不同供能模式下的能效評估結(jié)果如表3所示。

表3 工業(yè)生產(chǎn)區(qū)能效評估計算結(jié)果Tab.3 Calculation results of energy efficiency assessment in industrial production area

通過工業(yè)生產(chǎn)區(qū)兩種供能模式下多維度能效評估可以看出，多目標(biāo)效益最優(yōu)供能模式的能效優(yōu)于單一目標(biāo)效益最優(yōu)模式下的能效。

3.2 商業(yè)區(qū)能效評估

3.2.1 單一目標(biāo)最優(yōu)供能模式

在環(huán)境效益最優(yōu)模式下，以降低碳排放、降低污染物排放為主要目標(biāo)進(jìn)行容量配置，商業(yè)區(qū)配置容量情況如下：燃?xì)廨啓C(jī)76.160 MW，吸收式制冷機(jī)5 MW，余熱鍋爐4 MW，空氣源熱泵1.5 MW，其余能量由電網(wǎng)提供。

3.2.2 多目標(biāo)最優(yōu)供能模式

多目標(biāo)效益最優(yōu)供能模式下，商業(yè)區(qū)資源情況選取合適的分布式能源設(shè)備，以年成本最低為目標(biāo)進(jìn)行容量配置，配置容量情況為：燃?xì)廨啓C(jī)6 MW，吸收式制冷機(jī)4 MW，余熱鍋爐3.5 MW，空氣源熱泵0.4 MW，電制冷機(jī)1.5 MW，其余能量由電網(wǎng)提供。根據(jù)上文指標(biāo)計算方法進(jìn)行指標(biāo)與權(quán)重計算，結(jié)果如表4與圖4所示。

表4 商業(yè)區(qū)不同供能模式指標(biāo)計算結(jié)果Tab.4 Index calculation results of different energy supply modes in business district

圖4 商業(yè)區(qū)指標(biāo)組合權(quán)重計算結(jié)果Fig.4 Calculation results of business district index combination weight

使用改進(jìn)TOPSIS評價方法對兩種供能模式下的能效進(jìn)行評估。通過仿真，得到各典型場景不同供能模式下的能效評估結(jié)果如表5所示。

表5 商業(yè)區(qū)能效評估計算結(jié)果Tab.5 Calculation results of energy efficiency assessment of business district

通過對商業(yè)區(qū)兩種供能模式下多維度能效進(jìn)行評估可以看出，多目標(biāo)效益最優(yōu)供能模式的能效優(yōu)于單一目標(biāo)效益最優(yōu)模式下的能效。

4 結(jié)論

本文根據(jù)評估目的和RIES的數(shù)據(jù)采集條件，綜合考慮系統(tǒng)的全部能量輸送與存儲環(huán)節(jié)，以反映評估對象的運行狀態(tài)與系統(tǒng)的本質(zhì)能效屬性為原則與方向，建立了包含能源供應(yīng)效率、能源轉(zhuǎn)換效率、能源供應(yīng)可靠性、能源供應(yīng)質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)效益與社會效益等六個維度的指標(biāo)體系并給出了其所對應(yīng)指標(biāo)的含義與計算方法；為了實現(xiàn)RIES的有效評估，本文在評價指標(biāo)歸一化的基礎(chǔ)上，提出了基于多維度評估指標(biāo)體系的RIES能效評估方法，并在組合權(quán)重計算的基礎(chǔ)上提出了基于改進(jìn)TOPSIS法的RIES能效評估方法；最后，以某一由工業(yè)生產(chǎn)區(qū)與商業(yè)區(qū)構(gòu)成的138平方公里的區(qū)域系統(tǒng)為例進(jìn)行了不同供能模式對比評估，由評估的計算結(jié)果可以看出，本文所提指標(biāo)體系與評估方法具有較好的實用性，可以為未來RIES的能效評估工作提供一定參考與借鑒。