鐘永潔，紀(jì)陵，李靖霞，檀庭方，范仲鳴，李昊航

（1.南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司，南京 211153； 2.國電南京自動化股份有限公司，南京 211153；3.南京國電南自軟件工程有限公司，南京 211153）

0 引言

能源為人類生活與生產(chǎn)提供能量，每一次工業(yè)革命都離不開能源類型和使用方式的革新［1-3］。進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著全球一次能源價格的日益上漲和環(huán)境的不斷惡化，以風(fēng)能、太陽能為代表的清潔可再生能源相對于傳統(tǒng)的化石燃料在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)方面的差距正不斷縮?。?，4-7］。近年來，能源系統(tǒng)源、網(wǎng)、荷各環(huán)節(jié)形態(tài)呈現(xiàn)多樣化特征［2，8-10］，各種能源轉(zhuǎn)化和存儲設(shè)備的革新促進(jìn)了能源系統(tǒng)的深度耦合，能源互聯(lián)網(wǎng)、綜合能源系統(tǒng)等概念成為產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的熱點［4，11-13］。文獻(xiàn)［6］提出了一種分布式協(xié)同雙層優(yōu)化模型，考慮上級電網(wǎng)實時電價和多園區(qū)系統(tǒng)供求關(guān)系的園區(qū)間交易機制，以保障各園區(qū)利益；文獻(xiàn)［9］針對園區(qū)綜合能源系統(tǒng)實際運行中綜合需求響應(yīng)不確定性問題，提出了計及綜合需求響應(yīng)不確定性的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行模型，提高了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性以及可再生能源的消納水平；文獻(xiàn)［11］建立了電-氣-熱耦合綜合能源系統(tǒng)的混合能流計算模型，實現(xiàn)了時間斷面的混合能流仿真。相比傳統(tǒng)電網(wǎng)，綜合能源系統(tǒng)有大量新能源接入，涵蓋冷、熱、電等多種能源形態(tài)［3，7，13-15］，集多種能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、輸送及消費各環(huán)節(jié)于一體，可以實現(xiàn)對冷、熱、電等各類能源的綜合管控，推動能源行業(yè)朝低碳、高效的方向發(fā)展［6，9，16-18］。

綜合能源系統(tǒng)作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要載體［4，9，19-20］，是研究不同能源內(nèi)部運行機理，推廣能源先進(jìn)技術(shù)的前沿陣地，具有重要的研究意義［5，10，19-21］。它是多種能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的有機耦合和集成，打破了行業(yè)界限，實現(xiàn)了系統(tǒng)資源消耗少、能量轉(zhuǎn)化效率高、污染物排放少的綜合目標(biāo)，是一種能源、資源和環(huán)境一體化的系統(tǒng)［9，14，22-25］。文獻(xiàn)［1］在傳統(tǒng)可靠性評估指標(biāo)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步根據(jù)電-氣耦合程度、供氣系統(tǒng)延時特性建立了電-氣綜合能源系統(tǒng)可靠性評估指標(biāo)體系，基于蒙特卡洛法從多角度全面分析了聯(lián)合系統(tǒng)的可靠性；文獻(xiàn)［4］歸納了能源互聯(lián)網(wǎng)的多能流耦合特征，分析了能源互聯(lián)網(wǎng)的多能流交互機理，對多源互補動態(tài)優(yōu)化方法進(jìn)行了深入剖析；文獻(xiàn)［8］分析了電動汽車快充網(wǎng)-用戶-交通網(wǎng)-配電網(wǎng)之間的耦合交互關(guān)系，提出了4個準(zhǔn)則并在準(zhǔn)則下構(gòu)建了相應(yīng)的評價指標(biāo)，利用層次分析法和熵權(quán)法分別確定準(zhǔn)則層和指標(biāo)層權(quán)重，實現(xiàn)對各主體的影響并進(jìn)行了綜合評估。由于綜合能源系統(tǒng)的開放性和復(fù)雜性，其組成形式可以多種多樣，對外部環(huán)境的影響也各不相同，究竟應(yīng)該采取何種形式以適應(yīng)不同的發(fā)展要求［7，16，22-24］，簡單的分析較難對各方案做出全面評價，迫切需要在多學(xué)科交叉的理論指引下，提出新的綜合能源系統(tǒng)評價準(zhǔn)則與方法［8，13，26-28］。

由此可見，綜合能源系統(tǒng)的綜合評估是探究區(qū)域多能協(xié)同規(guī)劃、系統(tǒng)配置設(shè)計、系統(tǒng)優(yōu)化運行及能效提升等方面的關(guān)鍵所在，科學(xué)合理的綜合評估方法對綜合能源系統(tǒng)的健康發(fā)展極為重要［8-9，12，24］。因此，有必要采取系統(tǒng)工程理論和方法，對綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行綜合的性能分析和評價，從而指導(dǎo)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計并為最終決策提供科學(xué)依據(jù)。

1 綜合評估方法基本流程

本文提出基于層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）的綜合能源系統(tǒng)多場景優(yōu)化運行模式綜合評估方法，綜合考慮綜合能源系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性、節(jié)能性需求，對綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確、全面、綜合、有效的評價，為綜合能源系統(tǒng)最佳優(yōu)化運行模式提供理論指導(dǎo)。該綜合能源系統(tǒng)多場景優(yōu)化運行模式綜合評估流程如圖1所示。

圖1 綜合能源系統(tǒng)多場景優(yōu)化運行模式綜合評估流程Fig.1 Comprehensive evaluation of integrated energy system multi-scenario optimization operation modes

基于AHP 的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行模式綜合評估方法基本流程主要包括以下3個步驟。

（1）構(gòu)建綜合能源系統(tǒng)評價指標(biāo)，包括節(jié)能率、能量損失、新能源占比、新能源消納率、運行維護(hù)成本。

（2）建立綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行模式模型，包括經(jīng)濟(jì)型優(yōu)化運行模式模型、環(huán)保型優(yōu)化運行模式模型、節(jié)能型優(yōu)化運行模式模型。

（3）基于AHP 綜合評估綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化運行模式，包括建立綜合能源系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)模型、構(gòu)造綜合能源系統(tǒng)綜合評價判斷矩陣、綜合能源系統(tǒng)層次單排序及一致性檢驗、綜合能源系統(tǒng)層次總排序及一致性檢驗。

2 綜合能源系統(tǒng)評價指標(biāo)

2.1 節(jié)能率

2.2 能量損失

2.3 新能源占比

2.4 新能源消納率

2.5 運行維護(hù)成本

3 綜合能源系統(tǒng)多場景優(yōu)化運行模式

3.1 經(jīng)濟(jì)型優(yōu)化運行模式模型

3.2 環(huán)保型優(yōu)化運行模式模型

3.3 節(jié)能型優(yōu)化運行模式模型

4 基于AHP綜合評估系統(tǒng)優(yōu)化運行模式

4.1 建立綜合能源系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)模型

4.2 構(gòu)造綜合能源系統(tǒng)綜合評價判斷矩陣

假設(shè)目標(biāo)層中的因素與指標(biāo)層中的因素有聯(lián)系，則構(gòu)造的判斷矩陣為

式中：B為綜合能源系統(tǒng)綜合評價判斷矩陣；bij為B的第i行、第j列元素，其元素按SANTY 的1—9 標(biāo)度方法取值。

4.3 綜合能源系統(tǒng)層次單排序及其一致性檢驗

為衡量IC的大小，引入隨機一致性指標(biāo)，獲得一致性比率

式中：IR為隨機一致性指標(biāo)，其按SANTY 的方法結(jié)果取值；RC為一致性比率，一般情況下，當(dāng)RC＜0.1時，認(rèn)為B的不一致程度在容許范圍內(nèi)，通過一致性檢驗，可用其歸一化特征向量作為權(quán)向量，否則要重新構(gòu)造B，對bij加以調(diào)整。

4.4 綜合能源系統(tǒng)層次總排序及其一致性檢驗

計算方案層的所有因素對于總目標(biāo)相對重要性的權(quán)值，稱為層次總排序。這一過程是從目標(biāo)層到方案層依次進(jìn)行的。

方案層上各元素對總目標(biāo)的總排序為征向量中第q個元素；p取值為1，2，3；q取值為1，2，3，4，5，6。

通過計算與單排序類似的檢驗量來評價層次總排序計算結(jié)果的一致性，方案層的總排序一致性比率為

5 算例分析

5.1 算例介紹

文中算例以夏秋過渡季節(jié)的典型日為研究對象，優(yōu)化仿真時間步長為1 h，優(yōu)化運行周期為24 h，算例的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 綜合能源系統(tǒng)算例結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of the exampled integrated energy system

圖2中，能量流程如下。

（1）輸入端有大電網(wǎng)電能輸入、天然氣網(wǎng)絡(luò)的天然氣輸入、計及風(fēng)電和光伏的新能源輸入。

（2）輸出端有電負(fù)荷、冷負(fù)荷、熱負(fù)荷；電轉(zhuǎn)氣設(shè)備從輸入端的電能母線獲得電能并將電能轉(zhuǎn)換為天然氣注入天然氣母線。

（3）燃?xì)忮仩t從天然氣母線獲得天然氣，通過燃燒加熱冷水輸出熱負(fù)荷所需熱能。

（4）燃?xì)廨啓C從天然氣母線獲得天然氣，生產(chǎn)的電能注入電能母線；同時，產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄈ胛帐街评錂C，吸收式制冷機充分利用余熱為冷負(fù)荷供冷能。

（5）電制熱能量轉(zhuǎn)換設(shè)備如電熱器通過消耗電能產(chǎn)生熱能注入熱能母線。

（6）電制冷能量轉(zhuǎn)換設(shè)備通過消耗電能產(chǎn)生冷能注入冷能母線。

（7）氣儲、電儲、熱儲均接入相應(yīng)的能量類型母線。

5.2 結(jié)果分析

本文采用通用的試用版商業(yè)優(yōu)化求解軟件LINGO 并調(diào)用其集成的全局求解包處理文中所構(gòu)建的優(yōu)化目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。本文算例在不同優(yōu)化運行模式下的目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果見表1。由表1可見：經(jīng)濟(jì)型優(yōu)化運行模式目標(biāo)函數(shù)最小值為417 972.2元，即一個優(yōu)化運行周期內(nèi)的能源消耗費用；環(huán)保型優(yōu)化運行模式目標(biāo)函數(shù)最小值為326.3 kg；節(jié)能型優(yōu)化運行模式目標(biāo)函數(shù)最小值為1 989.1 kW·h。

表1 不同優(yōu)化運行模式下綜合能源系統(tǒng)目標(biāo)值優(yōu)化結(jié)果Table 1 Optimized objective values of the integrated energy system under different optimization operation modes

本文算例在不同優(yōu)化運行模式下的各類型指標(biāo)優(yōu)化結(jié)果見表2。

表2 不同優(yōu)化運行模式下綜合能源系統(tǒng)各指標(biāo)優(yōu)化結(jié)果Table 2 Optimized indexes of the integrated energy system under different optimization operation modes

不同指標(biāo)具有不同的單位、不同的數(shù)量級，將它們進(jìn)行直接比較是十分困難的，因此需要將它們進(jìn)行規(guī)范化處理，其中節(jié)能率、新能源占比、新能源消納率為效益型指標(biāo)，能量損失量、運行維護(hù)成本為成本型指標(biāo)，規(guī)范化后的結(jié)果見表3。

表3 不同優(yōu)化運行模式下綜合能源系統(tǒng)各指標(biāo)規(guī)范化結(jié)果Table 3 Standardized indexes of the integrated energy system under different optimization operation modes

根據(jù)表3 及上述所的權(quán)向量，可以獲得不同優(yōu)化運行模式下的規(guī)范化后綜合評估值：經(jīng)濟(jì)型優(yōu)化運行模式綜合評估值為0.44，環(huán)保型優(yōu)化運行模式綜合評估值為0.29，節(jié)能型優(yōu)化運行模式綜合評估值為0.27。

從綜合評估值看，經(jīng)濟(jì)型優(yōu)化運行模式是最佳的優(yōu)化運行模式，環(huán)保型優(yōu)化運行模式與節(jié)能型優(yōu)化運行模式綜合評估值相近，從數(shù)學(xué)優(yōu)化目標(biāo)表達(dá)式亦可以看出，它們具有相同的線性平行關(guān)系，進(jìn)一步說明了本文所提綜合能源系統(tǒng)多場景優(yōu)化運行模式綜合評估模型與方法的合理性、實用性與有效性。

6 結(jié)束語

與現(xiàn)有技術(shù)及研究相比，本文所提綜合評估方法綜合考慮了綜合能源系統(tǒng)的節(jié)能率、能量損失、新能源占比、新能源消納率、運行維護(hù)成本，精確、全面反映和衡量了綜合能源系統(tǒng)的本質(zhì)特征。建立了經(jīng)濟(jì)型優(yōu)化運行模式模型、環(huán)保型優(yōu)化運行模式模型、節(jié)能型優(yōu)化運行模式模型，從系統(tǒng)工程角度出發(fā)，更加真實、客觀地描述現(xiàn)實系統(tǒng)的運行模式?；贏HP 綜合評估了綜合能源系統(tǒng)多場景優(yōu)化運行模式，定性分析與定量分析相結(jié)合，考慮長遠(yuǎn)利益與當(dāng)前利益，通過逐次分層分解和綜合評估，從而保證綜合能源系統(tǒng)綜合效益最大化。