基于电能替代的综合能源系统效益评价方法研究

张兴伟，尹绍阳，梁俊宇，程志，许琦

（1.云南电网有限责任公司曲靖供电局，云南 曲靖 655000； 2. 云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

考虑电能替代效果的综合能源系统评价指标体系可通过多种维度构建。文献[1]根据电网、投资运营商、用户等群体利益关系建立区域综合能源系统在能源、环境、经济、安全、可靠等方面的综合效益评价指标体系；

文献[2]以前期工作、工程建设、生产运行、经济效益等方面进行评估,进而分析电力建设项目存在的不足；文献[3]研究了综合能源系统技术性、经济性和环保性等指标的量化计算模型。评价方法可分为赋权和综合评价两个方面。赋权法包括层次分析法[4]、熵权法[5]等。综合评价法包括TOPSIS[6]、物元可拓法[7]等。文献[8]通过线性与非线性结合的直接关联因素及系统性主成分分析等综合方法量化分析了供给侧改革因素对云南省电量发展的影响。文献[9]在传统逼近理想解排序法的基础上引入灰色关联度，利用熵权法确定指标权重，通过计算得出样本之间的关联度及相对贴近程度；

本文选择以云南省某工业园区为例，构建地区电能替代综合潜力评价体系，研究节能减排环境下电能替代的评价方法，利用层次分析法（AHP）和熵权法进行组合权重的计算，提出基于主客观组合权重的物元可拓评价方法，证明电能替代在绿色能源占比高的地区的可替代性，为后期电能替代的发展奠定良好的基础。

1 电能替代指标选择与体系构建

1.1 电能替代指标

1）清洁能源功能占比

清洁能源功能占比是体现综合能源系统环保水平的一个重要指标，表示综合能源系统对清洁能源的消纳能力。表达式为：

式中：Nc为系统内能源种类数；Qc,i为第i种清洁能源总供能量；NQ为系统内清洁能源种类数；Qi为综合能源系统内第i种能源的供能总量；

2）低碳系数

基于碳平衡原理计算碳排放。计算表达式如下：

式中：Cin、Cout为是电能替代技术替代前的碳排放量和替代后的碳排放量；EF是排放因子，取值范围为1.9～2.5。

1.2 可靠性指标

1）系统失负荷概率

失负荷概率指标表示系统受到某些故障而无法满足负荷需求的概率，且能够反映系统供能不足的风险[10]。

式中：NSAM为抽样次数；XSAM为系统抽样状态集合；FL(Xi)为系统状态Xi的失负荷情况，为0-1变量。

1.3 经济性指标

1）单位供能成本

单位供能成本间接反映能源系统的盈利能力。

式中：Ylife为项目建设方案投产年限；COP、CMA、CEN为系统运行、维护、排放成本，其表达式如公式(5)～(7)所示。

式中：PSYSy,l,t为园区在年份y场景l下t时刻与电网交互的电功率；GSYSy,l,t、QSYSy,l,t分别为园区与外界交互的天然气和蒸汽功率；cEt、cGt、cSt分别为t时刻的电、气和蒸汽单价；cMABAT、cMAHS、cMACS分别为电、热、冷储能设备的单位维护成本；PBATy,l,t、SHSy,l,t、CCSy,l,t分别为电、热、冷储能设备的运行功率；PMAeq,m、Peq,my,l,t分别为能源转换装置m的单位维护成本和运行功率；CE、CG、CS分别为火电、天然气、蒸汽的单位排放成本。

2 用户侧电能替代综合效益评估方法

2.1 组合赋权法

1）运用AHP[4]、熵权法[5]对所有评价指标进行赋权，形成指标权重矩阵，如公式(8)所示：

式中：Hz、Hk分别为主、客观赋权法的数量。ωhj为赋权方法h下指标j的权重，其值满足下式：

2）确定各指标期望组合权重公式

定义期望组合权重向量E(ω)为H组权重向量的线性组合。

式中：ωh=(ωh1,ωh2,...,ωhj)T为赋权方法h的权重向量结果；ωJ为指标j的期望组合权重；ηh为赋权方法h的加权系数，其值满足公式(11)：

3）求解主、客观权重的相对重要程度系数；指标主、客观权重的平均值可由公式(12)和(13)计算：

指标j的主、客观权重的相对重要程度系数γz,j和γk,j;如公式(14)和(15)所示：

4）建立组合赋权优化模型

“基于权重向量偏差最小”的组合赋权法将求解期望组合权重的问题转化为求解线性组合加权系数向量叮，按照期望组合权重向量与H个权重向量的偏差和最小的思想建立组合赋权优化模型，如公式(16)所示：

5）组合赋权优化模型的求解

求解组合赋权法的二次优化模型，解出加权系数向量后代入上式即可求解指标体系的期望组合权重向量。

2.2 物元可拓分析法

1）计算不同规划方案下指标的实际数值；

2）建立规划方案的物元和经典域以及节域模型（本文定义4个经典域等级i为：差、中等、良好、优秀，对应标准分别为(0,70],(70,80],(8 0,90],(90,100])；

定义待评价对象（即规划方案）为N0，其特征（即评价指标体系）为c，量值（即指标计算数值）为V，以R=(N0,c,V)作为描述N0的基本元，即物元，如公式(17)所示：

将评价方案在不同评价等级下的指标量值以区间形式表示，即为物元的经典域模型，如公式(18)所示：

式中：Gi为第i个评价等级；Vi为指标集关于评价等级i的量值区间集合；μij、Vij分别为指标j关于等级i的量值下限和上限。

将经典域模型拓展成包括规划方案、评价指标以及指标对应所有量值范围即为节域模型，反映的是评价指标的全体范围，如公式(19)所示：

式中：G为全体评价等级；满足G=[G1,G2,...,Gp]；Vp为指标集关于全体评价等级的量值区间集合；μjp、vjp分别为指标j在全部评价等级的量值下限和上限。

3）分别计算指标计算数值与经典域和节域的距离；

式中：vj为指标j的计算数值；Vji为指标j关于评价等级i的量值区间。

4）计算指标与等级之间的关联度函数；

式中：Ki(vj)为评价指标vj对于评价等级i的关联度。

5）引入指标期望组合权重计算方案与评价等级的综合关联度

系统中全部评价指标隶属于各个评价等级的程度称为综合关联度，如公式(23)所示：

方案关于评价等级的关联度值越大，则评价方案对该等级的隶属度就越高，则评价方案的等级可以确定为i。

6）计算方案综合评分

根据公式(24)和(25)计算所有方案的评价结果，用于方案的比较和排序。评价结果数值越大，说明方案效益表现越佳。

3 算例分析

本次研究的轻工业园区主要企业共有8户，均已生产农业饲料为主。根据园区最近一年的用电量和用煤量的数据，通过逐时系数法进行模拟，整体电力需求约为2774517 kWh，热力需求折合为电量后为7800527 kWh。年平均电负荷为216.73 kW。该园区热力和电力需求比为2.8:1。该园区现有的8户企业中，为了满足生产线的热力需求，都配备了1～2吨/h不等的燃煤蒸汽锅炉。由于不能满足环保的要求，这些小型燃煤锅炉面临关停的风险。

为此，本文采用所提出的综合能源系统效益评价方法，针对本园区的电能替代需求，对其综合效益进行评估，并对评价模型和方法的有效性和通用性进行验证。

3.1 工业园区方案评价结果分析

轻工业园区能源系统以每2年为一个规划阶段，共设两个阶段，各阶段负荷按高增长率预测，增幅为现阶段负荷的40%。各阶段分设夏季、冬季和过渡季3种典型负荷场景，仅夏季有冷负荷需求，仅冬季有热负荷需求，全年无天然气负荷需求。基于以上介绍的实例，采用指标计算方法[3]求取2个阶段规划方案的评价指标数值，如表1所示。

表1 园区能源系统的评价指标计算结果

确认指标体系和数值后，根据前面介绍的赋权方法进行赋权。组织专家填写判断矩阵并采用层次分析法求取主观权重，结合客观权重代入组合赋权模型，计算对比结果如图1所示。

图1 指标权重计算结果对比

3.2 电能替代设备投入分析

本项目基于相同算例情况下设置如下对比方案：

方案一：仅配置热泵（HP），未配置电锅炉（EB）；

方案二：仅配置电锅炉（EB），未配置热泵（HP）；

方案三：配置电锅炉（EB）、热泵（HP）。

由于3种方案的负荷水平相同，指标数值相同，不影响综合评估结果。重新通过仿真计算求得指标组合权重，如表2所示。

表2 指标组合权重计算结果

将计算出的指标权重代入2.2的物元可拓模型得到不同方案的综合评价结果，如图2所示。

图2 各阶段方案综合评分数值结果

由图2可知，方案三的综合评分结果明显高于对比方案，说明随着电能替代设备的投入，系统建设综合效益呈明显上升趋势，由此证明其对综合能源系统建设效益起到积极的影响。由于对比方案没有同时配备EB和HP，在电能替代效益方面的表现显然与方案三存在明显差距，电能替代设备的配置使得园区清洁能源供能比重提升14.4%，图3可反映这一情况。方案三的失负荷概率这项指标数值与其他两个方案相差不大，3项方案的可靠性均处于较高水准，如图4所示。

图3 方案电能替代指标对比

图4 方案可靠性指标对比

由于3项方案都以同一轻工业园区为例即负荷数据相同，用单位供能成本指标对方案经济性进行分析；方案三由于同时投入EB和HP一定会增加系统的运行成本，但促进了园区能源结构的优化，提升了园区的节能减排效果；总体提升了系统的整体经济型[11]。

4 结束语

本文在所建立的指标体系的基础上，提出了一种利用组合赋权法对物元可拓模型进行优化的综合评价方法，并在云南某个具备电能替代实施需求的轻工业院区进行了验证计算。计算结果显示电能替代工作的实施有利于优化地区能源结构、改善环境现状、极大程度地提高传统能源利用效率，减少用户运维费用。对于清洁电力占比高的地区，有利于消纳清洁电力，为节能减排、构建节约型社会提供了决策依据。