综合能源系统多场景优化运行模式综合评估方法研究

钟永洁，纪陵，李靖霞，檀庭方，范仲鸣，李昊航

（1.南京国电南自电网自动化有限公司，南京 211153； 2.国电南京自动化股份有限公司，南京 211153；3.南京国电南自软件工程有限公司，南京 211153）

0 引言

能源为人类生活与生产提供能量，每一次工业革命都离不开能源类型和使用方式的革新［1-3］。进入21世纪以来，随着全球一次能源价格的日益上涨和环境的不断恶化，以风能、太阳能为代表的清洁可再生能源相对于传统的化石燃料在技术、经济方面的差距正不断缩小［2，4-7］。近年来，能源系统源、网、荷各环节形态呈现多样化特征［2，8-10］，各种能源转化和存储设备的革新促进了能源系统的深度耦合，能源互联网、综合能源系统等概念成为产业界关注的热点［4，11-13］。文献［6］提出了一种分布式协同双层优化模型，考虑上级电网实时电价和多园区系统供求关系的园区间交易机制，以保障各园区利益；文献［9］针对园区综合能源系统实际运行中综合需求响应不确定性问题，提出了计及综合需求响应不确定性的园区综合能源系统优化运行模型，提高了系统运行的经济性以及可再生能源的消纳水平；文献［11］建立了电-气-热耦合综合能源系统的混合能流计算模型，实现了时间断面的混合能流仿真。相比传统电网，综合能源系统有大量新能源接入，涵盖冷、热、电等多种能源形态［3，7，13-15］，集多种能源生产、转换、输送及消费各环节于一体，可以实现对冷、热、电等各类能源的综合管控，推动能源行业朝低碳、高效的方向发展［6，9，16-18］。

综合能源系统作为能源互联网的重要载体［4，9，19-20］，是研究不同能源内部运行机理，推广能源先进技术的前沿阵地，具有重要的研究意义［5，10，19-21］。它是多种能源转换技术的有机耦合和集成，打破了行业界限，实现了系统资源消耗少、能量转化效率高、污染物排放少的综合目标，是一种能源、资源和环境一体化的系统［9，14，22-25］。文献［1］在传统可靠性评估指标的基础上进一步根据电-气耦合程度、供气系统延时特性建立了电-气综合能源系统可靠性评估指标体系，基于蒙特卡洛法从多角度全面分析了联合系统的可靠性；文献［4］归纳了能源互联网的多能流耦合特征，分析了能源互联网的多能流交互机理，对多源互补动态优化方法进行了深入剖析；文献［8］分析了电动汽车快充网-用户-交通网-配电网之间的耦合交互关系，提出了4个准则并在准则下构建了相应的评价指标，利用层次分析法和熵权法分别确定准则层和指标层权重，实现对各主体的影响并进行了综合评估。由于综合能源系统的开放性和复杂性，其组成形式可以多种多样，对外部环境的影响也各不相同，究竟应该采取何种形式以适应不同的发展要求［7，16，22-24］，简单的分析较难对各方案做出全面评价，迫切需要在多学科交叉的理论指引下，提出新的综合能源系统评价准则与方法［8，13，26-28］。

由此可见，综合能源系统的综合评估是探究区域多能协同规划、系统配置设计、系统优化运行及能效提升等方面的关键所在，科学合理的综合评估方法对综合能源系统的健康发展极为重要［8-9，12，24］。因此，有必要采取系统工程理论和方法，对综合能源系统进行综合的性能分析和评价，从而指导系统的优化设计并为最终决策提供科学依据。

1 综合评估方法基本流程

本文提出基于层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）的综合能源系统多场景优化运行模式综合评估方法，综合考虑综合能源系统经济性、环保性、节能性需求，对综合能源系统进行准确、全面、综合、有效的评价，为综合能源系统最佳优化运行模式提供理论指导。该综合能源系统多场景优化运行模式综合评估流程如图1所示。

图1 综合能源系统多场景优化运行模式综合评估流程Fig.1 Comprehensive evaluation of integrated energy system multi-scenario optimization operation modes

基于AHP 的综合能源系统优化运行模式综合评估方法基本流程主要包括以下3个步骤。

（1）构建综合能源系统评价指标，包括节能率、能量损失、新能源占比、新能源消纳率、运行维护成本。

（2）建立综合能源系统优化运行模式模型，包括经济型优化运行模式模型、环保型优化运行模式模型、节能型优化运行模式模型。

（3）基于AHP 综合评估综合能源系统优化运行模式，包括建立综合能源系统层次结构模型、构造综合能源系统综合评价判断矩阵、综合能源系统层次单排序及一致性检验、综合能源系统层次总排序及一致性检验。

2 综合能源系统评价指标

2.1 节能率

2.2 能量损失

2.3 新能源占比

2.4 新能源消纳率

2.5 运行维护成本

3 综合能源系统多场景优化运行模式

3.1 经济型优化运行模式模型

3.2 环保型优化运行模式模型

3.3 节能型优化运行模式模型

4 基于AHP综合评估系统优化运行模式

4.1 建立综合能源系统层次结构模型

4.2 构造综合能源系统综合评价判断矩阵

假设目标层中的因素与指标层中的因素有联系，则构造的判断矩阵为

式中：B为综合能源系统综合评价判断矩阵；bij为B的第i行、第j列元素，其元素按SANTY 的1—9 标度方法取值。

4.3 综合能源系统层次单排序及其一致性检验

为衡量IC的大小，引入随机一致性指标，获得一致性比率

式中：IR为随机一致性指标，其按SANTY 的方法结果取值；RC为一致性比率，一般情况下，当RC＜0.1时，认为B的不一致程度在容许范围内，通过一致性检验，可用其归一化特征向量作为权向量，否则要重新构造B，对bij加以调整。

4.4 综合能源系统层次总排序及其一致性检验

计算方案层的所有因素对于总目标相对重要性的权值，称为层次总排序。这一过程是从目标层到方案层依次进行的。

方案层上各元素对总目标的总排序为征向量中第q个元素；p取值为1，2，3；q取值为1，2，3，4，5，6。

通过计算与单排序类似的检验量来评价层次总排序计算结果的一致性，方案层的总排序一致性比率为

5 算例分析

5.1 算例介绍

文中算例以夏秋过渡季节的典型日为研究对象，优化仿真时间步长为1 h，优化运行周期为24 h，算例的基础结构如图2所示。

图2 综合能源系统算例结构Fig.2 Structure of the exampled integrated energy system

图2中，能量流程如下。

（1）输入端有大电网电能输入、天然气网络的天然气输入、计及风电和光伏的新能源输入。

（2）输出端有电负荷、冷负荷、热负荷；电转气设备从输入端的电能母线获得电能并将电能转换为天然气注入天然气母线。

（3）燃气锅炉从天然气母线获得天然气，通过燃烧加热冷水输出热负荷所需热能。

（4）燃气轮机从天然气母线获得天然气，生产的电能注入电能母线；同时，产生的高温烟气通入吸收式制冷机，吸收式制冷机充分利用余热为冷负荷供冷能。

（5）电制热能量转换设备如电热器通过消耗电能产生热能注入热能母线。

（6）电制冷能量转换设备通过消耗电能产生冷能注入冷能母线。

（7）气储、电储、热储均接入相应的能量类型母线。

5.2 结果分析

本文采用通用的试用版商业优化求解软件LINGO 并调用其集成的全局求解包处理文中所构建的优化目标优化数学模型。本文算例在不同优化运行模式下的目标优化结果见表1。由表1可见：经济型优化运行模式目标函数最小值为417 972.2元，即一个优化运行周期内的能源消耗费用；环保型优化运行模式目标函数最小值为326.3 kg；节能型优化运行模式目标函数最小值为1 989.1 kW·h。

表1 不同优化运行模式下综合能源系统目标值优化结果Table 1 Optimized objective values of the integrated energy system under different optimization operation modes

本文算例在不同优化运行模式下的各类型指标优化结果见表2。

表2 不同优化运行模式下综合能源系统各指标优化结果Table 2 Optimized indexes of the integrated energy system under different optimization operation modes

不同指标具有不同的单位、不同的数量级，将它们进行直接比较是十分困难的，因此需要将它们进行规范化处理，其中节能率、新能源占比、新能源消纳率为效益型指标，能量损失量、运行维护成本为成本型指标，规范化后的结果见表3。

表3 不同优化运行模式下综合能源系统各指标规范化结果Table 3 Standardized indexes of the integrated energy system under different optimization operation modes

根据表3 及上述所的权向量，可以获得不同优化运行模式下的规范化后综合评估值：经济型优化运行模式综合评估值为0.44，环保型优化运行模式综合评估值为0.29，节能型优化运行模式综合评估值为0.27。

从综合评估值看，经济型优化运行模式是最佳的优化运行模式，环保型优化运行模式与节能型优化运行模式综合评估值相近，从数学优化目标表达式亦可以看出，它们具有相同的线性平行关系，进一步说明了本文所提综合能源系统多场景优化运行模式综合评估模型与方法的合理性、实用性与有效性。

6 结束语

与现有技术及研究相比，本文所提综合评估方法综合考虑了综合能源系统的节能率、能量损失、新能源占比、新能源消纳率、运行维护成本，精确、全面反映和衡量了综合能源系统的本质特征。建立了经济型优化运行模式模型、环保型优化运行模式模型、节能型优化运行模式模型，从系统工程角度出发，更加真实、客观地描述现实系统的运行模式。基于AHP 综合评估了综合能源系统多场景优化运行模式，定性分析与定量分析相结合，考虑长远利益与当前利益，通过逐次分层分解和综合评估，从而保证综合能源系统综合效益最大化。