含分布式供能設(shè)備的綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃評價*

聞旻，劉育權(quán)，胡梟，程浩忠

(1. 上海交通大學(xué) 電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240；2. 廣州供電局有限公司，廣州 510620)

0 引 言

隨著人類社會生產(chǎn)以及生活水平的提高，能源需求急劇上升，考慮到傳統(tǒng)化石能源儲備有限，能源緊缺將成為發(fā)展道路上無法避免的難題。綜合能源系統(tǒng)(Integrated Energy System, IES)被認為是未來可有效解決能源危機的供能形式，近年來成為了研究熱點。它一改傳統(tǒng)電、熱、氣、冷系統(tǒng)分供的模式，通過各類能源在生產(chǎn)、傳輸、分配、消費等多環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)優(yōu)化，大大提高了能源綜合利用效率，并且隨著大規(guī)?？稍偕茉窗l(fā)電并網(wǎng)，可進一步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，助力可持續(xù)發(fā)展[1-2]。

IES中包含了多種形式的供能設(shè)備，集中式設(shè)備如CHP機組、大型燃氣鍋爐，分布式設(shè)備如用戶側(cè)的分布式電源、電熱水器等，能源間轉(zhuǎn)換情況復(fù)雜，系統(tǒng)間耦合性較高，加之分布式電源帶來的不確定性，使得IES規(guī)劃評價成為難點。當(dāng)前研究處于起步階段，多從IES某特性入手進行分析，少有對于IES整體的把握。文獻[3]對目前IES可靠性研究現(xiàn)狀進行了梳理，從模型、算法、指標(biāo)體系三方面提出了未來研究方向。文獻[4]分析了IES經(jīng)濟性的影響因素及其機理，針對不同運營模式進行了系統(tǒng)動力學(xué)建模。文獻[5]從經(jīng)濟性出發(fā)建立了冷熱電聯(lián)供型微電網(wǎng)的優(yōu)化運行模型，通過改進粒子群算法對微網(wǎng)運行策略進行求解。文獻[6]考慮了包含蓄能裝置的冷熱電聯(lián)供微網(wǎng)，以經(jīng)濟、環(huán)保綜合成本最小為目標(biāo)，實現(xiàn)環(huán)保經(jīng)濟協(xié)調(diào)調(diào)度。文獻[7]綜合了經(jīng)濟和環(huán)保因素，建立了綜合能源站雙層設(shè)備容量規(guī)劃模型，提出了優(yōu)化設(shè)計方法。

文中選取熱電聯(lián)供IES為研究對象，研究不同用戶供能設(shè)備配置對于IES整體性能的影響。首先在已有研究基礎(chǔ)上，綜合考慮電網(wǎng)、熱網(wǎng)的相同性及差異性，從多角度建立更為全面的IES規(guī)劃評價體系；其次，通過模糊綜合評價法制定多方案決策方法，針對實際方案進行指標(biāo)集約簡，采用改進梯形隸屬度函數(shù)去除指標(biāo)量綱并歸一化，通過反熵確定指標(biāo)權(quán)重，進行方案綜合評分；最后，通過算例驗證評價體系的可行性，并給出用戶供能設(shè)備配置的推薦方案。

1 IES規(guī)劃評價體系

IES的本質(zhì)是能源的轉(zhuǎn)換和分配，根據(jù)區(qū)域內(nèi)可獲得的各種能源形式，通過優(yōu)化協(xié)調(diào)各類供能設(shè)備的配置，來滿足用戶多種形式的用能需求。要對IES規(guī)劃開展評價，首先應(yīng)考慮IES可靠供應(yīng)的能力即可靠性因素，其次為系統(tǒng)建設(shè)、運營成本的經(jīng)濟性因素。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)考察IES靈活應(yīng)對未來負荷變化的能力即靈活性因素。因此，文章分別從可靠性、經(jīng)濟性、靈活性三方面出發(fā)，選取IES規(guī)劃評價指標(biāo)。

1.1 可靠性評價指標(biāo)

與傳統(tǒng)配電網(wǎng)絡(luò)類似，供能可靠性用于描述綜合能源系統(tǒng)在研究時間內(nèi)完成規(guī)定供能任務(wù)的能力。此處的供能任務(wù)包含兩層含義：一方面，供能系統(tǒng)應(yīng)時刻保持供能的安全性，即對于設(shè)備運行參數(shù)穩(wěn)定、不越限的要求；另一方面，考慮到可能出現(xiàn)的設(shè)備故障，在故障排除或修復(fù)的時間內(nèi)，系統(tǒng)應(yīng)通過切換運行狀態(tài)，保證所帶用戶不受影響。因此，文章分別從正常和故障工況出發(fā)，以熱電聯(lián)供系統(tǒng)為例，選取合適的可靠性評價指標(biāo)。

1.1.1 正常工況可靠性指標(biāo)

正常工況下，可靠性指標(biāo)反映了系統(tǒng)供能安全與否。對于所研究的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，相應(yīng)的可靠性指標(biāo)可由各自的供能安全準則給出。

《城市電網(wǎng)供電安全標(biāo)準》中[8]，供電安全采用N-1校驗準則。從校驗設(shè)備類型，可分為主變N-1和饋線N-1校驗。在元件發(fā)生N-1故障斷線或檢修時，由于配電網(wǎng)閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行的特點，通常需要閉合一個開關(guān)以保證負荷正常供電，因此配電網(wǎng)的安全校驗又稱為N-1+1準則。在此準則下，系統(tǒng)需保證所有負荷的正常供電，并且所有元件均不過載、不越限，僅在發(fā)生嚴重故障時，可允許變壓器短時過載。

(1)

供熱安全則主要對管道中熱媒流速、壓力等指標(biāo)進行校驗，判斷其是否能在現(xiàn)有環(huán)境、管道材質(zhì)下安全運行。以熱水管網(wǎng)為例，對供熱安全指標(biāo)進行說明。給定熱負荷、管道直徑的大小，通過水力計算，可求得管道熱水流量以及壓力損失?！冻擎?zhèn)供熱管網(wǎng)設(shè)計規(guī)范》[9]中規(guī)定：(1)支干線比摩阻不應(yīng)大于300 Pa/m；(2)熱水流速不應(yīng)大于3.5 m/s；(3)供水管道任何一點壓力不應(yīng)低于水的汽化壓力，并留有30 kPa～50 kPa的富裕壓力。

(2)

1.1.2 故障工況可靠性指標(biāo)

故障工況指標(biāo)，即考慮系統(tǒng)故障時對各負荷點的供能情況。不同元件發(fā)生故障會導(dǎo)致不同程度的供能量不足，因此在進行故障工況分析時，首先要明確所考慮的故障元件種類，即形成故障元件集{fi}?？赏ㄟ^蒙特卡洛模擬法對{fi}中的元件運行狀態(tài)采樣，從而模擬系統(tǒng)的故障工況。

聯(lián)供系統(tǒng)的故障工況可靠性指標(biāo)可分為負荷點指標(biāo)和系統(tǒng)級指標(biāo)，其中負荷點指標(biāo)通過對故障工況下的用戶供能情況統(tǒng)計得到，系統(tǒng)級指標(biāo)則在負荷點指標(biāo)基礎(chǔ)上計算得到。

(1)負荷點指標(biāo)。

(3)

式中χ為建筑的熱儲備系數(shù)；tn為室內(nèi)設(shè)計溫度；tw為室外空氣計算溫度；q0為建筑的供暖體積熱指標(biāo)；V為建筑的外圍體積；Q為故障工況下系統(tǒng)向建筑的供熱量，對于故障時與熱網(wǎng)斷開的負荷，Q=0。

(2)系統(tǒng)級指標(biāo)。

系統(tǒng)級指標(biāo)包括：系統(tǒng)停供頻率SIF(System Interruption Frequency)、系統(tǒng)停供持續(xù)時間SID(System Interruption Duration)、系統(tǒng)供能不足量SENS(System Energy not Supplied)、系統(tǒng)供能可靠性SSA(System Service Availability)。系統(tǒng)級指標(biāo)的計算公式由式(4)～式(7)給出：

(4)

(5)

(6)

(7)

1.2 經(jīng)濟性評價指標(biāo)

IES由綜合能源運營商負責(zé)系統(tǒng)的建設(shè)、維護和運行。分布式電源的接入以及用戶側(cè)電熱轉(zhuǎn)換設(shè)備的配置，不僅改變了系統(tǒng)中能流的分布，減小了網(wǎng)損，而且清潔能源發(fā)電也有效降低了污染物排放。因此，IES經(jīng)濟性評價方面，可選取IES總成本、網(wǎng)損減少收益、環(huán)境減排效益作為評價指標(biāo)。

1.2.1 IES總成本

對綜合能源運營商而言，在IES的建設(shè)和運營過程中，總成本主要有以下三部分組成：建設(shè)成本Ccon，即設(shè)備、網(wǎng)架初投資；維護成本Com，如線路保護、設(shè)備檢修等；運行成本Cop，主要指設(shè)備運行過程中產(chǎn)生的燃料費用。所有費用均為等年值，單位億元。

C=Ccon+Com+Cop

(8)

1.2.2 網(wǎng)損減少收益

在長距離能量傳輸中，網(wǎng)損不可避免。合理的網(wǎng)架規(guī)劃，以及在靠近負荷的地方接入分布式電源，都可減少系統(tǒng)網(wǎng)損。系統(tǒng)網(wǎng)損的減少量可轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的經(jīng)濟效益，即因網(wǎng)損降低而減少的網(wǎng)絡(luò)損耗費用，用網(wǎng)損減少收益Bnl表示，單位萬元。

Bnl=celeΔPnl

(9)

式中cele為售電公司單位電價；ΔPnl為系統(tǒng)網(wǎng)損減少量。

1.2.3 環(huán)境減排效益

聯(lián)供系統(tǒng)與電、熱分供系統(tǒng)相比，不僅提高了能源使用效率，而且由于采用清潔能源，大幅減少了污染排放。IES的環(huán)保特性可以通過經(jīng)濟效益指標(biāo)加以體現(xiàn)。定義環(huán)境減排效益為Benv，與常規(guī)燃煤發(fā)電相比，產(chǎn)生同等電量情況下IES減排污染物的環(huán)境價值，單位億元。

1.3 靈活性評價指標(biāo)

靈活性主要用于描述系統(tǒng)響應(yīng)負荷變化的能力，對于IES而言，分布式供能設(shè)備增強了IES滿足短時供能缺口的能力，聯(lián)供系統(tǒng)則能通過優(yōu)化調(diào)節(jié)內(nèi)部能流，保證充足的電力、熱力供應(yīng)。因此，可選取線路最大負載率、系統(tǒng)最大供能能力，作為能源轉(zhuǎn)換設(shè)備配置的靈活性指標(biāo)。

1.3.1 線路最大負載率

線路最大負載率ηmax用于反映線路的利用率，計算公式如下。

(11)

式中Imax為線路最大工作電流；I0為線路長期允許載流量。

1.3.2 系統(tǒng)最大供能能力

在系統(tǒng)中的線路和設(shè)備均不過載的情況下，IES所能供應(yīng)的最大負荷稱為系統(tǒng)最大供能能力MLSC(Maximum Load Supply Capacity)。采用重復(fù)能流法，不斷模擬增大負荷，并進行電網(wǎng)潮流、熱網(wǎng)能流計算，直至系統(tǒng)安全準則無法滿足，記錄此時的系統(tǒng)總負荷Lmax即為最大供能能力MLSC?？梢杂檬?12)的優(yōu)化模型表示，以系統(tǒng)總負荷最大為目標(biāo)，考慮IES安全準則作為約束條件。

maxLmax

s.t.N-1通過率=1

供熱安全指標(biāo)=1

(12)

2 IES規(guī)劃的綜合評價方法

綜合前文提出的各項可靠性以及經(jīng)濟性評價指標(biāo)，可以得出IES的綜合評價指標(biāo)體系，共包含3個一級指標(biāo)，12個二級指標(biāo)，如圖1所示。對于形成的指標(biāo)集，由于各指標(biāo)量綱不同無法直接比較，并且指標(biāo)優(yōu)劣也存在模糊性，因此采用模糊綜合評價法對IES規(guī)劃方案進行評估。

2.1 指標(biāo)集約簡

IES評價體系包含多項指標(biāo)，部分指標(biāo)間可能存在一定相關(guān)性。若直接進行綜合評價，會放大彼此間具有強相關(guān)性的指標(biāo)對于最終方案選擇的傾向性。為避免此類情況，首先需要對指標(biāo)集進行約簡，刪去強相關(guān)指標(biāo)。假設(shè)共有N個規(guī)劃方案，對于含有M個一級指標(biāo)的指標(biāo)集，每一次指標(biāo)約簡都在第i個一級指標(biāo)下屬的所有二級指標(biāo)Ai,t間進行，其中1≤i≤M，指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度用相關(guān)系數(shù)表示，并通過閾值r0判斷是否強相關(guān)，約簡步驟如下：

(1)令最終的評價指標(biāo)集A={ }，設(shè)置約簡閾值r0，通常為0.8；

(2)選取一級指標(biāo)Ai，假設(shè)其下屬二級指標(biāo)為{Aik}，1≤k≤K，計算{Aik}間的相關(guān)度。指標(biāo)Ai,x和Ai,y間的相關(guān)系數(shù)ri,xy可通過式(13)計算：

(13)

(4)將{Aik}剩余指標(biāo)添加到A中，返回步驟(2)；

(5)若所有一級指標(biāo)均已通過約簡，則約簡結(jié)束，輸出最終評價指標(biāo)集A。

2.2 指標(biāo)無量綱化

提出的IES規(guī)劃評價指標(biāo)體系中，各指標(biāo)量綱和表現(xiàn)形式不盡相同，只有消除指標(biāo)量綱的影響后，才能進行指標(biāo)綜合。另外，指標(biāo)間的優(yōu)劣并無明確的量化界限，要進行綜合評價就必須量化指標(biāo)的優(yōu)劣評價。因此，通常通過模糊隸屬度函數(shù)對指標(biāo)實際值進行模糊變換，將不同量綱的數(shù)值轉(zhuǎn)化為[0,1]區(qū)間內(nèi)的實數(shù)加以表示，“0”表示完全不隸屬，“1”表示完全隸屬。進行模糊變換時，需對指標(biāo)進行區(qū)分，可分為以下三類：正向指標(biāo)(數(shù)值越大越好)、逆向指標(biāo)(數(shù)值越小越好)、適度指標(biāo)(數(shù)值處于某范圍內(nèi)最好)。

模糊變換時，部分重要指標(biāo)在不同方案間評分相近，如供能可靠性通常十分接近1，綜合評估時易被認為無效指標(biāo)而忽略。為保證評價結(jié)果合理性，文中從隸屬度函數(shù)入手，引入合理值區(qū)間取代變量上下限，采用改進梯形隸屬度函數(shù)進行模糊變換，相應(yīng)的模糊隸屬度函數(shù)可通過式(14)～式(16)表示。

(14)

(15)

(16)

2.3 指標(biāo)賦權(quán)

熵值概念源于系統(tǒng)熱力學(xué)，后被用于度量信息量的大小，指標(biāo)變異程度越大，熵值越大，包含信息量越小。熵權(quán)法被普遍用于多指標(biāo)評價的指標(biāo)賦權(quán)，但其生成的權(quán)重值波動較大，易忽略部分指標(biāo)。與熵權(quán)法相比，反熵權(quán)法對于指標(biāo)差異度的敏感性較弱[10]，可有效避免各指標(biāo)權(quán)重差異過大而造成部分指標(biāo)無效的情況。反熵權(quán)法賦權(quán)步驟如下：

(1)指標(biāo)預(yù)處理，依次進行指標(biāo)約簡、去量綱化，形成評價指標(biāo)矩陣V：

(17)

(2)對V中每項指標(biāo)求其反熵。

(18)

(3)確定指標(biāo)權(quán)重。

(19)

最終，各方案綜合評分值s由式(20)計算得到：

s=Vw

(20)

3 算例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以某園區(qū)熱電聯(lián)供系統(tǒng)為算例，取其采暖期(每年118天)為研究時段，對所提IES規(guī)劃評價體系進行驗證。園區(qū)共計9家企業(yè)，圖2給出了各企業(yè)采暖期內(nèi)平均電、熱負荷。IES結(jié)構(gòu)如圖3所示，圖中黑線代表配電網(wǎng)線路，紅線代表熱水管道，變電站位于節(jié)點6，熱源為CHP機組。進行可靠性分析時，考慮的故障元件包括：配電線路、用戶變壓器、斷路器、熱水管道、閥門，相應(yīng)的可靠性參數(shù)見文獻[11-12]。配置的分布式供能設(shè)備包括：光伏、燃氣鍋爐和電熱水鍋爐，相應(yīng)的設(shè)備參數(shù)如表1所示[13]。

經(jīng)前期研究，初步規(guī)劃了八組設(shè)備配置方案，其中方案七、方案八表示在每個給出節(jié)點都配置了2 MW供能設(shè)備。表2給出了相應(yīng)的方案結(jié)果。

圖2 各企業(yè)平均電、熱負荷情況

圖3 園區(qū)聯(lián)供系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備類型投資成本/(元·kW-1)運維成本占比(%)光伏11 0005小型燃氣鍋爐2001電熱水鍋爐5 0003.7

表2 分布式供能設(shè)備配置方案

3.2 評價結(jié)果及分析

對表2中八組方案依次進行可靠性、經(jīng)濟性、靈活性評價，得到初始評價矩陣如表3所示。在初始評價矩陣基礎(chǔ)上進行指標(biāo)集約簡，形成新的評價指標(biāo)集A={A1,A2,A5,A6,A7,A9,A11,A12}。其中，A1和A2雖存在強相關(guān)性，但其指標(biāo)原理完全不同、互不影響，因此均作保留。對指標(biāo)集A進行指標(biāo)去量綱化，并通過反熵權(quán)法計算A中指標(biāo)的權(quán)重w=[0,0,0.1582,0.1807,0.1721,0.1722,0.1519,0.1650]，圖4給出了八個方案綜合評價結(jié)果。

表3 各方案初始評價矩陣

圖4 綜合評價結(jié)果

比較所有方案，方案八綜合評分最高，方案七其次，因此在進行多方案決策時，應(yīng)優(yōu)先選擇方案八，并且各方案優(yōu)先度應(yīng)按照綜合評分值進行排序。下面進一步分析用戶側(cè)分布式供能設(shè)備配置方案。

分析方案一、二、四可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)用戶配置光伏或電熱水鍋爐時，系統(tǒng)綜合指標(biāo)得到提升，主要因為兩者都有助于改善系統(tǒng)供能的可靠性、環(huán)境減排效益以及最大供能能力。此外，光伏的接入改變了配電網(wǎng)潮流分布，使得線損降低、最大負載率下降。因此在用戶側(cè)，鼓勵光伏和電熱水鍋爐作為供能設(shè)備進行規(guī)劃。

對比方案一、三和二、五可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在用戶側(cè)配置小型燃氣鍋爐時，綜合評分有惡化的趨勢。這是因為采用CHP進行聯(lián)供效率較高，用戶側(cè)分布式的燃氣鍋爐熱效率往往較低，且極易發(fā)生不完全燃燒，造成環(huán)境污染，由以上因素綜合考慮，在由CHP機組承擔(dān)熱源的聯(lián)供系統(tǒng)中，不推薦用戶配置小型燃氣鍋爐。

分析方案六、七、八可發(fā)現(xiàn)，隨著分布式供能設(shè)備(光伏、電熱水鍋爐)配置總?cè)萘康脑黾?，IES綜合評分值也相應(yīng)增加，呈現(xiàn)正相關(guān)。同時隨著配置容量進一步上升，系統(tǒng)綜合評分的提升速度減緩，這表明分布式供能設(shè)備可顯著改善系統(tǒng)綜合指標(biāo)，但指標(biāo)的提升存在邊界效應(yīng)，應(yīng)在合理的容量范圍內(nèi)鼓勵接入。

4 結(jié)束語

基于分布式供能設(shè)備配置，從可靠性、經(jīng)濟性、靈活性三個角度提出了評價指標(biāo)，形成了IES規(guī)劃評價體系。在指標(biāo)基礎(chǔ)上，采用基于改進梯形隸屬度函數(shù)和反熵權(quán)法的模糊綜合評價法對待選方案進行綜合評估，得出最優(yōu)方案。通過某園區(qū)熱電聯(lián)供系統(tǒng)進行驗證，得到結(jié)論如下：(1)分布式光伏的接入可顯著提升IES整體評價，應(yīng)鼓勵在用戶側(cè)接入；(2)分布式供熱設(shè)備方面，燃氣鍋爐會惡化系統(tǒng)整體指標(biāo)，相比之下電熱鍋爐的配置方案明顯更優(yōu)，規(guī)劃時更推薦后者；(3)分布式供能設(shè)備對于系統(tǒng)整體性能的提升存在邊界效應(yīng)，配置容量宜位于合理范圍內(nèi)。