港口綜合能源系統(tǒng)的AHP-模糊綜合評價法

何大春 黃俊輝 李志杰 朱立勛 宋天立 王娜 沈高峰 史靜

摘要：為對港口綜合能源發(fā)展水平進行評價，結合港口的特點，提出針對港口綜合能源系統(tǒng)的評價指標，應用層次分析法（analytic hierarchy process， AHP）-模糊綜合評價法進行評價。根據(jù)青島港董家口港區(qū)的調(diào)研數(shù)據(jù)，應用本文的方法對該港口的綜合能源系統(tǒng)進行評價，評價結果與其他同行的評價結果一致，驗證了本文方法的有效性。

關鍵詞： 綜合能源系統(tǒng); 層次分析法; 模糊綜合評價法; 港口

中圖分類號： U653.95; TK11 ? ?文獻標志碼： A

AHP-fuzzy comprehensive evaluation method of

port integrated energy system

HE Dachun1， HUANG Junhui2， LI Zhijie2， ZHU Lixun3， SONG Tianli4，

WANG Na2， SHEN Gaofeng2， SHI Jing2

（1. State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China;

2. Research Institute of Economics and Technology， State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China;

3. Logistics Engineering College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China;

4. School of Electrical Engineering， Southeast University， Nanjing 210096， China）

Abstract： In order to evaluate the development level of port integrated energy， the evaluation indexes of the port integrated energy system are proposed， where the port characteristics are considered. The analytic hierarchy process （AHP）-fuzzy comprehensive evaluation method is used to evaluate the port integrated energy system. According to the survey data of Dongjiakou Port of Qingdao Port， the integrated energy system of the port is evaluated by the method， and the evaluation results are consistent with those of other peers， which verifies the validity of this method.

Key words： integrated energy system; analytic hierarchy process （AHP）; fuzzy comprehensiveevaluation method; port

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺等問題變得日益嚴重。港口作為貨物轉運的重要樞紐，在經(jīng)濟發(fā)展中發(fā)揮著重要作用的同時，其高耗能、高污染特點也凸顯出來。隨著“一帶一路”倡議的實施，港口發(fā)展進一步加速，其節(jié)能環(huán)保問題引起了社會各界人士的高度重視[1-2]。

近年來，融合了風能、太陽能和天然氣等各種可再生和清潔能源的綜合能源系統(tǒng) （integrated energy system， IES）受到了能源領域的廣泛關注。隨著我國港口電力能源消耗比例的逐年攀升，為節(jié)約電能，提高港口周邊的環(huán)境質(zhì)量，港口企業(yè)也在努力開發(fā)適用于港口的港口綜合能源系統(tǒng)（port integrated energy system， PIES）[3-7]。為經(jīng)濟科學地建設和利用PIES，需要建立一個有效的PIES評價方法。雖然IES的概念近幾年才提出，但目前在IES的評價方法的研究上，國內(nèi)外均有一些進展。文獻[8]用互相獨立的矩陣來評價冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能潛力，文獻[9-12]對IES的運行進行了分析和研究，在整個系統(tǒng)的規(guī)劃設計和能效評估方面取得了不少進展。文獻[13]基于信息熵法構建了IES的評價方法。現(xiàn)階段IES的評價方法研究主要是針對一個城市、城鎮(zhèn)和地區(qū)的，關于PIES的評價方法研究還處于起步階段。

本文根據(jù)PIES的特點，建立PIES評價指標體系，利用層次分析法（analytic hierarchy process， AHP）-模糊綜合評價法對PIES的發(fā)展水平進行評估。

1 PIES

1.1 PIES簡介

PIES指以港口的配電網(wǎng)為核心，綜合冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)、新能源發(fā)電系統(tǒng)、港口岸電系統(tǒng)等供能和用能系統(tǒng)，并與儲能技術相結合，聯(lián)合“源-網(wǎng)-荷-儲”同時運行，將前沿的能源綜合管理系統(tǒng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術應用于港口多元能源的生產(chǎn)、存儲、轉換、傳輸和使用，通過對整個系統(tǒng)的優(yōu)化控制實現(xiàn)多元能源安全可靠地服務于整個港口的生產(chǎn)運行的系統(tǒng)。PIES是IES在港口應用上的具體實現(xiàn)，是港口多種能源實現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展、相互轉換、互相補充的有效方法。

PIES的主要作用是將多元能源系統(tǒng)與港區(qū)內(nèi)的電力系統(tǒng)相結合，采取智能調(diào)度手段，解決新能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電的間歇性與負荷用電的連續(xù)性之間的矛盾。多元能源系統(tǒng)以不同形式接入配電網(wǎng)，實現(xiàn)不同能源之間的互利共贏，降低港區(qū)污染物的排放水平，提高港區(qū)各種能源的利用率，增強PIES的可靠性，為港口運行提供可靠優(yōu)質(zhì)的能源保障。

1.2 PIES組成

眾所周知，在單一能源的使用中，會有大量的能量無法利用而被浪費掉，直接導致單一能源的利用率偏低。例如：傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠只能將25%～45%的化石燃料能量轉化為電能，其他通過熱能的形式被浪費掉;單純的供熱系統(tǒng)所產(chǎn)生的高溫水蒸氣僅用于供熱，而浪費了水蒸氣的大量動能。另外，由于缺乏儲能設備，電力系統(tǒng)中無法消耗的電能也被浪費。如果開發(fā)一個系統(tǒng)在火力發(fā)電廠利用水蒸氣發(fā)電的同時，將水蒸氣的熱能輸送給需要熱源的用戶，同時在系統(tǒng)中增加儲能設備來儲存多余的電能，就可以使多種能源的優(yōu)勢互補，減少能源浪費。

PIES為實現(xiàn)上述系統(tǒng)提供了一個平臺，盡可能利用新能源發(fā)電裝置、熱能、天然氣等并實施科學管理，提高每種能源的利用率，從而減少燃燒化石燃料對港口環(huán)境的污染。通過優(yōu)化控制PIES的運行方式，可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提下達到最大的經(jīng)濟效益。圖1給出了PIES內(nèi)部各種能源的生產(chǎn)、轉換、分配和使用的過程。如圖1所示，PIES由港口供能系統(tǒng)、港口能量轉換裝置、港口配電系統(tǒng)、能源存儲裝置和用能負荷等幾部分組成。港口供能系統(tǒng)主要包括港口的電網(wǎng)、新能源發(fā)電系統(tǒng)、天然氣和化石燃料供能系統(tǒng)等，負責港口能源的供應。配電網(wǎng)主要以電能為媒介對各種能源進行合理分配和傳輸。能源存儲裝置包括熱、電和天然氣的綜合儲能裝置，起著穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、提高電能質(zhì)量和削峰填谷的作用。通過鍋爐、燃氣輪機、冷熱聯(lián)供機組等能源轉換裝置的優(yōu)化合理運行，實現(xiàn)能源之間的相互轉換和耦合。

PIES可分為港口居民用電和港口工業(yè)用電兩部分。在港口居民用電中，通過能源集線器傳輸?shù)碾娋W(wǎng)電能經(jīng)過變壓器傳輸220 V的電能供居民家的冰箱、熱水器、空調(diào)等家用電器使用?？照{(diào)工作散發(fā)的余熱用于居民供熱。微燃機同時用于供電與供熱。制冷機回收利用供熱產(chǎn)生的水蒸氣，通過制冷系統(tǒng)對居民供冷。在港口工業(yè)用電中，通過能源集線器傳輸?shù)碾娋W(wǎng)電能經(jīng)過變壓器傳輸高壓或低壓電供港口機械、船用岸電、壓縮機等使用。熱電聯(lián)產(chǎn)機組連接燃氣系統(tǒng)、電力系統(tǒng)和港區(qū)供暖系統(tǒng)，可有效地提高能源利用率，減少能源損耗。燃氣鍋爐產(chǎn)生的熱量通過換熱器進行工業(yè)供熱。儲電和儲熱裝置可以實現(xiàn)削峰填谷和抑制能量波動的作用。

2 構建綜合評價指標

2.1 PIES的評價指標

PIES從規(guī)劃建設到運行維護的各個方面都需要實施綜合評價以發(fā)現(xiàn)PIES中不合理的部分，并對不合理的部分提出合理性建議，進而對系統(tǒng)進行優(yōu)化改造。受我國現(xiàn)階段PIES技術水平的限制， 無法充分考慮PIES的每個部分的每項細節(jié)指標。為對目前PIES的水平進行評價，本文以港口配電網(wǎng)為核心，結合港口新能源發(fā)電、天然氣等多元能源系統(tǒng)，從港口的能效、經(jīng)濟性、環(huán)境友好性、可靠性、社會性等方面尋找出能體現(xiàn)港口特色和PIES發(fā)展水平的指標，然后利用這些指標對PIES進行綜合評價。本文提出的評價指標體系見圖2。

2.2 基于AHP-模糊綜合評價法的PIES綜合評價2.2.1 確定評價指標權重

鑒于每個指標對PIES發(fā)展水平的影響不同，先確定每級指標的權重。邀請了10位PIES建設領域的專家對指標進行打分，并利用如表1所示的Saaty標度法得到判斷矩陣，從而計算出每級指標的權重[14-15]。

（1）建立判斷矩陣。首先根據(jù)每級指標的數(shù)量n，建立一個矩陣A=（Aij）n×n， 然后根據(jù)表1中的要求分別比較兩個指標的重要性并進行打分，計算出Aij。根據(jù)10位專家的打分計算平均值，得出最后的判斷矩陣。Saaty標度的具體含義見表1。

（2）確定評價指標的權重。根據(jù)式（1）可以得到每個指標的權重特征向量ω=（ω1， ω2，…， ωn）T：

ωi=nj=1Aij nnk=1 nj=1Akj， i=1，2，…，n

（1）

（3）單層次一致性檢驗。對于指標數(shù)量n，根據(jù)Saaty給出的表2中的平均隨機一致性指標IR值[16]，查找本文對應的IR值，然后根據(jù)式（2）和（3）求出一致性指標IC，最后由RC = IC/IR求出一致性比例RC。如果RC< 0.1，則認為該判斷矩陣的一致性滿足要求，否則讓專家重新打分，重新檢查判斷矩陣的一致性，重復上面的步驟直至判斷矩陣的一致性滿足要求。λmax=ni=1（Aω）inωi， i=1，2，…，n

（2）

IC=λmax-nn-1

（3）

2.2.2 評價指標隸屬度確定

由于一些評價指標具有模糊性，故引入隸屬度矩陣減弱指標的模糊性。本文將指標的評價等級分為“優(yōu)秀”“良好”“一般”“較差”等4個等級，表3列出了詳細的評價標準。根據(jù)10位專家的打分計算每個指標的隸屬度。

2.2.3 AHP-模糊綜合評價

組織專家對本文提出的PIES評價指標進行打分，并對打分結果取平均值，進行歸一化處理后，可以求出模糊矩陣R=（R1R2…R13）T=（rij）13×4

（4）并得到AHP-模糊綜合評價模型B=ωR

（5） ?PIES的評價等級由最大隸屬度原則得出，并利用加權平均法計算出PIES的最終評價結果。

3 實例分析

青島港董家口港區(qū)在新能源發(fā)電系統(tǒng)建設和智能電網(wǎng)建設方面進行了大量的投資，依托智能電網(wǎng)中的綜合能源管理系統(tǒng)，利用港區(qū)內(nèi)新能源發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)和天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)等，開發(fā)智能微電網(wǎng)，從而實現(xiàn)新能源發(fā)電裝置等發(fā)出的電可以在港區(qū)內(nèi)合理應用，并且可以實現(xiàn)港區(qū)微電網(wǎng)與外電網(wǎng)的互動調(diào)配，為港口的運營提供環(huán)保的綠色電力，為中國新能源微電網(wǎng)項目的發(fā)展提供先行經(jīng)驗。另外，青島港在2015年底已完成碼頭的9個泊位“油改電”項目，每個標準集裝箱的能源消耗下降了39.7%。因此，本文以該港區(qū)為例，對本文提出的評價指標進行實地調(diào)研，然后根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，讓10位專家對該PIES進行綜合評價。

表4為通過10位專家打分，并且對專家打分求平均值后得到的各指標的判斷矩陣。

根據(jù)式（1）可計算出一級指標中每個指標的權重特征向量ω=（0.12，0.10，0.07，0.66， 0.05）T，根據(jù)式（2）和（3）得到λmax=5.151 6， IC=0.037 9，經(jīng)查詢表2可以得到該矩陣的一致性比例RC=0.033 8。由此可知，該判斷矩陣的一致性指標小于0.1，滿足一致性要求。

按照上述判斷矩陣的計算方法，計算每個一級指標下各二級指標的權重，結果見表5。同時，基于對該港口實地調(diào)研所得到的相關數(shù)據(jù)，各位專家按照指標評價標準給出每個指標對應的評價等級，由所得到的統(tǒng)計結果得出表5所示的PIES模糊綜合評價矩陣。

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)可以得到一級指標模糊評價矩陣R為R=0.0240.7210.2550

0.0780.2780.4220.222

0.7750.1730.0520

00.7740.1900.036

0.9240.07600 ?根據(jù)式（5）可得到該PIES的評價結果為B=（0.111 1， 0.641 1， 0.207 1， 0.040 7） ?假設4個評價等級優(yōu)秀、良好、一般、較差的得分分別為100、80、60、40，即相應的評價矩陣為P=（100， 80， 60， 40）， 則可以得到該PIES的評級結果為Y=B×PΤ=76 ?由此可見，該PIES的評價結果為良好，處于行業(yè)中等偏上水平，可以滿足國家的各項法律法規(guī)和行業(yè)標準，同時也有改進和提升的空間。評價結果與其他同行對該PIES的評價結果一致。

4 結 論

本文根據(jù)港口能源生產(chǎn)和負荷用能的特點，首先提出了對港口綜合能源水平進行評價的指標。然后根據(jù)評價指標，提出了針對港口綜合能源發(fā)展水平的AHP-模糊綜合評價法。基于對青島港董家口港區(qū)的實地調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)10位專家的評分結果，利用本文提出的評價方法對該港口綜合能源系統(tǒng)（PIES）進行評價。該PIES的發(fā)展水平為良好，與其他同行對該PIES的評價結果一致。

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（編輯 趙勉）

收稿日期： 2019- 03- 14 修回日期： 2019- 05- 05

基金項目： 江蘇省電力公司科技項目

作者簡介： 何大春（1966—），男，江蘇南京人，高級經(jīng)濟師，研究方向為企業(yè)戰(zhàn)略研究與管理，（E-mail）dch@js.sgcc.com.cn