能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的能流分析方法與能效評(píng)估

李妍 ,習(xí)文青，劉子嫣，馬晨，張群，王球，王青山，梁海峰

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,南京市 210008;2.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,河北省保定市 071003)

0 引言

能源是人類社會(huì)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[1]。能源利用效率低、不可再生能源短缺、可再生能源消納低等能源問題和溫室效應(yīng)、空氣污染等環(huán)境問題一直備受各行各業(yè)關(guān)注,能源改革已成為當(dāng)今世界的熱點(diǎn)[2]。隨著電動(dòng)汽車(electric vehicle,EV)、分布式能源發(fā)電、儲(chǔ)能的不斷發(fā)展,大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的迅速成熟,能源互聯(lián)已成為時(shí)代發(fā)展的必然趨勢(shì)[3-5]。為此,國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼提出并研究了綜合能源系統(tǒng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、能源綜合體等能源互聯(lián)、共享互通的模式。近年來,我國(guó)不斷致力于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源的發(fā)展[2],并在2016 年批準(zhǔn)了55 個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程,能源互聯(lián)網(wǎng)的工程應(yīng)用已成為熱點(diǎn)項(xiàng)目。

目前,我國(guó)有多種能源互聯(lián)的建設(shè)模式,以變電站為核心的能源綜合服務(wù)站便是國(guó)家電網(wǎng)公司重點(diǎn)培育發(fā)展的模式之一。能源綜合服務(wù)站是指以變電站為載體打造的具有“儲(chǔ)能站+數(shù)據(jù)中心+N”功能的綜合能源服務(wù)體系,也有學(xué)者據(jù)此提出了能源綜合體的概念[6]。相對(duì)于傳統(tǒng)的單一變電站,能源綜合服務(wù)站打破了傳統(tǒng)變電站的單一模式,開創(chuàng)了變電站、儲(chǔ)能站、分布式光伏電站和數(shù)據(jù)中心多站合一的新思維,具有提高能效水平、節(jié)約能源、提高供能可靠性和靈活性等突出優(yōu)勢(shì),當(dāng)前已成為變電站建設(shè)的熱點(diǎn)方向。雖然能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的運(yùn)行模式尚處于發(fā)展初期,但在國(guó)內(nèi)已有部分工程應(yīng)用,例如,國(guó)內(nèi)首個(gè)智慧能源綜合體——南京江北新區(qū)能源綜合體、國(guó)內(nèi)首批多站融合的試點(diǎn)正定朱河城市綜合體、江蘇無錫紅旗變電站、江蘇宿遷綜合能源服務(wù)站以及重慶、安徽、江西能源綜合服務(wù)站試點(diǎn)等。作為能源互聯(lián)的樞紐站,能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)于研究能源互聯(lián)的先進(jìn)技術(shù)、信息通信技術(shù)及新能源發(fā)電技術(shù)具有重要意義[1]。其中,能源綜合服務(wù)站的能效評(píng)估是探究綜合站多能協(xié)同規(guī)劃、能效提升及優(yōu)化運(yùn)行等方面的關(guān)鍵所在,科學(xué)合理的能效評(píng)估方法對(duì)能源綜合服務(wù)站的發(fā)展極為重要。

目前能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的能效評(píng)估研究相對(duì)較少,但對(duì)于單一的變電站、數(shù)據(jù)中心、儲(chǔ)能系統(tǒng)、風(fēng)電/光伏電站的能效評(píng)估,以及能源互聯(lián)系統(tǒng)的能效評(píng)估,現(xiàn)階段已有一定的研究成果。文獻(xiàn)[7]從電氣設(shè)備性能、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、建筑結(jié)構(gòu)性能和運(yùn)行環(huán)境因素4 個(gè)角度對(duì)變電站的能效進(jìn)行評(píng)估;文獻(xiàn)[8]從設(shè)備、變電站用電和辦公用電3 個(gè)方面分析變電站的能耗分布;文獻(xiàn)[9]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)數(shù)據(jù)中心能源利用效率進(jìn)行優(yōu)化,提高數(shù)據(jù)中心電能使用效率;文獻(xiàn)[10]從機(jī)組層、系統(tǒng)層和設(shè)備層選取能效指標(biāo)對(duì)風(fēng)電機(jī)組能效進(jìn)行評(píng)估;文獻(xiàn)[11]基于光儲(chǔ)充電站源荷特性提出充電站能效評(píng)估指標(biāo)及其方法,并進(jìn)行交、直流系統(tǒng)的能效對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)光儲(chǔ)容量越大,直流配電越具有優(yōu)勢(shì);文獻(xiàn)[12-14]根據(jù)分布式能源發(fā)電的不穩(wěn)定、間歇性以及環(huán)保等特點(diǎn),研究分布式能源指標(biāo)體系的建立。然而,評(píng)估能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的能效時(shí),各站不再是獨(dú)立的個(gè)體,而是相互聯(lián)系、相互作用的整體,因此在能效評(píng)估時(shí)還需考慮能源之間的轉(zhuǎn)換利用、耦合互補(bǔ),對(duì)此國(guó)內(nèi)外學(xué)者在綜合能源系統(tǒng)能效評(píng)估中已有諸多研究。劉曉鷗等認(rèn)為影響綜合能源系統(tǒng)能源利用效率的核心要素有可再生能源滲透率、能源轉(zhuǎn)化設(shè)備效率和容量配置結(jié)構(gòu)、冷/熱/電負(fù)荷需求結(jié)構(gòu)[15];劉洪等構(gòu)建考慮能源品位差異、可再生能源利用的多能源供應(yīng)系統(tǒng)能效的評(píng)估模型[16];文獻(xiàn)[17]根據(jù)綜合能源系統(tǒng)中可再生能源特點(diǎn)及多能流特性提出適用于綜合能源系統(tǒng)能效評(píng)估的能源綜合利用率指標(biāo);原凱等梳理能源互聯(lián)網(wǎng)的綜合能效評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究現(xiàn)狀,并對(duì)部分能效指標(biāo)進(jìn)行了歸納整理[18]。受限于以變電站為核心的能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)程,現(xiàn)階段關(guān)于能源綜合服務(wù)站的研究主要集中于規(guī)劃設(shè)計(jì)和技術(shù)開發(fā),評(píng)估方面的內(nèi)容還相對(duì)較少,與能源互聯(lián)相關(guān)的評(píng)估方面的工作大多針對(duì)在用戶端的區(qū)域綜合能源系統(tǒng),以變電站為核心的能源綜合服務(wù)站的能效評(píng)估還有待研究。

本文針對(duì)能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的能源供給需求,考慮可再生能源的利用情況,建立包括宏觀能效指標(biāo)、微觀能效指標(biāo)以及能源經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的綜合能效評(píng)估體系,并基于加權(quán)有向圖建立能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)內(nèi)部能流的模型,將能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)運(yùn)行策略映射成能量路徑計(jì)算能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)能流值,繼而利用層次分析法計(jì)算得到各指標(biāo)值及綜合能效評(píng)估結(jié)果。最后,本文以某能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)為算例,建立能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)評(píng)估場(chǎng)景,利用所提方法得出能源互聯(lián)情景下的能源綜合服務(wù)站能效評(píng)估結(jié)果,驗(yàn)證所提方法的有效性。

1 能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)分析

能源綜合服務(wù)站的組合模式可根據(jù)實(shí)際需要和建設(shè)條件將變電站與儲(chǔ)能電站、數(shù)據(jù)中心站、充換電站、分布式光伏電站、冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)等靈活配置。其中,目前配置較為完善、供能相對(duì)齊全的模式是“變電站+儲(chǔ)能電站+數(shù)據(jù)中心站+EV 充電站+風(fēng)電/光伏電站+冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)”五站合一組合模式,如圖1 所示,能源輸入設(shè)備由中高壓配電網(wǎng)、分布式風(fēng)電/光伏電站、天然氣管網(wǎng)構(gòu)成,能源輸出至儲(chǔ)能電站、數(shù)據(jù)中心站、EV 充換電站或配電網(wǎng)。該組合模式下,變電站與多元能源站相結(jié)合,變電站、三聯(lián)供系統(tǒng)作為“源”,儲(chǔ)能電站作為“儲(chǔ)”,數(shù)據(jù)中心站、充換電站、配電網(wǎng)中的冷、熱、電負(fù)荷作為“荷”,“源-儲(chǔ)-荷”聯(lián)合運(yùn)行,通過能源之間的有機(jī)互補(bǔ),系統(tǒng)能量供應(yīng)的靈活性和穩(wěn)定性大大增強(qiáng)。

圖1 能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of integrated energy service station system

1.2 能量流分析

能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的關(guān)鍵在于不同站間的能源耦合互動(dòng),通過對(duì)變電站、儲(chǔ)能站、可再生能源發(fā)電站、三聯(lián)供系統(tǒng)、數(shù)據(jù)中心站等進(jìn)行科學(xué)調(diào)度,實(shí)現(xiàn)能源高效利用。

圖2 描繪了能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)內(nèi)部能量流的輸入、轉(zhuǎn)換、傳輸情況,能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的輸入能源為電力、可再生能源、天然氣,不同能源之間通過燃?xì)廨啓C(jī)、電制冷機(jī)、吸收式制冷機(jī)等能源轉(zhuǎn)換設(shè)備進(jìn)行耦合互動(dòng),而儲(chǔ)能電站、蓄冷裝置等儲(chǔ)能裝置則幫助系統(tǒng)保障能源供應(yīng)的可靠性,以及削峰填谷,減少資源的浪費(fèi)。系統(tǒng)輸出能源為冷、熱、電,去向?yàn)閿?shù)據(jù)中心站、EV 充換電站和配電網(wǎng),如果冷、熱能量富裕,也可供應(yīng)給鄰近工商業(yè)、企業(yè)或小區(qū)。

圖2 能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的能量流動(dòng)圖Fig.2 Energy flow diagram of the integrated energy service station system

基于熱力學(xué)第一、二定律,能量可用于表征能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)能源的流動(dòng),體現(xiàn)系統(tǒng)做功的能力。對(duì)于能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的能效評(píng)估,須掌握系統(tǒng)能源輸入與輸出情況,而能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,因此可利用黑箱模型[19]分析能量的輸入與輸出。如圖3 所示,能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的輸入能源為電力、可再生能源、天然氣,輸出能源為冷、熱、電。

圖3 黑箱模型Fig.3 The black box model

2 綜合能效評(píng)估指標(biāo)體系

為了全面、系統(tǒng)地評(píng)估能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的能效,本文建立了涵蓋宏觀能效指標(biāo)、微觀能效指標(biāo)、能源經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的綜合能效評(píng)估指標(biāo)體系,如圖4所示。

圖4 能源綜合服務(wù)站的綜合能效評(píng)估指標(biāo)體系Fig.4 Comprehensive energy efficiency evaluation index system of integrated energy service station

2.1 宏觀能效指標(biāo)

宏觀能效指標(biāo)指從系統(tǒng)整體的角度分析系統(tǒng)的能源利用情況,包含能源利用率、可再生能源利用占比。

1)能源利用率A1。

能源利用率指能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)輸出能量與輸入能量的比值,該比值大小反映系統(tǒng)對(duì)能源的利用水平。此處輸入能源電能、風(fēng)/太陽能(可再生能源)、天然氣均折算為一次能源煤計(jì)算,折算標(biāo)準(zhǔn)參照GB/T 2589—2008[20],輸出能量包含配電網(wǎng)、EV充電站、數(shù)據(jù)中心所消耗的能量。

式中:K為標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量,為29.307 MJ/kg;Cg、Cre、Ce分別為天然氣、可再生能源、電能折合成標(biāo)準(zhǔn)煤的系數(shù),為122.8、0、309 kg/(MW·h)。

2)可再生能源利用占比A2。

可再生能源利用占比指能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)中可再生能源輸入的能量占總輸入能量的比例,該比值的大小反映了能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)對(duì)可再生能源的消納水平。

2.2 微觀能效指標(biāo)

微觀能效指標(biāo):分析系統(tǒng)內(nèi)部能源利用情況,掌握系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)節(jié)能源利用情況,有利于能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì),包含EV 充電站能效、數(shù)據(jù)中心能效。

1)EV 充電站能效B1。

EV 充電站能效反映能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)中EV充電站的工作效率,充電設(shè)備效率、監(jiān)控系統(tǒng)效率、管理與運(yùn)營(yíng)制度等均會(huì)影響EV 充電站的能效。

2)數(shù)據(jù)中心能效B2。

數(shù)據(jù)中心能效用IT 設(shè)備的能源消耗占數(shù)據(jù)中心總能源消耗的比重體現(xiàn),該指標(biāo)反映了數(shù)據(jù)中心有多少能源用于網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器等計(jì)算機(jī)設(shè)備,或有多少能源用于制冷/熱、照明設(shè)備等輔助設(shè)備,體現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心站的能效水平。

式中:QIT、QDC分別表示IT 設(shè)備、數(shù)據(jù)中心消耗的能量。

2.3 能源經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

1)能源經(jīng)濟(jì)成本C1。

能源經(jīng)濟(jì)成本指一段時(shí)間內(nèi)輸出單位能源所需的經(jīng)濟(jì)成本,反映了該能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性水平。

式中:Pg、Pre、Pe分別為輸入的天然氣、可再生能源、電能的單位成本。

2)經(jīng)濟(jì)發(fā)展適應(yīng)能力C2。

經(jīng)濟(jì)發(fā)展適應(yīng)能力反映了能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)滿足當(dāng)?shù)厣鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的能力,對(duì)延緩能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的改造具有重要意義,用供能總量年平均增長(zhǎng)率與當(dāng)?shù)谿DP 年平均增長(zhǎng)率的比表示。

式中:DQ、DGDP分別表示供能總量年平均增長(zhǎng)率、供能區(qū)域GDP 年平均增長(zhǎng)率。

3 指標(biāo)計(jì)算及能效評(píng)估方法

3.1 指標(biāo)計(jì)算

根據(jù)各指標(biāo)的定義,能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的能效指標(biāo)計(jì)算取決于輸入輸出能量流。但在能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)規(guī)劃階段對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)評(píng)估時(shí),系統(tǒng)輸入輸出能量流并不能掌握,因此,在計(jì)算指標(biāo)前需要分析系統(tǒng)內(nèi)部能源傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、利用過程中能量的分流、合并和損耗,并進(jìn)行建模。能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)中的能流可利用有向圖對(duì)能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)內(nèi)部能流情況簡(jiǎn)化[21],描繪出系統(tǒng)內(nèi)部能流關(guān)系,用于系統(tǒng)規(guī)劃階段能效的預(yù)評(píng)估。

本文采用加權(quán)有向圖表示能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)內(nèi)部的能流關(guān)系和損耗情況。有向圖由邊集U和頂點(diǎn)集V構(gòu)成,可表示為E(U,V)。每個(gè)頂點(diǎn)代表能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的能源傳輸、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、利用端口,連接端口的邊表示端口之間的聯(lián)系,并通過給邊賦權(quán)體現(xiàn)端口間能源損耗情況。以圖5 中的加權(quán)有向圖為例,頂點(diǎn)V1、V2、V3代表能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的電能、可再生能源、天然氣能源輸入端口,V11、V12、V13代表系統(tǒng)冷能、熱能和電能的輸出端口,中間其他頂點(diǎn)代表能源輸送、轉(zhuǎn)換或存儲(chǔ)端口。頂點(diǎn)之間的有向邊η代表端口間的能源流向和效率。

圖5 加權(quán)有向圖示例Fig.5 Example graph of weighted directed graph

利用加權(quán)有向圖對(duì)能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)進(jìn)行建模,用矩陣A=(aik)nxm表示加權(quán)有向圖中n個(gè)頂點(diǎn)與m條邊的關(guān)系,其中,aik表示頂點(diǎn)Vi與第k條邊的關(guān)系。其取值為:

其次,利用頂點(diǎn)Vi、Vj間能源轉(zhuǎn)換的效率ηij給邊賦權(quán),建立邊的權(quán)矩陣:

另外,考慮到能源端口容量的上限問題,各邊能流端點(diǎn)具有上限值,即各邊能流具有上限值,建立邊的上限權(quán)矩陣取頂點(diǎn)Vi流向頂點(diǎn)Vj的能流最大值。

定義向量X=(x1,x2,…,xn),其元素取值為:

那么,路徑長(zhǎng)度可表示為:

對(duì)于圖4 所示系統(tǒng),以V1至V11的一條路徑為例,向量X應(yīng)滿足

由此可計(jì)算V1至V11的其中一條路徑,1 -6 -9 -11的長(zhǎng)度為:

可得,V11輸出單位能源時(shí),V1需輸入10d能源,也可以據(jù)此求得各邊能流量。

通過對(duì)能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)進(jìn)行建模,能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)運(yùn)行策略的選擇在建立的模型上表現(xiàn)為路徑的選擇,能流調(diào)度按照選擇的路徑進(jìn)行,由此計(jì)算規(guī)劃方案中能流情況,繼而計(jì)算指標(biāo)值,流程如圖6 所示。

3.2 綜合能效評(píng)估

權(quán)重計(jì)算流程如圖7 所示,利用層次分析法計(jì)算各能效指標(biāo)權(quán)重[22]。為了得到綜合能效評(píng)估結(jié)果,需對(duì)上一節(jié)計(jì)算得出各項(xiàng)能效指標(biāo)的值進(jìn)一步歸一化,各能效指標(biāo)權(quán)重對(duì)其進(jìn)行加權(quán)得出系統(tǒng)綜合能效評(píng)估結(jié)果,評(píng)估模型如圖8 所示。

圖8 評(píng)估模型Fig.8 The evaluation model

4 算例分析

4.1 能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文選取我國(guó)某能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)作為研究對(duì)象,該系統(tǒng)中充電站配電容量為500 kV·A,數(shù)據(jù)中心站功率為7 500 kW,且所處地理位置年日照時(shí)間充足,具備一定的分布式發(fā)電能力。根據(jù)其規(guī)劃報(bào)告中可以得到以下基本數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 該能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)的基本數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of the integrated energy service station system

該能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)規(guī)劃中的有向圖模型如圖9 所示,V1—V3表示天然氣、輸電線路供電、可再生能源(光伏發(fā)電)輸入端口,V14—V16表示電、冷、熱能輸出端口。V4、V5、V6、V7、V9、V11、V13分別表示系統(tǒng)內(nèi)部的主要設(shè)備端口,包括燃?xì)忮仩t、燃?xì)廨啓C(jī)、電儲(chǔ)能(battery energy storage,BES)、熱交換器、吸收式制冷機(jī)、空調(diào)設(shè)備,其中,電儲(chǔ)能V7與電能總線V8形成環(huán)。

圖9 該能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)有向圖Fig.9 Directed graph of the integrated energy service station system

根據(jù)有向圖與相關(guān)設(shè)備效率形成矩陣A與權(quán)矩陣B,尋找有向圖由輸入到輸出頂點(diǎn)的所有路徑,如表2 所示。

表2 系統(tǒng)路徑集Table 2 The system path set

能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)中數(shù)據(jù)中心站在冷熱供應(yīng)時(shí)需滿足恒溫條件,考慮到冷熱供應(yīng)的季節(jié)特征,因此將系統(tǒng)冷熱能源供應(yīng)分為供冷和供熱兩種情景。系統(tǒng)能效指標(biāo)也會(huì)隨站內(nèi)設(shè)備的工作狀態(tài)變化而變化,通常,能效評(píng)估以年為時(shí)間跨度。因此,本文結(jié)合系統(tǒng)能源運(yùn)行策略和需求特征建立能效評(píng)估場(chǎng)景,選擇圖10 所示供冷/熱兩種情景下能源綜合服務(wù)站典型日的負(fù)荷和光照條件作為評(píng)估的基本場(chǎng)景,并設(shè)定各狀態(tài)一年中出現(xiàn)的概率各為1/2。

圖10 能源綜合服務(wù)站典型日負(fù)荷及光照情況Fig.10 Typical daily load and light conditions of the integrated energy service station

參考熱電聯(lián)供系統(tǒng)的運(yùn)行策略[23],對(duì)于算例中建立的能源綜合服務(wù)站系統(tǒng),具體運(yùn)行策略和路徑選擇為:

1)可再生能源發(fā)電和從輸電線路輸入的電能優(yōu)先滿足電力負(fù)荷需求,其次再滿足冷負(fù)荷和熱負(fù)荷的需求;

2)若可再生能源發(fā)電和輸電線路輸入的電能無法滿足需求,此時(shí)由天然氣及電儲(chǔ)能提供剩余能源需求,系統(tǒng)遵循的路徑編號(hào)優(yōu)先級(jí)順序從高到低為{10,13,7,5(6),3(2),4,1};

3)若可再生能源發(fā)電和輸電線路輸入的電能可以滿足能源需求并存在盈余,此時(shí)盈余能源以電能形式儲(chǔ)存于電儲(chǔ)能站,系統(tǒng)則遵循的路徑編號(hào)優(yōu)先級(jí)為{10(13),11(8),12(9),5(6),3(2),4,1}。

系統(tǒng)輸入功率如圖11 所示。由圖11 可看出可再生能源輸入電能超出系統(tǒng)消納和輸出能源時(shí)儲(chǔ)能站儲(chǔ)存電能,此時(shí)儲(chǔ)能站輸入為正值;反之輸出電能,儲(chǔ)能站輸入為負(fù)值。依據(jù)兩種場(chǎng)景下系統(tǒng)輸入輸出能量計(jì)算結(jié)果,按照公式(1)—(6)計(jì)算能效評(píng)估指標(biāo),表3 中給出了相關(guān)參數(shù)及各能效指標(biāo)計(jì)算結(jié)果。從表3 可以看出能源利用率大于1,原因在于進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算時(shí)光伏發(fā)電作為可再生能源,其標(biāo)準(zhǔn)煤折算系數(shù)取0,能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)中可再生能源利用水平越高,能源利用率越大。

圖11 系統(tǒng)輸入功率圖Fig.11 System input power diagram

表3 能效指標(biāo)參數(shù)及計(jì)算結(jié)果Table 3 Energy efficiency index parameters and calculation results

4.2 綜合評(píng)估

本文利用層次分析法對(duì)系統(tǒng)6 個(gè)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理,計(jì)算權(quán)重,可得綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,如表4所示。

表4 能效評(píng)估結(jié)果Table 4 Results of energy efficiency assessment

在綜合評(píng)估權(quán)重計(jì)算中,依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn),能源利用率最能凸顯能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)整體能效,且在變電站向能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)升級(jí)過程中,數(shù)據(jù)中心作為其重要的服務(wù)對(duì)象,其能效的高低對(duì)變電站升級(jí)成功與否具有重要意義,因此,這兩個(gè)指標(biāo)所占權(quán)重最大。根據(jù)指標(biāo)值及相應(yīng)的權(quán)重,可計(jì)算出系統(tǒng)的綜合能效評(píng)估值為0.850 6,綜合能效評(píng)估值越高,說明該能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)在能效上具備一定的優(yōu)越性。在進(jìn)行能源綜合服務(wù)站建設(shè)和發(fā)展時(shí),要提升其能效水平,應(yīng)注重能源利用率和數(shù)據(jù)中心能效的提升,算例中可再生能源利用水平較高,能源利用率大于1,在一定程度上彌補(bǔ)了可再生能源利用占比的不足,保證了能源綜合服務(wù)站的較高能效水平,評(píng)估結(jié)果可作為能源綜合服務(wù)站確定未來發(fā)展方向的參考,在今后發(fā)展中,可在保證能源利用率和數(shù)據(jù)中心能效水平的基礎(chǔ)上,適當(dāng)提高可再生能源利用占比和能源經(jīng)濟(jì)成本水平,進(jìn)而提高能源綜合服務(wù)站的能效水平。

5 結(jié)論

提高能源的利用效率是能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)建設(shè)的主要目標(biāo)之一,為了反映能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)能源利用、轉(zhuǎn)換、損耗的特征,本文從宏觀能效、微觀能效、能源經(jīng)濟(jì)3 個(gè)方面考慮,提出了能源利用率、可再生能源利用率、EV 充電站能效、數(shù)據(jù)中心能效、能源經(jīng)濟(jì)成本、經(jīng)濟(jì)發(fā)展適應(yīng)性6 個(gè)評(píng)估指標(biāo),并針對(duì)上述指標(biāo),建立了加權(quán)有向圖模型模擬能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)內(nèi)部能流情況,計(jì)算系統(tǒng)能量輸入輸出及能效評(píng)估指標(biāo)值。最終,采用層次分析法得到系統(tǒng)的綜合評(píng)估結(jié)果。

通過算例表明,本文提出的能效指標(biāo)體系及相應(yīng)的指標(biāo)計(jì)算方法,適用于能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)綜合能效評(píng)估,可在能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)規(guī)劃時(shí)提供參考。并且,本文建立的加權(quán)有向圖模型中的有向圖路徑可與運(yùn)行策略進(jìn)行映射,可用于以提高能效為目標(biāo)的能源綜合服務(wù)站系統(tǒng)運(yùn)行策略的優(yōu)化。