基于改进TOPSIS的乡镇...合能源系统效益综合评价方法_金璐.pdf

基于改进 的乡镇综合能源系统效益综合评价方法金璐，何伟，闫华光，何桂雄（中国电力科学研究院有限公司，北京；国网江西省电力有限公司，南昌）摘要：在以能源互联为主导的能源变革背景下，建设清洁高效的综合能源系统（）是助力乡镇实现可持续发展的重要环节。基于乡镇地区自然资源禀赋，提出一种计及风、光、地热和生物质能的可再生 架构；针对城、乡能源系统在评价依据方面存在的差异，分别从经济、技术、运营、环保以及社会层面提炼出适用于乡镇 效益评估的综合评价指标体系；引入结合了层次分析决策实验室分析法和反熵权法的主客观指标赋权机制，并将其融入改进后的逼近理想解排序综合评价模型，从而实现乡镇 效益的科学定量评估。最后，以江西省某乡镇综合能源系统示范工程为实施算例，验证了文中方法的合理性与有效性。关键词：综合能源系统；指标体系；组合赋权法；改进；综合评价：中图分类号：文献标识码：文章编号：（），o（cc c ，g，g cc ，cg，）：o o oo o oo，oo o （）o o o o o o o o o，oo o ，o o o o o ，o o o o o o o oo，oo，oo，o o o o o o o o o o，o o o o o o，o o oo o oo o o o o ：，o o，o，o o基金项目：国家电网有限公司总部科技项目（）引 言随着我国“乡村振兴”战略的不断推进，人们日益提升的用能需求与乡镇落后的能源供给面貌之间已然存在着巨大矛盾。一方面，乡镇丰沛的自然资源未被充分利用，传统粗放的能源消费模式造成了生态环境的严重破坏；此外，乡镇能耗总量逐年攀升，能源需求多样化、高品质特征愈发显著。作为能源互联网的重要实现载体，综合能源系统基于梯级利用方式实现第 卷 第 期电测与仪表 年 月 日 ，了多元能源的协同转换、耦合互补，具有清洁高效、灵活可靠等优势。因此，统筹整合多类可再生资源，因地制宜构建乡镇综合能源系统，对改善乡镇能源结构、实现绿色可持续发展意义重大。不同于社区、医院和园区等常见综合能源系统（，）应用场景，乡镇在资源禀赋、用能特性等方面均差异明显。目前，针对可融合多种可再生能源的乡镇 的研究已有许多。文献对沼光风混合可再生能源系统进行了精细建模，揭示了温度对沼气生产速率带来的影响；文献在上述模型基础上，提出一种计及风光不确定性的日前实时两阶段优化运行策略；文献构建了农村多能流微能网模型，并采用改进杂交粒子群算法实现其经济优化调度；文献兼顾环境、能效和经济因素，对养殖场内生物质气冷热电联供系统进行多目标优化设计。然而，现有研究多侧重于乡镇 的建模仿真、运行优化及规划设计，关于其效益评估方法的研究则鲜有报道。综合考虑各方因素，合理设计指标体系和评价模型，是有效衡量技术水平与工程效益的重要前提，这对于 的建设推广至关重要。文献 考虑区域 从规划设计到建设运营的全过程，构建集能源、装置、用户及配电网等环节于一体的评价指标体系；文献利用多准则优化决策方法实现了园区 方案的决策排序与评价分析；文献从经济性、环保性及可靠性指标角度出发，基于模糊综合评价理论给出了含分布式设备的 合理配置建议。受限于 的发展历程，现有指标体系多以城市为背景，无法与乡镇能源系统特征相匹配，且指标属性较为片面。此外，传统评价模型难以在主观经验与客观数据间取得平衡，评价结果不够科学合理。针对上述问题，本文提出一种适用于乡镇综合能源系统效益的综合评价方法。首先，充分考虑乡镇自然资源条件，构建了典型的可再生乡镇 架构；接着，立足于经济收益、技术性能、运营管理、生态环境以及乡镇发展影响因素，提出乡镇 综合评价指标体系；最后，基于由层次分析决策实验室分析法和反熵权法求得主客观赋权结果，通过改进后的逼近理想解排序法（o o oo，）实现了乡镇 效益的综合评价。仿真算例将本文方法应用于实际工程案例，并取得了良好的效果，可为今后乡镇 的推广发展提供参考。乡镇综合能源系统为有效缓解农网供需矛盾，助力乡镇清洁能源就地消纳，本文考虑一种以外部电网和本地可再生能源为输入、电 热 冷能为输出的“源网荷储”一体化乡镇综合能源系统，其拓扑架构及能量流动如图 所示。电母线冷母线热母线光伏单元风电机组储电装置储热装置储冷装置热电联产沼气锅炉电制冷机地源热泵吸收式制冷机电能流冷能流热能流能量流地热能沼气风能太阳能农网电能冷能热能图 乡镇 系统架构 o o o由图 可知，除既有农网外，乡镇 内的能量全部汲取自风能、太阳能、地热能以及生物质能等本土自然资源。其中，光伏单元与风电机组分别以太阳能和风能为原动力，为系统提供电能，并经由联络线与外部电网互联互通；针对乡镇内分布分散且闲置情况严重的生物质资源，对其进行适度集中气化处理，并通过沼气热电联产和沼气锅炉向用户输送电能及热能，实现其充分消纳与高效利用；以地表浅层能源为输入、电能为驱动的地源热泵，是系统内另一实现电 热 冷耦合的关键设备；电制冷机与吸收式制冷剂作为系统内的主要冷源，在能源高效梯级利用方面起到关键作用；此外，为提高系统的调度运行灵活性，乡镇 内还配置有包括储电 储热 储冷装置在内的多元储能设备。综合评价指标体系乡镇 旨在打造绿色生态下的新型可再生能源系统，其评价依据较之现有城市背景下的 指标体系差异显著。为合理评价乡镇 的工程效益，本文兼顾综合能源服务商、电网企业、乡镇政府以及用户等多元乡镇 参与主体，计及系统从规划到运营的不同时间跨度，在科学客观、系统合理、独立实用的原则基础上，从经济收益、技术性能、运营管理、生态环境以及乡镇发展 个角度出发，构建包含 个层级共计 项指标的乡镇 效益综合评价指标体系，具体如图 所示。第 卷 第 期电测与仪表 年 月 日 ，乡镇IES综合评价指标体系技术性能C2能源转换效率C21清洁能源比例C22供能缺额率C23沼气发酵工艺水平C24运营管理C3用户满意程度C31需求侧建设水平C32组织管理水平C34生态环境C4原始生态保有率C41大气污染排放C42噪音污染指数C43乡镇发展C5提高能源公平性C51改善居民生活质量C52促进乡镇社会发展C53经济收益C1投资收益率C11动态投资回收期C12延缓农网改造收益C13用户人均用能成本C14图 乡镇 综合评价指标体系 o o oo 评价指标体系分析 经济收益指标作为乡镇 的重要物质基础，经济收益是应当被纳入考核的重要因素。投资收益率和动态投资回收期都描述了乡镇 项目的盈利水平，其中投资收益率为规划期内系统总收益现值与总支出现值之比，动态投资回收期表示初始投资与累计净收入持平所需要的时间。上述指标计算方法详见文献。除项目投资方外，乡镇 对于电网企业及用户也会存在经济影响。延缓农网改造收益 可反映由于乡镇 建设而减免的农网改造成本，其公式为：ck（k）（k）（）式中 为农网可避免峰荷容量；c、k、分别为单位改造成本、折现率和延缓改造周期。此外，由于闲置的清洁能源得到了充分利用，乡镇用户的人均用总能成本 也将明显降低，其计算式为：o（）式中、o分别为用户全年购能成本和全年生物质原料出售收入；为乡镇 用户总人数。技术性能指标技术性能指标是 工程建设水平的重要体现。乡镇 的建设初衷即为实现多元能源的高效利用，本文考虑异质能源在能源品味方面存在的差异，定义乡镇 的能源转换效率指标 为：（）式中、分别为系统全年输出的电、热、冷负荷总量；、分别为全年输入的电能、沼气和地热能总量；、分别为电能、热能、冷能、沼气和地热能的能质系数。此外，为衡量乡镇 清洁能源消纳水平，定义指标 为除农网输入电能外的系统输入能量与系统输入总能量经能质系数折算后的比值。在可靠性方面，定义指标 为规划周期内系统供能缺额与供能总量经能质系数折算后的比值，可采用蒙特卡洛方法进行计算，实现乡镇 的供能可靠性评价。乡镇地区储备丰富的生物质能主要通过厌氧发酵的方式转化为沼气，厌氧发酵的反应效果取决于原料特性、环境因子、中间产物等工艺参数，其不仅影响沼气产量及转化效率，还关乎沼液、沼渣的可再利用性。因此，设置指标 对沼气生产过程中厌氧发酵环节的工艺水平进行定性评价。运营管理指标乡镇 的运营管理体系也是影响其效益的因素之一。从用户侧角度出发，用户满意程度指标能反映乡镇用户对综合能源供给的认可度，可通过问卷调查形式获取。除多能供应基础业务外，需求侧管理是优化用户用能方式另一途径，综合考虑系统需求响应能力、智能表计普及度等影响因素，设置指标 定性衡量乡镇 的需求侧建设水平。就乡镇 服务商自身而言，优越的服务质量与良好的组织管理水平密不可分。指标 即从第三方角度出发，通过定期考核 服务商的管理模式与绩效水平，客观反映综合能源服务商的组织管理状况。生态环境指标原始生态保有率指标最先在城区规划领域中被引入，此处借鉴该定性指标思想，用以刻画乡镇 的工程建设对地区原始生态环境的破坏程度。虽然生物质能在低碳减排方面优于传统化石能源，但其仍会污染外部大气环境，因此，定义 指标为 年排放、和粉尘的环境价值。噪音污染指数表示工程系统在日常运行时的噪音污染程度，倘若其超越安全界限，将严重影响周遭居民的健康。本文引入等效 声级概念来衡量乡镇 的噪音污染状况，具体计算方式参考文献。乡镇发展指标除上述指标外，对于乡镇社会发展的影响也不容忽视。通过对比乡镇 建设前后的能源基尼系数，在专家经验基础上判断 对乡镇社会能源公平性产生的影响，的计算式为：（）（）第 卷 第 期电测与仪表 年 月 日 ，式中 为乡镇居民分组数目；为第 组居民的用能成本与全部人口用能成本之比。由于居民生产生活废料在乡镇 中被妥善处理与利用，使得乡镇水土污染问题得到缓解，居民卫生健康状况不断好转，生活质量显著改善，指标 旨在衡量乡镇 在这一方面的作用。此外，乡镇 还能推动当地产业结构调整，创造就业机会，最终促进乡镇经济社会发展。因此，设置指标 对能源系统的社会效益进行定性评价。指标计算处理方法由于上述评价指标体系由定量指标和定性指标组合构成，因此，在计算处理异类指标时不可一概而论。其中，定量指标可在现有规划运行数据基础上依照上述指标计算方法求取。对于定性指标，借鉴模糊评价思想将其转化为定量数值，采用 等级划分方法定义评语集以及各等级对应分值如表 所示，由此可得评分矩阵 ，。邀请 位专家打分或依照问卷调研结果构造评语隶属度矩阵，即可求得量化后的指标值为 c 。表 评语划分表 o o 评语等级优（）较优（）良（）较差（）差（）对应分值 基于改进 的综合评价模型针对传统 存在的权重计算不合理、评价结果逆排序和排序重叠等缺陷，本文分别引入组合赋权法、绝对理想解和投影法对上述问题进行改进，使乡镇 运行效益评价结果更加科学合理。组合赋权方法在对指标进行赋权时，若仅采用主观赋权方法，评价结果易受专家经验左右，仅采用客观赋权方法，模型的准确性则会依赖于指标数据规模，增加了运算负担。因此，本文考虑一种结合层次分析决策实验室分析法与反熵权法的主客观赋权方法，并基于矩估计原理给出组合权重计算规则，使之既能反映专家主观意见，又能体现指标数据的客观规律。主观权重计算层次分析法（o，）是一种经典的主观权重计算方法，其可依据专家经验权衡各指标的相对重要性程度，但无法消除不同指标之间的交叉关联影响。为此，本文引入决策实验室分析方法（o o oo，）对 权重进行修正，以期获取更为准确合理的主观权重。针对指标总数为 的多层级指标体系，首先由 位专家根据 标度法在各层级内对指标进行两两比较，得到 组判断矩阵，若一致性校验通过，则该判断矩阵最大特征值所对应的特征向量即为主观权重，将 组权重中评价相似度最大的一组剔除，剩余 组权重的均值即为 权重 。接着，在 标度法下获取指标间的直接影响矩阵，并对其进行标准化处理，分别依照式（）、式（）计算求取综合影响矩阵 以及中心度矩阵 ，经 修正后的主观权重系数 如式（）所示。（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中、分别为标准化直接影响矩阵和单位矩阵；为指标 对指标 的直接影响程度；、以及分别为指标 的主观权重、权重以及中心度；、分别为指标 的影响度和被影响度。客观权重计