综合能源配用电系统一体化规划的综合评估方法

　 I

　目 目

　录

　1. 引言 ................................................................................................................................................. 1

　1.1 研究背景 ................................................................................................................................... 1

　1.2 研究目标和思路 ....................................................................................................................... 2

　1.2.1 指标选取与测算 ................................................................................................................ 2

　1.2.2 指标评价量化与综合决策 ................................................................................................ 2

　1.2.3 综合评估流程 .................................................................................................................... 3

　2. 综合能源配用电系统综合评估指标体系 ..................................................................................... 4

　2.1 安全性指标 ............................................................................................................................... 4

　2.1.1 电网安全性 ........................................................................................................................ 5

　2.1.2 热网安全性 ........................................................................................................................ 7

　2.2 可靠性指标 ............................................................................................................................... 8

　2.2.1 负荷点可靠性指标 ............................................................................................................ 8

　2.2.2 系统侧可靠性指标 ............................................................................................................ 8

　2.2.3 蒙特卡洛模拟法 ................................................................................................................ 9

　2.2.4 重要抽样法 ...................................................................................................................... 11

　2.3 经济性指标 ............................................................................................................................. 12

　2.4 灵活性指标 ............................................................................................................................. 13

　2.4.1 线路最大负载率 .............................................................................................................. 13

　2.4.2 系统最大供电能力 .......................................................................................................... 13

　2.5 环保性指标 ............................................................................................................................. 17

　2.5.1 清洁能源占比 .................................................................................................................. 17

　2.5.2 减排环境价值 .................................................................................................................. 18

　2.6 多源协同互补性指标 ............................................................................................................. 19

　2.6.1 最大负荷转移能力定义 .................................................................................................. 20

　2.6.2 最大负荷转移能力求解 .................................................................................................. 20

　2.7 能源利用效率指标 ................................................................................................................. 21

　3 综合能源配用电系统综合评估方法 ............................................................................................ 22

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　II

　3.1 模糊综合评价法 ..................................................................................................................... 22

　3.2 指标约简方法 ......................................................................................................................... 23

　3.3 模糊隶属度函数 ..................................................................................................................... 24

　3.4 指标赋权方法 ......................................................................................................................... 27

　3.4.1 Delphi 法 ........................................................................................................................... 27

　3.4.2 熵权法 .............................................................................................................................. 28

　3.4.3 组合赋权法 ...................................................................................................................... 30

　3.5 模糊合成 ................................................................................................................................. 31

　4 算例分析 ........................................................................................................................................ 34

　4.1 系统数据 ................................................................................................................................. 34

　4.1.1 用能系统概况 .................................................................................................................. 34

　4.1.2 能源转换设备选型 .......................................................................................................... 38

　4.1.3 能源价格 .......................................................................................................................... 39

　4.1.4 网架参数 .......................................................................................................................... 40

　4.2 规划方案评估计算 ................................................................................................................. 41

　4.2.1 规划方案概况 .................................................................................................................. 41

　4.2.2 综合评估结果 .................................................................................................................. 41

　5 结论 ................................................................................................................................................ 45

　参考文献 ............................................................................................................................................ 46

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　1

　 1. 引言 1.1 研究背景 综合能源系统(Integrated Energy Systems, IES）也被称为多能源系统(multi-energy systems）或多载体能源系统(multi-carrier energy systems)，是指对能源生产、转换、存储、传输与分配、消费等环节，统一进行规划、建设和运行，达到最佳优化协调目的的系统。综合能源系统一般包括多个独立系统，如电力系统、供热系统、制冷系统、天然气系统、或者运输系统。耦合元件有热电联产(Combined Heat and Power, CHP)机组，冷热电三联供(Combined Cooling, heating, and power, CCHP)机组，热泵(Heat Pumps, HP),燃气锅炉(Gas Boilers, GB)等，它们将多个独立系统连接起来成为综合能源系统。综合能源系统是提高能源效率，减少二氧化碳排放，提高可再生能源利用比重和规模的有效途径。它能解决能源供应安全问题，对于节能减排有着决定性的巨大作用。

　欧洲最早提出综合能源系统概念。英国提出了高度分布式电力系统，和高度分布式能源。德国对于可再生能源、能源效率提升、能源存储、多能源有机协调等方面投资了大量资金用于能源系统的优化协调。美国在 2001 年提出了综合能源系统的发展计划，对电力和天然气系统进行综合能源规划(IRP)，建设智能电网。加拿大在 2009 年提出要在全国覆盖综合能源系统，提出了清洁能源、经济能源等国家能源项目建设。日本是亚洲最早开展综合能源系统研究的国家。2009 年提出要建设覆盖全国的综合能源系统，提出了日本智能社区联盟。

　与国际综合能源系统发展水平相比，中国的综合能源系统理论体系尚未构建完整，关键核心技术也未能掌握。对于建设可持续发展型社会的目标，政府正在大力提升可再生能源发电比重，构建覆盖全国综合能源系统的目标。

　在综合能源系统的综合评估方法方面：目前国内外的研究一般仅从各能流自身特点出发，分别建立了电力流、天然气流、热能流自身的评估指标和评价体系。然而，在多能流综合的一体化规划时，各能流之间将相互作用和相互影响，目前国内外尚缺少对冷/热/电/气系统间相互关联作用的详细分析和建模。因此，需对冷/热/电/气系统的联合运行特性进行研究，充分考虑到不同供能网络的统一性与差异性，在此基础上建立考虑冷/热/电/气系统间相互关联作用的综合能源评价体系，从多方面对综合能源配用电一体化系统进行评估。

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　2

　 1.2 研究目标和思路 通过对园区应用综合能源配用电系统一体化规划方法，可得出包含一系列规划方案的备选方案集。本研究以备选方案综合决策为目标，提出了考虑多能流、多维度、多用户的综合能源配用电系统一体化规划的综合评估方法，为获得综合能源配用电系统优选规划方案提供理论依据，技术路线如图 1-2-1 所示。

　综合能源配用电系统一体化规划的综合评估指标选取与测算指标评价量化与综合决策 图 图 1-2-1 综合能源配用电系统一体化规划的 综合评估 技术路线图 1.2.1 指标选取与测算 研究能准确、客观地刻画综合能源配用电系统的评估指标体系。考虑可再生能源、储能、CCHP 接入及其与源网协调运行的综合能源配用电系统相互作用的特性，在常规的能源系统安全性、经济性、灵活性、环保性评价方法及评价指标基础上，提出多能源系统安全性、可靠性、经济性、灵活性、环保性、多源协同互补性、能源利用效率等技术评价指标。采用模拟法，根据园区规划期内冷/热/电/气的能源需求，针对不同分布式能源、储能、冷/热/气/电站配置、配电网架与管网连接的规划方案，对各个单项指标进行测算。

　在安全性方面，研究并校验各功能系统的安全运行准则。在可靠性方面，研究可再生能源不确定性、综合能源系统元件故障带来的用户持续供能影响。在经济性方面，以综合能源站为研究对象，综合考虑初投资、维护、运行以及网损等经济参数。在灵活性方面，研究各能源输送线路、管道的负载率，以及系统的最大供能能力以应对负荷增长。在环保性方面，考虑大量可再生能源、CCHP 接入带来的环境减排效益。在多源协同互补性方面，考虑能源转换设备配置对多能源供能可替代性的影响，研究不同系统间的负荷转移能力。在能源利用效率方面，研究综合能源站对天然气的综合利用效率。

　1.2.2 指标评价量化与综合决策 由于单一指标法存在单一、片面的缺点，本研究采用多指标综合评价法，对多指标评价问题进行综合计算。指标权重获取方面，考虑到主观赋权评价法多采取定性、

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　 主观经验得到权数，而客观赋权评价法仅根据指标间数值关系确定权数，各自具备一定优缺点，通过将不同主客观赋权评价法的权重组合，得到组合评价方法下的组合权重，使得评价结果更加科学合理。

　1.2.3 综合评估流程 结合图 1-2-1 技术路线以及构建的评价指标体系，在对实际园区进行综合能源配用电系统一体化规划时，对于备选方案集，可通过图 1-2-2 所示流程对其进行综合评估，从而得出优选方案。

　开始从方案集中选取待评价方案环保性评价可靠性评价经济性评价灵活性评价多源协同互补性所有方案评价完毕？多指标综合评价输出最优方案安全性评价能源利用效率否是 图 图 1-2-2 综合能源配用电系统一体化规划的 综合评估 流程图 图

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　4

　2. 综合能源配用电系统 综合评估 指标体系 本章介绍综合能源配用电系统综合评估指标，包含指标的选取及测算方法，从多角度构建综合评估指标体系。指标体系由七个一级指标组成，分别为安全性、可靠性、经济性、灵活性、环保性、多源协同互补性、能源利用效率，每个一级指标都下属若干二级指标，构成了综合评估框架，见表 2-1-1。

　表 表 2-1-1 综合能源配用电系统 综合评估 指标 体系 一级指标 二级指标 指标序号 安全性 主变 N-1 合格率 A 1

　热网安全指标 A 2

　可靠性 系统停供持续时间 A 3

　系统停供频率 A 4

　用户停供持续时间 A 5

　缺供量 A 6

　供能可靠率 A 7

　经济性 总成本 A 8

　灵活性 线路最大负载率 A 9

　最大供电能力 A 10

　环保性 清洁能源占比 A 11

　减排环境价值 A 12

　多源协同互补性 最大负荷转移能力 A 13

　能源利用效率 一次能源利用效率 A 14

　 2.1 安全性指标 综合能源配用电系统的安全性指标，按照供能网络，主要可分为供电和供热两部分。电网方面，主要考虑 N-1 准则；热网方面，通过《城镇供热管网设计规范》，对各项运行参数进行校验，得出热网安全性指标。综合能源配用电系统的安全性指标如表2-1-2 所示。

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　5

　表 表 2-1-2 综合能源系统安全性指标 一级指标 二级指标 安全性 主变 N-1 合格率 热网安全指标

　2.1.1 电网安全性 按照电网稳定导则相关定义要求，N-1 准则是指正常运行方式下电力系统中任意一个元件（如线路、发电机、变压器等）断开后，电力系统应能保持稳定运行和正常供电，其他元件不过负荷，电压和频率均在允许范围内。N-1 准则用于单一元件无故障断开条件下电力系统静态安全分析，或单一元件故障断开后的电力系统稳定性分析即动态安全分析。当发电厂仅有一回送出线路时，送出线路故障可能导致失去一台以上发电机组，此种情况也按 N-1 原则考虑。

　配电网规划中 N-1 校验，属于配电网安全性分析的一部分，主要是面向用户，校验发生故障后，能否保证持续供电和良好的供能质量。配电网的供电安全性是指在供电的任意一个时间断面，针对一组预想故障，电网能够保持对负荷正常持续供电的能力，即电网有能力避免较大面积的供电中断，并保持线路等设备的负载和电压幅值在允许的限制范围内。在规划中一般只需考虑全年最大负荷时的供电安全性，所以 N-1校验一般以全年最大负荷作为校验条件。

　本研究主要将综合能源系统评价与传统电网评价进行类比，从主变 N-1 的角度对安全性进行评价。主变 N-1 校验要求在主变故障发生时，故障主变所有负荷由站内其他主变和联络线路转带，并且保证线路不过载，电压不越限。部分严重故障情况下，允许变压器短时过载 130%。

　主变 N-1 校验，考虑变电站内容量最大主变退出的情况下，站内其他主变转带负荷的能力，图 2-1-1 是主变 N-1 校验的流程图。任选变电站 S i (1≤i≤n)，设变电站 S i 的最大容量主变退出运行，所需转供负荷大小为 P i ，站内其它主变所能转带负荷为 P TTi ，同等级其他变电站通过下级线路的联络关系所能转带负荷为 P Ti ，令函数 f(P i , P TTi , P Ti )为主变 N-1 校验通过判据，判断函数 f(P i , P TTi , P Ti )的取值。

　如果 f(P i , P TTi , P Ti )=1，则认为变电站 S i 通过校验。否则，变电站 S i 未通过校验，

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　6

　f(P i , P TTi , P Ti )=1。其中

　 1,

　 , ,0,

　 i TTi Tif P P P 无过载发生发生过载

　（2-1-1）

　主变 N-1 合格率 f e 可以通过下式计算。

　 11, ,ne i TTi Tiif f P P Pn

　（2-1-2）

　开始i=0变电站S i 最大容量主变停运计算需转带负荷P i站内转带站内转带成功？共同转带成功？ 变电站S i 通过校验变电站S i 未通过校验i=i+1i>N?输出全部变电站校验结果结束否是否是是否切除转带负荷站间转供是否过载越限？是否 图 图 2-1-1 主变 N-1 校验 流程图

　主变 N-1 校验步骤如下：

　（1）选择需要校验的变电站iS ，找出站内容量最大主变；

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　7

　（2）最大主变退出运行，进行站内转带； （3）判断站内转带情况下，系统过载情况。若无过载，则前往步骤；若有过载发生，则前往步骤（4）； （4）切除转带负荷，并按同等级变电站间的联络情况选择站间转供； （5）判断站间转带情况下，系统过载情况。若无过载，则判断转带成功，前往步骤；若发生过载，则返回步骤 4； （6）若转带成功，则标记变电站iS 通过校验；若转带失败，则标记变电站iS 未通过校验； （7）返回步骤 1，直至所有变电站完成校验。

　2.1.2 热网安全性 热网安全性评价，主要针对系统运行过程中网路是否超出设计流量或满足设计规范进行校核。下面通过水力计算，说明安全校验流程及内容。

　水力计算主要用于求解管道中热媒流量以及压力损失，热媒流量由热用户需求决定，压力损失取决于管道直径、选材及管道流量。在《城镇供热管网设计规范》中，对管道比摩阻、热媒流速和压力工况有着明确的规定：（1）支干线比摩阻不应大于300Pa/m；（2）热水流速不应大于 3.5m/s；（3）供水管道压力不得低于热水汽化压力，并留有 30kPa~50kPa 的富裕压力。

　蒸汽供热管道供热介质的最大允许设计流速应符合表 2-1-3。

　表 表 2-1-3 蒸汽供热管道 供热介质最大允许设计流速 供热介质 管径（mm）

　最大允许设计流速（m/s）

　过热蒸汽 ≤200 50 ＞200 80 饱和蒸汽 ≤200 35 ＞200 60

　因此，热网安全校验即为对于管道比摩阻 R i 、热媒流速 v i 、管道压力 p i 的检验，热网安全指标 f h 可以定义为：

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　8

　1,

　 0,

　hf 管道流速、比摩阻、压力均位于限值内管道流速、比摩阻、压力某项超出限值

　 （2-1-3）

　2.2 可靠性指标 综合能源系统网络可靠性指标主要分为负荷点和系统侧两部分，负荷点可靠性指标是对系统中每个个体可靠性水平的评价，而系统侧可靠性指标则是将所有个体的状况累积起来表示整体系统的可靠性水平，所以总的来说负荷点指标是分析的基础，系统侧指标则是对基础的综合。

　表 表 2-2-1 综合能源系统可靠性指标 一级指标 二级指标 可靠性 系统停供持续时间 系统停供频率 用户停供持续时间 缺供量 供能可靠率

　2.2.1 负荷点可靠性指标 负荷点可靠性指标是用来对系统中每个负荷点可靠性状况进行评价的，一般用以下 3 个指标：

　（1）负荷点平均故障率i （次/年）； （2）负荷点平均停用时间iU （小时/年）； （3）负荷点平均停用持续时间ir ，其计算方法如式（2-2-1）所示：

　( )iiiUr 小时/次

　 （2-2-1）

　2.2.2 系统侧可靠性指标 系统侧可靠性指标表现的是整个系统的可靠性状况，能够对系统网络的不间断供能能力进行评价，一般有下面几个指标：

　（1）系统停供持续时间 SID，表示网络中每个用户所经受的平均停供时间：

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　9

　=i iiU NSIDN用户停用持续时间总和用户总数

　（2-2-2）

　（2）系统停供频率 SIF，表示网络中每个用户所经受的平均停供次数：

　=i iiNSIFN用户停用总次数用户总数

　（2-2-3）

　（3）用户平均停用时间 CID，表示网络中受故障影响的用户中每个用户所经受的平均停供时间：

　=i ii iU NCIDN 用户停用持续时间总和受故障影响的用户数

　 （2-2-4）

　（4）缺供量 ENS，表示整个系统因设备故障导致的用户停供总量：

　i ii RENS LU 

　（2-2-5）

　（5）供能可靠率 SAI，表示一年中用户获得供能时间所占的比率：

　8760=8760i i iiN U NSAIN  用户用能小时数用户需求小时数

　 （2-2-6）

　式中，i 为网络中元件的故障率，iN 为负荷点 i 的用户数，iU 为元件的年平均停用时间， F 表示受故障影响的用户集合。

　2.2.3 蒙特卡洛模拟法 蒙特卡洛模拟法，其采用随机数抽样形成网络事故集，并通过概率方法计算相应的可靠性指标。采用蒙特卡洛模拟法进行可靠性分析的最大优点是易于得到负荷点和系统侧的各项指标，而且其模型结构也相对较为简单。但其也有明显的缺点，就是模拟结果的精度不够高，而要达到要求的精度，就需要增加模拟的次数。从而需要进行较长时间的模拟。

　利用蒙特卡洛模拟法计算综合能源系统可靠性的一般性流程如下：首先输入网络的原始数据，包括网络拓扑、元件可靠性参数等，然后根据结果精度的要求设置仿真的次数，随后进入仿真过程，通过产生随机数来确定网络中元件的状态从而模拟系统的运行，直至满足收敛条件，所有抽样过程结束。对于每一组经抽样形成的元件状态组合，当元件发生故障导致负荷失去供能时，需要根据能源转换设备或网络备用进行

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　负荷转移，最后进行可靠性指标的计算。在进行蒙特卡洛模拟时，通常假设网络中元件（线路、开关等）的可靠性参数的概率密度函数是指数分布或是均匀分布的。通过多次模拟，可以通过概率方法计算得到负荷点的各项指标，在此基础上就能够计算得到各项系统侧指标。应用蒙特卡洛法进行可靠性分析，评价流程如图 2-2-1 所示。

　开始读取系统数据生成MC序列是否有故障元件？确定故障元件是负荷转移计算负荷点可靠性指标是否收敛？计算系统侧可靠性指标是结束否否 图 图 2-2-1 蒙特卡洛 法 可靠性分析流程图

　首先对系统内各个元件的状态 X 进行抽样。设系统状态的事件概率为   P X ，状态函数为   F X ，则可靠性指标的均值为

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　11

　      XE F F X P X 

　（2-2-7）

　式中，  为状态空间。在实际抽样中，   E F 的值根据式（2-2-8）估计。

　   11ˆSNiiSE F F XN

　（2-2-8）

　式中，  ˆE F 为   E F 的估计值，SN 为抽样次数，  iF X 为第 i 次抽样得到的状态函数。

　通常引入反映计算精度的方差系数  作为收敛判据。

　    ˆ/ˆ ˆSV E FV F NE F E F   

　 （2-2-9）

　式中，  ˆV E F   、  V F 分别表示随机变量  ˆE F 和   F X 的方差。

　2.2.4 重要抽样法 重要抽样方法的基本思想是在保持原有样本期望值不变的条件下，改变现有样本空间的概率分布，使其方差减小，以达到减小运算时间的目的。

　             * */X XE F F X P X F X P X P X P X      

　 （2-2-10）

　令        * */ F X F X P X P X 

　 （2-2-11）

　则有        * * *XE F F X P X E F 

　（2-2-12）

　式中，  *F X 为新概率分布下的系统状态函数。如果选择的新分布  *P X 能够突出“重要事件”（即引起系统失效的事件），则能够证明  *F X 的方差将小于   F X 的方差。新分布  *P X 又被称为重要分布函数。

　定义系统元件的重要分布函数为

　   *,

　 01 ,

　1i ii ii ikf xP X xkf x    元件停运元件运行

　（2-2-13）

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　12

　式中，if 为第 i 个系统元件的故障率， k 为最优乘子，ix 为第 i 个系统元件状态变量iX 的取值。

　设

　   *P X mP X 

　 （2-2-14）

　则有

　   */ F X F X m 

　（2-2-15）

　 111ii iiikfm x k xf      

　（2-2-16）

　当 0ix  时，第 i 个元件停运，式（2-2-16）中第 1 项有效；当 1ix  时，第 i 个元件正常运行，式（2-2-16）中第 2 项有效。考察系统所有元件的状态，利用式（2-2-16）计算得到 m 的值，将其带入式（2-2-15）得到新的状态函数值，多次抽样后统计其均值即可得解。

　2.3 经济性指标 考虑综合能源系统各项成本，对综合能源系统经济性进行评价。多类型能源系统同时接入后，改变了原有各系统单独规划、设计、运行的模式，将各供用能系统作为一个整体进行考虑。因此，针对以上特点，将技术参数与经济参数相结合，评价对象设定为整个综合能源系统，提出了以下经济性评价指标。

　表 表 2-3-1 综合能源系统经济性指标 一级指标 二级指标 经济性 总成本

　inv main operC C C C   

　 （2-3-1）

　,i iinvest inv inv ji i jC C c   

　 （2-3-2）

　 ,i i im a i n m a i n j i n v ji i jC C f c   

　（2-3-3）

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　 8760,,1,ij tioper oper fuel iii i j tj tPC C c   

　（2-3-4）

　式中， C 表示综合能源系统总成本；invC 为系统初投资成本；mainC 为系统年维护成本；operC 为系统年运行费用；iinvC 为第 i 类能源网络的设备初投资；,iinv jc 为第 i 类能源网络中第 j 台设备的初投资成本；imainC 为第 i 类能源网络的维护成本；ijf 为第 i 类能源网络中第 j 台设备的维护成本系数；ioperC 为第 i 类能源网络的运行成本；, fuel iC 为第 i 类能源的购买单价；,ij tP 为第 i 类能源网络中第 j 台设备在时刻 t 的输出功率；,ij t 为第 i 类能源网络中第 j 台设备在时刻 t 的能源转换效率。

　2.4 灵活性指标 合理的综合能源系统不仅需要安全性、可靠性和经济性，还需要具备一定的灵活性。综合能源系统的灵活性主要可从以下两个方面表示：线路最大负载率、系统最大供能能力。在灵活性评估方面，通过线路最大负载率分析线路利用率及通道裕度；分析系统灵活应对未来负荷增长的能力。

　表 表 2-4-1 综合能源系统灵活性指标 一级指标 二级指标 灵活性 线路最大负载率 系统最大供能能力

　2.4.1 线路最大负载率 线路最大负载率反映了线路的利用率，也表现了通道的裕度，应在一定的区间之内，不宜过高或过低。因此选线路最大负载率作为灵活性指标之一。

　线路最大负载率计算公式如下：

　% 100%  线路最大工作电流（安）线路最大负载率（ ）线路长期允许载流量（安）

　（2-4-1）

　2.4.2 系统最大供电能力 综合能源系统最大供电能力 MLSC（Maximum Load Supply Capability），是指在系统

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　14

　中的线路和设备均不过载以及各节点变量均不越限的条件下，网络所能供应的最大负荷。这一最大负荷表示综合能源网无法承载比这更多的负荷，同时在正常运行情况下该负荷也不会引起网络中任何线路或设备发生过载以及任何节点发生越限。负荷需要的功率与综合能源网实际可能提供的功率在不计网损的前提下，开始时完全相等地增大，如果不考虑网络的限制，最后达到的极限将是供能负荷等于输入综合能源网的最大功率。

　2.4.2.1 最大负荷倍数法 最大负荷倍数法是把网络适应负荷增长的能力用一个线性规划模型表示，目标函数为网络的最大负荷倍数k（系统所能供应的最大负荷与实际负荷之比），约束条件为网络的能流平衡约束和线路的容量约束。采用最大负荷倍数法计算综合能源系统最大供电能力的数学模型为：

　目标函数：最大负荷增长倍数k 约束条件：能流平衡 线路容量约束 正常情况下应满足k≥1，k越大表明综合能源系统的最大供电能力水平越高。

　利用最大负荷倍数法评价网络供电能力，是以网络现有的负荷为基础，假设各负荷点的负荷均以相同的比例增长，求取网络所能达到的最大负荷倍数。该方法不但求解速度快，而且结果的准确性也有所保证。在最大负荷倍数法中，现有网络的负荷水平及其分布是影响最大负荷倍数的关键，如果能对所有负荷地区的发展水平进行统计分析，分别确定各负荷的增长比例，该方法将更为精确，并能够得到广泛使用。

　2.4.2.2 最大供电能力模型建立 综合能源系统最大供电能力MLSC可以表示为各节点可供负荷之和的最大值。对于实际系统而言，已知各节点的当前负荷，各自增长速度也可以通过预测得到，因此，如果假设各节点负荷始终按照各自的年预测发展速度同时增长，则求解MLSC的模型就可以转化为，求解以所有节点负荷同时增长的最大年限为变量的单变量优化模型，这样将更加符合实际，也提高计算精度。建立的MLSC计算模型如下：

　 0max max 1ki i ii iMLSC P P     

　 （2-4-2）

　综合能源配用电系统一体化规划的综合评估方法

　15

　式中，iP 为第 i 个节点的负荷大小；0 iP 为第 i 个节点的初始负荷；i 为第 i 个节点的年负荷增长速度； k 为负荷最大增长年限。

　以上的优化可以转化为求解负荷最大增长年限，即综合能源系统在满足一定的约束条件下，各负荷点按照各自的负荷增长速度，最多还能够增长的年数。约束条件则包括：能流平衡、支路不过载以及节点变量不越限。

　目标函数

　max k

　 （2-4-3）

　约束条件

　 , , 0gf I P U 

　 （2-4-4）

　maxI I 

　（2-4-5）

　,max g gP P 

　 （2-4-6）

　min maxU U U  

　（2-4-7）

　式中，f(I,P g ,U)为潮流平衡方程；I、I max 分别为线路电流以及线路最大载流量；P g 、P g,max 为电源实际出力以及出力上限；U、U min 以及U max 分别为节点电压以及节点电压的上下限。

　2.4.2.3 最大供电能力求解算法 综合能源供电能力评估的本质，是在给定的运行方式及负荷增长模式下求取一临界点，在该临界点恰好有一约束起作用，当负荷有微小增长，越过该临界点时将有越限发生，该临界点就对应着系统的最大供电能力，最大供电能力与当前所供应负荷之差即为剩余的供电裕度。临界点的求取方法很多，重复潮流法是有效方法之一，其基本思想是通过不断增大系统的负荷，并反复进行潮流计算来确定系统所能供应的最大负荷。

　利用重复潮流对综合能源系统供电能力的实时评估，流程图如图2-4-1所示，其思路为：从当前的运行点出发，选取一个合适的步长 h ，按一定的负荷增长模式，不断增大负荷并计算潮流，直到发生越限为止。在负荷增长过程中，步长 h 按一定策略不断调整，直到满足精度要求。即将发生越限的那个临界点所对应的负荷即为综合能源

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　系统的当前运行方式所能供应的最大负荷。

　开始获取当前实际负荷P i以及年增长速度ρ i确定初始步长h 0 ，精度ε0 0, , 1iiMLSC P h h k   h是否小于ε？ 01ki iiMLSC P   以新负荷为基准计算潮流是否越限？h=h/2k=k+h结束，返回MLSC和k否是否是 图 图 2-4-1 重复潮流法 求解 最大供电 能力 流程图

　在综合能源系统最大供电能力的求解过程中，负荷增长倍数的步长选取是非常重要的，过大的步长会降低计算精度，过小的步长则降低了收敛速度。鉴于上述问题，采用自动变步长的方法逐步向前搜索：若搜索成功(即没有越限发生)，则以原步长继续向前搜索；若搜索失败(发生越限)，则步长减半，如此反复，直到步长减小到满足精度要求为止。详细步骤如下：

　1)确定初始搜索步长00 h  及收敛精度 0   ； 2)确定负荷增长模式，令 MLSC 等于当前的实际负荷，0h h  ， 1 k  ；

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　3)若 h   ，则继续下一步；若 h   ，则计算结束，返回 MLSC 和 k ， MLSC 即为在当前运行方式下可供应的最大负荷，0 iiMLSC P   即为剩余的供能裕度， k 为负荷最大增长年数； 4)计算  01ki iiMLSC P   ； 5)以 MLSC 为新负荷基准进行潮流计算，判断是否有越限发生，如果没有越限，则继续下一步，否则转步骤7； 6)更新年数 k k h   ，转步骤4； 7)步长缩小为原来的一半，即 / 2 h h  ，转步骤3；

　2.5 环保性指标 在全球变暖及资源意识不断增强的大背景下，环境影响性理应成为综合能源系统评价指标体系中重要一环。本项目主要考虑清洁能源占比以及减排环境价值作为指标，来衡量综合能源系统节能减排的成果。

　表 表 2-5-1 综合能源系统环保性指标 一级指标 二级指标 环保性 清洁能源占比 减排环境价值

　2.5.1 清洁能源占比 清洁能源的含义包含两方面：一切可再生能源，消耗后可得到恢复补充，不产生或极少产生污染物。如太阳能、风能、生物能、水能、地热能、氢能；对于非可再生能源，则指在生产及消费过程中尽可能减少对生态环境的污染，包括使用低污染的化石能源（如天然气等）和利用清洁能源技术处理过的化石能源，如洁净煤、洁净油等。

　清洁能源占比，可由清洁能源年可用量与整个系统年用能量作比得到，反映了清洁能源渗透率的情况，一定程度上也反映了利用清洁能源进行节能减排的成果。

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　2.5.2 减排环境价值 当前我国的电力生产仍以火电为主，火力发电在大量消耗能源的同时还会向大气排放大量的 CO 2 、SO 2 等气体。通过清洁能源发电替代传统火电机组，在满足同样电力需求的情况下能有效减少产生的污染，从而达到节能减排的效果。由于利用清洁能源所减少污染排放量，可以表征节能降损措施所带来的环境效益。

　下表给出了燃煤机组和分布式发电的污染排放数据比较。

　表 表 2-5-2 各种发电技术的污染排放数据 单位：g/Kwh 发电方式 SO 2

　NO X

　CO 2

　CO 灰 灰 集中式发电 电 常规燃煤发电 8.556 3.803 822.8 0.124 52.278 脱硫煤发电 0.427 3.803 822.8 0.124 52.278 分布式发电 电 微型燃气轮机 可忽略 0.0907-0.6350 589.67-816.46 0.1361-0.8165 >0.0136 内燃机(低排放) 可忽略 0.1361-2.7215 444.52-498.95 0.9072-4.0823 0-0.02722 燃料电池 0 <0.0227 362.87-635.03 0.0045-0.0544 0 光伏发电 0 0 0 0 0 风能发电 0 0 0 0 0

　工程的环境效益，是指减排单位量的污染物所避免的“污染损失”的价值量。污染所导致的损失包括两个方面：一是环境的损失，包括由于过分消耗自然资源所引起的生态环境破坏和污染所引起的环境质量下降；二是由于环境污染所引起的非环境方面的损失，如大气污染引起的农业损失、有害物质引起的人体健康损害等。按照中国目前的排污收费标准将由于环境污染所造成的实际损失与每年排污收费的比值进行折算，估算出中国电力工业污染物减排的环境价值标准，如下表。

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　表 表 2-5-3 电力行业污染物减排的环境价值标准 污染物 SO 2

　NO X

　CO 2

　CO 灰 灰 环境价值( 元/KG) 6.00 8.00 0.023 1.00 0.12 综合能源系统的减排效益可以用相对燃煤发电生产同等容量电能所减排的污染物的环境损失来衡量：

　. .1( )nenv i i c i dg DGiB V Q Q Q  

　 （2-5-1）

　式中，iV 为第 i 项污染物减排的环境价值； n 为污染物的种类；. i cQ 为燃煤发电机组第 i 项污染物的排放量；. i dgQ 为分布式电源第 i 项污染物的排放量；DGQ 为清洁能源年发电量。

　2.6 多源协同互补性指标

　 综合能源系统十分注重多能源间的协同优化，不同场合下不同的能源形式会扮演不同角色，主导能源也会随之改变。在用能终端，为满足用户冷/热/电多种形式的用能需求，可能出现多种组合的供能方式：可采用单一电网供能，其他冷热需求均由电能转换获得；也可采用电力+天然气的供能方式，用户的冷/热/电需求既可来自电能，也可来自于天然气；也可采用电力+天然气+热力混合供能。因此在综合能源系统中，存在多种多样的供能模式，没有必然的主导能源形式，尤其是在某单层能源系统出现故障的情况下，各类能源需求均可得到满足，这种能源互补的特性使得综合能源系统成为今后供能系统的发展趋势。

　 因此，要评价综合能源系统的多能协同互补特性，需定义最大负荷转移能力，对多能互补进行定量描述。

　表 表 2-6-1 综合能源系统多能协同互补性指标 一级指标 二级指标 多能协同互补性 最大负荷转移能力

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　2.6.1 最大负荷转移能力定义 在综合能源系统中，各类能源形式的供能网络通过能源转换设备互相耦合。当某层网络出现大面积停供故障时，该层网络并不会完全停止供能，部分重要负荷将通过能源转换设备由其他各层网络进行转供，转供负荷的多少取决于各层网络的转供能力。在保证所有线路和设备均无过载的最大供能模式下，各层网络中能源转换设备的输出功率总和与当前功率输出总和之差即为最大负荷转移能力。对于含有 N 层网络的综合能源系统，其中的每层网络，都存在向其他 N-1 层网络的最大负荷转移能力，可以表示为     | 1,N ,i ijLT LT j j i   

　 （2-6-1）

　2.6.2 最大负荷转移能力求解 最大负荷转移能力用来表征综合能源系统的多能互补特性，多能间的互补通过能源转换设备进行。假设所涉及的系统共有 n 种用能形式（即 n 层供能网络），研究第 i层网络与第 j 层网络间的互补特性。此处以第 i 层向第 j 层转换为例进行说明，令最大负荷转移能力为ijLT ，将第 i 层中涉及“i→j”单向转换的能源转换设备集记为  ijS 。这部分设备在两层网络中分别扮演着不同的角色：在第 i 层网络中可视为“负荷”，在第j 层网络中可视为“源”。因此，求解第 i 层向第 j 层最大负荷转移能力，可以转变为求解第 i 层网络中  ijS 对应节点可增长的最大负荷，且求得的最大负荷不得大于该设备最大输入功率。记 2.4.2 节中求得的负荷最大增长年数为 k，则   max max0 _min 1 ,kq q q q inP P P   

　（2-6-2）

　max0ijq qijijq SqP PLT 

　（2-6-3）

　式中，maxqP 为设备 q 的最大负荷，0 qP 为设备 q 当前负荷，q 为设备 q 负荷年增长率，max_ q inP 为设备 q 允许的最大输入功率，ijq 为设备 q 的转换效率。

　 对于含有 n 层网络的综合能源系统，最大负荷转移能力可以通过式（2-6-4）的 n n 矩阵表示，其中对角线元素均为 0。

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　  12 121 21 2000nnijn nn nLT LTLT LTLT LTLT LT       

　（2-6-4）

　2.7 能源利用效率指标 能源利用效率是指能源中具有的能量被有效利用的程度，可以衡量能源利用技术水平。综合能源站是综合能源系统的核心，根据用户不同形式的用能需求，利用区域内可获得的能源形式，优化组合各类能源转换设备以满足用户长期的供能需求。因此，以综合能源站为评价对象，选取其一次能源利用率进行能源利用效率的考核。

　表 表 2-7-1 综合能源系统能源利用效率指标 一级指标 二级指标 能源利用效率 一次能源利用效率

　1 23.6100%LW Q QB Q  

　（2-7-1）

　式中，  为一次能源利用效率（%）； W 为净输出电量（kWh）；1Q 为年有效余热供热总量（MJ）；2Q 为年有效余热供冷总量（MJ）； B 为年燃气总耗量（m 3 ）；LQ 为燃气低位发热量（MJ/m 3 ）。

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　3 综合能源配用电系统 综合评估 方法 3.1 模糊综合评价法 在上述评价指标体系的基础上，进行系统的综合评估。主要方法包括如下四种：（1）综合评分法，综合评分法根据评价者的主观判断，按照规定的标准、用打分作为表示优劣的尺度来对方案进行评价，这样，可以把评定目标的定性方面和定量方面结合起来，并把目标的定性方面量化；（2）模糊综合评价法，模糊综合评价法是一种定性与定量相结合、综合化程度较高的评价方法，该方法利用模糊隶属度理论把定性指标合理的定量化，很好地解决了现有评标方法中存在的评价指标单一、评价过程不合理的问题；（3）层次分析法，层次分析法是一种系统分析的方法，它是对评价对象依评价目的所确定的总评价目标进行连续性分解，得到各级(各层)评价目标，并以最下层作为衡量目标达到程度的评价指标，然后依据这些指标计算出综合评分指数，来对评价对象的总评价目标进行评价，依其大小来确定评价对象的优劣等级；（4）改进熵权 TOPSIS 法，TOPSIS 法是根据多目标决策问题的理想解和负理想解去排序，也称逼近理想解排序法，多目标决策分析中一种常用的有效方法，它的基本原理是通过检测评价对象与最优解、最差解的距离来进行排序。

　不同的综合评价方法具有其自身的特点及其适用的范围。由于综合能源系统投资效益高低优劣的内涵本身就具有显著的模糊性，所涉及各方面的评价指标虽然都具有客观的数值，但是对于评价单个指标或者单个因素的效益水平而言依然是模糊的。鉴于模糊综合评价法能够充分体现评价结论与评价指标之间的模糊隶属关系，采用模糊综合评价法来进行综合能源配用电系统规划的综合评价。

　具体地说，模糊综合评价就是模糊数学为基础，应用模糊关系合成的原理，将一些边界不清、不易定量的因素定量化，从多个因素对被评价的事物隶属等级状况进行综合性评价的一种方法。综合评判对评判对象的全体，根据所给的条件，给每个对象赋予一个非负实数一一评价指标，再根据此排序择优。模糊综合评判作为模糊数学的一种具体应用方法，最早由我国学者汪培庄提出。主要分为两步：第一步先按每个因素单独评判；第二步再按所有因素综合评判。其优点是：数学模型简单，容易掌握，对多因素、多层次的复杂问题的评判效果比较好，是别的数学分支和模型难以替代的

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　方法。这种模型应用广泛，在许多方面，采用模糊综合评判的实用模型取得了很好的经济效益和社会效益。

　3.2 指标约简方法 由于在评价指标的构建过程中需要考虑的因素众多，评价指标之间的关系较为复杂，初选指标之间难免存在着一定的相关性，若是将这些相关指标直接用于综合评价，会造成部分指标的放大，影响到综合评价结果的合理...