CN109978397B - 基于层次分析法的综合能源系统优化运行模式评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于层次分析法的综合能源系统优化运行模式评估方法，首先构建综合能源系统评价指标，包括节能率、能量损失量、新能源占比率、新能源消纳率、运行维护成本；然后建立综合能源系统优化运行模式模型，包括经济型优化运行模式、环保型优化运行模式及节能型优化运行模式模型；最后基于层次分析法综合评估综合能源系统优化运行模式，其过程为建立综合能源系统层次结构模型、构造综合能源系统综合评价判断矩阵、综合能源系统层次单排序及其一致性检验、综合能源系统层次总排序及其一致性检验。本发明有效地对综合能源系统优化运行模式进行综合评估，为综合能源系统最佳优化运行模式提供理论指导。
Description
技术领域
本发明涉及综合能源系统，具体涉及一种基于层次分析法的综合能源系统优化运行模式评估方法。
背景技术
能源为人类生活与生产提供能量来源，每一次工业革命都离不开能源类型和使用方式的革新。进入21世纪以来，随着全球一次能源价格的日益上涨和环境的不断恶化，以风能、太阳能为代表的清洁、可再生能源相对于传统的化石燃料在技术、经济方面的差距正不断减小。近年来，能源系统源、网、荷各环节形态呈现多样化特征，各种能源转化和存储设备的革新促进了能源系统的深度耦合，能源互联网、综合能源系统等概念成为产业界关注的热点。综合能源系统因其具备经济、环保、高效等优点，相比传统电网，综合能源系统是一个有大量新能源接入的、涵盖冷、热、电等多种能源形态的能源网络，集多种能源生产、转换、输送及消费各环节于一体，可以实现对冷、热、电等各类能源的综合管控，使能源行业朝“低碳、高效”的可持续化方向转型发展。
综合能源系统作为能源互联网的重要载体，是研究不同能源内部运行机理、推广能源先进技术的前沿阵地，具有重要的研究意义。它是多种能源转换技术的有机耦合和集成，它打破了行业界限，实现了系统资源消耗少，能量转化效率高，污染物排放少的综合目标，是一种能源、资源和环境一体化的系统。由于综合能源系统的开放性和复杂性，其组成形式可以多种多样，对外部环境的影响也各不相同，究竟应该采取何种形式以适应不同的发展要求，简单的分析比较很难对各方案做出全面的评价，迫切需要在多学科交叉的理论指引下，提出新的综合能源系统评价准则与方法。
由此可见，综合能源系统的综合评估是探究区域多能协同规划、系统配置设计、系统优化运行及能效提升等方面的关键所在，科学合理的综合评估方法对综合能源系统的健康发展极为重要。有必要采取系统工程理论和方法，对综合能源系统进行综合的性能分析和评价，从而指导系统的优化设计，并为领导决策提供科学依据。
发明内容
发明目的：本发明旨在一种基于层次分析法的综合能源系统优化运行模式综合评估方法，综合考虑综合能源系统经济性、环保性、节能性需求，对综合能源系统进行准确、全面、综合、有效的评价，为综合能源系统最佳优化运行模式提供理论指导。
技术方案：本发明提供了一种基于层次分析法的综合能源系统优化运行模式综合评估方法，包括以下步骤：
(1)构建综合能源系统评价指标，包括节能率指标、能量损失量指标、新能源占比率指标、新能源消纳率指标、运行维护成本指标；
(2)建立综合能源系统优化运行模式模型，包括经济型优化运行模式模型、环保型优化运行模式模型、节能型优化运行模式模型；
(3)基于层次分析法综合评估综合能源系统优化运行模式，包括建立综合能源系统层次结构模型、构造综合能源系统综合评价判断矩阵、综合能源系统层次单排序及其一致性检验、综合能源系统层次总排序及其一致性检验。
进一步，步骤(1)构建综合能源系统评价指标包括：
A、节能率指标
式中：
为节能率指标；Ef为分产系统在优化运行周期内消耗的一次能源总量；El为综合能源系统在优化运行周期内消耗的一次能源总量；T为综合能源系统及分产系统的优化运行周期；Δt为优化运行仿真步长；LE(t)、LC(t)、LH(t)分别为综合能源系统及分产系统在时刻t的电负荷、冷负荷、热负荷；ηe为火电厂的平均发电效率；ηl为电力系统电能传输损失系数；COPec为电制冷机的性能系数；ηeh为电热器的制热效率；
为综合能源系统在时刻t从大电网购买的电能量；
为综合能源系统在时刻t从天然气网络购买的燃气量。
B、能量损失量指标
式中：
为能量损失量指标；ed为综合能源系统中各类型能量转换设备；ζed为能量转换设备ed的能量损失系数；Eed(t)为能量转换设备ed在时刻t输出的能量。
C、新能源占比率指标
式中：
为新能源占比率指标；type为综合能源系统中各类型新能源；
为综合能源系统中新能源type的实际出力；ed∈e为综合能源系统中可以发电的能量转换设备ed；Eed∈e(t)为能量转换设备ed∈e在时刻t的发电量。
D、新能源消纳率指标
式中：
为新能源消纳率指标；
为综合能源系统中新能源type的最大预测出力。
E、运行维护成本指标
式中：
为运行维护成本指标；ed为综合能源系统中各类型能量转换设备；λed为能量转换设备ed单位出力的运行维护价格因子。
进一步，步骤(2)建立综合能源系统优化运行模式模型包括：
A、经济型优化运行模式模型
式中：
为综合能源系统在经济型优化运行模式下的能源费用总成本；δgrid(t)为综合能源系统在时刻t的购电分时电价；δgas(t)为综合能源系统在时刻t的购气气价。
B、环保型优化运行模式模型
式中：
为综合能源系统在环保型优化运行模式下的二氧化碳排放总量；μgrid为综合能源系统从大电网购买单位电能的等效二氧化碳排放强度系数；μgas为综合能源系统从天然气网络购买单位燃气的等效二氧化碳排放强度系数。
C、节能型优化运行模式模型
式中：
为综合能源系统在节能型优化运行模式下的
输入总量；γgrid为火电厂平均
效率因子；γgas为天然气燃料的
因子。
进一步，步骤(3)基于层次分析法综合评估综合能源系统优化运行模式包括：
A、建立综合能源系统层次结构模型
综合能源系统的目标层为最佳优化运行模式；综合能源系统的指标层包括节能率指标
能量损失量指标
新能源占比率指标
新能源消纳率指标
运行维护成本指标
综合能源系统的方案层包括经济型优化运行模式
环保型优化运行模式
节能型优化运行模式
B、构造综合能源系统综合评价判断矩阵
假设目标层中的因素与指标层中的因素有联系，则构造的判断矩阵为：
B＝(bij)n×n
式中：B为综合能源系统综合评价判断矩阵；bij为B的第i行、第j列元素，其元素按SANTY的1-9标度方法取值；n×n为B是n行n列的方阵。
C、综合能源系统层次单排序及其一致性检验
综合能源系统层次单排序可以归结为计算判断矩阵的特征根和特征向量问题，即：
式中：
为B的最大特征根；ω为对应于
的正规化特征向量，其分量元素即是相应指标单排序的权值。
为了检验矩阵的不一致性，需要计算它的一致性指标CI，CI为：
为衡量CI的大小，引入随机一致性指标RI，获得一致性比率CR：
式中：RI为随机一致性指标，其按SANTY的方法结果取值；CR为一致性比率，一般，当一致性比率CR＜0.1时，认为B的不一致程度在容许范围之内，有满意的一致性，通过一致性检验，可用其归一化特征向量作为权向量，否则要重新构造B，对bij加以调整。
D、综合能源系统层次总排序及其一致性检验
计算方案层的所有因素对于总目标相对重要性的权值，称为层次总排序。这一过程是从目标层到方案层依次进行的。
方案层上各元素对总目标的总排序为：
式中：
为方案层中第p个元素相对应目标层的权重；
为方案层相对应指标层中元素得到的单排序向量的第p行、第q列元素；
为对应于
的正规化特征向量中的第q个元素；p取值为1，2，3；q取值为1，2，3，4，5，6。
通过计算与单排序类似的检验量来评价层次总排序的计算结果的一致性，那么方案层的总排序的一致性比率为：
式中：CRc为方案层的总排序的一致性比率；
为指标层中第q个元素相对应目标层的权重；
为方案层的第q个元素单排序的一致性指标；
为方案层中与指标层的第q个元素平均随机一致性指标。
有益效果：与现有技术相比，本发明综合考虑了综合能源系统的节能率指标、能量损失量指标、新能源占比率指标、新能源消纳率指标、运行维护成本指标，精确、全面的反应和衡量综合能源系统的本质特征；建立了经济型优化运行模式模型、环保型优化运行模式模型、节能型优化运行模式模型，从系统工程角度出发，更加真实、客观的描述现实系统的运行模式；基于层次分析法综合评估了综合能源系统优化运行模式，把定性分析与定量分析相结合，把长远利益与当前利益相结合，通过逐次分层分解和综合评估协调，从而发挥综合能源系统整体的最大综合效益。
附图说明
图1为本发明实施流程图；
图2为本发明的算例结构图。
具体实施方式
为详细的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
一种基于层次分析法的综合能源系统优化运行模式评估方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)构建综合能源系统评价指标
A、节能率指标
式中：
为节能率指标；Ef为分产系统在优化运行周期内消耗的一次能源总量；El为综合能源系统在优化运行周期内消耗的一次能源总量；T为综合能源系统及分产系统的优化运行周期；Δt为优化运行仿真步长；LE(t)、LC(t)、LH(t)分别为综合能源系统及分产系统在时刻t的电负荷、冷负荷、热负荷；ηe为火电厂的平均发电效率；ηl为电力系统电能传输损失系数；COPec为电制冷机的性能系数；ηeh为电热器的制热效率；
为综合能源系统在时刻t从大电网购买的电能量；
为综合能源系统在时刻t从天然气网络购买的燃气量。
B、能量损失量指标
式中：
为能量损失量指标；ed为综合能源系统中各类型能量转换设备；ζed为能量转换设备ed的能量损失系数；Eed(t)为能量转换设备ed在时刻t输出的能量。
C、新能源占比率指标
式中：
为新能源占比率指标；type为综合能源系统中各类型新能源；
为综合能源系统中新能源type的实际出力；ed∈e为综合能源系统中可以发电的能量转换设备ed；Eed∈e(t)为能量转换设备ed∈e在时刻t的发电量。
D、新能源消纳率指标
式中：
为新能源消纳率指标；
为综合能源系统中新能源type的最大预测出力。
E、运行维护成本指标
式中：
为运行维护成本指标；ed为综合能源系统中各类型能量转换设备；λed为能量转换设备ed单位出力的运行维护价格因子。
(2)建立综合能源系统优化运行模式模型
A、经济型优化运行模式模型
式中：
为综合能源系统在经济型优化运行模式下的能源费用总成本；δgrid(t)为综合能源系统在时刻t的购电分时电价；δgas(t)为综合能源系统在时刻t的购气气价。
B、环保型优化运行模式模型
式中：
为综合能源系统在环保型优化运行模式下的二氧化碳排放总量；μgrid为综合能源系统从大电网购买单位电能的等效二氧化碳排放强度系数；μgas为综合能源系统从天然气网络购买单位燃气的等效二氧化碳排放强度系数。
C、节能型优化运行模式模型
式中：
为综合能源系统在节能型优化运行模式下的
输入总量；γgrid为火电厂平均
效率因子；γgas为天然气燃料的
因子。
(3)基于层次分析法综合评估综合能源系统优化运行模式
A、建立综合能源系统层次结构模型
综合能源系统的目标层为最佳优化运行模式；综合能源系统的指标层包括节能率指标
能量损失量指标
新能源占比率指标
新能源消纳率指标
运行维护成本指标
综合能源系统的方案层包括经济型优化运行模式
环保型优化运行模式
节能型优化运行模式
B、构造综合能源系统综合评价判断矩阵
假设目标层中的因素与指标层中的因素有联系，则构造的判断矩阵为：
B＝(bij)n×n
式中：B为综合能源系统综合评价判断矩阵；bij为B的第i行、第j列元素，其元素按SANTY的1-9标度方法取值；n×n为B是n行n列的方阵。
C、综合能源系统层次单排序及其一致性检验
综合能源系统层次单排序可以归结为计算判断矩阵的特征根和特征向量问题，即：
式中：
为B的最大特征根；ω为对应于
的正规化特征向量，其分量元素即是相应指标单排序的权值。
为了检验矩阵的不一致性，需要计算它的一致性指标CI，CI为：
为衡量CI的大小，引入随机一致性指标RI，获得一致性比率CR：
式中：RI为随机一致性指标，其按SANTY的方法结果取值；CR为一致性比率，一般，当一致性比率CR＜0.1时，认为B的不一致程度在容许范围之内，有满意的一致性，通过一致性检验，可用其归一化特征向量作为权向量，否则要重新构造B，对bij加以调整。
D、综合能源系统层次总排序及其一致性检验
计算方案层的所有因素对于总目标相对重要性的权值，称为层次总排序。这一过程是从目标层到方案层依次进行的。
方案层上各元素对总目标的总排序为：
式中：
为方案层中第p个元素相对应目标层的权重；
为方案层相对应指标层中元素得到的单排序向量的第p行、第q列元素；
为对应于
的正规化特征向量中的第q个元素；p取值为1，2，3；q取值为1，2，3，4，5，6。
通过计算与单排序类似的检验量来评价层次总排序的计算结果的一致性，那么方案层的总排序的一致性比率为：
式中：CRc为方案层的总排序的一致性比率；
为指标层中第q个元素相对应目标层的权重；
为方案层的第q个元素单排序的一致性指标；
为方案层中与指标层的第q个元素平均随机一致性指标。
(4)算例分析
A、算例介绍
本发明中算例以夏秋过渡季节的典型日为研究对象，优化仿真时间步长为1小时，优化运行周期24小时。算例中综合能源系统结构如图2所示：在输入端有大电网电能输入、天然气网络的天然气输入、计及风电和光伏的新能源输入；在输出端有电负荷、冷负荷、热负荷；电转气设备从输入端的电能母线获得电能，并将电能转换为天然气注入到天然气母线中；燃气锅炉从天然气母线获得天然气，通过燃烧加热冷水输出热负荷所需热能；燃气轮机从天然气母线获得天然气，生产的电能注入到电能母线中，并同时产生高温烟气，高温烟气通入到吸收式制冷机中，吸收式制冷机充分利用余热为冷负荷供冷能；电制热能量转换设备诸如电热器通过消耗电能产生热能，其生产的热能注入到热能母线中；电制冷能量转换设备通过消耗电能产生冷能，其生产的冷能注入到冷能母线中；气储、电储、热储均接入相应的能量类型母线上。
B、结果分析
综合能源系统综合评价判断矩阵B为：
最大特征值
权向量ω＝(0.264,0.477,0.053,0.099,0.107)，一致性比率CR＝0.016＜0.1，即是通过一致性检验。
本发明中的综合能源系统算例在不同的优化运行模式下的目标优化结果如表1所示。从表1中可以看到，经济型优化运行模式的目标函数的最小值为417972.2CNY，也即是一个优化运行周期内的能源消耗费用；环保型优化运行模式的目标函数的最小值为326.3kg；节能型优化运行模式的目标函数的最小值为1989.1kWh。
表1：不同优化运行模式下的综合能源系统目标值优化结果
本发明中的综合能源系统算例在不同的优化运行模式下的各类型指标优化结果如表2所示。不同指标具有不同的单位、不同的数量级，将它们进行直接比较式十分困难的，因此，首先需要将它们进行数据化预处理，也即是规范化，其中节能率指标、新能源占比率指标、新能源消纳率指标为效益型指标；能量损失量指标、运行维护成本指标为成本型指标。其规范化后的结果如表3所示。
表2：不同优化运行模式下的综合能源系统各类型指标优化结果
表3：不同优化运行模式下的综合能源系统各类型指标规范化优化结果
根据表3及上述所的权向量，可以获得不同优化运行模式下的规范化后综合评估值，经济型优化运行模式综合评估值为0.44；环保型优化运行模式综合评估值为0.29；节能型优化运行模式综合评估值为0.27。从综合评估值来看，在算例中的3中不同优化运行模式中，经济型优化运行模式是最佳的优化运行模式。另外环保型优化运行模式与节能型优化运行模式综合评估值相近，从数学优化目标表达式亦可以看出，它们具有相同的线性平行关系，这进一步说明了本发明所提模型与方法的合理性、实用性与有效性。
Claims (1)
1.基于层次分析法的综合能源系统优化运行模式评估方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)构建综合能源系统评价指标，所述评价指标包括节能率指标、能量损失量指标、新能源占比率指标、新能源消纳率指标、运行维护成本指标，
(1a)节能率指标，其函数表达式如下：
式中：
为节能率指标；Ef为分产系统在优化运行周期内消耗的一次能源总量；El为综合能源系统在优化运行周期内消耗的一次能源总量；T为综合能源系统及分产系统的优化运行周期；Δt为优化运行仿真步长；LE(t)、LC(t)、LH(t)分别为综合能源系统及分产系统在时刻t的电负荷、冷负荷、热负荷；ηe为火电厂的平均发电效率；ηl为电力系统电能传输损失系数；COPec为电制冷机的性能系数；ηeh为电热器的制热效率；
为综合能源系统在时刻t从大电网购买的电能量；
为综合能源系统在时刻t从天然气网络购买的燃气量；
(1b)能量损失量指标，其函数表达式如下：
式中：
为能量损失量指标；ed为综合能源系统中各类型能量转换设备；ζed为能量转换设备ed的能量损失系数；Eed(t)为能量转换设备ed在时刻t输出的能量；
(1c)新能源占比率指标，其函数表达式如下：
式中：
为新能源占比率指标；type为综合能源系统中各类型新能源；
为综合能源系统中新能源type的实际出力；ed∈e为综合能源系统中可以发电的能量转换设备ed；Eed∈e(t)为能量转换设备ed∈e在时刻t的发电量；
(1d)新能源消纳率指标，其函数表达式如下：
式中：
为新能源消纳率指标；
为综合能源系统中新能源type的最大预测出力；
(1e)运行维护成本指标，其函数表达式如下：
式中：
为运行维护成本指标；ed为综合能源系统中各类型能量转换设备；λed为能量转换设备ed单位出力的运行维护价格因子；
(2)建立综合能源系统优化运行模式模型，包括经济型优化运行模式模型、环保型优化运行模式模型、节能型优化运行模式模型，
(2a)经济型优化运行模式模型，其函数表达式如下：
式中：
为综合能源系统在经济型优化运行模式下的能源费用总成本；δgrid(t)为综合能源系统在时刻t的购电分时电价；δgas(t)为综合能源系统在时刻t的购气气价；
(2b)环保型优化运行模式模型，其函数表达式如下：
式中：
为综合能源系统在环保型优化运行模式下的二氧化碳排放总量；μgrid为综合能源系统从大电网购买单位电能的等效二氧化碳排放强度系数；μgas为综合能源系统从天然气网络购买单位燃气的等效二氧化碳排放强度系数；
(2c)节能型优化运行模式模型，其函数表达式如下：
式中：
为综合能源系统在节能型优化运行模式下的
输入总量；γgrid为火电厂平均
效率因子；γgas为天然气燃料的
因子；
(3)基于层次分析法综合评估综合能源系统优化运行模式，所述综合评估综合能源系统优化运行模式包括建立综合能源系统层次结构模型、构造综合能源系统综合评价判断矩阵、综合能源系统层次单排序及其一致性检验、综合能源系统层次总排序及其一致性检验，
(3a)建立综合能源系统层次结构模型，具体如下：
综合能源系统的目标层为最佳优化运行模式；综合能源系统的指标层包括节能率指标
能量损失量指标
新能源占比率指标
新能源消纳率指标
运行维护成本指标
综合能源系统的方案层包括经济型优化运行模式
环保型优化运行模式
节能型优化运行模式
(3b)构造综合能源系统综合评价判断矩阵，其判断矩阵如下：
B＝(bij)n×n
式中：B为综合能源系统综合评价判断矩阵；bij为B的第i行、第j列元素，其元素按SANTY的1-9标度方法取值；n×n为B是n行n列的方阵；
(3c)综合能源系统层次单排序及其一致性检验，具体过程如下：
计算判断矩阵的特征根和特征向量问题，其计算表达式如下：
式中：
为B的最大特征根；ω为对应于
的正规化特征向量，其分量元素即是相应指标单排序的权值，
通过计算一致性指标CI来检验矩阵的不一致性，CI的函数表达为：
为衡量CI大小，引入随机一致性指标RI，获得一致性比率CR，CR的函数表达为：
式中：RI为随机一致性指标，其按SANTY的方法结果取值；CR为一致性比率，一般，当一致性比率CR＜0.1时，认为B的不一致程度在容许范围之内，有满意的一致性，通过一致性检验，可用其归一化特征向量作为权向量，否则要重新构造B，对bij加以调整；
(3d)综合能源系统层次总排序及其一致性检验，具体过程如下：
方案层上各元素对总目标的总排序为：
式中：
为方案层中第p个元素相对应目标层的权重；
为方案层相对应指标层中元素得到的单排序向量的第p行、第q列元素；
为对应于
的正规化特征向量中的第q个元素；p取值为1，2，3；q取值为1，2，3，4，5，6；
方案层的总排序的一致性比率为CRc，CRc的函数表达式为：
式中：CRc为方案层的总排序的一致性比率；
为指标层中第q个元素相对应目标层的权重；
为方案层的第q个元素单排序的一致性指标；
为方案层中与指标层的第q个元素平均随机一致性指标。
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