郇嘉嘉，張小輝，黃學勁，李家淇，陳喆，劉宗揚

(1. 廣東電網(wǎng)有限責任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣州510080；2.廣東電網(wǎng)有限責任公司東莞供電局，廣東東莞523008)

0 引言

隨著傳統(tǒng)化石能源的日漸枯竭以及環(huán)境壓力的日趨嚴重，如何改變傳統(tǒng)的供能模式、提高能源的綜合利用效率，已經(jīng)成為了當前世界范圍亟待解決的重要研究問題，也是解決能源需求增長與能源短缺及環(huán)保壓力之間矛盾的重要手段[1 - 2]。在此背景下，能源互聯(lián)網(wǎng)[3]的概念應運而生，而作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要物理載體，綜合能源系統(tǒng)[4]是通過將電力與燃氣、熱力系統(tǒng)進行緊密耦合，在規(guī)劃、運行的過程中，對不同的能源環(huán)節(jié)實施有機協(xié)調(diào)與優(yōu)化，進而形成以電為核心的能源產(chǎn)供消一體化系統(tǒng)。對綜合能源系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行有效分析，進而提出合理的運行策略，是系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮多能互補與梯級利用優(yōu)勢的重要前提，也是未來建設能源互聯(lián)網(wǎng)以及吸引綜合能源系統(tǒng)建設投資的有力保障。作為衡量系統(tǒng)運行狀態(tài)的重要依據(jù)，資產(chǎn)利用效率以及可靠性能夠分別對系統(tǒng)的正常以及故障運行狀態(tài)進行有效分析，研究資產(chǎn)利用效率有利于綜合能源系統(tǒng)的投資與規(guī)劃方案比選，而研究運行可靠性評估對規(guī)避綜合能源系統(tǒng)的短期風險、保障其安全穩(wěn)定運行具有重要價值。目前電力系統(tǒng)中對于資產(chǎn)利用效率以及可靠性已有一定的研究與應用，而對于綜合能源系統(tǒng)而言，有效分析系統(tǒng)的資產(chǎn)利用效率以及可靠性進而總體評估系統(tǒng)的運行狀態(tài)同樣重要。

在運行可靠性的研究方面，文獻[5]對運行可靠性評估建模、模型驅動以及評估方法3個方面的研究現(xiàn)狀進行了梳理與總結，并提出了模型-數(shù)據(jù)混合驅動綜合能源系統(tǒng)運行可靠性研究的技術路線，為綜合能源系統(tǒng)運行可靠性的研究奠定了堅實的理論基礎。文獻[6]通過對比系統(tǒng)及設備層面的可靠性指標，分析了儲能設備不同運行策略對綜合能源微網(wǎng)供能可靠性的影響。文獻[7]通過建立電力系統(tǒng)的運行可靠性模型，模擬了系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生故障后的連鎖反應，并提出了系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)挖掘的方法。文獻[8]研究了風機-光伏-儲能協(xié)調(diào)運行策略對電力系統(tǒng)可靠性的影響。

在資產(chǎn)利用效率的研究方面，文獻[9]從設備建設投資與運行成本降低的角度定義了區(qū)域綜合能源系統(tǒng)的資產(chǎn)利用效率，并分析了終端負荷不確定性對系統(tǒng)資產(chǎn)利用效率的影響。文獻[10]綜合考慮了“N-x”準則、網(wǎng)絡拓撲、負荷特性及其發(fā)展裕度等因素的影響，提出了配電網(wǎng)設備利用率的計算方法，并提出了相應的提升措施。文獻[11]通過分析配電網(wǎng)負荷率、設備預期壽命等影響因素，提出了不同負載率場景下配電網(wǎng)設備在生命周期內(nèi)利用率的合理范圍。文獻[12]從設備負載特性、設備運行時間及設備參數(shù)3個維度出發(fā)，分析了有源配電網(wǎng)設備利用率的影響因素，并基于Pignistic概率距離最優(yōu)證據(jù)合成法，提出了影響因素的組合賦權方法。

上述文獻為本文的研究奠定了一定的理論與模型基礎，然而目前的研究仍存在以下問題：第一，目前對于綜合能源系統(tǒng)運行方面的研究大多集中在以“年”為量級的長時間尺度內(nèi)，而未考慮運行過程中可能存在的風險性問題；第二，如何在系統(tǒng)資產(chǎn)利用效率的評估中進一步考慮可靠性因素，進而從正常運行與故障運行2個方面對綜合能源系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行分析，相關的研究仍有待進一步開展。

針對上述問題，本文提出了考慮負荷不確定性與運行可靠性的綜合能源系統(tǒng)資產(chǎn)利用效率評估方法，并從正常運行與故障運行2個層面對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行分析。首先，采用不確定度集合對綜合能源系統(tǒng)終端負荷的不確定性進行建模；其次，分別以綜合能源系統(tǒng)運行可靠性及資產(chǎn)利用效率作為評估系統(tǒng)故障以及正常運行狀態(tài)的指標，對其評估方法進行研究，并采用隸屬度函數(shù)的方法將不同量綱的指標進行結合；最后，通過實際算例仿真，具體分析了綜合能源系統(tǒng)全年及典型日的運行狀態(tài)，并分析了負荷不確定性對系統(tǒng)資產(chǎn)利用效率及運行可靠性產(chǎn)生的影響。

1 綜合能源系統(tǒng)運行狀態(tài)分析框架

綜合能源系統(tǒng)主要由供能網(wǎng)絡(如供電、供氣、供冷/熱等網(wǎng)絡)、能源轉換環(huán)節(jié)(如冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)(combined cold heat and power system, CCHP)、發(fā)電機組、鍋爐、空調(diào)、熱泵等)、能源存儲環(huán)節(jié)(儲電、儲氣、儲熱、儲冷等)、終端綜合能源供用單元和大量終端用戶共同構成[13 - 14]，在能源互聯(lián)網(wǎng)的建設中能夠起到“承上啟下”的功能。對綜合能源系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行合理分析，并提出有效的改進與提升措施，能夠有效促進綜合能源系統(tǒng)發(fā)揮多能源互補與梯級利用優(yōu)勢，提高綜合能源系統(tǒng)的資產(chǎn)利用效率，同時也是未來進一步吸引綜合能源系統(tǒng)投資建設的重要保障。

本文對綜合能源系統(tǒng)運行狀態(tài)分析的主體思路框架如圖1所示，在通過資產(chǎn)利用效率指標對系統(tǒng)正常運行狀態(tài)進行分析的基礎上，本文進一步通過運行可靠性指標對系統(tǒng)的故障運行狀態(tài)進行分析，以保證運行場景的完整性；同時，考慮到資產(chǎn)利用效率指標與運行可靠性指標的量綱差異問題，通過隸屬度函數(shù)將不同指標進行結合，從而有效分析系統(tǒng)的綜合運行狀態(tài)，為系統(tǒng)的運行調(diào)度提供有力支持；除此之外，在對綜合能源系統(tǒng)運行狀態(tài)進行分析的過程中，本文也充分考慮了終端負荷的不確定性問題。

圖1 綜合能源系統(tǒng)運行狀態(tài)分析框架Fig.1 Integrated energy system operating state analysis framework

2 負荷不確定性建模

受到天氣、能源價格、用戶調(diào)度計劃和用能模式等外部因素的影響，在綜合能源系統(tǒng)運行的過程中，終端需求側的電/熱/冷等負荷會具有較強的不確定性，針對上述問題，本文具體采用不確定度集Ω來描述電/熱/冷負荷功率的不確定度，具體表示如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

基于對電/熱/冷等負荷不確定性的建模，綜合能源系統(tǒng)運行過程中的供需平衡應滿足以下條件：

(5)

式中PG,s,h為電/熱/冷等能源供給側的輸出功率。

3 運行可靠性及資產(chǎn)利用效率分析

3.1 系統(tǒng)運行可靠性分析

綜合能源系統(tǒng)的運行可靠性分析是綜合考慮系統(tǒng)負荷水平、運行環(huán)境等因素的影響，對系統(tǒng)在當前狀態(tài)下未來短期內(nèi)的可靠性與風險性水平進行分析，屬于對系統(tǒng)故障運行狀態(tài)的分析。本文主要從兩個方面度量系統(tǒng)的運行可靠性RIES，即事件發(fā)生的概率以及事件造成的后果。

RIES(S)=∑jP(Ej)I(Ej)

(6)

式中：S為綜合能源系統(tǒng)當前的運行狀態(tài)；Ej為第j個事件場景，本文主要考慮綜合能源系統(tǒng)內(nèi)設備的故障失效；P(Ej)為第j個事件場景發(fā)生的概率，與設備的故障概率有關；I(Ej)為第j個事件場景造成的影響。

本文具體采用缺供能量期望(loss of energy expectation，LOEE，其值用L來表示)來衡量設備故障失效產(chǎn)生的影響，具體計算方式參見文獻[15]。從能量損失的角度，設備故障失效產(chǎn)生的影響可表示為：

IP(Ej)=Le,j+Lh,j+Lc,j

(7)

式中：Le,j為第j個事件場景發(fā)生造成電能的缺供能量期望；下標e，h，c分別代表綜合能源系統(tǒng)內(nèi)電/熱/冷3種終端能源。

從經(jīng)濟性損失的角度，基于文獻[16]的分析理念，通過計算不同類型能源缺供能量期望結合相應能源損失價格，計算設備故障失效產(chǎn)生的影響，具體表示為：

IE(Ej)=ωeLe,j+ωhLh,j+ωcLc,j

(8)

式中：ωe、ωh、ωc分別為電能/熱能/冷能的能源損失價格。

3.2 系統(tǒng)資產(chǎn)利用效率分析

綜合能源系統(tǒng)的資產(chǎn)利用效率分析能夠對設備的投資建設以及由此帶來的運行效率提升進行評價，屬于對系統(tǒng)正常運行狀態(tài)的分析。考慮到在綜合能源系統(tǒng)內(nèi)同一種設備可能涉及到多種能源負荷的供給，并且不同能源負荷之間也存在品位差異，故本文基于文獻[9]提出的概念，將資產(chǎn)利用效率AIES定義為綜合能源系統(tǒng)在給定年限內(nèi)所節(jié)約的運行成本與設備投資成本的比值，即：

(9)

式中：ΔEOP為對綜合能源系統(tǒng)實施投資建設前后在統(tǒng)計時間段內(nèi)節(jié)約的運行成本；Ein,i為設備i的投資建設成本；NT為調(diào)度時段總數(shù)；NM為設備總數(shù)。

對于變量EOP的求解，投資后綜合能源系統(tǒng)運行成本的計算方式如式(10)所示。

(10)

作為投資后綜合能源系統(tǒng)運行成本的對比對象，可以用式(10)計算投資前的運行成本EOP,0；而對于新建的綜合能源系統(tǒng)，可以與所有的能源需求(電/熱/冷等)由外部能源網(wǎng)絡直接提供情況下的購能成本進行比較，即進行綜合能源供能模式與獨立供能模式的比較，獨立供能模式下購能成本的計算方式如式(11)所示。

EOP,1=ωePL,e+ωhPL,h+ωcPL,c

(11)

式中PL,e、PL,h、PL,c分別為電、熱、冷能源的負荷需求。

考慮到綜合能源系統(tǒng)運行可靠性與資產(chǎn)利用效率的分析結果的量綱不同，因此，本文參照模糊集理論，采用隸屬度函數(shù)[17]F將綜合能源系統(tǒng)運行可靠性與資產(chǎn)利用效率的分析指標進行結合，進而綜合評價綜合能源系統(tǒng)的運行狀態(tài)，指標k隸屬度函數(shù)的表達式為：

(12)

式中：Fk(X)為綜合能源系統(tǒng)運行可靠性與資產(chǎn)利用效率分析指標的綜合隸屬度函數(shù)，表征綜合能源系統(tǒng)的運行狀態(tài)；fk(X*)為不同分析指標的最佳狀態(tài)，其中，在分析運行可靠性時，fk(X*)為系統(tǒng)的正常運行狀態(tài)，即系統(tǒng)的可靠性損失為0，在分析資產(chǎn)利用效率時，fk(X*)為最佳運行策略下系統(tǒng)的運行成本；fk,w(X)為不同分析指標的最差狀態(tài)，其中，在分析運行可靠性時，fk,w(X)為系統(tǒng)內(nèi)負荷全部斷供時系統(tǒng)的可靠性損失；在分析資產(chǎn)利用效率時，fk,w(X)為系統(tǒng)不同運行策略下，所需承擔的最多的運行成本。隸屬度函數(shù)的取值范圍在0～1之間，其中，取值越接近于1表征系統(tǒng)的運行狀態(tài)越好。

基于不同指標的隸屬度函數(shù)，利用線性加權求和法將隸屬度函數(shù)值進行結合，即可得到綜合能源系統(tǒng)運行狀態(tài)的綜合評價值。

(13)

式中：wk為調(diào)度部分針對系統(tǒng)故障運行狀態(tài)下運行可靠性指標以及系統(tǒng)正常運行狀態(tài)下資產(chǎn)利用效率指標設置的計算權重，且∑kwk=1， 本文將運行可靠性指標以及資產(chǎn)利用效率指標的權重均設置為0.5。

4 算例分析與對比

4.1 算例概況

本文以中國南方某綜合能源系統(tǒng)為例，系統(tǒng)的物理結構與設備構成如圖2所示，綜合考慮可用面積、環(huán)境氣候等因素，光伏的裝機容量為4.6 MW。系統(tǒng)內(nèi)其他機組設備的運行參數(shù)如表1所示，其中，儲電設備的初始容量為額定容量的30%，最大充放電功率為額定容量的7.5%[18]，資金年折現(xiàn)率δ為5%，參考文獻[19]中給出的設備一次性投資建設成本，綜合能源系統(tǒng)的一次性投資建設成本總計為1 852萬元。系統(tǒng)內(nèi)機組設備的可靠性參數(shù)如表2所示[20 - 21]。

圖2 綜合能源系統(tǒng)架構Fig.2 Architecture of the integrated energy system

表1 設備運行參數(shù)Tab.1 Equipment operating parameters

表2 機組設備可靠性參數(shù)Tab.2 Reliability parameters

綜合能源系統(tǒng)的運行策略參考文獻[11]所提出的策略，即燃氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)將為吸收式冷機、換熱器等自身設備以及系統(tǒng)內(nèi)的電/熱/冷負荷供能，運行方式為以熱(冷)定電，當冷熱電負荷差異較大時，為保證其運行效率，燃氣機三聯(lián)供系統(tǒng)的出力按照熱負荷和冷負荷中較小的值進行設置，綜合能源系統(tǒng)內(nèi)的電制冷機、燃氣熱泵、電熱泵等設備通過互補互濟實現(xiàn)調(diào)峰以及其他負荷供給的任務。設備的運行成本參數(shù)參考文獻[21]。

綜合能源系統(tǒng)的典型年負荷曲線如圖3所示。結合當?shù)貙嶋H的階梯電價政策，11:00—15:00、19:00—21:00時段為峰值電價，00:00—07:00時段為谷值電價，剩余時段為平值電價[22]，其他能源為固定能源價格形式，具體能源價格如表3所示。綜合能源系統(tǒng)內(nèi)終端電/熱/冷失負荷價值分別為200元/kWh，120元/kWh，120元/kWh[23]。

圖3 負荷需求曲線Fig.3 Load demand curve

4.2 典型場景運行狀態(tài)分析

基于仿真算例場景，在不考慮負荷不確定性影響的情況下，系統(tǒng)的典型年運行成本為873.79萬元，而采用獨立供能模式的情況下，基于式(11)的測算方法，系統(tǒng)在典型年的購能成本為1 246.76萬元，故系統(tǒng)的典型年資產(chǎn)利用效率AIES= 0.21，轉換為隸屬度函數(shù)即為FA= 0.18；同理，在不考慮負荷不確定性影響的情況下，系統(tǒng)的典型年可靠性期望為IP(E)= 35.4 MWh，可靠性損失期望為IE(E)= 436.6萬元，轉換為隸屬度函數(shù)即為FR= 0.22；則綜合能源系統(tǒng)綜合運行狀態(tài)的隸屬度函數(shù)FOP= 0.2，采用綜合供能模式后的運行狀態(tài)較好。

表3 不同類型能源價格Tab.3 Different energy prices

在對綜合能源系統(tǒng)典型年運行狀態(tài)進行分析的基礎上，進一步選取典型日，對系統(tǒng)的運行進行分析。本文選取供冷季以及供熱季內(nèi)的典型日進行分析，這樣所選取的典型日既具有季節(jié)特性又能夠體現(xiàn)用能差異特性。供冷季與供熱季典型日負荷曲線分別如圖4和圖5所示，供冷季與供熱季典型日的設備出力分布分別如圖6和圖7所示，其中，圖中燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)的出力為電力生產(chǎn)出力。

圖4 供熱季典型日負荷曲線Fig.4 Typical daily load curve in heating season

圖5 供冷季典型日負荷曲線Fig.5 Typical daily load curve during cooling season

圖6 供熱季設備出力分析Fig.6 Analysis of equipment output during heating season

圖7 供冷季設備出力分析Fig.7 Analysis of equipment output during cooling season

通過對正常運行狀態(tài)下設備出力分布的分析可知，由于分布式光伏的清潔性以及較低的運行成本，因此，綜合能源系統(tǒng)會最大程度地利用系統(tǒng)內(nèi)的光伏資源以滿足電力負荷需求；相比較于電力價格，系統(tǒng)所在地區(qū)的燃氣價格較高，因此，燃氣三聯(lián)供系統(tǒng)主要運行在基荷狀態(tài)，并通過電制冷機、電熱泵、燃氣熱泵等設備進行負荷的調(diào)峰；儲能設備會參考電力價格信號以及分布式電源出力的大小來進行充放電調(diào)整。綜上所述，在正常運行狀態(tài)下，系統(tǒng)會盡量投入運行成本低、能效較高的設備，在保證系統(tǒng)運行經(jīng)濟性的同時，也提高了系統(tǒng)的資產(chǎn)利用效率。

4.3 負荷不確定性影響分析

本節(jié)進一步分析負荷不確定性對綜合能源系統(tǒng)資產(chǎn)利用效率以及系統(tǒng)運行狀態(tài)產(chǎn)生的影響。假定綜合能源系統(tǒng)主要包括如圖4—5所示的供熱季以及供冷季負荷，兩種負荷場景分別占總天數(shù)的50%，負荷不確定性的上下限設置為10%。在設定不同的不確定性波動總閾值情況下，以供熱季為例，綜合能源系統(tǒng)內(nèi)設備出力的變化情況如圖8所示，在此基礎上，進一步對不同不確定性波動總閾值情況下設備的平均出力進行分析，結果如圖9所示。在不同不確定性波動總閾值情況下綜合能源系統(tǒng)的資產(chǎn)利用效率、供能可靠性以及綜合運行狀態(tài)分析結果如表4所示。

圖8 綜合能源系統(tǒng)內(nèi)設備出力對比Fig.8 Comparison of equipment output in integrated energy system

圖9 不同不確定性閾值下典型設備的平均出力Fig.9 Average output of typical equipment under different uncertainty thresholds

通過對數(shù)據(jù)結果的分析可知，當不確定性閾值Γ從0增加到1時，電制冷機、燃氣熱泵等設備的功率會不斷提升；當不確定性閾值Γ從1增加到2時，外購電的功率有顯著的增加，說明負荷的不確定性對系統(tǒng)的備用容量配置提出了更大的需求。通過對設備的平均出力的進一步分析可知，隨著不確定性閾值的增加，設備的平均出力也會提升。然而，通過對不同不確定性閾值下系統(tǒng)運行狀態(tài)分析，雖然負荷的不確定性會對綜合能源系統(tǒng)的資產(chǎn)利用效率以及可靠性產(chǎn)生一定的影響，但相比較于傳統(tǒng)的獨立供能模式，系統(tǒng)依然能夠保持較為良好的運行狀態(tài)。

表4 不同不確定性閾值下系統(tǒng)運行狀態(tài)分析Tab.4 Analysis of system operation status under different uncertainty thresholds

5 結論

在當前大力倡導提高能源利用效率，構建綜合能源系統(tǒng)的背景下，本文提出了考慮負荷不確定性與運行可靠性的綜合能源系統(tǒng)資產(chǎn)利用效率分析方法，從系統(tǒng)正常運行與故障運行兩個維度對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行了分析，通過理論及實際仿真驗證，得到的主要結論如下。

1)相比較于傳統(tǒng)的多能源負荷獨立供能模式，采用多能互補的綜合供能模式能夠減少系統(tǒng)的購能成本，進而提高系統(tǒng)的資產(chǎn)利用效率；

2)終端負荷的不確定性會對系統(tǒng)的資產(chǎn)利用效率以及運行可靠性產(chǎn)生影響，因此，綜合能源系統(tǒng)在進行規(guī)劃與運行策略制定的過程中應充分考慮負荷不確定性產(chǎn)生的影響；

3)采用隸屬度函數(shù)方法能夠有效將系統(tǒng)資產(chǎn)利用效率以及運行可靠性兩項量綱不同的指標進行結合，進而有效評估系統(tǒng)的綜合運行狀態(tài)。

在未來的研究中，會在已有模型的基礎上進一步研究系統(tǒng)不同調(diào)度運行策略以及故障后不同負荷削減策略以及終端負荷的需求響應策略對資產(chǎn)利用效率以及運行可靠性的影響。