基于能源互联网分层架构的区域综合能源系统评价方法

摘要

本发明特别涉及基于能源互联网分层体系架构的区域综合能源系统评价方法，提出的区域综合能源系统评价方法覆盖了能源互联网物理层、信息层、价值层各个层级，综合考虑了经济性、效率性、安全性、环保性等多个方面，相比现有评价指标更加全面、系统，每个指标都有具体的量化计算方法，并采用加权求和的方法降维得到综合评价结果，易于工程实施。本发明提出的评价指标体系可以用于区域综合能源系统的运行、设计方面的定量化分析，指导投资建设商、设计规划单位以及系统运行商的相关研究和工作，提升区域综合能源系统的建设运行水平。

说明书

技术领域

本发明属于综合能源规划与运行分析技术领域，特别涉及基于能源互联网 分层架构的区域综合能源系统评价方法。

背景技术

能源互联网已成为能源领域未来发展的必然趋势，是国际研究的热点主题， 也是我国能源发展的重大需求。能源互联网旨在解决清洁能源替代传统化石能 源过程中的环境问题、能流壁垒和能源改革问题，为综合能源系统及能源市场 服务开拓良好的发展基础。区域综合能源系统是能源互联网的重要物理载体， 是探究不同能源内部运行机理，发挥能源互补特性，推广能源先进技术的前沿 阵地。通过区域综合能源系统建设，可以从终端侧实现多种能源的物理连接， 并通过边缘计算实现底层物理系统的互联互通和多能互补，提高能源使用效率， 降低区域能源系统运行成本，为用户提供实惠和便捷，同时，也形成了面对上 级广域系统的智慧型终端，可以与上级系统进行交互，并为上级系统提供调节灵活性，提高了终端设备接入系统的友好性。采用区域综合能源系统作为解决 能源危机和环境问题这一途径，已经得到了全世界的普遍认可。

现阶段，关于综合能源效益评价的研究还相对较少。在已有研究中，第一 种是对CCHP系统、燃气轮机系统等进行了效益评价，并分别选取系统投资费 等、一次能源消耗量等、NOx等作为评估综合能源系统的评价指标，其构建的 能源综合效益评价指标体系涵盖了经济、社会、环境效益三个方面，但二级指 标设置较少。第二种是分别从能源、装置、配网、用户环节建立了区域综合能 源效益评价指标体系，并将反映经济、社会、环境效益等指标融入各环节，考 虑了区域综合能源系统内部能源耦合关系，且较全面反映综合能源的经济、环 境、社会效益，但该指标体系选取指标的颗粒度较粗，效益指标涵盖面不足。 第三种将评价指标分为外部指标和内部指标，外部指标主要从环境、社会、经 济外部性指标和能耗效率指标4个方面划分，内部指标主要根据财务指标的标 准选择。但该文献的指标体系选取了较多与电力相关的指标，对燃气、热/冷等 其他能源相关效益指标考虑不足。

相较于国内考虑的各环节、各类型效益指标，国外对综合能源系统的效益 评价大多沿用传统评价指标，即以综合能源系统技术经济指标、气体减排指标 和化石能源消耗量等指标衡量综合能源系统投资价值和环保效益，简洁明了且 操作性强。也有以电热耦合利用的CHP为研究对象，采用技术经济评价方法， 构建了相对完整的投资效益评价指标体系，提出了各评价指标的计算公式、表 征含义和应用局限性。

从现有成果看，国内外已对综合能源系统效益评价指标体系展开研究，但 缺乏能够反映能源互联网体系架构各层级建设运行水平的系统性指标，此外， 能够应用于实际工程评价的综合能源效益评价指标体系及其评价标准也还未完 全建立。

发明内容

本发明在研究综合能源系统能量转换机理、网络互通需求以及能源系统能 量效率、能质效率的基础上，分别设计了面向能量层的能源转换路径评价指标、 面向信息层的网络互通能力评价指标以及面向价值层的统一能效评价指标，形 成了区域综合能源系统的评价指标体系，并通过实例进行验证。本发明提出的 评价指标体系可以用于区域综合能源系统的运行、设计方面的定量化分析，指 导投资建设商、设计规划单位以及系统运行商的相关研究和工作。

基于能源互联网分层体系架构的区域综合能源系统评价方法，获取第i个 二级指标对总评价结果的影响权值E

根据获取的E

根据所述综合指标指数D对系统进行评价。

进一步地，根据以下公式计算所述综合指标指数D：

n是能量层关键评价指标、信息层关键评价指标和价值层关键评价指标的 所有二级指标的数量总和；

m

E

E

F

进一步地，能量层关键评价指标中的E

E

E

E

E

E

E

E

E

E

E

进一步地，信息层关键评价指标中的E

E

E

E

E

E

进一步地，价值层关键评价指标中的E

E

E

进一步地，信息层关键评价指标中的E

E

E

E

E

E

E

E

E

E

E

E

E

E

E

进一步地，价值层关键评价指标中的E

E

E

E

E

E

E

进一步地，信息层关键评价指标中的F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

进一步地，所述价值层关键评价指标中的F

F

F

F

F

F

F

进一步地，能量层关键评价指标中的二级指标计算公式包括：

电网安全率的计算公式是电网N-1校验通过的变电站个数与总变电站个数 的比值；

热网安全率和气网安全率的计算公式是系统年运行在满足设计规范范围内 的运行小时与总运行小时的比值；

系统停供持续时间的计算公式是

系统停供频率的计算公式是

用户停供持续时间的计算公式是

缺供量的计算公式是

供能可靠率的计算公式是

系统向上灵活性和系统向下灵活性的计算公式是日平均运行功率与系统功 率限制的差和额定功率的比值；

N

进一步地，信息层关键评价指标中的三级指标计算公式包括：

电力网与燃气管网之间互通效率的计算公式是

电力网与热能冷能管网之间互通效率的计算公式是

燃气管网与热能冷能管网之间互通效率的计算公式是

双网双备份通信设备占比的计算公式是

双台设备同时故障概率的计算公式是两台通信设备故障概率乘积 电力系统等效过载时间占比的计算公式是

电力系统等效过载时间占比的计算公式是

热能/冷能管网系统等效过载时间占比的计算公式是

燃气管网系统等效过载时间占比的计算公式是

系统攻击通过率的计算公式是

系统攻击过滤率的计算公式是

电力系统向上调节速率占比的计算公式是

电力系统向下调节速率占比的计算公式是

热能/冷能管网系统向上调节速率占比的计算公式是

热能/冷能管网系统向下调节速率占比的计算公式是

η

进一步地，价值层关键评价指标中的三级指标计算公式包括：

单位GDP能耗的计算公式是一次能源消费总量/国民生产总值

总成本的计算公式是

A

单位能源成本的计算公式是

一次能源节约率的计算公式是

SO

清洁能源占比的计算公式是

C

本发明提出的区域综合能源系统评价方法覆盖了能源互联网物理层、信息 层、价值层各个层级，综合考虑了经济性、效率性、安全性、环保性等多个方 面，相比现有评价指标更加全面、系统，每个指标都有具体的量化计算方法， 并采用加权求和的方法降维得到综合评价结果，易于工程实施。本发明提出的 评价指标体系可以用于区域综合能源系统的运行、设计方面的定量化分析，指 导投资建设商、设计规划单位以及系统运行商的相关研究和工作，提升区域综 合能源系统的建设运行水平。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明 书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可 通过在说明书、权利要求书中所指出的结构来实现和获得。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施 例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部 分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人 员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护 的范围。

本发明所提出的区域综合能源系统评价指标体系是基于能源互联网三层体 系架构，分别针对各层研究关键评价指标，最终汇总成涵盖区域综合能源系统 各层级的综合评价指标体系。

一、能量层关键评价指标

综合能源转换路径是指在综合能源系统中不同能源种类间的能源传输、存 储及转换路线，主要指能量转换装置及能源输配系统。可根据不同的能源类型、 不同的用能需求设计多种综合能源转换路径。表1展示了主要的能源转换设备。

表1主要能源转换路径和能量转换设备

能源转换技术路径评价指标体系由三个一级指标组成，分别为安全性、可 靠性、灵活性，每个一级指标都下属若干二级指标，构成了综合评价指标体系， 如表2所示。

表2综合能源转换技术路径评价指标体系

其中，在安全性指标中，电网安全率指标是指电网N-1校验通过的变电站 个数与总变电站个数的比值，热网安全率和气网安全率是指系统年运行在满足 设计规范范围内的运行小时与总运行小时的比值。

综合能源系统中的可靠性指标分为负荷点和系统侧两部分。其中，负荷点 指标用于描述每个用能个体的可靠性水平，包括了电、冷、热等能源用户；系 统侧指标用于描述综合能源系统整体的可靠性水平，综合所有能源用户的负荷 点可靠性指标计算得到。可靠性指标的测算方法如表3所示：

表3可靠性指标的测算方法

N

能量层关键评价指标中的E

E

E

E

E

E

E

E

E

E

E

灵活性指标主要用于考核系统对外输出的调节灵活性，评估区域综合能源 系统作为整体对上级系统的需求响应能力，作为未来参与电力市场的量化依据。 分为向上灵活性和向下灵活性两种，计算方法是日平均运行功率与系统功率限 制的差和额定功率的比值。

二、信息层关键评价指标

表4综合能源系统网络互通评价指标及测算方法

η

信息层关键评价指标中的E

E

E

E

E

E

信息层关键评价指标中的E

E

E

E

E

E

E

E

E

E

E

E

E

E

E

信息层关键评价指标中的F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

F

三、价值层关键评价指标

综合能源系统的能效评估主要基于热力学第一定律和热力学第二定律两类。 其中，基于热力学第一定律的能效评估主要是能“量”评估法，目前在火电厂 能量分析中应用较为广泛；基于热力学第二定律的能效评估主要是能“质”评 估法，典型方法有

表5常见的能效评价指标特性分析

总之，评价效率往往分为基于热力学第一定律和第二定律两大类，热力学 第一定律即能量守恒定律，热力学第二定律即热能不能完全转化为功而不发生 其它变化。基于热力学第一定律的分析方法简单易得，可以通过分析得到能“量” 的总利用效率。该类方法将系统视作黑箱，考察输出系统的产品能量占输入系 统能量的比例，即可得出整个系统的能量转化效率，但它未对不同品质的能量 加以区分，用于评价综合能效有一定的局限性。基于热力学第二定律的方法通 过计算

在表5所示的常见能效评价指标体系的基础上，引入统一能效指标，用于 刻画多能协同运行情况下，区域综合能源系统的整体运行效率。统一能效评价 指标的计算方法是在特定时间段[0,T]内，将系统输出能量价值总量与输入能 量价值总量做比，如(5)至(10)所示：

λ

其中，E

统一能效指标与表5中的指标一起构成了综合能效评价指标中的效率性指 标，此外还需要考虑经济性指标和环保性指标，及指标分解及计算方法如表6 所示。

表6综合能效指标中的经济性指标和环保性指标

C

价值层关键评价指标中的E

E

E

价值层关键评价指标中的E

E

E

E

E

E

E

价值层关键评价指标中的F

F

F

F

F

F

F

四、综合能源系统综合评价指标体系

以上各方面指标形成综合能源系统的综合评价指标体系，在将样本指标数 据做趋同、标准化处理后，采用多目标线性加权函数法，以三个层面选取指标 标准值的加权和形式对综合能源系统进行评价，并定义评价结果为综合指标指 数D，其值越大，表明区域综合能源系统的性能越好。其计算模型为：

其中，n为能量层、信息层和价值层的所有二级指标的数量总和，固定值n 是17；mi是不同第i个二级指标对应的三级指标的数量；E

能量层关键评价指标中没有三级指标，所述E

能量层没有三级指标j，即

信息层和价值层有三级指标j，即

本发明提出的区域综合能源系统评价方法覆盖了能源互联网物理层、信息 层、价值层各个层级，综合考虑了经济性、效率性、安全性、环保性等多个方 面，相比现有评价指标更加全面、系统，每个指标都有具体的量化计算方法， 并采用加权求和的方法降维得到综合评价结果，易于工程实施。本发明提出的 评价指标体系可以用于区域综合能源系统的运行、设计方面的定量化分析，指 导投资建设商、设计规划单位以及系统运行商的相关研究和工作，提升区域综 合能源系统的建设运行水平。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员 应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其 中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的 本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。