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基于区间线性规划和可逼近理想解排序法的园区型综合能源系统投资决策

张沛 王旭 杨璐 孙秋洁 叶玲节 王岑峰 冯也 杨云露 周竹君

张沛, 王旭, 杨璐, 孙秋洁, 叶玲节, 王岑峰, 冯也, 杨云露, 周竹君. 基于区间线性规划和可逼近理想解排序法的园区型综合能源系统投资决策[J]. 现代电力, 2021, 38(3): 297-306. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0347
引用本文: 张沛, 王旭, 杨璐, 孙秋洁, 叶玲节, 王岑峰, 冯也, 杨云露, 周竹君. 基于区间线性规划和可逼近理想解排序法的园区型综合能源系统投资决策[J]. 现代电力, 2021, 38(3): 297-306. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0347
Pei ZHANG, Xu WANG, Lu YANG, Qiujie SUN, Lingjie YE, Cenfeng WANG, Ye Feng, Yunlu YANG, Zhujun ZHOU. Application of Interval Linear Programming and TOPSIS to Investment Decision on Integrated Energy System of Industrial Parks[J]. Modern Electric Power, 2021, 38(3): 297-306. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0347
Citation: Pei ZHANG, Xu WANG, Lu YANG, Qiujie SUN, Lingjie YE, Cenfeng WANG, Ye Feng, Yunlu YANG, Zhujun ZHOU. Application of Interval Linear Programming and TOPSIS to Investment Decision on Integrated Energy System of Industrial Parks[J]. Modern Electric Power, 2021, 38(3): 297-306. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0347

基于区间线性规划和可逼近理想解排序法的园区型综合能源系统投资决策

doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0347
基金项目: 国网浙江省电力有限公司科技项目(5211JY18000W)
详细信息
    作者简介:

    张沛(1972),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为电力系统调度分析、电力系统规划、电力信息化和新能源,E-mail:2512692577@qq.com

    王旭(1994),男,硕士研究生,研究方向为综合能源系统的优化规划,E-mail:18126154@bjtu.edu.cn

    杨璐(1992),男,硕士,助教,研究方向为电力系统规划、电力系统运行与控制,E-mail:1036909083@qq.com

    孙秋洁(1990),女,硕士,中级工程师、经济师,研究方向为综合能源服务、企业发展战略与规划,E-mail:sunqiujie1004@163.com

    叶玲节(1990),女,硕士,中级经济师,研究方向为企业发展战略与规划,E-mail:278846276@qq.com

    王岑峰(1993),男,硕士,初级工程师,研究方向为综合能源服务、能源经济,E-mail:814202934@qq.com

    冯也(1995),女,理学硕士,研究方向为能源经济,财务管理,E-mail:fengye0579@163.com

    杨云露(1991),女,工商管理硕士,中级工程师,研究方向为企业发展战略与规划,E-mail:375977040@qq.com

    周竹君(1988),男,工学硕士,研究方向为事企业管理与战略研究,电力系统新材料开发与能源互联网等方面研究,E-mail:zhouzhujun@zdoil.cn

  • 中图分类号: TM73

Application of Interval Linear Programming and TOPSIS to Investment Decision on Integrated Energy System of Industrial Parks

Funds: Science and Technology Project of State Grid Zhejiang Electric Power Co., Ltd.(5211JY18000W)
  • 摘要: 综合能源服务作为电网企业增值服务重点开发的领域,研究其在计及不确定性因素情况下的投资决策方法,能够有效提升电网的投资效益。从综合能源投资者角度出发,提出一种基于区间线性规划和可逼近理想解排序法 (technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)的园区型综合能源系统投资决策方法。首先,采用区间数的方式对负荷和能源价格的不确定性进行描述,构建基于区间数的综合能源系统不确定性规划模型,求解得到年综合成本和年碳排放成本;然后,综合考虑园区的经济性指标和环保性指标,选取TOPSIS法对多个投资规划方案进行排序,统筹筛选出综合经济性和环保性的最优方案。案例分析结果表明所提方法可有效辅助综合能源公司做出合理投资决策。
  • 图  1  基于区间数的综合能源系统不确定性规划模型

    Figure  1.  Uncertainty programming model of integrated energy system based on interval numbers

    图  2  基于TOPSIS的园区型综合能源系统投资决策

    Figure  2.  Investment decision flowchart of integrated energy system based on TOPSIS

    图  3  园区型综合能源系统结构图

    Figure  3.  Structure of Integrated Energy System for industrial park

    A1  典型日负荷曲线

    A1.  Heating, cooling and electrical loads of typical days

    A4  燃煤锅炉技术参数

    A4.   Technical parameters of coal-fired boiler

    额定热功率/kW热效率价格/万元维护成本/%年限/a
    2400.865.60.515
    3500.9256.90.515
    5600.7357.20.515
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    A10  电制冷机组技术参数

    A10.   Technical parameters of electrical refrigeration units

    额定功率/kW制冷能效比价格/万元维护成本/%年限/a
    18.54.71.8220
    114.63.4411.6220
    40.83.194220
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    表  1  典型日分类情况

    Table  1.   The classification of typical days

    典型日类型累计天数环境温度/℃
    夏季9332
    冬季1510
    过渡季12110
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    表  2  不同方案费用对比

    Table  2.   Costs comparison among different cases 万元

    方案设备年投资成本供能网络年投资成本设备维护成本供能网络维护成本能源购置费碳排放成本折旧成本年综合成本
    Qbest155.0136.3613.5861189.97244.889.57710.37
    Qinv138.3836.3612.6361221.67259.928.74738.7
    Qoper192.4636.3616.7761208.37197.8211.44724.22
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    表  3  区间优化模型求解结果

    Table  3.   Results of the solving of interval optimization model 万元

    方案年综合成本碳排放成本
    最优值区间区间均值 最优值区间区间均值
    1(Qbest)[664.63,791.05]727.84[230.23,266.19]248.21
    2(Qinv)[688.62,822.79]755.71[239.08,287.05]263.07
    3(Qopr)[679.94,798.81]739.38[185.54,229.27]207.41
    4[693.04,826.08]752.56[227.65,269.64]248.65
    5[774.77,904.63]839.70[205.61,244.6]225.11
    6[706.06,829.65]767.86[257.69,305.67]281.68
    7[758.65,886.07]822.36[220.54,261.04]240.79
    8[742.36,868.88]805.62[254.04,299.61]276.83
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    表  4  指标正向化后的投资方案评价表

    Table  4.   Appraisal form of investment plan after indicators normalized

    方案经济性环保性
    1(Qbest)111.8633.47
    2(Qinv)84.0018.62
    3(Qopr)100.3374.28
    487.1433.04
    50.0056.58
    671.850.00
    717.3440.89
    834.084.86
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    表  5  投资方案的标准化矩阵

    Table  5.   Standardized matrix of investment plan

    方案经济性环保性
    1(Qbest)0.53420.2939
    2(Qinv)0.40110.1635
    3(Qopr)0.47910.6522
    40.41610.2901
    50.00000.4968
    60.34310.0000
    70.08280.3590
    80.16270.0427
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    表  6  投资方案的相对贴近度及排名

    Table  6.   Relative closeness and ranking of investment plan

    方案$ {{L}_{i}}^{+} $$ {{L}_{i}}^{-} $$ {S}_{i} $排名
    1(Qbest)0.35830.60970.62982
    2(Qinv)0.50650.43320.46105
    3(Qopr)0.05510.80920.93961
    40.38080.50730.57123
    50.55630.49680.47174
    60.67960.34310.33557
    70.53820.36840.40646
    80.71370.16820.19088
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    A1  供热网络参数

    A1.   Parameters of heating network

    管道编号首节点末节点长度/m管径/m管道传热系数
    1h1h212000.120.4
    2h2h35000.120.4
    3h2h44000.120.4
    4h4h55000.120.4
    5h4h68000.120.4
    6h6h75000.120.4
    7h6h84000.120.4
    8h8h95000.120.4
    9h8h104000.120.4
    10h10h115000.120.4
    11h10h128000.120.4
    12h12h135000.120.4
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    A2  供冷网络参数

    A2.   Parameters of cooling network

    管道编号首节点末节点长度/m管径/m管道传热系数
    1c1c26000.10.4
    2c2c33000.10.4
    3c2c44000.10.4
    4c4c53000.10.4
    5c4c68000.10.4
    6c6c73000.10.4
    7c6c84000.10.4
    8c8c93000.10.4
    9c8c104000.10.4
    10c10c113000.10.4
    11c10c128000.10.4
    12c12c133000.10.4
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    A3  供电网络参数

    A3.   Parameters of power supply network

    支路编号起始节点末节点阻抗/pu感抗/pu
    1e1e20.0750.1
    2e1e30.110.11
    3e1e40.110.11
    4e2e50.090.18
    5e2e60.080.04
    6e5e70.040.11
    7e3e80.080.11
    8e8e90.080.11
    9e8e100.110.11
    10e3e110.110.12
    11e4e120.090.12
    12e4e130.080.11
    13e13e140.040.01
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    A5  燃气锅炉技术参数

    A5.   Technical parameters of gas-fired boiler

    额定热功率/kW热效率价格/万元维护成本/%年限/a
    3500.9533.5120
    4800.9646120
    2300.98622120
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    A6  热电联产机组技术参数

    A6.   Technical parameters of heat and power cogeneration units

    额定热功率/kW热效率电效率价格/万元维护成本/%年限/a
    2500.4910.382116.20.725
    750.5150.35534.80.725
    7500.4820.375348.70.725
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    A7  热泵机组技术参数

    A7.   Technical parameters of heat pump unit

    额定功率/kW制热能效比价格/万元维护成本/%年限/a
    65.41.631.520
    203.451.520
    534.5121.520
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    A8  电锅炉技术参数

    A8.   Technical parameters of electric boiler

    额定电功率/kW制热能效比价格/万元维护成本/%年限/a
    1000.83315.9115
    2400.9838.2115
    7000.986111.3115
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    A9  吸收式制冷技术参数

    A9.   Technical Parameters of absorption refrigeration

    额定冷功率/kW制冷能效比价格/万元维护成本/%年限/a
    39101.2440220
    34001.3518.5220
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-01
  • 刊出日期:  2021-06-03

基于区间线性规划和可逼近理想解排序法的园区型综合能源系统投资决策

doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0347
    基金项目:  国网浙江省电力有限公司科技项目(5211JY18000W)
    作者简介:

    张沛(1972),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为电力系统调度分析、电力系统规划、电力信息化和新能源,E-mail:2512692577@qq.com

    王旭(1994),男,硕士研究生,研究方向为综合能源系统的优化规划,E-mail:18126154@bjtu.edu.cn

    杨璐(1992),男,硕士,助教,研究方向为电力系统规划、电力系统运行与控制,E-mail:1036909083@qq.com

    孙秋洁(1990),女,硕士,中级工程师、经济师,研究方向为综合能源服务、企业发展战略与规划,E-mail:sunqiujie1004@163.com

    叶玲节(1990),女,硕士,中级经济师,研究方向为企业发展战略与规划,E-mail:278846276@qq.com

    王岑峰(1993),男,硕士,初级工程师,研究方向为综合能源服务、能源经济,E-mail:814202934@qq.com

    冯也(1995),女,理学硕士,研究方向为能源经济,财务管理,E-mail:fengye0579@163.com

    杨云露(1991),女,工商管理硕士,中级工程师,研究方向为企业发展战略与规划,E-mail:375977040@qq.com

    周竹君(1988),男,工学硕士,研究方向为事企业管理与战略研究,电力系统新材料开发与能源互联网等方面研究,E-mail:zhouzhujun@zdoil.cn

  • 中图分类号: TM73

摘要: 综合能源服务作为电网企业增值服务重点开发的领域,研究其在计及不确定性因素情况下的投资决策方法,能够有效提升电网的投资效益。从综合能源投资者角度出发,提出一种基于区间线性规划和可逼近理想解排序法 (technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)的园区型综合能源系统投资决策方法。首先,采用区间数的方式对负荷和能源价格的不确定性进行描述,构建基于区间数的综合能源系统不确定性规划模型,求解得到年综合成本和年碳排放成本;然后,综合考虑园区的经济性指标和环保性指标,选取TOPSIS法对多个投资规划方案进行排序,统筹筛选出综合经济性和环保性的最优方案。案例分析结果表明所提方法可有效辅助综合能源公司做出合理投资决策。

English Abstract

张沛, 王旭, 杨璐, 孙秋洁, 叶玲节, 王岑峰, 冯也, 杨云露, 周竹君. 基于区间线性规划和可逼近理想解排序法的园区型综合能源系统投资决策[J]. 现代电力, 2021, 38(3): 297-306. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0347
引用本文: 张沛, 王旭, 杨璐, 孙秋洁, 叶玲节, 王岑峰, 冯也, 杨云露, 周竹君. 基于区间线性规划和可逼近理想解排序法的园区型综合能源系统投资决策[J]. 现代电力, 2021, 38(3): 297-306. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0347
Pei ZHANG, Xu WANG, Lu YANG, Qiujie SUN, Lingjie YE, Cenfeng WANG, Ye Feng, Yunlu YANG, Zhujun ZHOU. Application of Interval Linear Programming and TOPSIS to Investment Decision on Integrated Energy System of Industrial Parks[J]. Modern Electric Power, 2021, 38(3): 297-306. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0347
Citation: Pei ZHANG, Xu WANG, Lu YANG, Qiujie SUN, Lingjie YE, Cenfeng WANG, Ye Feng, Yunlu YANG, Zhujun ZHOU. Application of Interval Linear Programming and TOPSIS to Investment Decision on Integrated Energy System of Industrial Parks[J]. Modern Electric Power, 2021, 38(3): 297-306. doi: 10.19725/j.cnki.1007-2322.2020.0347
    • 随着社会经济快速发展,能源需求的快速增长与能源日渐紧缺的矛盾日益凸显[1]。随着近些年经济的快速增长,我国的电力行业也在发展迅速,政府积极推进科技创新,鼓励能源转型,合理地构建综合能源系统可以协调运用多种能源,对能源进行梯级利用,进而提高能源利用率[2-3]。综合能源服务是以电力系统为核心,在投资、规划和运行的过程中,综合利用不同能源,有机协调多种不同能源之间的传输、转化、存储、利用等环节,达成能源高效利用的能源供应系统[4]。在电力市场化背景下,电网企业在综合能源服务项目的投资不断增加,同时社会资本的参与缩小了电网企业的盈利空间[5]。面对激烈的市场竞争,电网企业如何提升自身投资决策能力,在投资建设环节考虑多种不确定性因素,采用简单有效的决策方法从众多上报的综合能源项目中选取优质项目是十分值得研究的课题。

      针对园区型综合能源系统投资决策方面的研究,其难点主要在于园区型综合能源系统的规划运行中存在大量的不确定性因素,譬如负荷预测误差、园区能源价格的波动及其他。若单纯地采用现有决策方法对园区型综合能源系统进行投资方案决策是不合理的,需要将园区的相关不确定因素与决策方法有机结合,形成计及不确定性的投资决策方法。目前,多数研究人员在对综合能源系统的不确定性因素方面已有一定成果。文献[6]提出了一种多微网互联系统的动态调度模型,并分析了风光、负荷等不确定性因素对动态调度模型的影响。文献[7]提出了一种基于模型预测控制的冷热电联供型(combined cooling heating and power, CCHP)微网动态优化调度策略,以应对大规模的新能源接入及负荷的不确定性。文献[8]基于能源集线器模型,采用鲁棒规划方法对负荷波动进行分析,进而确定其对冷热电多能负荷园区效益的影响。文献[9]提出了一种区域综合能源系统双层优化模型,考虑新能源出力和负荷不确定性的前提下采用粒子群算法对模型进行优化求解,最后根据优化结果量化分析了各类资源的不确定性对系统配置结果和系统盈利能力的影响。文献[10]对光伏出力及负荷的不确定性使用区间数进行描述,基于区间规划提出了一种综合能源系统日前经济优化模型,用区间形式体现最优解,并通过此最优解进而确定不确定因素对系统总收益的影响。以上文献虽采用不同方法对综合能源系统存在的不确定性因素进行了研究,进而推导出各不确定性因素对综合能源系统规划运行的影响。但并未将园区的相关不确定因素与现有决策方法有机结合,为园区提出一种具体的投资决策方法辅助投资者进行决策。

      综上所述,为提升电网企业在综合能源系统项目的投资效益,本文从综合能源投资者角度出发,将园区规划和运行优化相结合,构建园区型综合能源系统技术优选模型,求解出一些经济性较好的投资规划方案;然后考虑能源购入价格和负荷的不确定性,对多个投资规划方案用可逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to ideal solution,TOPSIS),进行排序,遴选出兼顾经济性和环保性的最佳方案。

    • 园区型综合能源系统可以有效整合不同能源,通过不同耦合设备间的协调工作,实现对能源的梯级利用,从而提高能源利用效率。园区的运营商从能源商处购置天然气、煤炭和电能,通过园区内部各种能源耦合设备的转换,满足园区能源负荷需求。

      在实际的投资规划中,园区能源价格和冷热电负荷的预测均存在较大的不确定性,很大程度影响着投资者对园区型综合能源系统的投资决策。在能源交易背景下,能源价格与实时能源交易量有关联,具有一定波动性,一般来说也较难获取到精确的概率密度函数。在实际决策过程时,当不确定变量的取值范围获取易于精确的概率密度函数时,可采用区间规划法获得最优值区间。区间规划法在处理计及不确定性的能源规划问题时有其优点,尤其是不确定因素的精确分布情况获取困难时,可以采用区间数进行描述。

    • 园区型综合能源系统的全寿命周期成本统筹考虑了各能源设备或系统的规划、选型、运行、维护和退役等在给定周期(即整个寿命周期)内发生的直接费用和间接费用的总和,因此本文提出的年综合成本${C_{{\rm{overall}}}}$目标函数为

      $$\min {C_{{\rm{overall}}}} = {C_{{\rm{inv}}}} + {C_{{\rm{mt}}}} + {C_{{\rm{oper}}}} + {C_{{\rm{dep}}}}$$ (1)

      式中:${C_{{\rm{inv}}}}$为投资成本;${C_{{\rm{mt}}}}$为系统维护成本;${C_{{\rm{oper}}}}$为系统运行成本;${C_{{\rm{dep}}}}$为折旧成本。

      1)投资成本${C_{{\rm{inv}}}}$

      投资成本主要是指主要指园区型综合能源系统建设初期购置各类能源设备的成本和供能网络的建设费用,具体的计算公式分别为:

      $$C_{{\rm{inv,dev}}}^y = \sum\limits_{i \in T} {{\beta _i}r_i^{{\rm{dev}}}{d_i}} $$ (2)
      $$C_{{\rm{inv,net}}}^y = \sum\limits_{u \in B} {\sum\limits_{ij} {(l_{ij}^u{r^u}{d^u})} } $$ (3)
      $$d = \frac{{h{{(1 + h)}^y}}}{{{{(1 + h)}^y} - 1}}$$ (4)

      式中:$C_{{\rm{inv,dev}}}^y$$C_{{\rm{inv,net}}}^y$分别为第y年的设备投资成本和供能网络投资成本;将所有可能备选的设备集合记为T$\,{\beta _i}$为选型系数,$\,{\beta _i} \in \left\{ {0,1} \right\}$,表示设备$ i $是否被选择,0表示该设备类型未被选择,1表示该设备类型被选择;$r_i^{{\rm{dev}}}$为设备$ i $的成本价格;集合B表示系统所有种类能源的集合,$B = \{ {\rm{c,e,h}}\} $,其中c代表冷能,e代表电能,h代表热能;$l_{ij}^u$为节点$ i $$ j $之间传输能源$ u $的管道长度;${r^u}$为传输能源$ u $的管道单位长度成本;h为折现率;y为设备使用寿命。

      2)系统维护成本${C_{{\rm{mt}}}}$

      系统维护成本主要包括园区设备的维护成本和供能网络的维护成本,具体的计算公式分别为:

      $$C_{{\rm{mt,dev}}}^y = \sum\limits_{t = 1} {\sum\limits_{i \in T} {{\beta _i}c_i^{{\rm{dev}}}{w_i}(t)} } $$ (5)
      $$C_{{\rm{mt,net}}}^y = \sum\limits_{t = 1} {\left\{ {\sum\limits_{u \in B} {\sum\limits_{ij} {{c^u}f_{ij}^u} (t)} } \right\}} $$ (6)

      式中:$C_{{\rm{mt,dev}}}^y$$C_{{\rm{mt,net}}}^y$分别为第y年设备的维护成本和供能网络的维护成本;$c_i^{{\rm{dev}}}$为设备$ i $的单位维护费用;${w_i}(t)$t时刻设备$ i $的实际出力;$f_{ij}^u(t)$为传输能源$ u $的供能网络中通过管道线路$ ij $的功率;${c^u}$为传输能源$ u $的供能网络中管道线路的单位维护费用。

      3)系统运行成本${C_{{\rm{oper}}}}$

      系统运行成本包括能源购置费用和碳排放成本两部分。能源购置费用指系统从外部网络购买电能、天然气和煤炭的能源所花费的成本。

      $$C_{{\rm{oper,pe}}}^y = \sum\limits_t {\left[ {{P_{\rm{e}}}(t){r_{\rm{e}}}(t) + {P_{{\rm{coal}}}}(t){r_{{\rm{coal}}}}(t) + {P_{\rm{g}}}(t){r_{\rm{g}}}(t)} \right]} $$ (7)
      $$C_{{\rm{oper,pc}}}^y = \sum\limits_t {\left[ {{\varepsilon _{{\rm{coal}}}}{P_{{\rm{coal}}}}(t) + {\varepsilon _{\rm{g}}}{P_{\rm{g}}}(t)} \right]} \cdot k$$ (8)

      式中:$C_{{\rm{oper,pe}}}^y$$C_{{\rm{oper,pc}}}^y$分别为第y年的能源购置成本和碳排放成本;${P_{\rm{e}}}(t)$${P_{\rm{coal}}}(t)$${P_{{\rm{g}}}}(t)$分别表示为t时刻园区从外部购入电能、煤炭、天然气的量;${r_{\rm{e}}}(t)$${r_{{\rm{coal}}}}(t)$${r_{\rm{g}}}(t)$分别为t时刻电能、煤炭、天然气的单位价格;${\varepsilon _{{\rm{coal}}}}$为煤炭机组的碳排放系数;${\varepsilon _{\rm{g}}}$为天然气机组的碳排放系数;$k$为碳排放成本系数,即碳税。

      利用区间数来描述能源价格的波动,即$\left[ {{r_{\rm{e}}}} \right] = \left[ {r_{\rm{e}}^ - ,r_{\rm{e}}^ + } \right],\left[ {{r_{{\rm{coal}}}}} \right] = \left[ {r_{{\rm{coal}}}^ - ,r_{{\rm{coal}}}^ + } \right],\left[ {{r_{\rm{g}}}} \right] = \left[ {r_{\rm{g}}^ - ,r_{\rm{g}}^ + } \right]$,可将式(7)改为

      $$\begin{split} &\left[ {C_{{\rm{oper,pe}}}^{y - },C_{{\rm{oper,pe}}}^{y + }} \right] = \sum\limits_t {} \big\{ {P_{\rm{e}}}(t)\left[ {r_{\rm{e}}^ - (t),r_{\rm{e}}^ + (t)} \right] + \\ &\quad\quad{P_{{\rm{coal}}}}(t)\left[ {r_{{\rm{coal}}}^ - (t),r_{{\rm{coal}}}^ + (t)} \right] + {P_{\rm{g}}}(t)\left[ {r_{\rm{g}}^ - (t),r_{\rm{g}}^ + (t)} \right]\big\} \end{split} $$ (9)

      4)折旧成本${C_{{\rm{dep}}}}$

      折旧成本主要体现能源设备磨损损失价值的体现,本文采取固定的折旧费率进行计算,第y年的折旧成本为

      $$C_{{\rm{dep}}}^y = \sum\limits_{i \in T} {{\beta _i}{r_i}{\lambda _i}} $$ (10)

      式中:${\beta _i}$为选型系数;$r_i$为设备$ i $的成本价格;${\lambda _i}$为设备$ i $的折旧费率。

    • 由1.1.1节可知,全寿命周期成本已经包含了碳排放成本,可由式(8)求得,碳排放成本和全寿命周期成本呈现的是一种非线性关系,本文统筹兼顾园区的经济性和环保性,将碳排放成本提升到与全寿命周期成本同等的地位。

    • 本文构建的园区型综合能源系统规划运行联合优化模型的约束条件包含规划类约束和运行类约束两大类约束条件。其中运行类约束条件又由功率运行约束、设备运行约束和供能网络运行约束组成。

      1)规划约束。

      园区内各种能源的生产应该保证满足园区各类负荷最大负荷时的需要,这也是规划期从能源设备库内初步筛选能源设备的主要约束条件。具体约束条件如下所示:

      $$\left\{ \begin{aligned} & {\sum\limits_{{T_{\rm{e}}} \subseteq T} {\sum\limits_{i \in {T_{\rm{e}}}} {{\beta _i}{W_{{\rm{rate}},i}} \geqslant L_{\rm{e}}^{\max }} } } \\ & {\sum\limits_{{T_{\rm{h}}} \subseteq T} {\sum\limits_{i \in {T_{\rm{h}}}} {{\beta _i}{W_{{\rm{rate}},i}} \geqslant L_{\rm{h}}^{\max }} } } \\ & {\sum\limits_{{T_{\rm{c}}} \subseteq T} {\sum\limits_{i \in {T_{\rm{c}}}} {{\beta _i}{W_{{\rm{rate}},i}} \geqslant L_{\rm{c}}^{\max }} } } \end{aligned} \right.$$ (11)

      式中:${T_{\rm{e}}}$为可以产电为园区电负荷供给的所有设备的集合;${T_{\rm{h}}}$为可以产热为园区热负荷供给的所有设备的集合;${T_{\rm{c}}}$为可以制冷为园区冷负荷供给的所有设备的集合;且${T_{\rm{e}}}$${T_{\rm{h}}}$${T_{\rm{c}}}$均为集合$T$的子集;${W_{{\rm{rate}},i}}$为设备$ i $在额定工作方式下产出相应能源的能量;$L_{\rm{e}}^{\max }$$L_{\rm{h}}^{\max }$$L_{\rm{c}}^{\max }$分别为电、热、冷最大需求负荷。

      利用区间数来描述冷热电负荷的波动,即$\left[ {{L_{\rm{e}}}} \right] = \left[ {L_{\rm{e}}^ + ,L_{\rm{e}}^ - } \right]$$\left[ {{L_{\rm{h}}}} \right] = \left[ {L_{\rm{h}}^ + ,L_{\rm{h}}^ - } \right]$$\left[ {{L_{\rm{c}}}} \right] = \left[ {L_{\rm{c}}^{\rm{ + }},L_{\rm{c}}^ - } \right]$可将式(11)改为

      $$\left\{ \begin{aligned} & {\sum\limits_{{T_{\rm{e}}} \subseteq T} {\sum\limits_{i \in {T_{\rm{e}}}} {{\beta _i}{W_{{\rm{rate}},i}} \geqslant L_{\rm{e}}^ + } } } \\ & {\sum\limits_{{T_{\rm{h}}} \subseteq T} {\sum\limits_{i \in {T_{\rm{h}}}} {{\beta _i}{W_{{\rm{rate}},i}} \geqslant L_{\rm{h}}^ + } } } \\ & {\sum\limits_{{T_{\rm{c}}} \subseteq T} {\sum\limits_{i \in {T_{\rm{c}}}} {{\beta _i}{W_{{\rm{rate}},i}} \geqslant L_{\rm{c}}^ + } } } \end{aligned} \right.$$ (12)

      2)运行约束。

      ①功率平衡约束。

      在任一时刻,系统内的电、热、冷的功率平衡约束如下:

      $$\left\{ \begin{aligned} & {\sum {{P_i}(t) = {L_{\rm{e}}}(t)} } \\ & {\sum {{H_i}(t) = {L_{\rm{h}}}(t)} } \\ & {\sum {{C_i}(t) = {L_{\rm{c}}}(t)} } \end{aligned} \right.$$ (13)

      式中:$ {P}_{i}\left(t\right) $$ t $时刻设备$ i $的电出力;$ {H}_{i}\left(t\right) $$ t $时刻设备$ i $的热出力;$ {C}_{i}\left(t\right) $$ t $时刻设备$ i $的冷出力;${L}_{{\rm{e}}}\left(t\right)$为园区$ t $时刻的电负荷;${L}_{{\rm{h}}}\left(t\right)$为园区$ t $时刻的热负荷;${L}_{{\rm{c}}}\left(t\right)$为园区$ t $时刻的冷负荷。

      同样地,用区间数来描述冷热电负荷的不确定性,可将式(13)改为

      $$\left\{ \begin{aligned} &{\sum {{P_i}(t) = \left[ {L_{\rm{e}}^ + ,L_{\rm{e}}^ - } \right]} } \\ & {\sum {{H_i}(t) = \left[ {L_{\rm{h}}^ + ,L_{\rm{h}}^ - } \right]} } \\ & {\sum {{C_i}(t) = \left[ {L_{\rm{c}}^{\rm{ + }},L_{\rm{c}}^ - } \right]} } \end{aligned} \right.$$ (14)

      ②设备运行约束。

      园区内每个设备都有其运行特性,出力存在上下限,设备运行约束如下:

      $$W_i^{\min } \leqslant {W_i}(t) \leqslant W_i^{\max }$$ (15)

      式中:${W_i}(t)$$ t $时刻设备$ i $的出力;$W_i^{\min }$为设备$ i $的出力下限;$W_i^{\max }$为设备$ i $的出力上限。

      ③供能网络运行约束。

      对于电能传输网络在运行过程中,计算各个电负荷节点消耗的电功率时,需要将循环水泵工作时消耗的电功率考虑进去,因此各节点的有功和无功约束方程为

      $$\left\{ \begin{aligned} & P_{{\rm{s}}i}^t - P_{{\rm{L}}i}^t - P_{{\rm{pc}}i}^t - P_{{\rm{ph}}i}^t = \\ & U_i^t\sum\limits_{j = 1}^{N_{\rm{e}}} {U_j^t[{G_{ij}}\cos (\delta _i^t - \delta _j^t) + {B_{ij}}\sin(\delta _i^t - \delta _j^t)]} \\ & Q_{{\rm{s}}i}^t - Q_{{\rm{L}}i}^t - Q_{{\rm{pc}}i}^t - Q_{{\rm{ph}}i}^t = \\ & U_i^t\sum\limits_{j = 1}^{N_{\rm{e}}} {U_j^t[{B_{ij}}\cos (\delta _i^t - \delta _j^t) - {G_{ij}}\sin(\delta _i^t - \delta _j^t)]} \end{aligned} \right.$$ (16)

      式中:$P_{{\rm{s}}i}^t$$Q_{{\rm{s}}i}^t$分别为$ t $时刻注入节点$ i $的有功功率和无功功率;$P_{{\rm{L}}i}^t$$Q_{{\rm{L}}i}^t$分别为负荷节点$ i $$ t $时刻的有功功率和无功功率(不考虑循环水泵);$P_{{\rm{pc}}i}^t$$Q_{{\rm{pc}}i}^t$分别表示冷网循环水泵消耗的有功功率和无功功率;$P_{{\rm{ph}}i}^t $$Q_{{\rm{ph}}i}^t $分别表示热网的循环水泵消耗的有功功率和无功功率;$U_i^t $$U_j^t $分别为t时刻节点i和节点j的电压;Ne为节点数目;GijBij为节点ij间的线路电导和电纳。

      供热/冷网络的运行约束包括供热/冷负荷节点的换热器/风机的负荷功率模型,供水管道的温度约束和流量约束以及循环水泵的工作特性约束。

      $$\left\{ \begin{aligned} &{P_{{\rm{h}}i}^{\rm{h}} = {c_{\rm{w}}}m_{{\rm{qh}}j}^{\rm{h}}({T_{{\rm{w}}j}} - {T_{{\rm{r}}j}})} \\ & {{T_{{\rm{op}}}} = ({T_{{\rm{ip}}}} - {T_{\rm{a}}}){{\rm{e}}^{ - \frac{{\lambda L}}{{{c_{\rm{w}}}{m_j}}}}} + {T_{\rm{a}}}} \\ &\;\;\; {\sum {{m_{{\rm{in}}}} = \sum {{m_{{\rm{out}}}}} } } \\ & {\sum {({m_{{\rm{in}}}}{T_{{\rm{in}}}}) = \sum {({m_{{\rm{out}}}}{T_{{\rm{out}}}})} } } \\ &\;\;\;\;\; {{P_{{\rm{ph}}j}} = \frac{{{m_j}g{H_{\rm{p}}}}}{{{\rho _{\rm{w}}}{\eta _{\rm{p}}}}}} \end{aligned} \right.$$ (17)

      式中:$P_{{\rm{h}}i}^{\rm{h}}$为换热器/风机的负荷功率;${c_{\rm{w}}}$为水的比热容;$m_{{\rm{qh}}j}^{\rm{h}}$为流过的热/冷水流量;${T_{{\rm{w}}j}}$${T_{{\rm{r}}j}}$分别为进水温度和回水温度;${T_{{\rm{op}}}}$为所处管道的出水温度;${T_{{\rm{ip}}}}$为所处管道的进水温度;${T_{\rm{a}}}$为所处环境的温度;$ L $为管道长度;${m_{{\rm{in}}}}$${m_{{\rm{out}}}}$分别为流入和流出节点的流体流量;${m_j}$为管道流量;$\lambda $为管道单位长度的传热系数;${T_{{\rm{in}}}}$${T_{{\rm{out}}}}$为流体混合前流入节点的各流体温度和混合后流出节点的流体温度;$P_{{\rm{ph}}j} $为循环水泵消耗的电功率;$g $为重力加速度;$H{\rm{_p}} $为水泵扬程;$\rho _{\rm{w}}$为水的密度;$ \eta_{\rm{p}} $为循环水泵的工作效率。

    • 求解算法采取两阶段分解算法,将包含不确定问题的模型转化成为确定性问题的子模型进行求解。区间线性规划模型一般形式为关键所在,首先构建标准化区间规划模型,其标准化过程见文献[11-12];然后将构建的模型分解为最优子模型和最劣子模型。

      1)求解最优子模型${f^ + }$

      $$\left\{ \begin{aligned} & {{{\max }}{f^ + } = \sum\limits_{j = 1}^{{k_1}} {c_j^ + x_j^ + + \sum\limits_{j = {k_1} + 1}^n {c_j^ + x_j^ - } } } \\ &{{\rm{s.t.}}\sum\limits_{j = 1}^{{k_1}} {{{\left| {a_{ij}^ \pm } \right|}^ - }{\rm{sgn}} (a_{ij}^ - )x_j^ + + \sum\limits_{j = {k_1} + 1}^n {{{\left| {a_{ij}^ \pm } \right|}^ + }{\rm{sgn}} (a_{ij}^ + )x_j^ - \leqslant b_{ij}^ + } } } \\ & {x_j^ \pm \geqslant 0,\;\;\forall j} \end{aligned} \right.$$ (18)

      式中:$x_j^ \pm ({j} = 1,2, \cdots ,{k_1})$是系数为正的区间变量;$x_j^ \pm ({j} = {k_1} + 1,{k_1} + 2, \cdots ,n)$是系数为负的区间变量;$C_j^+ $为目标函数中变量xj系数区间的上限值;$a_{ij}^{\pm} $为不等式约束中xj的系数区间值;$a_{ij}^+ $$a_{ij}^- $分别为$a_{ij}^{\pm}$的上限值和下限值;$b_{ij}^+ $为不等式约束中约束值bij的上限值。

      求解式(18)可得到对应解$x_{j,{\rm{opt}}}^ + ({j} = 1,2, \cdots ,{k_1})$,表示$x_j^ \pm ({j} = 1,2, \cdots ,{k_1})$的上限值;$x_{j,{\rm{opt}}}^ - ({j} = {k_1} + 1, {k_1} + 2, $$ \cdots ,n)$,表示$x_j^ \pm ({j} = {k_1} + 1,{k_1} + 2, \cdots ,n)$的下限值;最优子模型解为${f^ + }$

      2)求解最劣子模型$ {f}^{-} $

      $$\left\{ \begin{aligned} &{{{\max }}{f^ - } = \sum\limits_{j = 1}^{{k_1}} {c_j^ - x_j^ - + \sum\limits_{j = {k_1} + 1}^n {c_j^ - x_j^ + } } } \\ &{{\rm{s.t.}}\sum\limits_{j = 1}^{{k_1}} {{{\left| {a_{ij}^ \pm } \right|}^ + }{\rm{sgn}} (a_{ij}^ + )x_j^ - \!+\! \sum\limits_{j = {k_1} + 1}^n {{{\left| {a_{ij}^ \pm } \right|}^ - }{\rm{sgn}} (a_{ij}^ - )x_j^ + \leqslant b_{ij}^ - } } } \\ &{x_j^ \pm \geqslant 0,\;\;\forall j} \end{aligned} \right.$$ (19)

      式中$b_{ij}^- $为不等式约束中约束值bij的下限值。

      同理,求解式(19)可得到对应解$x_{j,{\rm{opt}}}^ - ({j} = 1,2, \cdots , $$ {k_1})$,表示$x_j^ \pm ({j} = 1,2, \cdots ,{k_1})$的下限值;$x_{j,{\rm{opt}}}^ + ({j} = {k_1} + 1, $$ {k_1} + 2, \cdots ,n)$,表示$x_j^ \pm ({j} = {k_1} + 1,{k_1} + 2, \cdots ,n)$的上限值;最劣子模型解为${f^ - }$

      最终对2个子模型的求解结果进行综合,求得模型的目标函数值$\left[ {{f_{{\rm{opt}}}}} \right] = \left[ {f_{{\rm{opt}}}^ - ,f_{{\rm{opt}}}^ + } \right]$,以及决策变量$\left[ {{x_{j{\rm{,opt}}}}} \right] = \left[ {x_{j,{\rm{opt}}}^ - ,x_{j,{\rm{opt}}}^ + } \right]$

      模型求解后,得到区间值年综合成本$[{C_{{\rm{overall}}}}] = $$ [C_{{\rm{overall}}}^ - ,C_{{\rm{overall}}}^ + ]$和年碳排放成本$[{C_{{\rm{oper,pc}}}}] = [C_{{\rm{oper,pc}}}^ - , $$ C_{{\rm{oper,pc}}}^ + ]$。以这2个区间值的均值表征园区的年均成本费用,并分别作为评价园区经济性和环保性的指标。

      综上所述,基于区间数的综合能源系统不确定性规划模型的具体流程如图1所示。

      图  1  基于区间数的综合能源系统不确定性规划模型

      Figure 1.  Uncertainty programming model of integrated energy system based on interval numbers

    • TOPSIS法是目前被应用最广泛的多目标决策方法之一。TOPSIS法根据有限个评价对象与理想目标的接近程度对方案进行排序,进而优选方案。TOPSIS法是一种逼近理想解的排序法,其中“正理想解”和“负理想解”是该方法的2个基本概念。所谓正理想解就是理想中的最优方案,该方案的各个指标均达到备选方案中的最优值;而负理想解即是最劣方案,该方案各属性均为最差。该方法的基本原理就是计算出备选方案中的正负理想解,然后通过评价各个方案距最优解和最劣解的距离进行评价[13-14]

      TOPSIS法的基本计算过程为先将原始数据矩阵统一指标类型(一般正向化处理)得到正向化的矩阵,再对正向化的矩阵进行标准化处理以消除各指标量纲的影响。得到标准化矩阵后,从中得到“正理想解”和“负理想解”。再对各方案与正理想解和负理想解间的距离进行计算,得到各评价对象与正理想解之间的相对接近程度,从而确定各方案的好坏程度。TOPSIS法不限制数据分布及样本含量,方便数据计算。

      采用TOPSIS 法对多目标综合评选具体流程如下:

      1)假设有n个投资方案,其中每个方案包含2个评价指标,进而可以形成多目标决策矩阵${{F}} = {({f_{ij}})_{n \times 2}}$

      $${{F}} = \left[ {\begin{array}{*{20}{c}} {\begin{array}{*{20}{c}} {{f_{11}}} \\ {{f_{21}}} \\ \vdots \end{array}}&{\begin{array}{*{20}{c}} {{f_{12}}} \\ {{f_{22}}} \\ \vdots \end{array}} \\ {{f_{n1}}}&{{f_{n2}}} \end{array}} \right]$$ (20)

      正向化处理决策矩阵,也就是让所有的指标都转化为极大型指标。反之对于极小型指标,指标越小越好,将其正向化处理的公式为

      $${\overline f _{ij}} = \mathop {\max }\limits_{1 \leqslant j \leqslant n} \left\{ {{f_{ij}}} \right\} - {f_{ij}}$$ (21)

      2)为了方便解决不同指标量纲之间的影响,标准化处理已经正向化的矩阵,形成标准化矩阵${{Z}} = {({z_{ij}})_{n \times 2}}$

      $${z_{ij}} = {f_{ij}}/\sqrt {\sum\limits_{i = 1}^n {f_{ij}^2} } $$ (22)

      3)求得正理想解$ {Z}^{+} $和负理想解$ {Z}^{-} $

      $$ \begin{array}{l} {Z^ + } = (Z_1^ + ,Z_2^ + ) = (\max\{ {z_{11}}, \cdots {z_{n1}}\} ,\max\{ {z_{12}}, \cdots {z_{n2}}\} )\\ {Z^ - } = (Z_1^ - ,Z_2^ - ) = (\min \{ {z_{11}}, \cdots {z_{n1}}\} ,\min\{ {z_{12}}, \cdots {z_{n2}}\} )\\ \end{array} $$ (23)

      4)计算各个方案到正、负理想解的欧式距离$ {L}^{+} $$ {L}^{-} $。方案i的欧式距离公式为

      $$ \left\{ \begin{aligned} &L_i^ + = \sqrt {\sum\limits_{j = 1}^m {{{(z_j^ + - {z_{ij}})}^2}} } \\ &L_i^ - = \sqrt {\sum\limits_{j = 1}^m {{{(z_j^ - - {z_{ij}})}^2}} } \end{aligned},\;\;\;i = 1,2, \cdots ,n\right. $$ (24)

      5)计算各个方案与理想点的贴近度S

      $${S_i} = L_i^ + /(L_i^ + + L_i^ - ),i = 1,2, \cdots ,n$$ (25)

      6)根据$ {S}_{i} $的值进行排序,${S_i} \in \left[ {0,1} \right]$$ {S}_{i} $值越小,代表该备选方案相对越差。

      综上所述,基于TOPSIS法的园区型综合能源系统投资决策的具体流程如图2所示。

      图  2  基于TOPSIS的园区型综合能源系统投资决策

      Figure 2.  Investment decision flowchart of integrated energy system based on TOPSIS

    • 本文算例选取某个园区型综合能源系统,具体结构见图3。该园区的供热网、供冷网均包括12各管道和13个节点;供电网络采用IEEE14节点算例,基准功率为100 MV·A,基准电压为23 kV,包括13条支路。为了保证供冷/热网络正常运行,在所有的冷/热源节点处和冷/热负荷节点处安装循环水泵。园区供冷网的冷源供水温度为6 ℃,冷负荷回水温度温度12 ℃。园区供热网的热源供水温度85 ℃,热负荷回水温度30 ℃。水泵扬程为最高30.6 m,水泵的效率为0.8。该系统供能网络的具体参数见附表A1A3

      图  3  园区型综合能源系统结构图

      Figure 3.  Structure of Integrated Energy System for industrial park

      本算例构建的候选设备库具体参数详见附表A4A10。为满足园区冷热电负荷需求,园区的运营商将从上述设备库中选择合适设备,通过园区内部各种能源耦合设备的转换及协调运行,实现对能源的梯级利用。

      表 A4  燃煤锅炉技术参数

      Table A4.  Technical parameters of coal-fired boiler

      额定热功率/kW热效率价格/万元维护成本/%年限/a
      2400.865.60.515
      3500.9256.90.515
      5600.7357.20.515

      表 A10  电制冷机组技术参数

      Table A10.  Technical parameters of electrical refrigeration units

      额定功率/kW制冷能效比价格/万元维护成本/%年限/a
      18.54.71.8220
      114.63.4411.6220
      40.83.194220

      为简化分析,对一年8760 h的冷热电需求场景进行聚类回归并,将一年分为夏季/冬季/过渡季节3个典型的季节,以典型日的运行情况来代表整个季节的运行情况以减少运行模拟的计算量。各典型日的具体划分情况如表1所示。该园区聚类归并后各典型日的负荷曲线详见附图A1

      表 1  典型日分类情况

      Table 1.  The classification of typical days

      典型日类型累计天数环境温度/℃
      夏季9332
      冬季1510
      过渡季12110

      该园区电价采取分时计价,峰时(08:00—10:00和18:00—22:00)、平时(07:00和11:00—17:00)、谷时(01:00—06:00和23:00—24:00)电价分别为0.9640、0.6785、0.4090元/(kW·h)。园区购置天然气的价格折合成单位热值单价为0.34元/kWh,购置煤炭价格折合成单位热值单价为0.11元/kWh。为了提高园区的环保性,考虑碳排放成本,碳税为0.3元/kg,天然气和煤炭的碳排放系数分别为0.4和0.9。考虑到规划年内不确定性的因素,将负荷的波动设置为−5%和+10%,能源价格的波动设置为±10%。

    • 首先,以算例中的设备库参数为基础,根据排列组合可知,不同设备不同类型互相组合形成不同的规划方案,总共有220=1048576种方案。根据公式(9),以满足园区最大负荷需求为硬性条件筛选出满足负荷需求的备选规划方案集Q,共包含8640种方案。因此该园区规划阶段设备选型的初步筛选率为$ \varepsilon =(8640/1048576)\times 100\%=0.82\% $

      然后,结合上述计算结果,根据不计及区间数的模型对备选规划方案集Q中每个方案Qi(i=1,2$,\cdots, $8640)进行运行优化计算。以年综合成本最小为优化目标,得到备选规划方案集Q中第3664种方案Q3664为联合优化的最优规划方案Qbest。最优规划方案Qbest设备选型的结果为Qbest=[1,1,1,1,1,0,1,0,1,1,1,1,0,0,0,1,0,1,1,1],即该园区具体的规划方案为:燃煤锅炉3台(240 kW/350 kW/560 kW)、燃气锅炉2台(350 kW/480 kW)、热电联产机组2台(250 kW/750 kW)、热泵机组3台(6 kW/20 kW/53 kW)、吸收式制冷机组1台(2910 kW)和电制冷机组3台(18.5 kW/114.6 kW/40.8 kW)。

      为了进一步对比分析园区型综合能源系统年成本费用的构成,本文除了选取联合优化得到的最优规划方案Qbest之外,还从备选规划方案集Q中选取年投资成本最小的方案Qinv和年运行成最小的方案Qoper进行联合对比分析,具体对比结果见表2

      通过表2中园区型综合能源系统3种不同规划方案的成本费用的对比分析,可以得到以下结论:1)园区型综合能源系统的年成本费用主要受到园区负荷和能源价格的影响;2)碳排放成本作为运行成本的主要组成,其数额的大小体现了该综合能源系统环境的友好程度;3)通过3个不同方案对比分析可知,成本费用最低的方案碳排放成本未必最低,碳排放成本最低的方案,其经济性不是最优。由此可见,能源价格和园区负荷是影响园区投资决策的两个因素。

      表 2  不同方案费用对比

      Table 2.  Costs comparison among different cases 万元

      方案设备年投资成本供能网络年投资成本设备维护成本供能网络维护成本能源购置费碳排放成本折旧成本年综合成本
      Qbest155.0136.3613.5861189.97244.889.57710.37
      Qinv138.3836.3612.6361221.67259.928.74738.7
      Qoper192.4636.3616.7761208.37197.8211.44724.22
    • 为进一步考虑到园区负荷和能源价格的波动对园区投资决策的影响,并兼顾综合能源系统投资的经济性和环保性,从技术优选求解得到的备选规划方案集Q中选取8个备选方案作为本节算例,其中包括3.2小节中提及的3个典型方案:QbestQinvQopr。园区内负荷的波动为−5%和+10%,能源价格的波动为±10%,根据公式(1)—(19),得到计及不确定性的园区型综合能源系统技术优选模型的区间优化形式。采用两阶段分解算法求解,得到各方案年成本费用和碳排放成本的最优值区间,具体结果见表3

      表 3  区间优化模型求解结果

      Table 3.  Results of the solving of interval optimization model 万元

      方案年综合成本碳排放成本
      最优值区间区间均值 最优值区间区间均值
      1(Qbest)[664.63,791.05]727.84[230.23,266.19]248.21
      2(Qinv)[688.62,822.79]755.71[239.08,287.05]263.07
      3(Qopr)[679.94,798.81]739.38[185.54,229.27]207.41
      4[693.04,826.08]752.56[227.65,269.64]248.65
      5[774.77,904.63]839.70[205.61,244.6]225.11
      6[706.06,829.65]767.86[257.69,305.67]281.68
      7[758.65,886.07]822.36[220.54,261.04]240.79
      8[742.36,868.88]805.62[254.04,299.61]276.83

      以年综合成本和碳排放成本的区间均值表征园区的年均成本费用,并分别作为评价园区经济性和环保性的指标。由于经济性和环保性指标均属于极小型指标,需要对这2类指标按照式(21)进行指标正向化处理。指标正向化后的投资方案评价表见表4

      表 4  指标正向化后的投资方案评价表

      Table 4.  Appraisal form of investment plan after indicators normalized

      方案经济性环保性
      1(Qbest)111.8633.47
      2(Qinv)84.0018.62
      3(Qopr)100.3374.28
      487.1433.04
      50.0056.58
      671.850.00
      717.3440.89
      834.084.86

      依照式(22)进行标准化处理后得到的标准化矩阵如表5

      根据式(23)得到正、负理想解分别为:${Z}^{+}= $$ \left({0.5342,0.4968}\right)$$ {Z}^{-}=\left({0.0000,0.0000}\right) $

      依据式(24)计算各个方案到正负理想解的距离$ {{L}_{i}}^{+} $$ {{L}_{i}}^{-} $,然后根据式(25)计算贴近度$ {S}_{i} $并对方案进行排序,具体结果见表6

      表 5  投资方案的标准化矩阵

      Table 5.  Standardized matrix of investment plan

      方案经济性环保性
      1(Qbest)0.53420.2939
      2(Qinv)0.40110.1635
      3(Qopr)0.47910.6522
      40.41610.2901
      50.00000.4968
      60.34310.0000
      70.08280.3590
      80.16270.0427

      表 6  投资方案的相对贴近度及排名

      Table 6.  Relative closeness and ranking of investment plan

      方案$ {{L}_{i}}^{+} $$ {{L}_{i}}^{-} $$ {S}_{i} $排名
      1(Qbest)0.35830.60970.62982
      2(Qinv)0.50650.43320.46105
      3(Qopr)0.05510.80920.93961
      40.38080.50730.57123
      50.55630.49680.47174
      60.67960.34310.33557
      70.53820.36840.40646
      80.71370.16820.19088

      由此可见,贴合度最高为方案3,此方案同时统筹了经济性和环保性,所以是最佳的投资方案。通过采用上述投资决策方法,不仅考虑了园区型综合能源系统的不确定性因素,还从众多备选方案中评选中最佳投资方案,给投资方提供更明确投资辅助。

    • 1)在进行园区型综合能源系统的投资决策过程中,追求经济性最佳的同时,对环保性的考量是十分必要的。经济性较优的方案,其环保性较差;环保性不错的方案,其成本费用可能略高。若单纯只考虑园区经济性或环保性去遴选方案均不太合理。统筹兼顾经济性和环保性才能更好地对园区型综合能源系统进行投资规划。

      2)本文所提的基于TOPSIS的园区型综合能源系统的投资决策方法将优选模型和方案评选结合起来,求解满足园区的投资规划方案的同时,进行方案间比选,操作简单,既兼顾了园区的经济性和环保性,又直观地展示了各个方案之间的相对差距,给投资方提供更明确投资辅助。

      (本刊附录请见网络版,印刷版略)

      表 A1  供热网络参数

      Table A1.  Parameters of heating network

      管道编号首节点末节点长度/m管径/m管道传热系数
      1h1h212000.120.4
      2h2h35000.120.4
      3h2h44000.120.4
      4h4h55000.120.4
      5h4h68000.120.4
      6h6h75000.120.4
      7h6h84000.120.4
      8h8h95000.120.4
      9h8h104000.120.4
      10h10h115000.120.4
      11h10h128000.120.4
      12h12h135000.120.4

      表 A2  供冷网络参数

      Table A2.  Parameters of cooling network

      管道编号首节点末节点长度/m管径/m管道传热系数
      1c1c26000.10.4
      2c2c33000.10.4
      3c2c44000.10.4
      4c4c53000.10.4
      5c4c68000.10.4
      6c6c73000.10.4
      7c6c84000.10.4
      8c8c93000.10.4
      9c8c104000.10.4
      10c10c113000.10.4
      11c10c128000.10.4
      12c12c133000.10.4

      表 A3  供电网络参数

      Table A3.  Parameters of power supply network

      支路编号起始节点末节点阻抗/pu感抗/pu
      1e1e20.0750.1
      2e1e30.110.11
      3e1e40.110.11
      4e2e50.090.18
      5e2e60.080.04
      6e5e70.040.11
      7e3e80.080.11
      8e8e90.080.11
      9e8e100.110.11
      10e3e110.110.12
      11e4e120.090.12
      12e4e130.080.11
      13e13e140.040.01

      表 A5  燃气锅炉技术参数

      Table A5.  Technical parameters of gas-fired boiler

      额定热功率/kW热效率价格/万元维护成本/%年限/a
      3500.9533.5120
      4800.9646120
      2300.98622120

      表 A6  热电联产机组技术参数

      Table A6.  Technical parameters of heat and power cogeneration units

      额定热功率/kW热效率电效率价格/万元维护成本/%年限/a
      2500.4910.382116.20.725
      750.5150.35534.80.725
      7500.4820.375348.70.725

      表 A7  热泵机组技术参数

      Table A7.  Technical parameters of heat pump unit

      额定功率/kW制热能效比价格/万元维护成本/%年限/a
      65.41.631.520
      203.451.520
      534.5121.520

      表 A8  电锅炉技术参数

      Table A8.  Technical parameters of electric boiler

      额定电功率/kW制热能效比价格/万元维护成本/%年限/a
      1000.83315.9115
      2400.9838.2115
      7000.986111.3115

      表 A9  吸收式制冷技术参数

      Table A9.  Technical Parameters of absorption refrigeration

      额定冷功率/kW制冷能效比价格/万元维护成本/%年限/a
      39101.2440220
      34001.3518.5220

      图  A1  典型日负荷曲线

      Figure A1.  Heating, cooling and electrical loads of typical days

参考文献 (14)

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