高铁站综合能源能效评价方法构建*

刘 虎，郑红娟，孙季泽

（1.国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106；2.国电南瑞南京控制系统有限公司，南京 211106）

0 引言

高铁站作为高速铁路综合客运的枢纽的大型交通楼宇，内部供能系统涵盖冷、热、电多种能量耦合，用能系统包括两类充电桩，已成为应用综合能源系统的代表性场景之一。通过综合能源需求响应调度，打破高铁站内各个能源子系统的壁垒，实现多种类能源的优势互补、阶梯利用，满足站内用户侧的多种负荷需求，提高整体能源利用效率，增强站内供能网络的经济性与可靠性，也是当前研究的热点。

高铁站综合能源能效评价是实现高铁站运营节能的关键步骤，当前高铁站综合能源运行仍存在浪费现象［1-2］，需要科学合理的优化控制算法。文献［3］提出一种通过价格机制促进分布式可再生能源消费的方案，可促进可再生能源的消纳与共享；文献［4］采用熵权法定量计算各项指标的权重，建立机器学习的模型，将大数据按照得分进行聚类分析，得到相应特征；文献［5］从经济、能源、环境、社会和工程5 个角度建立了智能电网创新示范区能源互联网评价指标体系；文献［6］从不同维度对综合能源系统进行指标体系构建，并在AHP-熵权法基础上给出组合权重计算方法，提出区域级综合能源系统能效评估方法。

随着国家对能源结构优化力度的加强，有效评估综合能源系统的能效水平十分重要。文献［7］为了辨识不同运行场景下城市综合能源系统能源利用效率的薄弱环节，提出了一种基于数据包络分析法的城市综合能源系统分环节能效评价方法，该评价方法能够有效比较不同用能需求、不同运行方式的城市综合能源系统相对能效情况，确定不同运行场景下的系统重点提升能效环节。虽然对综合能源的能效评估研究不少，但对高铁站综合能源能效评价模型的构建方法并不深入，在优化算法基础上建立高铁站综合能源能效评估方法值得研究。

针对上述问题，本文结合基于综合模糊理论的能源评价方法［8］，从综合能源评价系统内影响能效水平的关键因素入手，建立了高铁站综合能源优化运行能效评价模型；通过在高铁站中设置3 个场景并进行分析计算，验证所提模型评价指标和方法的合理性，为实现高铁站经济性、清洁化运行发挥作用。

1 高铁站综合能源系统概述

从综合能源协调优化入手［9］，建立高铁站综合模糊评价模型，能有效提高高铁站能源利用效率，加强能源安全使用。

高铁站内部空间结构与自身负荷特性不同于一般工业园区。在国家大力发展绿色环保低碳经济的时代背景下，将冷热电联供型微电网引入高铁站，不仅可以为站内用户提供冷热电多种负荷需求［10］，使得高铁站供电、制冷、制热的问题得到有效解决，还能够提高站内供电可靠性，保障高速铁路的安全稳定运行。高铁站冷热电联供型微电网主要供电装置有：风电、光伏能源以及天然气等一次能源，由能量枢纽整合，然后通过能量枢纽中的热电联产机组、燃气锅炉、电转气设备以及电锅炉等能源转化设备对能量形式进行转化，最后以电、热、气等能量形式通过输出侧输出满足用户负荷需求，能量枢纽一般由能源传输、转化和存储3 个基本环节组成。综上所述，高铁站综合能源系统整体架构如图1 所示。

2 高铁站综合能源能效评价体系

高铁站综合能源能效评价体系应本着反映高铁站里电网公司、用电区域以及用户间的能源运行水平，选择科学的、规范的、实用的、有导向型以及稳定的指标来建立。本文高铁站综合能源能效评价体系分别从能源物理效率、能效经济效率、能源生态效率和供用能可靠性4 个方面的一级指标展开，包括单位建筑面积能耗、人均能耗、用户用能成本变化、人均污染物排减量、系统供电充裕度等16 个指标［11］，具体指标如下。

2.1 能源物理效率

（1）综合能效［12］

综合能耗按式（1）计算：

式中：U为综合能耗；n 为消耗的能源品种数；ei为系统中第i种子系统的能源消耗量；βi为第i 种能源的折算系数，按能量的当量值或能源等价值折算。

（2）单位建筑面积能耗

单位建筑面积能耗按式（2）计算：

式中：UB为单位建筑面积能耗，kgce／ m2；SB为建筑面积，m2。

（3）人均能耗

人均能耗按式（3）计算：

式中：UN为人均能耗，kgce／人；N为用能人数。

（4）单位产品能耗

单位产品能耗按式（4）计算：

2.2 能效经济效率

（1）单位产值能耗

单位产值能耗计算公式如（5）所示：

式中：U 为综合能耗，kgce；UG为单位产值综合能耗，kgce／万元；G为统计报告期内产出的总产值或增加值，万元。

（2）用户用能成本变化

用户在参与综合能源系统时，在初期改建和后期运行过程中都会产生不同的成本，导致整体用能成本变化，为体现综合能源系统在成本投入上的变化，便于用户直观看出综合能源系统的成本形势，本节引入用能成本变化指标，综合反映成本的变化。具体如式（6）所示：

式中：CE，uc为用能成本变化，元；CE，now为现有用能成本，元；CE，original为原有用能成本，元。

现有用能成本是指综合能源系统改造后用户正常环境和工况下的用能成本；原有用能成本是指用户在没有进行综合能源改造的情况下的正常运行成本，在此不考虑用户的前期沉没成本的影响。可在项目设计阶段对比多方案的用能成本变化，选出最经济适用的综合能源系统改造方案［13］。

用能成本变化指标能直观地反映出用户在系统改造前后的投入成本变化，辅助用户做出正确的投资决策。

（3）用户用能收益变化

用户在参与综合能源系统时，在后期运行过程中会产生不同的收益。为体现综合能源系统在收益上的变化，便于用户直观看出综合能源系统的收益形势，引入用能收益变化指标，综合反映收益的变化。具体如式（7）所示：

式中：FE，uc为用能收益变化，元；FE，now为现有用能收益，元；FE，original为原有用能收益，元。

现有用能收益是指综合能源系统改造后用户正常环境和工况下的用能收益；原有用能收益是指用户在没有进行综合能源改造的情况下的正常收益。可在项目设计阶段对比多方案的用能收益变化，选出最经济适用的综合能源系统改造方案。

用能收益变化指标能直观的反映出用户在系统改造前后的收益变化，辅助用户做出正确的投资决策。

（4）可挖掘潜能效益

可挖掘潜能效益指标表征在统计周期内，用户未利用的能源所具有的潜在价值，如式（8）所示：

式中：CQ为可挖掘潜能效益，元；CQ，RG为可再生能源弃能损失，元；CQ，g为可挖掘余气效益，元；CQ，h为可挖掘余热效益，元；CQ，c为可挖掘余冷效益，元；CQ，pa为可挖掘余压效益，元。

可挖掘潜能效益指标越大，说明用户在统计周期内浪费的能源越多，但优化、发展的空间也越大。

2.3 能源生态效率

（1）单位建筑面积污染物排减量

单位建筑面积污染物减排量／排放量按式（9）计算：

式中：i为污染物种类，主要是二氧化硫、氮氧化物、烟尘、二氧化碳；为第i种污染物单位建筑面积减排量，kg／m2；Vi为第i种污染物减排量或者排放量，kg。

统计周期内，单位建筑面积污染物排放量同上。

（2）人均污染物排减量

人均污染物减排量／排放量按式（10）计算：

统计周期内，人均污染物排放量同上。

（3）单位产值污染物排减量

单位产值污染物减排量／排放量按式（11）计算：

统计周期内，单位产值污染物排放量同上。

（4）节约标煤量

统计周期内，系统中节约的电量所对应的标煤量按式（12）计算：

式中：Bsave为节约的标煤量，t；βcoal为煤等效电法换算系数，309 g／kW·h；Qjsave为用户节约电量分量，kW·h。

2.4 供用能可靠性

（1）供能可靠率

系统在统计期内有效提供能源时间小时数与统计期内小时数的比值，按式（13）计算：

式中：Tjstop为统计期内第j种能量的停能时间，h；Tj为统计期内第j种能量的统计供应时间，h；j 为供应能量种类，上限为2，按顺序分别为电、气。

（2）系统脆弱率

综合能源系统中重要度最大的设备重要度值，按式（14）计算：

式中：V为系统脆弱性；Ii为设备i的重要度。

（3）系统停能频率

统计期内系统平均停能的次数按式（15）计算：

式中：nstop为系统停能次数；nall为统计期内统计次数。

（4）系统供电充裕度

系统供电充裕度按式（16）计算：

3 高铁站综合能源能效评价方法

综合模糊分析法原理即为将模糊理论运用到层次分析法中，集模糊数学、层次架构、权重比较于一体，其常用于领域相关等级评价当中［14-16］。对高铁站综合能源运行进行研究，综合考虑多个方面来进行对能效评价进行分析，将其划分为n 个评价论域，结合综合模糊评价方法，对高铁站综合能源能效进行评估，图2 所示为综合能源能效评价体系。

图2 高铁站综合能源能效评价体系

该评估模型一次因素分为4 个评价论域，集合如（17）所示：

式中：U1为能源物理效率；U2为能源经济效率；U3为能源生态效率；U4为供用能可靠性。

每一个评价论语可进一步划分为子集，图2 中综合评价集中各评价因素的二级子因素集合如式（18）所示：

建立评价对象的评价等级，每一个因素对应一个评价等级集合，评价集合如式（19）所示：

共有k个评价等级，vk表示第k个评价等级。文中，v1，v2，v3，v4，v5五个等级分别为优秀、良好、中等、及格和差。

每个评价因素的影响程度不同，因此对应不同的权重系数，对各评价因素的权重进行分配，其中各因素权重参考图2 评价系统中二级子因素分布情形选取，并建立系数矩阵，如式（20）所示：

式（20）中，Wi是Ui上的一个模糊子集，满足条件式（21）：

第i个指标Ui的评价矩阵为Ri，如式（22）所示：

采用专家打分法进行评估，共有4 个评价矩阵R1、R2、R3、R4，计算综合评价矩阵如式（23）所示：

n个因素的综合评价决策矩阵如（24）所示：

专家打分法给出的指标评价矩阵以及综合目标评价决策矩阵如式（25）所示：

上式为U到V的综合模糊评价关系。如果U中的各因数子集的权数分配为W，则可得综合评价结果为式（26）：

最终得到高铁站综合能源运行能效模糊评分集合S，如式（27）所示：

其中S为综合模糊评分结果，同时也是所有评价指标的综合评价结果。该评价方法为两层评价模型，更加全面地对运维服务总体情况进行评价，也避免了各个因素相互交叉的影响。

具体能力评分表如表1 所示。

表1 能力评分表

根据以上提出的综合模糊评价方法能够对高铁站综合能源运行能效进行有效评估，可根据评估结果针对性的修改完善。

4 算例分析

场景1：电、热负荷需求响应下多能优化控制场景。在该场景下，高铁站考虑风电、光伏出力，同时考虑电、热负荷需求响应。

场景2：高铁站系统中不包含风电、光伏出力，考虑电、热负荷需求响应。

场景3：高铁站系统中不包含风电、光伏出力，不考虑电、热负荷需求响应。

现以某高铁站为例进行分析，在综合能源运行一段时间后给出各子因素专家打分表，如表2 所示。根据表2 专家打分表中各因素评价分数以及上节中的公式。制定并建立各场景权重矩阵和综合目标评价决策矩阵，如表3 所示。通过综合模糊评价模型进行评估，得出高铁站综合能源运行在各个场景下效果。

表2 各子因素专家经验打分表

表3 场景1 综合模糊评价评价表

由表3 中的数据可以得到场景1 的评价矩阵R1、R2、R3、R4，具体如式（28）～（31）所示：

由表3 及式（23）～（25）以及（28）～（31）计算综合目标评价决策矩阵，如式（32）所示：

由表3 及式（26）、（32）求解场景1 风险因素综合评估结果C1，如式（33）所示：

图3 通过饼状图更加直观地展示场景1 风险因素综合评估结果C1各个比例的分布。

图3 场景1风险因素综合评估结果

图4 场景2风险因素综合评估结果

图5 场景3风险因素综合评估结果

由表3 及式（27）计算场景1 综合能源运行能效模糊得分S1为：

同样地，根据以上相同的步骤分别对场景2 和场景3 进行评价计算，得到风险因素综合评估结果C 和相对应的风险因素综合评估结果图，以及综合能源运行能效模糊评分集合S。

式（35）和（36）为场景2 风险综合评估结果C2与风险评估总得分S2：

图4 所示为场景2 风险因素综合评估结果。

式（37）和（38）为场景3 风险综合评估结果C3与风险评估总得分S3：

图5 所示为场景3 风险因素综合评估结果。

图6 所示为不同场景风险因素评估结果对比，通过观察，场景1 优秀占比最高，场景2 次之，场景3 最低；总体来说，场景1 的优秀与良好占比最高，场景3 占比最低；而在场景3 在及格和差的占比最高，场景1 占比最低。

上文中根据式（27）计算得到了各场景下高铁站综合能源运行能效模糊评分集合S，其得分及评价如表4所示。为了更好地进行对比，图7 所示为不同场景综合能源运行评分。由图可知，超过90 分的只有场景1 的能源生态效率指标以及供能可靠性指标，超过85 分的指标场景1 和场景2 都有3 个，场景3 有2 个；场景1 得分较高，场景2 得分分布较为均匀，场景3 得分偏低；但总体来说，得分都在80 分以上，即评分都为良好以上。

图7 不同场景综合能源运行能效评分

表4 各场景下高铁站综合能源运行能效评分表

5 结束语

本文面向高铁站综合能源能效评价展开研究，从综合能源系统内影响能效水平的关键因素入手，建立了综合能源评价体系。本文提出了一种高铁站综合能源能效评价模型，将模糊理论运用到层次分析法中，综合考虑了能源物理效率、能源经济效率、能源生态效率以及供能可靠性多个方面来进行对能效评价进行分析，对综合能源优化运行能效全面的进行评估；在高铁站中设置3个不同场景进行对比分析。结果表明，电、热负荷需求响应下多能优化控制场景下，高铁站兼顾考虑风光出力和综合需求响应的优化结果较优，该评价结果可以为后续进一步改善高铁站综合能源能效体系提供参考，对促进高铁站综合能源运行起到重要作用。