一种综合能源系统灵活性评价方法
技术领域
本发明涉及综合能源系统灵活性资源领域，尤其是涉及一种综合能源系统灵活性评价方法。
背景技术
在碳达峰、碳中和的“双碳”愿景，以及以新能源为主体的“新型电力系统”背景下，多能融合、协调互补和梯级利用的综合能源系统快速发展。由于不确定性可再生能源消纳比例的增加及负荷波动因素，综合能源系统面临着产-需不平衡及经济运行的挑战，系统的灵活性成为系统安全﹑可靠﹑经济运行的关键，因此，亟需对综合能源系统灵活性进行量化评价。
目前已有的灵活性评价指标，大多是针对电力系统灵活性建立，在电力系统当中已经有了一部分的深入思考，但对于综合能源系统灵活性评价指标的研究还在起步阶段，缺少能够准确反映综合能源系统灵活性资源评价情况的指标体系，实践中无法就系统实际状况做出指导。在综合能源系统综合评价指标研究方面，关于网侧系统运行优化与能效评估的研究较为成熟，但对于综合能源系统“源网荷储”一体化系统研究较少，而研究“源网荷储”一体化系统灵活性资源评价指标的更少，对于综合能源系统而言，灵活性资源不仅仅存在于供能侧，还存在于系统的供能、输能、用能及储能各个环节，需充分挖掘灵活性资源为系统提供更大的灵活性空间。现有灵活性指标体系的评价指标大多数为定性指标，设置定量指标的文献很少，为了使定性分析的结论具说服力，有必要对其进行量化，因此需要设置定量指标进行评价；单一的评价方法都具有各自的局限性，难以整体全面地反映对整个系统的综合评价，需要几种方法结合规避方法弊端，进行全面有效评价。
目前已有的关于灵活性评价指标的专利技术，大多是对电力系统灵活性指标的研究，而对于综合能源系统灵活性评价指标的专利技术较少，缺少能够准确反映综合能源系统中的灵活性资源评价情况的指标体系；部分研究综合能源系统灵活性评价指标的专利，侧重点是系统中的能源生产、运输、存储、利用等某一个环节，并没有系统性的研究灵活性评价指标，无法构建完整的系统灵活性评价指标体系。同时，现有涉及到指标体系评价方法的专利中，大多数单一方法构建指标体系的专利较多，而单一的评价方法都有各自的弊端。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种综合能源系统灵活性评价方法，在综合能源的灵活性评价中，包括局部级灵活性指标体系和系统级灵活性指标体系，其中局部灵活性指标体系是针对系统中的每种灵活性资源进行指标评价，系统级灵活性指标体系主要是对整个系统的灵活性进行综合指标评价。在本发明中，仅涉及系统级灵活性指标体系的构建及评价。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种综合能源系统灵活性评价方法，包括以下步骤：
1)构建综合能源系统灵活性指标评价体系的框架；
2)根据综合能源系统灵活性指标评价体系的框架，结合层次分析法与模糊评价法实现综合能源系统灵活性的定性与定量评价。
所述的步骤1)中，综合能源系统灵活性评价框架包括目标层、准则层和具体的指标层。
所述的目标层为综合能源系统灵活性评价指标，所述的准则层分别对应综合能源系统的源、网、荷、储四个环节，具体包括能源供应输出、高比例可再生能源消纳、能源网络互联、负荷需求、储能和系统灵活性能力共六个层面，其中，能源供应输出和高比例可再生能源消纳对应综合能源系统的源侧，能源网络互联对应综合能源系统的网侧，负荷需求对应综合能源系统的负荷侧，储能对应综合能源系统的储能侧，系统灵活性能力从系统层面进行灵活性量化评价。
所述的能源供应输出准则层具体指标包括系统惯性渗透率和快速频率响应/快速温度响应，系统惯性渗透率的表达式为：
所述的高比例可再生能源消纳准则层具体指标包括爬坡速率和最小负荷满足度，分别对应的表达式为：
所述的能源网络互联层具体指标包括能源互联及区域调度能力，能源互联及区域调度能力的表达式为：
所述的负荷需求层具体指标包括需求响应占比率和电动汽车有序充放电管理，分别对应的表达式为：
所述的储能层具体指标包括储能占比率，当储能设备作为源侧时，其表达式为：
当储能设备作为负荷侧时，其表达式为：
所述的系统灵活性能力层具体指标包括上调灵活性充裕度、下调灵活性充裕度、上调灵活性不足度和下调灵活性不足度，分别对应的表达式为：
所述的步骤2)具体为：
结合专家打分法和层次分析法确定综合能源系统灵活性评价指标的权重，采取多层次模糊综合评估模型对综合能源系统灵活性进行综合评价，确定评语集V＝{很小灵活，较小灵活，一般灵活，较大灵活，非常灵活}表示不同程度的灵活性，根据专家打分结果确定隶属度矩阵，进而实现结合定性评价与定量评价的综合能源系统灵活性评价，具体的评价标准为：
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明的目的是提供一种综合能源系统灵活性评价指标体系构建方法，以解决综合能源系统级灵活性的评价，实现综合能源系统中安全可靠﹑经济运行，本发明的特征和优点如下：
一、灵活性评价指标体系由电力系统拓展到综合能源系统。目前，对于灵活性的评价指标在电力系统当中已经有了一部分的深入思考，但对于综合能源系统灵活性评价指标的研究还在起步阶段，缺少能够准确反映综合能源系统灵活性评价情况的指标体系，实践中无法就实际状况做出指导。本发明立足于综合能源系统，构建综合能源系统灵活性评价指标。
二、本发明构建了综合能源系统级的评价指标体系，是从整个系统层面，考虑综合能源系统“源-网-荷-储”各侧所涉及到的灵活性进行评价，分别定义为能源供应输出、高比例可再生能源消纳﹑能源网络互联、负荷需求、储能这五个层面，来对应综合能源系统中“源网荷储”四个环节。同时对系统灵活性进行评估量化，给出系统灵活性能力准则层。因此，从六个不同层面依次设置具体的评价指标，对综合能源系统灵活性进行评价。
三、综合能源系统的灵活性是与经济性、可靠性、安全性密切相关。因此，在指标的构建中针对高比例可再生能源系统的经济运行，提出了最小负荷满足度指标，反映可再生能源出力与负荷之间匹配成本的变化。在考虑系统的可靠性中，以上/下调灵活性充裕度和上/下调灵活性不足度指标，体现了灵活性资源的充裕性。同时，针对系统的安全稳定运行，提出了系统惯性渗透率指标﹑爬坡速率指标。
四、本发明进一步对所构建的指标体系进行评价，采用层次分析法(AHP)与模糊评价法(FCE)相结合的评价方法。单一的评价方法都具有各自的局限性，难以整体全面地反映对整个系统的综合评价。由于在评价灵活性资源时进行量化的较为困难，先只能通过分界比较模糊的评语进行描述，本发明利用专家打分的方法，将评价结果统计处理得到指标权重，对指标进行定性趋势分析。但为了将定性分析的结论具说服力，更好的应用到实际，并对实际发展情况做出指导，有必要对其进行量化，因此结合模糊评价法(FCE)，将定性评价转化为定量评价。模糊综合评价(FCE)是把定性评价转化为定量评价的方法，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决。FCE计算的前提条件之一是确定各个评价指标的权，但对于复杂的问题，例如指标体系中评价指标很多并且相互之间存在影响关系，直接给出各个评价指标的权重比较困难，而这个问题正是层次分析法(AHP)所擅长的。在AHP中，通过对问题的分解，将复杂问题分解为多个子问题，并通过两两比较的形式给出决策数据，最终给出权重，这样就解决了FCE中复杂评价指标权重确定的问题。
附图说明
图1为综合能源系统灵活性评价指标体系的构建流程图。
图2为本发明的评价方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
本发明构建了综合能源系统灵活性评价指标体系框架，从综合能源整个系统出发，选出可以评价“源网荷储”不同环节灵活性的指标，指标体系框架具体包括目标层、准则层和具体的指标层，并进一步对所构建的指标体系，采用层次分析法(AHP)与模糊评价法(FCE)相结合的方法进行评价。采用层次分析法的基本原理，划分层次结构，针对各个指标对灵活性的影响程度进行打分，明确定性指标隶属度；为了将定性分析的结论具说服力，对其进行量化，在明确定性指标隶属度后，再采用模糊评价方法计算定量指标的隶属度，从而实现指标定性评价和定量评价的结合。
本发明提供一种综合能源系统灵活性评价方法，包括两部分内容，一是构建有别于现有指标体系的系统级灵活性指标体系，二是根据该指标体系进行评价，主要包括以下步骤：
1、构建综合能源系统级的灵活性综合评价指标体系框架，具体包括目标层(A)、准则层(B)以及具体的指标层(C)，如图1所示；
在系统级的灵活性综合评价指标体系框架中，将综合能源系统灵活性评价作为目标层(A)；
准则层(B)具体包括能源供应输出、高比例可再生能源消纳、能源网络互联、负荷需求、储能和系统灵活性能力六个层面，这六个层面与综合能源系统“源网荷储”四个环节相互对应。其中，能源供应输出与高比例可再生能源消纳两个准则层用来反映源侧的灵活性资源情况；能源网络互联是网侧的灵活性资源的准则层；负荷需求则是从负荷侧的准则层；储能准则层体现储侧灵活性资源情况；以上五个准则层面与综合能源系统“源网荷储”四个环节相互对应，而第六个准则层面系统灵活性能力则是从系统层面进行灵活性量化评价，体现“源网荷储”一体化综合能源系统的灵活性。
具体的指标层(C)介绍如下：
1)能源供应输出准则层具体指标包括两个，一是系统惯性渗透率，二是快速频率响应/快速温度响应；
①系统惯性渗透率是指综合能源系统中能源供应侧电惯性、热惯性等因素结合后系统的综合惯性的能力，系统对突然产生的变化所具有的弹性，用于减缓系统能源供需的即时不平衡，反映系统灵活性和稳定性的指标。在电力系统研究中，惯性渗透率涉及较多，而惯性并不只存在电力系统中，热力系统也同样具有惯性的特点，因此，本发明将系统惯性渗透率指标进行拓展，使其不仅仅局限于电力系统，具体公式如下：
②快速频率响应/快速温度响应，在电力系统中快速频率响应是降低频率变化对电能质量的影响，在热力系统中快速温度响应是降低热力系统中热力质量的波动，提高能源系统利用效率，该指标反映综合能源系统的电/热(冷)质量调整快速响应能力。
2)高比例可再生能源消纳准则层具体指标包括两个，一是爬坡速率，二是最小负荷满足度，在保障能源供应、推进能源绿色低碳发展、实现碳达峰碳中和的战略目标下，促进可再生能源高比例、高质量、低成本、市场化发展成为综合能源系统发展的重点。在实现可再生能源消纳水平的提升时，为保障综合能源系统的稳定运行，需要增强综合系统灵活调节能力，因此，指标体系中设置高比例可再生能源消纳指标。
①爬坡速率是指系统的升、降负荷能力，是系统正常运行的一个重要参数。在高比例可再生能源的渗透时，电厂/热电厂、热电联产等机组需要以更快的速度持续调整其电/热/冷等形式的输出(称为负荷跟随)，保障综合能源系统的安全运行，反映灵活调节电源的比重的指标，具体公式如下：
②最小负荷满足度，是系统最小净负荷与系统供能总量的比率，为了解决可再生能源出力与负荷的不相关性所产生的成本，在系统高比例可再生能源消纳时，降低系统运行成本。该指标结合经济成本的计算，将为系统优化运行的经济性提供指导，具体公式如下：
3)能源网络互联层具体指标包括能源互联及区域调度能力，该指标是指同一区域或不同区域之间能源网络的相互连接与调度，从而不仅能实现各自区域内的电热等能源平衡，还能实现不同区域间的电热等能源互补，不同系统的互联性不仅允许系统在更大的地理区域共享灵活性，降低系统成本，而且使得原本独立的区域可以同时调用其他区域的供能侧和用能侧，增加供能侧与用能侧的多样性。该指标反映能源供需系统多能互联互通互补互换的灵活性。在能源互联网发展的大背景下，该指标的提出具有重要的现实意义，具体公式如下：
4)负荷需求层具体指标包括两个，一是需求响应占比率，二是电动汽车有序充放电管理。负荷侧指标的提出不仅考虑当下人为因素引导的需求响应的变化，还提及了电动汽车的概念，电动汽车可作为灵活性资源，其对于能源系统的灵活调节作用逐渐凸显，因此提出电动汽车有序充放电管理这一指标，迎合当前电动汽车热潮需求。
①需求响应占比率是指系统需求响应能力与用能能力的比值，综合能源需求侧响应是通过价格机制或激励措施引导终端用户调整其用能习惯或转换能量来源，实现负荷转移/削减与用能替代，使整个系统运行更加高效，该指标反映系统用户参与需求响应的可调能力，具体公式如下：
②电动汽车有序充放电管理是指在满足电动汽车充放电需求的前提下，运用经济手段及技术措施引导、控制电动汽车进行有序充放电，电动汽车在充电时可作为负荷侧灵活性资源，实现负荷转移/削减，参与调节电网负荷的峰谷差，电动汽车在放电时可作为电源侧灵活性资源，作为电力系统旋备的有效补充，参与电网的频率调节，提高电网运行的稳定性，具体公式度量如下：
需要注意的是：目前由于技术原因暂不考虑电动汽车参与系统供能能力的灵活性调节，但随着V2G等技术的日益成熟，电动汽车对于能源系统的灵活调节作用将逐渐凸显。
5)储能层具体指标包括储能占比率，该指标是指不同储能形式所能提供的容量空间占比。储能技术本身既可以在负荷低谷时存储系统过剩的能源，又可以在高峰时向系统提供可观数量的能源，储能设备作为负荷侧时，可补偿负荷波动，提高系统运行稳定性，反映系统作为负荷侧储能的能力，具体公式如下(7)式所示，储能设备作为源侧时，可平滑可再生能源输出波动，提供系统可用能源容量，提高可用能源质量，具体公式如下(8)式所示：
6)系统灵活性能力层具体指标包括四个：上调灵活性充裕度、下调灵活性充裕度、上调灵活性不足度和下调灵活性不足度。
在一定时间尺度下对综合能源系统整体运行的灵活性进行评估量化时，考虑到灵活性资源短缺经常出现“短时大量”的情况。在灵活性充裕时间和灵活性不足时间指标的基础上提出上/下调灵活性充裕度、上/下调灵活性不足度对源网储荷一体化系统整体灵活性评价，具体指标公式如下：
具体评价指标如表1所示：
表1评价指标表
2、本发明进一步对所构建的指标体系进行评价，采用层次分析法与模糊评价法相结合的方法，利用专家打分法和层次分析法相结合的方式来确定综合能源系统灵活性评价指标的权重，为了使定性分析的结论具说服力，有必要对其进行量化。因此在明确定性指标权重后，采取多层次模糊综合评估模型对综合能源系统灵活性进行综合评价，并确定评语集V，本发明将评语分为5个等级，具体为V＝{很小灵活，较小灵活，一般灵活，较大灵活，非常灵活}来表示不同程度的灵活性，设计相应的问卷调查，邀请综合能源系统灵活性评价相关领域的专家对各个指标进行打分，确定隶属度矩阵，从而实现指标定性评价与定量评价结合。
实施例
本发明提出的用于综合能源系统灵活性指标体系的评价方法，其流程如图2所示，下面结合一层指标的评价流程及附图对具体的实施方式进一步的详细说明。本例以包括系统惯性渗透率和快速频率响应/快速温度响应两个指标的能源供应输出这一准则层为例，进行模糊层次分析法评价。
(1)根据专家打分情况，构造B1-C1i判断矩阵B1，以及各个子指标权重确定，如表2所示：
表2判断矩阵与子指标权重
一致性检验：当判断矩阵具有完全的一致性时，当且仅当判断矩阵的一致性检验通过时，否则应重新调整判断矩阵，最终通过检验。
(2)在综合能源系统灵活性评价指标隶属度评判之前，需确定评语集V，即评价者对于评价对象作出的评判的集合，继而进行一级模糊评判及二级模糊评判，最后对评价结果进行分析。本发明将评语分为5个等级，分别为{很小灵活，较小灵活，一般灵活，较大灵活，非常灵活}，设计相应的问卷调查，邀请综合能源系统灵活性评价相关领域的专家对各个指标进行打分，得到能源供应输出这一层的模糊评价2×5阶矩阵R1，如表3所示。
表3模糊评价矩阵R1
选用加权平均型算子进行模糊运算，求得综合评价向量Vi＝{很小灵活v1，较小灵活v2，一般灵活v3，较大灵活v4，非常灵活v5}，其中，vi是权重值。
同理，根据构建的指标体系对各个层次的指标进行评价，篇幅有限，此处不予详细展开，最终得出评价指标的评价标准如表4所示：
表4指标评价标准
