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摘要：区域综合能源系统既为多元能源耦合利用提供了平台，又使得用户多样化的能源需求成为可能，本文分别从能源环节、装置环节、配电网环节和用户环节提炼出具有普遍适应性的指标，准确地评估中国区域综合能源系统的发展水平，并为中国区域综合能源系统的发展提供相应建议。
关键词：区域综合能源系统；能源耦合；能量流动；综合评估
前言：作为能源互联网的重要组成部分和社会能源的主要承载形式，综合能源系统的核心是实现能源转换利用、协同优化、耦合互补，其规模可以划分为跨区域级、区域级及用户级３个层次。其中，区域综合能源系统是进行广域能源综合分析的基础，也是综合能源系统特性的具体体现。
1 RIES分析
区域综合能源系统（regional integrated energy system，RIES）是进行广域能源综合分析的基础，也是综合能源系统特性的具体体现。RIES的综合评估涉及其各个能源环节从规划建设到运行维护的各方面，对RIES进行评估利于及时发现系统中的不合理、薄弱环节，并对其改造建设、优化运行方式给出合理的指导意见。受限于中国RIES的建设进程和发展水平，现阶段对于RIES的评估工作无法深入到每个环节构建详尽的各项指标；为了解决目前存在的问题和评估缺陷，本文以配电系统为核心，耦合分布式能源、天然气、地热能、交通等多元能源系统，从能源环节、装置环节、配电网环节和用户环节提炼出具有普遍适应性的指标，进而对RIES展开综合评估。
2 构建综合评估指标
2.1 能源环节指标
能源环节的评估主要针对的是能源系统的整体生产性能，其重点集中于多元能源耦合互动、利用效率、环境因素等方面。因此，本文根据以上重点内容，有针对性地给出了能源环节的评估指标，能够实现能源环节全面合理的评估，主要评估指标包括了能源转换效率系数、可再生能源的渗透率、环境污染排放水平，以及能源系统经济性这几方面内容。
能源环节整体运行效率的高低是决定整个RIES的能源结构是否合理的重要依据之一，而能源转换效率系数（energy conversion efficiency coefficient，ECEC）是建立在能质系数概念和能源品位基础上产生的，能够将不同能源的品位联系起来，体现了在转换效率方面不同品位能源的贡献大小。不同能源的能质系数λ定义为不同能源可以转化成能量的部分与总能量的比值，反映了能源品位的高低，具体计算如下：
式中：W为可以转化为功的部分能量；Q为该能源的总能量，单位均为kJ。其中，电能是最高品位的能源，能够全部转化为功，故其能质系数为１，由此可以计算出其他形式的能质系数，并且在不同季节情况下，同种能源的能质系数不同。因此，在能质系数的基础上可以得到能源转换效率系数的表达式为：
式中：QH，QC，E分别为该能源系统的全年耗热量、耗冷量和热电联产机组的输出电量（单位GJ）；λH，λC，λe分别代表对应的能质系数；分母表示耗能情况，WHVACi为冷热电所消耗的第i种能源的总量（单位GJ）；λi为第i个能源的能质系数。从式中可以看出，在满足相同的电、热、气供应的前提下，IECEC的数值越大，该RIES的能耗越低，也间接反映了综合能源的利用效率，能够对该区域内整个能源系统的转换利用作出全面的评价。
2.2 装置环节指标
除了基本的配电一、二次装置以外，RIES的主要装置设备集中于能源环节，投资成本大且运维重要性高，具体可以分为３类：能源生产装置（风电机组、光伏组件、天然气设备、地热采集装置等）；能源转换装置（燃气轮机、热电联产机组、发电机组、空调等）；能源存储装置（电、热、气储能及综合储能等）。首先，设备利用率是能够体现出系统内该设备的工作状态和生产效率的指标，具有重要的评估意义。设备利用率是指一段时间内设备的实际工作时间与计划工作时间的比值，该数值的大小与投资效益直接相关，具体表达式为：
式中：ηe为该RIES的设备利用率；T０为单位计划工作时长；Tn为第n台设备在单位时间内的实际工作时长；N为区域系统内的能源环节设备数量。其次，在内部运行方式和工作时长，以及外部环境侵蚀和温差骤变的双重因素影响下，各类设备都会出现不同程度的磨损或故障情况，无论是对RIES的能源供给可靠性还是经济性来讲，装置故障率都是一个不容忽视的评估指标。由于涉及多个能源环节的多种设备，在数据获取和计算方面，采用在单位工作时间内设备的平均故障率能够简化评估流程并同时满足评估精度；再者，设备在规划建设、安装设计、运行维护、故障和更新等方面所涉及的成本费用相互制约，任何一方面的欠缺都会增加其他方面的成本，高故障率会加大运维更新成本，规划建设的不合理会带来过高的故障概率和维护费用，因此，需要将装置的投资运维成本纳入评估范畴，投资运维成本为RIES在一段时间内的投资成本和运维成本之和。最后，装置的使用寿命是在进行规划设计时必须要考虑的指标之一，装置的使用寿命年限间接反映了其装置的质量好坏和技术水平，在长时间的负荷承载及短时间的故障电流冲击前提下，高质量的装置具有更长的寿命年限，因此经济性更好。
2.3 配电网环节指标
配电网是连接能源系统和终端用户之间的桥梁，也是整个RIES的网架核心，在维持系统电压稳定、功率平衡，以及实现多种能源流的传输和分配等方面，发挥着重要的作用。配电网负载率水平是决定配电系统利用水平的一项重要指标，包含了配电变压器和线路两个方面。负载率水平是指平均负载容量和额定负载容量之比，既反映了配电系统承受大负荷运行的能力，又能够体现配电网设备是否得到最大利用。
由于技术水平限制和能源特性，配电网环节在传输能源时会存在一定的损耗。例如：线路、配电变压器等设备上存在着功率损耗，热能自身具有较好的传导性，在生产或传输过程中，容易与外界环境之间发生能量交换造成热损耗，其他形式的能源在系统中也会存在着一定的损耗，但是其最终损耗都是在转化为电和热以后产生的。尽管无法避免，但通过一定的协调手段和运行控制，可以尽可能地降低损耗，获得理想的经济效益。考虑到无功可以就近补偿及有功功率的重要性，可以只考虑单位时间内的有功损耗，其表达式为：
式中：ΔP为总有功功率损耗；ΔPL和ΔPV分别为传输线路和变压器等配电网设备的有功损耗；ΔQ为热能在传输中的能量损失。
2.4 用户环节指标
RIES的初衷就是为了面向用户提供更加优质高效、灵活可靠的能源服务，因此对用户环节评估有利于了解用户的用能情况，从中发现问题和不足之处。用户端能源质量主要包括了电能、热能及燃气等能源质量，电能质量主要通过电压波动、闪变和谐波质量等内容来衡量，而热能质量则主要是由热能的品位因子进行表述，燃气质量则可以通过燃气的燃烧值及烃类化合物成分来界定。用户端能源质量的高低直接决定了该能源是否能够被用户消费及用户的用能体验；由此而言，用户舒适度也是一项重要的评估指标，是用户参与能源互动的直接感受。在固定周期内通过发放用户调查问卷，或者通过用户手机端APP的方式进行意见采集，可以得到用户在此段时间内消费能源的满意程度及合理建议，并将数据反馈给后台中心，对于完善用户端用能建设具有重要的意义。随着中国区域能源系统的不断发展，用户侧在未来会变得更加智能化、便捷化。
结语
综合能源系统是能源互联网的具体实现形式，而RIES则是综合能源系统的具体体现，是实现能源结构优化、耦合高效利用的重要途径。本文主要以配电系统为核心，耦合分布式能源、天然气、地热能、交通等多元能源系统，从能源环节、装置环节、配电网环节、用户环节４个方面提取具有普遍适应性的指标，由此对RIES展开综合评估。未来会针对综合能源系统的实际发展进程和具体评估方法，不断细化完善评估指标体系，并考虑指标的波动性和不确定性等内容作进一步的研究。
参考文献：
[1]董朝阳，赵俊华，文福拴，等．从智能电网到能源互联网：基本概念与研究框架[J]．电力系统自动化，２０１４，３８（１５）：
[1]吴建中． 欧洲综合能源系统发展的驱动与现状[J]．电力系统自动化，２０１６，４０（５）
论文作者:麦宁杰
论文发表刊物:《电力设备》2018年第21期
论文发表时间:2018/12/6
标签：能源论文; 环节论文; 系统论文; 装置论文; 指标论文; 用户论文; 系数论文; 《电力设备》2018年第21期论文;