港口综合能源系统的AHP-模糊综合评价法

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　　摘要：为对港口综合能源发展水平进行评价，结合港口的特点，提出针对港口综合能源系统的评价指标，应用层次分析法（analytic hierarchy process， AHP）-模糊综合评价法进行评价。根据青岛港董家口港区的调研数据，应用本文的方法对该港口的综合能源系统进行评价，评价结果与其他同行的评价结果一致，验证了本文方法的有效性。
　　關键词： 综合能源系统; 层次分析法; 模糊综合评价法; 港口
　　中图分类号： U653.95; TK11    文献标志码： A
　　AHP-fuzzy comprehensive evaluation method of
　　port integrated energy system
　　HE Dachun1， HUANG Junhui2， LI Zhijie2， ZHU Lixun3， SONG Tianli4，
　　WANG Na2， SHEN Gaofeng2， SHI Jing2
　　（1. State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China;
　　2. Research Institute of Economics and Technology， State Grid Jiangsu Electric Power Co.， Ltd.， Nanjing 210000， China;
　　3. Logistics Engineering College， Shanghai Maritime University， Shanghai 201306， China;
　　4. School of Electrical Engineering， Southeast University， Nanjing 210096， China）
　　Abstract： In order to evaluate the development level of port integrated energy， the evaluation indexes of the port integrated energy system are proposed， where the port characteristics are considered. The analytic hierarchy process （AHP）-fuzzy comprehensive evaluation method is used to evaluate the port integrated energy system. According to the survey data of Dongjiakou Port of Qingdao Port， the integrated energy system of the port is evaluated by the method， and the evaluation results are consistent with those of other peers， which verifies the validity of this method.
　　Key words： integrated energy system; analytic hierarchy process （AHP）; fuzzy comprehensiveevaluation method; port
　　0 引 言
　　 随着我国经济的飞速发展，环境污染和能源短缺等问题变得日益严重。港口作为货物转运的重要枢纽，在经济发展中发挥着重要作用的同时，其高耗能、高污染特点也凸显出来。随着“一带一路”倡议的实施，港口发展进一步加速，其节能环保问题引起了社会各界人士的高度重视[1-2]。
　　近年来，融合了风能、太阳能和天然气等各种可再生和清洁能源的综合能源系统 （integrated energy system， IES）受到了能源领域的广泛关注。随着我国港口电力能源消耗比例的逐年攀升，为节约电能，提高港口周边的环境质量，港口企业也在努力开发适用于港口的港口综合能源系统（port integrated energy system， PIES）[3-7]。为经济科学地建设和利用PIES，需要建立一个有效的PIES评价方法。虽然IES的概念近几年才提出，但目前在IES的评价方法的研究上，国内外均有一些进展。文献[8]用互相独立的矩阵来评价冷热电联产系统的节能潜力，文献[9-12]对IES的运行进行了分析和研究，在整个系统的规划设计和能效评估方面取得了不少进展。文献[13]基于信息熵法构建了IES的评价方法。现阶段IES的评价方法研究主要是针对一个城市、城镇和地区的，关于PIES的评价方法研究还处于起步阶段。
　　本文根据PIES的特点，建立PIES评价指标体系，利用层次分析法（analytic hierarchy process， AHP）-模糊综合评价法对PIES的发展水平进行评估。
　　1 PIES
　　1.1 PIES简介
　　PIES指以港口的配电网为核心，综合冷热电三联供系统、新能源发电系统、港口岸电系统等供能和用能系统，并与储能技术相结合，联合“源-网-荷-储”同时运行，将前沿的能源综合管理系统、人工智能、大数据等技术应用于港口多元能源的生产、存储、转换、传输和使用，通过对整个系统的优化控制实现多元能源安全可靠地服务于整个港口的生产运行的系统。PIES是IES在港口应用上的具体实现，是港口多种能源实现协调发展、相互转换、互相补充的有效方法。 　　PIES的主要作用是将多元能源系统与港区内的电力系统相结合，采取智能调度手段，解决新能源发电系统发电的间歇性与负荷用电的连续性之间的矛盾。多元能源系统以不同形式接入配电网，实现不同能源之间的互利共赢，降低港区污染物的排放水平，提高港区各种能源的利用率，增强PIES的可靠性，为港口运行提供可靠优质的能源保障。
　　1.2 PIES组成
　　众所周知，在单一能源的使用中，会有大量的能量无法利用而被浪费掉，直接导致单一能源的利用率偏低。例如：传统的火力发电厂只能将25%～45%的化石燃料能量转化为电能，其他通过热能的形式被浪费掉;单纯的供热系统所产生的高温水蒸气仅用于供热，而浪费了水蒸气的大量动能。另外，由于缺乏储能设备，电力系统中无法消耗的电能也被浪费。如果开发一个系统在火力发电厂利用水蒸气发电的同时，将水蒸气的热能输送给需要热源的用户，同时在系统中增加储能设备来储存多余的电能，就可以使多种能源的优势互补，减少能源浪费。
　　PIES为实现上述系统提供了一个平台，尽可能利用新能源发电装置、热能、天然气等并实施科学管理，提高每种能源的利用率，从而减少燃烧化石燃料对港口环境的污染。通过优化控制PIES的运行方式，可以在保证系统稳定运行的前提下达到最大的经济效益。图1给出了PIES内部各种能源的生产、转换、分配和使用的过程。如图1所示，PIES由港口供能系统、港口能量转换装置、港口配电系统、能源存储装置和用能负荷等几部分组成。港口供能系统主要包括港口的电网、新能源发电系统、天然气和化石燃料供能系统等，负责港口能源的供应。配电网主要以电能为媒介对各种能源进行合理分配和传输。能源存储装置包括热、电和天然气的综合储能装置，起着稳定电网电压、提高电能质量和削峰填谷的作用。通过锅炉、燃气轮机、冷热联供机组等能源转换装置的优化合理运行，实现能源之间的相互转换和耦合。
　　 PIES可分为港口居民用电和港口工业用电两部分。在港口居民用电中，通过能源集线器传输的电网电能经过变压器传输220 V的电能供居民家的冰箱、热水器、空调等家用电器使用。空调工作散发的余热用于居民供热。微燃机同时用于供电与供热。制冷机回收利用供热产生的水蒸气，通过制冷系统对居民供冷。在港口工业用电中，通过能源集线器传输的电网电能经过变压器传输高压或低压电供港口机械、船用岸电、压缩机等使用。热电联产机组连接燃气系统、电力系统和港区供暖系统，可有效地提高能源利用率，减少能源损耗。燃气锅炉产生的热量通过换热器进行工业供热。储电和储热装置可以实现削峰填谷和抑制能量波动的作用。
　　2 构建综合评价指标
　　2.1 PIES的评价指标
　　PIES从规划建设到运行維护的各个方面都需要实施综合评价以发现PIES中不合理的部分，并对不合理的部分提出合理性建议，进而对系统进行优化改造。受我国现阶段PIES技术水平的限制， 无法充分考虑PIES的每个部分的每项细节指标。为对目前PIES的水平进行评价，本文以港口配电网为核心，结合港口新能源发电、天然气等多元能源系统，从港口的能效、经济性、环境友好性、可靠性、社会性等方面寻找出能体现港口特色和PIES发展水平的指标，然后利用这些指标对PIES进行综合评价。本文提出的评价指标体系见图2。
　　2.2 基于AHP-模糊综合评价法的PIES综合评价2.2.1 确定评价指标权重
　　鉴于每个指标对PIES发展水平的影响不同，先确定每级指标的权重。邀请了10位PIES建设领域的专家对指标进行打分，并利用如表1所示的Saaty标度法得到判断矩阵，从而计算出每级指标的权重[14-15]。
　　（1）建立判断矩阵。首先根据每级指标的数量n，建立一个矩阵A=（Aij）n×n， 然后根据表1中的要求分别比较两个指标的重要性并进行打分，计算出Aij。根据10位专家的打分计算平均值，得出最后的判断矩阵。Saaty标度的具体含义见表1。
　　 （2）确定评价指标的权重。根据式（1）可以得到每个指标的权重特征向量ω=（ω1， ω2，…， ωn）T：
　　ωi=nj=1Aij nnk=1 nj=1Akj， i=1，2，…，n
　　（1）
　　 （3）单层次一致性检验。对于指标数量n，根据Saaty给出的表2中的平均随机一致性指标IR值[16]，查找本文对应的IR值，然后根据式（2）和（3）求出一致性指标IC，最后由RC = IC/IR求出一致性比例RC。如果RC< 0.1，则认为该判断矩阵的一致性满足要求，否则让专家重新打分，重新检查判断矩阵的一致性，重复上面的步骤直至判断矩阵的一致性满足要求。λmax=ni=1（Aω）inωi， i=1，2，…，n
　　（2）
　　IC=λmax-nn-1
　　（3）
　　2.2.2 评价指标隶属度确定
　　由于一些评价指标具有模糊性，故引入隶属度矩阵减弱指标的模糊性。本文将指标的评价等级分为“优秀”“良好”“一般”“较差”等4个等级，表3列出了详细的评价标准。根据10位专家的打分计算每个指标的隶属度。
　　2.2.3 AHP-模糊综合评价
　　组织专家对本文提出的PIES评价指标进行打分，并对打分结果取平均值，进行归一化处理后，可以求出模糊矩阵R=（R1R2…R13）T=（rij）13×4
　　（4）并得到AHP-模糊综合评价模型B=ωR
　　（5）  PIES的评价等级由最大隶属度原则得出，并利用加权平均法计算出PIES的最终评价结果。
　　3 实例分析
　　青岛港董家口港区在新能源发电系统建设和智能电网建设方面进行了大量的投资，依托智能电网中的综合能源管理系统，利用港区内新能源发电系统、储能系统和天然气冷热电三联供系统等，开发智能微电网，从而实现新能源发电装置等发出的电可以在港区内合理应用，并且可以实现港区微电网与外电网的互动调配，为港口的运营提供环保的绿色电力，为中国新能源微电网项目的发展提供先行经验。另外，青岛港在2015年底已完成码头的9个泊位“油改电”项目，每个标准集装箱的能源消耗下降了39.7%。因此，本文以该港区为例，对本文提出的评价指标进行实地调研，然后根据调研数据，让10位专家对该PIES进行综合评价。 　　表4为通过10位专家打分，并且对专家打分求平均值后得到的各指标的判断矩阵。
　　 根据式（1）可计算出一级指标中每个指标的权重特征向量ω=（0.12，0.10，0.07，0.66， 0.05）T，根据式（2）和（3）得到λmax=5.151 6， IC=0.037 9，经查询表2可以得到该矩阵的一致性比例RC=0.033 8。由此可知，该判断矩阵的一致性指标小于0.1，满足一致性要求。
　　按照上述判断矩阵的计算方法，计算每个一级指标下各二级指标的权重，结果见表5。同时，基于对该港口实地调研所得到的相关数据，各位专家按照指标评价标准给出每个指标对应的评价等级，由所得到的统计结果得出表5所示的PIES模糊综合评价矩阵。
　　 根据表5中的数据可以得到一级指标模糊评价矩阵R为R=0.0240.7210.2550
　　0.0780.2780.4220.222
　　0.7750.1730.0520
　　00.7740.1900.036
　　0.9240.07600  根据式（5）可得到该PIES的评价结果为B=（0.111 1， 0.641 1， 0.207 1， 0.040 7）  假设4个评价等级优秀、良好、一般、较差的得分分别为100、80、60、40，即相应的评价矩阵为P=（100， 80， 60， 40）， 则可以得到该PIES的评级结果为Y=B×PΤ=76  由此可见，该PIES的评价结果为良好，处于行业中等偏上水平，可以满足国家的各项法律法规和行业标准，同时也有改进和提升的空间。评价结果与其他同行对该PIES的评价结果一致。
　　4 结 论
　　本文根据港口能源生产和负荷用能的特点，首先提出了对港口综合能源水平进行评价的指标。然后根据评价指标，提出了针对港口综合能源发展水平的AHP-模糊综合评价法。基于对青岛港董家口港区的实地调查数据，根据10位专家的评分结果，利用本文提出的评价方法对该港口综合能源系统（PIES）进行评价。该PIES的发展水平为良好，与其他同行对该PIES的评价结果一致。
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　　（编辑 赵勉）
　　收稿日期： 2019- 03- 14 修回日期： 2019- 05- 05
　　基金项目： 江苏省电力公司科技项目
　　作者简介： 何大春（1966—），男，江苏南京人，高级经济师，研究方向为企业战略研究与管理，（E-mail）dch@js.sgcc.com.cn
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