計及多指標間相互影響的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃評價方法

李志鵬，王建喜，周洪偉，宗炫君，孫永輝，熊俊杰

(1. 河海大學能源與電氣學院，南京市 210098；2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，南京市 210008)

0 引 言

綜合能源系統(tǒng)可以實現(xiàn)多能流互補和能源的梯級利用，是近年來實現(xiàn)能源供應形式改革的關(guān)鍵一步[1-2]。其中，園區(qū)級綜合能源系統(tǒng)(park-level integrated energy system, PIES)由于其面向用能園區(qū)、規(guī)模相對較小、便于工程規(guī)劃等優(yōu)點，不僅在理論研究中涉及較多，國內(nèi)外也已有一些落地的且在運行的應用試點[3-4]。目前在對園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃建設當中，通常還是由多個設計單位同時提出不同的規(guī)劃方案，如何從這多個規(guī)劃設計方案當中做出最終決策是園區(qū)運營商必須要解決的問題。

為了對綜合能源系統(tǒng)在經(jīng)濟、社會、環(huán)境等方面的效益做出合理評價，從而進一步指導其生產(chǎn)活動，有必要建立起完善而適用的綜合能源系統(tǒng)效益評估體系，尋找準確而客觀的綜合評價方法[5]。文獻[6]考慮能源品位的差異、多能間的互補以及可再生能源的利用,但對能量品位的連續(xù)變化缺乏考慮。文獻[7]統(tǒng)籌考慮用戶需求和市場價格的不確定性，采用基于蒙特卡洛模擬的方法來測算含熱電聯(lián)產(chǎn)、蓄熱裝置和需求響應資源的綜合能源系統(tǒng)的凈現(xiàn)值期望，以評價不同投資方案下所能夠取得的收益。在對工業(yè)園區(qū)內(nèi)部組成成分的分析中，通?；谀芰糠治龇椒▽ζ溥M行評價，如文獻[8]建立了綜合能效指標，并對綜合能源系統(tǒng)的能源利用情況做出評價。文獻[9]通過對電-氣互聯(lián)系統(tǒng)中最嚴重的N-1故障后果建模，提出了一種對系統(tǒng)各時段停運所產(chǎn)生風險進行評估的方法。文獻[10]針對典型電-氣耦合綜合能源系統(tǒng)，提出了一種基于大規(guī)模新能源并網(wǎng)的電-氣耦合綜合能源系統(tǒng)穩(wěn)定性評估方法。

上述文獻均是從單一指標出發(fā)對綜合能源系統(tǒng)建立評價體系，評價結(jié)果不能全面地反映系統(tǒng)規(guī)劃水平或運行狀態(tài)[11]。目前也有一些研究同時考慮了系統(tǒng)的多個指標，如經(jīng)濟性、能效性、環(huán)保性、可靠性、穩(wěn)定性等。由于綜合能源系統(tǒng)內(nèi)部存在能量交互，加之新能源出力間歇性等問題，在多個指標層面上對其進行綜合評價是較為困難的事情[12]。文獻[13]為分析電轉(zhuǎn)氣(power to gas, P2G)設備對負荷供能率及可再生能源過剩率的影響，提出了一種計及P2G的電-氣互聯(lián)系統(tǒng)優(yōu)化配置模型。文獻[14]提出了3個概率暫態(tài)穩(wěn)定指標，用以評估系統(tǒng)對動態(tài)事故的魯棒性，并在計算可靠性指標時考慮系統(tǒng)的不穩(wěn)定性。文獻[15]提出了一種基于模糊綜合評判的多能源互補園區(qū)供能系統(tǒng)評價方法，并在此基礎上，考慮到多能源互補園區(qū)能源供應系統(tǒng)的可靠性、經(jīng)濟性和電熱耦合特性，建立了多能互補園區(qū)能源供應系統(tǒng)的評價指標體系。文獻[16]分別從供能的各個環(huán)節(jié)提煉出具有普遍適應性的指標，并采用網(wǎng)絡分析法(analytic network process， ANP)-反熵權(quán)等方法確定了指標的權(quán)重和評分函數(shù)。文獻[17]考慮了能耗、環(huán)保、經(jīng)濟、可靠4個評價準則，基于層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)-改進熵權(quán)法對指標賦權(quán)重，并建立了改進妥協(xié)解排序法(multicriteria optimization and compromise solution in English, VIKOR)多準則評價體系。然而，對于實際的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)，所要涉及的各個評價指標之間或多或少會有一些定義交叉、互相影響的問題，從而進一步導致權(quán)重計算失準。上述文獻雖都統(tǒng)籌考慮了多個指標對各個方案的作用，但不難看出對指標之間互相影響的問題卻又都缺乏研究。

此外，關(guān)于多指標評價方法的研究當中，優(yōu)劣解距離法(technique for order preference by similarity to an ideal solution, TOPSIS)與VIKOR是兩類常用的排序方法，尤其VIKOR方法，可以通過合適的賦權(quán)直接處理指標間的相互作用影響，并從多個角度考慮待評價方案與正理想解的距離[18-19]。文獻[17]雖然使用了VIKOR方法，但仍然采用了傳統(tǒng)的組合賦權(quán)法，這僅僅解決了單一賦權(quán)帶來的主觀性較強或?qū)υ紨?shù)據(jù)要求較高、計算復雜的問題，并沒有以解決各個指標之間的內(nèi)在矛盾為出發(fā)點去考慮對其賦權(quán)。

為了完善這個問題，本文首先針對典型的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)構(gòu)建完善的評價指標體系，綜合考慮經(jīng)濟、環(huán)保、能效、可靠性4個方面建立各自的指標模型；其次定義對偶猶豫模糊集，并利用模糊測度來刻畫各個指標之間的相互作用，以此獲得更為精確的指標權(quán)重；然后提出基于模糊測度賦權(quán)的改進VIKOR排序方法，對園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的各種規(guī)劃方案進行合理評價；最后以一個典型的工業(yè)園區(qū)作為算例驗證所提方法的有效性。

1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)評價指標體系

1.1 典型園區(qū)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文考慮的園區(qū)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，由能源輸入層、能源匯集層、能源轉(zhuǎn)換層和能源消費層等部分構(gòu)成。其中能源輸入層包括外部電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)和園區(qū)內(nèi)分布式光伏，主要為園區(qū)提供生產(chǎn)生活所需的電力與天然氣；能源匯集層考慮了電母線、氣母線、熱母線與冷母線，主要起到各類型能源的統(tǒng)一收集與再分配作用；在能源轉(zhuǎn)換層中考慮了燃氣鍋爐、熱電聯(lián)產(chǎn)、熱泵、電鍋爐、吸收式制冷機與電制冷機等能源轉(zhuǎn)換設備，可實現(xiàn)不同形式能源間的耦合與互濟；能源消費層主要指園區(qū)內(nèi)的電、熱、冷負荷。此外，園區(qū)內(nèi)還配備了電儲能、熱儲能與冷儲能，用以平抑新能源出力波動。

圖1 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

目前對于園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中各類設備與運行情況的建模研究已十分完善。這些設備的模型與園區(qū)內(nèi)可能涉及到的各類約束可參考文獻[20-21]，此處不再贅述。

1.2 典型園區(qū)綜合能源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文綜合考慮經(jīng)濟性、可靠性、環(huán)保性與能效性4個層面的準則來對園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的各方面展開綜合評價。

1.2.1 經(jīng)濟性指標

1)投資成本。

投資成本用于系統(tǒng)規(guī)劃初期購置設備，其表達式如下：

(1)

2)運行維護成本。

運行維護成本由兩部分構(gòu)成，一部分是園區(qū)內(nèi)設備運行時從外部電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)的購能費用，還有一部分是為保證設備正?？煽窟\行而產(chǎn)生的管理費用或人工費用，其表達式如下：

(2)

Ry=1/(1+r)y

(3)

式中：r為折現(xiàn)率，在本文中取8%[22]。

1.2.2 可靠性指標

通常來講，影響工業(yè)園區(qū)運行可靠性的因素主要來自于能源輸入層與能源消費層，即外部電網(wǎng)和天然氣網(wǎng)供能中斷，或園區(qū)內(nèi)大量接入的多類型負荷與間歇性分布式光伏產(chǎn)生的擾動。其中，園區(qū)內(nèi)各種儲能設備的加入大大削弱了多類型負荷與間歇性分布式光伏對系統(tǒng)可靠性造成的干擾。此外，當園區(qū)綜合能源系統(tǒng)與外部并網(wǎng)時，能量的雙向交換時刻在進行，足以支撐整個園區(qū)的供能可靠性。所以在對園區(qū)綜合能源系統(tǒng)進行可靠性評估分析中，應主要考慮系統(tǒng)與外部中斷聯(lián)系，即系統(tǒng)運行在孤島狀態(tài)時。此時整個園區(qū)需要靠內(nèi)部的分布式光伏以及儲能設備來滿足供能需求，并消除自身可能出現(xiàn)的有功、無功出力波動、頻率偏移等。

因此，本文考慮在系統(tǒng)處于孤島運行狀態(tài)時，用系統(tǒng)的能源供應不足量與該時段系統(tǒng)負荷需求的比值作為園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的可靠性評估指標，即能源供應不足率：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

1.2.3 環(huán)保性指標

1)環(huán)境收益。

從環(huán)境保護的角度去考慮，降低傳統(tǒng)化石能源的消費水平即可降低各種污染物與碳的排放。工業(yè)園區(qū)內(nèi)配置的各種能源轉(zhuǎn)換設備提高了多能流之間的耦合與互動，加之儲能設備的加入，進而提升了可再生能源的消納水平。因此，可以將這部分能源折合為等值標準煤和天然氣燃燒所產(chǎn)生的CO2、SO2、NOx等氣體，并根據(jù)文獻[23]介紹的方法將它們對環(huán)境的影響折算成環(huán)境收益 ：

(11)

表1 污染物的排放質(zhì)量與評價參數(shù)

2)碳排放減少量。

得益于碳排放權(quán)交易機制與現(xiàn)代廢氣過濾技術(shù)的發(fā)展，由表1可以看出，CHP機組的污染排放物主要是CO2。此外，園區(qū)從外部電網(wǎng)所購電能主要來自于傳統(tǒng)火力發(fā)電，這些發(fā)電機組在運行時產(chǎn)生的污染排放同樣以CO2為主。因此，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的碳排放量可計算如下：

(12)

式中：mCO2表示CO2的排放質(zhì)量。

因此，用傳統(tǒng)供能方式的碳排放量減去園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的碳排放量，即為碳排放的減少量：

(13)

1.2.4 能效性指標

為表示整個園區(qū)的供能效率，可將能源綜合利用率作為指標對其進行量化評估。能源綜合利用率定義為一段時間內(nèi)園區(qū)的負荷與輸入園區(qū)一次能源的比值。該指標定義簡單，而且其值的大小在反映園區(qū)供能效率的同時，還能反映園區(qū)對可再生能源的消納水平。能源綜合利用率的表達式如下：

(14)

式中：ζ表示輸電線路的網(wǎng)損率，通常取5%。

1.3 評價指標體系

根據(jù)上文的分析，園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的評價指標體系可如表2所示。

表2 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的評價指標體系

由于指標可以分為成本型和收益型兩種類別，對指標計算結(jié)果的處理方法也是不一樣的。為統(tǒng)一處理，本文將所有的成本型指標全部極大化，即全部轉(zhuǎn)化為收益型指標。然后，為簡化處理過程，再將所有的指標數(shù)據(jù)標準化。極大化與標準化轉(zhuǎn)化公式分別為：

(15)

2 園區(qū)綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃評價方法

園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃是一個復雜而龐大的工程，這導致在對其評估時各個評價指標之間并不是完全相互獨立的。TOPSIS與VIKOR是多指標評價當中兩類常用的排序方法。在TOPSIS方法中，最優(yōu)方案是所有備選方案中距離正理想解最近且距離負理想解最遠的那一個，當備選方案眾多時，這樣的約束可能會導致評價結(jié)果不合理[19]。VIKOR方法由Opricovic和Tzeng首次提出，在對備選方案的評價過程中，該方法可以直接對各個相互矛盾的評價指標進行處理。VIKOR方法與TOPSIS方法有許多相似的地方，最明顯的區(qū)別是VIKOR方法在對各備選方案進行排序時，不再單純地比較其與正理想解與負理想解的距離，而是有一套特殊的排序規(guī)則，從多個角度考慮待評價方案與正理想解的距離，并給出最終的妥協(xié)解排序。

在詳細介紹VIKOR方法之前，首先引入幾個相關(guān)的定義。

2.1 對偶猶豫模糊集

定義1[24]設X為一有限非空集合，稱D為對偶猶豫模糊集，可表示如下：

D={〈x,h(x),g(x)〉|x∈X}

(16)

式中：h(x)和g(x)分別表示元素x對于集合D的隸屬度與非隸屬度，并且h(x) =(α1,α2,…,α#h(x))，g(x)=(β1,β2,…,β#g(x))，其中αi∈[0,1]，βj∈[0,1]，i=1,2,…,#h(x),j=1,2,…，#g(x)，#h(x)與#g(x)分別表示h(x)與g(x)當中元素的個數(shù)；隸屬度與非隸屬度還應滿足約束條件αmax+βmax≤1，αmax與βmax分別表示隸屬度與非隸屬度中元素的最大值。

定義2 對于任意的一個對偶猶豫模糊元素d=〈h,g〉，其得分函數(shù)可表示為：

(17)

對于任意的兩個對偶猶豫模糊元素d1和d2，可通過上述定義的得分函數(shù)對其進行排序：

若s(d1)>s(d2)，則認為d1優(yōu)于d2，表示為d1?d2；

若s(d1)=s(d2)，則認為d1和d2同等優(yōu)越，表示為d1～d2。

定義3 對于任意的兩個對偶猶豫模糊元素d1=〈h1,g1〉,d2=〈h2,g2〉，它們之間的距離測度可以表示如下：

(18)

2.2 模糊測度

為精確刻畫實際評價問題當中各個指標之間的相互作用，引入模糊測度的概念。

定義4[25]設X為一有限非空集合，P(X)為X的冪集，則稱集合函數(shù)μ:P(X)→[0,1]為集合X上的模糊測度。

模糊測度應滿足如下的性質(zhì)：

有限性：μ(?)=0，μ(X)=1；

單調(diào)性：如果A,B∈P(X)且A?B，則有μ(A)≤μ(B)。

設C={c1,c2,…,cn}是多指標評價問題中的評價指標集合，則其中單獨一個指標cj的權(quán)重可直接用模糊測度μ(cj)來表示，并且要滿足μ(cj)∈[0,1]，j=1,2,…,n。

對于多個指標的組合，同樣可以利用模糊測度來體現(xiàn)指標之間的相互作用。根據(jù)Sugeno提出的λ模糊測度[25]：

μ(A∪B)=μ(A)+μ(B)+λμ(A)μ(B)(19)

式中：λ∈[-1,+∞)，用于定義評價指標之間的作用關(guān)系。λ=0說明A與B之間沒有作用關(guān)系，λ<0說明A與B之間具有消極的作用關(guān)系，λ>0說明A與B之間具有積極的作用關(guān)系。

對于任意的一個有限指標集合C={c1,c2,…,cn}，λ模糊測度應滿足如下的關(guān)系：

(20)

由于μ(C)=1，因此公式(20)中的參數(shù)λ可由如下公式確定：

(21)

因此，對于任意的集合A∈P(C)，其模糊測度可表示為：

(22)

由此可以發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵的問題在于初始單一指標模糊測度的確定。為計算方便，并突出所提方法的一般性，初始單一指標的模糊測度可以基于指標的計算結(jié)果并利用決策專家的經(jīng)驗評判獲得。對于不同的備選方案，由于其指標計算結(jié)果不同，所以指標之間的相互作用也是不同的。

因此，針對某一備選方案下各指標的計算結(jié)果，可根據(jù)得分函數(shù)的計算公式(17)得到一個指標的排序Cσ={cσ(1),cσ(2),…,cσ(n)}，其中，cσ(j)表示排在第j位的指標。則每個排列位置上的指標權(quán)重為：

ωσ(j)=μ(Aσ(j))-μ(Aσ(j-1))

(23)

式中：Aσ(j)={cσ(t)|t≤j}，μ(Aσ(j))與μ(Aσ(j-1))可由公式(22)計算得到。

2.3 基于模糊測度的改進VIKOR排序方法

VIKOR方法的目的是為了給出妥協(xié)解的排序。由于篇幅所限，經(jīng)典的VIKOR方法可參考文獻[18]，此處直接介紹改進的VIKOR排序方法。

對于一個多指標評價問題，其決策矩陣可表示為：

(24)

式中：(a1,a2,…,am)與(c1,c2,…,cn)分別為評價問題的備選方案集與評價指標集；dij是經(jīng)決策專家處理后的評價指標值，是一個對偶猶豫模糊元素。評價指標的處理過程為：首先根據(jù)第1節(jié)的各指標模型計算原始的指標數(shù)值，決策專家將這些指標值經(jīng)標準化處理之后歸類為隸屬度元素，并根據(jù)各個隸屬度的大小，以及隸屬度與非隸屬度之間的約束關(guān)系來決定其對應的非隸屬度，最終將這些指標轉(zhuǎn)化為對偶猶豫模糊元素的形式。

基于此，具體的改進VIKOR方法可分為以下幾個步驟：

1)計算各個方案下的指標數(shù)據(jù)，并根據(jù)上述評價指標處理過程對各指標進行處理，得到?jīng)Q策矩陣F={dij}m×n，即式(24)。

2)根據(jù)得分函數(shù)計算公式(17)及其排序規(guī)則，對某一特定指標下的各備選方案排序，確定所有指標的正理想解與負理想解，分別為：

(25)

3)計算評價指標的模糊測度。首先由決策專家給出單個評價指標的模糊測度，然后根據(jù)式(21)計算參數(shù)λ，最后根據(jù)式(22)計算評價指標集的所有子集的模糊測度。

4)根據(jù)式(23)計算針對某一備選方案ai下各指標的權(quán)重ωiσ(j)。

5)基于距離測度計算各個方案與正理想解的模糊平均加權(quán)距離Si與模糊最大加權(quán)距離Ri：

(26)

從式(26)可以看出，Si考慮的是期望值，Ri考慮的是最大后悔值，他們分別屬于不同的決策策略。

6)根據(jù)Si與Ri的結(jié)果計算各個方案與正理想解的綜合加權(quán)距離Qi：

(27)

式中：υ表示決策專家的決策策略系數(shù)，υ>0.5表示大多數(shù)原則，υ=0.5表示共識性原則，υ<0.5表示投票原則。通常取υ=0.5，即決策專家為共識性原則，認為Si和Ri同等重要。

7)按照升序排列的方式，將各個方案根據(jù)Si、Ri、Qi的計算結(jié)果分3種方式排列。假設aσ(1)為按照Qi排序的最優(yōu)方案，若aσ(1)即為最終的妥協(xié)解，則其應該滿足如下兩個條件：

有利性：方案aσ(2)為按照Qi排序的次優(yōu)方案，則Q(aσ(2))-Q(aσ(1))≥1/(m-1)，m為備選方案數(shù)；

穩(wěn)定性：按照Si或者Ri排序，方案aσ(1)同樣是最優(yōu)的。

若aσ(1)僅滿足有利性條件，則aσ(1)和aσ(2)均為最終的妥協(xié)解；若aσ(1)僅滿足穩(wěn)定性條件，則方案aσ(1),aσ(2),…,aσ(i)均為最終的妥協(xié)解，其中，aσ(1)與aσ(i)需保證Q(aσ(i))-Q(aσ(1))<1/(m-1)，并且同時有Q(aσ(i+1))-Q(aσ(1))≥1/(m-1)，其中i=1,2,…,m。

3 算例分析

3.1 算例介紹

本文以3個圖1所示典型結(jié)構(gòu)園區(qū)的規(guī)劃為例，對提出的改進VIKOR方法進行驗證。

這3個園區(qū)按照負荷組成的差異可分別定義為工業(yè)區(qū)Pin、居民區(qū)Pr和商業(yè)區(qū)Pc，備選的規(guī)劃方案有4種，分別如下：

方案a1：3個園區(qū)各自獨立規(guī)劃，獨立運行，以規(guī)劃期末的負荷情況配置園區(qū)各供用能設備；

方案a2：3個園區(qū)各自獨立規(guī)劃，獨立運行，但將規(guī)劃周期根據(jù)園區(qū)的負荷增長情況分為3個子周期，逐漸累加園區(qū)內(nèi)的設備配置容量，詳細規(guī)劃細節(jié)可參考文獻[26]；

方案a3：3個園區(qū)統(tǒng)一規(guī)劃，聯(lián)合運行，考慮園區(qū)之間的交換功率，以規(guī)劃期末的負荷情況配置園區(qū)各供用能設備，詳細規(guī)劃細節(jié)可參考文獻[27]；

方案a4：3個園區(qū)統(tǒng)一規(guī)劃，聯(lián)合運行，考慮園區(qū)之間的交換功率，并將規(guī)劃周期根據(jù)園區(qū)的負荷增長情況分為3個子周期，逐漸累加園區(qū)內(nèi)的設備配置容量。

3個園區(qū)的規(guī)劃周期為15年，若按照方案a2與a4規(guī)劃時，3個子周期的持續(xù)時間分別為3年、5年、7年。為反映園區(qū)的實際運行情況，在各個園區(qū)夏季選取一個典型日，其電、熱、冷負荷及光伏預測出力曲線的標幺值如圖2所示，各園區(qū)規(guī)劃周期末的最大負荷信息見附錄表A1，園區(qū)內(nèi)需配置各種設備的經(jīng)濟技術(shù)參數(shù)見附錄表A2、A3[28]。

圖2 各園區(qū)夏季典型日負荷與光伏預測出力

園區(qū)采用分時電價，將一天分為峰、谷、平3個時段，各時段區(qū)間及對應的電價信息如圖3所示。天然氣采用固定氣價，經(jīng)熱值系數(shù)折算之后的天然氣價為0.28元/(kW·h)。此外，為了評價系統(tǒng)的供能可靠性，假定系統(tǒng)在典型日的第12個調(diào)度時段與外部能源網(wǎng)絡斷開聯(lián)系，處于孤島運行狀態(tài)，即11:00斷開，12:00再次并網(wǎng)。

圖3 園區(qū)分時電價信息

3.2 評價結(jié)果分析

3.2.1 指標計算結(jié)果及其處理

根據(jù)上文提供的數(shù)據(jù)，由式(1)—(15)計算可得到各方案下指標結(jié)果的原始數(shù)值與標準化數(shù)值，見附錄表A4、A5。同時，決策專家根據(jù)標準化后的指標數(shù)值補上每個指標的非隸屬度，將其轉(zhuǎn)化為對偶猶豫模糊元素形式，如表3所示。

表3 各指標的對偶猶豫模糊元素形式

經(jīng)過這樣的轉(zhuǎn)化，便可以通過對偶猶豫模糊集的方法對指標進行處理。首先取決策專家對非隸屬度的偏好程度θ=0.5，則根據(jù)式(17)可計算得到每個指標的得分函數(shù)情況，如附錄表A6所示。進而，各指標下所有備選方案的正理想解與負理想解見附錄表A7。

至此可以初步判斷，方案a1在對園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃時耗費的經(jīng)濟成本較高，能源利用率較低，這主要是由于設備的配置容量較大，且從外部能源網(wǎng)絡購能量也較大造成的。

3.2.2 指標權(quán)重計算

為對算例中的4種備選方案做進一步的評價分析，根據(jù)文中所提的改進VIKOR方法繼續(xù)對指標進行處理。經(jīng)決策專家確定，單個指標的模糊測度為μ(c1)=0.30，μ(c2)=0.25，μ(c3)=0.14，μ(c4)=0.23，μ(c5)=0.17，μ(c6)=0.16。根據(jù)λ模糊測度，經(jīng)計算可得到參數(shù)λ=-0.438 2，因此，利用式(22)可計算得到評價指標集的所有子集的模糊測度，計算結(jié)果見附錄B。

通過以上對子集模糊測度的計算，根據(jù)式(23)以及按照各指標得分的排序情況，便可以得到所有評價指標基于不同備選方案下的權(quán)重信息，如表4所示。從表4中可以發(fā)現(xiàn)，對于不同的備選方案，其各個指標的權(quán)重也是不同的，這是由于在不同的方案下，各指標間的相互作用關(guān)系不相同造成的。但無論是哪一個備選方案，其經(jīng)濟性指標的權(quán)重總是最大的。

表4 各指標基于不同方案的權(quán)重信息

3.2.3 方案排序結(jié)果

為了使用改進VIKOR方法計算4種備選方案的平均加權(quán)距離S、最大加權(quán)距離R與綜合加權(quán)距離Q，首先要計算在相應方案下各個指標與其正理想解的距離測度。

根據(jù)式(18)，取結(jié)合度κ=0.5，冪次p=2，各距離測度的計算結(jié)果如附錄表A8所示。基于此，所有方案的S、R和Q的計算結(jié)果如表5所示。其中在計算Q時選取的決策策略系數(shù)υ=0.5，即決策專家認為S和R同等重要。

通過對表5中的評價數(shù)據(jù)進行排序分析，對于S、R和Q，可以分別得到以下3種排序結(jié)果：

表5 各方案的S、R和Q計算結(jié)果

可以發(fā)現(xiàn)，不論是哪一種加權(quán)距離的排序，a4總是處于最優(yōu)，而a1總是處于最劣的位置，即已經(jīng)滿足了穩(wěn)定性條件。此外，按照有利性校驗條件：Q(a2)-Q(a4)=0.452 4>1/(4-1)=0.333 3，其同樣滿足。因此，方案a4即為決策策略系數(shù)υ=0.5時的最優(yōu)決策方案。

為了表明最終的評價結(jié)果受決策系數(shù)υ的影響情況，令υ∈[0,1]，則4種備選方案的綜合加權(quán)距離Q隨υ的變化曲線如圖4所示。

圖4 綜合加權(quán)距離Q隨決策系數(shù)υ的變化曲線

由圖中可以看出，不論υ如何變化，方案a4的綜合加權(quán)距離始終是最小的，事實上，這一點從方案a4的各指標評價結(jié)果就能體現(xiàn)出來。方案a4的各項指標數(shù)值當中，除了能源供應不足率c3較高，以及能源綜合利用率c6稍低，即可靠性與能效性稍差之外，其余的各項指標在4個方案當中均是處于最優(yōu)的位置。

與之相反，方案a1的綜合加權(quán)距離始終最大，從指標的評價數(shù)據(jù)來看亦符合此結(jié)果。這也不難理解，對比方案a1與a4，方案a1屬于最傳統(tǒng)的規(guī)劃方案，對規(guī)劃周期內(nèi)園區(qū)綜合能源系統(tǒng)中可能存在的負荷緩慢增長沒有考慮，直接按照規(guī)劃周期末的最大負荷來配置園區(qū)內(nèi)的設備，這樣在規(guī)劃初期負荷較小的情況下勢必會造成設備的閑置，從而增加了維護成本。同時由于各園區(qū)性質(zhì)不同，其負荷偏向不同的能源形式，比如工業(yè)區(qū)的熱負荷不論在何時都是較大的，對熱功率的需求也較大；而商業(yè)區(qū)與居民區(qū)在夏季幾乎不存在熱負荷，反之對冷功率的需求較工業(yè)區(qū)更大一些。

方案a1由于沒有考慮這些性質(zhì)，不同園區(qū)之間可以互補共濟地交換功率顯然也沒有被考慮，因此，當某一園區(qū)出現(xiàn)負荷缺供時，只能從外部能源網(wǎng)絡購能，增大了購能成本。而方案a4由于同時考慮了這兩個特點，相比于方案a2與a3，可以更加全面地實現(xiàn)能源綜合利用與能量梯級互補，進而也減少碳的排放，降低了對環(huán)境的影響。

方案a2與a3的綜合加權(quán)距離均是隨著υ的增大而逐漸降低。對比它們的指標評價結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，方案a2的投資成本與運維成本分別比方案a3降低了82.1萬元與371.1萬元，經(jīng)濟性明顯更佳。對于可靠性和環(huán)保性，從指標計算結(jié)果可以看出同樣是方案a2稍勝一籌。而從能效性指標計算結(jié)果來看，方案a3要優(yōu)于方案a2，這是由于方案a3在規(guī)劃時考慮了各園區(qū)之間的功率交換，提高了能源的利用率，而方案a2并未考慮。兩種方案各有優(yōu)缺點，綜合來看，方案a2更加優(yōu)越一些。同時，隨著決策系數(shù)υ的增大，方案a2的優(yōu)勢愈發(fā)明顯，當υ=1時，其綜合加權(quán)距離與方案a4已相當接近。因此，當υ=1時，可以選擇方案a2作為次優(yōu)備選方案。

3.3 評價結(jié)果對比

為突出本文所提改進VIKOR方法的有效性與優(yōu)越性，將其評價結(jié)果與經(jīng)典VIKOR、TOPSIS、AHP的結(jié)果進行對比。其中，經(jīng)典VIKOR、TOPSIS方法采用文獻[17]提到的AHP-改進熵權(quán)法進行組合賦權(quán)，而層次分析法則直接采用專家打分賦權(quán)。為方便對比分析，TOPSIS和AHP方法最后的得分均已按照VIKOR方法的升序排列原則重新處理，處理方法具體為先將各指標得分歸一化，然后以1減去歸一化后的得分。最終，各方法評價結(jié)果如表6所示。

表6 各評價方法的評價結(jié)果

根據(jù)表6可以看出，使用經(jīng)典VIKOR方法與AHP法得到的排序結(jié)果與本文所提的改進VIKOR方法結(jié)果一致，驗證了本文所提方法評價結(jié)果的正確性。但從數(shù)據(jù)上可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)典VIKOR方法在進行有利性條件驗證時，其Q(a2)-Q(a4)=0.333 5，這個結(jié)果雖然大于0.333 3，但是過于接近，當指標計算結(jié)果有變動時可能會造成有利性條件不滿足。這是由于經(jīng)典VIKOR方法在指標賦權(quán)時，沒有充分考慮到各指標之間存在的相互影響所造成的。而AHP法采用專家打分的賦權(quán)方式，并使用決策矩陣與權(quán)重向量直接相乘，這樣的結(jié)果主觀性太強，當要處理的評價問題較為龐大時，很難具有說服力。而且，從表6中也可以發(fā)現(xiàn)，方案a2與方案a3在AHP法下的評價結(jié)果較為接近，說明當兩個方案各有優(yōu)缺點時，僅靠決策專家的主觀意愿對其做出有力的評判是不容易的。

此外，使用TOPSIS方法確定的評價結(jié)果為a4?a3?a2?a1，與其他3種方法得到的結(jié)果有一定出入。一方面，由于TOPSIS方法采用的也是AHP-改進熵權(quán)法的組合賦權(quán)法，沒有考慮到各評價指標之間的相互作用；另一方面，TOPSIS方法只是簡單地用備選方案與正理想解和負理想解之間的距離進行排序，而VIKOR方法利用了“大多數(shù)原則”“最小最大后悔值原則”，以及它們的組合，這樣的特殊處理使得VIKOR方法在對方案的排序時更具有客觀性與合理性。

4 結(jié) 論

本文從經(jīng)濟性、可靠性、環(huán)保性與能效性4個層面建立了評價指標體系，并利用所提的改進VIKOR方法，以一個典型園區(qū)作為算例對其評價分析，得到了以下結(jié)論。

1)從不同的層面對綜合能源系統(tǒng)進行規(guī)劃時，應優(yōu)先考慮經(jīng)濟性指標。此外，按照規(guī)劃周期內(nèi)負荷的增長情況來配置設備容量，并考慮不同園區(qū)之間功率交換，可以提升園區(qū)規(guī)劃與運行的經(jīng)濟性。

2)在對園區(qū)的規(guī)劃做出多指標評價時，應考慮指標之間存在的相互影響，否則可能會使評價結(jié)果出現(xiàn)問題。

3)本文所提的改進VIKOR方法可以很好地刻畫指標之間的相互作用，并有效消除個體偏差，評價結(jié)果更具真實性與一般性，可為園區(qū)綜合能源系統(tǒng)的規(guī)劃提供指導性意見。

下一步的研究將考慮決策者對不同評價數(shù)值可能表現(xiàn)出的不同偏好，用概率信息來增加評價過程的靈活性。