何大春 黃俊輝 李志杰 朱立勛 宋天立 王娜 沈高峰 史靜

摘要：為對(duì)港口綜合能源發(fā)展水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，結(jié)合港口的特點(diǎn)，提出針對(duì)港口綜合能源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，應(yīng)用層次分析法（analytic hierarchy process， AHP）-模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行評(píng)價(jià)。根據(jù)青島港董家口港區(qū)的調(diào)研數(shù)據(jù)，應(yīng)用本文的方法對(duì)該港口的綜合能源系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果與其他同行的評(píng)價(jià)結(jié)果一致，驗(yàn)證了本文方法的有效性。

關(guān)鍵詞： 綜合能源系統(tǒng); 層次分析法; 模糊綜合評(píng)價(jià)法; 港口

中圖分類號(hào)： U653.95; TK11 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： 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

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，環(huán)境污染和能源短缺等問題變得日益嚴(yán)重。港口作為貨物轉(zhuǎn)運(yùn)的重要樞紐，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用的同時(shí)，其高耗能、高污染特點(diǎn)也凸顯出來。隨著“一帶一路”倡議的實(shí)施，港口發(fā)展進(jìn)一步加速，其節(jié)能環(huán)保問題引起了社會(huì)各界人士的高度重視[1-2]。

近年來，融合了風(fēng)能、太陽能和天然氣等各種可再生和清潔能源的綜合能源系統(tǒng) （integrated energy system， IES）受到了能源領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。隨著我國港口電力能源消耗比例的逐年攀升，為節(jié)約電能，提高港口周邊的環(huán)境質(zhì)量，港口企業(yè)也在努力開發(fā)適用于港口的港口綜合能源系統(tǒng)（port integrated energy system， PIES）[3-7]。為經(jīng)濟(jì)科學(xué)地建設(shè)和利用PIES，需要建立一個(gè)有效的PIES評(píng)價(jià)方法。雖然IES的概念近幾年才提出，但目前在IES的評(píng)價(jià)方法的研究上，國內(nèi)外均有一些進(jìn)展。文獻(xiàn)[8]用互相獨(dú)立的矩陣來評(píng)價(jià)冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的節(jié)能潛力，文獻(xiàn)[9-12]對(duì)IES的運(yùn)行進(jìn)行了分析和研究，在整個(gè)系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)和能效評(píng)估方面取得了不少進(jìn)展。文獻(xiàn)[13]基于信息熵法構(gòu)建了IES的評(píng)價(jià)方法?，F(xiàn)階段IES的評(píng)價(jià)方法研究主要是針對(duì)一個(gè)城市、城鎮(zhèn)和地區(qū)的，關(guān)于PIES的評(píng)價(jià)方法研究還處于起步階段。

本文根據(jù)PIES的特點(diǎn)，建立PIES評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用層次分析法（analytic hierarchy process， AHP）-模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)PIES的發(fā)展水平進(jìn)行評(píng)估。

1 PIES

1.1 PIES簡介

PIES指以港口的配電網(wǎng)為核心，綜合冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)、新能源發(fā)電系統(tǒng)、港口岸電系統(tǒng)等供能和用能系統(tǒng)，并與儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，聯(lián)合“源-網(wǎng)-荷-儲(chǔ)”同時(shí)運(yùn)行，將前沿的能源綜合管理系統(tǒng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)應(yīng)用于港口多元能源的生產(chǎn)、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)換、傳輸和使用，通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)多元能源安全可靠地服務(wù)于整個(gè)港口的生產(chǎn)運(yùn)行的系統(tǒng)。PIES是IES在港口應(yīng)用上的具體實(shí)現(xiàn)，是港口多種能源實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展、相互轉(zhuǎn)換、互相補(bǔ)充的有效方法。

PIES的主要作用是將多元能源系統(tǒng)與港區(qū)內(nèi)的電力系統(tǒng)相結(jié)合，采取智能調(diào)度手段，解決新能源發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電的間歇性與負(fù)荷用電的連續(xù)性之間的矛盾。多元能源系統(tǒng)以不同形式接入配電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)不同能源之間的互利共贏，降低港區(qū)污染物的排放水平，提高港區(qū)各種能源的利用率，增強(qiáng)PIES的可靠性，為港口運(yùn)行提供可靠優(yōu)質(zhì)的能源保障。

1.2 PIES組成

眾所周知，在單一能源的使用中，會(huì)有大量的能量無法利用而被浪費(fèi)掉，直接導(dǎo)致單一能源的利用率偏低。例如：傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠只能將25%～45%的化石燃料能量轉(zhuǎn)化為電能，其他通過熱能的形式被浪費(fèi)掉;單純的供熱系統(tǒng)所產(chǎn)生的高溫水蒸氣僅用于供熱，而浪費(fèi)了水蒸氣的大量動(dòng)能。另外，由于缺乏儲(chǔ)能設(shè)備，電力系統(tǒng)中無法消耗的電能也被浪費(fèi)。如果開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)在火力發(fā)電廠利用水蒸氣發(fā)電的同時(shí)，將水蒸氣的熱能輸送給需要熱源的用戶，同時(shí)在系統(tǒng)中增加儲(chǔ)能設(shè)備來儲(chǔ)存多余的電能，就可以使多種能源的優(yōu)勢互補(bǔ)，減少能源浪費(fèi)。

PIES為實(shí)現(xiàn)上述系統(tǒng)提供了一個(gè)平臺(tái)，盡可能利用新能源發(fā)電裝置、熱能、天然氣等并實(shí)施科學(xué)管理，提高每種能源的利用率，從而減少燃燒化石燃料對(duì)港口環(huán)境的污染。通過優(yōu)化控制PIES的運(yùn)行方式，可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益。圖1給出了PIES內(nèi)部各種能源的生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換、分配和使用的過程。如圖1所示，PIES由港口供能系統(tǒng)、港口能量轉(zhuǎn)換裝置、港口配電系統(tǒng)、能源存儲(chǔ)裝置和用能負(fù)荷等幾部分組成。港口供能系統(tǒng)主要包括港口的電網(wǎng)、新能源發(fā)電系統(tǒng)、天然氣和化石燃料供能系統(tǒng)等，負(fù)責(zé)港口能源的供應(yīng)。配電網(wǎng)主要以電能為媒介對(duì)各種能源進(jìn)行合理分配和傳輸。能源存儲(chǔ)裝置包括熱、電和天然氣的綜合儲(chǔ)能裝置，起著穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、提高電能質(zhì)量和削峰填谷的作用。通過鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)、冷熱聯(lián)供機(jī)組等能源轉(zhuǎn)換裝置的優(yōu)化合理運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能源之間的相互轉(zhuǎn)換和耦合。

PIES可分為港口居民用電和港口工業(yè)用電兩部分。在港口居民用電中，通過能源集線器傳輸?shù)碾娋W(wǎng)電能經(jīng)過變壓器傳輸220 V的電能供居民家的冰箱、熱水器、空調(diào)等家用電器使用?？照{(diào)工作散發(fā)的余熱用于居民供熱。微燃機(jī)同時(shí)用于供電與供熱。制冷機(jī)回收利用供熱產(chǎn)生的水蒸氣，通過制冷系統(tǒng)對(duì)居民供冷。在港口工業(yè)用電中，通過能源集線器傳輸?shù)碾娋W(wǎng)電能經(jīng)過變壓器傳輸高壓或低壓電供港口機(jī)械、船用岸電、壓縮機(jī)等使用。熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組連接燃?xì)庀到y(tǒng)、電力系統(tǒng)和港區(qū)供暖系統(tǒng)，可有效地提高能源利用率，減少能源損耗。燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的熱量通過換熱器進(jìn)行工業(yè)供熱。儲(chǔ)電和儲(chǔ)熱裝置可以實(shí)現(xiàn)削峰填谷和抑制能量波動(dòng)的作用。

2 構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1 PIES的評(píng)價(jià)指標(biāo)

PIES從規(guī)劃建設(shè)到運(yùn)行維護(hù)的各個(gè)方面都需要實(shí)施綜合評(píng)價(jià)以發(fā)現(xiàn)PIES中不合理的部分，并對(duì)不合理的部分提出合理性建議，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造。受我國現(xiàn)階段PIES技術(shù)水平的限制， 無法充分考慮PIES的每個(gè)部分的每項(xiàng)細(xì)節(jié)指標(biāo)。為對(duì)目前PIES的水平進(jìn)行評(píng)價(jià)，本文以港口配電網(wǎng)為核心，結(jié)合港口新能源發(fā)電、天然氣等多元能源系統(tǒng)，從港口的能效、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境友好性、可靠性、社會(huì)性等方面尋找出能體現(xiàn)港口特色和PIES發(fā)展水平的指標(biāo)，然后利用這些指標(biāo)對(duì)PIES進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本文提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系見圖2。

2.2 基于AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)法的PIES綜合評(píng)價(jià)2.2.1 確定評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

鑒于每個(gè)指標(biāo)對(duì)PIES發(fā)展水平的影響不同，先確定每級(jí)指標(biāo)的權(quán)重。邀請(qǐng)了10位PIES建設(shè)領(lǐng)域的專家對(duì)指標(biāo)進(jìn)行打分，并利用如表1所示的Saaty標(biāo)度法得到判斷矩陣，從而計(jì)算出每級(jí)指標(biāo)的權(quán)重[14-15]。

（1）建立判斷矩陣。首先根據(jù)每級(jí)指標(biāo)的數(shù)量n，建立一個(gè)矩陣A=（Aij）n×n， 然后根據(jù)表1中的要求分別比較兩個(gè)指標(biāo)的重要性并進(jìn)行打分，計(jì)算出Aij。根據(jù)10位專家的打分計(jì)算平均值，得出最后的判斷矩陣。Saaty標(biāo)度的具體含義見表1。

（2）確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。根據(jù)式（1）可以得到每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重特征向量ω=（ω1， ω2，…， ωn）T：

ωi=nj=1Aij nnk=1 nj=1Akj， i=1，2，…，n

（1）

（3）單層次一致性檢驗(yàn)。對(duì)于指標(biāo)數(shù)量n，根據(jù)Saaty給出的表2中的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)IR值[16]，查找本文對(duì)應(yīng)的IR值，然后根據(jù)式（2）和（3）求出一致性指標(biāo)IC，最后由RC = IC/IR求出一致性比例RC。如果RC< 0.1，則認(rèn)為該判斷矩陣的一致性滿足要求，否則讓專家重新打分，重新檢查判斷矩陣的一致性，重復(fù)上面的步驟直至判斷矩陣的一致性滿足要求。λmax=ni=1（Aω）inωi， i=1，2，…，n

（2）

IC=λmax-nn-1

（3）

2.2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)隸屬度確定

由于一些評(píng)價(jià)指標(biāo)具有模糊性，故引入隸屬度矩陣減弱指標(biāo)的模糊性。本文將指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)分為“優(yōu)秀”“良好”“一般”“較差”等4個(gè)等級(jí)，表3列出了詳細(xì)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)10位專家的打分計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的隸屬度。

2.2.3 AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)

組織專家對(duì)本文提出的PIES評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行打分，并對(duì)打分結(jié)果取平均值，進(jìn)行歸一化處理后，可以求出模糊矩陣R=（R1R2…R13）T=（rij）13×4

（4）并得到AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)模型B=ωR

（5） ?PIES的評(píng)價(jià)等級(jí)由最大隸屬度原則得出，并利用加權(quán)平均法計(jì)算出PIES的最終評(píng)價(jià)結(jié)果。

3 實(shí)例分析

青島港董家口港區(qū)在新能源發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)和智能電網(wǎng)建設(shè)方面進(jìn)行了大量的投資，依托智能電網(wǎng)中的綜合能源管理系統(tǒng)，利用港區(qū)內(nèi)新能源發(fā)電系統(tǒng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)和天然氣冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)等，開發(fā)智能微電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電裝置等發(fā)出的電可以在港區(qū)內(nèi)合理應(yīng)用，并且可以實(shí)現(xiàn)港區(qū)微電網(wǎng)與外電網(wǎng)的互動(dòng)調(diào)配，為港口的運(yùn)營提供環(huán)保的綠色電力，為中國新能源微電網(wǎng)項(xiàng)目的發(fā)展提供先行經(jīng)驗(yàn)。另外，青島港在2015年底已完成碼頭的9個(gè)泊位“油改電”項(xiàng)目，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)集裝箱的能源消耗下降了39.7%。因此，本文以該港區(qū)為例，對(duì)本文提出的評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)地調(diào)研，然后根據(jù)調(diào)研數(shù)據(jù)，讓10位專家對(duì)該P(yáng)IES進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

表4為通過10位專家打分，并且對(duì)專家打分求平均值后得到的各指標(biāo)的判斷矩陣。

根據(jù)式（1）可計(jì)算出一級(jí)指標(biāo)中每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重特征向量ω=（0.12，0.10，0.07，0.66， 0.05）T，根據(jù)式（2）和（3）得到λmax=5.151 6， IC=0.037 9，經(jīng)查詢表2可以得到該矩陣的一致性比例RC=0.033 8。由此可知，該判斷矩陣的一致性指標(biāo)小于0.1，滿足一致性要求。

按照上述判斷矩陣的計(jì)算方法，計(jì)算每個(gè)一級(jí)指標(biāo)下各二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果見表5。同時(shí)，基于對(duì)該港口實(shí)地調(diào)研所得到的相關(guān)數(shù)據(jù)，各位專家按照指標(biāo)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)給出每個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)等級(jí)，由所得到的統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出表5所示的PIES模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣。

根據(jù)表5中的數(shù)據(jù)可以得到一級(jí)指標(biāo)模糊評(píng)價(jià)矩陣R為R=0.0240.7210.2550

0.0780.2780.4220.222

0.7750.1730.0520

00.7740.1900.036

0.9240.07600 ?根據(jù)式（5）可得到該P(yáng)IES的評(píng)價(jià)結(jié)果為B=（0.111 1， 0.641 1， 0.207 1， 0.040 7） ?假設(shè)4個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)優(yōu)秀、良好、一般、較差的得分分別為100、80、60、40，即相應(yīng)的評(píng)價(jià)矩陣為P=（100， 80， 60， 40）， 則可以得到該P(yáng)IES的評(píng)級(jí)結(jié)果為Y=B×PΤ=76 ?由此可見，該P(yáng)IES的評(píng)價(jià)結(jié)果為良好，處于行業(yè)中等偏上水平，可以滿足國家的各項(xiàng)法律法規(guī)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)也有改進(jìn)和提升的空間。評(píng)價(jià)結(jié)果與其他同行對(duì)該P(yáng)IES的評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

本文根據(jù)港口能源生產(chǎn)和負(fù)荷用能的特點(diǎn)，首先提出了對(duì)港口綜合能源水平進(jìn)行評(píng)價(jià)的指標(biāo)。然后根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了針對(duì)港口綜合能源發(fā)展水平的AHP-模糊綜合評(píng)價(jià)法?；趯?duì)青島港董家口港區(qū)的實(shí)地調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)10位專家的評(píng)分結(jié)果，利用本文提出的評(píng)價(jià)方法對(duì)該港口綜合能源系統(tǒng)（PIES）進(jìn)行評(píng)價(jià)。該P(yáng)IES的發(fā)展水平為良好，與其他同行對(duì)該P(yáng)IES的評(píng)價(jià)結(jié)果一致。

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（編輯 趙勉）

收稿日期： 2019- 03- 14 修回日期： 2019- 05- 05

基金項(xiàng)目： 江蘇省電力公司科技項(xiàng)目

作者簡介： 何大春（1966—），男，江蘇南京人，高級(jí)經(jīng)濟(jì)師，研究方向?yàn)槠髽I(yè)戰(zhàn)略研究與管理，（E-mail）dch@js.sgcc.com.cn