基于物元綜合模型的重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效評(píng)價(jià)研究

盧思瑤，陳　纓，張振雨

(1. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都　610072；2. 東方電氣股份有限公司，四川 成都　610036)

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基于物元綜合模型的重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效評(píng)價(jià)研究

盧思瑤1，陳纓1，張振雨2

(1. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都610072；2. 東方電氣股份有限公司，四川 成都610036)

摘要：隨著中國(guó)能源與環(huán)境問題的加劇，加強(qiáng)節(jié)能減排，提升用電能效，已成為重點(diǎn)耗能企業(yè)亟待決絕的課題。針對(duì)已有的電力能效評(píng)價(jià)研究較為依賴決策者的主觀判斷且忽視了指標(biāo)之間存在不相容性這些不足，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和管理3個(gè)層面構(gòu)建了基于物元的重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效評(píng)價(jià)模型，并以國(guó)內(nèi)某重點(diǎn)耗能企業(yè)為例進(jìn)行實(shí)證研究。結(jié)果表明，物元模型不僅能評(píng)價(jià)重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效的綜合水平，還能揭示其電力能效管理中存在的問題。這為重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效管理的改進(jìn)指明方向。

關(guān)鍵詞：重點(diǎn)耗能企業(yè)；電力能效評(píng)價(jià)；物元綜合模型；關(guān)聯(lián)度

Abstract：With the intensification of energy and environmental problems in China, strengthening energy saving and emission reduction and improving power efficiency have become a decisive and urgent task for key energy-consuming enterprises. Focusing on the fact that less attention is paid to the objectivity of index assignment and the incompatibility between the indexes, a matter-element synthetical model of power energy efficiency evaluation is constructed for key energy-consuming enterprises in China, and the model is used for an empirical research. The results show that the matter-element synthetical model not only can evaluate the comprehensive power energy efficiency level of key energy-consuming enterprises, but also can reveal the power energy efficiency problems in these enterprises, which points out a direction for power energy efficiency management of key energy-consuming enterprises in China.

Key words：key energy-consuming enterprises; energy efficiency evaluation; matter-element synthetical model; correlation

0引言

能源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)工業(yè)發(fā)展模式的推動(dòng)下，中國(guó)通過大量的能源消耗換來了快速增長(zhǎng)的30年。《世界能源發(fā)展報(bào)告2015》顯示，2014年中國(guó)一次性能源消費(fèi)總量高達(dá)到38.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占世界能源總消耗量的21.50%，高居世界第一。能源消耗量的快速增長(zhǎng)，不僅加劇了能源供需的矛盾，也給生態(tài)環(huán)境造成了巨大的污染，能源與環(huán)境問題已經(jīng)成為制約中國(guó)經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步發(fā)展的兩大難題。

面對(duì)新的發(fā)展形勢(shì)，加強(qiáng)節(jié)能減排，提升用電能效，已成為重點(diǎn)耗能企業(yè)的必然選擇；但同時(shí)應(yīng)當(dāng)看到，長(zhǎng)期以來，中國(guó)電力能效的監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)的學(xué)術(shù)工作進(jìn)展緩慢，這使得許多已經(jīng)實(shí)施或正在醞釀的電力能效的政策和決策一直缺乏清晰的理論指導(dǎo)，因此，如何在能源短缺和環(huán)境污染的雙重壓力下，構(gòu)建一套適合于中國(guó)重點(diǎn)耗能企業(yè)的電力能效評(píng)價(jià)方法和體系，為重點(diǎn)耗能企業(yè)的合理用電以及生產(chǎn)優(yōu)化提供指導(dǎo)，逐漸成為了學(xué)術(shù)界研究的焦點(diǎn)。

從已有的理論研究來看，目前對(duì)耗能企業(yè)的電力能效評(píng)價(jià)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：1)基于層次分析法的電力能效評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[1]在構(gòu)建水泥企業(yè)用電能效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，運(yùn)用層次分析法進(jìn)行了相應(yīng)的能效評(píng)價(jià)，并結(jié)合評(píng)估結(jié)果給出了相關(guān)的完善建議。文獻(xiàn)[2]從定性與定量?jī)蓚€(gè)維度構(gòu)建了企業(yè)用電能效評(píng)價(jià)模型，并以化工企業(yè)為具體對(duì)象對(duì)上述評(píng)價(jià)模型的科學(xué)性以及合理性進(jìn)行了檢驗(yàn)。2)基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析法的電力能效評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[3]運(yùn)用包絡(luò)分析法對(duì)火電廠發(fā)電機(jī)組的用電能耗進(jìn)行了評(píng)價(jià)和優(yōu)化，并通過優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)比較驗(yàn)證了上述方法對(duì)火電廠改善用電效率的積極影響。文獻(xiàn)[4]運(yùn)用包絡(luò)模型對(duì)2003—2010年間中國(guó)電力產(chǎn)業(yè)的總體能源效率進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并進(jìn)一步揭示能源效率變化的原因。3)基于綜合模型的電力能效評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[5-6]構(gòu)建了一個(gè)層次分析法和熵權(quán)法相融合的綜合模型，力圖克服決策者主觀評(píng)價(jià)信息的影響，以提高電力能效項(xiàng)目用電效率評(píng)價(jià)的科學(xué)性。文獻(xiàn)[7]構(gòu)建了層次分析法，灰色關(guān)聯(lián)法和模糊評(píng)價(jià)法相融合的制造企業(yè)能效評(píng)價(jià)模。文獻(xiàn)[8]構(gòu)建了G1群組判斷、熵權(quán)法以及主成分分析法相融合的能效評(píng)價(jià)模型。這為耗能企業(yè)的用電能效的科學(xué)評(píng)價(jià)提供了新的思路。

以上的研究，為耗能企業(yè)的用電能效評(píng)價(jià)與優(yōu)化提供了較好的理論指導(dǎo)。但同時(shí)應(yīng)當(dāng)看到，現(xiàn)有的理論研究還存在一定的不足：首先，無(wú)論是層次分析法、還是包絡(luò)法、熵權(quán)法，都普遍較強(qiáng)地依賴決策者的主觀判斷，客觀性不夠；其次，雖然一些學(xué)者逐漸嘗試多種方法相融合的構(gòu)建思路，但大多忽視了各評(píng)價(jià)指標(biāo)結(jié)果之間不相容性的問題。針對(duì)以上不足，將引入物元綜合評(píng)價(jià)這一新方法[9-10]，構(gòu)建一套適用于重點(diǎn)耗能企業(yè)用電能效評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系。此理論創(chuàng)新在于，力圖將指標(biāo)重要性的主觀判斷、數(shù)據(jù)的客觀處理以及指標(biāo)間的不相容性納入到統(tǒng)一的分析框架中，進(jìn)而為重點(diǎn)耗能企業(yè)的用電能效管理提供理論指導(dǎo)和參考。

1重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效評(píng)價(jià)體系設(shè)計(jì)

構(gòu)建完整的指標(biāo)評(píng)價(jià)體系，是開展重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效綜合評(píng)價(jià)的第一步?；陔娏δ苄е笜?biāo)體系的設(shè)置原則以及成熟經(jīng)驗(yàn)[1，5]，同時(shí)結(jié)合中國(guó)重點(diǎn)耗能企業(yè)的用電結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝以及能源管理的特點(diǎn)，通過綜合考慮，構(gòu)建了重點(diǎn)耗能企業(yè)能效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。該指標(biāo)體系包括經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和管理3個(gè)一級(jí)指標(biāo)體系和11個(gè)二級(jí)指標(biāo)體系。其中，一級(jí)經(jīng)濟(jì)能效指標(biāo)包括單位產(chǎn)品工序電力能耗、單位產(chǎn)值綜合電力能耗以及節(jié)能率3個(gè)二級(jí)指標(biāo)，一級(jí)技術(shù)能效指標(biāo)包括變壓器效率、電壓總諧畸變率、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率以及電熱設(shè)備電能利用率4個(gè)二級(jí)指標(biāo)，一級(jí)管理能效指標(biāo)包括供電系統(tǒng)測(cè)量及監(jiān)控完備率、節(jié)能規(guī)劃以及規(guī)章制度與日常管理3個(gè)二級(jí)指標(biāo)。具體的指標(biāo)構(gòu)成以及指標(biāo)標(biāo)識(shí)見圖1。

2物元綜合評(píng)價(jià)模型的構(gòu)建

2.1物元的概念及其評(píng)價(jià)邏輯

物元分析是用于研究和解決不相容問題的科學(xué)理論與方法。在物元分析時(shí)，識(shí)別物元是第一步。對(duì)于任一事物N，可以用特征c和量值v對(duì)其進(jìn)行表述，這個(gè)由N、c、v所構(gòu)成的有序三元組R=(N,c,v)就是物元。物元綜合評(píng)價(jià)方法的基本邏輯如下：首先，根據(jù)事物已有的數(shù)據(jù)對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象進(jìn)行分級(jí)處理，并設(shè)定各等級(jí)的邊界數(shù)據(jù)范圍；其次，將評(píng)價(jià)對(duì)象的指標(biāo)值代入相關(guān)等級(jí)的集合中進(jìn)行多決策指標(biāo)評(píng)價(jià)；最后，將評(píng)價(jià)結(jié)果與各等級(jí)集合的關(guān)聯(lián)度大小進(jìn)行比較，關(guān)聯(lián)度越大，表示評(píng)價(jià)結(jié)果與對(duì)應(yīng)的等級(jí)集合的默契程度越佳。

2.2重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效評(píng)價(jià)物元矩陣的確定

圖1　高耗能企業(yè)電力能效評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

根據(jù)物元的定義，重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效評(píng)價(jià)的物元矩陣可用式(1)表示：

(1)

式中：R為重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效評(píng)價(jià)物元；N為重點(diǎn)耗能企業(yè)的電力能效水平；ci為重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效的指標(biāo)，其中i=1，2，…，11，記作c=(c1,c2,……,c11)T；vi為N關(guān)于ci的量值，記作v=(v1,v2,……,v11)T。

2.3重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效評(píng)價(jià)經(jīng)典域與節(jié)域的確定

根據(jù)式(1)所展示的重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效評(píng)價(jià)物元矩陣，可得重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效的經(jīng)典域?yàn)?/p>

(2)

式中:Rj為重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效評(píng)價(jià)物元；Nj為所劃分的j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)(等級(jí)的多少根據(jù)實(shí)際情況確定)；ci為第i個(gè)指標(biāo)；vji為Nj關(guān)于指標(biāo)ci的量值范圍，即各個(gè)等級(jí)關(guān)于對(duì)應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的經(jīng)典域，可用vji=來表示；aji為特征ci取值下限值；bji為特征ci取值上限值。

相應(yīng)的，重點(diǎn)耗能企業(yè)的電力能效的節(jié)域可以描述為

(3)

式中:Rp為重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效評(píng)價(jià)指標(biāo)允許取值范圍的物元；P為重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效等級(jí)的全體；vPi(i=1，2，…，11)分別為P關(guān)于ci的取值范圍，即P的節(jié)域，記為vPi=(i=1，2，…，11)，取值的允許范圍應(yīng)滿足vji?vPi。

2.4指標(biāo)各等級(jí)的關(guān)聯(lián)度的確定

關(guān)聯(lián)度用于表示重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效評(píng)定指標(biāo)關(guān)于各評(píng)價(jià)等級(jí)j的歸屬程度，用Kj(vi)描述可拓集合關(guān)聯(lián)度，它的取值范圍為整個(gè)實(shí)數(shù)軸。關(guān)聯(lián)函數(shù)計(jì)算值如式(4)所示:

(4)

計(jì)算Kj(vi)時(shí)，即j=1當(dāng)時(shí)，在進(jìn)行第1等級(jí)判定計(jì)算時(shí)，對(duì)于正指標(biāo)(指實(shí)際值越大，在能效評(píng)價(jià)中所起正面效應(yīng)越大的指標(biāo))，如果出現(xiàn)vi≥(aPi+bPi)/2或者對(duì)于負(fù)指標(biāo)(指實(shí)際值越小，在能效評(píng)價(jià)中所起負(fù)面效應(yīng)越大的指標(biāo))，如果出現(xiàn)vi≤(aPi+bPi)/2，則用式(5)進(jìn)行計(jì)算:

(5)

2.5重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效水平第j等級(jí)關(guān)聯(lián)度的判定

如果指標(biāo)ci的權(quán)系數(shù)為λi(i=1,2,…,11)且∑λi=1，則

(6)

值Kj(p0)表示p屬于p0的程度。進(jìn)一步若

Kj(p0)=maxKj(p0)

(7)

則評(píng)定重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效水平為j等級(jí)。

從作用來看，重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效的物元評(píng)價(jià)模型的關(guān)聯(lián)度比模糊數(shù)學(xué)的隸屬度所代表的內(nèi)涵更為豐富，它能揭示出更多的分異信息。當(dāng)Kj(p0)>0時(shí)，表示重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效水平符合第j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求，且值越大，符合程度越高；當(dāng)-1≤Kj(p0)≤0時(shí)，表示重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效水平不符合第j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求，但具備轉(zhuǎn)化為該級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的條件，且值越大，越易轉(zhuǎn)化；當(dāng)Kj(p0)<-1時(shí)，表示重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效水平不符合j級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的要求，且不具備轉(zhuǎn)化為該級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的條件，其值越小，表示與某級(jí)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的差距就越大。

3案例分析

某公司創(chuàng)建于1958年，是中國(guó)大型的重型機(jī)械制造企業(yè)。經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)發(fā)展，公司目前總資產(chǎn)已逾百億元，擁有各類生產(chǎn)設(shè)備七千余臺(tái);可完成400t級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼錠的澆筑、600t級(jí)優(yōu)質(zhì)鍛件的鍛造以及770t級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼水的冶煉，并可完成大型復(fù)雜構(gòu)建的加工；具備較強(qiáng)的公路、水路、鐵路等綜合遠(yuǎn)程運(yùn)輸能力；具備從后端冶煉、鍛造、熱處理、機(jī)械加工、裝配等到前端售后服務(wù)的一體化能力。但近年來隨著企業(yè)規(guī)模的不斷壯大，電力能耗問題逐漸凸現(xiàn)，并成為制約公司發(fā)展的關(guān)鍵一環(huán)。下面引入物元綜合模型對(duì)某公司的電力能效進(jìn)行評(píng)價(jià)，找出其存在的問題并進(jìn)行相應(yīng)改善。在電力能效等的評(píng)定上，將其分為4個(gè)等級(jí)，分別為“高”、“較高”、“中等”和“低”

表1　某公司電力能效評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)聯(lián)度輸出表

3.1數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理

對(duì)于那些不能通過客觀數(shù)據(jù)量化的指標(biāo)，采取主觀打分法來確定具體指標(biāo)的優(yōu)劣，在操作上，選擇了5位電力行業(yè)的能效專家或?qū)W者對(duì)某公司電力能耗評(píng)價(jià)指標(biāo)各個(gè)層級(jí)進(jìn)行打分，然后運(yùn)用層次分析法yaaph軟件，計(jì)算各指標(biāo)層級(jí)的權(quán)重系數(shù)。而對(duì)可以通過量化得到的指標(biāo)，則通過無(wú)量綱化的處理后評(píng)分。運(yùn)用式(4)計(jì)算該公司電力能效評(píng)價(jià)系統(tǒng)中各二級(jí)指標(biāo)在各等級(jí)下的關(guān)聯(lián)度，進(jìn)一步，運(yùn)用式(6)和式(7)，最終可以得到該公司電力能效指標(biāo)關(guān)聯(lián)度和綜合評(píng)價(jià)等級(jí)。相關(guān)的結(jié)果如表1所示。

3.2結(jié)果分析

從表1的結(jié)算結(jié)果來看，雖然某公司最終的電力能效綜合評(píng)價(jià)為“較高”等級(jí)，但在11項(xiàng)參與評(píng)價(jià)的指標(biāo)中，有5項(xiàng)指標(biāo)的評(píng)價(jià)僅為“中等”等級(jí)，低于綜合評(píng)價(jià)水平。這意味著，對(duì)某公司而言，如果要在未來的能效管理中確保自身的用電能效處于較高水平狀態(tài)，那么提高單位產(chǎn)品工序電力能耗、節(jié)電率、電壓總諧畸變率、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行效率、電能配送線損率這幾項(xiàng)指標(biāo)的表現(xiàn)就變得勢(shì)在必行。

通過以上的案例計(jì)算分析可以發(fā)現(xiàn)，物元綜合評(píng)價(jià)模型不僅能對(duì)重點(diǎn)耗能企業(yè)綜合電力能效進(jìn)行評(píng)價(jià)，而且還可以分析各項(xiàng)具體指標(biāo)的表現(xiàn)，能夠幫助重點(diǎn)耗能企業(yè)迅速地找出制約企業(yè)電力能效的問題所在，這為重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效管理的改進(jìn)指明方向。

4結(jié)語(yǔ)

隨著中國(guó)能源與環(huán)境問題的不斷凸顯，提升電力能效已成為重點(diǎn)耗能企業(yè)亟待解決的課題。基于這一背景，通過將電力能效指標(biāo)重要性的主觀判斷、數(shù)據(jù)的客觀處理以及指標(biāo)間的不相容性納入到統(tǒng)一的分析框架中，構(gòu)建了重點(diǎn)耗能企業(yè)用電能效的物元綜合評(píng)價(jià)模型，并以某公司為例，對(duì)這一模型的實(shí)用性進(jìn)了考察。結(jié)果顯示：基于物元的重點(diǎn)耗能企業(yè)電力能效評(píng)價(jià)模型，可以較好地揭示重點(diǎn)耗能企業(yè)的綜合電力能效水平以及能效管理中存在的問題，進(jìn)而為電力能效的進(jìn)一步提升提供了可行的操作思路。

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中圖分類號(hào)：F062.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1003-6954(2016)02-0064-05

作者簡(jiǎn)介：

盧思瑤(1986)，碩士研究生、工程師，研究方向?yàn)殡娏I(yíng)銷與供應(yīng)鏈；

陳纓(1967)，碩士研究生、高級(jí)工程師，國(guó)網(wǎng)四川省電力公司博士后創(chuàng)新實(shí)踐基地博士后合作導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏I(yíng)銷與能效評(píng)價(jià)；

張振雨(1981)，工程師、碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏?yīng)鏈。

(收稿日期：2015-12-22)