基于層次分析法的需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目實(shí)施效果比較

王燕，黃海濤，李小玉，朱豐澤

（上海電力學(xué)院，上海 200090）

一直以來，人們對(duì)需求側(cè)響應(yīng)[1]的研究與實(shí)踐從未停止過，并且取得了良好的效果。由前人的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，需求側(cè)響應(yīng)資源具有一定的價(jià)值，這種資源價(jià)值[2]指的是需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目應(yīng)用在電力系統(tǒng)運(yùn)行中所產(chǎn)生的效果和影響，包括轉(zhuǎn)移的負(fù)荷量、避免的容量、安全可靠性的提高等方面，充分考慮需求側(cè)響應(yīng)所產(chǎn)生的各個(gè)方面的效果和影響，利用科學(xué)有效的方法對(duì)需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目實(shí)施的效果進(jìn)行評(píng)比。

現(xiàn)階段對(duì)需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目評(píng)估的研究剛剛起步，適合我國(guó)實(shí)際情況的、較全面的、權(quán)威的評(píng)估方法還未出現(xiàn)。因此，有必要對(duì)需求側(cè)響應(yīng)相關(guān)理論進(jìn)行研究，從發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、大用戶、居民、全社會(huì)等多方面因素綜合考慮，構(gòu)建科學(xué)合理的評(píng)價(jià)模型對(duì)需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目評(píng)估進(jìn)行研究。對(duì)需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目的評(píng)估有助于需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目的決策、監(jiān)督檢查需求側(cè)響應(yīng)實(shí)施的效果、對(duì)之前的需求側(cè)響應(yīng)工作進(jìn)行總結(jié)、不同城市間需求側(cè)響應(yīng)實(shí)施成果的比較、同一城市不同時(shí)間段的需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目實(shí)施效果的比較。

1 需求響應(yīng)項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)的介紹

查閱文獻(xiàn)[3]可知，按照用戶的不同響應(yīng)方式，可以將需求側(cè)響應(yīng)劃分為基于價(jià)格的需求側(cè)響應(yīng)和基于激勵(lì)的需求側(cè)響應(yīng)。

無論是基于價(jià)格的需求側(cè)響應(yīng)措施還是基于激勵(lì)的需求側(cè)響應(yīng)措施，在具體實(shí)施過程中，其作用主要是在保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的基礎(chǔ)上，減少電網(wǎng)峰荷，進(jìn)而提高整個(gè)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，并且保證其安全性。因此需求側(cè)資源的價(jià)值能夠全面體現(xiàn)在用戶側(cè)、供電側(cè)、發(fā)電側(cè)以及整個(gè)社會(huì)中。用戶側(cè)又可以分為大用戶和居民。

本文用5個(gè)指標(biāo)作為需求側(cè)響應(yīng)實(shí)施效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取層次分析法比較需求側(cè)響應(yīng)的實(shí)施效果，從而選出最優(yōu)的需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目；基于發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、大用戶、居民、全社會(huì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)還可以用于需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目的決策，在需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目實(shí)施之前，先對(duì)n種方案進(jìn)行評(píng)估，選擇出最優(yōu)的方案實(shí)施。

2 層次分析法的介紹

2.1 層次分析法的基本原理

層次分析法是將與決策有關(guān)的元素分解成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案等層次，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行的定性和定量分析的決策方法。它把人的決策思維過程層次化、數(shù)量化、模型化，并用數(shù)學(xué)手段為分析、決策提供定量的依據(jù)，是一種對(duì)非定量事件進(jìn)行定量分析的方法。該方法適用于多準(zhǔn)則、多目標(biāo)或無結(jié)構(gòu)特征的復(fù)雜問題的決策分析，廣泛用于管理評(píng)價(jià)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展比較、資源規(guī)劃分析、事故致因分析、人員素質(zhì)測(cè)評(píng)及安全經(jīng)濟(jì)分析等方面[4]。構(gòu)建層次分析結(jié)構(gòu)模型是關(guān)鍵的一步，要有主要決策層參與；構(gòu)建成對(duì)比較陣是數(shù)量依據(jù)，應(yīng)由經(jīng)驗(yàn)豐富、判斷力強(qiáng)的專家給出。

層次分析法的優(yōu)點(diǎn)[5]如下。

系統(tǒng)性：將對(duì)象視作系統(tǒng)，按照分解、比較、判斷、綜合的思維方式進(jìn)行決策。是繼機(jī)理分析、系統(tǒng)分析之后發(fā)展起來的系統(tǒng)分析的重要工具。

實(shí)用性：定性與定量結(jié)合，能處理很多用傳統(tǒng)的最優(yōu)化技術(shù)無法著手的實(shí)際問題，應(yīng)用范圍很廣。同時(shí)，這種方法使得決策者與決策分析者能夠相互溝通，決策者甚至可以直接應(yīng)用它，這就增加了決策的有效性。

簡(jiǎn)潔性：計(jì)算簡(jiǎn)便，結(jié)果明確，應(yīng)用者可以輕松了解層次分析法的基本原理，并掌握該法的基本步驟。

層次分析法的缺點(diǎn)如下。

囿舊：只能對(duì)原有的方案進(jìn)行比較，得出最優(yōu)者，沒有辦法得出更好的新方案。

粗略：本方法中的比較、判斷以及結(jié)果的計(jì)算過程都是比較粗糙的，不適用于精度較高的問題。

主觀：從建立層次結(jié)構(gòu)模型到給出成對(duì)比較矩陣，人的主觀因素對(duì)整個(gè)過程的影響很大，這就使得結(jié)果難以讓所有的決策者接受。當(dāng)然，采用專家群體判斷的方法是可以克服這個(gè)缺點(diǎn)的一種途徑。

運(yùn)用層次分析法建模一般分為以下4個(gè)步驟[6]：

1）建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型；

2）構(gòu)造判斷矩陣；

3）層次單排序及其一致性檢驗(yàn)；

4）層次總排序及其一致性檢驗(yàn)。

2.2 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

分析問題所包含的因素及其相互關(guān)系，將有關(guān)的各個(gè)因素按照不同的屬性自上而下地分解成若干層次[7]。同一層次的諸因素從屬于上一層的因素或?qū)ι蠈右蛩赜杏绊懀瑫r(shí)又支配下一層的因素或受下一層因素的作用。層次結(jié)構(gòu)通?？煞譃樽罡邔?、中間層和最底層。

最高層：目標(biāo)層。表示解決問題的目的，即層次分析要達(dá)到的總目標(biāo)，通常只有一個(gè)總目標(biāo)。

中間層：準(zhǔn)則層、指標(biāo)層、…。表示采取某種措施、政策、方案等實(shí)現(xiàn)預(yù)定總目標(biāo)所涉及的中間環(huán)節(jié)，一般又分為準(zhǔn)則層、指標(biāo)層、策略層、約束層等。

最底層：方案層。表示可選用的解決問題的各種措施、政策、方案等，通常有多個(gè)方案可選。

層次分析法要解決的問題是關(guān)于最底層對(duì)最高層的組合權(quán)重問題，按此相對(duì)權(quán)重可以對(duì)最底層中的各種方案措施進(jìn)行排序，從而在不同的方案中作出選擇或形成選擇方案的原則。

對(duì)于3層的層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 3層的層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 The hierarchical structure of the three layer model

2.3 構(gòu)造判斷矩陣

在層次結(jié)構(gòu)中，對(duì)于從屬于上一層的每個(gè)因素進(jìn)行兩兩比較，比較其對(duì)于準(zhǔn)則的重要程度，并按事前規(guī)定的標(biāo)度定量化，構(gòu)成矩陣形式，即判斷矩陣。判斷矩陣中各元素的數(shù)值一般采用1～9位標(biāo)度法確定[8]。采用標(biāo)度法，可以盡可能減少性質(zhì)不同的諸多因素相互比較的困難，提高準(zhǔn)確度。判斷矩陣元素的標(biāo)度方法如表1所示。

表1 判斷矩陣的標(biāo)度方法Tab.1 Judgment matrix method of scale

2.4 層次單排序及其一致性檢驗(yàn)

本節(jié)解決問題的關(guān)鍵是計(jì)算判斷矩陣各因素針對(duì)其準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重。首先計(jì)算判斷矩陣A的最大特征值λmax，然后求取最大特征值λmax對(duì)應(yīng)的特征向量W，經(jīng)歸一化處理，得到的結(jié)果即為同一層中各因素對(duì)于上一層次某因素相對(duì)重要性的權(quán)值。

對(duì)于三層的層次結(jié)構(gòu)模型，求取的層次單排序結(jié)果如下：A層m個(gè)因素A1，A2，…，Am；對(duì)目標(biāo)Z的排序?yàn)閍1，a2，…，am；B層n個(gè)元素對(duì)上層A中因素Aj的層次單排序?yàn)閎1j，b2j，…，bmj（j=1，2，…，m）。

在實(shí)際中要求判斷矩陣滿足大體上的一致性[9]，需對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。所謂一致性檢驗(yàn)是指判斷A是否在不一致的允許范圍之內(nèi)。只有通過檢驗(yàn)，才能說明判斷矩陣在邏輯上是否合理，才能繼續(xù)對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，參照公式（1）和公式（2）。

式中：CI（consistency index）為一致性指標(biāo)；λmax為判斷矩陣的最大特征根；n為成對(duì)比較因子的個(gè)數(shù)。CI=0，有完全的一致性；CI接近0，有滿意的一致性；CI越大，不一致性越嚴(yán)重。

CR（consistency ratio）為一致性比例。當(dāng)CR＜0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的，否則應(yīng)對(duì)判斷矩陣（不滿足一致性檢驗(yàn)需要）作適當(dāng)修正。RI（random index）為隨機(jī)一致性指標(biāo)，數(shù)值可查表2確定。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI值Tab.2 RI values of Random consistency index

2.5 層次總排序及其一致性檢驗(yàn)

計(jì)算某一層所有因素對(duì)于最高層（總目標(biāo)）相對(duì)重要性的權(quán)值，稱為層次總排序，這一過程是從最高層次到最低層次依次進(jìn)行的。A層m個(gè)因素A1，A2，…，Am，對(duì)目標(biāo)Z的排序?yàn)閍1，a2，…，am，B層n個(gè)元素對(duì)上層A中因素Aj的層次單排序?yàn)閎1j，b2j，…，bmj（j=1，2，…，m）。

設(shè)B層B1，B2，…，Bn，B層的層次總排序?yàn)锳j（j=1，2，…，m）的層次單排序一致性指標(biāo)為CIj，隨機(jī)一致性指標(biāo)為RIj，則層次總排序的一致性比率為

即B層第i個(gè)因素對(duì)總目標(biāo)的權(quán)值為

當(dāng)CR＜0.1時(shí)，認(rèn)為層次總排序通過一致性檢驗(yàn)。層次總排序具有滿意的一致性，否則需要重新調(diào)整那些一致性比率較高的判斷矩陣的元素取值。至此，最底層對(duì)最高層的層次總排序結(jié)束。

3 算例

搭建需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目決策的層次結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目的層次結(jié)構(gòu)模型Fig.2 The hierarchy model of the demand-side response project

在查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[10]的基礎(chǔ)上，通過課題組專家老師分析討論，構(gòu)造需求響應(yīng)項(xiàng)目決策的成對(duì)比較矩陣。首先構(gòu)造關(guān)于發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、大用戶、居民、全社會(huì)的成對(duì)比較矩陣A。

A的最大特征值λmax=5.19，相應(yīng)的特征向量為

一致性指標(biāo)：CI=（5.19-5）/（5-1）=0.047 5。

查表2可知，n=5的隨機(jī)一致性指標(biāo)RI=1.12，一致性比率CR=0.047 5/1.12=0.042＜0.1，通過一致性檢驗(yàn)。

同理，2013年、2014年、2015年關(guān)于發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、大用戶、居民、全社會(huì)五項(xiàng)指標(biāo)的判斷矩陣為

按照第二層的方法，可得出各屬性的最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量，特征值如表3所示。

表3 各屬性的最大特征值Tab.3 The maximum characteristic value of each attribute

特征向量W（3）為

均通過一致性檢驗(yàn)。第三層對(duì)第二層的計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 第三層對(duì)第二層的計(jì)算結(jié)果Tab.4 The result of the third to the second floor

層次總排序及一致性檢驗(yàn)為

查表2可知，n=3時(shí)，RI=0.58，CR=CI/RI=0.010 73/0.58=0.018 5＜0.1通過一致性檢驗(yàn)，則由W的結(jié)果可知，2013、2014、2015年3年中需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目實(shí)施效果比較結(jié)果為2014年最好，2013年次之，2015年最差。

4 結(jié)語

本文使用了一種新方法即層次分析法來判斷需求側(cè)響應(yīng)的實(shí)施效果，從發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、大用戶、居民、全社會(huì)綜合考慮，分析評(píng)價(jià)需求側(cè)響應(yīng)實(shí)施效果的指標(biāo)，建立基于層次分析法的需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目實(shí)施效果比較的模型，得出實(shí)施效果是2014年最好，2013年其次，2015年最差的結(jié)論。此比較結(jié)果可以為接下來需求側(cè)響應(yīng)工作的開展起到指導(dǎo)性作用。需求側(cè)響應(yīng)在中國(guó)實(shí)施的時(shí)間不長(zhǎng)，接下來需要做的工作還有很多，評(píng)估指標(biāo)的完善以及評(píng)估方法的改進(jìn)都是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

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