基于AHP-DEA灰色關(guān)聯(lián)的分布式能源系統(tǒng)評價(jià)研究

李存斌 陽佳穎

摘 要：針對分布式能源系統(tǒng)綜合評價(jià)的多準(zhǔn)則性和復(fù)雜性以及層次分析法（AHP）的主觀性強(qiáng)和數(shù)據(jù)包絡(luò)法（DEA）不考慮決策者主觀偏好的缺陷，提出了一種綜合AHP和DEA的評價(jià)方法，并融合灰色關(guān)聯(lián)度，建立起分布式能源系統(tǒng)的綜合評價(jià)體系。結(jié)合實(shí)際的系統(tǒng)規(guī)劃問題運(yùn)用該模型進(jìn)行求解分析，分析結(jié)果表明光伏系統(tǒng)運(yùn)行成本低、環(huán)境效益好，因此評價(jià)結(jié)果最優(yōu)。同時(shí)，該評價(jià)結(jié)果還與集對分析評價(jià)法、熵值評價(jià)法下得出的結(jié)論進(jìn)行了比較，比較結(jié)果的一致性表明，該評價(jià)方法具備可行性。

關(guān)鍵詞：分布式能源系統(tǒng);層次分析法（AHP）;數(shù)據(jù)包括法（DEA）;評價(jià);灰色關(guān)聯(lián)

中圖分類號：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.26.110

0 引言

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開能源的支持，但是我國大量的能源消耗依賴于煤炭等化石燃料，這就帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下，分布式能源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生、逐步發(fā)展，并在能源革命中扮演中重要的角色。分布式能源系統(tǒng)更加側(cè)重需求側(cè)，強(qiáng)調(diào)要根據(jù)用戶的用電、熱、冷、氣等需求，在用戶側(cè)進(jìn)行安裝的多能系統(tǒng)。分布式能源系統(tǒng)大大革新了傳統(tǒng)的供能方式，綜合電、熱、冷等多種能量，提高了能源的利用效率，同時(shí)還具有環(huán)保、可靠性高、靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

目前關(guān)于分布式能源系統(tǒng)的研究多集中在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化、系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的可靠性、靈活性等特性的分析以及對系統(tǒng)的評價(jià)。分布式能源系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及多種能量之間的耦合和轉(zhuǎn)換，其評價(jià)也將是一個(gè)多準(zhǔn)則、多指標(biāo)的問題。一次能源利用率指標(biāo)多為評價(jià)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。Thomas等討論不同能源矢量（如電廠的電，鍋爐的熱，電制冷機(jī)的冷）和熱電廠的一次能源利用率，并利用這些指標(biāo)評估冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（CCHP）的潛在節(jié)能性。Ehyaei就歐洲各國熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)（CHP）的能效評價(jià)指標(biāo)和準(zhǔn)則做出了分析。但是顯然，單個(gè)能效指標(biāo)很難對分布式能源系統(tǒng)做出評價(jià)。Hongbo Ren 對日本的分布式住宅能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)（投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用）、能效（一次能源節(jié)約率）以及環(huán)境（CO2年排放量）多個(gè)方面展開了分析，綜合運(yùn)用層次分析法和多屬性決策方法對分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行了評價(jià)。陳等針對區(qū)域內(nèi)綜合能源系統(tǒng)的能源環(huán)節(jié)、裝置環(huán)節(jié)、配電網(wǎng)環(huán)節(jié)和用戶環(huán)節(jié)建立了多項(xiàng)評估指標(biāo)，并采用網(wǎng)絡(luò)分析法（ANP）—反熵權(quán)等方法來確定指標(biāo)的權(quán)重以及評價(jià)函數(shù)。董等針對分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、能耗、環(huán)境因素構(gòu)建了多屬性集對分析模型，對比評價(jià)了多個(gè)分布式能源系統(tǒng)。同樣，張等利用信息熵的原理就系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、能耗、環(huán)境因素對不同的分布式能源系統(tǒng)之間的差異進(jìn)行了評價(jià)。對分布式能源系統(tǒng)的評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)方法的不同，評價(jià)的結(jié)果也會(huì)有所出入，很難說明何種方法更為科學(xué)、更加準(zhǔn)確。

本文在考慮分布式能源特性的基礎(chǔ)上，選擇了五種有代表性的分布式能源系統(tǒng)，構(gòu)建包括經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)（投資成本、運(yùn)行成本）、能效性指標(biāo)（一次能源消耗量、一次能源利用率）、環(huán)境性指標(biāo)（CO2年排放量、NOx年排放量）在內(nèi)的多指標(biāo)評價(jià)體系。綜合AHP和DEA評價(jià)方法，并考慮灰色關(guān)聯(lián)度來對各個(gè)方案進(jìn)行排序評價(jià)，既考慮到?jīng)Q策者的主觀偏好，又能避免受到過多人為因素的干擾，形成較為完善的分布式能源系統(tǒng)的評價(jià)體系。

1 基于AHP-DEA灰色關(guān)聯(lián)評價(jià)方法

1.1 層次分析法（AHP）

層次分析法是主觀評價(jià)的一種常用方法，結(jié)合各個(gè)專家的不同意見，能夠在一定程度上發(fā)揮專家在某一領(lǐng)域積累的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的優(yōu)勢性，操作起來也較方便。但是，層次分析法的劣勢也很明顯。受到類似個(gè)人偏好、認(rèn)識(shí)水平等主觀因素的影響，人為因素對決策的影響較大，往往會(huì)給決策數(shù)據(jù)帶來偏差。

1.2 數(shù)據(jù)包絡(luò)法（DEA）

1.3 AHP和DEA綜合權(quán)重計(jì)算

AHP能夠反映決策者的主觀偏好，DEA表示出對各個(gè)決策單元相對最有利的指標(biāo)權(quán)重。將AHP和DEA相結(jié)合，采用線性加權(quán)的方法來確定由主觀和客觀共同組成的綜合評價(jià)權(quán)重。相比較單一的AHP或DEA評價(jià)方法，這一方法更加客觀和準(zhǔn)確。綜合權(quán)重的計(jì)算表達(dá)式如下：

1.4 基于灰色關(guān)聯(lián)分析的綜合評價(jià)模型

在對方案進(jìn)行評價(jià)時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)各個(gè)方案間的區(qū)別不明顯，不利于決策者決策。而帶有灰色關(guān)聯(lián)的綜合評價(jià)模型能夠?qū)⒏鞣桨概c最優(yōu)方案之間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行比較來確定被評價(jià)方案的優(yōu)劣，從而有效提高各個(gè)方案之間的區(qū)分度。

（1）確定最優(yōu)方案集。

（2）方案指標(biāo)的規(guī)范化處理。

各個(gè)指標(biāo)之間不同的量綱和數(shù)量級導(dǎo)致不能直接對其進(jìn)行比較，因此需要對矩陣G進(jìn)行規(guī)范化處理。處理的辦法有Z-score法、極值處理法、功效系數(shù)法等，詳細(xì)的處理步驟見文獻(xiàn)（8）。

（3）確定灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。

（4）確定關(guān)聯(lián)度。

2 分布式能源系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)體系

2.1 分布式能源系統(tǒng)的組成

分布式能源系統(tǒng)的種類很多，不同的動(dòng)力系統(tǒng)組成不同的能源系統(tǒng)，傳統(tǒng)的有電網(wǎng)供電、燃?xì)忮仩t供熱和電空調(diào)熱冷組成的傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng)，也有吸納可再生能源主的，以光伏系統(tǒng)為例。還有諸如內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等為主要?jiǎng)恿υO(shè)備的分布式能源系統(tǒng)。本文以上述五種分布式能源系統(tǒng)為評價(jià)對象，具體的系統(tǒng)組成如表1所示。

2.2 評價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

對一個(gè)能源系統(tǒng)的評價(jià)往往要從多角度展開，進(jìn)行全面的評價(jià)分析。在構(gòu)建分布式能源系統(tǒng)評價(jià)指標(biāo)時(shí)，遵循客觀、全面、具體的原則，從經(jīng)濟(jì)、能耗和環(huán)境三個(gè)層次來考慮，經(jīng)濟(jì)性包括系統(tǒng)的投資成本和運(yùn)行成本，能耗性主要為一次能源消耗量和一次能源節(jié)約率，環(huán)境方面突出的評價(jià)指標(biāo)為CO2和NOx排放量。由此，可以構(gòu)建出分布式能源系統(tǒng)的評價(jià)指標(biāo)為六項(xiàng)：投資成本、運(yùn)行成本、一次能源消耗量、一次能源利用率、CO2年排放量和NOx年排放量。其中，一次能源利用率為效益型指標(biāo)，其余為成本型指標(biāo)。

具體而言，投資成本反映出系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的總投資費(fèi)用，運(yùn)行成本包括系統(tǒng)主要設(shè)備的年運(yùn)行費(fèi)用以及年燃料購買費(fèi)用。一次能源消耗量包含兩個(gè)部分，一個(gè)是多聯(lián)供系統(tǒng)消耗燃?xì)饬?，另一個(gè)部分是從電網(wǎng)購買的電量轉(zhuǎn)換成一次能源消耗量，而一次能源利用率為系統(tǒng)的輸出能量與一次能源消耗量之間的比值，利用率越高，系統(tǒng)的能耗性能越好。CO2排放源有三個(gè)，分別是消耗天然氣、轉(zhuǎn)換從電網(wǎng)購的電以及制冷劑的泄露，本文在核算CO2排放量時(shí)不考慮制冷劑的泄露問題。而對于NOx排放量的核算，不同的設(shè)備有不同的排放因子，如表2所示，可根據(jù)這些排放因子來計(jì)算NOx排放量。

3 實(shí)例分析

以某酒店的分布式能源系統(tǒng)為例，酒店總面積為9600，屋頂面積為1600，光伏系統(tǒng)每千瓦需要用地6，則光伏系統(tǒng)可安裝容量為260kW。針對該分布式能源系統(tǒng)有5種設(shè)計(jì)方案，方案的具體數(shù)值如表3所示。

3.1 基于AHP的指標(biāo)權(quán)重設(shè)計(jì)

根據(jù)AHP評價(jià)的步驟邀請專家進(jìn)行打分，總目標(biāo)層A是（選擇最優(yōu)方案），準(zhǔn)則層B的各項(xiàng)準(zhǔn)則分別為投資成本低（B1），運(yùn)行成本低（B2），一次能源消耗量少（B3），一次能源利用率高（B4），CO2年排放量少（B5），NOx年排放量少（B6）。依據(jù)1-9標(biāo)度法來進(jìn)行打分，構(gòu)造如表4所示的判斷矩陣。

計(jì)算指標(biāo)權(quán)重得：

進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，CR為0.027<0.1，判斷矩陣具備滿意的一致性。

3.2 基于DEA的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

在對分布式能源系統(tǒng)方案進(jìn)行評價(jià)時(shí)，按照指標(biāo)的特性，將投資成本、運(yùn)行成本、一次能源消耗量、CO2年排放量和NOx年排放量這些取值越小越好的指標(biāo)作為輸入指標(biāo)，而一次能源節(jié)約率這個(gè)取值越大越好的指標(biāo)為輸出指標(biāo)。在進(jìn)行DEA評價(jià)時(shí)，首先要對數(shù)據(jù)進(jìn)行無綱量化處理，本文采用線性比例法來進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，處理后的矩陣B如下所示。

3.3 綜合權(quán)重的確定

3.4 帶有灰色關(guān)聯(lián)分析的AHP-DEA評價(jià)模型

根據(jù)評價(jià)指標(biāo)的特點(diǎn)，選擇最優(yōu)方案指標(biāo)集與評價(jià)指標(biāo)構(gòu)成的矩陣G

由上表可知，帶有灰色關(guān)聯(lián)度的綜合評價(jià)法中，S2系統(tǒng)是最優(yōu)方案，其次是S3，S5，S4，最差方案為S1。S2、S3運(yùn)行成本低，一次能源消耗少，且一次能源利用率高，同時(shí)產(chǎn)生的污染也很少，所以其評價(jià)值較高。而S1方案，雖然投資成本最低，但是其運(yùn)行成本高、一次能源消耗多且利用率低，在環(huán)保上也較其他系統(tǒng)方案差，故其評價(jià)值最低。對于系統(tǒng)S5和S4，雖然能源消耗和利用率都沒有優(yōu)勢，但是其在經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢很明顯，所以往往會(huì)優(yōu)于方案1，但是要差與方案2和方案3。因此，對于更重視一次能源的消耗和利用率的決策者而言，方案2和方案3更優(yōu)，而對于更加看重投資成本的決策者而言，方案4和方案5則相對最優(yōu)。

AHP法建立在主觀評價(jià)的基礎(chǔ)上，其排序情況是S2>S3>S4>S5>S1，大體與本文實(shí)際情況相同，在S4和S5之間略有差別。但是AHP法主觀性太強(qiáng)，往往缺乏公正性和客觀性。DEA從每個(gè)決策單元的角度出發(fā)，整體評價(jià)情況并不理想，沒有區(qū)分出S2、S3和S5三個(gè)系統(tǒng)方案之間的差別。AHP法下評價(jià)值最高與最低之間的差值為0.256，DEA法得出的差值為0.083，本文提出的方法的差值為0.637，較AHP法和DEA法相比，該方法的取值范圍大得多，這說明運(yùn)用本文提出的方法對分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行評價(jià)，能夠在很大程度上提高各個(gè)方案之間的對比度，評價(jià)也就更為合理、有效。同時(shí)，由于該方法對樣本數(shù)據(jù)沒有嚴(yán)格的要求，即使數(shù)據(jù)沒有典型的分布規(guī)律，也同樣能夠通過該方法進(jìn)行評價(jià)。另外，貼近度法和熵值法得出的結(jié)論與本文的結(jié)論一致，進(jìn)一步說明本文的方法具備可行性和合理性。

4 結(jié)論

本文建立了分布式能源系統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)AHP-DEA綜合評價(jià)模型，該模型綜合了三種方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢，以灰色關(guān)聯(lián)為主，綜合考慮AHP和DEA法確定的主觀權(quán)重和單個(gè)決策單元下的相對最優(yōu)權(quán)重，來確定不同方案的綜合權(quán)重，從而計(jì)算出各個(gè)方案之間的關(guān)聯(lián)度。得出的結(jié)論包括：

（1）對分布式能源系統(tǒng)的評價(jià)可從多個(gè)角度進(jìn)行，同時(shí)考慮其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、能耗等因素，建立多角度評價(jià)指標(biāo)體系。

（2）基于灰色關(guān)聯(lián)的AHP-DEA法綜合評價(jià)模型，將主觀評價(jià)與客觀評價(jià)相結(jié)合，并采用灰色關(guān)聯(lián)方法來進(jìn)行各個(gè)方案之間的比較。對于5種分布式能源系統(tǒng)方案，分布式光伏系統(tǒng)具有運(yùn)行成本低、能效高、環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn)，視為最優(yōu)方案。并且該結(jié)論與貼近度法、熵值法的評價(jià)結(jié)果相一致。

（3）站在不同角度的決策者對于方案有不同的選擇，看重經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)時(shí)，以內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)為主的能源系統(tǒng)更優(yōu);更偏好系統(tǒng)的能耗時(shí)，光伏系統(tǒng)是最佳選擇;對優(yōu)先系統(tǒng)環(huán)保性的決策者而言，選擇燃料電池系統(tǒng)則為相對最優(yōu)決策。

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