基于改進共原點灰色聚類的清潔能源消納綜合效益評估

譚鑫,徐秋磊，王潔雨，張延伍，馬云

(中國能源建設集團江蘇省電力設計院有限公司，江蘇 南京 211102)

隨著全球人口和經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模急劇增長，煤炭、石油等化石能源被人類大規(guī)模地開采和利用，引發(fā)了氣候變暖，海平面上升，氣候系統(tǒng)紊亂，臺風、洪水、干旱頻繁發(fā)生等一系列環(huán)境問題，嚴重威脅了人類的生存和發(fā)展[1-2]。電力行業(yè)是二氧化碳減排的重點行業(yè)，美國規(guī)定到2025年，電力公司的售電中要有25%來自于可再生資源，歐盟提出到2020年可再生能源占能源消耗的比重將在1990年的基礎上提高20%，溫室氣體排放量在1990年的基礎上減少20%[3]。

近年來，中國清潔能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)在國家大型工程項目和國際合作項目的推動下迅速發(fā)展[4-5]。2018年，中國風、光、水、核4種清潔能源總發(fā)電裝機達到749 GW，總發(fā)電量累計2.08×1012kWh，其中：風電利用率達92.8%，光伏利用率達97.0%，水能利用率95.0%以上；核電運行平穩(wěn)，利用率保持較高水平[6]。整體而言，清潔能源消納的形勢持續(xù)向好，已經(jīng)達到國際先進水平[7]。

長期以來，中國清潔能源發(fā)展一直以棄電的高低作為評估標準，只關注清潔能源電力的未利用部分，忽視了整個能源和電力系統(tǒng)為消納清潔能源付出的努力和成本，易引起社會各界的誤解。針對清潔能源消納綜合效益評估的研究仍處于初步階段，但針對電網(wǎng)的綜合效益評估已有較多研究。文獻[8]擺脫了目前評估結果與儲能系統(tǒng)配置方案的局限性，提出一種考慮電網(wǎng)調(diào)峰能力限制的風儲聯(lián)合系統(tǒng)概率綜合效益評估方法。文獻[9]突出未來電網(wǎng)經(jīng)濟安全因素，有效消除主觀因素對評估效果的影響及影響因素的不確定性，結合配電網(wǎng)的特點，使用區(qū)間數(shù)理論改進的層次分析法和可拓評估方法對配電網(wǎng)項目的技術、經(jīng)濟、社會效益進行量化分析。文獻[10]將新能源消納與水電替代2種方案下電網(wǎng)公司綜合效益水平的差額作為新能源消納部分的效益，提出基于改進灰色系統(tǒng)白化權函數(shù)的新能源消納綜合效益評估方法，并引入群組判斷和指數(shù)標度來提高評估方法的客觀性和可行性。文獻[11]采用基于逼近理想解排序(technique for order preference by similarity to solution，TOPSIS)的灰色關聯(lián)投影法計算灰色關聯(lián)投影貼近度，引入綜合效益發(fā)展水平指標，進行跨國聯(lián)網(wǎng)工程經(jīng)濟、社會、環(huán)境效益的二次加權計算。文獻[12]從機動車車輛運行和低碳排放的角度，研究在新能源替代后純電動汽車帶來的污染減排、碳減排、能源節(jié)約效益和經(jīng)濟成本。參考以上文獻，本文從整個能源系統(tǒng)經(jīng)濟性和全社會用電成本的角度，對清潔能源消納的綜合效益評估展開研究。

清潔能源項目所產(chǎn)生的綜合效益究竟如何，有哪些指標可以具體體現(xiàn)其所產(chǎn)生的綜合效益，也是當前亟待研究的熱點問題。本文通過建立合理的評估指標體系，為清潔能源項目規(guī)劃提供量化指導。在賦權環(huán)節(jié)，利用評估指標的變異系數(shù)代替主觀確定相鄰評估指標的重要性程度之比，可避免單一賦權方法無法反映客觀數(shù)據(jù)信息或決策者主觀意圖的弊端；在綜合效益評估環(huán)節(jié)，針對共原點灰色聚類函數(shù)存在的灰類交叉及隸屬度等速率變化不合理現(xiàn)象，對原函數(shù)的灰類區(qū)間和隸屬度走勢進行修改，提出中心化拋物線形函數(shù)的改進共原點聚類函數(shù)，利用此函數(shù)進行評估，使得結果更具合理性與真實性。

1 清潔能源消納綜合效益評估指標體系

1.1 綜合效益評估指標體系

清潔能源是能源轉型發(fā)展的重要力量，積極消納清潔能源是貫徹能源生產(chǎn)和消費革命戰(zhàn)略，建設清潔低碳、安全高效的現(xiàn)代能源體系的有力抓手，也是加快生態(tài)文明建設，實現(xiàn)美麗中國的關鍵環(huán)節(jié)。從能源格局演變看，新型清潔能源取代傳統(tǒng)能源是大勢所趨，能源發(fā)展軌跡和規(guī)律是從高碳走向低碳，從不清潔走向清潔，從不可持續(xù)走向可持續(xù)。開發(fā)利用水能、風能、生物質(zhì)能等清潔能源符合能源發(fā)展的軌跡，對建立可持續(xù)的能源系統(tǒng)，促進國民經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護發(fā)揮著重大作用。大力發(fā)展清潔能源可以逐步改變傳統(tǒng)能源消費結構，減小對能源進口的依賴程度，提高能源安全性，減少溫室氣體排放，保護生態(tài)環(huán)境，促進經(jīng)濟又好又快發(fā)展。結合清潔能源消納的優(yōu)勢，本文從經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益出發(fā)，分別選取具有代表性的清潔能源消納效益評估指標，見表1。

表1 清潔能源消納綜合效益評估指標體系Tab.1 Comprehensive benefit evaluation index system of clean energy consumption

1.2 綜合效益評估指標分析

1.2.1 經(jīng)濟效益

a)內(nèi)部收益率——項目資金流入現(xiàn)值總額與資金流出現(xiàn)值總額相等的折現(xiàn)率，能夠較好地反映清潔能源消納可能帶來的經(jīng)濟效益[13]，其計算方法為

(1)

式中：in和in+1分別為較低和較高的試算貼現(xiàn)率；PNPV,n和PNPV,n+1分別為in和in+1對應的凈現(xiàn)值；一般情況下內(nèi)部收益率i*不小于基準收益率時認為項目是可行的。

b)投資回收期——從項目投建起，項目各年的凈收入將全部投資收回所需的期限[14]，其計算方法為

(2)

式中：K為總投資；Min,t和Mout,t分別為第t年收入和支出；MN,t為第t年凈收入；Tp為投資回收期。

c)清潔能源發(fā)電利用率。中國清潔能源消納總量一直持續(xù)增長，與此同時，中國目前用電需求進入低速增長階段，全社會用電增速持續(xù)下降。清潔能源發(fā)電利用率Ru是指清潔能源消納增長率和全社會用電量增長率的比值，用來衡量整個能源和電力系統(tǒng)為消納清潔能源付出的努力和成本，其計算方法為

(3)

式中：Qt和Qt-1分別為第t年和t-1年的清潔能源消納總量；Ct和Ct-1分別為第t年和t-1年的全社會用電量。

1.2.2 社會效益

a)區(qū)域產(chǎn)值貢獻。對經(jīng)濟增長貢獻的大小是考察項目優(yōu)劣的重要判別標準之一，能源建設與運行是促進一個地區(qū)或區(qū)域經(jīng)濟增長基礎條件之一[15]，通過區(qū)域產(chǎn)值貢獻S可以確定清潔能源消納對國民經(jīng)濟的影響，其計算方法為

(4)

式中：M為當年售電量的年收入；G為相應年份的區(qū)域GDP。

b)單位投資新增就業(yè)人數(shù)。項目的建設運營涉及到設計、建設、維護等專業(yè)，為社會提供了一些就業(yè)機會，單位投資新增就業(yè)人數(shù)NI可充分反映項目帶來的就業(yè)效益[16]，其計算方法為

NI=Nm/It.

(5)

式中：Nm為本項目新增就業(yè)人數(shù)；It為項目的權益投資額。

c)清潔能源發(fā)電量占比。通過清潔能源消納，一個地區(qū)或區(qū)域可進行合理的資源優(yōu)化配置，充分利用當?shù)氐那鍧嵞茉?，即提高了清潔能源發(fā)電量占比rce[17]，其計算公式為

(6)

式中Ece和Etotal分別為該區(qū)域清潔能源發(fā)電量和總的發(fā)電量。

d)相關產(chǎn)業(yè)影響力系數(shù)。消納清潔能源會對當?shù)叵嚓P產(chǎn)業(yè)，如電采暖、電動汽車、港口岸電、電制氫等產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生極大的影響。相關產(chǎn)業(yè)影響力系數(shù)cri用來衡量消納清潔能源對相關產(chǎn)業(yè)的影響力，其計算方法為

(7)

式中Db和Da分別為該區(qū)域消納清潔能源前后相關產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)需求。若cri≥1，則消納清潔能源對其他產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)的波及影響程度超過社會平均影響力水平。

1.2.3 環(huán)境效益

a)綜合能耗率。清潔能源消納可以提升當?shù)氐木C合能耗率。根據(jù)GB/T 2589—2008《綜合能耗計算通則》的相關規(guī)定，項目的綜合能耗率反映了項目建設實施產(chǎn)生的節(jié)能效果[18]，其計算方法為

η′=η/O.

(8)

式中：η′為項目綜合能耗率；η為當年的項目綜合能耗價值；O為當年的項目凈產(chǎn)出情況。

b)約束煤炭資源消耗量。清潔能源消納對環(huán)境效益產(chǎn)生的積極影響體現(xiàn)在通過清潔電能的并網(wǎng)輸送實現(xiàn)對地區(qū)傳統(tǒng)火電的清潔替代，從而有效減少電力行業(yè)煤炭等化石能源資源的燃燒利用，優(yōu)化能源結構。約束煤炭資源消耗量的計算方法為

τ*=τ′-τ.

(9)

式中：τ*為約束煤炭資源消耗量；τ′和τ為項目建設后和現(xiàn)電力行業(yè)平均煤炭資源消耗量。

c)項目減少溫室氣體排放量。清潔能源的消納有助于清潔能源的開發(fā)利用，減少溫室氣體排放，實現(xiàn)《聯(lián)合國氣候變化框架公約》的溫控目標[19]。項目減少溫室氣體量的計算方法為

θ*=θ′-θ.

(10)

式中：θ*為項目減少溫室氣體排放量；θ′和θ為項目建設后和現(xiàn)電力行業(yè)平均供電減少的溫室氣體排放量。

d)土壤污染指數(shù)優(yōu)化水平。清潔能源的消納可以有效遏制因煤炭開采而引起的地表塌陷和生態(tài)系統(tǒng)破壞，實現(xiàn)土壤質(zhì)量的改善。土壤污染指數(shù)優(yōu)化水平為清潔能源消納前后土壤污染指數(shù)的差值，其計算方法為

Δp=pb-pa.

(11)

式中：Δp為土壤污染指數(shù)優(yōu)化水平；pb和pa為項目建設前后該地區(qū)的土壤污染指數(shù)。

e)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量改善水平。清潔能源的消納既可以有效遏制可再生能源的棄風、棄水等現(xiàn)象，也可以減少傳統(tǒng)火力發(fā)電產(chǎn)生對區(qū)域環(huán)境的污染，實現(xiàn)區(qū)域環(huán)境質(zhì)量的改善。該指標可采用專家咨詢的方式獲取指標數(shù)據(jù)。

2 清潔能源消納綜合效益評估模型

鑒于評估對象的特殊性，需要確定項目綜合效益水平的評估模型。本文在已構建指標體系的基礎上，結合清潔能源消納綜合效益的特點，建立基于混合交叉賦權法和改進共原點灰色聚類評估方法相結合的評估模型，流程如圖1所示。

圖1 清潔能源消納綜合效益評估流程Fig.1 Flow chart of comprehensive benefit evaluation of clean energy consumption

2.1 基于變異系數(shù)-序關系法的混合交叉賦權方法

2.1.1 變異系數(shù)賦權法

設wk為第k個指標的變異系數(shù)客觀權重，其計算公式[20]如下：

(12)

(13)

2.1.2 序關系法

序關系法是一種充分體現(xiàn)專家意愿的主觀賦權法[21]，其計算過程如下：

a)專家對指標進行重要性排序。

b)由專家確定相鄰指標Xk-1和Xk重要性程度之比的理性賦值rk，即

rk=Xk-1/Xk.

(14)

c)根據(jù)專家確定的理性賦值rk，可以計算第m個指標的權重

(15)

d)由權重wm可得第m-1,m-2,…,1個指標的權重計算公式為

wk-1=rkwk，k=m,m-1,…,3,2.

(16)

2.1.3 混合交叉賦權法

為了避免序關系法或變異系數(shù)法單獨確定權重無法反映實際數(shù)據(jù)客觀信息或決策者主觀意圖的弊端，本文使用評估指標的變異系數(shù)確定相鄰指標的重要性程度之比，來代替序關系法中的方法，構造基于變異系數(shù)-序關系法的混合交叉賦權方法。具體計算步驟如下：

a)專家確定評估指標的重要性程度排序關系。

b)計算變異系數(shù)。設Ck為第k個指標的變異系數(shù)值，則

(17)

c)采用評估指標的變異系數(shù)值確定理性賦值dk，即

(18)

d)根據(jù)式(18)計算得到的dk值，可得到第m個指標的混合交叉權重

(19)

e)由權重Wm可得第m-1,m-2,…,1個指標的權重為

Wk-1=dkWk，k=m,m-1,…,3,2.

(20)

式中：Wk-1和Wk分別為第k-1和第k個指標的混合交叉賦權權重；dk為采用變異系數(shù)確定的評估指標間的理性賦值。

2.2 改進共原點灰色聚類評估方法

本文針對共原點聚類函數(shù)[22]的灰類交叉以及隸屬度等速率變化的不準確性，通過對共原點灰色聚類的函數(shù)區(qū)間和形式進行修改，提出新的函數(shù)表達式。對于某評估對象po，設有m個評估指標，其計算過程如下：

a)根據(jù)評估要求劃分灰類數(shù)S。

b)在每一灰類下選取區(qū)間的中心值作為該灰類區(qū)間的閾值，即λj(j=1,2,…,S)。

c)聚類函數(shù)在1/2處時出現(xiàn)轉折點，此處指標靠近閾值的變化速率變化最大。結合二次函數(shù)的特點，連接(λj-1,0),(λj,0),(λj+1,0)構造二次函數(shù)型的“S”形拋物線作為第j灰類的灰色區(qū)間函數(shù)fj(x)，且過(aj,1/2)和(a′j,1/2)。其中aj∈(λj-1,λj)，a′j∈(λj,λj+1)，則

(21)

(22)

(23)

其中

(24)

d)計算清潔能源消納綜合效益屬于每一灰類j的綜合聚類系數(shù)σj，

(25)

式中fk,j(x)為指標k屬于第j灰類的灰色區(qū)間函數(shù)。

e)若σq(po)=max[σj(po)]，則待評估對象po屬于q等級。

綜上所述，在原共原點灰色聚類函數(shù)中當各個灰類等級的閾值λ相差較小時，第j灰類的上限λj與j+1甚至以上的灰類閾值相交叉，造成多個灰類相交的情況，使得某指標分布在不同的灰類區(qū)間，不符合理性思維方式，評價結果存在不合理性。改進灰類區(qū)間是以第j灰類的閾值(λj,1)為最大隸屬度點，以j-1灰類與j+1灰類的(λj-1,0)和(λj+1,0)作為起點和終點，構成該灰類的灰類區(qū)間，克服了傳統(tǒng)灰類區(qū)間多個灰類相交的情況。

同時，原共原點灰色聚類函數(shù)采用的是直線型走勢，指標從某一等級到另一等級的變化是以固定變化速率改變的，沒有反映聚類的引力效應。改進后的函數(shù)走勢結合了二次函數(shù)的曲線型走勢，在每一灰類的閾值兩側采用二次函數(shù)的圖像走勢，二次函數(shù)的連接點隸屬度增速變化最大，因此構造了由2個二次函數(shù)拋物線的復合變化“S”形曲線形式，當指標剛剛進入到某一新環(huán)境時，處于適應階段，引力效應逐漸增大。當指標隸屬度函數(shù)值達到1/2時，圖像出現(xiàn)拐點，此時指標開始接近閾值，引力效應慢慢趨于穩(wěn)定。

3 案例研究

本文以J省的S風電消納項目為例開展研究，其中區(qū)域產(chǎn)值貢獻通過計算可研報告中項目的營業(yè)收入與相應省每年GDP的比值來獲取，約束煤炭資源消耗量、項目減少溫室氣體排放量指標借鑒相同裝機容量火電項目消耗的煤炭資源量與排放的溫室氣體量，通過計算火電項目與該風電消納項目的對應量的差額得以獲取。土壤污染指數(shù)和區(qū)域環(huán)境質(zhì)量改善水平從專家咨詢和專業(yè)機構獲取。

3.1 S風電消納項目綜合效益評估指標權重計算

根據(jù)項目需要，向10位電力技術、技術經(jīng)濟、環(huán)境保護等領域的專家提供評估指標。經(jīng)過10位專家討論，結合S風電消納項目綜合效益的特點，最終確定評估指標的序關系：C3>C2>C1>B3>C4>C5>B4>A1>B1>B2>A2>A3。引入10個類似目標項目案例的相關數(shù)據(jù)，對各指標的數(shù)值差異進行計算，獲得每個指標的變異系數(shù)見表2。

表2 S風電消納綜合效益評估各指標變異系數(shù)Tab.2 The variable coefficient of each index of wind power consumption S

采用計算所得評估指標的變異系數(shù)值與混合交叉賦權方法重要性程度比值的確定方法，計算各指標間的理性賦值，結果見表3。

表3 各指標間的理性賦值Tab.3 Rational assignments between each index

根據(jù)dk值，計算得到WA3=0.050 2,進而計算得到各指標的權重見表4。

表4 S風電消納綜合效益評估各指標權重Tab.4 Each index weight of wind power consumption S

從權重結果可以看出，對清潔能源消納綜合效益影響最大的指標是環(huán)境效益，權重為0.524 9，主要原因是與一般火電項目對比，清潔能源的消納利用從根本上解決了全社會最為關心的環(huán)境污染問題。其次是社會效益，權重為0.309 7，主要原因是一個項目的實施帶來的最直接效益應該反映在每一個社會主體上，為社會謀福利，才能讓社會從根本上接受這個項目。在社會效益中，影響最大的評估指標是清潔能源發(fā)電量占比，主要是因為清潔能源發(fā)電占比情況是中國清潔能源發(fā)展較為關心的問題。

3.2 S風電消納項目綜合效益評估指標等級確定

通過S風電消納項目綜合效益各評估指標的統(tǒng)計和獲取，反饋給10位專家，由專家根據(jù)項目經(jīng)驗進行打分，獲得各指標的歸一化結果見表5。

表5 S風電消納綜合效益評估指標數(shù)據(jù)及歸一化結果Tab.5 Each index data and normalization results of wind power consumption S

根據(jù)清潔能源消納的驗收標準，將清潔能源消納綜合效益評估指標體系劃分為4個灰類等級：“優(yōu)秀(0.75～1)”“良好(0.5～0.75)”“一般(0.25～0.5)”和“較差(0～0.25)”。根據(jù)每個評估灰類等級上下限的均值確定各灰類等級下的閾值，分別為：“優(yōu)秀(0.875)”“良好(0.625)”“一般(0.375)”和“較差(0.125)”。

本文分別按照原共原點灰色聚類函數(shù)和改進函數(shù)計算S風電消納項目綜合效益的聚類系數(shù)，計算結果見表6。

由表6可以看出：函數(shù)的評估結果相同，均為“優(yōu)秀”，但是原函數(shù)各個指標基本出現(xiàn)跨三級灰類相交的情況，與實際不相符合；改進共原點灰色聚類函數(shù)明顯克服了這個問題，計算更加簡單明了。評估結果表明，S風電消納項目產(chǎn)生的環(huán)境效益和社會效益足以彌補J省電網(wǎng)公司損失的經(jīng)濟效益，并帶來更高的綜合競爭力。

4 結論

“十三五”以來，國家高度重視清潔能源發(fā)展和消納利用，本文在這樣的背景下對清潔能源消納的綜合效益評估問題進行研究，提出基于混合交叉賦權和改進共原點灰色聚類的方法確定清潔能源消納的綜合效益評估等級。根據(jù)S風電消納項目的實證評估結果，得出以下結論：

a)綜合考慮清潔能源消納帶來的經(jīng)濟、社會和環(huán)境效益，建立合理的評估指標體系，不僅關注清潔能源電力的未利用部分，而且關注整個能源和電力系統(tǒng)為消納清潔能源付出的努力。

表6 S風電消納綜合效益2種評估結果對比Tab.6 Comparisons of two different comprehensive benefit evaluation results

b)對清潔能源消納綜合效益影響最大的指標是環(huán)境效益，其次是社會效益，而對清潔能源消納社會效益影響最大的指標是清潔能源發(fā)電量占比。

c)比較改進的共原點灰色聚類評估方法與原方法，可以看出改進后的灰色聚類函數(shù)比原函數(shù)更加理想化，在一定程度上克服了評估問題的不足，提高了評估的準確性。