基于層次分析法與熵權(quán)法相結(jié)合的配電網(wǎng)節(jié)能改造技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估

孟文凱，趙墨林，王 鵬

（1.內(nèi)蒙古超高壓供電局，呼和浩特 010080；2.內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，呼和浩特 010010）

0 引言

配電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，配電網(wǎng)的節(jié)能改造不僅能使發(fā)電、輸電環(huán)節(jié)及用戶受益，對(duì)保證整個(gè)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也非常重要[1]。目前，關(guān)于配電網(wǎng)一次系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)路線并不明確，已有成果大多為專題性研究結(jié)論，尚未有綜合、系統(tǒng)性（包括技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面）的研究和工程應(yīng)用成果。文獻(xiàn)[2]從配電網(wǎng)靜態(tài)指標(biāo)和運(yùn)行指標(biāo)方面對(duì)交直流混合配電網(wǎng)能效進(jìn)行了分析，但研究的側(cè)重點(diǎn)是分布式電源對(duì)配電網(wǎng)能效的影響程度。文獻(xiàn)[3]分析了分布式電源對(duì)配電網(wǎng)能耗的影響，但未涉及配電網(wǎng)元件設(shè)備指標(biāo)。文獻(xiàn)[4]基于全壽命周期成本（LCC）理論，從配電變壓器的改造決策、容量?jī)?yōu)選及可靠性和靈敏性角度，應(yīng)用LCC理論進(jìn)行建模分析。文獻(xiàn)[5]通過建立配電網(wǎng)一次設(shè)備改造的LCC模型，根據(jù)效益與成本比值的大小，確立節(jié)能改造最優(yōu)方案。本文通過構(gòu)建能效指標(biāo)體系，對(duì)配電網(wǎng)節(jié)能改造的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估，探討配電網(wǎng)節(jié)能改造最佳路徑。

1 能效指標(biāo)體系

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

分層建立能效水平指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)一次設(shè)備能效指標(biāo)體系

（1）第一層為配電網(wǎng)能效水平，記作A；

（2）第二層包括供電能力、技術(shù)裝備、無功補(bǔ)償措施及新技術(shù)，記作B1—B4；

（3）第三層為各單項(xiàng)指標(biāo)，記作C1—C23。

1.2 能效指標(biāo)說明及評(píng)分規(guī)則

本文構(gòu)建的指標(biāo)體系以配電網(wǎng)一次設(shè)備能效為核心，因配電網(wǎng)節(jié)能效果很大程度上取決于所選用配電網(wǎng)元件的性能、無功補(bǔ)償措施以及節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用的合理性，因此第二層指標(biāo)選定為供電能力、技術(shù)裝備、無功補(bǔ)償措施及新技術(shù)指標(biāo)。供電能力所含各指標(biāo)在體系中起輔助評(píng)價(jià)作用。

評(píng)分規(guī)則的確立對(duì)建立科學(xué)合理的能效指標(biāo)體系至關(guān)重要，本文以相關(guān)導(dǎo)則和手冊(cè)為主要依據(jù)，以相關(guān)文獻(xiàn)和專家長(zhǎng)期的工作經(jīng)驗(yàn)為輔來確立評(píng)分規(guī)則[6-9]。

1.3 評(píng)估方法

1.3.1 層次分析法和熵值法特點(diǎn)

層次分析法適合于具有多層次結(jié)構(gòu)的多指標(biāo)決策問題，但其具有主觀隨意性及一定的誤差，需要通過一致性校驗(yàn)；而熵權(quán)法屬于客觀賦權(quán)法，可以有效彌補(bǔ)上述不足。在確定指標(biāo)及評(píng)判矩陣的情況下，各指標(biāo)之間的信息量即可通過信息熵來度量，信息熵值越小則該指標(biāo)的信息量越大，即該指標(biāo)的權(quán)值越大。應(yīng)用熵值法可以使評(píng)價(jià)結(jié)果更符合實(shí)際情況。

本文采用層次分析法與熵值法相結(jié)合的評(píng)估方法，計(jì)算指標(biāo)體系內(nèi)各單項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，具體步驟如下。

1.3.1.1 建立層次結(jié)構(gòu)體系

將研究對(duì)象所包含的各因素按照關(guān)聯(lián)關(guān)系和隸屬關(guān)系分成若干組，每一組定義為一個(gè)層，最終建立一個(gè)由最高層、中間層和最低層組合關(guān)聯(lián)的層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。

1.3.1.2 構(gòu)建判斷矩陣

中間層對(duì)最高層的權(quán)重分析中，根據(jù)1—9標(biāo)度法打分原則構(gòu)造判斷矩陣。

得出矩陣M的特征向量M0：

（4）求矩陣M的最大特征根λmax。

1.3.1.4 一致性校驗(yàn)

為了驗(yàn)證該方法得出的結(jié)果是否合理，對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性校驗(yàn)。

（1）求取一致性指標(biāo)CI。

式中：n為矩陣階數(shù)。

（2）查找相應(yīng)的判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的數(shù)值（見表1）。

表1 判斷矩陣的R I值

（3）計(jì)算一致性比例CR。

規(guī)定當(dāng)CR<0.01時(shí)，即認(rèn)為矩陣滿足一致性校驗(yàn)。否則，需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整使其符合一致性校驗(yàn)。

1.3.1.5 利用熵值法修正指標(biāo)體系的權(quán)重

（1）確定歸一化處理后判斷矩陣第j項(xiàng)指標(biāo)bj的熵值ej。

（2）求取信息權(quán)重uj。

（3）利用熵值法確定的權(quán)重u j修正層次分析法得到的權(quán)重M j，求取權(quán)向量λj。

從而得到組合權(quán)向量λ=（λ1，λ2，…，λ）j。

層次分析法得到的信息權(quán)重為：M0=熵值法得到的信息權(quán)重為：利用信息權(quán)重修正層次分析法得到的權(quán)重，得到綜合權(quán)重為：三者一一對(duì)應(yīng)。

1.3.2 算法編程

由于層次分析法和熵值法需要不斷計(jì)算判斷矩陣并反復(fù)求解、驗(yàn)證判斷矩陣的一致性，計(jì)算量非常大，因此實(shí)際應(yīng)用中使用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)了算法編程。

2 配電網(wǎng)節(jié)能改造的全壽命周期成本及效益分析模型

依據(jù)上文構(gòu)建的能效指標(biāo)體系，建立了配電網(wǎng)節(jié)能改造的全壽命周期成本及效益分析模型（涵蓋了高效節(jié)能產(chǎn)品）和新型節(jié)能設(shè)備的全壽命周期成本模型，綜合考慮配電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)間，采用20年為1個(gè)壽命周期，全壽命周期成本可用公式（11）表示。

式中：CL為配電網(wǎng)節(jié)能改造全壽命周期成本；CCON為配電網(wǎng)節(jié)能改造建設(shè)成本；Co&M為配電網(wǎng)節(jié)能改造運(yùn)行維護(hù)成本；CD為配電網(wǎng)節(jié)能改造設(shè)備報(bào)廢處理成本。

2.1 建設(shè)成本

在20年的研究周期內(nèi)，新型和常規(guī)配電變壓器、線路的建設(shè)成本為一次性投資，而常規(guī)無功補(bǔ)償設(shè)備則需要每4年更換一次，新型無功補(bǔ)償設(shè)備也為一次性投資。假設(shè)每次更換的建設(shè)成本不變，那么，一個(gè)壽命周期內(nèi)配電變壓器、線路以及無功補(bǔ)償裝置的建設(shè)成本可由式（12）—式（15）計(jì)算：

式中：CTCON、CLCON、CQ1CON和CQ2CON分別為配電變壓器、線路、增設(shè)常規(guī)無功補(bǔ)償裝置、新型無功補(bǔ)償裝置的建設(shè)成本；CTi為每臺(tái)配電變壓器的建設(shè)成本；D1為所有配電變壓器集合；CLi為每條線路的建設(shè)成本；D2為所有線路集合；CQi為每臺(tái)新型無功補(bǔ)償設(shè)備的建設(shè)成本，D3為所有新型無功補(bǔ)償裝置設(shè)備的集合；SC為電容器容量，根據(jù)工程造價(jià)，常規(guī)并聯(lián)電容器的建設(shè)成本為100元/kavr；i為貼現(xiàn)率，i=5%。

2.2 運(yùn)行維護(hù)成本

2.2.1 運(yùn)行成本

式中：CTO、CLO、CQO分別為配電變壓器、線路、無功補(bǔ)償裝置在一個(gè)壽命周期內(nèi)的運(yùn)行成本；τmax為最大負(fù)荷損耗時(shí)間；CPE為電價(jià)；n為壽命周期時(shí)間；ΔATCuj、ΔATFej分別為典型日各配電變壓器的可變損耗和不變損耗，ΔATCuj=∑i∈Dβ2Pk，iΔATFej=∑i∈D Poi×8760，其中，Poi為各個(gè)配電變壓器型號(hào)的空載損耗，Pki為各個(gè)配電變壓器型號(hào)的負(fù)載損耗，D3為所有改造后的配電變壓器集合；ΔALj為典型日配網(wǎng)最大負(fù)荷時(shí)改造線路有功損耗，ΔALj=∑i∈D4ΔPi，其中，ΔPi為各線路有功損耗最大值，D4為所有改造后的線路集合；β為配電變壓器負(fù)載率。

2.2.2 維修成本

對(duì)于各電力設(shè)備的維護(hù)成本，各地電網(wǎng)公司只有針對(duì)不同設(shè)備總費(fèi)用的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，所以通過計(jì)算年平均維護(hù)成本得到線路的年維護(hù)成本；而配電變壓器每年的維修成本不僅與型號(hào)有關(guān)，而且與其運(yùn)行時(shí)間以及容量有關(guān)，不適于等年值計(jì)算，采用狀態(tài)檢修方案（見表2）計(jì)算[10]。

表2 全壽命周期狀態(tài)檢修方案

在1個(gè)壽命周期內(nèi)，配電變壓器、線路、無功補(bǔ)償裝置的維修成本可以由式（19）—式（21）表示。

式中：CTM、CLM、CQM分別為配電變壓器、線路、無功補(bǔ)償裝置的維修成本；線路的年維修成本取經(jīng)驗(yàn)值為3元/m，n統(tǒng)一取值為年末數(shù)值；L為線路長(zhǎng)度，m。

2.3 設(shè)備報(bào)廢處理成本

各設(shè)備報(bào)廢處理成本的計(jì)算方法見式（22）—式（25）。

式中：CTD、CLD、CQ1D、CQ2D分別為配電變壓器、線路、常規(guī)和新型無功補(bǔ)償裝置的報(bào)廢成本；n1L為線路的壽命周期；CT1、CL1、CQ1分別為各配電變壓器、線路、常規(guī)無功補(bǔ)償裝置建設(shè)成本之和。

2.4 配電網(wǎng)節(jié)能改造的全壽命周期效益

節(jié)能改造后，配電網(wǎng)設(shè)備的能耗相應(yīng)降低，每年的節(jié)能效益可用配電網(wǎng)設(shè)備年節(jié)省電量與電價(jià)的乘積來計(jì)算，可作等年值處理，見式（26）。

式中：E為配電網(wǎng)節(jié)能改造效益；ΔA為改造后每年節(jié)省的電量，ΔA=ΔAT+ΔAL+ΔAQ，其中，ΔAT、ΔAL、ΔAQ分別為每年配電變壓器、線路、無功補(bǔ)償裝置改造后所帶來的節(jié)電量；CPE為該地區(qū)平均電價(jià)，取值為0.5元/kWh。

3 實(shí)際應(yīng)用案例

3.1 地區(qū)配電網(wǎng)能效水平分析

選取某地區(qū)配電網(wǎng)進(jìn)行節(jié)能改造技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估分析，根據(jù)2.3節(jié)計(jì)算B、C層修正后指標(biāo)的單層次單排序權(quán)重，見表3、表4。根據(jù)指標(biāo)狀態(tài)值，依據(jù)評(píng)分規(guī)則、指標(biāo)權(quán)重，建立以一次設(shè)備為核心的配電網(wǎng)能效指標(biāo)體系，獲得該地區(qū)能效水平得分，見表5。

表3 B層指標(biāo)修正后單排序權(quán)重

表4 C層指標(biāo)修正后單排序權(quán)重

表5直觀反映了該地區(qū)配電網(wǎng)的能效水平。由表5可見，失分最多的項(xiàng)目是新技術(shù)指標(biāo)，主要原因是該地區(qū)目前中低壓配電網(wǎng)應(yīng)用的新型節(jié)能設(shè)備較少。技術(shù)裝備指標(biāo)失分次之，主要受高耗能配電變壓器臺(tái)數(shù)較多，以及中低壓線路供電半徑較長(zhǎng)的影響。供電能力、技術(shù)裝備、無功補(bǔ)償措施以及新技術(shù)指標(biāo)能效分析分別見表6—表9。

表5 地區(qū)配電網(wǎng)能效水平得分情況

表6 地區(qū)供電能力指標(biāo)分析 %

表9 新技術(shù)指標(biāo)分析 %

3.2 配電網(wǎng)節(jié)能改造方案

本文采用常規(guī)節(jié)能S13型或新型SH15型配電變壓器對(duì)該地區(qū)配電網(wǎng)中高耗能、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不合理配電變壓器進(jìn)行改造，并與S9型配電變壓器能效進(jìn)行對(duì)比分析；高效節(jié)能導(dǎo)線和新型無功補(bǔ)償裝置在該地區(qū)沒有應(yīng)用，采用中強(qiáng)度鋁合金絞線和TSVG無功補(bǔ)償裝置，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面比較常規(guī)絕緣導(dǎo)線、電纜及常規(guī)無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，為推廣新型節(jié)能設(shè)備提供依據(jù)。根據(jù)對(duì)該地區(qū)配電網(wǎng)能效水平的分析，結(jié)合存在的問題，共給出8種改造方案模型（見表10）。

表10 配電網(wǎng)節(jié)能改造方案

3.3 LCC成本及效益分析

本文參考已有統(tǒng)計(jì)資料并通過調(diào)研獲取的實(shí)際數(shù)據(jù)為：貼現(xiàn)率5%；配電變壓器及中低壓配電線路最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)均為4000 h；配電變壓器、中低壓線路負(fù)載率分別取35%、50%；配電變壓器、中低壓線路功率因數(shù)分別為0.9、0.95；最大負(fù)荷損耗時(shí)間分別為2400 h、2200 h，電價(jià)0.5元/kWh，計(jì)算得出配電網(wǎng)設(shè)備的LCC成本效益（凈現(xiàn)值）見表11。

3.4 結(jié)論

由表11可知，8種節(jié)能改造方案凈現(xiàn)值都小于0，因此這8種節(jié)能改造方案全壽命周期內(nèi)的投資均不可收回。其根本原因是常規(guī)和新型節(jié)能改造方案在未計(jì)及負(fù)荷產(chǎn)生效益的情況下進(jìn)行比較，其次是建設(shè)成本在全壽命周期成本的比重較大。但分析8種方案，可以得出以下結(jié)論。

表7 技術(shù)裝備指標(biāo)分析

表8 無功補(bǔ)償指標(biāo)分析 %

表11 地區(qū)配電網(wǎng)節(jié)能改造方案凈現(xiàn)值

（1）從經(jīng)濟(jì)效益方面考慮，方案8最優(yōu)，其次是方案7、方案3、方案4?？梢园l(fā)現(xiàn)，這些方案導(dǎo)線型號(hào)都采用中強(qiáng)度鋁合金和電纜，而由于本文研究地區(qū)為城鎮(zhèn)地區(qū)，中強(qiáng)度鋁合金為裸導(dǎo)線，不適用于城鎮(zhèn)地區(qū)導(dǎo)線改造，所以綜合比較分析后擬采用方案5進(jìn)行該地區(qū)配電網(wǎng)節(jié)能改造。

（2）改造方案8的凈現(xiàn)值最大，即采用SH15、中強(qiáng)度鋁合金和電纜以及TSVG設(shè)備進(jìn)行改造產(chǎn)生的效益最多，表明新型節(jié)能設(shè)備在節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)效益方面有較大的優(yōu)勢(shì)。

（3）對(duì)比分析方案1和方案4可知，在配電變壓器和無功補(bǔ)償裝置相同的情況下，采用新型節(jié)能導(dǎo)線的改造成本與常規(guī)方案成本差為-1 109.643 1萬元，而產(chǎn)生的效益差值為905.399 5萬元，凈現(xiàn)值差為2 015.04萬元。同理，采用SH15與S13的凈現(xiàn)值差為258.8萬元，采用TSVG與常規(guī)無功補(bǔ)償裝置的凈現(xiàn)值差為48.43萬元。相比之下，新型導(dǎo)線產(chǎn)生的效益較為可觀，但其為裸導(dǎo)線。

4 結(jié)語

通過建立以一次設(shè)備為核心的能效指標(biāo)體系，從技術(shù)角度實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電網(wǎng)一次設(shè)備能效水平的評(píng)估，該評(píng)估方法能夠發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)存在的薄弱環(huán)節(jié)，可指導(dǎo)配電網(wǎng)節(jié)能改造工作。