智能電網綜合建設工程貢獻度分析模型研究

楊定立，聶明諫，秦 超

(1.國網陜西省電力公司，西安710048；2.華北電力大學，經濟與管理學院，北京102206)

0 引 言

由于智能電網建設有可能帶來巨大的經濟和社會效益，包括中國在內的許多國家目前已將智能電網作為未來電力系統的重點發展目標之一，并積極推進相關的技術革新和管理轉變[1,2]。智能電網綜合建設工程是指適應經濟開發區、工業區、科技城、生態園區、智能家居/社區等不同類型城市局部區域建設要求，由政府、電力公司、社會力量共同參與，以電網靈活可控、高可靠性供電、優質電力園區、綠色清潔能源、雙向互動用電等為主題，涉及電網多個領域的綜合性智能電網工程。智能電網綜合建設工程直接面向社會、面向政府、面向用戶，與區域經濟社會發展有機融合。智能電網綜合建設工程展現智能電網建設成果及效益，是社會各界感知和體驗智能電網建設成果的有效途徑。

智能電網建設需要大量資金，建設周期長且技術難度高[3]。近年來，國內外已有一些組織和學者從不同角度對智能電網建設和發展能夠帶來的效益做了分析[4-9]。隨著智能電網全面建設工作的推進，智能電網綜合建設工程將在較大范圍內開展實施。電網企業迫切需要對其建設和運營經驗進行總結，分析各個子工程的效益和貢獻情況，從而促進智能電網綜合建設工程進一步降低成本，加強技術投入，提升整體運行效益，為后續工程的方案設計和子工程的設置等提供參考。文獻[10-14]對智能電網評價指標體系做出了研究，文獻[15-18]給出了智能電網評價的方法和模型。然而這些指標體系和評價模型都難以適用于智能電網綜合建設工程的評價，不能給出各個子工程的效益和貢獻情況。

綜上所述，本文提出科學、規范、合理的智能電網綜合建設工程的貢獻度分析模型，分析評價結果可用于指導減少項目實施的盲目性和避免投資浪費，實現綜合項目的整體效能的最大化和最優化，有效地服務于區域戰略目標，服務于經濟和社會發展的要求，促進電網與社會的和諧發展。

1 綜合建設工程的基本構架

智能電網綜合建設工程在各經濟開發區、工業園區、科技城、生態園區等區域內通過整體方案設計，可以為用戶提供更加方便快捷、環保、智能的生活方式，形成用清潔能源發電、配電自動化、系統信息采集、電動汽車充電樁、智能家居智能電網技術系統。典型的智能電網綜合建設工程主要包含的各系統如圖1所示。

圖1 典型智能電網綜合建設工程系統構架示意圖Fig.1 The system architecture of a typical construction project for smart grid

智能電網綜合建設工程建成后對電力系統的生產與運行、用戶智能用電與節能以及環保減排等多個方面都會產生積極影響。典型智能電網綜合建設工程產生的經濟社會環境效益及子工程的設置如圖2所示。

圖2 智能電網綜合建設工程的綜合社會效益及子工程設置Fig.2 Social comprehensive benefits and subprojects of the smart grid integrated construction project

總的來說，智能電網綜合建設工程建成后將在綠色環保、服務民生、開放互動、商業模式、安全可靠、運營/運行效率方面產生顯著效益。

2 貢獻度分析的總體思路

本節提出建立智能電網綜合建設工程的貢獻度模型的研究思路。貢獻度模型需要解決兩個問題，一是研究實施智能電網綜合建設工程后，可以產生哪些具體效益，二是明確子工程對這些指標的具體能“貢獻”多少效益，貢獻度的定義和計算方法。

(1)建立通用指標體系。智能電網綜合建設工程效益通用指標是一個復雜系統，需要由經濟、技術、社會、環境多個方面具有聯系和區別的多項指標按照一定的結構層次組合在一起構成指標體系。根據智能電網綜合建設工程本身的特點以及綜合工程所產生的經濟、技術、社會、環境等方面的影響特點，提出智能電網綜合建設工程貢獻度基本原則，在該基本原則的前提下，進一步細化并明確具體指標。由于智能電網綜合建設工程貢獻度是新的概念，而且智能電網技術也在不斷創新發展，所以指標體系在建立后還應當根據實際情況不斷健全完善。

(2)確定各層指標之間的權重。由于不同類型的智能電網綜合建設工程，其服務側重點不一致，因此在評價時的重點也應有所區別，這種區別體現在確定指標權重時，相同的指標，在不同類型的綜合工程中，其分配得到的權重不同。由于智能電網綜合建設工程貢獻度模型及通用指標體系尚沒有成熟的理論研究成果，既缺少足夠的歷史數據，又不能簡單直接給出指標間相對重要程度，所以常見的一些用來確定指標權重的方法如主成分分析、因子分析、層次分析法等模型不再適用。可采用區間數-可能度矩陣方法確定指標權重。區間數-可能度矩陣方法將指標間相對重要程度用區間數來表示，利用可能度矩陣計算得出權重，不需要依賴于歷史數據，增強了實際應用中的可信度。

(3)由于經濟開發區、工業區、科技城、生態園區、智能家居/社區等不同類型的智能電網綜合工程需求不同，所實施的子工程也不盡相同。例如甲工程有3個子工程，乙工程有4個子工程。所以需要設立一個子工程備選庫，形成統一的辨識和篩選標準。研究某特定綜合工程的子工程貢獻度時，直接從該備選庫中選取子工程。

(4)為定義“貢獻度”概念，首先定義子工程直接貢獻值。直接貢獻值即實施子工程之前與實施該子工程之后的某項效益指標的差值。則子工程對單項指標貢獻度定義為該項子工程對單項指標直接貢獻值占全部子工程對該單項指標直接貢獻值的比例。

解決了貢獻度模型的兩個關鍵問題后，將子工程對單項指標貢獻度與指標權重做向量乘積(加權求和)，即求得子工程對綜合工程貢獻度。

3 貢獻度分析的指標體系

本文根據智能電網綜合建設工程本身的特點以及綜合工程所產生的經濟、技術、社會、環境等方面的影響特點，基于全面性、科學性、可操作性、系統性、動態性和開放性等原則，建立綠色環保、服務民生、開放互動、商業模式、安全可靠、運營/運行效率6大方面貢獻度指標體系。指標體系總的分類和依據如表1所示。

細化指標體系如表2所示。

4 貢獻度分析的計算模型

智能電網技術貫穿于整個電能生產、傳輸和使用全過程，智能電網綜合建設工程涉及清潔能源發電、智能輸變電設備、通信網絡、智能電表及其他監測設備、電動汽車充電樁等多個體系。為便于分析和計算，將綜合建設工程劃分為子工程1(清潔能源發電)，子工程2(智能輸變電工程)，子工程3(通信工程)，子工程4(智能電表及監測設備工程)，子工程5(電動汽車相關工程)。

表1 貢獻度指標體系的分類和依據Tab.1 Classification and basis of contribution degree index system

表2 貢獻度細化指標體系Tab.2 Detailed contribution degree index system

每個子工程的建設目標和側重點都有所不同。其中，子工程1的主要目標是促進可再生能源發電的發展和節能減排；子工程2主要在于提高電能輸送效率，減少線路和設備損失電量；子工程3，子工程4則在保證優質可靠電力供應的前提下降低用電成本，同時也實現了開放互動，促進需求側響應，達到節約能源，改善負荷曲線的目的。子工程5在節能減排、服務民生方面有顯著效益。

由于各個子工程的建設目標和側重點有所不同，子工程對智能電網建設綜合工程的各指標效益貢獻有所不同。各個子工程對各指標效益貢獻如何計量如何區分，子工程對各單項指標的“貢獻度”如何定義，成為研究智能電網建設綜合工程貢獻度模型的關鍵問題。

本文提出各個子工程對各指標效益直接貢獻值的定義及計算方法，直接貢獻值即實施該子工程之前與實施該子工程之后的直接效益差值。貢獻度定義為該項子工程對單項指標直接貢獻值占全部子項目對該單項指標貢獻值的比例。

4.1 模型建立

根據上述研究思路，提出智能電網綜合建設工程貢獻度模型如圖3所示。

圖3 智能電網綜合建設工程貢獻度模型Fig.3 Contibution degree model of the smart grid integrated construction project 注：εi為評價智能電網綜合工程的一級指標；αi為一級指標εi分得的權重；ε(i,j)為一級指標εi下的屬性指標；α(i,j)為屬性指標ε(i,j)分得的權重；βk(i,j)子工程k對屬性指標ε(i,j)的貢獻度

4.2 方法步驟

4.2.1利用區間數-可能度矩陣法計算各級指標權重

(1)建立區間數互補判斷矩陣。根據指標劃分，專家采用九標度法對指標兩兩比較，建立區間數互補判斷矩陣Q：

Q=(qij)n×n

(1)

qij=[q-ij,q+ij],q-ij+q+ij=q-ji+q+ij=1,i,j∈n

(2)求解區間數權重向量。計算互補判斷矩陣Q的行和，并做歸一化處理，得到區間數權重向量。

w=(w1,w2,w3,…,wn)T

(2)

利用可能度公式對權重向量兩兩比較，建立可能度矩陣P：

P=(pij)n×n

(4)

其中L(a)=a+-a-，L(b)=b+-b-。

(3)將可能度矩陣P行和歸一化，便可得到權重向量。

w=(w1,w2,w3,…,wn)T

(6)

4.2.2計算各子工程對二級指標的貢獻度

子工程對各個指標的直接貢獻值表征含義差異很大，計量單位不相同，貢獻度的定義則很好地解決了直接貢獻值不同表征含義和不同單位的歸一化問題。貢獻度為比例數，無單位，各子工程對同一指標的貢獻度和為1。

4.2.3求解子工程k對綜合工程的貢獻度

子工程k對綜合工程的貢獻度為：

(7)

5 算例分析

以鄭州高新技術開發區智能電網綜合建設工程原始測評數據，結合專家對本工程的評估意見，由區間數-可能度矩陣方法計算得到各指標權重如表3等所示。

表3 各指標權重Tab.3 Every index weight

根據歷史統計數據、專家評估數據、調查問卷等計算得到各子工程對于各二級指標貢獻度。將各二級指標貢獻度與單項指標做矩陣乘積，可得各子工程對各一級指標貢獻度，如表4所示。

表4 子工程對一級指標貢獻度Tab.4 Contribution degree of sub-projects to first grade indexes

以表4中數據與各一級指標做矩陣乘積，得各子工程對綜合工程貢獻度，如表5所示。

表5 子工程對綜合工程貢獻度Tab.5 Contribution degree of sub-projects to the comprehensive project

由表5可得子工程2，子工程3，子工程4對智能電網綜合工程貢獻度大，其中子工程4貢獻度最大，子工程2貢獻度次之，并與工程4貢獻度非常接近，說明智能電表及監測設備工程和智能輸變電工程是智能電網中的核心工程，一方面說明實施智能電表及監測設備工程和智能輸變電工程可以獲得較高的經濟社會價值，另一方面也說明應繼續高度重視智能輸變電系統的科技研發，資金投入和建設質量，才能確保智能電網綜合建設工程發揮出應有的整體效益。子工程1和子工程5對智能電網綜合工程貢獻度較小，以電動汽車工程為最弱。這符合當前電動汽車使用量少，發展緩慢的現實背景。應繼續關注電動汽車發展情況，當電動汽車進入快速發展的階段后，智能電網綜合工程應加大對電動汽車工程的投入。

6 結 語

本文提出智能電網綜合建設工程效益通用指標體系，提出各子工程對通用指標體系中底層指標的直接貢獻值和貢獻度定義及其計算方法，設計出子工程對整個建設工程的綜合貢獻度模型，算例結果表明模型科學有效。模型結果表明智能電表及監測設備工程和智能輸變電工程對智能電網綜合建設工程至關重要，需要高度重視，同時應繼續關注電動汽車發展情況，當電動汽車進入快速發展的階段后，智能電網綜合工程應加大對電動汽車工程的投入。本文設計的貢獻度模型可以每半年測算一次，以貢獻度動態趨勢反映智能電網發展中的變化情況。子工程對單項指標的直接貢獻值的計算方法和原始數據取數途徑需要進一步細化研究并規范。

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