基于TRL的智能電網(wǎng)技術成熟度評估

劉艷麗，李曉君，齊文瑾，曾沅，黃瀚，劉林

（1.天津大學智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津300072；2.國家電網(wǎng)能源研究院，北京102209）

基于TRL的智能電網(wǎng)技術成熟度評估

劉艷麗1，李曉君1，齊文瑾1，曾沅1，黃瀚2，劉林2

（1.天津大學智能電網(wǎng)教育部重點實驗室，天津300072；2.國家電網(wǎng)能源研究院，北京102209）

技術成熟度的評估對指導技術改良以推動智能電網(wǎng)發(fā)展具有重要意義。該文提出了針對智能電網(wǎng)相關技術成熟度的評估指標體系及方法。從技術性能、技術的經(jīng)濟價值、技術的社會與環(huán)境影響3個方面構建評估指標體系，基于序關系-變異系數(shù)法綜合主客觀賦權的影響獲取評估結果。對于技術性能，創(chuàng)新性地建立了技術成熟等級評估方法獲取其發(fā)展水平。此外，針對底層指標的不確定性，引入Gram-Charlier級數(shù)獲取技術成熟度評估結果的置信度。電動汽車充放電技術應用實例顯示，評估結果不僅能夠給出技術發(fā)展的成熟水平，還能夠給出技術發(fā)展的優(yōu)勢與短板，有助于明確未來技術改良方向。

技術成熟等級；評估；智能電網(wǎng)

智能電網(wǎng)的目標主要是提高供電安全性、生態(tài)可持續(xù)性和經(jīng)濟競爭力[1]。從廣義層面來看，由于技術涉獵廣泛，智能電網(wǎng)的一個關鍵目標是要催生新的技術和商業(yè)模式，實現(xiàn)產業(yè)革命[2]。這些技術包括：智能電網(wǎng)技術、智能電網(wǎng)可帶動的技術和為智能電網(wǎng)創(chuàng)建平臺的技術，技術的發(fā)展水平直接或間接地影響智能電網(wǎng)的發(fā)展，在智能電網(wǎng)工程項目實施以及區(qū)域智能電網(wǎng)建設中發(fā)揮至關重要的作用[3-6]。評估智能電網(wǎng)相關技術發(fā)展水平有助于明確技術改良方向，推動技術日趨成熟進而推動智能電網(wǎng)的發(fā)展。

技術成熟度理論起源于美國國家航空航天局，用于描述某一技術相對于某一系統(tǒng)或項目而言所處發(fā)展階段，反映對項目預期目標的滿足程度[7-9]。大多應用于軍工科技項目技術的評估，包括制定重大項目的技術發(fā)展路線圖、對重大項目轉階段進行審查等；評價條目針對性較強，沒有通用性。目前，針對智能電網(wǎng)的評估大多著眼于智能電網(wǎng)整體建設所涉及的電網(wǎng)各個環(huán)節(jié)發(fā)展情況，針對智能電網(wǎng)技術評估的研究較少。文獻[10]應用技術成熟度理論分析智能輸電網(wǎng)投資決策問題，根據(jù)技術成熟度等級劃分智能輸電網(wǎng)的有效投資階段，建立基于技術成熟度的智能輸電網(wǎng)多階段投資決策模型，以確定最優(yōu)投資方案。文獻[11]提出了利用生產函數(shù)的方法來評估技術給智能電網(wǎng)帶來的效益與技術本身的發(fā)展狀況。目前缺乏一種能夠針對技術本身進行有效通用性評估的模型。

本文從技術成熟度角度提出了一套針對智能電網(wǎng)相關技術成熟度的評估模型，包括指標體系以及評估方法。指標體系綜合考慮了技術發(fā)展路線以及利益相關方，主要涵蓋技術性能、技術的經(jīng)濟價值、技術的社會與環(huán)境影響3個方面。利用技術成熟等級TRL（technology readiness level）法評估技術性能，在其基礎上結合序關系-變異系數(shù)法綜合主客觀賦權的影響獲取技術成熟度的評估結果。在評判過程中引入Gram-Charlier級數(shù)進行不確定性分析，給出評估結果的置信區(qū)間與置信度。選取電動汽車充放電技術作為應用示例，獲取該項技術成熟度評估結果的同時，優(yōu)劣側重分析可用于明確技術的提升改造方向。

1 智能電網(wǎng)技術成熟度評估指標體系

1.1 指標體系構建原則

為了能準確有效地反映被評估技術的成熟度，在建立智能電網(wǎng)技術成熟度評估指標體系過程中，遵循了以下基本原則。

（1）系統(tǒng)性，即指標體系能夠對技術進行多角度完整評估，能夠準確反映該技術的發(fā)展情況。

（2）通用性，即指標體系能夠對智能電網(wǎng)所涵蓋的大部分技術進行有效評估。

（3）客觀性，指標選擇明確，評估結果可信。

（4）可獲得，指標設置應避免難以獲取的狀況。

（5）可量化，指標應該盡可能為量化指標，抽象指標應給出具體的量化方法。

1.2 指標體系構建思路

在指標體系構建工作中，首先需要確定核心指標。核心指標的選取應在如實反映技術發(fā)展情況的前提下，突出智能電網(wǎng)技術發(fā)展的特點，并方便進行計算。而后，在核心指標確定的基礎上，通過對指標的進一步分類，評估影響技術的關鍵因素，使得指標體系能夠充分反映技術當前的發(fā)展狀態(tài)。

本文結合我國智能電網(wǎng)的特點，將智能電網(wǎng)技術成熟度綜合評估指標體系的核心指標定位為技術性能、技術的經(jīng)濟價值和技術的社會與環(huán)境影響3方面。技術性能表征了技術的進化歷程，而技術的經(jīng)濟價值和技術的社會與環(huán)境影響則側面凸顯了技術帶來的發(fā)展效益。其中，技術的經(jīng)濟價值和技術的社會與環(huán)境影響通過對相關影響因素繼續(xù)分類，從而提煉得到更詳細的下層指標，進行評估從而得到結果；而技術性能則利用劃分等級的方式進行評估。

1）技術性能

TRL起源于美國國家航空航天局，是人們在大量工程實踐基礎上，對技術成熟規(guī)律認識的一種總結，能夠有效反映技術對項目預期目標的滿足程度[7-9]。對于技術性能的評估，本文依據(jù)技術本身的生長路線，基于TRL通過劃分等級來實現(xiàn)，如表1所示。

本文根據(jù)技術普遍的發(fā)展規(guī)律，將技術性能分為6個等級，分別是理論起步、路線圖制定、實踐發(fā)展、系統(tǒng)驗證、綜合優(yōu)化和驅動創(chuàng)新。每一等級設立3～4個分項指標。指標的獲取方式分為兩種，分別為專家調研（表1中簡稱“專”）和數(shù)據(jù)收集（表1中簡稱“數(shù)”）。其中對于需要專家調研的指標，通過設計詳細的調查問卷，由相關領域專家進行評分來獲得。

每一等級滿分為20分，每個分項指標被賦予或折算為一定的分值。當前等級的得分為該級所有分項指標得分之和，并設定14分為閾值，認為當前等級的分數(shù)大于等于14分，技術才滿足該等級，才能夠進行下一級的評估。例如，某一項技術從1～4級的分數(shù)分別是18分、16分、15分、12分，由于該技術的第4級分數(shù)只有12分，小于14分，故該技術的技術性能為3級，得分為前3級分數(shù)之和，即49分。

2）技術的經(jīng)濟價值

技術的經(jīng)濟價值的評估，用于反映技術能夠帶來的經(jīng)濟效益，這往往是投資者最為關注的地方。分層指標體系如表2所示。

3）技術的社會和環(huán)境影響

技術的社會和環(huán)境影響用于評估技術對社會和環(huán)境帶來的影響，環(huán)境影響主要體現(xiàn)在對節(jié)能減排的促進、生態(tài)環(huán)境的維護等方面。社會影響則主要體現(xiàn)在用戶的感受、公眾的認知、對就業(yè)率的影響等方面。指標設置如表3所示。

2 智能電網(wǎng)技術成熟度評估方法

2.1 序關系-變異系數(shù)綜合賦權法

序關系屬于主觀賦權，各指標的重要程度比較是由專家決定，主觀色彩較強。變異系數(shù)法屬于客觀賦權，其本質反映指標的離散程度，指標取值差異越大，離散程度越大，更能反映被測對象的差距，然而離散程度較小的指標權重經(jīng)過計算會較小，但這不能說明該指標不重要。序關系-變異系數(shù)法綜合賦權將二者結合，能綜合反映主客觀賦權的影響，避免指標權重的絕對性，使賦權更合理。

2.1.1 序關系法

序關系法屬于主觀賦權法，本質是對層次分析法的一種改進，與層次分析法相比，序關系法不用構造判斷矩陣和一致性檢驗。其確定權重主要分4步。

1）確定評估指標體系結構。本文提出的智能電網(wǎng)技術成熟度評估體系為層次結構，總共包含4層，分別是目標層、一級指標、二級指標和三級指標，其中技術性能得分直接作為一級指標輸入。

2）確定各層級的序關系。假定選定專家數(shù)量為n（n≥1），對于需要對比的指標x1，x2，…，xm，第i位專家選出各自認為的最重要的指標，記為xi1*，然后在余下的指標中再選擇認為是最重要的指標，記為xi2*，以此類推，所有指標按重要性排序為xi1*＞xi2*＞…＞xim，即第i位專家給出的指標序關系。

3）給出指標間相對重要程度。在確定序關系后，需確定指標間重要性標度。設第i位專家關于指標xi，k-1*和指標xi，k*的重要程度之比ωik-1/ωik的判斷為

式中：ωk為指標xi，k*權重系數(shù)；rk的值如表4所示。

4）計算權重系數(shù)ωk。最終綜合所有專家給出的指標序關系以及賦值。當專家數(shù)量為1位時，ωk為

其他的權重系數(shù)為

對于專家數(shù)量大于1的情況，具體計算方式參考文獻[12]。

2.1.2 變異系數(shù)法

變異系數(shù)法屬于客觀賦權法，直接利用各項指標所包含的信息，通過計算得到指標的權重。步驟如下。

1）數(shù)據(jù)歸一化處理。為了消除各項指標量綱不同帶來的影響，首先對各項指標進行歸一化處理。

式中：yij為第i個被評估對象的第j個指標的值；max yj為第j個指標的最大值；zij為經(jīng)過無量綱處理后的指標值。

2）計算各指標的平均值Zˉj和標準差Sj。

2.1.3 序關系-變異系數(shù)組合權重

式中，0≤ρ≤1，文中取0.5。

2.2 指標的不確定性分析

對技術成熟度的評估過程中，有諸多不確定因素，來源主要有以下兩個方面：①評估目標及權重的不確定性，評估一般都會引入評估者對事物的主觀看法，不同的評估者對同樣的被評估對象有著不同的判斷，故會帶來較大的不確定性；②電網(wǎng)客觀信息的不確定性，有些指標并不是一個完全確定的值，往往只能獲取的某一區(qū)間范圍，這就為下一步的評估帶來了困難。

本文在傳統(tǒng)評估方法基礎上，通過考慮部分底層指標的概率分布特性，選用較為成熟的Gram-Charlier級數(shù)方式[13]來計算得到最終結果指定置信區(qū)間的置信度，從而全面給出評估對象的成熟度和概率特征。

3 智能電網(wǎng)技術成熟度評估流程

智能電網(wǎng)技術成熟度評估流程如圖1所示。

步驟1 對技術性能進行等級評估，得到技術性能的等級。

步驟2 對技術性能等級進行判斷，若技術性能的等級未達到4級，則直接輸出技術性能等級結果，不進行技術經(jīng)濟價值與社會環(huán)境影響的評估；若技術性能等級達到4級，則進行步驟3。

步驟3 進一步評估技術的經(jīng)濟價值、技術的社會與環(huán)境影響，同時在搜集這兩部分指標的過程中，確定是否存在不確定性指標，若不存在則直接得到技術成熟度最終得分，流程結束。若存在則進行步驟4。

步驟4 分析不確定性指標對評估結果的影響，得到技術成熟度評估結果及不確定性分析結果。

之所以設置技術性能第4級為門檻，出于兩方面考慮。第1，某項技術的技術性能只有滿足前4級，才能在實際環(huán)境中發(fā)揮作用，故技術性能等級在小于4級時并不涉及到技術的經(jīng)濟價值、社會環(huán)境等方面，此時提升技術性能等級才是當務之急；第2，當技術性能等級大于等于4級后，單純用技術性能等級并不能反映出最終的技術成熟度結果，進一步從經(jīng)濟價值和社會環(huán)境影響兩方面對技術進行更全面的評估，得到最終結果。

4 應用實例

選取電動汽車充放電技術作為研究對象，采用序關系-變異系數(shù)組合賦權法，對2012—2014年某地區(qū)該項技術成熟度進行評估。

（1）收集基層指標數(shù)據(jù)。

（2）對電動汽車充放電技術每年發(fā)展情況進行技術性能等級評估，結果如表5和表6所示。

從結果中可以看出，電動汽車充放電技術從2012—2013年期間，技術性能有了較大幅度的提升，技術性能等級從第4級提升到了第5級，而且技術性能第5級的3個分項指標的分數(shù)均有一定程度的提高，其中，2013—2014年技術性能等級仍為5級，但總分有所提高。

（3）采用序關系-變異系數(shù)法求取3個關鍵指標的權重值。技術性能得分作為一級指標輸入。一級指標權重如表7所示。

（4）將技術性能得分歸一化后，與技術經(jīng)濟價值、社會與環(huán)境影響的底層指標一起輸入，并與對應的權重相乘求和，得到該地區(qū)電動汽車充放電技術成熟度每年的評估結果，如表8所示。

從評估最終得分可以看出，2012—2014年該地區(qū)的電動汽車充電技術在穩(wěn)步上升。

（5）評估結果分析。

圖2所示為某地區(qū)2012—2014年電動汽車充電技術評估結果的雷達圖。從圖中可以看出：

①該地區(qū)電動汽車充電技術的發(fā)展趨勢較為穩(wěn)定；

②技術性能和技術的經(jīng)濟價值兩項指標在此期間得到不斷提升，并且提升的幅度較大；而社會與環(huán)境影響指標則出現(xiàn)了下降趨勢，這源于環(huán)境影響由技術特性本身決定，而社會影響則因為越來越多的人開始關注電動汽車的應用，然而現(xiàn)有的技術卻并不能滿足日益增長的充電需求，使得供需不平衡情況日益加劇。

總體來看，該技術的技術性能和經(jīng)濟價值的評估值較高，可見該技術在這兩方面受到了足夠的重視。該技術在今后的發(fā)展過程中，需要繼續(xù)加大對社會與環(huán)境方面的重視，使得技術的發(fā)展能夠更加均衡，真正發(fā)揮其在智能電網(wǎng)全面建設過程中的重要作用。

（6）不確定性分析。

在搜集指標數(shù)據(jù)過程中，注意到底層指標的不確定性影響，采用Gram-Charlier級數(shù)得到2012年得分在[0.6，0.7]置信區(qū)間內的置信度為0.918 3，認為結果可信度較高。

5 結語

本文針對智能電網(wǎng)技術成熟度提出了一套新的綜合評估模型。評估指標綜合考慮了技術性能、技術的經(jīng)濟價值、技術的社會與環(huán)境影響3大方面，針對技術性能基于TRL進行等級評估，當技術性能達到一定等級后進一步對其經(jīng)濟價值以及社會與環(huán)境影響進行評估。采用序關系-變異系數(shù)法綜合賦權避免了單一賦權的片面性，同時分析了底層指標的不確定性對評估結果的影響，給出了評估結果的置信度和置信區(qū)間。應用實例表明，本文所提模型可以反映智能電網(wǎng)技術當前的發(fā)展狀態(tài)，通過雷達圖直觀地實現(xiàn)了優(yōu)劣分析，結果可為技術的未來發(fā)展提供參考。

致謝：

本項目受到國家電網(wǎng)公司總部科技項目《電網(wǎng)資產效率與投入產出效益的實用化分析技術研究及應用》資助，特此致謝！

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TRL-based Technology ReadinessEvaluation on SmartGrid

LIUYanli1，LIXiaojun1，QIWenjin1，ZENGYuan1，HUANGHan2，LIU Lin2
（1.Key Laboratory of SmartGrid ofMinistry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.StateGrid Energy Research Institute，Beijing 102209，China）

The evaluation of technology readiness is of significance for the technology improvementof smartgrid.In this paper，a set of index system and an evaluationmethod related to the technology readiness of smart grid are proposed. Specifically，theevaluation index system isestablished from threeaspects，i.e.，technology performance，economic val?ue of technology，aswell as social and environmental influence of technology.By using the ordering relation-coefficient method to combine the effectsof subjectiveweightand objectiveweight comprehensively，the evaluation resultsare ob?tained.As for technology performance，its development level is obtained by establishing a technology readiness level（TRL）evaluationmethod innovatively.Moreover，if there is uncertainty in the underlying index，then Gram-Charlier series is introduced to calculate the confidence levelof TRL evaluation results.The resultofan application to the charg?ing-discharging ofelectric vehicles can notonly show the readiness of technology development，butalso show its advan?tagesand disadvantages，which ishelpful for the determination of the direction of future technology improvement.

technology readiness level（TRL）；evaluation；smartgrid

TM71

A

1003-8930（2017）03-0001-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.001

劉艷麗（1958—），女，通訊作者，博士，講師，研究方向為電力系統(tǒng)安全性和穩(wěn)定性、電力信息物理系統(tǒng)、智能電網(wǎng)等。Email：yanliliu@tju.edu.cn

2016-09-13；

2016-10-17

國家自然科學基金資助項目（51407126）；天津市應用基礎與前沿技術研究計劃項目（15JCQNJC07000）

李曉君（1992—），女，碩士研究生，研究方向為智能電網(wǎng)政策評估、電網(wǎng)風險評估。Email：513609859@qq.com

齊文瑾（1989—），女，碩士研究生，研究方向為智能電網(wǎng)政策評估、電網(wǎng)風險評估。Email：787863484@qq.com