基于層次分析法與熵權法相結合的配電網節能改造技術經濟評估

孟文凱，趙墨林，王 鵬

（1.內蒙古超高壓供電局，呼和浩特 010080；2.內蒙古電力經濟技術研究院，呼和浩特 010010）

0 引言

配電網在電力系統中起著關鍵作用，配電網的節能改造不僅能使發電、輸電環節及用戶受益，對保證整個電力系統的經濟運行也非常重要[1]。目前，關于配電網一次系統建設的技術經濟路線并不明確，已有成果大多為專題性研究結論，尚未有綜合、系統性（包括技術和經濟方面）的研究和工程應用成果。文獻[2]從配電網靜態指標和運行指標方面對交直流混合配電網能效進行了分析，但研究的側重點是分布式電源對配電網能效的影響程度。文獻[3]分析了分布式電源對配電網能耗的影響，但未涉及配電網元件設備指標。文獻[4]基于全壽命周期成本（LCC）理論，從配電變壓器的改造決策、容量優選及可靠性和靈敏性角度，應用LCC理論進行建模分析。文獻[5]通過建立配電網一次設備改造的LCC模型，根據效益與成本比值的大小，確立節能改造最優方案。本文通過構建能效指標體系，對配電網節能改造的技術經濟性進行評估，探討配電網節能改造最佳路徑。

1 能效指標體系

1.1 指標體系構建

分層建立能效水平指標體系，如圖1所示。

圖1 配電網一次設備能效指標體系

（1）第一層為配電網能效水平，記作A；

（2）第二層包括供電能力、技術裝備、無功補償措施及新技術，記作B1—B4；

（3）第三層為各單項指標，記作C1—C23。

1.2 能效指標說明及評分規則

本文構建的指標體系以配電網一次設備能效為核心，因配電網節能效果很大程度上取決于所選用配電網元件的性能、無功補償措施以及節能新技術應用的合理性，因此第二層指標選定為供電能力、技術裝備、無功補償措施及新技術指標。供電能力所含各指標在體系中起輔助評價作用。

評分規則的確立對建立科學合理的能效指標體系至關重要，本文以相關導則和手冊為主要依據，以相關文獻和專家長期的工作經驗為輔來確立評分規則[6-9]。

1.3 評估方法

1.3.1 層次分析法和熵值法特點

層次分析法適合于具有多層次結構的多指標決策問題，但其具有主觀隨意性及一定的誤差，需要通過一致性校驗；而熵權法屬于客觀賦權法，可以有效彌補上述不足。在確定指標及評判矩陣的情況下，各指標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的信息量越大，即該指標的權值越大。應用熵值法可以使評價結果更符合實際情況。

本文采用層次分析法與熵值法相結合的評估方法，計算指標體系內各單項指標的權重，具體步驟如下。

1.3.1.1 建立層次結構體系

將研究對象所包含的各因素按照關聯關系和隸屬關系分成若干組，每一組定義為一個層，最終建立一個由最高層、中間層和最低層組合關聯的層次系統結構模型。

1.3.1.2 構建判斷矩陣

中間層對最高層的權重分析中，根據1—9標度法打分原則構造判斷矩陣。

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

為了驗證該方法得出的結果是否合理，對判斷矩陣進行一致性校驗。

（1）求取一致性指標CI。

式中：n為矩陣階數。

（2）查找相應的判斷矩陣的平均隨機一致性指標RI的數值（見表1）。

表1 判斷矩陣的R I值

（3）計算一致性比例CR。

規定當CR<0.01時，即認為矩陣滿足一致性校驗。否則，需要對判斷矩陣進行調整使其符合一致性校驗。

1.3.1.5 利用熵值法修正指標體系的權重

（1）確定歸一化處理后判斷矩陣第j項指標bj的熵值ej。

（2）求取信息權重uj。

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

從而得到組合權向量λ=（λ1，λ2，…，λ）j。

層次分析法得到的信息權重為：M0=熵值法得到的信息權重為：利用信息權重修正層次分析法得到的權重，得到綜合權重為：三者一一對應。

1.3.2 算法編程

由于層次分析法和熵值法需要不斷計算判斷矩陣并反復求解、驗證判斷矩陣的一致性，計算量非常大，因此實際應用中使用MATLAB軟件實現了算法編程。

2 配電網節能改造的全壽命周期成本及效益分析模型

依據上文構建的能效指標體系，建立了配電網節能改造的全壽命周期成本及效益分析模型（涵蓋了高效節能產品）和新型節能設備的全壽命周期成本模型，綜合考慮配電網規劃時間，采用20年為1個壽命周期，全壽命周期成本可用公式（11）表示。

式中：CL為配電網節能改造全壽命周期成本；CCON為配電網節能改造建設成本；Co&M為配電網節能改造運行維護成本；CD為配電網節能改造設備報廢處理成本。

2.1 建設成本

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

式中：CTCON、CLCON、CQ1CON和CQ2CON分別為配電變壓器、線路、增設常規無功補償裝置、新型無功補償裝置的建設成本；CTi為每臺配電變壓器的建設成本；D1為所有配電變壓器集合；CLi為每條線路的建設成本；D2為所有線路集合；CQi為每臺新型無功補償設備的建設成本，D3為所有新型無功補償裝置設備的集合；SC為電容器容量，根據工程造價，常規并聯電容器的建設成本為100元/kavr；i為貼現率，i=5%。

2.2 運行維護成本

2.2.1 運行成本

式中：CTO、CLO、CQO分別為配電變壓器、線路、無功補償裝置在一個壽命周期內的運行成本；τmax為最大負荷損耗時間；CPE為電價；n為壽命周期時間；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為各個配電變壓器型號的空載損耗，Pki為各個配電變壓器型號的負載損耗，D3為所有改造后的配電變壓器集合；ΔALj為典型日配網最大負荷時改造線路有功損耗，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為配電變壓器負載率。

2.2.2 維修成本

對于各電力設備的維護成本，各地電網公司只有針對不同設備總費用的統計數據，所以通過計算年平均維護成本得到線路的年維護成本；而配電變壓器每年的維修成本不僅與型號有關，而且與其運行時間以及容量有關，不適于等年值計算，采用狀態檢修方案（見表2）計算[10]。

表2 全壽命周期狀態檢修方案

在1個壽命周期內，配電變壓器、線路、無功補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、無功補償裝置的維修成本；線路的年維修成本取經驗值為3元/m，n統一取值為年末數值；L為線路長度，m。

2.3 設備報廢處理成本

各設備報廢處理成本的計算方法見式（22）—式（25）。

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

2.4 配電網節能改造的全壽命周期效益

節能改造后，配電網設備的能耗相應降低，每年的節能效益可用配電網設備年節省電量與電價的乘積來計算，可作等年值處理，見式（26）。

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

3 實際應用案例

3.1 地區配電網能效水平分析

選取某地區配電網進行節能改造技術經濟評估分析，根據2.3節計算B、C層修正后指標的單層次單排序權重，見表3、表4。根據指標狀態值，依據評分規則、指標權重，建立以一次設備為核心的配電網能效指標體系，獲得該地區能效水平得分，見表5。

表3 B層指標修正后單排序權重

表4 C層指標修正后單排序權重

表5直觀反映了該地區配電網的能效水平。由表5可見，失分最多的項目是新技術指標，主要原因是該地區目前中低壓配電網應用的新型節能設備較少。技術裝備指標失分次之，主要受高耗能配電變壓器臺數較多，以及中低壓線路供電半徑較長的影響。供電能力、技術裝備、無功補償措施以及新技術指標能效分析分別見表6—表9。

表5 地區配電網能效水平得分情況

表6 地區供電能力指標分析 %

表9 新技術指標分析 %

3.2 配電網節能改造方案

本文采用常規節能S13型或新型SH15型配電變壓器對該地區配電網中高耗能、經濟運行不合理配電變壓器進行改造，并與S9型配電變壓器能效進行對比分析；高效節能導線和新型無功補償裝置在該地區沒有應用，采用中強度鋁合金絞線和TSVG無功補償裝置，從技術經濟方面比較常規絕緣導線、電纜及常規無功補償裝置的優缺點，為推廣新型節能設備提供依據。根據對該地區配電網能效水平的分析，結合存在的問題，共給出8種改造方案模型（見表10）。

表10 配電網節能改造方案

3.3 LCC成本及效益分析

本文參考已有統計資料并通過調研獲取的實際數據為：貼現率5%；配電變壓器及中低壓配電線路最大負荷利用小時數均為4000 h；配電變壓器、中低壓線路負載率分別取35%、50%；配電變壓器、中低壓線路功率因數分別為0.9、0.95；最大負荷損耗時間分別為2400 h、2200 h，電價0.5元/kWh，計算得出配電網設備的LCC成本效益（凈現值）見表11。

3.4 結論

由表11可知，8種節能改造方案凈現值都小于0，因此這8種節能改造方案全壽命周期內的投資均不可收回。其根本原因是常規和新型節能改造方案在未計及負荷產生效益的情況下進行比較，其次是建設成本在全壽命周期成本的比重較大。但分析8種方案，可以得出以下結論。

表7 技術裝備指標分析

表8 無功補償指標分析 %

表11 地區配電網節能改造方案凈現值

（1）從經濟效益方面考慮，方案8最優，其次是方案7、方案3、方案4。可以發現，這些方案導線型號都采用中強度鋁合金和電纜，而由于本文研究地區為城鎮地區，中強度鋁合金為裸導線，不適用于城鎮地區導線改造，所以綜合比較分析后擬采用方案5進行該地區配電網節能改造。

（2）改造方案8的凈現值最大，即采用SH15、中強度鋁合金和電纜以及TSVG設備進行改造產生的效益最多，表明新型節能設備在節能降耗、經濟效益方面有較大的優勢。

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

4 結語

通過建立以一次設備為核心的能效指標體系，從技術角度實現了對配電網一次設備能效水平的評估，該評估方法能夠發現配電網存在的薄弱環節，可指導配電網節能改造工作。