新材料技術下的節能減排數據算例優化分析

廖彬斌，黃柳軍，張 蒙，林巾琳，戚永青

(1.廣西電網有限責任公司，廣西 南寧 530023；2.廣西新電力投資集團有限責任公司，廣西 南寧 530023;3.國電華研電力科技有限公司； 廣東 廣州 510030)

目前很多學者對于配電網的節能減排效益評估方法進行了一系列的研究，文獻[1]主要對配電網中的一些分布式新能源以及動態配電等技術出發，在評估過程中考慮到技術可行性和經濟方面建立效益評估體系，利用信息熵和模糊分析法，配合資金、性能2方面的約束對評估方式進行了改進；文獻[2]基于ASIF方法引入生命周期評價和費效分析理念，建立節能減排效益評估模型，也取得了一定的研究成果。以上2種文獻，評估方法更加注重評估單元的整體優化，將其進行平均后會掩蓋某些評估指標的個性特征，導致評估結果有一定的偏差。本文設計一種基于數據包絡分析的配電網節能減排效益評估方法，在評估方法中建立數據包絡分析模型，能夠分別對評估單元進行注重與優化得到最優權重，并有利于評估過程的相對效率。

1 新材料在配電網中的應用

高壓大功率電力電子器件(如寬禁帶半導體器件等)和裝備可以令對高壓大功率電力的變換和控制，如同集成電路對信息的處理一樣靈活高效。

從這個意義上講，電力電子器件和裝備的廣泛使用，將使得電網像計算網絡處理和分配信息資源一樣來處理和分配電力，因而可以把未來配電網看成是一個“能源配置網絡”，各種電力資源通過“能源配置網絡”有機組織、聯系和控制起來，從而為用戶提供可靠的電力。因此，這個“能源配置網絡”也可以稱之為“云電力網絡”，而用戶從“云”中獲取可靠的電力。

新型高性能的電極材料、儲能材料、電介質材料、高強度材料、質子交換膜和儲氫材料等的發明和使用，將使得高效低成本電力儲能系統成為現實并進入千家萬戶，從而優化電網的運行、簡化電網的結構和控制，并對電源波動和電網故障作出響應。電力儲能系統就如同計算網絡中的信息儲存系統一樣，對于未來電網是必要的。

高性能的超導材料在電網中的應用，將大大降低電氣設備的損耗、重量和體積，并可提高電氣設備的極限容量和靈活性，超導限流器還可以有效地限制故障電流并保護其他電氣設備和整個電網的安全穩定性。

其他新材料，如納米復合材料、場(包括電場和磁場)控和溫控的非線性介質材料、低殘壓壓敏電阻材料、新型絕緣材料、絕緣體—金屬相變材料、新型鐵磁材料、用于高效低能耗的電力傳感器材料(如巨磁阻材料、壓電晶體、熱電材料等)都將可能在未來電網中得到廣泛的應用。

2 新材料技術下配電網節能減排效益評估方法

2.1 基于新材料的配電網節能減排效益評估指標體系建立

對于應用新材料技術的配電網來說，其節能減排效益的評估指標需要能夠科學、準確地描述出節能減排的主題，需要具有一定的代表性和綜合性，并且指標之間存在一定的內在與外在的聯系，使得整個評估指標體系具有一定的系統性[3-4]。在建立的過程中，需要根據配電網所在地區的實際情況收集相關的資料，經過統計與分析后得到一般指標體系，經過咨詢專家，進而篩選得到具體指標體系。經過相關性分析，對評估指標的選擇有了一定的標準，得到相關評估指標體系，結果如圖1所示。

圖1 配電網節能減排效益評估指標體系Fig.1 The evaluation index system of energy saving and emission reduction benefits of distribution network

從圖1可以看出，在評估指標體系中，主要以投入、節能減排技術以及相關指標作為評價指標的主要內容。在節能減排的過程中，主要涉及能源的消耗以及節能減排投入的指標[5-7]。在配電網的工作過程中，主要是消耗一些化石能源，這是與節能減排密切相關的，新能源利用是投入資金的重要研究對象。

2.2 基于數據包絡分析的評估模型

配電網是生活、生產所需電能的實際輸送載體，為了減少其使用化石能源所排放出的有效氣體，在很大程度上能夠提高其供電效率，減少能源消耗與浪費，維持社會發展與保護環境之間的和諧狀態[8-10]。從節能減排的效益上看，需要在投資一定的情況下，將節能減排效益最大化。在評估的過程中，不能忽略評估指標的個性特征，因此在數據包絡分析模型中，決策單元的有效性是評估模型結果準確性的基礎，每個決策單元都會有若干個輸入值與輸出值。數據包絡分析模型的種類也有很多，為了適配本文的評估內容，使用的是C2R模型，在該模型中，模型的輸入、輸出可表示：

(1)

式中：xj代表模型的輸入；yj代表模型的輸出；m代表輸入數據的個數；n代表輸出數據的個數；j代表一個除0之外的自然數[11-13]。根據上述數據包絡分析模型的輸入值、輸出值，構建評價決策單元的配電網節能減排效益評估模型：

(2)

式中：u代表輸出的權系數集合；v代表輸入的權系數集合。該模型在投入一定的情況下，能夠得到效益最大化的評估，即獲取最大化的節能減排效益評估結果。

由于節能減排效益會受到各方面的因素影響，會處于一個動態變化的狀態[14-15]。隨著時間的變化，配電網的節能減排部署情況也會隨之變化，因此，節能減排效益評估的目的主要在于配電網節能減排效果的預測。在數據包絡分析評估模型的基礎上，得到如圖2所示的評估流程。

圖2 基于數據包絡分析的配電網節能減排效益評估流程Fig.2 The evaluation process of energy saving and emission reduction benefits of distribution network based on data envelopment analysis

從圖2可以看出，經過以上的流程計算，可以得到配電網在不同時間點的節能減排小于評估值，結合相關的指標權重，可以獲取整體的效益評估結果。至此完成基于數據包絡分析的配電網節能減排效益評估方法的設計。

3 算例應用分析

3.1 算例情況

為了驗證本設計的基于數據包括分析的配電網節能減排效益評估方法的有效性，在算例分析的過程中選擇某地區的5年間的數據作為算例數據進行分析。根據本文所建立的評估指標體系，隨機選取某年的數據，得到該地區下屬各個城市中2019年的節能減排效率評價指標數據，結果表1所示；其中，X1為新能源發電量；X2傳統機組運行功率；X3傳統能源機組節約量；Y1線損率；Y2系統負載率；Z1分布式電源發電量；Z2電動汽車減排量；Z3智能電表安裝比例。

表1 算例地區中各城市2019年節能減排效率評價指標數據Tab.1 The evaluation index data of energy conservation and emission reduction efficiency of each city in the calculation example area in 2019

在以上現有配電網的規劃基礎之上進行配電網節能減排的效益評估，評價周期設置為10年。在評估過程中設置該地區每年在配電網節能減排方面的投資方式為等年均投入，在該地區的投資相關參數如表2所示。

表2 算例地區相關參數Tab.2 The relevant parameters of the calculation example area

根據算例地區的以上數據指標，通過專家對于評估時間段之內的各項數據以及當地對于節能減排的認知，將算例地區設置成為一個經濟系統，并分別使用本文設計的基于數據包絡分析的配電網節能減排效益評估方法和傳統法評估方法對該算例地區進行節能減排的效益評估，并將結果進行對比與分析。

3.2 實驗結果與分析

在上述算例環境下，本文方法得到的第1年節能減排績效評價結果如下圖3所示。

圖3 算例地區各城市節能減排績效評價結果Fig.3 Evaluation results of energy conservation and emission reduction performance of each city in the calculation example area

圖3為算例地區某一年的評估結果，為了準確的判斷2種評估方法的結果對比，得到2種方法評價結果，具體如圖4所示。

從圖4可以看出，2種評估方法得到的節能減排整體評估結果都呈現出了總體提升的趨勢，明顯可以看出本方法得到的評估結果更加貼近于算例地區的實際效益，說明本設計的效益評估方法與傳統方法相比具有更高的評估準確性。

圖4 2種評估方法得到的節能減排整體評估結果Fig.4 The overall assessment results of energy conservation and emission reduction obtainedby the two assessment methods

為了進一步驗證本方法的有效性，對本設計的效益評估方法與傳統方法的配電網節能減排效益評估時間進行對比分析，結果如圖5所示。

圖5 2種方法的評估時間對比結果Fig.5 Comparison results of the evaluation time of the two methods

從圖5可以看出，本設計的效益評估方法配電網節能減排效益評估時間在15 s以內；傳統方法配電網節能減排效益評估時間在30 s以內，說明本設計的效益評估方法配電網節能減排效益評估時間比傳統方法的配電網節能減排效益評估時間短。

4 結語

本文針對傳統評估方法所展現出來的短板，設計出一種基于數據包絡分析的配電網節能減排效益評估方法。通過建立評估體系，引入數據包絡分析模型，能夠改善傳統方法中整體優化評估單元所導致的評估結果不精準的情況，最后根據算例分析結果可知，本文構建模型的配電網節能減排效益評估效果較好，為配電網建設奠定了基礎。