基于物元综合模型的重点耗能企业电力能效评价研究

卢思瑶，陈　缨，张振雨

(1. 国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都　610072；2. 东方电气股份有限公司，四川 成都　610036)



基于物元综合模型的重点耗能企业电力能效评价研究

卢思瑶1，陈缨1，张振雨2

(1. 国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都610072；2. 东方电气股份有限公司，四川 成都610036)

摘要：随着中国能源与环境问题的加剧，加强节能减排，提升用电能效，已成为重点耗能企业亟待决绝的课题。针对已有的电力能效评价研究较为依赖决策者的主观判断且忽视了指标之间存在不相容性这些不足，从经济、技术和管理3个层面构建了基于物元的重点耗能企业电力能效评价模型，并以国内某重点耗能企业为例进行实证研究。结果表明，物元模型不仅能评价重点耗能企业电力能效的综合水平，还能揭示其电力能效管理中存在的问题。这为重点耗能企业电力能效管理的改进指明方向。

关键词：重点耗能企业；电力能效评价；物元综合模型；关联度

Abstract：With the intensification of energy and environmental problems in China, strengthening energy saving and emission reduction and improving power efficiency have become a decisive and urgent task for key energy-consuming enterprises. Focusing on the fact that less attention is paid to the objectivity of index assignment and the incompatibility between the indexes, a matter-element synthetical model of power energy efficiency evaluation is constructed for key energy-consuming enterprises in China, and the model is used for an empirical research. The results show that the matter-element synthetical model not only can evaluate the comprehensive power energy efficiency level of key energy-consuming enterprises, but also can reveal the power energy efficiency problems in these enterprises, which points out a direction for power energy efficiency management of key energy-consuming enterprises in China.

Key words：key energy-consuming enterprises; energy efficiency evaluation; matter-element synthetical model; correlation

0引言

能源是社会经济发展的基础。在传统工业发展模式的推动下，中国通过大量的能源消耗换来了快速增长的30年。《世界能源发展报告2015》显示，2014年中国一次性能源消费总量高达到38.4亿吨标准煤，占世界能源总消耗量的21.50%，高居世界第一。能源消耗量的快速增长，不仅加剧了能源供需的矛盾，也给生态环境造成了巨大的污染，能源与环境问题已经成为制约中国经济进一步发展的两大难题。

面对新的发展形势，加强节能减排，提升用电能效，已成为重点耗能企业的必然选择；但同时应当看到，长期以来，中国电力能效的监测与评价的学术工作进展缓慢，这使得许多已经实施或正在酝酿的电力能效的政策和决策一直缺乏清晰的理论指导，因此，如何在能源短缺和环境污染的双重压力下，构建一套适合于中国重点耗能企业的电力能效评价方法和体系，为重点耗能企业的合理用电以及生产优化提供指导，逐渐成为了学术界研究的焦点。

从已有的理论研究来看，目前对耗能企业的电力能效评价的研究主要集中在以下几个方面：1)基于层次分析法的电力能效评价。文献[1]在构建水泥企业用电能效评价指标体系的基础上，运用层次分析法进行了相应的能效评价，并结合评估结果给出了相关的完善建议。文献[2]从定性与定量两个维度构建了企业用电能效评价模型，并以化工企业为具体对象对上述评价模型的科学性以及合理性进行了检验。2)基于数据包络分析法的电力能效评价。文献[3]运用包络分析法对火电厂发电机组的用电能耗进行了评价和优化，并通过优化前后的数据比较验证了上述方法对火电厂改善用电效率的积极影响。文献[4]运用包络模型对2003—2010年间中国电力产业的总体能源效率进行了评价，并进一步揭示能源效率变化的原因。3)基于综合模型的电力能效评价。文献[5-6]构建了一个层次分析法和熵权法相融合的综合模型，力图克服决策者主观评价信息的影响，以提高电力能效项目用电效率评价的科学性。文献[7]构建了层次分析法，灰色关联法和模糊评价法相融合的制造企业能效评价模。文献[8]构建了G1群组判断、熵权法以及主成分分析法相融合的能效评价模型。这为耗能企业的用电能效的科学评价提供了新的思路。

以上的研究，为耗能企业的用电能效评价与优化提供了较好的理论指导。但同时应当看到，现有的理论研究还存在一定的不足：首先，无论是层次分析法、还是包络法、熵权法，都普遍较强地依赖决策者的主观判断，客观性不够；其次，虽然一些学者逐渐尝试多种方法相融合的构建思路，但大多忽视了各评价指标结果之间不相容性的问题。针对以上不足，将引入物元综合评价这一新方法[9-10]，构建一套适用于重点耗能企业用电能效评价的指标体系。此理论创新在于，力图将指标重要性的主观判断、数据的客观处理以及指标间的不相容性纳入到统一的分析框架中，进而为重点耗能企业的用电能效管理提供理论指导和参考。

1重点耗能企业电力能效评价体系设计

构建完整的指标评价体系，是开展重点耗能企业电力能效综合评价的第一步。基于电力能效指标体系的设置原则以及成熟经验[1，5]，同时结合中国重点耗能企业的用电结构、产品结构、生产工艺以及能源管理的特点，通过综合考虑，构建了重点耗能企业能效评价指标体系。该指标体系包括经济、技术和管理3个一级指标体系和11个二级指标体系。其中，一级经济能效指标包括单位产品工序电力能耗、单位产值综合电力能耗以及节能率3个二级指标，一级技术能效指标包括变压器效率、电压总谐畸变率、电动机运行效率以及电热设备电能利用率4个二级指标，一级管理能效指标包括供电系统测量及监控完备率、节能规划以及规章制度与日常管理3个二级指标。具体的指标构成以及指标标识见图1。

2物元综合评价模型的构建

2.1物元的概念及其评价逻辑

物元分析是用于研究和解决不相容问题的科学理论与方法。在物元分析时，识别物元是第一步。对于任一事物N，可以用特征c和量值v对其进行表述，这个由N、c、v所构成的有序三元组R=(N,c,v)就是物元。物元综合评价方法的基本逻辑如下：首先，根据事物已有的数据对评价对象进行分级处理，并设定各等级的边界数据范围；其次，将评价对象的指标值代入相关等级的集合中进行多决策指标评价；最后，将评价结果与各等级集合的关联度大小进行比较，关联度越大，表示评价结果与对应的等级集合的默契程度越佳。

2.2重点耗能企业电力能效评价物元矩阵的确定

图1　高耗能企业电力能效评价指标体系

根据物元的定义，重点耗能企业电力能效评价的物元矩阵可用式(1)表示：

(1)

式中：R为重点耗能企业电力能效评价物元；N为重点耗能企业的电力能效水平；ci为重点耗能企业电力能效的指标，其中i=1，2，…，11，记作c=(c1,c2,……,c11)T；vi为N关于ci的量值，记作v=(v1,v2,……,v11)T。

2.3重点耗能企业电力能效评价经典域与节域的确定

根据式(1)所展示的重点耗能企业电力能效评价物元矩阵，可得重点耗能企业电力能效的经典域为

(2)

式中:Rj为重点耗能企业电力能效评价物元；Nj为所划分的j个评价等级(等级的多少根据实际情况确定)；ci为第i个指标；vji为Nj关于指标ci的量值范围，即各个等级关于对应的评价指标标准值的经典域，可用vji=来表示；aji为特征ci取值下限值；bji为特征ci取值上限值。

相应的，重点耗能企业的电力能效的节域可以描述为

(3)

式中:Rp为重点耗能企业电力能效评价指标允许取值范围的物元；P为重点耗能企业电力能效等级的全体；vPi(i=1，2，…，11)分别为P关于ci的取值范围，即P的节域，记为vPi=(i=1，2，…，11)，取值的允许范围应满足vji⊂vPi。

2.4指标各等级的关联度的确定

关联度用于表示重点耗能企业电力能效评定指标关于各评价等级j的归属程度，用Kj(vi)描述可拓集合关联度，它的取值范围为整个实数轴。关联函数计算值如式(4)所示:

(4)

计算Kj(vi)时，即j=1当时，在进行第1等级判定计算时，对于正指标(指实际值越大，在能效评价中所起正面效应越大的指标)，如果出现vi≥(aPi+bPi)/2或者对于负指标(指实际值越小，在能效评价中所起负面效应越大的指标)，如果出现vi≤(aPi+bPi)/2，则用式(5)进行计算:

(5)

2.5重点耗能企业电力能效水平第j等级关联度的判定

如果指标ci的权系数为λi(i=1,2,…,11)且∑λi=1，则

(6)

值Kj(p0)表示p属于p0的程度。进一步若

Kj(p0)=maxKj(p0)

(7)

则评定重点耗能企业电力能效水平为j等级。

从作用来看，重点耗能企业电力能效的物元评价模型的关联度比模糊数学的隶属度所代表的内涵更为丰富，它能揭示出更多的分异信息。当Kj(p0)>0时，表示重点耗能企业电力能效水平符合第j级标准的要求，且值越大，符合程度越高；当-1≤Kj(p0)≤0时，表示重点耗能企业电力能效水平不符合第j级标准的要求，但具备转化为该级标准的条件，且值越大，越易转化；当Kj(p0)<-1时，表示重点耗能企业电力能效水平不符合j级标准的要求，且不具备转化为该级标准的条件，其值越小，表示与某级评判标准的差距就越大。

3案例分析

某公司创建于1958年，是中国大型的重型机械制造企业。经过数十年的持续发展，公司目前总资产已逾百亿元，拥有各类生产设备七千余台;可完成400t级优质钢锭的浇筑、600t级优质锻件的锻造以及770t级优质钢水的冶炼，并可完成大型复杂构建的加工；具备较强的公路、水路、铁路等综合远程运输能力；具备从后端冶炼、锻造、热处理、机械加工、装配等到前端售后服务的一体化能力。但近年来随着企业规模的不断壮大，电力能耗问题逐渐凸现，并成为制约公司发展的关键一环。下面引入物元综合模型对某公司的电力能效进行评价，找出其存在的问题并进行相应改善。在电力能效等的评定上，将其分为4个等级，分别为“高”、“较高”、“中等”和“低”

表1　某公司电力能效评价指标关联度输出表

3.1数据的规范化处理

对于那些不能通过客观数据量化的指标，采取主观打分法来确定具体指标的优劣，在操作上，选择了5位电力行业的能效专家或学者对某公司电力能耗评价指标各个层级进行打分，然后运用层次分析法yaaph软件，计算各指标层级的权重系数。而对可以通过量化得到的指标，则通过无量纲化的处理后评分。运用式(4)计算该公司电力能效评价系统中各二级指标在各等级下的关联度，进一步，运用式(6)和式(7)，最终可以得到该公司电力能效指标关联度和综合评价等级。相关的结果如表1所示。

3.2结果分析

从表1的结算结果来看，虽然某公司最终的电力能效综合评价为“较高”等级，但在11项参与评价的指标中，有5项指标的评价仅为“中等”等级，低于综合评价水平。这意味着，对某公司而言，如果要在未来的能效管理中确保自身的用电能效处于较高水平状态，那么提高单位产品工序电力能耗、节电率、电压总谐畸变率、电动机运行效率、电能配送线损率这几项指标的表现就变得势在必行。

通过以上的案例计算分析可以发现，物元综合评价模型不仅能对重点耗能企业综合电力能效进行评价，而且还可以分析各项具体指标的表现，能够帮助重点耗能企业迅速地找出制约企业电力能效的问题所在，这为重点耗能企业电力能效管理的改进指明方向。

4结语

随着中国能源与环境问题的不断凸显，提升电力能效已成为重点耗能企业亟待解决的课题。基于这一背景，通过将电力能效指标重要性的主观判断、数据的客观处理以及指标间的不相容性纳入到统一的分析框架中，构建了重点耗能企业用电能效的物元综合评价模型，并以某公司为例，对这一模型的实用性进了考察。结果显示：基于物元的重点耗能企业电力能效评价模型，可以较好地揭示重点耗能企业的综合电力能效水平以及能效管理中存在的问题，进而为电力能效的进一步提升提供了可行的操作思路。

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中图分类号：F062.9

文献标志码：A

文章编号：1003-6954(2016)02-0064-05

作者简介：

卢思瑶(1986)，硕士研究生、工程师，研究方向为电力营销与供应链；

陈缨(1967)，硕士研究生、高级工程师，国网四川省电力公司博士后创新实践基地博士后合作导师，研究方向为电力营销与能效评价；

张振雨(1981)，工程师、硕士研究生，研究方向为电力供应链。

(收稿日期：2015-12-22)