基于层次分析法与熵权法相结合的配电网节能改造技术经济评估

孟文凯，赵墨林，王 鹏

（1.内蒙古超高压供电局，呼和浩特 010080；2.内蒙古电力经济技术研究院，呼和浩特 010010）

0 引言

配电网在电力系统中起着关键作用，配电网的节能改造不仅能使发电、输电环节及用户受益，对保证整个电力系统的经济运行也非常重要[1]。目前，关于配电网一次系统建设的技术经济路线并不明确，已有成果大多为专题性研究结论，尚未有综合、系统性（包括技术和经济方面）的研究和工程应用成果。文献[2]从配电网静态指标和运行指标方面对交直流混合配电网能效进行了分析，但研究的侧重点是分布式电源对配电网能效的影响程度。文献[3]分析了分布式电源对配电网能耗的影响，但未涉及配电网元件设备指标。文献[4]基于全寿命周期成本（LCC）理论，从配电变压器的改造决策、容量优选及可靠性和灵敏性角度，应用LCC理论进行建模分析。文献[5]通过建立配电网一次设备改造的LCC模型，根据效益与成本比值的大小，确立节能改造最优方案。本文通过构建能效指标体系，对配电网节能改造的技术经济性进行评估，探讨配电网节能改造最佳路径。

1 能效指标体系

1.1 指标体系构建

分层建立能效水平指标体系，如图1所示。

图1 配电网一次设备能效指标体系

（1）第一层为配电网能效水平，记作A；

（2）第二层包括供电能力、技术装备、无功补偿措施及新技术，记作B1—B4；

（3）第三层为各单项指标，记作C1—C23。

1.2 能效指标说明及评分规则

本文构建的指标体系以配电网一次设备能效为核心，因配电网节能效果很大程度上取决于所选用配电网元件的性能、无功补偿措施以及节能新技术应用的合理性，因此第二层指标选定为供电能力、技术装备、无功补偿措施及新技术指标。供电能力所含各指标在体系中起辅助评价作用。

评分规则的确立对建立科学合理的能效指标体系至关重要，本文以相关导则和手册为主要依据，以相关文献和专家长期的工作经验为辅来确立评分规则[6-9]。

1.3 评估方法

1.3.1 层次分析法和熵值法特点

层次分析法适合于具有多层次结构的多指标决策问题，但其具有主观随意性及一定的误差，需要通过一致性校验；而熵权法属于客观赋权法，可以有效弥补上述不足。在确定指标及评判矩阵的情况下，各指标之间的信息量即可通过信息熵来度量，信息熵值越小则该指标的信息量越大，即该指标的权值越大。应用熵值法可以使评价结果更符合实际情况。

本文采用层次分析法与熵值法相结合的评估方法，计算指标体系内各单项指标的权重，具体步骤如下。

1.3.1.1 建立层次结构体系

将研究对象所包含的各因素按照关联关系和隶属关系分成若干组，每一组定义为一个层，最终建立一个由最高层、中间层和最低层组合关联的层次系统结构模型。

1.3.1.2 构建判断矩阵

中间层对最高层的权重分析中，根据1—9标度法打分原则构造判断矩阵。

得出矩阵M的特征向量M0：

（4）求矩阵M的最大特征根λmax。

1.3.1.4 一致性校验

为了验证该方法得出的结果是否合理，对判断矩阵进行一致性校验。

（1）求取一致性指标CI。

式中：n为矩阵阶数。

（2）查找相应的判断矩阵的平均随机一致性指标RI的数值（见表1）。

表1 判断矩阵的R I值

（3）计算一致性比例CR。

规定当CR<0.01时，即认为矩阵满足一致性校验。否则，需要对判断矩阵进行调整使其符合一致性校验。

1.3.1.5 利用熵值法修正指标体系的权重

（1）确定归一化处理后判断矩阵第j项指标bj的熵值ej。

（2）求取信息权重uj。

（3）利用熵值法确定的权重u j修正层次分析法得到的权重M j，求取权向量λj。

从而得到组合权向量λ=（λ1，λ2，…，λ）j。

层次分析法得到的信息权重为：M0=熵值法得到的信息权重为：利用信息权重修正层次分析法得到的权重，得到综合权重为：三者一一对应。

1.3.2 算法编程

由于层次分析法和熵值法需要不断计算判断矩阵并反复求解、验证判断矩阵的一致性，计算量非常大，因此实际应用中使用MATLAB软件实现了算法编程。

2 配电网节能改造的全寿命周期成本及效益分析模型

依据上文构建的能效指标体系，建立了配电网节能改造的全寿命周期成本及效益分析模型（涵盖了高效节能产品）和新型节能设备的全寿命周期成本模型，综合考虑配电网规划时间，采用20年为1个寿命周期，全寿命周期成本可用公式（11）表示。

式中：CL为配电网节能改造全寿命周期成本；CCON为配电网节能改造建设成本；Co&M为配电网节能改造运行维护成本；CD为配电网节能改造设备报废处理成本。

2.1 建设成本

在20年的研究周期内，新型和常规配电变压器、线路的建设成本为一次性投资，而常规无功补偿设备则需要每4年更换一次，新型无功补偿设备也为一次性投资。假设每次更换的建设成本不变，那么，一个寿命周期内配电变压器、线路以及无功补偿装置的建设成本可由式（12）—式（15）计算：

式中：CTCON、CLCON、CQ1CON和CQ2CON分别为配电变压器、线路、增设常规无功补偿装置、新型无功补偿装置的建设成本；CTi为每台配电变压器的建设成本；D1为所有配电变压器集合；CLi为每条线路的建设成本；D2为所有线路集合；CQi为每台新型无功补偿设备的建设成本，D3为所有新型无功补偿装置设备的集合；SC为电容器容量，根据工程造价，常规并联电容器的建设成本为100元/kavr；i为贴现率，i=5%。

2.2 运行维护成本

2.2.1 运行成本

式中：CTO、CLO、CQO分别为配电变压器、线路、无功补偿装置在一个寿命周期内的运行成本；τmax为最大负荷损耗时间；CPE为电价；n为寿命周期时间；ΔATCuj、ΔATFej分别为典型日各配电变压器的可变损耗和不变损耗，ΔATCuj=∑i∈Dβ2Pk，iΔATFej=∑i∈D Poi×8760，其中，Poi为各个配电变压器型号的空载损耗，Pki为各个配电变压器型号的负载损耗，D3为所有改造后的配电变压器集合；ΔALj为典型日配网最大负荷时改造线路有功损耗，ΔALj=∑i∈D4ΔPi，其中，ΔPi为各线路有功损耗最大值，D4为所有改造后的线路集合；β为配电变压器负载率。

2.2.2 维修成本

对于各电力设备的维护成本，各地电网公司只有针对不同设备总费用的统计数据，所以通过计算年平均维护成本得到线路的年维护成本；而配电变压器每年的维修成本不仅与型号有关，而且与其运行时间以及容量有关，不适于等年值计算，采用状态检修方案（见表2）计算[10]。

表2 全寿命周期状态检修方案

在1个寿命周期内，配电变压器、线路、无功补偿装置的维修成本可以由式（19）—式（21）表示。

式中：CTM、CLM、CQM分别为配电变压器、线路、无功补偿装置的维修成本；线路的年维修成本取经验值为3元/m，n统一取值为年末数值；L为线路长度，m。

2.3 设备报废处理成本

各设备报废处理成本的计算方法见式（22）—式（25）。

式中：CTD、CLD、CQ1D、CQ2D分别为配电变压器、线路、常规和新型无功补偿装置的报废成本；n1L为线路的寿命周期；CT1、CL1、CQ1分别为各配电变压器、线路、常规无功补偿装置建设成本之和。

2.4 配电网节能改造的全寿命周期效益

节能改造后，配电网设备的能耗相应降低，每年的节能效益可用配电网设备年节省电量与电价的乘积来计算，可作等年值处理，见式（26）。

式中：E为配电网节能改造效益；ΔA为改造后每年节省的电量，ΔA=ΔAT+ΔAL+ΔAQ，其中，ΔAT、ΔAL、ΔAQ分别为每年配电变压器、线路、无功补偿装置改造后所带来的节电量；CPE为该地区平均电价，取值为0.5元/kWh。

3 实际应用案例

3.1 地区配电网能效水平分析

选取某地区配电网进行节能改造技术经济评估分析，根据2.3节计算B、C层修正后指标的单层次单排序权重，见表3、表4。根据指标状态值，依据评分规则、指标权重，建立以一次设备为核心的配电网能效指标体系，获得该地区能效水平得分，见表5。

表3 B层指标修正后单排序权重

表4 C层指标修正后单排序权重

表5直观反映了该地区配电网的能效水平。由表5可见，失分最多的项目是新技术指标，主要原因是该地区目前中低压配电网应用的新型节能设备较少。技术装备指标失分次之，主要受高耗能配电变压器台数较多，以及中低压线路供电半径较长的影响。供电能力、技术装备、无功补偿措施以及新技术指标能效分析分别见表6—表9。

表5 地区配电网能效水平得分情况

表6 地区供电能力指标分析 %

表9 新技术指标分析 %

3.2 配电网节能改造方案

本文采用常规节能S13型或新型SH15型配电变压器对该地区配电网中高耗能、经济运行不合理配电变压器进行改造，并与S9型配电变压器能效进行对比分析；高效节能导线和新型无功补偿装置在该地区没有应用，采用中强度铝合金绞线和TSVG无功补偿装置，从技术经济方面比较常规绝缘导线、电缆及常规无功补偿装置的优缺点，为推广新型节能设备提供依据。根据对该地区配电网能效水平的分析，结合存在的问题，共给出8种改造方案模型（见表10）。

表10 配电网节能改造方案

3.3 LCC成本及效益分析

本文参考已有统计资料并通过调研获取的实际数据为：贴现率5%；配电变压器及中低压配电线路最大负荷利用小时数均为4000 h；配电变压器、中低压线路负载率分别取35%、50%；配电变压器、中低压线路功率因数分别为0.9、0.95；最大负荷损耗时间分别为2400 h、2200 h，电价0.5元/kWh，计算得出配电网设备的LCC成本效益（净现值）见表11。

3.4 结论

由表11可知，8种节能改造方案净现值都小于0，因此这8种节能改造方案全寿命周期内的投资均不可收回。其根本原因是常规和新型节能改造方案在未计及负荷产生效益的情况下进行比较，其次是建设成本在全寿命周期成本的比重较大。但分析8种方案，可以得出以下结论。

表7 技术装备指标分析

表8 无功补偿指标分析 %

表11 地区配电网节能改造方案净现值

（1）从经济效益方面考虑，方案8最优，其次是方案7、方案3、方案4。可以发现，这些方案导线型号都采用中强度铝合金和电缆，而由于本文研究地区为城镇地区，中强度铝合金为裸导线，不适用于城镇地区导线改造，所以综合比较分析后拟采用方案5进行该地区配电网节能改造。

（2）改造方案8的净现值最大，即采用SH15、中强度铝合金和电缆以及TSVG设备进行改造产生的效益最多，表明新型节能设备在节能降耗、经济效益方面有较大的优势。

（3）对比分析方案1和方案4可知，在配电变压器和无功补偿装置相同的情况下，采用新型节能导线的改造成本与常规方案成本差为-1 109.643 1万元，而产生的效益差值为905.399 5万元，净现值差为2 015.04万元。同理，采用SH15与S13的净现值差为258.8万元，采用TSVG与常规无功补偿装置的净现值差为48.43万元。相比之下，新型导线产生的效益较为可观，但其为裸导线。

4 结语

通过建立以一次设备为核心的能效指标体系，从技术角度实现了对配电网一次设备能效水平的评估，该评估方法能够发现配电网存在的薄弱环节，可指导配电网节能改造工作。