梁飛強，彭顯剛，梁志鵬

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州510006)

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基于DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS的配電網(wǎng)綜合能效評估

梁飛強，彭顯剛，梁志鵬

(廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院，廣東 廣州510006)

摘要：根據(jù)中國配電網(wǎng)的發(fā)展特點和基本屬性，在保證評估指標(biāo)的科學(xué)性和可靠性的前提下，從電網(wǎng)運行、環(huán)境效益、分布式發(fā)電效益、經(jīng)濟效益、資源利用效率5個方面提出了適應(yīng)于配電網(wǎng)綜合能效評估的指標(biāo)體系。針對目前配電網(wǎng)能效缺乏量化評估方法的問題，提出了新的配電網(wǎng)綜合能效評價方法，即集DEMATEL、網(wǎng)絡(luò)分析(analytic network process,ANP)法、反熵權(quán)(anti-entropy weight,AEW)法、逼近理想解排序法(technique for ordey preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)于一體的主、客相結(jié)合的DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS組合方法，并用該方法量化各個層次指標(biāo)的權(quán)重以確定能效評估模型。實際算例結(jié)果驗證了所提模型和方法可行、實用。

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng)；能效評估；指標(biāo)體系；網(wǎng)絡(luò)分析法；反熵權(quán)；理想點排序法

當(dāng)前中國的能源利用效率低下，僅為33%，能耗強度約為美國的3倍、日本的7.2倍[1]，如何提高能源的利用效率已經(jīng)成為中國經(jīng)濟迅速發(fā)展急需解決的問題。在電力系統(tǒng)能效方面，由于配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、線損嚴(yán)重，有必要通過科學(xué)評估其能源利用效率來發(fā)現(xiàn)管理中的薄弱環(huán)節(jié)并加以整治，從而促進電網(wǎng)的綠色經(jīng)濟運行，因此亟需構(gòu)建一套科學(xué)、全面、合理的綜合能效評估指標(biāo)體系和方法，實現(xiàn)對配電網(wǎng)的能效評估。

目前中國對配電網(wǎng)能效綜合評估的研究涉及較少。文獻[2-3]雖然提出了配電網(wǎng)評估指標(biāo)體系，但沒有考慮接入分布式發(fā)電(distributed generation，DG)對配電網(wǎng)能效的影響，評估指標(biāo)不夠全面，說明該指標(biāo)體系不適用于含DG的配電網(wǎng)能效評價。文獻[4]介紹了幾種常用的評估方法，但是獨立使用這些方法有其局限性。文獻[5]雖然涉及了評價指標(biāo)體系和方法，但側(cè)重點是配電網(wǎng)規(guī)劃，沒有突出能效，而且未考慮DG接入的影響。文獻[6-7]提到了基于層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)的配電網(wǎng)能效評估，但只考慮較低層次指標(biāo)元素會影響較高層次指標(biāo)元素，而忽視了低層次指標(biāo)元素也受高層次指標(biāo)元素影響這一問題，更沒考慮到不同層次指標(biāo)元素之間的相互影響，而且其能效指標(biāo)不能表征含DG配電網(wǎng)的能效情況。文獻[8]旨在對電力用戶側(cè)進行能效評估，不適用于電力傳輸?shù)呐潆娋W(wǎng)能效評估。文獻[9]提出了智能電網(wǎng)多屬性網(wǎng)絡(luò)層次組合評價方法——逼近理想解排序法-熵權(quán)法-網(wǎng)絡(luò)分析法(technique for order preference by similarity to ideal solution-entropy weight method-analytic network process，TOPSIS-EWM-ANP)組合評估模型，該模型和指標(biāo)可以對電網(wǎng)的智能強度進行有效評估，但不適用于配電網(wǎng)的能效評估，其中在獲取ANP判斷矩陣時沒有避免對元素自身影響程度的主觀估計，也沒解決構(gòu)建判斷矩陣時直接和間接影響不統(tǒng)一的問題[10]。

梁飛強，等：基于DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS的配電網(wǎng)綜合能效評估通過以上分析，本文提出基于決策與試驗評價實驗室-ANP-反熵權(quán)-TOPSIS(decision-making and trial evaluation laboratory-analytic network process-anti-entropy weight-technique for order preference by similarity to ideal solution，DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS)的配電網(wǎng)綜合能效評估方法，該方法既克服權(quán)重過于主觀或過于客觀的問題，又顧及各指標(biāo)間、層次間的相互影響以及判斷矩陣不統(tǒng)一的問題。

1配電網(wǎng)能效評估指標(biāo)體系

1.1設(shè)置原則

在建立評估指標(biāo)體系時，各指標(biāo)的選取一方面要盡可能全面反映配電網(wǎng)的實際情況，另一方面要考慮數(shù)據(jù)獲取的難易程度、計算量的大小等實際問題。

初選指標(biāo)時遵循全面性原則，這種指標(biāo)選擇方法會導(dǎo)致具有很強相關(guān)性的某些指標(biāo)同時被選入。為了避免指標(biāo)的不必要重復(fù)，降低計算量，需要刪除信息量嚴(yán)重重復(fù)的指標(biāo)，也就是對經(jīng)前期調(diào)研和專家法初選的指標(biāo)進行再次篩選?？山栌肧PSS19.0應(yīng)用軟件對指標(biāo)體系中的各項指標(biāo)作多元相關(guān)性分析與主成分分析，通常第一主成分包含絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)信息，所以只需計算各項二級指標(biāo)對第一主成分的構(gòu)成系數(shù)，保留構(gòu)成系數(shù)大的指標(biāo)；當(dāng)兩指標(biāo)體系的相關(guān)系數(shù)大于0.9時，就認(rèn)為這兩個指標(biāo)是嚴(yán)重重復(fù)指標(biāo)，只保留其中一個指標(biāo)，另一個指標(biāo)被刪除，一般保留數(shù)據(jù)容易獲取或計算簡單的指標(biāo)。

在符合能效標(biāo)準(zhǔn)體系的前提下，通過前期調(diào)研與分析，由專家確定一級指標(biāo)和初選二級指標(biāo)，再經(jīng)相關(guān)性分析與主成分分析來篩選二級指標(biāo)，最終根據(jù)配電網(wǎng)的特征確定配電網(wǎng)的能效評估體系。

1.2框架

DG接入配電網(wǎng)后，將對配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)損耗產(chǎn)生影響，本文考慮了DG的影響因素。通過與某省電力公司的前期交流，綜合中國能源審計與統(tǒng)計的相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，全面考慮各指標(biāo)出現(xiàn)的頻率和可獲得性，確定了配電網(wǎng)能效評價指標(biāo)體系的框架，如圖1所示。

ASCI—系統(tǒng)平均缺電量，average shortage of consumption inventory的縮寫；TPSS—系統(tǒng)總不足電量，total power shortage of system的縮寫；PM—顆粒物，particulate matter的縮寫。圖1　配電網(wǎng)能效評估指標(biāo)體系

2能效評估方法

2.1DEMATEL-ANP主觀評估權(quán)重計算方法

ANP是基于AHP的一種實用決策方法，它既考慮了各指標(biāo)體系中層次結(jié)構(gòu)間的相互影響，又考慮了遞階層次結(jié)構(gòu)存在內(nèi)部循環(huán)以及層次結(jié)構(gòu)之間存在依賴性和反饋性的特點。本文在獲取判斷矩陣時，借用DEMATEL法改進了內(nèi)部依賴矩陣的構(gòu)建方法。

設(shè)ANP的網(wǎng)絡(luò)層中有m個元素C1，C2，…，Cm，元素Cj對元素Ci的影響度為yji，i=j時yji=1，其余元素都按此準(zhǔn)則進行兩兩比較得影響程度，從而獲得相應(yīng)的判斷矩陣，再利用特征根法得出Ci次準(zhǔn)則下的權(quán)重向量

其中歸一化特征向量

將所有次準(zhǔn)則下的權(quán)重向量合成權(quán)重矩陣，并在權(quán)重矩陣對角線上填0，即可得DEMATEL法中的直接影響矩陣

根據(jù)DEMATEL法求取綜合影響矩陣時，通過計算各層次指標(biāo)間的平均綜合影響矩陣來回避綜合影響矩陣不收斂的問題。平均綜合影響矩陣

同樣借鑒DEMATEL法計算各元素集間的影響度，將其與系統(tǒng)超矩陣結(jié)合，得到系統(tǒng)加權(quán)超矩陣

對上述矩陣進行2k+1次演化，最終形成一個長期穩(wěn)定矩陣，其各行非零值均相同，即得到評價指標(biāo)的主觀權(quán)重向量

2.2AEW客觀權(quán)重計算方法

客觀權(quán)重向量Wk可用AEW來確定。AEW可以使數(shù)據(jù)得到充分運用，體現(xiàn)出完全客觀的權(quán)重數(shù)值，但不能體現(xiàn)指標(biāo)的實際重要程度和意義。將AEW與DEMATEL-ANP相結(jié)合，可使權(quán)重不僅包含數(shù)據(jù)本身信息，還能體現(xiàn)出專家的主觀判斷。當(dāng)系統(tǒng)處于m種狀態(tài)時，反熵

用AEW法確定權(quán)重的步驟為：假設(shè)評價問題有m個評價對象、n個評價指標(biāo)，指標(biāo)值為xij(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)，評價矩陣X=(xij)n×m；然后通過評價矩陣計算出各指標(biāo)的反熵值，根據(jù)反熵值進一步確定各指標(biāo)的客觀權(quán)重。反熵值和客觀權(quán)重的計算公式為：

其中

式中：hi為第i個評價指標(biāo)的反熵值，wkj為第j個指標(biāo)的客觀權(quán)重。

2.3DEMATEL-ANP-AEW權(quán)重計算方法

要想培養(yǎng)小學(xué)閱讀能力，該做的第一步就是朗讀，所以，學(xué)生們一開始需要通過吟誦朗讀來培養(yǎng)閱讀能力。吟誦朗讀就是口、耳、心、眼四種并用的一種學(xué)習(xí)方法，正如葉圣陶先生所說，朗讀是一種能培養(yǎng)人們閱讀的學(xué)習(xí)方法，通過吟誦朗讀這種方法，學(xué)生們能切身體會到閱讀中的角色，并發(fā)自內(nèi)心感同身受到閱讀的內(nèi)容。所以，在小學(xué)語文閱讀教學(xué)中，如果能夠正確并準(zhǔn)確地運用吟誦朗讀這個閱讀方法，閱讀教學(xué)效率就能得到肉眼可見的提高，使得小學(xué)語文的教學(xué)越發(fā)簡單而受用。

根據(jù)DEMATEL-ANP確定指標(biāo)主觀權(quán)重集合Wz={wzi│1≤i≤n}，根據(jù)AEW法確定指標(biāo)客觀權(quán)重集合Wk={wki│1≤i≤n}。綜合考慮由DEMATEL-ANP和AEW法計算得到的權(quán)重，可得第i個指標(biāo)的組合權(quán)重

wi=?wzi+(1-?)wki,0≤i≤n.

式中0≤?≤1，本文取?=0.5。

2.4TOPSIS

TOPSIS[11-12]是一種常用的多目標(biāo)(屬性)決策分析法，其基本思想是：基于歸一化后的原始數(shù)據(jù)矩陣，找出有限方案中的最優(yōu)方案和最劣方案(分別用最優(yōu)向量和最劣向量表示)，然后分別計算諸評價對象與最優(yōu)方案、最劣方案的距離，獲得各評價對象與最優(yōu)方案的接近程度，以此作為評價優(yōu)劣的依據(jù)。

2.5DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS組合評估模型

本文提出基于DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS組合的評價模型，運用DEMATEL-ANP- AEW方法確定權(quán)重，并與TOPSIS相結(jié)合，以達到減少權(quán)重誤差、提高計算精度的目的。具體步驟如下：

a)構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣B=(pij)m×n(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)。

b)采用DEMATEL-ANP計算權(quán)重向量Wz。

c)采用AEW法計算權(quán)重向量Wk。

f)根據(jù)TOPSIS求出正、負(fù)理想方案V+和V-， 即

h)計算評價對象i與最優(yōu)方案的貼近度δi，其計算式為

i)應(yīng)用DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS組合方法計算每個方案的評價值，根據(jù)貼近度對各評價對象進行排序。

3算例分析

選取地區(qū)A作為研究對象，采用DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS組合方法，結(jié)合提出的指標(biāo)體系，計算2012—2016年綜合能效貼近度，從而評估該地區(qū)配電網(wǎng)的能效情況。由于篇幅的限制，本文只列出中間計算過程的權(quán)重結(jié)果。

首先，填充已經(jīng)篩選好的二級指標(biāo)數(shù)據(jù)；然后，采用DEMATEL-ANP-AEW法求取配電網(wǎng)能效評估的一級指標(biāo)權(quán)重，其中電網(wǎng)運行權(quán)重值為0.165 7，環(huán)境效益權(quán)重值為0.128 2，DG接入效益權(quán)重值為0.242 5，經(jīng)濟效益權(quán)重值為0.319 1，資源利用效益權(quán)重值為0.144 5；應(yīng)用DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS組合方法計算2012—2016年配電網(wǎng)能效各屬性的評價值，結(jié)果見表1。

表1地區(qū)A配電網(wǎng)各屬性的評價值

年份各屬性評價值電網(wǎng)運行環(huán)境效益DG接入效益經(jīng)濟效益資源利用效益總和20120.43210.76020.63890.76520.44723.043620130.66020.82040.82190.82190.74353.867920141.08141.03251.08980.96210.91285.078620151.39531.17271.22851.19251.38246.371420161.43101.21421.32091.25831.51416.7385

為了說明DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS組合方法的合理性和有效性，也采用熵權(quán)修正[9]與TOPSIS相結(jié)合的評價方法(以下簡稱“熵權(quán)修正法”)對本實例配電網(wǎng)綜合能效進行評價，2種方法的評價結(jié)果對比見表2。在表2中，組合方法指DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS組合方法。

表2地區(qū)A配電網(wǎng)綜合評估

年份相對貼近度組合方法熵值修正法排序名次組合方法熵值修正法20120.39120.40485520130.42380.43914420140.44260.46823320150.48290.51192220160.53270.553711

由表2可以看出：在2012—2016年，2種方法對地區(qū)A的能效評估相對貼近度排序都是一次遞增，從整體上看，地區(qū)A配電網(wǎng)的能效水平不斷提高；雖然DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS組合方法與熵值修正法的綜合評價結(jié)果略有偏差，但是整體趨勢是一致的，說明DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS組合方法符合實際效益。

圖2和圖3分別為各屬性評價散點圖及綜合評價雷達圖。

圖 2　配電網(wǎng)各屬性評價散點圖

圖 3　能效評估綜合評價雷達圖

由圖2和圖3可得：從總體來看，該地區(qū)在2012—2016年配電網(wǎng)的能效水平始終保持較快的發(fā)展趨勢；從局部看，經(jīng)濟效益與環(huán)境效益在此期間提升幅度較大，呈現(xiàn)先緩后增的發(fā)展趨勢；環(huán)境效益水平雖然在此期間始終逐年提升，但在2015年之前整體水平變化不大，這與目前配電網(wǎng)處于全面建設(shè)階段有關(guān)，需要一定的時間才能全面體現(xiàn)經(jīng)濟和社會效益；資源利用效益評價值提升較快，一方面是經(jīng)濟效益驅(qū)動，另一方面是國家重視節(jié)能減排、資源利用率、環(huán)境保護的結(jié)果。

在此期間地區(qū)A配電網(wǎng)的經(jīng)濟效益評價值較其余屬性的評價值偏大，可見該地區(qū)電網(wǎng)規(guī)劃對配電網(wǎng)的經(jīng)濟效益有足夠的重視。在今后的配電網(wǎng)改造和升級過程中，須繼續(xù)加大對環(huán)境和資源利用率的重視，使該地區(qū)的配電網(wǎng)均衡發(fā)展、全面提升。

4結(jié)束語

本文針對中國配電網(wǎng)建設(shè)的特點，提出了應(yīng)用型的綜合評價方法。采用DEMATEL-ANP-AEW法確定權(quán)值，提高了指標(biāo)權(quán)重判定的精度；同時，基于配電網(wǎng)不同屬性的數(shù)據(jù)特點，采用DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS組合方法進行評估分析。通過具體實例驗證此方法的可行性，算例結(jié)果表明：所提方法可以反映配電網(wǎng)各屬性和整體的發(fā)展建設(shè)效果，為配電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃方案提供選擇依據(jù)；能縱向?qū)Ρ炔煌瑓^(qū)域能效水平，幫助企業(yè)找到用電能效相對薄弱環(huán)節(jié)，對提高配電網(wǎng)的能效起到重要的指導(dǎo)作用。

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梁飛強(1988)，男, 湖北咸寧人。在讀碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)運行分析與控制。

彭顯剛(1964)，男，湖北武漢人。副教授，工學(xué)碩士，主要從事電力系統(tǒng)優(yōu)化運行與控制方面的研究與教學(xué)工作。

梁志鵬(1990)，男, 河南焦作人。在讀碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)運行分析與控制。

(編輯李麗娟 )

Evaluation on Comprehensive Energy Efficiency of Power Distribution Network

Based on DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS

LIANG Feiqiang, PENG Xiangang, LIANG Zhipeng

(School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510006, China)

Abstract：According to development characteristics and essential attributes of Chinese power distribution networks and on the premise of ensuring scientificity and reliability of evaluation index, this paper proposes an index system suitable for evaluation on comprehensive energy efficiency of the power distribution network in five terms including power grid operation, environmental benefit, distributed generation benefit, economic benefit and resource utilization rate. In allusion to the problem of energy efficiency of present power distribution network being lack of quantitative evaluation method, this paper proposes a new combined evaluation method for comprehensive energy efficiency of power distribution network which gathers decision-making and trial evaluation laboratory (DEMATEL) method, analytic network process (ANP), anti-entropy weight (AEW) method and technique for order preference by similarity to ideal solution (TOPSIS) method in integral whole, and uses this method for quantizing weight of each level index so as to determine energy efficiency evaluation model. Practical example results verify feasibility and practicability of the proposed model and method.

Key words：power distribution network; energy efficiency evaluation; index system; analytic network process; anti-entropy weight; technique for order preference by similarity to ideal solution

作者簡介：

中圖分類號：TM727

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-290X(2016)01-0031-05

基金項目：中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司科技項目(K-GD2014-0891)

收稿日期：2015-08-11

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.007