楊定立,聶明諫,秦 超
(1.國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司,西安710048;2.華北電力大學(xué),經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院,北京102206)
由于智能電網(wǎng)建設(shè)有可能帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,包括中國(guó)在內(nèi)的許多國(guó)家目前已將智能電網(wǎng)作為未來(lái)電力系統(tǒng)的重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)之一,并積極推進(jìn)相關(guān)的技術(shù)革新和管理轉(zhuǎn)變[1,2]。智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程是指適應(yīng)經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、工業(yè)區(qū)、科技城、生態(tài)園區(qū)、智能家居/社區(qū)等不同類型城市局部區(qū)域建設(shè)要求,由政府、電力公司、社會(huì)力量共同參與,以電網(wǎng)靈活可控、高可靠性供電、優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)、綠色清潔能源、雙向互動(dòng)用電等為主題,涉及電網(wǎng)多個(gè)領(lǐng)域的綜合性智能電網(wǎng)工程。智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程直接面向社會(huì)、面向政府、面向用戶,與區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有機(jī)融合。智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程展現(xiàn)智能電網(wǎng)建設(shè)成果及效益,是社會(huì)各界感知和體驗(yàn)智能電網(wǎng)建設(shè)成果的有效途徑。
智能電網(wǎng)建設(shè)需要大量資金,建設(shè)周期長(zhǎng)且技術(shù)難度高[3]。近年來(lái),國(guó)內(nèi)外已有一些組織和學(xué)者從不同角度對(duì)智能電網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展能夠帶來(lái)的效益做了分析[4-9]。隨著智能電網(wǎng)全面建設(shè)工作的推進(jìn),智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程將在較大范圍內(nèi)開(kāi)展實(shí)施。電網(wǎng)企業(yè)迫切需要對(duì)其建設(shè)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié),分析各個(gè)子工程的效益和貢獻(xiàn)情況,從而促進(jìn)智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程進(jìn)一步降低成本,加強(qiáng)技術(shù)投入,提升整體運(yùn)行效益,為后續(xù)工程的方案設(shè)計(jì)和子工程的設(shè)置等提供參考。文獻(xiàn)[10-14]對(duì)智能電網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系做出了研究,文獻(xiàn)[15-18]給出了智能電網(wǎng)評(píng)價(jià)的方法和模型。然而這些指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型都難以適用于智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程的評(píng)價(jià),不能給出各個(gè)子工程的效益和貢獻(xiàn)情況。
綜上所述,本文提出科學(xué)、規(guī)范、合理的智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程的貢獻(xiàn)度分析模型,分析評(píng)價(jià)結(jié)果可用于指導(dǎo)減少項(xiàng)目實(shí)施的盲目性和避免投資浪費(fèi),實(shí)現(xiàn)綜合項(xiàng)目的整體效能的最大化和最優(yōu)化,有效地服務(wù)于區(qū)域戰(zhàn)略目標(biāo),服務(wù)于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的要求,促進(jìn)電網(wǎng)與社會(huì)的和諧發(fā)展。
智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程在各經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、工業(yè)園區(qū)、科技城、生態(tài)園區(qū)等區(qū)域內(nèi)通過(guò)整體方案設(shè)計(jì),可以為用戶提供更加方便快捷、環(huán)保、智能的生活方式,形成用清潔能源發(fā)電、配電自動(dòng)化、系統(tǒng)信息采集、電動(dòng)汽車充電樁、智能家居智能電網(wǎng)技術(shù)系統(tǒng)。典型的智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程主要包含的各系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 典型智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程系統(tǒng)構(gòu)架示意圖Fig.1 The system architecture of a typical construction project for smart grid
智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程建成后對(duì)電力系統(tǒng)的生產(chǎn)與運(yùn)行、用戶智能用電與節(jié)能以及環(huán)保減排等多個(gè)方面都會(huì)產(chǎn)生積極影響。典型智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)社會(huì)環(huán)境效益及子工程的設(shè)置如圖2所示。
圖2 智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程的綜合社會(huì)效益及子工程設(shè)置Fig.2 Social comprehensive benefits and subprojects of the smart grid integrated construction project
總的來(lái)說(shuō),智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程建成后將在綠色環(huán)保、服務(wù)民生、開(kāi)放互動(dòng)、商業(yè)模式、安全可靠、運(yùn)營(yíng)/運(yùn)行效率方面產(chǎn)生顯著效益。
本節(jié)提出建立智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程的貢獻(xiàn)度模型的研究思路。貢獻(xiàn)度模型需要解決兩個(gè)問(wèn)題,一是研究實(shí)施智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程后,可以產(chǎn)生哪些具體效益,二是明確子工程對(duì)這些指標(biāo)的具體能“貢獻(xiàn)”多少效益,貢獻(xiàn)度的定義和計(jì)算方法。
(1)建立通用指標(biāo)體系。智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程效益通用指標(biāo)是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),需要由經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境多個(gè)方面具有聯(lián)系和區(qū)別的多項(xiàng)指標(biāo)按照一定的結(jié)構(gòu)層次組合在一起構(gòu)成指標(biāo)體系。根據(jù)智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程本身的特點(diǎn)以及綜合工程所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境等方面的影響特點(diǎn),提出智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程貢獻(xiàn)度基本原則,在該基本原則的前提下,進(jìn)一步細(xì)化并明確具體指標(biāo)。由于智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程貢獻(xiàn)度是新的概念,而且智能電網(wǎng)技術(shù)也在不斷創(chuàng)新發(fā)展,所以指標(biāo)體系在建立后還應(yīng)當(dāng)根據(jù)實(shí)際情況不斷健全完善。
(2)確定各層指標(biāo)之間的權(quán)重。由于不同類型的智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程,其服務(wù)側(cè)重點(diǎn)不一致,因此在評(píng)價(jià)時(shí)的重點(diǎn)也應(yīng)有所區(qū)別,這種區(qū)別體現(xiàn)在確定指標(biāo)權(quán)重時(shí),相同的指標(biāo),在不同類型的綜合工程中,其分配得到的權(quán)重不同。由于智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程貢獻(xiàn)度模型及通用指標(biāo)體系尚沒(méi)有成熟的理論研究成果,既缺少足夠的歷史數(shù)據(jù),又不能簡(jiǎn)單直接給出指標(biāo)間相對(duì)重要程度,所以常見(jiàn)的一些用來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重的方法如主成分分析、因子分析、層次分析法等模型不再適用??刹捎脜^(qū)間數(shù)-可能度矩陣方法確定指標(biāo)權(quán)重。區(qū)間數(shù)-可能度矩陣方法將指標(biāo)間相對(duì)重要程度用區(qū)間數(shù)來(lái)表示,利用可能度矩陣計(jì)算得出權(quán)重,不需要依賴于歷史數(shù)據(jù),增強(qiáng)了實(shí)際應(yīng)用中的可信度。
(3)由于經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)、工業(yè)區(qū)、科技城、生態(tài)園區(qū)、智能家居/社區(qū)等不同類型的智能電網(wǎng)綜合工程需求不同,所實(shí)施的子工程也不盡相同。例如甲工程有3個(gè)子工程,乙工程有4個(gè)子工程。所以需要設(shè)立一個(gè)子工程備選庫(kù),形成統(tǒng)一的辨識(shí)和篩選標(biāo)準(zhǔn)。研究某特定綜合工程的子工程貢獻(xiàn)度時(shí),直接從該備選庫(kù)中選取子工程。
(4)為定義“貢獻(xiàn)度”概念,首先定義子工程直接貢獻(xiàn)值。直接貢獻(xiàn)值即實(shí)施子工程之前與實(shí)施該子工程之后的某項(xiàng)效益指標(biāo)的差值。則子工程對(duì)單項(xiàng)指標(biāo)貢獻(xiàn)度定義為該項(xiàng)子工程對(duì)單項(xiàng)指標(biāo)直接貢獻(xiàn)值占全部子工程對(duì)該單項(xiàng)指標(biāo)直接貢獻(xiàn)值的比例。
解決了貢獻(xiàn)度模型的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題后,將子工程對(duì)單項(xiàng)指標(biāo)貢獻(xiàn)度與指標(biāo)權(quán)重做向量乘積(加權(quán)求和),即求得子工程對(duì)綜合工程貢獻(xiàn)度。
本文根據(jù)智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程本身的特點(diǎn)以及綜合工程所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、社會(huì)、環(huán)境等方面的影響特點(diǎn),基于全面性、科學(xué)性、可操作性、系統(tǒng)性、動(dòng)態(tài)性和開(kāi)放性等原則,建立綠色環(huán)保、服務(wù)民生、開(kāi)放互動(dòng)、商業(yè)模式、安全可靠、運(yùn)營(yíng)/運(yùn)行效率6大方面貢獻(xiàn)度指標(biāo)體系。指標(biāo)體系總的分類和依據(jù)如表1所示。
細(xì)化指標(biāo)體系如表2所示。
智能電網(wǎng)技術(shù)貫穿于整個(gè)電能生產(chǎn)、傳輸和使用全過(guò)程,智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程涉及清潔能源發(fā)電、智能輸變電設(shè)備、通信網(wǎng)絡(luò)、智能電表及其他監(jiān)測(cè)設(shè)備、電動(dòng)汽車充電樁等多個(gè)體系。為便于分析和計(jì)算,將綜合建設(shè)工程劃分為子工程1(清潔能源發(fā)電),子工程2(智能輸變電工程),子工程3(通信工程),子工程4(智能電表及監(jiān)測(cè)設(shè)備工程),子工程5(電動(dòng)汽車相關(guān)工程)。
表1 貢獻(xiàn)度指標(biāo)體系的分類和依據(jù)Tab.1 Classification and basis of contribution degree index system
表2 貢獻(xiàn)度細(xì)化指標(biāo)體系Tab.2 Detailed contribution degree index system
每個(gè)子工程的建設(shè)目標(biāo)和側(cè)重點(diǎn)都有所不同。其中,子工程1的主要目標(biāo)是促進(jìn)可再生能源發(fā)電的發(fā)展和節(jié)能減排;子工程2主要在于提高電能輸送效率,減少線路和設(shè)備損失電量;子工程3,子工程4則在保證優(yōu)質(zhì)可靠電力供應(yīng)的前提下降低用電成本,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了開(kāi)放互動(dòng),促進(jìn)需求側(cè)響應(yīng),達(dá)到節(jié)約能源,改善負(fù)荷曲線的目的。子工程5在節(jié)能減排、服務(wù)民生方面有顯著效益。
由于各個(gè)子工程的建設(shè)目標(biāo)和側(cè)重點(diǎn)有所不同,子工程對(duì)智能電網(wǎng)建設(shè)綜合工程的各指標(biāo)效益貢獻(xiàn)有所不同。各個(gè)子工程對(duì)各指標(biāo)效益貢獻(xiàn)如何計(jì)量如何區(qū)分,子工程對(duì)各單項(xiàng)指標(biāo)的“貢獻(xiàn)度”如何定義,成為研究智能電網(wǎng)建設(shè)綜合工程貢獻(xiàn)度模型的關(guān)鍵問(wèn)題。
本文提出各個(gè)子工程對(duì)各指標(biāo)效益直接貢獻(xiàn)值的定義及計(jì)算方法,直接貢獻(xiàn)值即實(shí)施該子工程之前與實(shí)施該子工程之后的直接效益差值。貢獻(xiàn)度定義為該項(xiàng)子工程對(duì)單項(xiàng)指標(biāo)直接貢獻(xiàn)值占全部子項(xiàng)目對(duì)該單項(xiàng)指標(biāo)貢獻(xiàn)值的比例。
根據(jù)上述研究思路,提出智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程貢獻(xiàn)度模型如圖3所示。
圖3 智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程貢獻(xiàn)度模型Fig.3 Contibution degree model of the smart grid integrated construction project 注:εi為評(píng)價(jià)智能電網(wǎng)綜合工程的一級(jí)指標(biāo);αi為一級(jí)指標(biāo)εi分得的權(quán)重;ε(i,j)為一級(jí)指標(biāo)εi下的屬性指標(biāo);α(i,j)為屬性指標(biāo)ε(i,j)分得的權(quán)重;βk(i,j)子工程k對(duì)屬性指標(biāo)ε(i,j)的貢獻(xiàn)度
4.2.1利用區(qū)間數(shù)-可能度矩陣法計(jì)算各級(jí)指標(biāo)權(quán)重
(1)建立區(qū)間數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣。根據(jù)指標(biāo)劃分,專家采用九標(biāo)度法對(duì)指標(biāo)兩兩比較,建立區(qū)間數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣Q:
Q=(qij)n×n
(1)
qij=[q-ij,q+ij],q-ij+q+ij=q-ji+q+ij=1,i,j∈n
(2)求解區(qū)間數(shù)權(quán)重向量。計(jì)算互補(bǔ)判斷矩陣Q的行和,并做歸一化處理,得到區(qū)間數(shù)權(quán)重向量。
w=(w1,w2,w3,…,wn)T
(2)
利用可能度公式對(duì)權(quán)重向量?jī)蓛杀容^,建立可能度矩陣P:
P=(pij)n×n
(4)
其中L(a)=a+-a-,L(b)=b+-b-。
(3)將可能度矩陣P行和歸一化,便可得到權(quán)重向量。
w=(w1,w2,w3,…,wn)T
(6)
4.2.2計(jì)算各子工程對(duì)二級(jí)指標(biāo)的貢獻(xiàn)度
子工程對(duì)各個(gè)指標(biāo)的直接貢獻(xiàn)值表征含義差異很大,計(jì)量單位不相同,貢獻(xiàn)度的定義則很好地解決了直接貢獻(xiàn)值不同表征含義和不同單位的歸一化問(wèn)題。貢獻(xiàn)度為比例數(shù),無(wú)單位,各子工程對(duì)同一指標(biāo)的貢獻(xiàn)度和為1。
4.2.3求解子工程k對(duì)綜合工程的貢獻(xiàn)度
子工程k對(duì)綜合工程的貢獻(xiàn)度為:
(7)
以鄭州高新技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程原始測(cè)評(píng)數(shù)據(jù),結(jié)合專家對(duì)本工程的評(píng)估意見(jiàn),由區(qū)間數(shù)-可能度矩陣方法計(jì)算得到各指標(biāo)權(quán)重如表3等所示。
表3 各指標(biāo)權(quán)重Tab.3 Every index weight
根據(jù)歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、專家評(píng)估數(shù)據(jù)、調(diào)查問(wèn)卷等計(jì)算得到各子工程對(duì)于各二級(jí)指標(biāo)貢獻(xiàn)度。將各二級(jí)指標(biāo)貢獻(xiàn)度與單項(xiàng)指標(biāo)做矩陣乘積,可得各子工程對(duì)各一級(jí)指標(biāo)貢獻(xiàn)度,如表4所示。
表4 子工程對(duì)一級(jí)指標(biāo)貢獻(xiàn)度Tab.4 Contribution degree of sub-projects to first grade indexes
以表4中數(shù)據(jù)與各一級(jí)指標(biāo)做矩陣乘積,得各子工程對(duì)綜合工程貢獻(xiàn)度,如表5所示。
表5 子工程對(duì)綜合工程貢獻(xiàn)度Tab.5 Contribution degree of sub-projects to the comprehensive project
由表5可得子工程2,子工程3,子工程4對(duì)智能電網(wǎng)綜合工程貢獻(xiàn)度大,其中子工程4貢獻(xiàn)度最大,子工程2貢獻(xiàn)度次之,并與工程4貢獻(xiàn)度非常接近,說(shuō)明智能電表及監(jiān)測(cè)設(shè)備工程和智能輸變電工程是智能電網(wǎng)中的核心工程,一方面說(shuō)明實(shí)施智能電表及監(jiān)測(cè)設(shè)備工程和智能輸變電工程可以獲得較高的經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值,另一方面也說(shuō)明應(yīng)繼續(xù)高度重視智能輸變電系統(tǒng)的科技研發(fā),資金投入和建設(shè)質(zhì)量,才能確保智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程發(fā)揮出應(yīng)有的整體效益。子工程1和子工程5對(duì)智能電網(wǎng)綜合工程貢獻(xiàn)度較小,以電動(dòng)汽車工程為最弱。這符合當(dāng)前電動(dòng)汽車使用量少,發(fā)展緩慢的現(xiàn)實(shí)背景。應(yīng)繼續(xù)關(guān)注電動(dòng)汽車發(fā)展情況,當(dāng)電動(dòng)汽車進(jìn)入快速發(fā)展的階段后,智能電網(wǎng)綜合工程應(yīng)加大對(duì)電動(dòng)汽車工程的投入。
本文提出智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程效益通用指標(biāo)體系,提出各子工程對(duì)通用指標(biāo)體系中底層指標(biāo)的直接貢獻(xiàn)值和貢獻(xiàn)度定義及其計(jì)算方法,設(shè)計(jì)出子工程對(duì)整個(gè)建設(shè)工程的綜合貢獻(xiàn)度模型,算例結(jié)果表明模型科學(xué)有效。模型結(jié)果表明智能電表及監(jiān)測(cè)設(shè)備工程和智能輸變電工程對(duì)智能電網(wǎng)綜合建設(shè)工程至關(guān)重要,需要高度重視,同時(shí)應(yīng)繼續(xù)關(guān)注電動(dòng)汽車發(fā)展情況,當(dāng)電動(dòng)汽車進(jìn)入快速發(fā)展的階段后,智能電網(wǎng)綜合工程應(yīng)加大對(duì)電動(dòng)汽車工程的投入。本文設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)度模型可以每半年測(cè)算一次,以貢獻(xiàn)度動(dòng)態(tài)趨勢(shì)反映智能電網(wǎng)發(fā)展中的變化情況。子工程對(duì)單項(xiàng)指標(biāo)的直接貢獻(xiàn)值的計(jì)算方法和原始數(shù)據(jù)取數(shù)途徑需要進(jìn)一步細(xì)化研究并規(guī)范。
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[1] European Commission. European smart grids technology platform: vision and strategy for Europe's electricity networks of the future[R/OL]. ftp:∥ftp.Cordis.europa.eu /pub/ fp7/energy/docs/ smartgrids_en.pdf.,2012-12-05.
[2] Xiao Shijie. Consideration of technology for constructing Chinese smart grid [J].Automation of Electric Power Systems, 2009,33(9):1-4.
[3] HE Guangyu, SUN Yingyun, MEI Shengwei, et al. Multi-indices self-approximate-optimal smart grid[J].Automation of Electric Power Systems,2009,33(17):1-5.
[4] Electricity Advisory Committee. Smart grid: enabler of the new energy economy[R/OL]. http:∥energy. gov /sites /prod / files / oeprod /Documents and Media / final-smart-grid-report.pdf.,2012-12-05.
[5] RAND Science and Technology. Estimating the benefits of the grid wise initiative[R/OL].http:∥www. rand. org /content /dam/ rand /pubs / technical _ reports /2005 /RAND _ TR160.pdf.,2012-12-05.
[6] Pacific Northwest National Laboratory. The smart grid: an estimation of the energy and CO2benefits[R/OL]. http:∥energy environment. Pnnl. gov / news/ pdf /PNNL-19112_Revision_1 _Final.pdf.,2012-12-05.
[7] Electric Power Research Institute. The green grid: energy savings and carbon emissions reductions enabled by a smart grid[R/OL]. http:∥www. Smart grid news. com /artman /uploads /1/SGNR_2009_EPRI_Green_Grid_June_2008.pdf., 2012-12-05.
[8] Fu Liwen, Zhao Huiru, Guo Sen. An analysis on the low-carbon benefits of smart grid of China[C]∥ Wuhan: Proceedings of International Conference on Applied Physics and Industrial Engineering, 2012:328-336.
[9] Jia Wenzhao, Kang Chongqing, Liu Changyi, et al. Capability of smart grid to promote low-carbon development and its benefits evaluation model[J].Automation of Electric Power Systems,2011,35(1):7-12.
[10] 劉振亞.智能電網(wǎng)技術(shù)[M].北京:中國(guó)電力出版,2010.
[11] 王智冬,李 暉,李 雋,等.智能電網(wǎng)的評(píng)估指標(biāo)體系[J].電網(wǎng)技術(shù),2009,33(17):14-18.
[12] Wang Bin, He Guangyu, Mei Shengwei, et al. Construction method of smart grid's assessment index system[J].Automation of Electric Power Systems,2011,35(23):1-5.
[13] 譚 偉,何光宇,劉 鋒,等.智能電網(wǎng)低碳指標(biāo)體系初探[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010,34(17):1-5.
[14] 王敬敏,施 婷.智能電網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建[J].華東電力,2012,40(2):193-197.
[15] 倪敬敏,何光宇,沈 沉,等.美國(guó)智能電網(wǎng)評(píng)估綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2010,34(8):9-13.
[16] 吳俊勇.中國(guó)智能電網(wǎng)的效益評(píng)估和政策機(jī)制研究[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào),2010,25(4): 42-46.
[17] 王 欽,文福拴,劉 敏,等.基于模糊集理論和層次分析法的電力市場(chǎng)綜合評(píng)價(jià)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2009,33(7):32-37.
[18] 韓 冬,嚴(yán) 正,宋依群,等.基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的智能電網(wǎng)動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(3):16-21.