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        基于AHP-DEA灰色關(guān)聯(lián)的分布式能源系統(tǒng)評(píng)價(jià)研究

        2019-10-06 14:41:49李存斌陽(yáng)佳穎
        現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè) 2019年26期
        關(guān)鍵詞:層次分析法評(píng)價(jià)

        李存斌 陽(yáng)佳穎

        摘 要:針對(duì)分布式能源系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)的多準(zhǔn)則性和復(fù)雜性以及層次分析法(AHP)的主觀性強(qiáng)和數(shù)據(jù)包絡(luò)法(DEA)不考慮決策者主觀偏好的缺陷,提出了一種綜合AHP和DEA的評(píng)價(jià)方法,并融合灰色關(guān)聯(lián)度,建立起分布式能源系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)體系。結(jié)合實(shí)際的系統(tǒng)規(guī)劃問(wèn)題運(yùn)用該模型進(jìn)行求解分析,分析結(jié)果表明光伏系統(tǒng)運(yùn)行成本低、環(huán)境效益好,因此評(píng)價(jià)結(jié)果最優(yōu)。同時(shí),該評(píng)價(jià)結(jié)果還與集對(duì)分析評(píng)價(jià)法、熵值評(píng)價(jià)法下得出的結(jié)論進(jìn)行了比較,比較結(jié)果的一致性表明,該評(píng)價(jià)方法具備可行性。

        關(guān)鍵詞:分布式能源系統(tǒng);層次分析法(AHP);數(shù)據(jù)包括法(DEA);評(píng)價(jià);灰色關(guān)聯(lián)

        中圖分類號(hào):TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:Adoi:10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.26.110

        0 引言

        社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開(kāi)能源的支持,但是我國(guó)大量的能源消耗依賴于煤炭等化石燃料,這就帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染問(wèn)題。在經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)的雙重壓力下,分布式能源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生、逐步發(fā)展,并在能源革命中扮演中重要的角色。分布式能源系統(tǒng)更加側(cè)重需求側(cè),強(qiáng)調(diào)要根據(jù)用戶的用電、熱、冷、氣等需求,在用戶側(cè)進(jìn)行安裝的多能系統(tǒng)。分布式能源系統(tǒng)大大革新了傳統(tǒng)的供能方式,綜合電、熱、冷等多種能量,提高了能源的利用效率,同時(shí)還具有環(huán)保、可靠性高、靈活性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

        目前關(guān)于分布式能源系統(tǒng)的研究多集中在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化、系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)的可靠性、靈活性等特性的分析以及對(duì)系統(tǒng)的評(píng)價(jià)。分布式能源系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,涉及多種能量之間的耦合和轉(zhuǎn)換,其評(píng)價(jià)也將是一個(gè)多準(zhǔn)則、多指標(biāo)的問(wèn)題。一次能源利用率指標(biāo)多為評(píng)價(jià)多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)。Thomas等討論不同能源矢量(如電廠的電,鍋爐的熱,電制冷機(jī)的冷)和熱電廠的一次能源利用率,并利用這些指標(biāo)評(píng)估冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(CCHP)的潛在節(jié)能性。Ehyaei就歐洲各國(guó)熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)(CHP)的能效評(píng)價(jià)指標(biāo)和準(zhǔn)則做出了分析。但是顯然,單個(gè)能效指標(biāo)很難對(duì)分布式能源系統(tǒng)做出評(píng)價(jià)。Hongbo Ren 對(duì)日本的分布式住宅能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)(投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用)、能效(一次能源節(jié)約率)以及環(huán)境(CO2年排放量)多個(gè)方面展開(kāi)了分析,綜合運(yùn)用層次分析法和多屬性決策方法對(duì)分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。陳等針對(duì)區(qū)域內(nèi)綜合能源系統(tǒng)的能源環(huán)節(jié)、裝置環(huán)節(jié)、配電網(wǎng)環(huán)節(jié)和用戶環(huán)節(jié)建立了多項(xiàng)評(píng)估指標(biāo),并采用網(wǎng)絡(luò)分析法(ANP)—反熵權(quán)等方法來(lái)確定指標(biāo)的權(quán)重以及評(píng)價(jià)函數(shù)。董等針對(duì)分布式能源系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、能耗、環(huán)境因素構(gòu)建了多屬性集對(duì)分析模型,對(duì)比評(píng)價(jià)了多個(gè)分布式能源系統(tǒng)。同樣,張等利用信息熵的原理就系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)、能耗、環(huán)境因素對(duì)不同的分布式能源系統(tǒng)之間的差異進(jìn)行了評(píng)價(jià)。對(duì)分布式能源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)和評(píng)價(jià)方法的不同,評(píng)價(jià)的結(jié)果也會(huì)有所出入,很難說(shuō)明何種方法更為科學(xué)、更加準(zhǔn)確。

        本文在考慮分布式能源特性的基礎(chǔ)上,選擇了五種有代表性的分布式能源系統(tǒng),構(gòu)建包括經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)(投資成本、運(yùn)行成本)、能效性指標(biāo)(一次能源消耗量、一次能源利用率)、環(huán)境性指標(biāo)(CO2年排放量、NOx年排放量)在內(nèi)的多指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。綜合AHP和DEA評(píng)價(jià)方法,并考慮灰色關(guān)聯(lián)度來(lái)對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行排序評(píng)價(jià),既考慮到?jīng)Q策者的主觀偏好,又能避免受到過(guò)多人為因素的干擾,形成較為完善的分布式能源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)體系。

        1 基于AHP-DEA灰色關(guān)聯(lián)評(píng)價(jià)方法

        1.1 層次分析法(AHP)

        層次分析法是主觀評(píng)價(jià)的一種常用方法,結(jié)合各個(gè)專家的不同意見(jiàn),能夠在一定程度上發(fā)揮專家在某一領(lǐng)域積累的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的優(yōu)勢(shì)性,操作起來(lái)也較方便。但是,層次分析法的劣勢(shì)也很明顯。受到類似個(gè)人偏好、認(rèn)識(shí)水平等主觀因素的影響,人為因素對(duì)決策的影響較大,往往會(huì)給決策數(shù)據(jù)帶來(lái)偏差。

        1.2 數(shù)據(jù)包絡(luò)法(DEA)

        1.3 AHP和DEA綜合權(quán)重計(jì)算

        AHP能夠反映決策者的主觀偏好,DEA表示出對(duì)各個(gè)決策單元相對(duì)最有利的指標(biāo)權(quán)重。將AHP和DEA相結(jié)合,采用線性加權(quán)的方法來(lái)確定由主觀和客觀共同組成的綜合評(píng)價(jià)權(quán)重。相比較單一的AHP或DEA評(píng)價(jià)方法,這一方法更加客觀和準(zhǔn)確。綜合權(quán)重的計(jì)算表達(dá)式如下:

        1.4 基于灰色關(guān)聯(lián)分析的綜合評(píng)價(jià)模型

        在對(duì)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),往往會(huì)出現(xiàn)各個(gè)方案間的區(qū)別不明顯,不利于決策者決策。而帶有灰色關(guān)聯(lián)的綜合評(píng)價(jià)模型能夠?qū)⒏鞣桨概c最優(yōu)方案之間的關(guān)聯(lián)度進(jìn)行比較來(lái)確定被評(píng)價(jià)方案的優(yōu)劣,從而有效提高各個(gè)方案之間的區(qū)分度。

        (1)確定最優(yōu)方案集。

        (2)方案指標(biāo)的規(guī)范化處理。

        各個(gè)指標(biāo)之間不同的量綱和數(shù)量級(jí)導(dǎo)致不能直接對(duì)其進(jìn)行比較,因此需要對(duì)矩陣G進(jìn)行規(guī)范化處理。處理的辦法有Z-score法、極值處理法、功效系數(shù)法等,詳細(xì)的處理步驟見(jiàn)文獻(xiàn)(8)。

        (3)確定灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)。

        (4)確定關(guān)聯(lián)度。

        2 分布式能源系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

        2.1 分布式能源系統(tǒng)的組成

        分布式能源系統(tǒng)的種類很多,不同的動(dòng)力系統(tǒng)組成不同的能源系統(tǒng),傳統(tǒng)的有電網(wǎng)供電、燃?xì)忮仩t供熱和電空調(diào)熱冷組成的傳統(tǒng)分布式能源系統(tǒng),也有吸納可再生能源主的,以光伏系統(tǒng)為例。還有諸如內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、燃料電池等為主要?jiǎng)恿υO(shè)備的分布式能源系統(tǒng)。本文以上述五種分布式能源系統(tǒng)為評(píng)價(jià)對(duì)象,具體的系統(tǒng)組成如表1所示。

        2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

        對(duì)一個(gè)能源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)往往要從多角度展開(kāi),進(jìn)行全面的評(píng)價(jià)分析。在構(gòu)建分布式能源系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),遵循客觀、全面、具體的原則,從經(jīng)濟(jì)、能耗和環(huán)境三個(gè)層次來(lái)考慮,經(jīng)濟(jì)性包括系統(tǒng)的投資成本和運(yùn)行成本,能耗性主要為一次能源消耗量和一次能源節(jié)約率,環(huán)境方面突出的評(píng)價(jià)指標(biāo)為CO2和NOx排放量。由此,可以構(gòu)建出分布式能源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)為六項(xiàng):投資成本、運(yùn)行成本、一次能源消耗量、一次能源利用率、CO2年排放量和NOx年排放量。其中,一次能源利用率為效益型指標(biāo),其余為成本型指標(biāo)。

        具體而言,投資成本反映出系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的總投資費(fèi)用,運(yùn)行成本包括系統(tǒng)主要設(shè)備的年運(yùn)行費(fèi)用以及年燃料購(gòu)買費(fèi)用。一次能源消耗量包含兩個(gè)部分,一個(gè)是多聯(lián)供系統(tǒng)消耗燃?xì)饬?,另一個(gè)部分是從電網(wǎng)購(gòu)買的電量轉(zhuǎn)換成一次能源消耗量,而一次能源利用率為系統(tǒng)的輸出能量與一次能源消耗量之間的比值,利用率越高,系統(tǒng)的能耗性能越好。CO2排放源有三個(gè),分別是消耗天然氣、轉(zhuǎn)換從電網(wǎng)購(gòu)的電以及制冷劑的泄露,本文在核算CO2排放量時(shí)不考慮制冷劑的泄露問(wèn)題。而對(duì)于NOx排放量的核算,不同的設(shè)備有不同的排放因子,如表2所示,可根據(jù)這些排放因子來(lái)計(jì)算NOx排放量。

        3 實(shí)例分析

        以某酒店的分布式能源系統(tǒng)為例,酒店總面積為9600,屋頂面積為1600,光伏系統(tǒng)每千瓦需要用地6,則光伏系統(tǒng)可安裝容量為260kW。針對(duì)該分布式能源系統(tǒng)有5種設(shè)計(jì)方案,方案的具體數(shù)值如表3所示。

        3.1 基于AHP的指標(biāo)權(quán)重設(shè)計(jì)

        根據(jù)AHP評(píng)價(jià)的步驟邀請(qǐng)專家進(jìn)行打分,總目標(biāo)層A是(選擇最優(yōu)方案),準(zhǔn)則層B的各項(xiàng)準(zhǔn)則分別為投資成本低(B1),運(yùn)行成本低(B2),一次能源消耗量少(B3),一次能源利用率高(B4),CO2年排放量少(B5),NOx年排放量少(B6)。依據(jù)1-9標(biāo)度法來(lái)進(jìn)行打分,構(gòu)造如表4所示的判斷矩陣。

        計(jì)算指標(biāo)權(quán)重得:

        進(jìn)行一致性檢驗(yàn),CR為0.027<0.1,判斷矩陣具備滿意的一致性。

        3.2 基于DEA的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

        在對(duì)分布式能源系統(tǒng)方案進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),按照指標(biāo)的特性,將投資成本、運(yùn)行成本、一次能源消耗量、CO2年排放量和NOx年排放量這些取值越小越好的指標(biāo)作為輸入指標(biāo),而一次能源節(jié)約率這個(gè)取值越大越好的指標(biāo)為輸出指標(biāo)。在進(jìn)行DEA評(píng)價(jià)時(shí),首先要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)綱量化處理,本文采用線性比例法來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理,處理后的矩陣B如下所示。

        3.3 綜合權(quán)重的確定

        3.4 帶有灰色關(guān)聯(lián)分析的AHP-DEA評(píng)價(jià)模型

        根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的特點(diǎn),選擇最優(yōu)方案指標(biāo)集與評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成的矩陣G

        由上表可知,帶有灰色關(guān)聯(lián)度的綜合評(píng)價(jià)法中,S2系統(tǒng)是最優(yōu)方案,其次是S3,S5,S4,最差方案為S1。S2、S3運(yùn)行成本低,一次能源消耗少,且一次能源利用率高,同時(shí)產(chǎn)生的污染也很少,所以其評(píng)價(jià)值較高。而S1方案,雖然投資成本最低,但是其運(yùn)行成本高、一次能源消耗多且利用率低,在環(huán)保上也較其他系統(tǒng)方案差,故其評(píng)價(jià)值最低。對(duì)于系統(tǒng)S5和S4,雖然能源消耗和利用率都沒(méi)有優(yōu)勢(shì),但是其在經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)很明顯,所以往往會(huì)優(yōu)于方案1,但是要差與方案2和方案3。因此,對(duì)于更重視一次能源的消耗和利用率的決策者而言,方案2和方案3更優(yōu),而對(duì)于更加看重投資成本的決策者而言,方案4和方案5則相對(duì)最優(yōu)。

        AHP法建立在主觀評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上,其排序情況是S2>S3>S4>S5>S1,大體與本文實(shí)際情況相同,在S4和S5之間略有差別。但是AHP法主觀性太強(qiáng),往往缺乏公正性和客觀性。DEA從每個(gè)決策單元的角度出發(fā),整體評(píng)價(jià)情況并不理想,沒(méi)有區(qū)分出S2、S3和S5三個(gè)系統(tǒng)方案之間的差別。AHP法下評(píng)價(jià)值最高與最低之間的差值為0.256,DEA法得出的差值為0.083,本文提出的方法的差值為0.637,較AHP法和DEA法相比,該方法的取值范圍大得多,這說(shuō)明運(yùn)用本文提出的方法對(duì)分布式能源系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)價(jià),能夠在很大程度上提高各個(gè)方案之間的對(duì)比度,評(píng)價(jià)也就更為合理、有效。同時(shí),由于該方法對(duì)樣本數(shù)據(jù)沒(méi)有嚴(yán)格的要求,即使數(shù)據(jù)沒(méi)有典型的分布規(guī)律,也同樣能夠通過(guò)該方法進(jìn)行評(píng)價(jià)。另外,貼近度法和熵值法得出的結(jié)論與本文的結(jié)論一致,進(jìn)一步說(shuō)明本文的方法具備可行性和合理性。

        4 結(jié)論

        本文建立了分布式能源系統(tǒng)的灰色關(guān)聯(lián)AHP-DEA綜合評(píng)價(jià)模型,該模型綜合了三種方法的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),以灰色關(guān)聯(lián)為主,綜合考慮AHP和DEA法確定的主觀權(quán)重和單個(gè)決策單元下的相對(duì)最優(yōu)權(quán)重,來(lái)確定不同方案的綜合權(quán)重,從而計(jì)算出各個(gè)方案之間的關(guān)聯(lián)度。得出的結(jié)論包括:

        (1)對(duì)分布式能源系統(tǒng)的評(píng)價(jià)可從多個(gè)角度進(jìn)行,同時(shí)考慮其經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、能耗等因素,建立多角度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

        (2)基于灰色關(guān)聯(lián)的AHP-DEA法綜合評(píng)價(jià)模型,將主觀評(píng)價(jià)與客觀評(píng)價(jià)相結(jié)合,并采用灰色關(guān)聯(lián)方法來(lái)進(jìn)行各個(gè)方案之間的比較。對(duì)于5種分布式能源系統(tǒng)方案,分布式光伏系統(tǒng)具有運(yùn)行成本低、能效高、環(huán)境污染小的優(yōu)點(diǎn),視為最優(yōu)方案。并且該結(jié)論與貼近度法、熵值法的評(píng)價(jià)結(jié)果相一致。

        (3)站在不同角度的決策者對(duì)于方案有不同的選擇,看重經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)時(shí),以內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)為主的能源系統(tǒng)更優(yōu);更偏好系統(tǒng)的能耗時(shí),光伏系統(tǒng)是最佳選擇;對(duì)優(yōu)先系統(tǒng)環(huán)保性的決策者而言,選擇燃料電池系統(tǒng)則為相對(duì)最優(yōu)決策。

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