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        基于層次分析法與熵權(quán)法相結(jié)合的配電網(wǎng)節(jié)能改造技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估

        2021-07-16 09:13:36孟文凱趙墨林
        內(nèi)蒙古電力技術(shù) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:能效配電配電網(wǎng)

        孟文凱,趙墨林,王 鵬

        (1.內(nèi)蒙古超高壓供電局,呼和浩特 010080;2.內(nèi)蒙古電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,呼和浩特 010010)

        0 引言

        配電網(wǎng)在電力系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用,配電網(wǎng)的節(jié)能改造不僅能使發(fā)電、輸電環(huán)節(jié)及用戶受益,對保證整個電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行也非常重要[1]。目前,關(guān)于配電網(wǎng)一次系統(tǒng)建設(shè)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)路線并不明確,已有成果大多為專題性研究結(jié)論,尚未有綜合、系統(tǒng)性(包括技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面)的研究和工程應(yīng)用成果。文獻(xiàn)[2]從配電網(wǎng)靜態(tài)指標(biāo)和運(yùn)行指標(biāo)方面對交直流混合配電網(wǎng)能效進(jìn)行了分析,但研究的側(cè)重點(diǎn)是分布式電源對配電網(wǎng)能效的影響程度。文獻(xiàn)[3]分析了分布式電源對配電網(wǎng)能耗的影響,但未涉及配電網(wǎng)元件設(shè)備指標(biāo)。文獻(xiàn)[4]基于全壽命周期成本(LCC)理論,從配電變壓器的改造決策、容量優(yōu)選及可靠性和靈敏性角度,應(yīng)用LCC理論進(jìn)行建模分析。文獻(xiàn)[5]通過建立配電網(wǎng)一次設(shè)備改造的LCC模型,根據(jù)效益與成本比值的大小,確立節(jié)能改造最優(yōu)方案。本文通過構(gòu)建能效指標(biāo)體系,對配電網(wǎng)節(jié)能改造的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評估,探討配電網(wǎng)節(jié)能改造最佳路徑。

        1 能效指標(biāo)體系

        1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建

        分層建立能效水平指標(biāo)體系,如圖1所示。

        圖1 配電網(wǎng)一次設(shè)備能效指標(biāo)體系

        (1)第一層為配電網(wǎng)能效水平,記作A;

        (2)第二層包括供電能力、技術(shù)裝備、無功補(bǔ)償措施及新技術(shù),記作B1—B4;

        (3)第三層為各單項指標(biāo),記作C1—C23。

        1.2 能效指標(biāo)說明及評分規(guī)則

        本文構(gòu)建的指標(biāo)體系以配電網(wǎng)一次設(shè)備能效為核心,因配電網(wǎng)節(jié)能效果很大程度上取決于所選用配電網(wǎng)元件的性能、無功補(bǔ)償措施以及節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用的合理性,因此第二層指標(biāo)選定為供電能力、技術(shù)裝備、無功補(bǔ)償措施及新技術(shù)指標(biāo)。供電能力所含各指標(biāo)在體系中起輔助評價作用。

        評分規(guī)則的確立對建立科學(xué)合理的能效指標(biāo)體系至關(guān)重要,本文以相關(guān)導(dǎo)則和手冊為主要依據(jù),以相關(guān)文獻(xiàn)和專家長期的工作經(jīng)驗(yàn)為輔來確立評分規(guī)則[6-9]。

        1.3 評估方法

        1.3.1 層次分析法和熵值法特點(diǎn)

        層次分析法適合于具有多層次結(jié)構(gòu)的多指標(biāo)決策問題,但其具有主觀隨意性及一定的誤差,需要通過一致性校驗(yàn);而熵權(quán)法屬于客觀賦權(quán)法,可以有效彌補(bǔ)上述不足。在確定指標(biāo)及評判矩陣的情況下,各指標(biāo)之間的信息量即可通過信息熵來度量,信息熵值越小則該指標(biāo)的信息量越大,即該指標(biāo)的權(quán)值越大。應(yīng)用熵值法可以使評價結(jié)果更符合實(shí)際情況。

        本文采用層次分析法與熵值法相結(jié)合的評估方法,計算指標(biāo)體系內(nèi)各單項指標(biāo)的權(quán)重,具體步驟如下。

        1.3.1.1 建立層次結(jié)構(gòu)體系

        將研究對象所包含的各因素按照關(guān)聯(lián)關(guān)系和隸屬關(guān)系分成若干組,每一組定義為一個層,最終建立一個由最高層、中間層和最低層組合關(guān)聯(lián)的層次系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型。

        1.3.1.2 構(gòu)建判斷矩陣

        中間層對最高層的權(quán)重分析中,根據(jù)1—9標(biāo)度法打分原則構(gòu)造判斷矩陣。

        得出矩陣M的特征向量M0:

        (4)求矩陣M的最大特征根λmax。

        1.3.1.4 一致性校驗(yàn)

        為了驗(yàn)證該方法得出的結(jié)果是否合理,對判斷矩陣進(jìn)行一致性校驗(yàn)。

        (1)求取一致性指標(biāo)CI。

        式中:n為矩陣階數(shù)。

        (2)查找相應(yīng)的判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI的數(shù)值(見表1)。

        表1 判斷矩陣的R I值

        (3)計算一致性比例CR。

        規(guī)定當(dāng)CR<0.01時,即認(rèn)為矩陣滿足一致性校驗(yàn)。否則,需要對判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整使其符合一致性校驗(yàn)。

        1.3.1.5 利用熵值法修正指標(biāo)體系的權(quán)重

        (1)確定歸一化處理后判斷矩陣第j項指標(biāo)bj的熵值ej。

        (2)求取信息權(quán)重uj。

        (3)利用熵值法確定的權(quán)重u j修正層次分析法得到的權(quán)重M j,求取權(quán)向量λj。

        從而得到組合權(quán)向量λ=(λ1,λ2,…,λ)j。

        層次分析法得到的信息權(quán)重為:M0=熵值法得到的信息權(quán)重為:利用信息權(quán)重修正層次分析法得到的權(quán)重,得到綜合權(quán)重為:三者一一對應(yīng)。

        1.3.2 算法編程

        由于層次分析法和熵值法需要不斷計算判斷矩陣并反復(fù)求解、驗(yàn)證判斷矩陣的一致性,計算量非常大,因此實(shí)際應(yīng)用中使用MATLAB軟件實(shí)現(xiàn)了算法編程。

        2 配電網(wǎng)節(jié)能改造的全壽命周期成本及效益分析模型

        依據(jù)上文構(gòu)建的能效指標(biāo)體系,建立了配電網(wǎng)節(jié)能改造的全壽命周期成本及效益分析模型(涵蓋了高效節(jié)能產(chǎn)品)和新型節(jié)能設(shè)備的全壽命周期成本模型,綜合考慮配電網(wǎng)規(guī)劃時間,采用20年為1個壽命周期,全壽命周期成本可用公式(11)表示。

        式中:CL為配電網(wǎng)節(jié)能改造全壽命周期成本;CCON為配電網(wǎng)節(jié)能改造建設(shè)成本;Co&M為配電網(wǎng)節(jié)能改造運(yùn)行維護(hù)成本;CD為配電網(wǎng)節(jié)能改造設(shè)備報廢處理成本。

        2.1 建設(shè)成本

        在20年的研究周期內(nèi),新型和常規(guī)配電變壓器、線路的建設(shè)成本為一次性投資,而常規(guī)無功補(bǔ)償設(shè)備則需要每4年更換一次,新型無功補(bǔ)償設(shè)備也為一次性投資。假設(shè)每次更換的建設(shè)成本不變,那么,一個壽命周期內(nèi)配電變壓器、線路以及無功補(bǔ)償裝置的建設(shè)成本可由式(12)—式(15)計算:

        式中:CTCON、CLCON、CQ1CON和CQ2CON分別為配電變壓器、線路、增設(shè)常規(guī)無功補(bǔ)償裝置、新型無功補(bǔ)償裝置的建設(shè)成本;CTi為每臺配電變壓器的建設(shè)成本;D1為所有配電變壓器集合;CLi為每條線路的建設(shè)成本;D2為所有線路集合;CQi為每臺新型無功補(bǔ)償設(shè)備的建設(shè)成本,D3為所有新型無功補(bǔ)償裝置設(shè)備的集合;SC為電容器容量,根據(jù)工程造價,常規(guī)并聯(lián)電容器的建設(shè)成本為100元/kavr;i為貼現(xiàn)率,i=5%。

        2.2 運(yùn)行維護(hù)成本

        2.2.1 運(yùn)行成本

        式中:CTO、CLO、CQO分別為配電變壓器、線路、無功補(bǔ)償裝置在一個壽命周期內(nèi)的運(yùn)行成本;τmax為最大負(fù)荷損耗時間;CPE為電價;n為壽命周期時間;ΔATCuj、ΔATFej分別為典型日各配電變壓器的可變損耗和不變損耗,ΔATCuj=∑i∈Dβ2Pk,iΔATFej=∑i∈D Poi×8760,其中,Poi為各個配電變壓器型號的空載損耗,Pki為各個配電變壓器型號的負(fù)載損耗,D3為所有改造后的配電變壓器集合;ΔALj為典型日配網(wǎng)最大負(fù)荷時改造線路有功損耗,ΔALj=∑i∈D4ΔPi,其中,ΔPi為各線路有功損耗最大值,D4為所有改造后的線路集合;β為配電變壓器負(fù)載率。

        2.2.2 維修成本

        對于各電力設(shè)備的維護(hù)成本,各地電網(wǎng)公司只有針對不同設(shè)備總費(fèi)用的統(tǒng)計數(shù)據(jù),所以通過計算年平均維護(hù)成本得到線路的年維護(hù)成本;而配電變壓器每年的維修成本不僅與型號有關(guān),而且與其運(yùn)行時間以及容量有關(guān),不適于等年值計算,采用狀態(tài)檢修方案(見表2)計算[10]。

        表2 全壽命周期狀態(tài)檢修方案

        在1個壽命周期內(nèi),配電變壓器、線路、無功補(bǔ)償裝置的維修成本可以由式(19)—式(21)表示。

        式中:CTM、CLM、CQM分別為配電變壓器、線路、無功補(bǔ)償裝置的維修成本;線路的年維修成本取經(jīng)驗(yàn)值為3元/m,n統(tǒng)一取值為年末數(shù)值;L為線路長度,m。

        2.3 設(shè)備報廢處理成本

        各設(shè)備報廢處理成本的計算方法見式(22)—式(25)。

        式中:CTD、CLD、CQ1D、CQ2D分別為配電變壓器、線路、常規(guī)和新型無功補(bǔ)償裝置的報廢成本;n1L為線路的壽命周期;CT1、CL1、CQ1分別為各配電變壓器、線路、常規(guī)無功補(bǔ)償裝置建設(shè)成本之和。

        2.4 配電網(wǎng)節(jié)能改造的全壽命周期效益

        節(jié)能改造后,配電網(wǎng)設(shè)備的能耗相應(yīng)降低,每年的節(jié)能效益可用配電網(wǎng)設(shè)備年節(jié)省電量與電價的乘積來計算,可作等年值處理,見式(26)。

        式中:E為配電網(wǎng)節(jié)能改造效益;ΔA為改造后每年節(jié)省的電量,ΔA=ΔAT+ΔAL+ΔAQ,其中,ΔAT、ΔAL、ΔAQ分別為每年配電變壓器、線路、無功補(bǔ)償裝置改造后所帶來的節(jié)電量;CPE為該地區(qū)平均電價,取值為0.5元/kWh。

        3 實(shí)際應(yīng)用案例

        3.1 地區(qū)配電網(wǎng)能效水平分析

        選取某地區(qū)配電網(wǎng)進(jìn)行節(jié)能改造技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估分析,根據(jù)2.3節(jié)計算B、C層修正后指標(biāo)的單層次單排序權(quán)重,見表3、表4。根據(jù)指標(biāo)狀態(tài)值,依據(jù)評分規(guī)則、指標(biāo)權(quán)重,建立以一次設(shè)備為核心的配電網(wǎng)能效指標(biāo)體系,獲得該地區(qū)能效水平得分,見表5。

        表3 B層指標(biāo)修正后單排序權(quán)重

        表4 C層指標(biāo)修正后單排序權(quán)重

        表5直觀反映了該地區(qū)配電網(wǎng)的能效水平。由表5可見,失分最多的項目是新技術(shù)指標(biāo),主要原因是該地區(qū)目前中低壓配電網(wǎng)應(yīng)用的新型節(jié)能設(shè)備較少。技術(shù)裝備指標(biāo)失分次之,主要受高耗能配電變壓器臺數(shù)較多,以及中低壓線路供電半徑較長的影響。供電能力、技術(shù)裝備、無功補(bǔ)償措施以及新技術(shù)指標(biāo)能效分析分別見表6—表9。

        表5 地區(qū)配電網(wǎng)能效水平得分情況

        表6 地區(qū)供電能力指標(biāo)分析 %

        表9 新技術(shù)指標(biāo)分析 %

        3.2 配電網(wǎng)節(jié)能改造方案

        本文采用常規(guī)節(jié)能S13型或新型SH15型配電變壓器對該地區(qū)配電網(wǎng)中高耗能、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行不合理配電變壓器進(jìn)行改造,并與S9型配電變壓器能效進(jìn)行對比分析;高效節(jié)能導(dǎo)線和新型無功補(bǔ)償裝置在該地區(qū)沒有應(yīng)用,采用中強(qiáng)度鋁合金絞線和TSVG無功補(bǔ)償裝置,從技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面比較常規(guī)絕緣導(dǎo)線、電纜及常規(guī)無功補(bǔ)償裝置的優(yōu)缺點(diǎn),為推廣新型節(jié)能設(shè)備提供依據(jù)。根據(jù)對該地區(qū)配電網(wǎng)能效水平的分析,結(jié)合存在的問題,共給出8種改造方案模型(見表10)。

        表10 配電網(wǎng)節(jié)能改造方案

        3.3 LCC成本及效益分析

        本文參考已有統(tǒng)計資料并通過調(diào)研獲取的實(shí)際數(shù)據(jù)為:貼現(xiàn)率5%;配電變壓器及中低壓配電線路最大負(fù)荷利用小時數(shù)均為4000 h;配電變壓器、中低壓線路負(fù)載率分別取35%、50%;配電變壓器、中低壓線路功率因數(shù)分別為0.9、0.95;最大負(fù)荷損耗時間分別為2400 h、2200 h,電價0.5元/kWh,計算得出配電網(wǎng)設(shè)備的LCC成本效益(凈現(xiàn)值)見表11。

        3.4 結(jié)論

        由表11可知,8種節(jié)能改造方案凈現(xiàn)值都小于0,因此這8種節(jié)能改造方案全壽命周期內(nèi)的投資均不可收回。其根本原因是常規(guī)和新型節(jié)能改造方案在未計及負(fù)荷產(chǎn)生效益的情況下進(jìn)行比較,其次是建設(shè)成本在全壽命周期成本的比重較大。但分析8種方案,可以得出以下結(jié)論。

        表7 技術(shù)裝備指標(biāo)分析

        表8 無功補(bǔ)償指標(biāo)分析 %

        表11 地區(qū)配電網(wǎng)節(jié)能改造方案凈現(xiàn)值

        (1)從經(jīng)濟(jì)效益方面考慮,方案8最優(yōu),其次是方案7、方案3、方案4??梢园l(fā)現(xiàn),這些方案導(dǎo)線型號都采用中強(qiáng)度鋁合金和電纜,而由于本文研究地區(qū)為城鎮(zhèn)地區(qū),中強(qiáng)度鋁合金為裸導(dǎo)線,不適用于城鎮(zhèn)地區(qū)導(dǎo)線改造,所以綜合比較分析后擬采用方案5進(jìn)行該地區(qū)配電網(wǎng)節(jié)能改造。

        (2)改造方案8的凈現(xiàn)值最大,即采用SH15、中強(qiáng)度鋁合金和電纜以及TSVG設(shè)備進(jìn)行改造產(chǎn)生的效益最多,表明新型節(jié)能設(shè)備在節(jié)能降耗、經(jīng)濟(jì)效益方面有較大的優(yōu)勢。

        (3)對比分析方案1和方案4可知,在配電變壓器和無功補(bǔ)償裝置相同的情況下,采用新型節(jié)能導(dǎo)線的改造成本與常規(guī)方案成本差為-1 109.643 1萬元,而產(chǎn)生的效益差值為905.399 5萬元,凈現(xiàn)值差為2 015.04萬元。同理,采用SH15與S13的凈現(xiàn)值差為258.8萬元,采用TSVG與常規(guī)無功補(bǔ)償裝置的凈現(xiàn)值差為48.43萬元。相比之下,新型導(dǎo)線產(chǎn)生的效益較為可觀,但其為裸導(dǎo)線。

        4 結(jié)語

        通過建立以一次設(shè)備為核心的能效指標(biāo)體系,從技術(shù)角度實(shí)現(xiàn)了對配電網(wǎng)一次設(shè)備能效水平的評估,該評估方法能夠發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)存在的薄弱環(huán)節(jié),可指導(dǎo)配電網(wǎng)節(jié)能改造工作。

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