廖彬斌，黃柳軍，張 蒙，林巾琳，戚永青

(1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530023；2.廣西新電力投資集團有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530023;3.國電華研電力科技有限公司； 廣東 廣州 510030)

目前很多學(xué)者對于配電網(wǎng)的節(jié)能減排效益評估方法進行了一系列的研究，文獻[1]主要對配電網(wǎng)中的一些分布式新能源以及動態(tài)配電等技術(shù)出發(fā)，在評估過程中考慮到技術(shù)可行性和經(jīng)濟方面建立效益評估體系，利用信息熵和模糊分析法，配合資金、性能2方面的約束對評估方式進行了改進；文獻[2]基于ASIF方法引入生命周期評價和費效分析理念，建立節(jié)能減排效益評估模型，也取得了一定的研究成果。以上2種文獻，評估方法更加注重評估單元的整體優(yōu)化，將其進行平均后會掩蓋某些評估指標(biāo)的個性特征，導(dǎo)致評估結(jié)果有一定的偏差。本文設(shè)計一種基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的配電網(wǎng)節(jié)能減排效益評估方法，在評估方法中建立數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型，能夠分別對評估單元進行注重與優(yōu)化得到最優(yōu)權(quán)重，并有利于評估過程的相對效率。

1 新材料在配電網(wǎng)中的應(yīng)用

高壓大功率電力電子器件(如寬禁帶半導(dǎo)體器件等)和裝備可以令對高壓大功率電力的變換和控制，如同集成電路對信息的處理一樣靈活高效。

從這個意義上講，電力電子器件和裝備的廣泛使用，將使得電網(wǎng)像計算網(wǎng)絡(luò)處理和分配信息資源一樣來處理和分配電力，因而可以把未來配電網(wǎng)看成是一個“能源配置網(wǎng)絡(luò)”，各種電力資源通過“能源配置網(wǎng)絡(luò)”有機組織、聯(lián)系和控制起來，從而為用戶提供可靠的電力。因此，這個“能源配置網(wǎng)絡(luò)”也可以稱之為“云電力網(wǎng)絡(luò)”，而用戶從“云”中獲取可靠的電力。

新型高性能的電極材料、儲能材料、電介質(zhì)材料、高強度材料、質(zhì)子交換膜和儲氫材料等的發(fā)明和使用，將使得高效低成本電力儲能系統(tǒng)成為現(xiàn)實并進入千家萬戶，從而優(yōu)化電網(wǎng)的運行、簡化電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和控制，并對電源波動和電網(wǎng)故障作出響應(yīng)。電力儲能系統(tǒng)就如同計算網(wǎng)絡(luò)中的信息儲存系統(tǒng)一樣，對于未來電網(wǎng)是必要的。

高性能的超導(dǎo)材料在電網(wǎng)中的應(yīng)用，將大大降低電氣設(shè)備的損耗、重量和體積，并可提高電氣設(shè)備的極限容量和靈活性，超導(dǎo)限流器還可以有效地限制故障電流并保護其他電氣設(shè)備和整個電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

其他新材料，如納米復(fù)合材料、場(包括電場和磁場)控和溫控的非線性介質(zhì)材料、低殘壓壓敏電阻材料、新型絕緣材料、絕緣體—金屬相變材料、新型鐵磁材料、用于高效低能耗的電力傳感器材料(如巨磁阻材料、壓電晶體、熱電材料等)都將可能在未來電網(wǎng)中得到廣泛的應(yīng)用。

2 新材料技術(shù)下配電網(wǎng)節(jié)能減排效益評估方法

2.1 基于新材料的配電網(wǎng)節(jié)能減排效益評估指標(biāo)體系建立

對于應(yīng)用新材料技術(shù)的配電網(wǎng)來說，其節(jié)能減排效益的評估指標(biāo)需要能夠科學(xué)、準(zhǔn)確地描述出節(jié)能減排的主題，需要具有一定的代表性和綜合性，并且指標(biāo)之間存在一定的內(nèi)在與外在的聯(lián)系，使得整個評估指標(biāo)體系具有一定的系統(tǒng)性[3-4]。在建立的過程中，需要根據(jù)配電網(wǎng)所在地區(qū)的實際情況收集相關(guān)的資料，經(jīng)過統(tǒng)計與分析后得到一般指標(biāo)體系，經(jīng)過咨詢專家，進而篩選得到具體指標(biāo)體系。經(jīng)過相關(guān)性分析，對評估指標(biāo)的選擇有了一定的標(biāo)準(zhǔn)，得到相關(guān)評估指標(biāo)體系，結(jié)果如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)節(jié)能減排效益評估指標(biāo)體系Fig.1 The evaluation index system of energy saving and emission reduction benefits of distribution network

從圖1可以看出，在評估指標(biāo)體系中，主要以投入、節(jié)能減排技術(shù)以及相關(guān)指標(biāo)作為評價指標(biāo)的主要內(nèi)容。在節(jié)能減排的過程中，主要涉及能源的消耗以及節(jié)能減排投入的指標(biāo)[5-7]。在配電網(wǎng)的工作過程中，主要是消耗一些化石能源，這是與節(jié)能減排密切相關(guān)的，新能源利用是投入資金的重要研究對象。

2.2 基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的評估模型

配電網(wǎng)是生活、生產(chǎn)所需電能的實際輸送載體，為了減少其使用化石能源所排放出的有效氣體，在很大程度上能夠提高其供電效率，減少能源消耗與浪費，維持社會發(fā)展與保護環(huán)境之間的和諧狀態(tài)[8-10]。從節(jié)能減排的效益上看，需要在投資一定的情況下，將節(jié)能減排效益最大化。在評估的過程中，不能忽略評估指標(biāo)的個性特征，因此在數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型中，決策單元的有效性是評估模型結(jié)果準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)，每個決策單元都會有若干個輸入值與輸出值。數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型的種類也有很多，為了適配本文的評估內(nèi)容，使用的是C2R模型，在該模型中，模型的輸入、輸出可表示：

(1)

式中：xj代表模型的輸入；yj代表模型的輸出；m代表輸入數(shù)據(jù)的個數(shù)；n代表輸出數(shù)據(jù)的個數(shù)；j代表一個除0之外的自然數(shù)[11-13]。根據(jù)上述數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型的輸入值、輸出值，構(gòu)建評價決策單元的配電網(wǎng)節(jié)能減排效益評估模型：

(2)

式中：u代表輸出的權(quán)系數(shù)集合；v代表輸入的權(quán)系數(shù)集合。該模型在投入一定的情況下，能夠得到效益最大化的評估，即獲取最大化的節(jié)能減排效益評估結(jié)果。

由于節(jié)能減排效益會受到各方面的因素影響，會處于一個動態(tài)變化的狀態(tài)[14-15]。隨著時間的變化，配電網(wǎng)的節(jié)能減排部署情況也會隨之變化，因此，節(jié)能減排效益評估的目的主要在于配電網(wǎng)節(jié)能減排效果的預(yù)測。在數(shù)據(jù)包絡(luò)分析評估模型的基礎(chǔ)上，得到如圖2所示的評估流程。

圖2 基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的配電網(wǎng)節(jié)能減排效益評估流程Fig.2 The evaluation process of energy saving and emission reduction benefits of distribution network based on data envelopment analysis

從圖2可以看出，經(jīng)過以上的流程計算，可以得到配電網(wǎng)在不同時間點的節(jié)能減排小于評估值，結(jié)合相關(guān)的指標(biāo)權(quán)重，可以獲取整體的效益評估結(jié)果。至此完成基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的配電網(wǎng)節(jié)能減排效益評估方法的設(shè)計。

3 算例應(yīng)用分析

3.1 算例情況

為了驗證本設(shè)計的基于數(shù)據(jù)包括分析的配電網(wǎng)節(jié)能減排效益評估方法的有效性，在算例分析的過程中選擇某地區(qū)的5年間的數(shù)據(jù)作為算例數(shù)據(jù)進行分析。根據(jù)本文所建立的評估指標(biāo)體系，隨機選取某年的數(shù)據(jù)，得到該地區(qū)下屬各個城市中2019年的節(jié)能減排效率評價指標(biāo)數(shù)據(jù)，結(jié)果表1所示；其中，X1為新能源發(fā)電量；X2傳統(tǒng)機組運行功率；X3傳統(tǒng)能源機組節(jié)約量；Y1線損率；Y2系統(tǒng)負(fù)載率；Z1分布式電源發(fā)電量；Z2電動汽車減排量；Z3智能電表安裝比例。

表1 算例地區(qū)中各城市2019年節(jié)能減排效率評價指標(biāo)數(shù)據(jù)Tab.1 The evaluation index data of energy conservation and emission reduction efficiency of each city in the calculation example area in 2019

在以上現(xiàn)有配電網(wǎng)的規(guī)劃基礎(chǔ)之上進行配電網(wǎng)節(jié)能減排的效益評估，評價周期設(shè)置為10年。在評估過程中設(shè)置該地區(qū)每年在配電網(wǎng)節(jié)能減排方面的投資方式為等年均投入，在該地區(qū)的投資相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 算例地區(qū)相關(guān)參數(shù)Tab.2 The relevant parameters of the calculation example area

根據(jù)算例地區(qū)的以上數(shù)據(jù)指標(biāo)，通過專家對于評估時間段之內(nèi)的各項數(shù)據(jù)以及當(dāng)?shù)貙τ诠?jié)能減排的認(rèn)知，將算例地區(qū)設(shè)置成為一個經(jīng)濟系統(tǒng)，并分別使用本文設(shè)計的基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的配電網(wǎng)節(jié)能減排效益評估方法和傳統(tǒng)法評估方法對該算例地區(qū)進行節(jié)能減排的效益評估，并將結(jié)果進行對比與分析。

3.2 實驗結(jié)果與分析

在上述算例環(huán)境下，本文方法得到的第1年節(jié)能減排績效評價結(jié)果如下圖3所示。

圖3 算例地區(qū)各城市節(jié)能減排績效評價結(jié)果Fig.3 Evaluation results of energy conservation and emission reduction performance of each city in the calculation example area

圖3為算例地區(qū)某一年的評估結(jié)果，為了準(zhǔn)確的判斷2種評估方法的結(jié)果對比，得到2種方法評價結(jié)果，具體如圖4所示。

從圖4可以看出，2種評估方法得到的節(jié)能減排整體評估結(jié)果都呈現(xiàn)出了總體提升的趨勢，明顯可以看出本方法得到的評估結(jié)果更加貼近于算例地區(qū)的實際效益，說明本設(shè)計的效益評估方法與傳統(tǒng)方法相比具有更高的評估準(zhǔn)確性。

圖4 2種評估方法得到的節(jié)能減排整體評估結(jié)果Fig.4 The overall assessment results of energy conservation and emission reduction obtainedby the two assessment methods

為了進一步驗證本方法的有效性，對本設(shè)計的效益評估方法與傳統(tǒng)方法的配電網(wǎng)節(jié)能減排效益評估時間進行對比分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 2種方法的評估時間對比結(jié)果Fig.5 Comparison results of the evaluation time of the two methods

從圖5可以看出，本設(shè)計的效益評估方法配電網(wǎng)節(jié)能減排效益評估時間在15 s以內(nèi)；傳統(tǒng)方法配電網(wǎng)節(jié)能減排效益評估時間在30 s以內(nèi)，說明本設(shè)計的效益評估方法配電網(wǎng)節(jié)能減排效益評估時間比傳統(tǒng)方法的配電網(wǎng)節(jié)能減排效益評估時間短。

4 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)評估方法所展現(xiàn)出來的短板，設(shè)計出一種基于數(shù)據(jù)包絡(luò)分析的配電網(wǎng)節(jié)能減排效益評估方法。通過建立評估體系，引入數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型，能夠改善傳統(tǒng)方法中整體優(yōu)化評估單元所導(dǎo)致的評估結(jié)果不精準(zhǔn)的情況，最后根據(jù)算例分析結(jié)果可知，本文構(gòu)建模型的配電網(wǎng)節(jié)能減排效益評估效果較好，為配電網(wǎng)建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。