區(qū)域電網(wǎng)綠色度評價模型及方法

龐松嶺，蘭穗梅，溫曉強，米增強，石金瑋

(1.海南電力技術研究院，海南?？?70125;2.華北電力大學新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，河北保定071003)

0 引言

隨著社會的快速發(fā)展，能源消耗不斷增加，我國資源環(huán)境問題日益突出。我國能源結構以煤炭為主，其中電力行業(yè)年消耗的煤炭資源占全國一次能源總消費量的53.4%［1］，一直以來是能源消耗與污染排放的大戶，也是節(jié)能減排的重點領域，因此電力行業(yè)開展節(jié)能減排是我國發(fā)展綠色經(jīng)濟的關鍵。

“十一五”以來，我國電力行業(yè)通過采取大力發(fā)展可再生能源、優(yōu)化電源結構、淘汰落后機組、優(yōu)化電網(wǎng)調(diào)度、進行技術改造升級等重要措施，節(jié)能減排工作取得了巨大進步，但節(jié)能減排形勢仍十分嚴峻。為了進一步加強電力行業(yè)節(jié)能減排的評價和監(jiān)管工作，本文提出了一種對區(qū)域電網(wǎng)整體運行情況進行客觀評價的綠色度評價模型與方法，可用于評價不同區(qū)域電網(wǎng)以及同一區(qū)域電網(wǎng)不同生產(chǎn)年度的節(jié)能減排工作與進展，進而督促和激勵各區(qū)域電網(wǎng)積極推進節(jié)能減排工作，促進電力工業(yè)又好又快發(fā)展。

以往對電力行業(yè)的綠色評價研究主要集中在兩個方面:一是對火電企業(yè)能耗水平和排污狀況進行評價研究［2～4］。文獻［2］提出對4 類電廠進行了清潔燃煤發(fā)電技術的全生命周期綜合評價，考慮了污染物排放和資源消耗因素;文獻［3］綜合考慮煤耗、污染排放量、水資源消耗量等指標，建立燃煤發(fā)電節(jié)能減排的一種綜合評價體系;文獻［4］量化了火力發(fā)電減排污染物的環(huán)境價值標準，分析了脫硫火電和天然氣發(fā)電所帶來的環(huán)境效益。二是圍繞對電網(wǎng)企業(yè)節(jié)能減排的評價研究［5～6］。文獻［5］提出在節(jié)能指標基礎上，考慮氣體、電磁以及噪聲污染指標，對智能配電網(wǎng)進行清潔性進行評估;文獻［6］建立了一個針對區(qū)域性電網(wǎng)節(jié)能減排潛力的模糊綜合評價模型，為節(jié)能調(diào)度提供了參考。文獻［7］首次提出綠色度概念，利用層次灰色關聯(lián)方法對產(chǎn)品綠色度進行評價，適用于產(chǎn)品的評價。上述研究對評價電網(wǎng)企業(yè)節(jié)能減排具有重要應用價值，但無法實現(xiàn)對區(qū)域電網(wǎng)節(jié)能減排工作的整體量化評價。本文將區(qū)域電網(wǎng)中的源、網(wǎng)作為評價對象，對區(qū)域電網(wǎng)的綠色度進行了定義并遴選出可量化的評價指標;利用熵值法和模糊數(shù)學法對指標進行組合賦權，提出了基于灰色關聯(lián)－理想點法組合方法的區(qū)域電網(wǎng)綠色度綜合評價模型，并以某四個省域電網(wǎng)綠色度評價為例，驗證了本文所提出的綠色度評價模型和方法能夠有效地反映區(qū)域電網(wǎng)的綠色度水平，綠色度評價模型和方法具有通用性、可量化、易實現(xiàn)等優(yōu)點，可用于監(jiān)管和督促區(qū)域電網(wǎng)進一步整體推進節(jié)能減排工作。

1 區(qū)域電網(wǎng)綠色度定義與評價指標的選取

1.1 綠色度定義

為科學、形象地衡量區(qū)域電網(wǎng)整體節(jié)能減排情況，本文引入?yún)^(qū)域電網(wǎng)綠色度概念，并利用相關評價指標對其進行量化評價。眾所周知，“節(jié)能減排”中的節(jié)能是指減少單位產(chǎn)品或服務的能源消耗，而減排則是指減少單位產(chǎn)品或服務的污染物排放。在電能生產(chǎn)、傳輸過程中，生產(chǎn)或提供單位電量所引起的能源消耗量和污染物排放量無疑直接反映了區(qū)域電網(wǎng)的清潔程度，此外，區(qū)域電網(wǎng)中的能源結構、技術水平等因素也是影響節(jié)能減排的重要間接指標。為此，我們把區(qū)域電網(wǎng)在電能整個生產(chǎn)、傳輸過程中，能夠促進節(jié)能減排的直接和間接因素對資源環(huán)境的綜合友好程度稱之為區(qū)域電網(wǎng)的綠色度。

1.2 綠色度指標的選取

基于區(qū)域電網(wǎng)綠色度定義，能否對區(qū)域電網(wǎng)節(jié)能減進行科學有效的評價，關鍵在于評價指標的選取是否恰當。本文按照可度量、易實現(xiàn)、具有相對獨立性以及可追溯等遴選原則，分別在發(fā)、輸配電環(huán)節(jié)選取資源消耗、能源結構、技術進步以及污染物排放等4 方面作為一級評價指標，并選取、下設16 個二級評價指標，見圖1所示?，F(xiàn)將二級評價指標的選取闡述如下:

(1)資源消耗:從節(jié)能和資源稀缺性角度出發(fā)，考慮了單位供電煤耗B11、單位供電水耗B12、單位供電氣耗B13以及單位供電油耗B14共4 項指標。

煤耗、水耗(包括水電機組水耗、常規(guī)機組的水耗等)、氣耗以及油耗均屬于不可再生或稀缺資源，這些發(fā)電環(huán)節(jié)指標對區(qū)域電網(wǎng)綠色度的貢獻至關重要。

(2)能源結構:選取了高能效機組發(fā)電比B21、清潔能源機組發(fā)電比B22、分布式發(fā)電參與度B23。

高能效機組是推進發(fā)電技術改造的方向之一;清潔能源發(fā)電與分布式發(fā)電是綠色電網(wǎng)的發(fā)展趨勢與重要標志。分布式發(fā)電參與度即為分布式發(fā)電量與區(qū)域電網(wǎng)總供電電量比。

(3)技術進步:包括廠用電率B31、網(wǎng)損率B32、新能源利用小時數(shù)B33、最大負荷調(diào)峰深度B34等4項指標。網(wǎng)損率和廠用電率的高低直接影響著能源消耗與污染物排放，新能源利用小時數(shù)的高低體現(xiàn)著新能源發(fā)電的參與度，調(diào)峰深度影響著機組的經(jīng)濟運行效率。其中，網(wǎng)損率需要考慮聯(lián)絡線的功率交換，為了促進跨區(qū)輸電，將聯(lián)絡線上的損耗在供電方和受電方均攤。這些指標綜合體現(xiàn)了電網(wǎng)的節(jié)能減排技術水平與管理水平。

(4)污染物排放:包括單位發(fā)電量SO2排放B41、單位發(fā)電量NOX排放B42、單位發(fā)電量CO2排放B43、單位發(fā)電量粉塵排放B44以及單位發(fā)電量廢水排放B45。

SO2、NOX、CO2以及粉塵都是電能生產(chǎn)排放的主要大氣污染物，對環(huán)境危害嚴重;目前我國一直處于水資源緊缺狀態(tài)，故將單位發(fā)電量排放廢水量(包括常規(guī)火電機組、核電機組等)也列入綠色度的評價指標。

圖1 區(qū)域電網(wǎng)綠色度評價體系框架Fig.1 Framework of green degree evaluation system on regional power grids

2 區(qū)域電網(wǎng)綠色度評價指標的賦權

區(qū)域電網(wǎng)綠色度評價為多指標評價問題，由于指標很難實現(xiàn)統(tǒng)一度量，有必要對各項指標進行權衡以實現(xiàn)對區(qū)域電網(wǎng)進行綜合評價。基于“指標功能”的主觀賦權法，能反映決策者的主觀判斷和偏好等，對綜合評價結果會產(chǎn)生一定的影響;而基于“指標差異”的客觀賦權法，雖然能突出體現(xiàn)綜合指標的客觀實際、可再現(xiàn)性好，但完全忽略了決策者的主觀信息，也不利于問題的評價。因此，本文利用熵值法［8－9］和模糊數(shù)學法［10］相結合的主、客觀綜合集成賦權法對區(qū)域電網(wǎng)綠色度評價指標進行賦權，所確定的權重系數(shù)能夠同時體現(xiàn)客觀信息和主觀信息的共同影響。對綠色度評價指標進行組合賦權［11－12］的具體步驟如下:

先對n 個區(qū)域電網(wǎng)的16 個二級指標進行賦權值，再對4 個一級指標賦權。二級指標具體賦權過程如下:

2.1 利用熵值法賦權值

(1)構造綠色度二級指標決策矩陣Ak，每個一級指標k(k=1，2，…，p)包含m 個二級指標數(shù)。

Ak= (aij)n×m

(2)指標矩陣標準化:

各指標屬性值的物理意義(包括量綱)各不相同，采用極差化方法對決策矩陣進行標準化，使各屬性在信息熵上保持一致，得到第k 個一級指標的決策矩陣Pk

Pk= (pij)n×m

規(guī)范化公式如下:

式(1)和式(2)分別對指標越大越好的效益型指標和指標越小越好的費用性型指標進行規(guī)范化，其中B21、B22、B23和B33為效益型指標，其他為費用性指標。

(3)求各指標的熵Ej:

(4)求各指標的權系數(shù)wj:

2.2 利用模糊數(shù)學法賦權值

(1)每個一級綠色度指標k(k =1，2，…，p)包含m 個二級指標數(shù)。構造二級指標互補判斷矩陣Pk

Pk= (pij)m×m

且滿足pij+pji=1。

(2)由模糊互補矩陣構造模糊一致矩陣，

(3)二級指標權值的確定

2.3 利用綜合集成賦權法賦權值

采用加法集成賦權法，得到二級指標綜合權值:

式中:wj為熵值法求得的綠色度二級指標權值;w′j為模糊數(shù)學法求得的綠色度二級指標權值;α和β 根據(jù)決策者對wj、w′j的偏好程度進行過調(diào)整，α + β = 1，且α，β ≥0 。

4 個一級指標的賦權方法與二級指標賦權方法相同，不再贅述。

3 區(qū)域電網(wǎng)綠色度組合評價方法

區(qū)域電力系統(tǒng)復雜，不僅各類電源資源消耗情況不同，能源結構、發(fā)電技術水平以及污染物排放狀況均不相同，而且評價指標多，數(shù)據(jù)種類多。因此，在選擇區(qū)域電網(wǎng)綠色度評價方法時，應根據(jù)各指標的屬性與特點，結合評價方法的適用范圍及優(yōu)劣特性，選取適當?shù)脑u價方法或有機結合，揚長避短，才能得出準確、合理的評價結果。

3.1 能源結構和技術進步指標的灰色關聯(lián)評價方法

區(qū)域電網(wǎng)綠色度評價體系中的能源結構、技術進步指標數(shù)據(jù)信息量大，部分指標難于量化或統(tǒng)計，導致數(shù)據(jù)存在一定灰度，而灰色關聯(lián)法能夠深度挖掘區(qū)域電網(wǎng)中這類指標的內(nèi)部規(guī)律，適用于灰色關聯(lián)分析方法來進行評價計算。

綠色度指標體系中能源結構和技術進步指標利用灰色關聯(lián)分析法評價［13］的一般步驟為

(1)確定基準指標集

能源結構和技術進步指標共有7 個二級指標在n 不同評價區(qū)域上述M(M =7)個二級指標中分別選取最優(yōu)指標，構建最優(yōu)指標集，并作為基準，即X0= (x01，x02，…，x0M)。

(2)對上述7 個綠色度二級指標列出決策矩陣并進行無量綱化處理

利用式(4)進行無量綱化處理:

其中，n 表示評價區(qū)域的個數(shù)，k = 1，2，…，M 表示評價指標，xi(k)、x′i(k)分別為第i 個評價區(qū)域第k 個二級指標的原始數(shù)據(jù)和無量綱化處理后的數(shù)據(jù)。

(3)利用關聯(lián)系數(shù)構建評價矩陣

第i 個評價區(qū)域的第k 個二級指標灰色關聯(lián)系數(shù)計算式為

式中:ρ 為分辨系數(shù)，一般取ρ = 0.5 。

各關聯(lián)系數(shù)組成評價矩陣E:

(4)利用式(3)分別對能源結構和技術進步下二級指標進行組合賦權。

(5)灰色綜合評價

由評價矩陣E 和權重系數(shù)向量R，得到能源結構和技術進步指標灰色綜合評價結果為

3.2 資源消耗和污染物排放指標的理想點評價方法

區(qū)域電網(wǎng)綠色度評價體系中的資源消耗和污染物排放指標數(shù)據(jù)明確，數(shù)據(jù)信息量大，不僅需要對各屬性進行逐個評價，而且需要考察各屬性對于區(qū)域電網(wǎng)綠色度的總體貢獻及影響程度。理想點法能夠對區(qū)域電網(wǎng)上述指標的每個指標確定一組理想中的最佳方案和最差方案，并計算實際中每個方案與最佳方案和最差方案的差距，進而利用相對貼近度作為綠色度資源消耗和污染物排放指標綜合評價的標準。因此，適用于理想點方法進行評價分析。

資源消耗和污染物排放指標利用理想點法進行綜合評價的步驟［14］如下:

(1)資源消耗和污染物排放指標共M(M=9)個二級指標，對上述9 個指標列出決策矩陣并進行無量綱化處理，方法與灰色度關聯(lián)分析法相同，不再重復。

(2)利用式(3)分別對上述9 個二級指標進行組

合賦權。

(3)建立加權決策矩陣并計算歐氏距離

利用式(8)分別對上述9 個二級指標構建加權規(guī)范化矩陣，利用式(9)、式(10)計算歐氏距離:

(4)計算資源消耗和污染物排放二級指標的綜合相對貼近度

評價區(qū)域i(i=1，2，…，n)實際情況到理想方案的貼近度為

根據(jù)上述相對貼近度對區(qū)域電網(wǎng)的資源消耗和污染物排放指標進行綜合評價。

4 基于灰色關聯(lián)－理想點法的區(qū)域電網(wǎng)綠色度綜合評價模型及應用

本文所構建的綠色度評價體系為多層次結構，一級指標評價是基于二級指標評價結果進行的。具體流程如下:

(1)綠色度二級指標評價。利用綜合集成賦權法對二級指標進行賦權值;利用灰色關聯(lián)分析方法對能源結構和技術進步下的二級指標進行綜合評價，利用理想點法對資源消耗和污染物排放下的二級指標進行綜合評價。

(2)綠色度一級指標評價。基于二級指標的評價結果構造一級評價矩陣，再次利用綜合集成賦權法對一級指標進行賦權，利用灰色關聯(lián)方法進行一級指標綜合評價，得到不同評價區(qū)域的綠色度。

4.1 不同區(qū)域電網(wǎng)綠色度綜合評價

2013年河北南網(wǎng)、冀北電網(wǎng)、內(nèi)蒙以及黑龍江4 省區(qū)域電網(wǎng)綠色度評價指標及其數(shù)據(jù)如表1所示，部分數(shù)據(jù)來自于中國電力年鑒(供電煤耗、新能源發(fā)電以及污染物排放水平等)，部分數(shù)據(jù)來自于省域電網(wǎng)的實際運行數(shù)據(jù)(廠用電率、網(wǎng)損率、最大負荷調(diào)峰深度等)。表中單位水耗僅考慮了水電機組，單位廢水排放僅考慮了常規(guī)火電機組。

表1 區(qū)域電網(wǎng)綠色度評價指標Tab.1 Green degree evaluation indicators of regional power grids

4.1.1 二級指標綜合評價

利用熵值法和模糊數(shù)學法以及式(3)確定綠色度二級指標的權重如表2所示，其中α = 0.4，β= 0.6 。4 省域電網(wǎng)二級指標評價結果如表3所示。

表2 綠色度二級指標的權值Tab.2 Weights of second level green degree indicators

表3 綠色度二級指標評價結果Tab.3 Green degree evaluation results of second level indicators

從二級指標評價結果可知，電網(wǎng)3 的資源消耗、污染物排放水平最優(yōu)，電網(wǎng)2 的能源結構最優(yōu)，電網(wǎng)3 的技術進步指標最優(yōu)。分析原因:資源消耗指標均為越小越好型，區(qū)域電網(wǎng)3 的煤耗、油耗最低，水耗和氣耗也不是最差，在組合權重下，電網(wǎng)3 的資源消耗情況最優(yōu)。電網(wǎng)1 清潔能源裝機占比、分布式發(fā)電參與度指標均最差，并且高能效機組指標也較差，導致電網(wǎng)1 的能源結構最差。盡管區(qū)域電網(wǎng)4 的廠用電率指標最差，但網(wǎng)損率、新能源利用小時數(shù)指標均最好，在組合權重下，電網(wǎng)4 在的技術進步上最優(yōu)。污染物排放指標均為越小越好型，區(qū)域電網(wǎng)3 進行了脫硫脫硝除塵，SO2、NOX、粉塵的排放量最優(yōu)，CO2排放量也較好，導致電網(wǎng)3 的污染物排放情況最優(yōu)。

二級指標評價結果為區(qū)域電網(wǎng)綠色度完善提供依據(jù)。依據(jù)綠色度的二級評價指標的權重，可知綠色度改善具體方向和重點是單位煤耗、清潔能源裝機、新能源利用小時數(shù)、網(wǎng)損率、單位SO2排放以及單位NOx排放。

4.1.2 一級指標綜合評價

一級指標評價是基于二級指標評價結果進行的。利用上述相同的方法計算獲得綠色度評價模型中一級指標權值向量為

ωA=［0.310，0.127，0.159，0.405］

利用灰色關聯(lián)分析法得到4 個省級區(qū)域電網(wǎng)綠色度最終評價結果，如圖2所示。

按關聯(lián)度大小排列得區(qū)域電網(wǎng)綠色度順序為:區(qū)域電網(wǎng)3 ＞區(qū)域電網(wǎng)2 ＞區(qū)域電網(wǎng)4 ＞區(qū)域電網(wǎng)1。

根據(jù)最終一級評價結果可知，區(qū)域電網(wǎng)3 的綠色度明顯好于其它電網(wǎng)。其原因是該電網(wǎng)的區(qū)域電網(wǎng)3 的資源消耗、污染物排放指標最優(yōu)，電網(wǎng)2 雖然在上述指標沒有優(yōu)勢，但因其能源結構最好，并且技術進步指標也較好，綜合排在第二位。電網(wǎng)1 一級指標中資源消耗、能源結構以及污染物排放指標均排在最后位置，組合權重下其綠色度最低，排在最后位。電網(wǎng)4 好于電網(wǎng)1，排在第三位。盡管電網(wǎng)3 的綠色度最優(yōu)，但仍存在著如下弊端與不足:盡管清潔能源裝機比例最大，但利用小時數(shù)偏低，新能源所起作用不夠突出;高能效機組比例、網(wǎng)損率等指標均有待提高、單位電量廢水排放處理技術不成熟。

圖2 某4 省域電網(wǎng)綠色度最終評價結果Fig.2 The final results of the evaluation of green degree on four regional grids

4.2 區(qū)域電網(wǎng)不同年度的節(jié)能減排評價

為對區(qū)域電網(wǎng)進行縱向評價分析，以省域電網(wǎng)3 為例，分別選取2006～2010年共5 個年度的區(qū)域電網(wǎng)綠色度指標數(shù)據(jù)［15］，利用上述評價模型，得到該省電網(wǎng)不同年份的綠色度動態(tài)曲線圖3。

圖3 省域電網(wǎng)2006～2010年度的綠色度動態(tài)曲線圖Fig.3 The green degree’s dynamic curves of provincial power grid from 2006 to 2010

由圖3所示，清晰、形象給出了該省連續(xù)5年的節(jié)能減排評價結果，該省域電網(wǎng)的綠色度從2006年的0.674 逐年增加至2010年的0.842，該省的節(jié)能減排工作力度大、效果顯著。

5 結論

本文對區(qū)域電網(wǎng)的綠色度進行了定義并給出可度量化指標;利用熵值法和模糊數(shù)學法對模型進行組合賦權，提出了基于灰色關聯(lián)－理想點法組合方法的區(qū)域電網(wǎng)綠色度綜合評價模型，并以四個省域電網(wǎng)綠色度評價為例，同時對指定省域電網(wǎng)的2006～2010年年度的節(jié)能減排進展情況進行綜合評價，驗證了本文所提出的綠色度評價模型和方法能夠有效地反映區(qū)域電網(wǎng)的綠色度水平，綠色度評價模型和方法具有通用性、可量化、易實現(xiàn)等優(yōu)點，可用于監(jiān)管和督促區(qū)域電網(wǎng)進一步整體推進節(jié)能減排工作。

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