基于改进层次分析法(AHP)的微网成本－效益评估

周二雄，李凤婷，朱贺

(新疆大学电气工程学院，乌鲁木齐市830047)

0 引言

微网是由分布式能源(distributedenergy resource，DER)、控制装置以及负荷等组成的可控单元，既可以与大电网联网运行，也可以孤网运行。同时，微网在节能减排、提高可再生能源利用率、延缓电网建设投资、提高用户供电可靠性等方面具有良好的经济效益和社会效益［1］。微网中的分布式能源具有较高的一次性投资、逐年运行与维护费用、废弃后拆卸与治污费用等，深入研究微网成本－效益构成，无论对微网建设还是微网运行都具有重要意义和工程应用价值。

在微网的成本－效益评估方面，已有一些研究成果，如:文献［1］对微网中分布式能源进行了研究;文献［2-3］对微网中风机、光伏可再生能源或热电联产运行状况进行了经济、环境效益分析;文献［4］从电力公司、用户和投资者三方角度分析了微网经济效益。然而，对于如何根据微电源特征及微网运行特点，量化微网建设成本、综合效益的研究甚少。

层次分析法(analytic hierarchy process，APH)是一种定性与定量相结合的决策分析法，目前已经应用到电力系统的发电、输配电等环节的方案优选、综合评估、可行性判断等方面［5］。文献［6-7］利用相近的改进层次分析法对输电线路雷电风险、电网自然灾害风险方面进行评估;文献［8］通过层次分析法对电厂检修维护项目的评价准则体系进行评价;文献［9］采用层次分析法评估不同分布式电源的接入方案。

本文基于改进AHP法的思路，采用收敛速度较快、能满足一致性效果的三标度法形成判断矩阵来求解权重，综合考虑各方面因素量化微网的成本、效益，从主、客观角度对微网的成本－效益进行评估。

1 改进AHP法

清晰的层次结构使AHP方法具有简化复杂问题的优点，但不能很好处理不确定因素，不同专家对构造的判断矩阵有不同的认可，判断矩阵经常出现不一致性的情况［5］。针对以上不足，采用有别于传统AHP方法1～9标度的三标度法构造判断矩阵，来提高收敛速度和一致性;归一化各专家判断矩阵，形成权重向量的期望，作为各指标的权重;结合求解微网成本、效益的各指标值，从主、客观角度综合评估微网成本、效益。改进AHP包含以下步骤:

(1)构建层次结构。将分析评估问题层次化，形成由目标层、准则层、指标层以及方案层构成的递阶层次结构，其中指标层各指标隶属于准则层。

(2)求解准则层某子准则权重。①建立比较矩阵。专家采用三标度法两两比较指标的相对重要性得出比较矩阵

式中:a1～an为各个指标;aij为指标ai与指标aj之间的比较结果，其表达式为

②构造判断矩阵

式中

③求解权重向量及检验一致性。采用特征向量法求判断矩阵C的最大特征值λmax及对应特征向量W，作为权重向量。然后将λmax引入相容性指标CI=(λmax－n)/(n－1)，判断矩阵的一致性。若CI＜ 0.1，认为判断矩阵一致性符合要求;否则，判断矩阵一致性不符合要求，修改比较矩阵，重新计算并进行一致性检验，至到满足要求［10］。

④确定各指标权重。重复① ～③得到m个专家判断矩阵形成的权重向量

式中:m为参与专家人数;W(k)为第k个判断矩阵形成的权重向量;为权重向量的期望。归一化权重向量得各指标权重。

(3)评估目标为

式中:m1为准则层含子准则数目;vj为第j个子准则权重;n1为第j个子准则包含指标数目;wi为第i个指标权重;u(wi)为第i个指标值。具体的评估流程如图1所示。

2 构建微网的成本－效益层次结构

综合考虑DER的运行经济状况以及对环境的影响等因素，确定了成本、效益指标层各个指标，根据微网中DER的种类和容量确定方案层，构建了如图2所示微网成本－效益评估递阶层次结构。

2.1 微网成本指标体系

2.1.1 设备投资总费用的等年值

考虑逐年投资成本更能够体现市场运行经济状况，微网中一次、二次设备投资总费用按等年值计算，即

式中:d1为设备投资总费用的等年值;CCpi为第i种DER设备投资费用的等年值，$;n2为微网中DER种类数;CTCPi为第i种DER装机成本的等年值，$;CSCPi为第i种DER二次设备成本，$;Ypi为第i种DER寿命周期年限，a;r为折现率，%。

2.1.2 安装、运行维护费用

将DER一次性安装费用按等年值计算，而运行维护费用按年计算，则安装、运行维护费为

式中:COMi为第i种DER年安装、运行维护费用，$;Kii为第i种DER单位容量安装费用，$/kW;Komi为第i种DER单位容量维护年费用，$/(kW·a);Pi为第i种DER装机容量，kW;NSUCi为第i种DER年启停次数;ζi为第 i种 DER 热启动费用，$;δi为第 i种DER冷启动费用，$;τi为第i种DER冷启动时间，h;Toff，i，j为第 i种 DER 第 j次启动前停运时间，h。

2.1.3 废弃后拆卸、治污费用

考虑废弃后产生的费用，并将该费用以等年值计算，有

式中:CDi为第i种DER拆卸、治污费用的等年值，$;Kdi为第 i种 DER拆卸单位装机容量所需费用，$/kW;Kpi为第i种DER治理单位装机容量污染所需费用，$/kW。

2.1.4 燃料费用

式中:CFCi为第i种DER年燃料费用，$/a;MCi为第i种DER单位电能消耗燃料量，g/(kW·h);pCi为第i种DER单位燃料的价格，$/t;Ei为第i种DER年发电量，kW·h/a。

2.1.5 排污惩罚费用

式中:CEi为第i种DER年排污惩罚费用，$/a;m2为污染物种类;Vk为单位发电量排放第k种污染物罚款，$/(kW·h)。排污惩罚费用如表1［11］所示。

2.1.6 停电赔偿费用

只考虑微网与大电网之间馈线上发生故障，导致微网部分负荷停电造成的赔偿费用，则停电赔偿费用为

表1 发电技术单位发电量污染物排放罚款情况Tab.1 Pollutants fine form of power generation technology per unit of electricity generation 10－3$/(kW·h)

式中:CS为停电赔偿费用，$;m3为微网与大电网相连的馈线数;λj为单位馈线故障的概率，%;Lj为馈线的长度，km;Tj为维修时间，h;n3为负荷种类;KSk为第k种负荷停电损失费用，$/(kW·h);ΔPk为第k种负荷停电量，kW·h。

2.2 微网效益指标体系

2.2.1 碳贸易效益

根据碳排放权交易机制(emissions trading scheme，ETS)，企业在规定时间内碳排放量低于监管机构分配量，可将剩余量出售给排放水平高的企业来获得利润［12］;而《京都议定书》规定光伏发电、风机发电等属于清洁发展机制(cleandevelopment mechanism，CDM)范畴。采用可再生能源电源相对于常规火电机组发相同电量少排放的CO2进行交易，构建了如下碳贸易效益

式中:m4表示微网包含可再生能源电源种类数;α为单位煤炭转换为CO2系数(本文取44/12);MC为火电机组生产单位电能所消耗的煤炭量，g/(kW·h);ρ为单位碳交易费用，$/t。

2.2.2 可靠性效益

与大电网相连的馈线发生故障时，微网内分布式能源仍持续向部分负荷供电，提高了供电可靠性。可靠性效益为

式中:CRi为第i种负荷可靠性效益，$;m5为微网与大电网相连的馈线数;KSi为第i种负荷单位停电损失，$/(kW·h);Pi，j为第j条馈线连接下分布式能源供给第i种负荷的电量，kW·h。

2.2.3 政府补贴效益

《分布式发电管理办法》明确国家拟采用单位发量方式补贴分布式电源发电，政府补贴效益为

式中:n4为微网所含分布式电源种类;pbi为第i种分布式电源补贴电价，$/(kW·h)。

2.2.4 上网效益

不同分布式电源上网电价不同，微网上网效益为

式中:pSi为第 i种分布式电源上网电价，$/(kW·h)。

2.2.5 节能效益

节能效益为利用可再生能源发电减少化石能源消耗带来的费用。本文以常规火电机组发电消耗煤炭费用作为参考，构建了如下节能效益

式中:m6为微网含有的可再生能源电源种类;pC为煤炭价格，$/t。

2.2.6 降低损耗效益

DER配置于负荷附近，减少了等容集中式远距离供电在网络传输上的损耗［1］。降低损耗效益为

式中:L为降损率，%;pS为大电网售电电价，$/(kW·h)。

3 实例分析

以含微型燃气轮机、燃料电池的4种微网方案为例，进行微网的成本－效益分析。为了便于分析，将含风、光、储微网简称为微网 I，含光/储微网简称为微网II，含风/储微网简称为微网III，含风/光微网简称为微网IV。假设DER通过先进电力电子设备接入微网，能快速跟踪负荷以及风、光等资源变化，且只考虑微网与大电网相连馈线发生故障情况，不考虑网损以及发电效率以及转换效率问题。微网结构如图3所示。

图3 微网结构Fig.3 Microgrid structure

3.1 微网的成本分析

3.1.1 确定成本各指标的权重

本项目共有3位专家参加评审，根据式(1)～(5)，计算得到成本权重 W1=［0.549，0.131，0.142，0.042，0.068，0.068］。

3.1.2 计算成本

假设微网内工业、商业、农业、居民负荷所占比重依次为79.1%、13.4%、2.4%、5.1%，相应的负荷单停电赔偿费用依次为1.817、1.710 4、0.129 8、0.096 4$/(kW·h)，光伏、风机、燃料电池、微型燃气轮机、蓄电池的运行时间依次为1 500、3 000、6 500、6 500、500 h，二次设备成本为装机费用的8%。其他参数如表2所示，DER参数状况如表3［11］所示，4种方案各项成本指标值如表4。

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3.2 微网的效益分析

3.2.1 确定效益各指标权重

效益指标权重向量W2=［0.096，0.275，0.079，0.224，0.180，0.145］。

3.2.2 计算效益

设光伏阵列、风机、燃料电池、微型燃气轮机上网电价依次为 0.189 0、0.086 5、0.078 6、0.070 8$/(kW·h)，相应补贴电价为上网电价25%，其他相关参数如表5所示。

由式(7)～(12)可得4种方案的效益各项指标值，如表6所示。

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3.3 微网的成本－效益的评估

根据4种微网方案成本、效益各指标值以及相应权重，线性加权求和依次可得4种微网方案成本、效益评估值，如图4所示。

由图4可得:光伏成本大于风机，风机成本大于蓄电池;风机效益最大，蓄电池效益最小;该地区微网采用风机与蓄电池组合可以取得较好经济效果。

当然风、光等自然条件不同以及随着风电、光伏、储能科学技术的发展，组成微网各DER成本、效益指标将发生变化，微网成本－效益评估结果以及与各指标间的关联度也将随之改变。

图4 4种微网方案的成本－效益评估Fig.4 Cost-benefit evaluation of four microgrid schemes

4 结语

本文综合考虑分布式电源特性以及微网运行状况等因素，构建了微网成本－效益评估递阶层次结构，也为微网多重目标的考核提供参考。通过改进的层次分析法对4种微网方案进行成本－效益的评估，验证了该方法的可行性。本文算例参考相近文献确定目前尚无标准可循的废弃拆卸、治污、停电赔偿费用等指标;另外DER装机容量、采用技术的成熟度不同，成本差别也很大。

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