基于DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS的配电网综合能效评估

梁飞强，彭显刚，梁志鹏

(广东工业大学 自动化学院，广东 广州510006)



基于DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS的配电网综合能效评估

梁飞强，彭显刚，梁志鹏

(广东工业大学 自动化学院，广东 广州510006)

摘要：根据中国配电网的发展特点和基本属性，在保证评估指标的科学性和可靠性的前提下，从电网运行、环境效益、分布式发电效益、经济效益、资源利用效率5个方面提出了适应于配电网综合能效评估的指标体系。针对目前配电网能效缺乏量化评估方法的问题，提出了新的配电网综合能效评价方法，即集DEMATEL、网络分析(analytic network process,ANP)法、反熵权(anti-entropy weight,AEW)法、逼近理想解排序法(technique for ordey preference by similarity to ideal solution,TOPSIS)于一体的主、客相结合的DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS组合方法，并用该方法量化各个层次指标的权重以确定能效评估模型。实际算例结果验证了所提模型和方法可行、实用。

关键词：配电网；能效评估；指标体系；网络分析法；反熵权；理想点排序法

当前中国的能源利用效率低下，仅为33%，能耗强度约为美国的3倍、日本的7.2倍[1]，如何提高能源的利用效率已经成为中国经济迅速发展急需解决的问题。在电力系统能效方面，由于配电网络结构复杂、线损严重，有必要通过科学评估其能源利用效率来发现管理中的薄弱环节并加以整治，从而促进电网的绿色经济运行，因此亟需构建一套科学、全面、合理的综合能效评估指标体系和方法，实现对配电网的能效评估。

目前中国对配电网能效综合评估的研究涉及较少。文献[2-3]虽然提出了配电网评估指标体系，但没有考虑接入分布式发电(distributed generation，DG)对配电网能效的影响，评估指标不够全面，说明该指标体系不适用于含DG的配电网能效评价。文献[4]介绍了几种常用的评估方法，但是独立使用这些方法有其局限性。文献[5]虽然涉及了评价指标体系和方法，但侧重点是配电网规划，没有突出能效，而且未考虑DG接入的影响。文献[6-7]提到了基于层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)的配电网能效评估，但只考虑较低层次指标元素会影响较高层次指标元素，而忽视了低层次指标元素也受高层次指标元素影响这一问题，更没考虑到不同层次指标元素之间的相互影响，而且其能效指标不能表征含DG配电网的能效情况。文献[8]旨在对电力用户侧进行能效评估，不适用于电力传输的配电网能效评估。文献[9]提出了智能电网多属性网络层次组合评价方法——逼近理想解排序法-熵权法-网络分析法(technique for order preference by similarity to ideal solution-entropy weight method-analytic network process，TOPSIS-EWM-ANP)组合评估模型，该模型和指标可以对电网的智能强度进行有效评估，但不适用于配电网的能效评估，其中在获取ANP判断矩阵时没有避免对元素自身影响程度的主观估计，也没解决构建判断矩阵时直接和间接影响不统一的问题[10]。

梁飞强，等：基于DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS的配电网综合能效评估通过以上分析，本文提出基于决策与试验评价实验室-ANP-反熵权-TOPSIS(decision-making and trial evaluation laboratory-analytic network process-anti-entropy weight-technique for order preference by similarity to ideal solution，DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS)的配电网综合能效评估方法，该方法既克服权重过于主观或过于客观的问题，又顾及各指标间、层次间的相互影响以及判断矩阵不统一的问题。

1配电网能效评估指标体系

1.1设置原则

在建立评估指标体系时，各指标的选取一方面要尽可能全面反映配电网的实际情况，另一方面要考虑数据获取的难易程度、计算量的大小等实际问题。

初选指标时遵循全面性原则，这种指标选择方法会导致具有很强相关性的某些指标同时被选入。为了避免指标的不必要重复，降低计算量，需要删除信息量严重重复的指标，也就是对经前期调研和专家法初选的指标进行再次筛选。可借用SPSS19.0应用软件对指标体系中的各项指标作多元相关性分析与主成分分析，通常第一主成分包含绝大部分数据信息，所以只需计算各项二级指标对第一主成分的构成系数，保留构成系数大的指标；当两指标体系的相关系数大于0.9时，就认为这两个指标是严重重复指标，只保留其中一个指标，另一个指标被删除，一般保留数据容易获取或计算简单的指标。

在符合能效标准体系的前提下，通过前期调研与分析，由专家确定一级指标和初选二级指标，再经相关性分析与主成分分析来筛选二级指标，最终根据配电网的特征确定配电网的能效评估体系。

1.2框架

DG接入配电网后，将对配电网的网络损耗产生影响，本文考虑了DG的影响因素。通过与某省电力公司的前期交流，综合中国能源审计与统计的相关法规、标准，全面考虑各指标出现的频率和可获得性，确定了配电网能效评价指标体系的框架，如图1所示。

ASCI—系统平均缺电量，average shortage of consumption inventory的缩写；TPSS—系统总不足电量，total power shortage of system的缩写；PM—颗粒物，particulate matter的缩写。图1　配电网能效评估指标体系

2能效评估方法

2.1DEMATEL-ANP主观评估权重计算方法

ANP是基于AHP的一种实用决策方法，它既考虑了各指标体系中层次结构间的相互影响，又考虑了递阶层次结构存在内部循环以及层次结构之间存在依赖性和反馈性的特点。本文在获取判断矩阵时，借用DEMATEL法改进了内部依赖矩阵的构建方法。

设ANP的网络层中有m个元素C1，C2，…，Cm，元素Cj对元素Ci的影响度为yji，i=j时yji=1，其余元素都按此准则进行两两比较得影响程度，从而获得相应的判断矩阵，再利用特征根法得出Ci次准则下的权重向量

其中归一化特征向量

将所有次准则下的权重向量合成权重矩阵，并在权重矩阵对角线上填0，即可得DEMATEL法中的直接影响矩阵

根据DEMATEL法求取综合影响矩阵时，通过计算各层次指标间的平均综合影响矩阵来回避综合影响矩阵不收敛的问题。平均综合影响矩阵

同样借鉴DEMATEL法计算各元素集间的影响度，将其与系统超矩阵结合，得到系统加权超矩阵

对上述矩阵进行2k+1次演化，最终形成一个长期稳定矩阵，其各行非零值均相同，即得到评价指标的主观权重向量

2.2AEW客观权重计算方法

客观权重向量Wk可用AEW来确定。AEW可以使数据得到充分运用，体现出完全客观的权重数值，但不能体现指标的实际重要程度和意义。将AEW与DEMATEL-ANP相结合，可使权重不仅包含数据本身信息，还能体现出专家的主观判断。当系统处于m种状态时，反熵

用AEW法确定权重的步骤为：假设评价问题有m个评价对象、n个评价指标，指标值为xij(i=1，2，…，n；j=1，2，…，m)，评价矩阵X=(xij)n×m；然后通过评价矩阵计算出各指标的反熵值，根据反熵值进一步确定各指标的客观权重。反熵值和客观权重的计算公式为：

其中

式中：hi为第i个评价指标的反熵值，wkj为第j个指标的客观权重。

2.3DEMATEL-ANP-AEW权重计算方法

要想培养小学阅读能力，该做的第一步就是朗读，所以，学生们一开始需要通过吟诵朗读来培养阅读能力。吟诵朗读就是口、耳、心、眼四种并用的一种学习方法，正如叶圣陶先生所说，朗读是一种能培养人们阅读的学习方法，通过吟诵朗读这种方法，学生们能切身体会到阅读中的角色，并发自内心感同身受到阅读的内容。所以，在小学语文阅读教学中，如果能够正确并准确地运用吟诵朗读这个阅读方法，阅读教学效率就能得到肉眼可见的提高，使得小学语文的教学越发简单而受用。

根据DEMATEL-ANP确定指标主观权重集合Wz={wzi│1≤i≤n}，根据AEW法确定指标客观权重集合Wk={wki│1≤i≤n}。综合考虑由DEMATEL-ANP和AEW法计算得到的权重，可得第i个指标的组合权重

wi=ϑwzi+(1-ϑ)wki,0≤i≤n.

式中0≤ϑ≤1，本文取ϑ=0.5。

2.4TOPSIS

TOPSIS[11-12]是一种常用的多目标(属性)决策分析法，其基本思想是：基于归一化后的原始数据矩阵，找出有限方案中的最优方案和最劣方案(分别用最优向量和最劣向量表示)，然后分别计算诸评价对象与最优方案、最劣方案的距离，获得各评价对象与最优方案的接近程度，以此作为评价优劣的依据。

2.5DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS组合评估模型

本文提出基于DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS组合的评价模型，运用DEMATEL-ANP- AEW方法确定权重，并与TOPSIS相结合，以达到减少权重误差、提高计算精度的目的。具体步骤如下：

a)构造标准化决策矩阵B=(pij)m×n(i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)。

b)采用DEMATEL-ANP计算权重向量Wz。

c)采用AEW法计算权重向量Wk。

f)根据TOPSIS求出正、负理想方案V+和V-， 即

h)计算评价对象i与最优方案的贴近度δi，其计算式为

i)应用DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS组合方法计算每个方案的评价值，根据贴近度对各评价对象进行排序。

3算例分析

选取地区A作为研究对象，采用DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS组合方法，结合提出的指标体系，计算2012—2016年综合能效贴近度，从而评估该地区配电网的能效情况。由于篇幅的限制，本文只列出中间计算过程的权重结果。

首先，填充已经筛选好的二级指标数据；然后，采用DEMATEL-ANP-AEW法求取配电网能效评估的一级指标权重，其中电网运行权重值为0.165 7，环境效益权重值为0.128 2，DG接入效益权重值为0.242 5，经济效益权重值为0.319 1，资源利用效益权重值为0.144 5；应用DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS组合方法计算2012—2016年配电网能效各属性的评价值，结果见表1。

表1地区A配电网各属性的评价值

年份各属性评价值电网运行环境效益DG接入效益经济效益资源利用效益总和20120.43210.76020.63890.76520.44723.043620130.66020.82040.82190.82190.74353.867920141.08141.03251.08980.96210.91285.078620151.39531.17271.22851.19251.38246.371420161.43101.21421.32091.25831.51416.7385

为了说明DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS组合方法的合理性和有效性，也采用熵权修正[9]与TOPSIS相结合的评价方法(以下简称“熵权修正法”)对本实例配电网综合能效进行评价，2种方法的评价结果对比见表2。在表2中，组合方法指DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS组合方法。

表2地区A配电网综合评估

年份相对贴近度组合方法熵值修正法排序名次组合方法熵值修正法20120.39120.40485520130.42380.43914420140.44260.46823320150.48290.51192220160.53270.553711

由表2可以看出：在2012—2016年，2种方法对地区A的能效评估相对贴近度排序都是一次递增，从整体上看，地区A配电网的能效水平不断提高；虽然DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS组合方法与熵值修正法的综合评价结果略有偏差，但是整体趋势是一致的，说明DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS组合方法符合实际效益。

图2和图3分别为各属性评价散点图及综合评价雷达图。

图 2　配电网各属性评价散点图

图 3　能效评估综合评价雷达图

由图2和图3可得：从总体来看，该地区在2012—2016年配电网的能效水平始终保持较快的发展趋势；从局部看，经济效益与环境效益在此期间提升幅度较大，呈现先缓后增的发展趋势；环境效益水平虽然在此期间始终逐年提升，但在2015年之前整体水平变化不大，这与目前配电网处于全面建设阶段有关，需要一定的时间才能全面体现经济和社会效益；资源利用效益评价值提升较快，一方面是经济效益驱动，另一方面是国家重视节能减排、资源利用率、环境保护的结果。

在此期间地区A配电网的经济效益评价值较其余属性的评价值偏大，可见该地区电网规划对配电网的经济效益有足够的重视。在今后的配电网改造和升级过程中，须继续加大对环境和资源利用率的重视，使该地区的配电网均衡发展、全面提升。

4结束语

本文针对中国配电网建设的特点，提出了应用型的综合评价方法。采用DEMATEL-ANP-AEW法确定权值，提高了指标权重判定的精度；同时，基于配电网不同属性的数据特点，采用DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS组合方法进行评估分析。通过具体实例验证此方法的可行性，算例结果表明：所提方法可以反映配电网各属性和整体的发展建设效果，为配电网发展规划方案提供选择依据；能纵向对比不同区域能效水平，帮助企业找到用电能效相对薄弱环节，对提高配电网的能效起到重要的指导作用。

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梁飞强(1988)，男, 湖北咸宁人。在读硕士研究生，研究方向为电力系统运行分析与控制。

彭显刚(1964)，男，湖北武汉人。副教授，工学硕士，主要从事电力系统优化运行与控制方面的研究与教学工作。

梁志鹏(1990)，男, 河南焦作人。在读硕士研究生，研究方向为电力系统运行分析与控制。

(编辑李丽娟 )

Evaluation on Comprehensive Energy Efficiency of Power Distribution Network

Based on DEMATEL-ANP-AEW-TOPSIS

LIANG Feiqiang, PENG Xiangang, LIANG Zhipeng

(School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou, Guangdong 510006, China)

Abstract：According to development characteristics and essential attributes of Chinese power distribution networks and on the premise of ensuring scientificity and reliability of evaluation index, this paper proposes an index system suitable for evaluation on comprehensive energy efficiency of the power distribution network in five terms including power grid operation, environmental benefit, distributed generation benefit, economic benefit and resource utilization rate. In allusion to the problem of energy efficiency of present power distribution network being lack of quantitative evaluation method, this paper proposes a new combined evaluation method for comprehensive energy efficiency of power distribution network which gathers decision-making and trial evaluation laboratory (DEMATEL) method, analytic network process (ANP), anti-entropy weight (AEW) method and technique for order preference by similarity to ideal solution (TOPSIS) method in integral whole, and uses this method for quantizing weight of each level index so as to determine energy efficiency evaluation model. Practical example results verify feasibility and practicability of the proposed model and method.

Key words：power distribution network; energy efficiency evaluation; index system; analytic network process; anti-entropy weight; technique for order preference by similarity to ideal solution

作者简介：

中图分类号：TM727

文献标志码：A

文章编号：1007-290X(2016)01-0031-05

基金项目：中国南方电网有限责任公司科技项目(K-GD2014-0891)

收稿日期：2015-08-11

doi:10.3969/j.issn.1007-290X.2016.01.007