基于TRL的智能电网技术成熟度评估

刘艳丽，李晓君，齐文瑾，曾沅，黄瀚，刘林

（1.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072；2.国家电网能源研究院，北京102209）

基于TRL的智能电网技术成熟度评估

刘艳丽1，李晓君1，齐文瑾1，曾沅1，黄瀚2，刘林2

（1.天津大学智能电网教育部重点实验室，天津300072；2.国家电网能源研究院，北京102209）

技术成熟度的评估对指导技术改良以推动智能电网发展具有重要意义。该文提出了针对智能电网相关技术成熟度的评估指标体系及方法。从技术性能、技术的经济价值、技术的社会与环境影响3个方面构建评估指标体系，基于序关系-变异系数法综合主客观赋权的影响获取评估结果。对于技术性能，创新性地建立了技术成熟等级评估方法获取其发展水平。此外，针对底层指标的不确定性，引入Gram-Charlier级数获取技术成熟度评估结果的置信度。电动汽车充放电技术应用实例显示，评估结果不仅能够给出技术发展的成熟水平，还能够给出技术发展的优势与短板，有助于明确未来技术改良方向。

技术成熟等级；评估；智能电网

智能电网的目标主要是提高供电安全性、生态可持续性和经济竞争力[1]。从广义层面来看，由于技术涉猎广泛，智能电网的一个关键目标是要催生新的技术和商业模式，实现产业革命[2]。这些技术包括：智能电网技术、智能电网可带动的技术和为智能电网创建平台的技术，技术的发展水平直接或间接地影响智能电网的发展，在智能电网工程项目实施以及区域智能电网建设中发挥至关重要的作用[3-6]。评估智能电网相关技术发展水平有助于明确技术改良方向，推动技术日趋成熟进而推动智能电网的发展。

技术成熟度理论起源于美国国家航空航天局，用于描述某一技术相对于某一系统或项目而言所处发展阶段，反映对项目预期目标的满足程度[7-9]。大多应用于军工科技项目技术的评估，包括制定重大项目的技术发展路线图、对重大项目转阶段进行审查等；评价条目针对性较强，没有通用性。目前，针对智能电网的评估大多着眼于智能电网整体建设所涉及的电网各个环节发展情况，针对智能电网技术评估的研究较少。文献[10]应用技术成熟度理论分析智能输电网投资决策问题，根据技术成熟度等级划分智能输电网的有效投资阶段，建立基于技术成熟度的智能输电网多阶段投资决策模型，以确定最优投资方案。文献[11]提出了利用生产函数的方法来评估技术给智能电网带来的效益与技术本身的发展状况。目前缺乏一种能够针对技术本身进行有效通用性评估的模型。

本文从技术成熟度角度提出了一套针对智能电网相关技术成熟度的评估模型，包括指标体系以及评估方法。指标体系综合考虑了技术发展路线以及利益相关方，主要涵盖技术性能、技术的经济价值、技术的社会与环境影响3个方面。利用技术成熟等级TRL（technology readiness level）法评估技术性能，在其基础上结合序关系-变异系数法综合主客观赋权的影响获取技术成熟度的评估结果。在评判过程中引入Gram-Charlier级数进行不确定性分析，给出评估结果的置信区间与置信度。选取电动汽车充放电技术作为应用示例，获取该项技术成熟度评估结果的同时，优劣侧重分析可用于明确技术的提升改造方向。

1 智能电网技术成熟度评估指标体系

1.1 指标体系构建原则

为了能准确有效地反映被评估技术的成熟度，在建立智能电网技术成熟度评估指标体系过程中，遵循了以下基本原则。

（1）系统性，即指标体系能够对技术进行多角度完整评估，能够准确反映该技术的发展情况。

（2）通用性，即指标体系能够对智能电网所涵盖的大部分技术进行有效评估。

（3）客观性，指标选择明确，评估结果可信。

（4）可获得，指标设置应避免难以获取的状况。

（5）可量化，指标应该尽可能为量化指标，抽象指标应给出具体的量化方法。

1.2 指标体系构建思路

在指标体系构建工作中，首先需要确定核心指标。核心指标的选取应在如实反映技术发展情况的前提下，突出智能电网技术发展的特点，并方便进行计算。而后，在核心指标确定的基础上，通过对指标的进一步分类，评估影响技术的关键因素，使得指标体系能够充分反映技术当前的发展状态。

本文结合我国智能电网的特点，将智能电网技术成熟度综合评估指标体系的核心指标定位为技术性能、技术的经济价值和技术的社会与环境影响3方面。技术性能表征了技术的进化历程，而技术的经济价值和技术的社会与环境影响则侧面凸显了技术带来的发展效益。其中，技术的经济价值和技术的社会与环境影响通过对相关影响因素继续分类，从而提炼得到更详细的下层指标，进行评估从而得到结果；而技术性能则利用划分等级的方式进行评估。

1）技术性能

TRL起源于美国国家航空航天局，是人们在大量工程实践基础上，对技术成熟规律认识的一种总结，能够有效反映技术对项目预期目标的满足程度[7-9]。对于技术性能的评估，本文依据技术本身的生长路线，基于TRL通过划分等级来实现，如表1所示。

本文根据技术普遍的发展规律，将技术性能分为6个等级，分别是理论起步、路线图制定、实践发展、系统验证、综合优化和驱动创新。每一等级设立3～4个分项指标。指标的获取方式分为两种，分别为专家调研（表1中简称“专”）和数据收集（表1中简称“数”）。其中对于需要专家调研的指标，通过设计详细的调查问卷，由相关领域专家进行评分来获得。

每一等级满分为20分，每个分项指标被赋予或折算为一定的分值。当前等级的得分为该级所有分项指标得分之和，并设定14分为阈值，认为当前等级的分数大于等于14分，技术才满足该等级，才能够进行下一级的评估。例如，某一项技术从1～4级的分数分别是18分、16分、15分、12分，由于该技术的第4级分数只有12分，小于14分，故该技术的技术性能为3级，得分为前3级分数之和，即49分。

2）技术的经济价值

技术的经济价值的评估，用于反映技术能够带来的经济效益，这往往是投资者最为关注的地方。分层指标体系如表2所示。

3）技术的社会和环境影响

技术的社会和环境影响用于评估技术对社会和环境带来的影响，环境影响主要体现在对节能减排的促进、生态环境的维护等方面。社会影响则主要体现在用户的感受、公众的认知、对就业率的影响等方面。指标设置如表3所示。

2 智能电网技术成熟度评估方法

2.1 序关系-变异系数综合赋权法

序关系属于主观赋权，各指标的重要程度比较是由专家决定，主观色彩较强。变异系数法属于客观赋权，其本质反映指标的离散程度，指标取值差异越大，离散程度越大，更能反映被测对象的差距，然而离散程度较小的指标权重经过计算会较小，但这不能说明该指标不重要。序关系-变异系数法综合赋权将二者结合，能综合反映主客观赋权的影响，避免指标权重的绝对性，使赋权更合理。

2.1.1 序关系法

序关系法属于主观赋权法，本质是对层次分析法的一种改进，与层次分析法相比，序关系法不用构造判断矩阵和一致性检验。其确定权重主要分4步。

1）确定评估指标体系结构。本文提出的智能电网技术成熟度评估体系为层次结构，总共包含4层，分别是目标层、一级指标、二级指标和三级指标，其中技术性能得分直接作为一级指标输入。

2）确定各层级的序关系。假定选定专家数量为n（n≥1），对于需要对比的指标x1，x2，…，xm，第i位专家选出各自认为的最重要的指标，记为xi1*，然后在余下的指标中再选择认为是最重要的指标，记为xi2*，以此类推，所有指标按重要性排序为xi1*＞xi2*＞…＞xim，即第i位专家给出的指标序关系。

3）给出指标间相对重要程度。在确定序关系后，需确定指标间重要性标度。设第i位专家关于指标xi，k-1*和指标xi，k*的重要程度之比ωik-1/ωik的判断为

式中：ωk为指标xi，k*权重系数；rk的值如表4所示。

4）计算权重系数ωk。最终综合所有专家给出的指标序关系以及赋值。当专家数量为1位时，ωk为

其他的权重系数为

对于专家数量大于1的情况，具体计算方式参考文献[12]。

2.1.2 变异系数法

变异系数法属于客观赋权法，直接利用各项指标所包含的信息，通过计算得到指标的权重。步骤如下。

1）数据归一化处理。为了消除各项指标量纲不同带来的影响，首先对各项指标进行归一化处理。

式中：yij为第i个被评估对象的第j个指标的值；max yj为第j个指标的最大值；zij为经过无量纲处理后的指标值。

2）计算各指标的平均值Zˉj和标准差Sj。

2.1.3 序关系-变异系数组合权重

式中，0≤ρ≤1，文中取0.5。

2.2 指标的不确定性分析

对技术成熟度的评估过程中，有诸多不确定因素，来源主要有以下两个方面：①评估目标及权重的不确定性，评估一般都会引入评估者对事物的主观看法，不同的评估者对同样的被评估对象有着不同的判断，故会带来较大的不确定性；②电网客观信息的不确定性，有些指标并不是一个完全确定的值，往往只能获取的某一区间范围，这就为下一步的评估带来了困难。

本文在传统评估方法基础上，通过考虑部分底层指标的概率分布特性，选用较为成熟的Gram-Charlier级数方式[13]来计算得到最终结果指定置信区间的置信度，从而全面给出评估对象的成熟度和概率特征。

3 智能电网技术成熟度评估流程

智能电网技术成熟度评估流程如图1所示。

步骤1 对技术性能进行等级评估，得到技术性能的等级。

步骤2 对技术性能等级进行判断，若技术性能的等级未达到4级，则直接输出技术性能等级结果，不进行技术经济价值与社会环境影响的评估；若技术性能等级达到4级，则进行步骤3。

步骤3 进一步评估技术的经济价值、技术的社会与环境影响，同时在搜集这两部分指标的过程中，确定是否存在不确定性指标，若不存在则直接得到技术成熟度最终得分，流程结束。若存在则进行步骤4。

步骤4 分析不确定性指标对评估结果的影响，得到技术成熟度评估结果及不确定性分析结果。

之所以设置技术性能第4级为门槛，出于两方面考虑。第1，某项技术的技术性能只有满足前4级，才能在实际环境中发挥作用，故技术性能等级在小于4级时并不涉及到技术的经济价值、社会环境等方面，此时提升技术性能等级才是当务之急；第2，当技术性能等级大于等于4级后，单纯用技术性能等级并不能反映出最终的技术成熟度结果，进一步从经济价值和社会环境影响两方面对技术进行更全面的评估，得到最终结果。

4 应用实例

选取电动汽车充放电技术作为研究对象，采用序关系-变异系数组合赋权法，对2012—2014年某地区该项技术成熟度进行评估。

（1）收集基层指标数据。

（2）对电动汽车充放电技术每年发展情况进行技术性能等级评估，结果如表5和表6所示。

从结果中可以看出，电动汽车充放电技术从2012—2013年期间，技术性能有了较大幅度的提升，技术性能等级从第4级提升到了第5级，而且技术性能第5级的3个分项指标的分数均有一定程度的提高，其中，2013—2014年技术性能等级仍为5级，但总分有所提高。

（3）采用序关系-变异系数法求取3个关键指标的权重值。技术性能得分作为一级指标输入。一级指标权重如表7所示。

（4）将技术性能得分归一化后，与技术经济价值、社会与环境影响的底层指标一起输入，并与对应的权重相乘求和，得到该地区电动汽车充放电技术成熟度每年的评估结果，如表8所示。

从评估最终得分可以看出，2012—2014年该地区的电动汽车充电技术在稳步上升。

（5）评估结果分析。

图2所示为某地区2012—2014年电动汽车充电技术评估结果的雷达图。从图中可以看出：

①该地区电动汽车充电技术的发展趋势较为稳定；

②技术性能和技术的经济价值两项指标在此期间得到不断提升，并且提升的幅度较大；而社会与环境影响指标则出现了下降趋势，这源于环境影响由技术特性本身决定，而社会影响则因为越来越多的人开始关注电动汽车的应用，然而现有的技术却并不能满足日益增长的充电需求，使得供需不平衡情况日益加剧。

总体来看，该技术的技术性能和经济价值的评估值较高，可见该技术在这两方面受到了足够的重视。该技术在今后的发展过程中，需要继续加大对社会与环境方面的重视，使得技术的发展能够更加均衡，真正发挥其在智能电网全面建设过程中的重要作用。

（6）不确定性分析。

在搜集指标数据过程中，注意到底层指标的不确定性影响，采用Gram-Charlier级数得到2012年得分在[0.6，0.7]置信区间内的置信度为0.918 3，认为结果可信度较高。

5 结语

本文针对智能电网技术成熟度提出了一套新的综合评估模型。评估指标综合考虑了技术性能、技术的经济价值、技术的社会与环境影响3大方面，针对技术性能基于TRL进行等级评估，当技术性能达到一定等级后进一步对其经济价值以及社会与环境影响进行评估。采用序关系-变异系数法综合赋权避免了单一赋权的片面性，同时分析了底层指标的不确定性对评估结果的影响，给出了评估结果的置信度和置信区间。应用实例表明，本文所提模型可以反映智能电网技术当前的发展状态，通过雷达图直观地实现了优劣分析，结果可为技术的未来发展提供参考。

致谢：

本项目受到国家电网公司总部科技项目《电网资产效率与投入产出效益的实用化分析技术研究及应用》资助，特此致谢！

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TRL-based Technology ReadinessEvaluation on SmartGrid

LIUYanli1，LIXiaojun1，QIWenjin1，ZENGYuan1，HUANGHan2，LIU Lin2
（1.Key Laboratory of SmartGrid ofMinistry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.StateGrid Energy Research Institute，Beijing 102209，China）

The evaluation of technology readiness is of significance for the technology improvementof smartgrid.In this paper，a set of index system and an evaluationmethod related to the technology readiness of smart grid are proposed. Specifically，theevaluation index system isestablished from threeaspects，i.e.，technology performance，economic val⁃ue of technology，aswell as social and environmental influence of technology.By using the ordering relation-coefficient method to combine the effectsof subjectiveweightand objectiveweight comprehensively，the evaluation resultsare ob⁃tained.As for technology performance，its development level is obtained by establishing a technology readiness level（TRL）evaluationmethod innovatively.Moreover，if there is uncertainty in the underlying index，then Gram-Charlier series is introduced to calculate the confidence levelof TRL evaluation results.The resultofan application to the charg⁃ing-discharging ofelectric vehicles can notonly show the readiness of technology development，butalso show its advan⁃tagesand disadvantages，which ishelpful for the determination of the direction of future technology improvement.

technology readiness level（TRL）；evaluation；smartgrid

TM71

A

1003-8930（2017）03-0001-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.03.001

刘艳丽（1958—），女，通讯作者，博士，讲师，研究方向为电力系统安全性和稳定性、电力信息物理系统、智能电网等。Email：yanliliu@tju.edu.cn

2016-09-13；

2016-10-17

国家自然科学基金资助项目（51407126）；天津市应用基础与前沿技术研究计划项目（15JCQNJC07000）

李晓君（1992—），女，硕士研究生，研究方向为智能电网政策评估、电网风险评估。Email：513609859@qq.com

齐文瑾（1989—），女，硕士研究生，研究方向为智能电网政策评估、电网风险评估。Email：787863484@qq.com