基于层次分析与灰色模糊综合评价的多能互补工程项目综合效益评估

夏 翔， 方建亮， 谢颖捷， 应雨龙， 李靖超， 蔡张花

(1. 国网浙江省电力有限公司 发展策划部， 浙江 杭州 310007； 2. 上海电力大学 能源与机械工程学院， 上海 200090； 3. 上海电机学院 电子信息学院， 上海 201306； 4. 浙江华云信息科技有限公司， 浙江 杭州 310052)

随着经济的快速发展，我国长期以来以煤、石油、天然气等化石能源为主的能源“产 -输 -配 -供 -消”体系使得温室气体、NOx排放、雾霾等环境问题日益严重，因此，建设集成高比例清洁能源与可再生能源(如风能和太阳能)的新一代电力系统已成为我国乃至世界各国的普遍发展要求。党的十九大报告中指出，中国能源战略目标为推动能源产消革命，构建安全、高效、清洁、低碳的能源体系，并将开展多能互补集成优化工程作为我国《能源发展“十三五”规划》的主要任务。在政府和社会资本合作(PPP)模式和新电改条件下，区域能源互联网落地阶段的主要任务是建设新一代电力系统与开展多能互补基础上的综合能源服务[1]。

随着能源综合服务体制新业态的发展，以及分布式发电技术、能源互联网技术与能源系统管控技术的成熟，基于多能互补工程的综合能源服务已在世界各国迅速开展，并成为战略竞争与合作的新焦点。国内外许多研究机构、能源企业也已经开展了相关的课题研究、项目探索与商业实践，如国内的上海迪士尼度假区示范工程[2]、北京延庆县示范工程[3]、上海崇明岛示范工程[4]等，再如国外的欧盟智能互联的分布式能源社区(E-DeMa)项目、欧盟网元互联的智能电网(ELECTRA)示范项目[5-6]、德国朗根费尔德示范工程、日本柏叶智慧城市[7]、英国曼彻斯特示范工程[8-9]、加拿大耶洛奈夫镇示范项目[10]等。通过多能互补工程，可以充分利用清洁能源与可再生能源，是构建综合能源服务系统[11]的物理基础，对于提高可再生能源比例和能源综合利用效率具有重要意义[12]。

当前亟待提出一种适于多能互补工程项目投资决策的通用性、 综合性评估方法， 以指导综合能源服务企业进行合理科学投资与资产运营， 为开展多能互补示范工程项目投资决策提供理论依据。 本文中基于层次分析法(AHP)与灰色模糊综合评价(GFCE)， 提出多能互补工程项目综合效益评价理论体系， 以用于全面、 多层次评价多能互补工程项目综合效益。

1 评估原则

多能互补工程项目综合效益评估指标体系的建立应遵循如下原则[11]： 1)全面性原则，即评估指标应包含所有对多能互补工程项目综合效益有重要影响的因素，如经济、技术、社会与环境因素； 2)公平性原则； 3)简单性原则，即选取诸多影响因素中最具代表性的指标； 4)可靠性原则，即确保所选取的指标信息来源有效、可靠； 5)重要性原则； 6)可操作性原则，即选取的指标尽量易于量化； 7)灵活性原则，即相近意义的指标可以相互替代； 8)可持续性与和谐性原则，即多能互补工程项目需要将经济、技术、社会与环境效益有机结合。

2 评估指标体系

建立多能互补工程项目综合评估指标体系的主要目标是项目具有优良的经济效益，其次是项目具有显著的技术、社会与环境效益，以全面涵盖多能互补工程项目的综合效益。

2.1 经济效益评估指标体系

多能互补工程项目将来能否盈利及盈利水平的高低是投资决策的根本依据，其经济效益评估指标为盈利能力(如财务净现值、财务内部收益率等)与经营状况(如偿债能力和运营能力)，这些也是项目能否正常进行的前提条件。

2.1.1 项目盈利能力指标

按照行业规定的基准折现率或其他折现率，将全单位整个项目周期内一年中发生的现金净流入与现金净流出之和结算到项目建设初期，即项目净现金流现值之总和，称为财务净现值，计算公式为

(1)

式中FNPV为财务净现值；Cin为现金净流入量；Cout为现金净流出量； (Cin-Cout)t为第t(t=0,1,2，…，T)年中的净现金流量；i0为基准内部收益率。 当FNPV>0时， 项目会盈利， 方案可行； 当FNPV=0时， 项目不会盈利，方案应进行调整。

财务内部收益率是在多能互补工程项目建设初期及运营期内单位年度净现金流量值之和为0时的折现率，也称为预期收益率[13]。当财务内部收益率高于实际收益率时，项目将会亏损，方案不可行。计算公式为

(2)

式中FIRR为财务内部收益率。

2.1.2 项目偿债能力指标

多能互补工程项目的偿债能力可以用项目周期内现金等流动资产的流动比率和资产负债率来体现。流动比率越高，表示项目投资回收越有保障，但是流动比率过高，则表明项目中流动资产的利用效率较低。资产负债率是指负债总额与资产总额的比值，用于衡量项目中清偿总负债的能力，资产负债率越高，则表示项目财务稳定性越差。

2.1.3 项目运营能力指标

多能互补工程项目盈利的速度(总资产周转率和流动资产周转率)可以量化为项目运营能力，即项目通过自身资源产生新财富的效率。项目运营能力越强，则能在越短的时间内产生越多的产品或越高的利润。

综上所述，多能互补工程项目的经济效益评估指标体系选取9个具体指标，如表1所示。

表1 多能互补工程项目经济效益评估指标体系

2.2 技术效益评估指标体系

多能互补工程项目的技术效益评估指标主要体现在系统综合能效，而系统综合能效主要考虑地区应用场景及本地可再生能源利用率等方面，这些都对项目经济性有巨大影响。

2.2.1 应用场景及其评价指标

多能互补工程项目的综合能效水平取决于应用场景，特别是由当地可再生能源资源条件和冷热电需求结构特征决定。在现有技术中，对冷热需求和固定电力需求之间的比率越大，系统可以实现的整体能效值越高。原因是冷热量为低品位的能源，当利用热泵、燃气锅炉等产生冷热时，使用高品位的电力和天然气资源具有高能量效率。

2.2.2 多能互补工程设备系统性能及其评价指标

多能互补工程设备系统性能技术指标包括设备技术可靠性、多能源互补设计形式、设备运行维护水平等。

综上所述，多能互补工程项目技术效益评价指标如表2所示。

表2 多能互补工程项目技术效益评价指标体系

2.3 社会效益评估指标体系

多能互补工程项目的建设发展， 不仅可以促进国内生产总值(GDP)增长， 而且可以带动就业和民众生活质量提高， 从而提高民众支持率， 取得良好的社会效益， 因此， 多能互补工程项目社会效益评价指标如表3所示。

表3 多能互补工程项目社会效益评价指标体系

2.4 环境效益评估指标体系

用于多能互补工程项目环境效益评估的指标通常难以量化， 但是从经济学角度看， 环境效益指标的量化通常由国家(地区)乃至世界的政策决定， 多能互补工程项目具有显著的环保优势， 并且从更深远的角度， 综合能源服务企业也应把维护环境作为自身的义务和责任， 因此， 选取6个具体指标作为多能互补工程项目的环境效益评估指标体系， 如表4所示。

表4 多能互补工程项目环境效益评估指标

3 基于AHP与GFCE的综合效益评估

通过选取评价指标、关键影响因素判定、评测权重设置等，结合AHP、GFCE等综合评价法，建立科学、合理的多能互补工程项目综合效益评价理论体系，用于全面评价多能互补工程项目的综合效益，对项目的整体评估、投资决策具有重要的理论意义和实践价值。综合效益评估模型如图1所示。

图1 基于层次分析法(AHP)与灰色模糊综合评价法(GFCE)的多能互补工程项目综合效益评估模型

具体计算步骤如下。

1)确定用于多能互补工程项目综合效益评估的指标集U={u1,u2,…,un}。第1级指标集为准则层指标，共有4个1级指标，即经济、技术、社会和环境效益。第2级指标集为中间层指标，共有9个2级指标；第3级指标集为底层指标，共有 29个3级指标。

2)确定指标评语集V={v1,v2,…,vm}。

3)开展单指标评估，构建各指标的隶属度向量(ri1,ri2,…,rim)，进而建立指标集的隶属度矩阵

(3)

对于各定性指标，一般采用专家打分法得到对应评语集的隶属度向量；对于各定量指标，对应评语集的隶属度向量根据灰色关联算法[14-16]来求解。设对应评语集V的评估等级标准为γ={γ1,γ2,…,γm}，设γj和γj+1为相邻的2级标准，且γj+1>γj，则隶属度向量通过灰色关联算法求解如下。

对于ρ∈(0,1)，

(4)

(5)

式中：ρ为分辨系数，一般取为0.5；ζij为ui与γj的灰色关联系数或灰色关联度；rij为第i个指标对应第j个评语的隶属度。

4)确定评估指标集的权重向量。

基于AHP，评估指标集的权重向量可由如下4个基本步骤确定。

①设定目标与评估指标集U。

②构造判断矩阵P。假设ui为某评估指标，ui∈U(i=1,2,…,n)，令ui与uj(j=1,2,…,n)的相对重要性变化，当ui与uj比较，ui与uj同等重要时，取uij=1；当ui比uj稍微重要时，取uij=3；当ui比uj明显重要时，取uij=5；当ui比uj强烈重要时，取uij=7；当ui比uj极强重要时，取uij=9。其中2、 4、 6、 8为上述相邻判断(1～3, 3～5, 5～7, 7～9)的中间值，且uji=1/uij。

由此，可以得到判断矩阵P为

(6)

③通过判断矩阵P计算指标集的权重向量。将判断矩阵P的每一列归一化，即

(7)

将归一化后的判断矩阵每一行求和，得每一行求和值Mi为

(8)

则指标集的各个指标的权重ωi为

(9)

④一致性检验。检验判断矩阵P的一致性，即权重分配是否合理的公式为

(10)

式中：Ici为判断矩阵P的通用一致性指标；Icr为判断矩阵P的随机一致性比率；Iri为判断矩阵P的平均随机一致性指标；λmax为判断矩阵P的最大特征值。对于1～11阶判断矩阵P，Iri的值如表5所示。

表5 判断矩阵P的平均随机一致性指标Iri

当Icr<0.10时，表明判断矩阵P满足一致性要求，即权重分配是合理的；反之，则需调整判断矩阵P，直至符合一致性要求。

5)计算模糊综合评估(模糊综合隶属度)向量

B=ω∘R=(ω1,ω2,…,ωn) ∘

(11)

式中∘ 为模糊合成算子。

6)按照隶属度最大原则，进行综合判断或计算综合评估值。

4 应用与分析

以某分布式光伏发电项目为例，技术效益指标主要体现于项目场址选择和设备性能。在场址选择时，太阳辐射资源的评估指标可选取太阳总辐射量和日照时间；设备性能的评估指标可选取太阳能阵列布置形式、设备运维状况、设备技术可靠性。该项目技术效益评估指标如表6所示。

表6 某分布式光伏发电项目技术效益评估指标体系

对于该项目综合效益目标层，基于AHP，可得4个准则层指标的权重，如表7所示。

对于该项目经济效益准则层，基于AHP，可得3个中间层指标的权重，如表8所示。

表7 目标层中4个准则层指标的权重

表8 经济效益准则层中3个中间层指标的权重

同理，基于AHP，可得该项目技术效益准则层中2个中间层指标的权重，如表9所示，社会效益准则层中2个中间层指标的权重如表10所示，环境效益准则层中2个中间层指标的权重如表11所示。

表9 技术效益准则层中2个中间层指标的权重

表10 社会效益准则层中2个中间层指标的权重

表11 环境效益准则层中2个中间层指标的权重

对于盈利能力中间层，基于AHP，可得5个底层指标的权重，如表12所示。 同理， 基于AHP， 可得该项目偿债能力中间层中2个底层指标的权重， 如表13所示， 运营能力中间层中2个底层指标的权重如表14所示， 场址选择中间层中6个底层指标的权重如表15所示， 设备性能中间层中3个底层指标的权重如表16所示， 推动区域经济发展中间层中2个底层指标的权重如表17所示， 提高人民福利中间层中3个底层指标的权重如表18所示， 改善环境中间层中4个底层指标的权重如表19所示， 能源资源可持续中间层中2个底层指标的权重如表20所示。

表12 盈利能力中间层中5个底层指标的权重

表13 偿债能力中间层中2个底层指标的权重

表14 运营能力中间层中2个底层指标的权重

表15 场址选择中间层中6个底层指标的权重

表16 设备性能中间层中3个底层指标的权重

表17 推动区域经济发展中间层中2个底层指标的权重

表18 提高人民福利中间层中3个底层指标的权重

表19 改善环境中间层中4个底层指标的权重

表20 能源资源可持续中间层中2个底层指标的权重

由表7—20可知，该项目目标层、各个准则层及各中间层的判断矩阵一致性比例均小于0.1，通过一致性检验。

由此可得，综合效益目标层的指标权重向量为

ωa1—a4=(0.569 4, 0.254 6, 0.066 0, 0.110 0)，

经济效益准则层的指标权重向量为

ωb1—b3=(0.647 9, 0.229 9, 0.122 2)，

技术效益准则层的指标权重向量为

ωb4—b5=(0.750 0, 0.250 0)，

社会效益准则层的指标权重向量为

ωb6—b7=(0.750 0, 0.250 0)，

环境效益准则层的指标权重向量为

ωb8—b9=(0.800 0, 0.200 0)，

盈利能力中间层的指标权重向量为

ωc1—c5=(0.442 1, 0.100 1, 0.051 6,

0.208 4, 0.197 9)，

偿债能力中间层的指标权重向量为

ωc6—c7=(0.833 3, 0.166 7)，

运营能力中间层的指标权重向量为

ωc8—c9=(0.800 0, 0.200 0)，

场址选择中间层的指标权重向量为

ωc10—c15=(0.340 5, 0.225 4, 0.215 3,

0.102 6, 0.038 6, 0.077 6)，

设备性能中间层的指标权重向量为

ωc16—c18=(0.221 3, 0.093 4, 0.685 3)，

推动区域经济发展中间层的指标权重向量为

ωc19—c20=(0.200 0, 0.800 0)，

提高人民福利中间层的指标权重向量为

ωc21—c23=(0.109 6, 0.581 3, 0.309 2)，

改善环境中间层的指标权重向量为

ωc24—c27=(0.553 4, 0.117 9, 0.268 7, 0.059 9)，

能源资源可持续中间层的指标权重向量为

ωc28—c29=(0.200 0, 0.800 0)。

该项目综合效益的评估指标共有29个，其中定量指标个数为12，定性指标个数为17。

对于各定性指标，采用专家打分法得到对应评语集优、良、中的隶属度向量；对于各定量指标，对应评语集优、良、中的隶属度向量则根据式(4)、 (5)所示的灰色关联算法来求解，进而建立各层指标集的隶属度矩阵。

1)经济效益准则层的灰色模糊综合评估。盈利能力中间层指标集的隶属度矩阵为

则该项目盈利能力的灰色模糊综合评估向量为

Bb1=ωc1—c5∘Rc1—c5=(0.505 5, 0.426 7, 0.067 9)，

按照隶属度最大原则作出综合判断，该项目盈利能力评估等级为优。

偿债能力中间层指标集的隶属度矩阵为

则该项目偿债能力的灰色模糊综合评估向量为

Bb2=ωc6—c7∘Rc6—c7=(0.496 7, 0.400 0, 0.103 3)，

按照隶属度最大原则作出综合判断，该项目偿债能力评估等级为优。

运营能力中间层指标集的隶属度矩阵为

则该项目运营能力的灰色模糊综合评估向量为

Bb3=ωc8—c9∘Rc8—c9=(0.620 0, 0.300 0, 0.080 0)，

按照隶属度最大原则作出综合判断，该项目运营能力评估等级为优。

经济效益准则层指标集的隶属度矩阵为

则该项目经济效益的灰色模糊综合评估向量为

Ba1=ωb1—b3∘Rb1—b3=(0.517 5, 0.405 1, 0.077 5)，

按照隶属度最大原则作出综合判断，该项目经济效益评估等级为优。

2)技术效益准则层的灰色模糊综合评估。场址选择中间层指标集的隶属度矩阵为

则该项目场址选择的灰色模糊综合评估向量为

Bb4=ωc10—c15∘Rc10—c15=(0.328 8, 0.418 4, 0.252 7)，

按照隶属度最大原则作出综合判断，该项目场址选择评估等级为良。

设备性能中间层指标集的隶属度矩阵为

则该项目设备性能的灰色模糊综合评估向量为

Bb5=ωc16—c18∘Rc16—c18=(0.626 6, 0.339 4, 0.034 1)，

按照隶属度最大原则作出综合判断，该项目设备性能评估等级为优。

技术效益准则层指标集的隶属度矩阵为

则该项目技术效益的灰色模糊综合评估向量为

Ba2=ωb4—b5∘Rb4—b5=(0.403 3, 0.398 6, 0.198 1)，

按照隶属度最大原则作出综合判断，该项目技术效益评估等级为优。

3)社会效益准则层的灰色模糊综合评估。推动区域经济发展中间层指标集的隶属度矩阵为

则该项目推动区域经济发展的灰色模糊综合评估向量为

Bb6=ωc19—c20∘Rc19—c20=(0.718 0, 0.234 0, 0.048 0)，

按照隶属度最大原则作出综合判断，该项目推动区域经济发展评估等级为优。

提高人民福利中间层指标集的隶属度矩阵为

则该项目提高人民福利的灰色模糊综合评估向量为

Bb7=ωc21—c23∘Rc21—c23=(0.293 6, 0.578 6, 0.127 9)，

按照隶属度最大原则作出综合判断，该项目提高人民福利评估等级为良。

社会效益准则层指标集的隶属度矩阵为

则该项目社会效益的灰色模糊综合评估向量为

Ba5=ωb6—b7∘Rb6—b7=(0.611 9, 0.320 2, 0.068 0)，

按照隶属度最大原则作出综合判断，该项目社会效益评估等级为优。

4)环境效益准则层的灰色模糊综合评估。改善环境中间层指标集的隶属度矩阵为

则该项目改善环境的灰色模糊综合评估向量为

Bb8=ωc24—c27∘Rc24—c27=(0.737 6, 0.214 1, 0.048 2)，

按照隶属度最大原则作出综合判断，该项目改善环境评估等级为优。

能源资源可持续中间层指标集的隶属度矩阵为

则该项目能源资源可持续的灰色模糊综合评估向量为

Bb9=ωc28—c29∘Rc28—c29=(0.630 0, 0.264 0, 0.106 0),

按照隶属度最大原则作出综合判断，该项目能源资源可持续评估等级为优。

环境效益准则层指标集的隶属度矩阵为

则该项目环境效益的灰色模糊综合评估向量为

Ba4=ωb8—b9∘Rb8—b9=(0.716 1, 0.224 1, 0.059 8),

按照隶属度最大原则作出综合判断，该项目环境效益评估等级为优。

5)综合效益目标层的灰色模糊综合评估。综合效益目标层指标集的隶属度矩阵为

则该项目综合效益的灰色模糊综合评估向量为

BA=ωa1—a4∘Ra1—a4=(0.516 5, 0.377 9, 0.105 6),

按照隶属度最大原则，作出综合判断为该项目综合效益评估等级为优，方案可行。

5 结语

本文中基于AHP与GFCE，通过选取评价指标、关键影响因素判定、评测权重设置等，建立了一套科学合理的多能互补工程项目综合效益评价理论体系，用于全面评价多能互补工程项目的综合效益，形成了多能互补工程投资决策的一般性评估方法，对项目的整体评估、投资决策具有重要的理论意义和实践价值，为综合能源服务企业开展多能互补工程项目投资提供理论支撑和决策依据。