智能电网综合建设工程贡献度分析模型研究

杨定立，聂明谏，秦 超

(1.国网陕西省电力公司，西安710048；2.华北电力大学，经济与管理学院，北京102206)

0 引 言

由于智能电网建设有可能带来巨大的经济和社会效益，包括中国在内的许多国家目前已将智能电网作为未来电力系统的重点发展目标之一，并积极推进相关的技术革新和管理转变[1,2]。智能电网综合建设工程是指适应经济开发区、工业区、科技城、生态园区、智能家居/社区等不同类型城市局部区域建设要求，由政府、电力公司、社会力量共同参与，以电网灵活可控、高可靠性供电、优质电力园区、绿色清洁能源、双向互动用电等为主题，涉及电网多个领域的综合性智能电网工程。智能电网综合建设工程直接面向社会、面向政府、面向用户，与区域经济社会发展有机融合。智能电网综合建设工程展现智能电网建设成果及效益，是社会各界感知和体验智能电网建设成果的有效途径。

智能电网建设需要大量资金，建设周期长且技术难度高[3]。近年来，国内外已有一些组织和学者从不同角度对智能电网建设和发展能够带来的效益做了分析[4-9]。随着智能电网全面建设工作的推进，智能电网综合建设工程将在较大范围内开展实施。电网企业迫切需要对其建设和运营经验进行总结，分析各个子工程的效益和贡献情况，从而促进智能电网综合建设工程进一步降低成本，加强技术投入，提升整体运行效益，为后续工程的方案设计和子工程的设置等提供参考。文献[10-14]对智能电网评价指标体系做出了研究，文献[15-18]给出了智能电网评价的方法和模型。然而这些指标体系和评价模型都难以适用于智能电网综合建设工程的评价，不能给出各个子工程的效益和贡献情况。

综上所述，本文提出科学、规范、合理的智能电网综合建设工程的贡献度分析模型，分析评价结果可用于指导减少项目实施的盲目性和避免投资浪费，实现综合项目的整体效能的最大化和最优化，有效地服务于区域战略目标，服务于经济和社会发展的要求，促进电网与社会的和谐发展。

1 综合建设工程的基本构架

智能电网综合建设工程在各经济开发区、工业园区、科技城、生态园区等区域内通过整体方案设计，可以为用户提供更加方便快捷、环保、智能的生活方式，形成用清洁能源发电、配电自动化、系统信息采集、电动汽车充电桩、智能家居智能电网技术系统。典型的智能电网综合建设工程主要包含的各系统如图1所示。

图1 典型智能电网综合建设工程系统构架示意图Fig.1 The system architecture of a typical construction project for smart grid

智能电网综合建设工程建成后对电力系统的生产与运行、用户智能用电与节能以及环保减排等多个方面都会产生积极影响。典型智能电网综合建设工程产生的经济社会环境效益及子工程的设置如图2所示。

图2 智能电网综合建设工程的综合社会效益及子工程设置Fig.2 Social comprehensive benefits and subprojects of the smart grid integrated construction project

总的来说，智能电网综合建设工程建成后将在绿色环保、服务民生、开放互动、商业模式、安全可靠、运营/运行效率方面产生显著效益。

2 贡献度分析的总体思路

本节提出建立智能电网综合建设工程的贡献度模型的研究思路。贡献度模型需要解决两个问题，一是研究实施智能电网综合建设工程后，可以产生哪些具体效益，二是明确子工程对这些指标的具体能“贡献”多少效益，贡献度的定义和计算方法。

(1)建立通用指标体系。智能电网综合建设工程效益通用指标是一个复杂系统，需要由经济、技术、社会、环境多个方面具有联系和区别的多项指标按照一定的结构层次组合在一起构成指标体系。根据智能电网综合建设工程本身的特点以及综合工程所产生的经济、技术、社会、环境等方面的影响特点，提出智能电网综合建设工程贡献度基本原则，在该基本原则的前提下，进一步细化并明确具体指标。由于智能电网综合建设工程贡献度是新的概念，而且智能电网技术也在不断创新发展，所以指标体系在建立后还应当根据实际情况不断健全完善。

(2)确定各层指标之间的权重。由于不同类型的智能电网综合建设工程，其服务侧重点不一致，因此在评价时的重点也应有所区别，这种区别体现在确定指标权重时，相同的指标，在不同类型的综合工程中，其分配得到的权重不同。由于智能电网综合建设工程贡献度模型及通用指标体系尚没有成熟的理论研究成果，既缺少足够的历史数据，又不能简单直接给出指标间相对重要程度，所以常见的一些用来确定指标权重的方法如主成分分析、因子分析、层次分析法等模型不再适用。可采用区间数-可能度矩阵方法确定指标权重。区间数-可能度矩阵方法将指标间相对重要程度用区间数来表示，利用可能度矩阵计算得出权重，不需要依赖于历史数据，增强了实际应用中的可信度。

(3)由于经济开发区、工业区、科技城、生态园区、智能家居/社区等不同类型的智能电网综合工程需求不同，所实施的子工程也不尽相同。例如甲工程有3个子工程，乙工程有4个子工程。所以需要设立一个子工程备选库，形成统一的辨识和筛选标准。研究某特定综合工程的子工程贡献度时，直接从该备选库中选取子工程。

(4)为定义“贡献度”概念，首先定义子工程直接贡献值。直接贡献值即实施子工程之前与实施该子工程之后的某项效益指标的差值。则子工程对单项指标贡献度定义为该项子工程对单项指标直接贡献值占全部子工程对该单项指标直接贡献值的比例。

解决了贡献度模型的两个关键问题后，将子工程对单项指标贡献度与指标权重做向量乘积(加权求和)，即求得子工程对综合工程贡献度。

3 贡献度分析的指标体系

本文根据智能电网综合建设工程本身的特点以及综合工程所产生的经济、技术、社会、环境等方面的影响特点，基于全面性、科学性、可操作性、系统性、动态性和开放性等原则，建立绿色环保、服务民生、开放互动、商业模式、安全可靠、运营/运行效率6大方面贡献度指标体系。指标体系总的分类和依据如表1所示。

细化指标体系如表2所示。

4 贡献度分析的计算模型

智能电网技术贯穿于整个电能生产、传输和使用全过程，智能电网综合建设工程涉及清洁能源发电、智能输变电设备、通信网络、智能电表及其他监测设备、电动汽车充电桩等多个体系。为便于分析和计算，将综合建设工程划分为子工程1(清洁能源发电)，子工程2(智能输变电工程)，子工程3(通信工程)，子工程4(智能电表及监测设备工程)，子工程5(电动汽车相关工程)。

表1 贡献度指标体系的分类和依据Tab.1 Classification and basis of contribution degree index system

表2 贡献度细化指标体系Tab.2 Detailed contribution degree index system

每个子工程的建设目标和侧重点都有所不同。其中，子工程1的主要目标是促进可再生能源发电的发展和节能减排；子工程2主要在于提高电能输送效率，减少线路和设备损失电量；子工程3，子工程4则在保证优质可靠电力供应的前提下降低用电成本，同时也实现了开放互动，促进需求侧响应，达到节约能源，改善负荷曲线的目的。子工程5在节能减排、服务民生方面有显著效益。

由于各个子工程的建设目标和侧重点有所不同，子工程对智能电网建设综合工程的各指标效益贡献有所不同。各个子工程对各指标效益贡献如何计量如何区分，子工程对各单项指标的“贡献度”如何定义，成为研究智能电网建设综合工程贡献度模型的关键问题。

本文提出各个子工程对各指标效益直接贡献值的定义及计算方法，直接贡献值即实施该子工程之前与实施该子工程之后的直接效益差值。贡献度定义为该项子工程对单项指标直接贡献值占全部子项目对该单项指标贡献值的比例。

4.1 模型建立

根据上述研究思路，提出智能电网综合建设工程贡献度模型如图3所示。

图3 智能电网综合建设工程贡献度模型Fig.3 Contibution degree model of the smart grid integrated construction project 注：εi为评价智能电网综合工程的一级指标；αi为一级指标εi分得的权重；ε(i,j)为一级指标εi下的属性指标；α(i,j)为属性指标ε(i,j)分得的权重；βk(i,j)子工程k对属性指标ε(i,j)的贡献度

4.2 方法步骤

4.2.1利用区间数-可能度矩阵法计算各级指标权重

(1)建立区间数互补判断矩阵。根据指标划分，专家采用九标度法对指标两两比较，建立区间数互补判断矩阵Q：

Q=(qij)n×n

(1)

qij=[q-ij,q+ij],q-ij+q+ij=q-ji+q+ij=1,i,j∈n

(2)求解区间数权重向量。计算互补判断矩阵Q的行和，并做归一化处理，得到区间数权重向量。

w=(w1,w2,w3,…,wn)T

(2)

利用可能度公式对权重向量两两比较，建立可能度矩阵P：

P=(pij)n×n

(4)

其中L(a)=a+-a-，L(b)=b+-b-。

(3)将可能度矩阵P行和归一化，便可得到权重向量。

w=(w1,w2,w3,…,wn)T

(6)

4.2.2计算各子工程对二级指标的贡献度

子工程对各个指标的直接贡献值表征含义差异很大，计量单位不相同，贡献度的定义则很好地解决了直接贡献值不同表征含义和不同单位的归一化问题。贡献度为比例数，无单位，各子工程对同一指标的贡献度和为1。

4.2.3求解子工程k对综合工程的贡献度

子工程k对综合工程的贡献度为：

(7)

5 算例分析

以郑州高新技术开发区智能电网综合建设工程原始测评数据，结合专家对本工程的评估意见，由区间数-可能度矩阵方法计算得到各指标权重如表3等所示。

表3 各指标权重Tab.3 Every index weight

根据历史统计数据、专家评估数据、调查问卷等计算得到各子工程对于各二级指标贡献度。将各二级指标贡献度与单项指标做矩阵乘积，可得各子工程对各一级指标贡献度，如表4所示。

表4 子工程对一级指标贡献度Tab.4 Contribution degree of sub-projects to first grade indexes

以表4中数据与各一级指标做矩阵乘积，得各子工程对综合工程贡献度，如表5所示。

表5 子工程对综合工程贡献度Tab.5 Contribution degree of sub-projects to the comprehensive project

由表5可得子工程2，子工程3，子工程4对智能电网综合工程贡献度大，其中子工程4贡献度最大，子工程2贡献度次之，并与工程4贡献度非常接近，说明智能电表及监测设备工程和智能输变电工程是智能电网中的核心工程，一方面说明实施智能电表及监测设备工程和智能输变电工程可以获得较高的经济社会价值，另一方面也说明应继续高度重视智能输变电系统的科技研发，资金投入和建设质量，才能确保智能电网综合建设工程发挥出应有的整体效益。子工程1和子工程5对智能电网综合工程贡献度较小，以电动汽车工程为最弱。这符合当前电动汽车使用量少，发展缓慢的现实背景。应继续关注电动汽车发展情况，当电动汽车进入快速发展的阶段后，智能电网综合工程应加大对电动汽车工程的投入。

6 结 语

本文提出智能电网综合建设工程效益通用指标体系，提出各子工程对通用指标体系中底层指标的直接贡献值和贡献度定义及其计算方法，设计出子工程对整个建设工程的综合贡献度模型，算例结果表明模型科学有效。模型结果表明智能电表及监测设备工程和智能输变电工程对智能电网综合建设工程至关重要，需要高度重视，同时应继续关注电动汽车发展情况，当电动汽车进入快速发展的阶段后，智能电网综合工程应加大对电动汽车工程的投入。本文设计的贡献度模型可以每半年测算一次，以贡献度动态趋势反映智能电网发展中的变化情况。子工程对单项指标的直接贡献值的计算方法和原始数据取数途径需要进一步细化研究并规范。

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