基于AHP-熵权法的输变电工程低碳评价体系及方案优选

2024-03-05赵淑媛辛诚陈衡姜雪于泽邦王硕张若辰

广东电力 2024年1期

赵淑媛，辛诚，陈衡，姜雪，于泽邦，王硕，张若辰

(1. 华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京 102206；2. 国网经济技术研究院有限公司，北京 102209；3. 国网辽宁省电力有限公司经济技术研究院，辽宁沈阳 110015)

随着碳达峰、碳中和相关工作的不断推进，新型电力系统建设投资持续增加，低碳经济已成为输变电工程发展的必然趋势[1]。2021年3月1日，国家电网有限公司发布《国家电网有限公司“碳达峰、碳中和”行动方案》，指出要加快构建坚强智能电网，全面实施电网低碳管理，加强电网规划设计、建设运行、运维检修各环节绿色低碳技术研发，实现全过程环境保护。这意味着在未来一段时间，围绕输变电工程全过程建设中各类减碳措施及资源的应用与投入将不断攀升[2]。因此，探究输变电过程中各环节碳减排潜力并对各项碳减排技术进行成本-效益研究十分重要。

对此，部分专家就适用于输变电工程的减碳技术展开研究。包忠强等人通过在规划目标中引入碳排放量因子来量化配电网运行所产生的碳排放，并将新建配电变压器、新建配电馈线与新建分布式风电机组作为待选的方案措施，提出一种新的计及碳减排的多目标配电网扩展规划模型；但并未量化具体减碳技术对于配电网减碳效益的影响程度，且研究对象为中低压配电网，并非电压等级较高的输变电工程[3]。Tao Yuechuan等提出基于碳减排平均成本的数学模型，采用基于碳排放流的方法帮助电转气站选择施工场地和容量，可以更经济有效地达到减排目标；但其方案优选仅涉及施工场地及电站容量的选择，未对站内具体电气设备选型提出建议[4]。Yan Lu等提出一种分解-整合一体化成本预测模型，构建了分解-整合输变电工程成本预测模型，以克服当前成本预测模型的不足，但局限在于并未充分探究输变电工程在环境方面的影响[5]。Chau等运用工程项目全生命周期节能量评价法、工程项目全生命周期碳排放量分析法，评价建筑工程项目对其所在环境的影响，研究成果对于实际工程具有一定的指导作用；研究侧重于通用建筑群体的减碳路径，并未涉及输变电工程相关电气设备等[6]。

诸如上述，尽管大多数研究涉及建筑节能减碳方案以及电网工程碳排放足迹、各环节减碳潜力等，但仍局限于通用建筑碳排放测算以及配电网电气设备减碳节能效益评估，少有将输变电工程作为研究对象，同时探讨其中变电站建筑、电气设备、电力输送线路的综合减碳成本-效益以及各项指标的影响程度。由此可见，当前针对适应于输变电工程的减碳技术成本-效益综合评价体系尚不完善，亟需从工程整体建设的维度构建考虑全寿命周期成本与减碳价值的评估框架和指标体系，支撑输变电工程减碳建设的方案优选。为此，本文从变电站建筑、电气设备、电力输送线路3个方面建立输变电工程减碳技术的评价指标体系，运用层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)与熵权法(entropy weight method，EWM)确定各项指标权重，其后对权重最高的指标进行敏感性分析，进而建立相对完善的指标评价体系，并基于110 kV与220 kV输变电工程案例验证指标体系的可靠性。基于所建立评价体系提出8种输变电工程减碳改造方案，并在典型案例中计算各项方案的成本及效益，最终得出适用于输变电工程的最优减碳方案，为企业投资决策提供理论支撑。

1 减碳技术评价指标体系

1.1 指标体系构建

根据文献调研结果及相关专家所给建议，建立输变电工程成本-效益评价指标体系如图1所示。

图1 输变电工程减碳技术评价指标体系Fig.1 Carbon reduction technology evaluation index system for power transmission and transformation project

图1中：A层为评价体系目标层，表示研究对象；B层为评价体系准则层，表示适用于输变电工程的各项减碳技术；C层为评价体系指标层，表示各项减碳技术对应的主要成本-效益评价指标。

1.2 指标权重计算

1.2.1 AHP

AHP由美国运筹学家、匹兹堡大学教授Saaty于20世纪70年代提出[7]，用于目标问题影响因素的权重分析及方案优选，其计算流程如图2所示[8]。

AHP计算步骤如下：

a)建立层次结构模型。首先将问题主体划分为3个层次——目标层、准则层和方案层。在实际应用中，模型不一定局限于该3个层次，而是可以根据实际情况进行划分，本文设定目标层、准则层及指标层。

b)构建判断矩阵。判断矩阵可邀请多位具备高度专业知识及经验的专家打分，从而定量描述定性问题[9]。判断矩阵C为n×n矩阵，其中n为子目标个数，构造矩阵C来比较不同元素间重要程度的大小，其定义式为

(1)

专家评审有6种方法：单主题专家评审方法、多主题专家评审方法、交叉专家评审方法、Delphi专家评审方法、专家借鉴法、多指标权重法。通过比较6种评估方法的优缺点，并分析本文评估对象的特点和需求，最终选定不受制于个体专家主观因素影响并得到多数认可的Delphi专家评审方法，其操作步骤如下：

①选定评估主题；②选定多名具备相关专业知识及经验的专家；③安排评估时间，要求每位专家对评估对象进行评估，收集评估结果；④向每位专家反馈归集后的评估结果，专家依次完善自己的评估结论；⑤停止反馈，统计结果并做出最终判断。

判断矩阵的确定方法如下：

①定义比较尺度。为了填充判断矩阵的元素，需要定义1个比较尺度，用于量化2个准则或方案之间的相对重要性。一般使用1～9的刻度，例如1表示两者相等重要，3表示前者略微重要于后者，5表示前者中等程度重要于后者，9表示前者极其重要于后者。矩阵中每个元素Aij表示元素i与元素j之间的重要性比较，其值为1～9之间的整数，含义见表1。

表1 级标度法与含义Tab.1 Level scale method and meanings

②完成比较矩阵。根据对比较尺度的理解和判断，填写判断矩阵中的元素，确保对称性即对角线上的元素值为1。

c)计算判断矩阵最大特征值，计算公式如下：

ω=(W1，W2，W3，…，Wn)T.

(2)

式中：λmax为判断矩阵最大特征值；ω为判断矩阵的特征向量；(Cω)i为矩阵Cω中的元素。

d)一致性检验。在完成上述步骤后，需对判断矩阵进行一致性检验，以排除判断矩阵的内部打分矛盾[10]。一致性指标βCI和一致性比例βCR的计算分别见式(3)、式(4)。其中，平均随机一致性指标βRI的取值范围见表2，当βCR<0.1时，认为判断矩阵一致性检验通过。

表2 平均随机一致性指标Tab.2 Average random consistency index

(3)

(4)

1.2.2 EWM

EWM是一种常用的多指标客观决策方法[6]，其基本原理是通过计算各属性的信息熵和信息熵权来确定各属性的重要性，可以在不需要主观判断的情况下，通过数据本身的特征来确定各指标权重[11]。EWM计算步骤[12]如下。

步骤1，计算每个元素的归一化矩阵r，即将每个元素的数据除以该指标下所有数据的和：

(5)

步骤2，计算每个指标的权重向量ωij，即将每个元素的归一化矩阵按列求平均：

(6)

步骤3，对每个指标的归一化矩阵按列求和，然后计算每个元素的信息熵：

(7)

步骤4，计算每个元素的信息熵权重：

(8)

步骤5，计算最终权重向量W，即将每个指标的信息熵权重与其权重向量相乘，并将结果按列求和：

(9)

AHP与EWM各有优劣势，本文通过建立线性组合的方式进行组合权重确定，即使用AHP计算出各项权重之后，采用EWM对指标进行标准化处理及权重修正。组合权重的计算方法如下：

(10)

式中：wi为第i个元素的组合权重；w′i为第i个元素的客观权重；w″i为第i个元素的熵权，i=1，2，3，…，n。

2 输变电工程减碳技术全生命周期成本效益分析

2.1 减碳技术成本分析

2.1.1 被动式建筑

传统建筑主要通过消耗一次能源进行室内环境调节，为人类提供适宜的生活环境。而被动式建筑注重建筑的性能化设计，充分考虑区域气候条件，优化建筑布局、朝向和体形系数，合理组合被动式技术手段来降低建筑物的能量需求，从而达到节能减碳的目的[13]。相比于传统建筑，被动式建筑具有超低能耗、零能耗甚至负能耗的建筑目标，以及高质量的室内环境等特点，在减碳节能方向有着很大的发展潜力[14]。其增量成本由前期增量成本和被动式技术增量成本2部分构成。

CLCC，S=C1+C2=CCO+CCE+CSE+CSW+CSM.

(11)

式(11)中：CLCC，S为被动式建筑全生命周期成本；C1、C2为前期增量成本与技术增量成本；CCO为咨询成本；CCE为认证成本；CSE为节能成本；CSW为节水成本；CSM为节材成本。

2.1.2 低碳节能型建筑材料

输变电工程的建筑材料(如钢筋、水泥、混凝土等)在生产过程中会产生大量碳排放，采用碳捕集技术对碳排放进行捕集是大趋所势[15]。文献[16]以某水泥厂为例，采用化学吸收法燃烧后碳捕集技术，对现有的熟料生产线(日生产量5 000 t)进行改造，其初期投资增量成本核算结果见表3。

表3 初期投资增量成本核算Tab.3 Initial investment incremental costs

2.1.3 节能导线

近几年，我国线缆行业发展迅速，相继出现多种新型导线，有效达到了节能减碳效果[17]。采用节能导线的全寿命周期成本CLCC，L的计算方法如下：

CLCC，L=CLCON+CLO+CLM+CLD.

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

式(12)—(17)中：CLCON为节能型导线的建设成本，万元；CLO为节能型导线的运行成本，万元；CLM为新型导线的维修成本，万元；CLD为导线报废处理成本，万元；u为线路；CLu为每条线路的建设成本；D1为所有线路集合；τmax为最大负荷损耗时间，s；CPE为上网电价，元/kWh；N为寿命周期时间，年；ΔALu为典型日配电网最大负荷时第u条改造线路有功损耗，kW；ΔPu为各线路有功损耗最大值，kW；L为线路长度，m；CL为新型导线的建设成本之和，元；NL为线路寿命周期，年。

2.1.4 新型变压器

变压器作为输配电的重要设备，在输变电工程减碳改造中具有十分重要的作用[18]。随着科技的发展，新型变压器的应用将推进输变电工程更加高效、低碳运行[19]。其全寿命周期成本CLCC，T计算如下：

CLCC，T=CTCON+CTO+CTM+CTD.

(18)

(19)

(20)

(21)

(22)

(1+f)-13+1.2Mm(1+f)-11+1.44Mm×

(1+f)-6+Mmh[(1+f)-7+(1+f)-12]}.

(23)

CTD=-5%CTCON.

(24)

式(18)—(24)中：CTCON为新型配电变压器的建设成本；CTO为新型配电变压器的设备运行成本；CTM为新型配电变压器的设备维修成本；CTD为新型配电变压器的设备报废处理成本；CTf为每台新型变压器的建设成本；D2为所有变压器集和；ΔATC、ΔATF分别为典型日各配电变压器的可变损耗和不变损耗；NT为新型变压器寿命周期；Poi为各配电变压器型号的空载损耗；Pkf为各个配电变压器型号的负载损耗；f为变压器序号；Mm为第1阶段检修维护成本；Mmh为大修的维修成。

2.1.5 新型无功补偿设备

无功补偿设备在电力供电系统中起着提高电网功率因数和供电效率的作用[20]，是电力系统不可或缺的设备。合理选择无功功率补偿装置，可以最大限度地减少网络损耗，提高电网质量，改善供电环境，间接减低输变电线路碳排放[21]。具体计算公式如下：

CLCC，Q=CQCON+CQD.

(25)

(26)

CQD=-5%CQ.

(27)

式(25)—(27)中：CLCC，Q为新型无功补偿设备的全生命周期成本；CQCON为新型无功补偿装置的建设成本；CQD为新型无功补偿装置的报废处理成本；D3为所有新型无功补偿装置设备的集合；CQs为每台新型无功补偿设备的建设成本；CQ为新型无功补偿装置建设成本之和。

2.2 减碳技术效益分析

输变电工程具有特殊性，且很难产生直接的碳减排效果，而是通过提高输电效率或降低线损等间接方式实现碳减排[22]，故根据文献[11]推荐将碳减排效益量化为减碳技术导致的节电量所带来的收益：

(28)

式中ΔE为减碳改造后年节约电量。

3 典型输变电线路案例计算

3.1 各项指标权重确定

为验证输变电工程综合评价指标体系的准确性，并提出适用于输变电工程的减碳技术路线，将某省输变电线路作为典案例进行计算与分析。案例基本参数见表4。

表4 案例基本参数Tab.4 Case basic parameters

邀请相关专家对各项指标初步评分，并查阅相关文献[23]，最终确定表5和表6准则层判断矩阵。基于该判断矩阵，依据前述AHP及EWM计算流程及各项减碳技术成本效益估算方法，计算该110 kV输变电工程的权重。准则层权重结果如图3所示，指标层权重结果如图4所示，表7为110 kV与220 kV案例误差分析结果。

表5 110 kV 准则层判断矩阵Tab.5 Judgement matrix for 110 kV case criterion layer

表6 220 kV 准则层判断矩阵Tab.6 Judgement matrix for 220 kV case criterion layer

表7 110 kV与220 kV案例误差分析Tab.7 Error analysis of 110 kV and 220 kV cases

图3 输变电工程指标评价体系准则层权重Fig.3 Weighting of the criterion layer of the transmission and transformation engineering index evaluation system

图4 输变电工程评价指标体系指标层权重Fig.4 Weighting of the index layer of the transmission and transformation engineering evaluation index system

由图3结果可知：110 kV输变电工程准则层中，各项输变电工程减碳技术所占权重差别较大，其中权重最高的为“新型变压器”技术，占比高达44.97%，“采用节能导线”及“加装新型无功补偿装置”次之，占比20%左右，“被动式建筑”及“使用碳捕集生产工艺的建筑材料”权重最低，均低于10%；由图4结果可见，110 kV输变电工程指标层中，权重最高的3项指标为“变压器负载损耗”“导线型号”“导线电导率”，其中“变压器负载损耗”占比高达21.51%，为所有指标层中权重最高的指标220 kV案例具有相似的变化趋势。

由表7可见指标层与准则层误差均小于10%，在允许范围之内。文献[13]指出电力系统中，配电变压器作为与用户相连最末端的变压器，其统计的损耗约占电力系统损耗的20%左右。同时文献[22]指出，若对500 kVA的变压器进行节能型改造，将S11型替换为S15时，变压器的全寿命周期成本将由156 565元下降到144 602元，下降比例约为7.64%，南方电网1年总计将节约电量7.482亿kWh，折合标煤约9.195万t，相当于减少CO2排放约24.092万t，减少SO2排放约0.177万t，节约电费4.564亿元。此外，文献[20]指出节能导线的型号及输送容量对导线的造价有着重要影响：常规钢芯铝绞线的导线成本为43.81万元/km，电阻损耗为737.51 MWh/km，若将常规钢芯铝绞线更换为外层铝线材料不同的钢芯高导电率铝绞线，导线成本将上升到46.30万元/km，电阻损耗降为717.23 MWh/km；若将常规钢芯铝绞线更换为内层为高强度、高导电率铝合金芯的铝合金芯高导电率铝绞线，导线成本将上升至706.17万元/km，电阻损耗将下降至703.90 MWh/km。

以上结果均表明节能型变压器与节能导线具有良好的减碳效益，同时对于输变电工程的成本及效益影响较大，与依据所建立的评价指标体系计算出的权重结论(“采用新型变压器”占比44.79%，“采用节能导线”占比24.5%)相符合。由此证明本研究所建立的评价指标体系符合客观要求，较为准确。

3.2 敏感性分析

为研究当某项准则层指标发生变化时指标层的变化趋势及程度，引导决策者在更高的层次做出决策，在前述评价体系中对每项准则层指标选取1 000个采样点测试其敏感性。由于篇幅有限，只给出权重较高的“采用新型变压器”及“采用节能导线”技术测试结果，结果如图5、图6所示。

图5 采用新型变压器权重敏感性分析Fig.5 Sensitivity analysis of new transformer weighting

图6 采用节能导线权重敏感性分析Fig.6 Sensitivity analysis of energy-saving conductor weighting

由图5及图6可知：当“采用新型变压器”技术权重上升时，仅线路功率因素、导线输送容量及导线型号的权重会有所上升，其余指标层指标权重均呈现出不同程度的下降趋势；这表明在输变电工程减碳改造时，越重视新型变压器的改进，则线路功率因素、导线输送容量、导线型号的优势也会越大。当“采用节能导线”权重上升时，仅线路功率因素、输送容量、导线型号、弧垂特性权重会有所上升，其余指标层指标权重均呈现出不同程度的下降趋势；这表明在输变电工程减碳改造时，越重视节能导线的改造，那么该4项指标的重要性也会越显著。此外，图中直线的斜率表示各项指标权重随着“采用新型变压器”或“采用节能导线”技术权重变化而变化的快慢，图中任意2条直线的交点表示其所代表指标权重相对大小发生改变的拐点，如变压器负载损耗与导线型号的交点表示，在该点之前，导线型号的重要性大于变压器负载损耗，在该点后，变压器负载损耗的重要性大于导线型号，这对于合理选择各项指标权重有十分重要的意义。

3.3 减碳方案优选

为了给输变电工程减碳改造提供更多实用性建议，基于上述评价指标体系，提出3种输变电工程减碳改造备选方案，方案选择依据准则层单排序结果。结果显示：5种减碳技术中，权重最高的3项技术依次为“新型变压器”技术、“节能导线”及“加装新型无功补偿装置”，即变压器型号、导线型号和无功补偿装置的选取对减碳成本及效益有着重要影响。故选取2种不同型号的节能导线和2种不同型号的变压器以及2种无功补偿装置，排列组合为8种备选方案(见表8)，其中2种导线的单价见表4。依据前述各项减碳技术成本-效益核算方法对该8种方案进行现金流与净现值计算，并结合计算结果对方案逐一评分，结果如图7与图8所示。