基于AHP-DEA灰色關聯的分布式能源系統評價研究

李存斌 陽佳穎

摘 要：針對分布式能源系統綜合評價的多準則性和復雜性以及層次分析法（AHP）的主觀性強和數據包絡法（DEA）不考慮決策者主觀偏好的缺陷，提出了一種綜合AHP和DEA的評價方法，并融合灰色關聯度，建立起分布式能源系統的綜合評價體系。結合實際的系統規劃問題運用該模型進行求解分析，分析結果表明光伏系統運行成本低、環境效益好，因此評價結果最優。同時，該評價結果還與集對分析評價法、熵值評價法下得出的結論進行了比較，比較結果的一致性表明，該評價方法具備可行性。

關鍵詞：分布式能源系統;層次分析法（AHP）;數據包括法（DEA）;評價;灰色關聯

中圖分類號：TB 文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.26.110

0 引言

社會經濟的發展離不開能源的支持，但是我國大量的能源消耗依賴于煤炭等化石燃料，這就帶來了嚴重的環境污染問題。在經濟發展和環境保護的雙重壓力下，分布式能源系統應運而生、逐步發展，并在能源革命中扮演中重要的角色。分布式能源系統更加側重需求側，強調要根據用戶的用電、熱、冷、氣等需求，在用戶側進行安裝的多能系統。分布式能源系統大大革新了傳統的供能方式，綜合電、熱、冷等多種能量，提高了能源的利用效率，同時還具有環保、可靠性高、靈活性強的優點。

目前關于分布式能源系統的研究多集中在系統的設計和運行優化、系統的方案設計、系統的可靠性、靈活性等特性的分析以及對系統的評價。分布式能源系統的內部結構復雜，涉及多種能量之間的耦合和轉換，其評價也將是一個多準則、多指標的問題。一次能源利用率指標多為評價多聯產系統。Thomas等討論不同能源矢量（如電廠的電，鍋爐的熱，電制冷機的冷）和熱電廠的一次能源利用率，并利用這些指標評估冷熱電聯產系統（CCHP）的潛在節能性。Ehyaei就歐洲各國熱電聯產系統（CHP）的能效評價指標和準則做出了分析。但是顯然，單個能效指標很難對分布式能源系統做出評價。Hongbo Ren 對日本的分布式住宅能源系統的經濟（投資費用和運行費用）、能效（一次能源節約率）以及環境（CO2年排放量）多個方面展開了分析，綜合運用層次分析法和多屬性決策方法對分布式能源系統進行了評價。陳等針對區域內綜合能源系統的能源環節、裝置環節、配電網環節和用戶環節建立了多項評估指標，并采用網絡分析法（ANP）—反熵權等方法來確定指標的權重以及評價函數。董等針對分布式能源系統的經濟、能耗、環境因素構建了多屬性集對分析模型，對比評價了多個分布式能源系統。同樣，張等利用信息熵的原理就系統的經濟、能耗、環境因素對不同的分布式能源系統之間的差異進行了評價。對分布式能源系統的評價指標和評價方法的不同，評價的結果也會有所出入，很難說明何種方法更為科學、更加準確。

本文在考慮分布式能源特性的基礎上，選擇了五種有代表性的分布式能源系統，構建包括經濟性指標（投資成本、運行成本）、能效性指標（一次能源消耗量、一次能源利用率）、環境性指標（CO2年排放量、NOx年排放量）在內的多指標評價體系。綜合AHP和DEA評價方法，并考慮灰色關聯度來對各個方案進行排序評價，既考慮到決策者的主觀偏好，又能避免受到過多人為因素的干擾，形成較為完善的分布式能源系統的評價體系。

1 基于AHP-DEA灰色關聯評價方法

1.1 層次分析法（AHP）

層次分析法是主觀評價的一種常用方法，結合各個專家的不同意見，能夠在一定程度上發揮專家在某一領域積累的經驗和知識的優勢性，操作起來也較方便。但是，層次分析法的劣勢也很明顯。受到類似個人偏好、認識水平等主觀因素的影響，人為因素對決策的影響較大，往往會給決策數據帶來偏差。

1.2 數據包絡法（DEA）

1.3 AHP和DEA綜合權重計算

AHP能夠反映決策者的主觀偏好，DEA表示出對各個決策單元相對最有利的指標權重。將AHP和DEA相結合，采用線性加權的方法來確定由主觀和客觀共同組成的綜合評價權重。相比較單一的AHP或DEA評價方法，這一方法更加客觀和準確。綜合權重的計算表達式如下：

1.4 基于灰色關聯分析的綜合評價模型

在對方案進行評價時，往往會出現各個方案間的區別不明顯，不利于決策者決策。而帶有灰色關聯的綜合評價模型能夠將各方案與最優方案之間的關聯度進行比較來確定被評價方案的優劣，從而有效提高各個方案之間的區分度。

（1）確定最優方案集。

（2）方案指標的規范化處理。

各個指標之間不同的量綱和數量級導致不能直接對其進行比較，因此需要對矩陣G進行規范化處理。處理的辦法有Z-score法、極值處理法、功效系數法等，詳細的處理步驟見文獻（8）。

（3）確定灰色關聯系數。

（4）確定關聯度。

2 分布式能源系統評價指標體系

2.1 分布式能源系統的組成

分布式能源系統的種類很多，不同的動力系統組成不同的能源系統，傳統的有電網供電、燃氣鍋爐供熱和電空調熱冷組成的傳統分布式能源系統，也有吸納可再生能源主的，以光伏系統為例。還有諸如內燃機、燃氣輪機、燃料電池等為主要動力設備的分布式能源系統。本文以上述五種分布式能源系統為評價對象，具體的系統組成如表1所示。

2.2 評價指標體系構建

對一個能源系統的評價往往要從多角度展開，進行全面的評價分析。在構建分布式能源系統評價指標時，遵循客觀、全面、具體的原則，從經濟、能耗和環境三個層次來考慮，經濟性包括系統的投資成本和運行成本，能耗性主要為一次能源消耗量和一次能源節約率，環境方面突出的評價指標為CO2和NOx排放量。由此，可以構建出分布式能源系統的評價指標為六項：投資成本、運行成本、一次能源消耗量、一次能源利用率、CO2年排放量和NOx年排放量。其中，一次能源利用率為效益型指標，其余為成本型指標。

具體而言，投資成本反映出系統各個設備的總投資費用，運行成本包括系統主要設備的年運行費用以及年燃料購買費用。一次能源消耗量包含兩個部分，一個是多聯供系統消耗燃氣量，另一個部分是從電網購買的電量轉換成一次能源消耗量，而一次能源利用率為系統的輸出能量與一次能源消耗量之間的比值，利用率越高，系統的能耗性能越好。CO2排放源有三個，分別是消耗天然氣、轉換從電網購的電以及制冷劑的泄露，本文在核算CO2排放量時不考慮制冷劑的泄露問題。而對于NOx排放量的核算，不同的設備有不同的排放因子，如表2所示，可根據這些排放因子來計算NOx排放量。

3 實例分析

以某酒店的分布式能源系統為例，酒店總面積為9600，屋頂面積為1600，光伏系統每千瓦需要用地6，則光伏系統可安裝容量為260kW。針對該分布式能源系統有5種設計方案，方案的具體數值如表3所示。

3.1 基于AHP的指標權重設計

根據AHP評價的步驟邀請專家進行打分，總目標層A是（選擇最優方案），準則層B的各項準則分別為投資成本低（B1），運行成本低（B2），一次能源消耗量少（B3），一次能源利用率高（B4），CO2年排放量少（B5），NOx年排放量少（B6）。依據1-9標度法來進行打分，構造如表4所示的判斷矩陣。

計算指標權重得：

進行一致性檢驗，CR為0.027<0.1，判斷矩陣具備滿意的一致性。

3.2 基于DEA的指標權重計算

在對分布式能源系統方案進行評價時，按照指標的特性，將投資成本、運行成本、一次能源消耗量、CO2年排放量和NOx年排放量這些取值越小越好的指標作為輸入指標，而一次能源節約率這個取值越大越好的指標為輸出指標。在進行DEA評價時，首先要對數據進行無綱量化處理，本文采用線性比例法來進行數據的處理，處理后的矩陣B如下所示。

3.3 綜合權重的確定

3.4 帶有灰色關聯分析的AHP-DEA評價模型

根據評價指標的特點，選擇最優方案指標集與評價指標構成的矩陣G

由上表可知，帶有灰色關聯度的綜合評價法中，S2系統是最優方案，其次是S3，S5，S4，最差方案為S1。S2、S3運行成本低，一次能源消耗少，且一次能源利用率高，同時產生的污染也很少，所以其評價值較高。而S1方案，雖然投資成本最低，但是其運行成本高、一次能源消耗多且利用率低，在環保上也較其他系統方案差，故其評價值最低。對于系統S5和S4，雖然能源消耗和利用率都沒有優勢，但是其在經濟上的優勢很明顯，所以往往會優于方案1，但是要差與方案2和方案3。因此，對于更重視一次能源的消耗和利用率的決策者而言，方案2和方案3更優，而對于更加看重投資成本的決策者而言，方案4和方案5則相對最優。

AHP法建立在主觀評價的基礎上，其排序情況是S2>S3>S4>S5>S1，大體與本文實際情況相同，在S4和S5之間略有差別。但是AHP法主觀性太強，往往缺乏公正性和客觀性。DEA從每個決策單元的角度出發，整體評價情況并不理想，沒有區分出S2、S3和S5三個系統方案之間的差別。AHP法下評價值最高與最低之間的差值為0.256，DEA法得出的差值為0.083，本文提出的方法的差值為0.637，較AHP法和DEA法相比，該方法的取值范圍大得多，這說明運用本文提出的方法對分布式能源系統進行評價，能夠在很大程度上提高各個方案之間的對比度，評價也就更為合理、有效。同時，由于該方法對樣本數據沒有嚴格的要求，即使數據沒有典型的分布規律，也同樣能夠通過該方法進行評價。另外，貼近度法和熵值法得出的結論與本文的結論一致，進一步說明本文的方法具備可行性和合理性。

4 結論

本文建立了分布式能源系統的灰色關聯AHP-DEA綜合評價模型，該模型綜合了三種方法的特點和優勢，以灰色關聯為主，綜合考慮AHP和DEA法確定的主觀權重和單個決策單元下的相對最優權重，來確定不同方案的綜合權重，從而計算出各個方案之間的關聯度。得出的結論包括：

（1）對分布式能源系統的評價可從多個角度進行，同時考慮其經濟、環保、能耗等因素，建立多角度評價指標體系。

（2）基于灰色關聯的AHP-DEA法綜合評價模型，將主觀評價與客觀評價相結合，并采用灰色關聯方法來進行各個方案之間的比較。對于5種分布式能源系統方案，分布式光伏系統具有運行成本低、能效高、環境污染小的優點，視為最優方案。并且該結論與貼近度法、熵值法的評價結果相一致。

（3）站在不同角度的決策者對于方案有不同的選擇，看重經濟性指標時，以內燃機和燃氣輪機為主的能源系統更優;更偏好系統的能耗時，光伏系統是最佳選擇;對優先系統環保性的決策者而言，選擇燃料電池系統則為相對最優決策。

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