基于改進TOPSIS的鄉鎮綜合能源系統效益綜合評價方法

金璐，何偉，閆華光，何桂雄

(1.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192; 2.國網江西省電力有限公司， 南昌 330096)

0 引 言

隨著我國“鄉村振興”戰略的不斷推進，人們日益提升的用能需求與鄉鎮落后的能源供給面貌之間已然存在著巨大矛盾[1]。一方面，鄉鎮豐沛的自然資源未被充分利用，傳統粗放的能源消費模式造成了生態環境的嚴重破壞；此外，鄉鎮能耗總量逐年攀升，能源需求多樣化、高品質特征愈發顯著。作為能源互聯網的重要實現載體，綜合能源系統基于梯級利用方式實現了多元能源的協同轉換、耦合互補，具有清潔高效、靈活可靠等優勢[2-3]。因此，統籌整合多類可再生資源，因地制宜構建鄉鎮綜合能源系統，對改善鄉鎮能源結構、實現綠色可持續發展意義重大。

不同于社區、醫院和園區等常見綜合能源系統(Integrated Energy System，IES)應用場景，鄉鎮在資源稟賦、用能特性等方面均差異明顯。目前，針對可融合多種可再生能源的鄉鎮IES的研究已有許多。文獻[4]對沼-光-風混合可再生能源系統進行了精細建模，揭示了溫度對沼氣生產速率帶來的影響；文獻[5]在上述模型基礎上，提出一種計及風光不確定性的日前-實時兩階段優化運行策略；文獻[6]構建了農村多能流微能網模型，并采用改進雜交粒子群算法實現其經濟優化調度；文獻[7]兼顧環境、能效和經濟因素，對養殖場內生物質氣冷熱電聯供系統進行多目標優化設計。然而，現有研究多側重于鄉鎮IES的建模仿真、運行優化及規劃設計，關于其效益評估方法的研究則鮮有報道。

綜合考慮各方因素，合理設計指標體系和評價模型，是有效衡量技術水平與工程效益的重要前提，這對于IES的建設推廣至關重要[8]。文獻[9]考慮區域IES從規劃設計到建設運營的全過程，構建集能源、裝置、用戶及配電網等環節于一體的評價指標體系；文獻[10]利用多準則優化決策方法實現了園區IES方案的決策排序與評價分析；文獻[11]從經濟性、環保性及可靠性指標角度出發，基于模糊綜合評價理論給出了含分布式設備的IES合理配置建議。受限于IES的發展歷程，現有指標體系多以城市為背景，無法與鄉鎮能源系統特征相匹配，且指標屬性較為片面。此外，傳統評價模型難以在主觀經驗與客觀數據間取得平衡，評價結果不夠科學合理。

針對上述問題，本文提出一種適用于鄉鎮綜合能源系統效益的綜合評價方法。首先，充分考慮鄉鎮自然資源條件，構建了典型的可再生鄉鎮IES架構；接著，立足于經濟收益、技術性能、運營管理、生態環境以及鄉鎮發展影響因素，提出鄉鎮IES綜合評價指標體系；最后，基于由層次分析-決策實驗室分析法和反熵權法求得主客觀賦權結果，通過改進后的逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS)實現了鄉鎮IES效益的綜合評價。仿真算例將本文方法應用于實際工程案例，并取得了良好的效果，可為今后鄉鎮IES的推廣發展提供參考。

1 鄉鎮綜合能源系統

為有效緩解農網供需矛盾，助力鄉鎮清潔能源就地消納，本文考慮一種以外部電網和本地可再生能源為輸入、電/熱/冷能為輸出的“源-網-荷-儲”一體化鄉鎮綜合能源系統，其拓撲架構及能量流動如圖1所示。

圖1 鄉鎮IES系統架構Fig.1 System structure of IES for township

由圖1可知，除既有農網外，鄉鎮IES內的能量全部汲取自風能、太陽能、地熱能以及生物質能等本土自然資源。其中，光伏單元與風電機組分別以太陽能和風能為原動力，為系統提供電能，并經由聯絡線與外部電網互聯互通；針對鄉鎮內分布分散且閑置情況嚴重的生物質資源，對其進行適度集中氣化處理，并通過沼氣熱電聯產和沼氣鍋爐向用戶輸送電能及熱能，實現其充分消納與高效利用；以地表淺層能源為輸入、電能為驅動的地源熱泵，是系統內另一實現電-熱/冷耦合的關鍵設備；電制冷機與吸收式制冷劑作為系統內的主要冷源，在能源高效梯級利用方面起到關鍵作用；此外，為提高系統的調度運行靈活性，鄉鎮IES內還配置有包括儲電/儲熱/儲冷裝置在內的多元儲能設備。

2 綜合評價指標體系

鄉鎮IES旨在打造綠色生態下的新型可再生能源系統，其評價依據較之現有城市背景下的IES指標體系差異顯著。為合理評價鄉鎮IES的工程效益，本文兼顧綜合能源服務商、電網企業、鄉鎮政府以及用戶等多元鄉鎮IES參與主體，計及系統從規劃到運營的不同時間跨度，在科學客觀、系統合理、獨立實用的原則基礎上，從經濟收益、技術性能、運營管理、生態環境以及鄉鎮發展5個角度出發，構建包含2個層級共計17項指標的鄉鎮IES效益綜合評價指標體系，具體如圖2所示。

圖2 鄉鎮IES綜合評價指標體系Fig.2 Comprehensive evaluation index system of township IES

2.1 評價指標體系分析

2.1.1 經濟收益指標

作為鄉鎮IES的重要物質基礎，經濟收益是應當被納入考核的重要因素。投資收益率和動態投資回收期都描述了鄉鎮IES項目的盈利水平，其中投資收益率為規劃期內系統總收益現值與總支出現值之比，動態投資回收期表示初始投資與累計凈收入持平所需要的時間。上述指標計算方法詳見文獻[12]。

除項目投資方外，鄉鎮IES對于電網企業及用戶也會存在經濟影響。延緩農網改造收益Id可反映由于鄉鎮IES建設而減免的農網改造成本，其公式為:

(1)

式中 ΔPr為農網可避免峰荷容量；c、k、t分別為單位改造成本、折現率和延緩改造周期。此外，由于閑置的清潔能源得到了充分利用，鄉鎮用戶的人均用總能成本Cp也將明顯降低，其計算式為:

(2)

式中Cbuy、Ibio分別為用戶全年購能成本和全年生物質原料出售收入；N為鄉鎮IES用戶總人數。

2.1.2 技術性能指標

技術性能指標是IES工程建設水平的重要體現。鄉鎮IES的建設初衷即為實現多元能源的高效利用，本文考慮異質能源在能源品味方面存在的差異，定義鄉鎮IES的能源轉換效率指標ηIES為:

(3)

式中Le、Lh、Lc分別為系統全年輸出的電、熱、冷負荷總量；Pe、Qg、Gb分別為全年輸入的電能、沼氣和地熱能總量；λe、λh、λc、λg、λb分別為電能、熱能、冷能、沼氣和地熱能的能質系數[13]。

此外，為衡量鄉鎮IES清潔能源消納水平，定義指標C22為除農網輸入電能外的系統輸入能量與系統輸入總能量經能質系數折算后的比值。在可靠性方面，定義指標C23為規劃周期內系統供能缺額與供能總量經能質系數折算后的比值，可采用蒙特卡洛方法進行計算[11]，實現鄉鎮IES的供能可靠性評價。

鄉鎮地區儲備豐富的生物質能主要通過厭氧發酵的方式轉化為沼氣，厭氧發酵的反應效果取決于原料特性、環境因子、中間產物等工藝參數，其不僅影響沼氣產量及轉化效率，還關乎沼液、沼渣的可再利用性[4]。因此，設置指標C24對沼氣生產過程中厭氧發酵環節的工藝水平進行定性評價。

2.1.3 運營管理指標

鄉鎮IES的運營管理體系也是影響其效益的因素之一。從用戶側角度出發，用戶滿意程度指標能反映鄉鎮用戶對綜合能源供給的認可度，可通過問卷調查形式獲取。除多能供應基礎業務外，需求側管理是優化用戶用能方式另一途徑，綜合考慮系統需求響應能力、智能表計普及度等影響因素，設置指標C32定性衡量鄉鎮IES的需求側建設水平。

就鄉鎮IES服務商自身而言，優越的服務質量與良好的組織管理水平密不可分。指標C33即從第三方角度出發，通過定期考核IES服務商的管理模式與績效水平，客觀反映綜合能源服務商的組織管理狀況。

2.1.4 生態環境指標

原始生態保有率指標最先在城區規劃領域中被引入[14]，此處借鑒該定性指標思想，用以刻畫鄉鎮IES的工程建設對地區原始生態環境的破壞程度。

雖然生物質能在低碳減排方面優于傳統化石能源，但其仍會污染外部大氣環境，因此，定義C32指標為IES年排放CO2、SO2、NOx和粉塵的環境價值[15]。

噪音污染指數表示工程系統在日常運行時的噪音污染程度，倘若其超越安全界限，將嚴重影響周遭居民的健康。本文引入等效A聲級概念來衡量鄉鎮IES的噪音污染狀況，具體計算方式參考文獻[16]。

2.1.5 鄉鎮發展指標

除上述指標外，IES對于鄉鎮社會發展的影響也不容忽視。通過對比鄉鎮IES建設前后的能源基尼系數Ge，在專家經驗基礎上判斷IES對鄉鎮社會能源公平性產生的影響，Ge的計算式為:

(4)

式中n為鄉鎮居民分組數目；wi為第i組居民的用能成本與全部人口用能成本之比。

由于居民生產生活廢料在鄉鎮IES中被妥善處理與利用，使得鄉鎮水土污染問題得到緩解，居民衛生健康狀況不斷好轉，生活質量顯著改善，指標C52旨在衡量鄉鎮IES在這一方面的作用。

此外，鄉鎮IES還能推動當地產業結構調整，創造就業機會，最終促進鄉鎮經濟社會發展。因此，設置指標C53對能源系統的社會效益進行定性評價。

2.2 指標計算處理方法

由于上述評價指標體系由定量指標和定性指標組合構成，因此，在計算處理異類指標時不可一概而論。其中，定量指標可在現有規劃運行數據基礎上依照上述指標計算方法求取。對于定性指標，借鑒模糊評價思想將其轉化為定量數值[12]，采用5等級劃分方法定義評語集以及各等級對應分值如表1所示，由此可得評分矩陣V1×5=[1.0，0.8，0.6，0.4，0.2]。邀請10位專家打分或依照問卷調研結果構造評語隸屬度矩陣M1×5，即可求得量化后的指標值為c=V·MT。

表1 評語劃分表Tab.1 Comments division table

3 基于改進TOPSIS的綜合評價模型

針對傳統TOPSIS存在的權重計算不合理、評價結果逆排序和排序重疊等缺陷，本文分別引入組合賦權法、絕對理想解和投影法對上述問題進行改進，使鄉鎮IES運行效益評價結果更加科學合理。

3.1 組合賦權方法

在對指標進行賦權時，若僅采用主觀賦權方法，評價結果易受專家經驗左右，僅采用客觀賦權方法，模型的準確性則會依賴于指標數據規模，增加了運算負擔。因此，本文考慮一種結合層次分析-決策實驗室分析法與反熵權法的主客觀賦權方法，并基于矩估計原理給出組合權重計算規則，使之既能反映專家主觀意見，又能體現指標數據的客觀規律。

3.1.1 主觀權重計算

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種經典的主觀權重計算方法，其可依據專家經驗權衡各指標的相對重要性程度，但無法消除不同指標之間的交叉關聯影響。為此，本文引入決策實驗室分析方法(Decision-Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL)對AHP權重進行修正，以期獲取更為準確合理的主觀權重。

針對指標總數為n的多層級指標體系，首先由m位專家根據1～9標度法在各層級內對指標進行兩兩比較，得到m組判斷矩陣，若一致性校驗通過，則該判斷矩陣最大特征值所對應的特征向量即為主觀權重，將m組權重中評價相似度最大的一組剔除[10]，剩余m-1組權重的均值即為AHP權重ω′。接著，在0～4標度法下獲取指標間的直接影響矩陣[17]，并對其進行標準化處理，分別依照式(5)、式(6)計算求取綜合影響矩陣T以及中心度矩陣ω″，經DEMATEL修正后的主觀權重系數ω如式(7)所示。

T=X(E-X)-1=(tij)n×n

(5)

(6)

(7)

3.1.2 客觀權重計算

熵權法通過客觀數據的變異程度衡量指標所包含的有效信息量，但其存在對指標差異性過于敏感的缺陷。反熵權法作為對熵權法的改進，有效避免了由權重波動過大而導致的部分指標失效的問題。

對于方案數為m、指標數為n的評價問題，反熵權法的具體實現方法如式(8)～式(10)所示:

(8)

(9)

(10)

式中aij、bij分別為方案i中指標j的標準化指標值、歸一化標準指標值；sj、μj表示指標j的反熵值、客觀權重系數。

3.1.3 組合權重計算

在求得各指標的主、客觀權重后，基于矩估計基本原理計算指標的組合權重[10]。由于不同指標主、客觀權重的相對重要程度不同，可依照式(11)求取各項指標的主、客觀權重耦合系數為:

(11)

式中εj、δj分別為指標j的主、客觀權重耦合系數。依照式(11)可求得指標j最終的組合權重θj為:

(12)

3.2 改進TOPSIS綜合評價模型

傳統TOPSIS方法通過構造一組正、負理想解，依據各待評價樣本到正、負理想解的歐氏距離，對評價樣本進行評分，適用于指標數據較多的評價問題。文獻[18]指出，傳統TOPSIS在理想解設置和貼近度計算方面存在不足，致使評價結果可信度降低。因此，本文對上述缺陷進行完善，改進后的TOPSIS評價模型主要包含以下幾個步驟：

(1)標準化處理。對于存在m個方案和n個指標的評價問題，依照式(13)對原始指標矩陣Cm×n進行標準化處理，求得標準指標矩陣Am×n。

(13)

式中cij、aij分別表示方案i中指標j的原始指標值以及標準化指標值。

(2)加權運算。由3.1.1節所述方法求得主觀權重矩陣ω，將標準指標矩陣A帶入3.1.2節求得客觀權重矩陣μ，依據所求得的ω和μ，同時參照3.1.3節組合權重計算方法可得組合權重矩陣θ，進一步將A和θ帶入式(14)即可獲取加權標準矩陣Qm×n

Qm×n=Am×n·θ1×n=(qij)m×n

(14)

式中qij為方案i中指標j的加權標準值。

(15)

(4)投影法求貼近度。設Q-為空間坐標系原點，則Q+到Q-之間的連線即為Q+，本文稱其為參考向量，各方案的加權標準矩陣q即為坐標系內的任一向量。q的模表征其與Q-的距離，q與參考向量的夾角表征其與Q+的距離。由此方案的優劣轉化為其在參考向量上投影的大小，避免了傳統方法由于貼近度相同而無法評判的缺陷，其計算公式為:

(16)

綜上，基于改進TOPSIS的鄉鎮IES效益綜合評價流程如圖3所示。此外，參照文獻[19]定義靈敏度η以衡量綜合評價方法的區分度，其值越大則區分度越高，反之越低，具體計算方法為

圖3 改進TOPSIS綜合評價模型流程圖Fig.3 Flow chart of comprehensive evaluation model based on improved TOPSIS

η=[(αmax-αsec)/αmax]×100%

(17)

式中αmax、αsec分別為方案最高評分和次高評分。

4 算例分析

選取江西省某綠色生態鄉鎮綜合能源系統示范工程為例對本文所提方法進行驗證，其基本系統架構如圖1所示。該鄉鎮年平均風速5.1 m/s，水平面年太陽輻射量1 219.4 kW·h/m2，由于大力發展農業生態養殖，生物質能潛力充沛，同時還具備豐富的淺層地熱資源。當地四季分明，常年存在電/熱/冷負荷需求，設計電、熱、冷負荷依次為1 382.7 kW、976.4 kW、1 159.3 kW，規劃周期20年。采用本文方法對不同投資方擬定的3種鄉鎮IES規劃方案進行綜合評價分析，各方案指標初值及其具體配置信息分別如表2和表3所示。

表2 各方案評價指標初值Tab.2 Evaluation index data of each scheme

表3 各方案能源系統配置參數Tab.3 Configuration parameters of energy system of each scheme

4.1 指標權重計算

首先依照3.1節中所述指標權重計算方法，求得DEMATEL分析結果如圖4所示，二級指標AHP權重、修正后的主觀權重、客觀權重及組合權重如表4所示，一級指標主客觀權重及其組合權重如圖5所示。

圖4 DEMATEL分析結果Fig.4 Results of DEMATEL analysis

表4 二級指標權重計算結果Tab.4 Calculation results of second level index weight

圖5 一級指標權重分布Fig.5 Weight distribution of first level index

在DEMATEL中，中心度被定義為影響度與被影響度之和，用于描述各指標之于評價體系的重要程度。對比分析圖4及表4中AHP權重與主觀權重可知，指標C11、C12、C21、C22、C24、C32屬于原因型指標，其影響度遠大于被影響度，故具有較高的中心度，而指標C14和C31為結果型指標，其影響度雖低，但受其他因素影響程度較高，同樣表現出較強的關聯性，因此，這些指標的主觀權重較AHP權重有所提高。反之，同樣屬于結果型指標的C41～C43、C51和C53，其被影響度雖適中但影響度偏低，導致中心度較低，而對于指標C13和C33，由于其僅與少數指標存在關聯，較之其他因素相對獨立，因而這些指標的主觀權重降低。結合各指標具體含義可以發現，上述權值調整貼合指標體系的內在邏輯關系，與鄉鎮IES評價的客觀工程原理相符。因此，經DEMATEL修正后主觀權重較之原始AHP權重更加科學合理。

觀察圖5可知，由于AHP-DEMATEL法不僅受到專家意見影響，同時還考慮了指標間的交叉關聯，導致指標權值波動較大。而由反熵權法求得的客觀權重則較為平穩，充分體現了其對指標差異不敏感的優勢。相比之下，組合權重兼顧了決策者意志以及指標數據自身信息，其大小介于主觀權重與客觀權重之間，較之傳統單一賦權方法更加具有說服力。就具體權重分布而言，結合表4和圖5可知，主客觀賦權方法均賦予了技術性能最大的權重分配，可見在高比例分布式能源接入下的鄉鎮IES中，技術手段是關乎其綜合效益重要因素，這還體現在二級指標中清潔能源比例C22具有最高的權值。同樣對評價結果有較大影響的指標還有大氣污染排放C42、噪音污染指數C43、能源轉換效率C21和供能缺額概率C23等，這與鄉鎮IES清潔高效、綠色可持續的建設運營理念相吻合，同時也驗證了賦權結果的合理性。

4.2 評價結果分析

基于上述指標權重計算結果和具體指標數值，采用所提改進TOPSIS模型分別對3組方案進行分析，求得綜合評價結果以及一級指標評價結果雷達圖分別如表5以及圖6所示。

表5 綜合評價結果及排序Tab.5 Results and ranking of comprehensive evaluation

圖6 一級指標評價結果雷達圖Fig.6 Radar chart of first level index evaluation results

由表5可知，依照文中方法得出的綜合評價結論為方案2>方案3>方案1。進一步分析3組方案的具體配置信息和指標初值，同時參考圖6可知，方案1放棄了昂貴的儲能裝置，削減了風光滲透比例，轉而大量采用工藝水平較差的生物質能以追求最優的經濟效益，在節約自身投資維護支出的同時，降低了居民用能成本，但這也導致鄉鎮IES在運行方式及生態環保方面劣勢明顯。方案3則以經濟收益為代價換取環境效益，其更多選用單價高但噪聲小的光伏，同時充分發揮地源熱泵和多元儲能裝置在熱電解耦方面的作用，使系統運行于更加環保、靈活、可靠的狀態，然而，沼氣機組容量的減少也使方案3在生物質能消納方面不盡理想，嚴重影響了指標C22和指標C52的水平。對比方案1與方案2，后者僅在指標C1和指標C5方面均遜于前者，且兩項指標所占權重僅為0.191 5和0.155 8，故方案2優于方案1。

與上述方案相比，方案1更多選用較為廉價的風電，并合理分配沼氣及地源熱泵機組容量，在轉換效率和消納數量上均實現了清潔能源的最優利用，同時適當購置儲能設備以維持系統的靈活可靠運行，其在鄉鎮IES的經濟與和環境效益間進行了權衡，能夠較好地推動鄉鎮社會發展。在5項一級評價指標中，方案1有2項最優僅1項最劣，因此排序最高，可見上述分析結果本文方法所得結論一致。

4.3 評價結論比較

為驗證文中方法的有效性，將其分別與模糊層次分析法(Fuzzy-AHP)、主成分分析法(PCA)和加權集對分析法(SPA)等傳統方法所得評價排序進行比較。其中，Fuzzy-AHP在求得AHP權重的基礎上，采用模糊綜合評價方法進行評價[20]；PCA采用線性加權模型計算綜合評價值[21]；加權SPA通過AHP-熵權法求得指標權重，再由SPA模型輸出評價結果[22]。Fuzzy-AHP和加權SPA所需的AHP權重及評語集設置均與本文方法一致，同一方法中評價結果數值越大的方案越優且排序越高，不同方法求得的評價結果及排序如表6所示。

表6 對比方法結果及排序Tab.6 Results and ranking of comparison method

由表6可知，除PCA所得結論為方案1>方案2>方案3外，本文方法、Fuzzy-AHP和加權SPA三種方法所得結論均為方案2>方案3>方案1，這是由于PCA過分依賴指標數據所蘊含的內在客觀規律，雖消除了指標間的相關性，但忽視了決策者在鄉鎮IES建設過程中的導向作用，導致評價結果與工程實際需求不符?？紤]到剩余三種方法所得評價結果之間難以直接進行比較，引入靈敏度指標對其進行分析[22]，參照式(17)求得本文方法的靈敏度為9.3%，明顯優于靈敏度分別為4.3%和4.4%的Fuzzy-AHP和加權SPA方法，可見本文所提綜合評價模型更加合理有效。此外，從三種方法的實施原理角度出發可以發現，較之本文方法，盡管Fuzzy-AHP得出了相同結論，但由AHP所得指標權重易受主觀經驗影響，且Fuzzy理論中隸屬函數的選取相對固化，這些都給鄉鎮IES效益綜合評價增添了不確定因素；加權SPA的結論雖然也與本文方法一致，但其所采用的AHP-熵權法未考慮指標間的關聯性影響，所得鄉鎮IES綜合評價結果并不具有普適性；相比之下，本文模型彌補了上述方法存在的缺陷，且運算簡單，原理清晰，可為鄉鎮IES的推廣建設提供參考。

5 結束語

針對鄉鎮IES的效益綜合評價問題，分別從經濟、技術、運營、環保和社會5個層面構建鄉鎮IES評價指標體系，并采用融合了AHP-DEMATEL和反熵權法的改進TOPSIS綜合評價模型全面衡量鄉鎮IES效益，通過工程實例分析得出以下結論：

(1)所構建綜合評價指標體系全面考慮了鄉鎮IES的參與主體及實施過程，能夠有效衡量鄉鎮IES在各方面的效益；

(2)采用主客觀組合賦權方法，并引入DEMATEL體現不同指標間的交叉影響作用，較之傳統單一賦權方法，所得結果更加科學；

(3)所提出的改進TOPSISI綜合評價模型能夠合理給出鄉鎮IES的評價結果，具有實用性強、普適性好的優點，對于鄉鎮IES效益綜合評價具有一定的指導意義。