金璐，何偉，閆華光，何桂雄

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

0 引 言

隨著我國“鄉(xiāng)村振興”戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，人們?nèi)找嫣嵘挠媚苄枨笈c鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(xiāng)鎮(zhèn)豐沛的自然資源未被充分利用，傳統(tǒng)粗放的能源消費(fèi)模式造成了生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞；此外，鄉(xiāng)鎮(zhèn)能耗總量逐年攀升，能源需求多樣化、高品質(zhì)特征愈發(fā)顯著。作為能源互聯(lián)網(wǎng)的重要實(shí)現(xiàn)載體，綜合能源系統(tǒng)基于梯級利用方式實(shí)現(xiàn)了多元能源的協(xié)同轉(zhuǎn)換、耦合互補(bǔ)，具有清潔高效、靈活可靠等優(yōu)勢[2-3]。因此，統(tǒng)籌整合多類可再生資源，因地制宜構(gòu)建鄉(xiāng)鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)，對改善鄉(xiāng)鎮(zhèn)能源結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展意義重大。

不同于社區(qū)、醫(yī)院和園區(qū)等常見綜合能源系統(tǒng)(Integrated Energy System，IES)應(yīng)用場景，鄉(xiāng)鎮(zhèn)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(xiāng)鎮(zhèn)IES的研究已有許多。文獻(xiàn)[4]對沼-光-風(fēng)混合可再生能源系統(tǒng)進(jìn)行了精細(xì)建模，揭示了溫度對沼氣生產(chǎn)速率帶來的影響；文獻(xiàn)[5]在上述模型基礎(chǔ)上，提出一種計及風(fēng)光不確定性的日前-實(shí)時兩階段優(yōu)化運(yùn)行策略；文獻(xiàn)[6]構(gòu)建了農(nóng)村多能流微能網(wǎng)模型，并采用改進(jìn)雜交粒子群算法實(shí)現(xiàn)其經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度；文獻(xiàn)[7]兼顧環(huán)境、能效和經(jīng)濟(jì)因素，對養(yǎng)殖場內(nèi)生物質(zhì)氣冷熱電聯(lián)供系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。然而，現(xiàn)有研究多側(cè)重于鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES的建模仿真、運(yùn)行優(yōu)化及規(guī)劃設(shè)計，關(guān)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(shè)計指標(biāo)體系和評價模型，是有效衡量技術(shù)水平與工程效益的重要前提，這對于IES的建設(shè)推廣至關(guān)重要[8]。文獻(xiàn)[9]考慮區(qū)域IES從規(guī)劃設(shè)計到建設(shè)運(yùn)營的全過程，構(gòu)建集能源、裝置、用戶及配電網(wǎng)等環(huán)節(jié)于一體的評價指標(biāo)體系；文獻(xiàn)[10]利用多準(zhǔn)則優(yōu)化決策方法實(shí)現(xiàn)了園區(qū)IES方案的決策排序與評價分析；文獻(xiàn)[11]從經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性及可靠性指標(biāo)角度出發(fā)，基于模糊綜合評價理論給出了含分布式設(shè)備的IES合理配置建議。受限于IES的發(fā)展歷程，現(xiàn)有指標(biāo)體系多以城市為背景，無法與鄉(xiāng)鎮(zhèn)能源系統(tǒng)特征相匹配，且指標(biāo)屬性較為片面。此外，傳統(tǒng)評價模型難以在主觀經(jīng)驗與客觀數(shù)據(jù)間取得平衡，評價結(jié)果不夠科學(xué)合理。

針對上述問題，本文提出一種適用于鄉(xiāng)鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)效益的綜合評價方法。首先，充分考慮鄉(xiāng)鎮(zhèn)自然資源條件，構(gòu)建了典型的可再生鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES架構(gòu)；接著，立足于經(jīng)濟(jì)收益、技術(shù)性能、運(yùn)營管理、生態(tài)環(huán)境以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展影響因素，提出鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES綜合評價指標(biāo)體系；最后，基于由層次分析-決策實(shí)驗室分析法和反熵權(quán)法求得主客觀賦權(quán)結(jié)果，通過改進(jìn)后的逼近理想解排序法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution，TOPSIS)實(shí)現(xiàn)了鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES效益的綜合評價。仿真算例將本文方法應(yīng)用于實(shí)際工程案例，并取得了良好的效果，可為今后鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES的推廣發(fā)展提供參考。

1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)

為有效緩解農(nóng)網(wǎng)供需矛盾，助力鄉(xiāng)鎮(zhèn)清潔能源就地消納，本文考慮一種以外部電網(wǎng)和本地可再生能源為輸入、電/熱/冷能為輸出的“源-網(wǎng)-荷-儲”一體化鄉(xiāng)鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)，其拓?fù)浼軜?gòu)及能量流動如圖1所示。

圖1 鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System structure of IES for township

由圖1可知，除既有農(nóng)網(wǎng)外，鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES內(nèi)的能量全部汲取自風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮芤约吧镔|(zhì)能等本土自然資源。其中，光伏單元與風(fēng)電機(jī)組分別以太陽能和風(fēng)能為原動力，為系統(tǒng)提供電能，并經(jīng)由聯(lián)絡(luò)線與外部電網(wǎng)互聯(lián)互通；針對鄉(xiāng)鎮(zhèn)內(nèi)分布分散且閑置情況嚴(yán)重的生物質(zhì)資源，對其進(jìn)行適度集中氣化處理，并通過沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)和沼氣鍋爐向用戶輸送電能及熱能，實(shí)現(xiàn)其充分消納與高效利用；以地表淺層能源為輸入、電能為驅(qū)動的地源熱泵，是系統(tǒng)內(nèi)另一實(shí)現(xiàn)電-熱/冷耦合的關(guān)鍵設(shè)備；電制冷機(jī)與吸收式制冷劑作為系統(tǒng)內(nèi)的主要冷源，在能源高效梯級利用方面起到關(guān)鍵作用；此外，為提高系統(tǒng)的調(diào)度運(yùn)行靈活性，鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES內(nèi)還配置有包括儲電/儲熱/儲冷裝置在內(nèi)的多元儲能設(shè)備。

2 綜合評價指標(biāo)體系

鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES旨在打造綠色生態(tài)下的新型可再生能源系統(tǒng)，其評價依據(jù)較之現(xiàn)有城市背景下的IES指標(biāo)體系差異顯著。為合理評價鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES的工程效益，本文兼顧綜合能源服務(wù)商、電網(wǎng)企業(yè)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)政府以及用戶等多元鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES參與主體，計及系統(tǒng)從規(guī)劃到運(yùn)營的不同時間跨度，在科學(xué)客觀、系統(tǒng)合理、獨(dú)立實(shí)用的原則基礎(chǔ)上，從經(jīng)濟(jì)收益、技術(shù)性能、運(yùn)營管理、生態(tài)環(huán)境以及鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展5個角度出發(fā)，構(gòu)建包含2個層級共計17項指標(biāo)的鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES效益綜合評價指標(biāo)體系，具體如圖2所示。

圖2 鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES綜合評價指標(biāo)體系Fig.2 Comprehensive evaluation index system of township IES

2.1 評價指標(biāo)體系分析

2.1.1 經(jīng)濟(jì)收益指標(biāo)

作為鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，經(jīng)濟(jì)收益是應(yīng)當(dāng)被納入考核的重要因素。投資收益率和動態(tài)投資回收期都描述了鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES項目的盈利水平，其中投資收益率為規(guī)劃期內(nèi)系統(tǒng)總收益現(xiàn)值與總支出現(xiàn)值之比，動態(tài)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(biāo)計算方法詳見文獻(xiàn)[12]。

除項目投資方外，鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES對于電網(wǎng)企業(yè)及用戶也會存在經(jīng)濟(jì)影響。延緩農(nóng)網(wǎng)改造收益Id可反映由于鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES建設(shè)而減免的農(nóng)網(wǎng)改造成本，其公式為:

(1)

式中 ΔPr為農(nóng)網(wǎng)可避免峰荷容量；c、k、t分別為單位改造成本、折現(xiàn)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(xiāng)鎮(zhèn)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(zhì)原料出售收入；N為鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES用戶總?cè)藬?shù)。

2.1.2 技術(shù)性能指標(biāo)

技術(shù)性能指標(biāo)是IES工程建設(shè)水平的重要體現(xiàn)。鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES的建設(shè)初衷即為實(shí)現(xiàn)多元能源的高效利用，本文考慮異質(zhì)能源在能源品味方面存在的差異，定義鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES的能源轉(zhuǎn)換效率指標(biāo)ηIES為:

(3)

式中Le、Lh、Lc分別為系統(tǒng)全年輸出的電、熱、冷負(fù)荷總量；Pe、Qg、Gb分別為全年輸入的電能、沼氣和地?zé)崮芸偭浚沪薳、λh、λc、λg、λb分別為電能、熱能、冷能、沼氣和地?zé)崮艿哪苜|(zhì)系數(shù)[13]。

此外，為衡量鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES清潔能源消納水平，定義指標(biāo)C22為除農(nóng)網(wǎng)輸入電能外的系統(tǒng)輸入能量與系統(tǒng)輸入總能量經(jīng)能質(zhì)系數(shù)折算后的比值。在可靠性方面，定義指標(biāo)C23為規(guī)劃周期內(nèi)系統(tǒng)供能缺額與供能總量經(jīng)能質(zhì)系數(shù)折算后的比值，可采用蒙特卡洛方法進(jìn)行計算[11]，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES的供能可靠性評價。

鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)儲備豐富的生物質(zhì)能主要通過厭氧發(fā)酵的方式轉(zhuǎn)化為沼氣，厭氧發(fā)酵的反應(yīng)效果取決于原料特性、環(huán)境因子、中間產(chǎn)物等工藝參數(shù)，其不僅影響沼氣產(chǎn)量及轉(zhuǎn)化效率，還關(guān)乎沼液、沼渣的可再利用性[4]。因此，設(shè)置指標(biāo)C24對沼氣生產(chǎn)過程中厭氧發(fā)酵環(huán)節(jié)的工藝水平進(jìn)行定性評價。

2.1.3 運(yùn)營管理指標(biāo)

鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES的運(yùn)營管理體系也是影響其效益的因素之一。從用戶側(cè)角度出發(fā)，用戶滿意程度指標(biāo)能反映鄉(xiāng)鎮(zhèn)用戶對綜合能源供給的認(rèn)可度，可通過問卷調(diào)查形式獲取。除多能供應(yīng)基礎(chǔ)業(yè)務(wù)外，需求側(cè)管理是優(yōu)化用戶用能方式另一途徑，綜合考慮系統(tǒng)需求響應(yīng)能力、智能表計普及度等影響因素，設(shè)置指標(biāo)C32定性衡量鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES的需求側(cè)建設(shè)水平。

就鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES服務(wù)商自身而言，優(yōu)越的服務(wù)質(zhì)量與良好的組織管理水平密不可分。指標(biāo)C33即從第三方角度出發(fā)，通過定期考核IES服務(wù)商的管理模式與績效水平，客觀反映綜合能源服務(wù)商的組織管理狀況。

2.1.4 生態(tài)環(huán)境指標(biāo)

原始生態(tài)保有率指標(biāo)最先在城區(qū)規(guī)劃領(lǐng)域中被引入[14]，此處借鑒該定性指標(biāo)思想，用以刻畫鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES的工程建設(shè)對地區(qū)原始生態(tài)環(huán)境的破壞程度。

雖然生物質(zhì)能在低碳減排方面優(yōu)于傳統(tǒng)化石能源，但其仍會污染外部大氣環(huán)境，因此，定義C32指標(biāo)為IES年排放CO2、SO2、NOx和粉塵的環(huán)境價值[15]。

噪音污染指數(shù)表示工程系統(tǒng)在日常運(yùn)行時的噪音污染程度，倘若其超越安全界限，將嚴(yán)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(xiāng)鎮(zhèn)IES的噪音污染狀況，具體計算方式參考文獻(xiàn)[16]。

2.1.5 鄉(xiāng)鎮(zhèn)發(fā)展指標(biāo)

除上述指標(biāo)外，IES對于鄉(xiāng)鎮(zhèn)社會發(fā)展的影響也不容忽視。通過對比鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES建設(shè)前后的能源基尼系數(shù)Ge，在專家經(jīng)驗基礎(chǔ)上判斷IES對鄉(xiāng)鎮(zhèn)社會能源公平性產(chǎn)生的影響，Ge的計算式為:

(4)

式中n為鄉(xiāng)鎮(zhèn)居民分組數(shù)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(chǎn)生活廢料在鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES中被妥善處理與利用，使得鄉(xiāng)鎮(zhèn)水土污染問題得到緩解，居民衛(wèi)生健康狀況不斷好轉(zhuǎn)，生活質(zhì)量顯著改善，指標(biāo)C52旨在衡量鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES在這一方面的作用。

此外，鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES還能推動當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會，最終促進(jìn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。因此，設(shè)置指標(biāo)C53對能源系統(tǒng)的社會效益進(jìn)行定性評價。

2.2 指標(biāo)計算處理方法

由于上述評價指標(biāo)體系由定量指標(biāo)和定性指標(biāo)組合構(gòu)成，因此，在計算處理異類指標(biāo)時不可一概而論。其中，定量指標(biāo)可在現(xiàn)有規(guī)劃運(yùn)行數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上依照上述指標(biāo)計算方法求取。對于定性指標(biāo)，借鑒模糊評價思想將其轉(zhuǎn)化為定量數(shù)值[12]，采用5等級劃分方法定義評語集以及各等級對應(yīng)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(diào)研結(jié)果構(gòu)造評語隸屬度矩陣M1×5，即可求得量化后的指標(biāo)值為c=V·MT。

表1 評語劃分表Tab.1 Comments division table

3 基于改進(jìn)TOPSIS的綜合評價模型

針對傳統(tǒng)TOPSIS存在的權(quán)重計算不合理、評價結(jié)果逆排序和排序重疊等缺陷，本文分別引入組合賦權(quán)法、絕對理想解和投影法對上述問題進(jìn)行改進(jìn)，使鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES運(yùn)行效益評價結(jié)果更加科學(xué)合理。

3.1 組合賦權(quán)方法

在對指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)時，若僅采用主觀賦權(quán)方法，評價結(jié)果易受專家經(jīng)驗左右，僅采用客觀賦權(quán)方法，模型的準(zhǔn)確性則會依賴于指標(biāo)數(shù)據(jù)規(guī)模，增加了運(yùn)算負(fù)擔(dān)。因此，本文考慮一種結(jié)合層次分析-決策實(shí)驗室分析法與反熵權(quán)法的主客觀賦權(quán)方法，并基于矩估計原理給出組合權(quán)重計算規(guī)則，使之既能反映專家主觀意見，又能體現(xiàn)指標(biāo)數(shù)據(jù)的客觀規(guī)律。

3.1.1 主觀權(quán)重計算

層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)是一種經(jīng)典的主觀權(quán)重計算方法，其可依據(jù)專家經(jīng)驗權(quán)衡各指標(biāo)的相對重要性程度，但無法消除不同指標(biāo)之間的交叉關(guān)聯(lián)影響。為此，本文引入決策實(shí)驗室分析方法(Decision-Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL)對AHP權(quán)重進(jìn)行修正，以期獲取更為準(zhǔn)確合理的主觀權(quán)重。

針對指標(biāo)總數(shù)為n的多層級指標(biāo)體系，首先由m位專家根據(jù)1～9標(biāo)度法在各層級內(nèi)對指標(biāo)進(jìn)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(yīng)的特征向量即為主觀權(quán)重，將m組權(quán)重中評價相似度最大的一組剔除[10]，剩余m-1組權(quán)重的均值即為AHP權(quán)重ω′。接著，在0～4標(biāo)度法下獲取指標(biāo)間的直接影響矩陣[17]，并對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)DEMATEL修正后的主觀權(quán)重系數(shù)ω如式(7)所示。

T=X(E-X)-1=(tij)n×n

(5)

(6)

(7)

3.1.2 客觀權(quán)重計算

熵權(quán)法通過客觀數(shù)據(jù)的變異程度衡量指標(biāo)所包含的有效信息量，但其存在對指標(biāo)差異性過于敏感的缺陷。反熵權(quán)法作為對熵權(quán)法的改進(jìn)，有效避免了由權(quán)重波動過大而導(dǎo)致的部分指標(biāo)失效的問題。

對于方案數(shù)為m、指標(biāo)數(shù)為n的評價問題，反熵權(quán)法的具體實(shí)現(xiàn)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(biāo)j的標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值、歸一化標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值；sj、μj表示指標(biāo)j的反熵值、客觀權(quán)重系數(shù)。

3.1.3 組合權(quán)重計算

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

(11)

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

(12)

3.2 改進(jìn)TOPSIS綜合評價模型

傳統(tǒng)TOPSIS方法通過構(gòu)造一組正、負(fù)理想解，依據(jù)各待評價樣本到正、負(fù)理想解的歐氏距離，對評價樣本進(jìn)行評分，適用于指標(biāo)數(shù)據(jù)較多的評價問題。文獻(xiàn)[18]指出，傳統(tǒng)TOPSIS在理想解設(shè)置和貼近度計算方面存在不足，致使評價結(jié)果可信度降低。因此，本文對上述缺陷進(jìn)行完善，改進(jìn)后的TOPSIS評價模型主要包含以下幾個步驟：

(1)標(biāo)準(zhǔn)化處理。對于存在m個方案和n個指標(biāo)的評價問題，依照式(13)對原始指標(biāo)矩陣Cm×n進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，求得標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)矩陣Am×n。

(13)

式中cij、aij分別表示方案i中指標(biāo)j的原始指標(biāo)值以及標(biāo)準(zhǔn)化指標(biāo)值。

(2)加權(quán)運(yùn)算。由3.1.1節(jié)所述方法求得主觀權(quán)重矩陣ω，將標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)矩陣A帶入3.1.2節(jié)求得客觀權(quán)重矩陣μ，依據(jù)所求得的ω和μ，同時參照3.1.3節(jié)組合權(quán)重計算方法可得組合權(quán)重矩陣θ，進(jìn)一步將A和θ帶入式(14)即可獲取加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)矩陣Qm×n

Qm×n=Am×n·θ1×n=(qij)m×n

(14)

式中qij為方案i中指標(biāo)j的加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)值。

(15)

(4)投影法求貼近度。設(shè)Q-為空間坐標(biāo)系原點(diǎn)，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(quán)標(biāo)準(zhǔn)矩陣q即為坐標(biāo)系內(nèi)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(yōu)劣轉(zhuǎn)化為其在參考向量上投影的大小，避免了傳統(tǒng)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(jìn)TOPSIS的鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES效益綜合評價流程如圖3所示。此外，參照文獻(xiàn)[19]定義靈敏度η以衡量綜合評價方法的區(qū)分度，其值越大則區(qū)分度越高，反之越低，具體計算方法為

圖3 改進(jìn)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(tài)鄉(xiāng)鎮(zhèn)綜合能源系統(tǒng)示范工程為例對本文所提方法進(jìn)行驗證，其基本系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。該鄉(xiāng)鎮(zhèn)年平均風(fēng)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(fā)展農(nóng)業(yè)生態(tài)養(yǎng)殖，生物質(zhì)能潛力充沛，同時還具備豐富的淺層地?zé)豳Y源。當(dāng)?shù)厮募痉置?，常年存在?熱/冷負(fù)荷需求，設(shè)計電、熱、冷負(fù)荷依次為1 382.7 kW、976.4 kW、1 159.3 kW，規(guī)劃周期20年。采用本文方法對不同投資方擬定的3種鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES規(guī)劃方案進(jìn)行綜合評價分析，各方案指標(biāo)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(biāo)初值Tab.2 Evaluation index data of each scheme

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

4.1 指標(biāo)權(quán)重計算

首先依照3.1節(jié)中所述指標(biāo)權(quán)重計算方法，求得DEMATEL分析結(jié)果如圖4所示，二級指標(biāo)AHP權(quán)重、修正后的主觀權(quán)重、客觀權(quán)重及組合權(quán)重如表4所示，一級指標(biāo)主客觀權(quán)重及其組合權(quán)重如圖5所示。

圖4 DEMATEL分析結(jié)果Fig.4 Results of DEMATEL analysis

表4 二級指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果Tab.4 Calculation results of second level index weight

圖5 一級指標(biāo)權(quán)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(biāo)之于評價體系的重要程度。對比分析圖4及表4中AHP權(quán)重與主觀權(quán)重可知，指標(biāo)C11、C12、C21、C22、C24、C32屬于原因型指標(biāo)，其影響度遠(yuǎn)大于被影響度，故具有較高的中心度，而指標(biāo)C14和C31為結(jié)果型指標(biāo)，其影響度雖低，但受其他因素影響程度較高，同樣表現(xiàn)出較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，因此，這些指標(biāo)的主觀權(quán)重較AHP權(quán)重有所提高。反之，同樣屬于結(jié)果型指標(biāo)的C41～C43、C51和C53，其被影響度雖適中但影響度偏低，導(dǎo)致中心度較低，而對于指標(biāo)C13和C33，由于其僅與少數(shù)指標(biāo)存在關(guān)聯(lián)，較之其他因素相對獨(dú)立，因而這些指標(biāo)的主觀權(quán)重降低。結(jié)合各指標(biāo)具體含義可以發(fā)現(xiàn)，上述權(quán)值調(diào)整貼合指標(biāo)體系的內(nèi)在邏輯關(guān)系，與鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES評價的客觀工程原理相符。因此，經(jīng)DEMATEL修正后主觀權(quán)重較之原始AHP權(quán)重更加科學(xué)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(biāo)間的交叉關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致指標(biāo)權(quán)值波動較大。而由反熵權(quán)法求得的客觀權(quán)重則較為平穩(wěn)，充分體現(xiàn)了其對指標(biāo)差異不敏感的優(yōu)勢。相比之下，組合權(quán)重兼顧了決策者意志以及指標(biāo)數(shù)據(jù)自身信息，其大小介于主觀權(quán)重與客觀權(quán)重之間，較之傳統(tǒng)單一賦權(quán)方法更加具有說服力。就具體權(quán)重分布而言，結(jié)合表4和圖5可知，主客觀賦權(quán)方法均賦予了技術(shù)性能最大的權(quán)重分配，可見在高比例分布式能源接入下的鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES中，技術(shù)手段是關(guān)乎其綜合效益重要因素，這還體現(xiàn)在二級指標(biāo)中清潔能源比例C22具有最高的權(quán)值。同樣對評價結(jié)果有較大影響的指標(biāo)還有大氣污染排放C42、噪音污染指數(shù)C43、能源轉(zhuǎn)換效率C21和供能缺額概率C23等，這與鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES清潔高效、綠色可持續(xù)的建設(shè)運(yùn)營理念相吻合，同時也驗證了賦權(quán)結(jié)果的合理性。

4.2 評價結(jié)果分析

基于上述指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果和具體指標(biāo)數(shù)值，采用所提改進(jìn)TOPSIS模型分別對3組方案進(jìn)行分析，求得綜合評價結(jié)果以及一級指標(biāo)評價結(jié)果雷達(dá)圖分別如表5以及圖6所示。

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

圖6 一級指標(biāo)評價結(jié)果雷達(dá)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(jié)論為方案2>方案3>方案1。進(jìn)一步分析3組方案的具體配置信息和指標(biāo)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(fēng)光滲透比例，轉(zhuǎn)而大量采用工藝水平較差的生物質(zhì)能以追求最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益，在節(jié)約自身投資維護(hù)支出的同時，降低了居民用能成本，但這也導(dǎo)致鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES在運(yùn)行方式及生態(tài)環(huán)保方面劣勢明顯。方案3則以經(jīng)濟(jì)收益為代價換取環(huán)境效益，其更多選用單價高但噪聲小的光伏，同時充分發(fā)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(tǒng)運(yùn)行于更加環(huán)保、靈活、可靠的狀態(tài)，然而，沼氣機(jī)組容量的減少也使方案3在生物質(zhì)能消納方面不盡理想，嚴(yán)重影響了指標(biāo)C22和指標(biāo)C52的水平。對比方案1與方案2，后者僅在指標(biāo)C1和指標(biāo)C5方面均遜于前者，且兩項指標(biāo)所占權(quán)重僅為0.191 5和0.155 8，故方案2優(yōu)于方案1。

與上述方案相比，方案1更多選用較為廉價的風(fēng)電，并合理分配沼氣及地源熱泵機(jī)組容量，在轉(zhuǎn)換效率和消納數(shù)量上均實(shí)現(xiàn)了清潔能源的最優(yōu)利用，同時適當(dāng)購置儲能設(shè)備以維持系統(tǒng)的靈活可靠運(yùn)行，其在鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES的經(jīng)濟(jì)與和環(huán)境效益間進(jìn)行了權(quán)衡，能夠較好地推動鄉(xiāng)鎮(zhèn)社會發(fā)展。在5項一級評價指標(biāo)中，方案1有2項最優(yōu)僅1項最劣，因此排序最高，可見上述分析結(jié)果本文方法所得結(jié)論一致。

4.3 評價結(jié)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(quán)集對分析法(SPA)等傳統(tǒng)方法所得評價排序進(jìn)行比較。其中，F(xiàn)uzzy-AHP在求得AHP權(quán)重的基礎(chǔ)上，采用模糊綜合評價方法進(jìn)行評價[20]；PCA采用線性加權(quán)模型計算綜合評價值[21]；加權(quán)SPA通過AHP-熵權(quán)法求得指標(biāo)權(quán)重，再由SPA模型輸出評價結(jié)果[22]。Fuzzy-AHP和加權(quán)SPA所需的AHP權(quán)重及評語集設(shè)置均與本文方法一致，同一方法中評價結(jié)果數(shù)值越大的方案越優(yōu)且排序越高，不同方法求得的評價結(jié)果及排序如表6所示。

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

由表6可知，除PCA所得結(jié)論為方案1>方案2>方案3外，本文方法、Fuzzy-AHP和加權(quán)SPA三種方法所得結(jié)論均為方案2>方案3>方案1，這是由于PCA過分依賴指標(biāo)數(shù)據(jù)所蘊(yùn)含的內(nèi)在客觀規(guī)律，雖消除了指標(biāo)間的相關(guān)性，但忽視了決策者在鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES建設(shè)過程中的導(dǎo)向作用，導(dǎo)致評價結(jié)果與工程實(shí)際需求不符?？紤]到剩余三種方法所得評價結(jié)果之間難以直接進(jìn)行比較，引入靈敏度指標(biāo)對其進(jìn)行分析[22]，參照式(17)求得本文方法的靈敏度為9.3%，明顯優(yōu)于靈敏度分別為4.3%和4.4%的Fuzzy-AHP和加權(quán)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(shí)施原理角度出發(fā)可以發(fā)現(xiàn)，較之本文方法，盡管Fuzzy-AHP得出了相同結(jié)論，但由AHP所得指標(biāo)權(quán)重易受主觀經(jīng)驗影響，且Fuzzy理論中隸屬函數(shù)的選取相對固化，這些都給鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES效益綜合評價增添了不確定因素；加權(quán)SPA的結(jié)論雖然也與本文方法一致，但其所采用的AHP-熵權(quán)法未考慮指標(biāo)間的關(guān)聯(lián)性影響，所得鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES綜合評價結(jié)果并不具有普適性；相比之下，本文模型彌補(bǔ)了上述方法存在的缺陷，且運(yùn)算簡單，原理清晰，可為鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES的推廣建設(shè)提供參考。

5 結(jié)束語

針對鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES的效益綜合評價問題，分別從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、運(yùn)營、環(huán)保和社會5個層面構(gòu)建鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES評價指標(biāo)體系，并采用融合了AHP-DEMATEL和反熵權(quán)法的改進(jìn)TOPSIS綜合評價模型全面衡量鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES效益，通過工程實(shí)例分析得出以下結(jié)論：

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

(2)采用主客觀組合賦權(quán)方法，并引入DEMATEL體現(xiàn)不同指標(biāo)間的交叉影響作用，較之傳統(tǒng)單一賦權(quán)方法，所得結(jié)果更加科學(xué)；

(3)所提出的改進(jìn)TOPSISI綜合評價模型能夠合理給出鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES的評價結(jié)果，具有實(shí)用性強(qiáng)、普適性好的優(yōu)點(diǎn)，對于鄉(xiāng)鎮(zhèn)IES效益綜合評價具有一定的指導(dǎo)意義。