高耗能企业电力能效等级评估方法.pdf

第 5 2卷第 6期 2 0 1 5年3月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e nt& I n s t r u m e n t a t i o n VO I ． 5 2 NO ． 6 M a r ． 2 5， 2 0 1 5 高耗能企业 电力能效等级评估 方法 方彦军 ， 唐猛 ， 黄巍 ( 1 ． 武汉大学 自动化 系， 武汉 4 3 0 0 7 2 ； 2 ．哈 尔滨电工仪表研 究所， 哈 尔滨 1 5 0 0 2 8 ) 摘要： 针对 目前国内对高耗能企业 的电力能效状态缺乏有效地评估 ， 提出了一种基于模糊集对法的高耗能企业 电力能效评估方法 ， 从而为实现对企业 电能的优化管理提供理论基础。首先依据高耗能企业电力能效监测终 端采集到的能效数据 ， 建立 了企业 电力能效等级评估指标体系 ， 并首次提出了高耗能企业电力能效标识这一概 念 ； 其次采用层次分析法与熵权法相结合的定权方法 ， 使求得 的综合权重既注重专家经验又体现了评价 的客观 性 ； 最后计算出各指标所对应的联系度 ， 并采用最大置信度原则确定企业能效等级。通过实例分析比较表明了 该方法计算简洁、 准确度高， 具有较强的实用价值 。 关键词 ： 集对分析 ； 高耗能企业 ； 电力能效评估 ； 能效标识 中图分类号 ： T M 7 1 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 ． 1 3 9 0 ( 2 0 1 5 ) 0 6 — 0 0 0 6 ． 0 5 El e c t r i c i t y e n e r g y e ffi c i e n c y r a t i ng a s s e s s me n t m e t h o d f o r hi g h e n e r g y- c o n s umi n g e nt e r pr i s e s F a n g Y a n j u n ， T a n g M e n g ， H u a n g We i ( ． D e p a r t m e n t o fA u t o m a t i o n ， W u h a n U n i v e r s i t y ， W u h a n 4 3 0 0 7 2， H u b e i ， C h i n a ． 2 ．H a r b i n R e s e a r c h I n s t i t u t e of E l e c t r i c a l I n s t r u m e n t a t i o n ， H a r b i n 1 5 0 0 2 8 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：I n v i e w o f t h e de fic i e nc i e s i n t h e e l e c t r i c i t y e n e r g y e f f i c i e n c y e v a l u a t i o n me t h o d s u s e d i n t he do me s t i c h i g h e n e r g y — c o n s u mi n g e n t e r p r i s e s，a n e l e c t r i c i t y e n e r g y e f fic i e n c y r a t i n g a s s e s s me n t me t ho d b a s e d o n t h e f u z z y s e t p a i r a — n a l y s i s wa s p u t f o r wa r d f o r t he h i g h e n e r g y — c o n s u mi n g e n t e rpr i s e s ，p r o v i d i n g t h e o r e t i c a l b a s e s for t h e e n t e rp r i s e e n e r g y o p t i mi z i n g ma n a g e me n t ．Fi r s t ，a n e v a l u a t i o n i n d e x s y s t e m o f e l e c t ric i t y e n e r gy e f f i c i e n c y r a t i n g wa s e s t a b l i s he d o n t h e b a s i s o f t h e e n e r gy e ffic i e n c y d a t a c o l l e c t e d b y t h e e l e c t r i c i t y e n e r gy e ffi c i e n c y mo ni t o r i n g t e r mi n a l o f t h e h i g h e n e r g y — c o ns u mi ng e nt e rpr i s e s，a nd t h e c o n c e p t o f e l e c t ric i t y e n e r gy e ffic i e n c y 1 a b e l f o r h i g h e ne r g y - c o ns u mi n g e n t e rp ris e s wa s i n t r o d u c e d for t h e fir s t t i me．Th e n，t h e s y n t h e s i z e d i n d e x we i g h t s we r e fig u r e d o u t b y me a n s o f t he c o mb i n a t i o n o f t h e a n a l y t i c a l h i e r a r c h y pr o c e s s a n d t he e n t r o p y me t h o d，whi c h n o t o n l y l a i d e mp h a s i s o n e x p e r t e x p e r i e nc e bu t a l s o r e fl e c t e d o b j e c t i v i t y o f t h e e v a l u a t i o n ．F i n a l l y ， t h e c o r r e s p o n d i n g c o n n e c t i o n d e g r e e o f e a c h i n d e x w a s c a l c u l a t e d ， a n d t h e b i g g e s t c o n fid e nc e p r i n c i p l e wa s u s e d t o d e fin e t h e e n t e rpr i s e e n e r g y e ffic i e n c y r a t i ng ．Th e s i mp l i c i t y，a c c ur a c y a n d p r a c t i c a l v a l u e s o f t h e me t h o d we r e v e rifi e d b y t h e c a s e a n a l y s i s a n d r e s u l t c o mp a r i s o n ． Ke ywo r ds：s e t p a i r a n a l y s i s ，h i g h e n e r g y — c o n s u mi n g e n t e r pr i s e，e l e c t r i c i t y e n e r g y e ffi c i e n c y e v a l u a t i o n， e n e r g y e f f i — c i e n c y 1 a b e l 0引 言 国家“ 十二五” 节能减排约束性 目标的实现面临 严峻挑战， 2 0 1 3年我国规模 以上工业能耗 占全 国总 能耗 的 7 2 ． 6 6 ％ ， 高 耗 能行 业 能 耗 占工 业 能 耗 的 7 7 ． 8 ％， 远高于世界 主要经济体在工业化 过程 中的 最高占比， 且还呈上 升趋势 。因此 ， 高能耗企业 ～ 6 一 是节能技 术发展 和创新 的主要需 求来源 和应用 载 体 ， 对该类型企业进行科学有效的能效评估 ， 可 以全 面了解其生产 的整体用能状况 ， 反 映主要 能耗 问题 及节能潜力 ， 并且能够根据企业各 能效环节 的评 估 结果 ， 有针对性地制订出最佳节能方案 ， 降低 区域或 地方的能源消耗率 ， 同时为全社会 实施节 电改造及 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 6期 2 0 1 5年3月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I ns t r ume n t a t i o n V0I ． 5 2 NO． 6 M ar ． 2 5。 2 0 1 5 节能考核提供科 学准确的依据， 为我 国节能 目标 的 实现发挥重要作用。 文献[ 3 ] 和文献[ 4 ] 采用模糊综合评估法对 电力 客户能效状态进行综合评估， 但在隶属度相近时易 造成评估结果失效 。文献 [ 5 ] 采用层次分析法进行 企业 电力能效评估方法 ， 但评估 的随机性和评估专 家的主观性会使结果的可信度下降。 集对分析是中国学者赵克勤提 出的一种研究不 确定性 的数学方法 ， 具有概念清晰、 计算方法简单及 评价直观等优点 ， 用来处理模糊 、 随机和信息不完全 所带来 的不确定性问题具有很大的优势 一 ] 。随着 自身理论的发展和不断完善 ， 现 已在变压器绝 缘评 估 8 J 、 安全防范系统评估 、 电动汽车充电站能效评 估 _ 1 、 柔性 电网规划评估 等领域得到初步应用 ， 并展现 了广阔的应用前景。 在建立 高耗 能企 业 电力 能效评 估模 型 的基础 上 ， 引入集对分析法 ， 建立各能效指标 的联系度表达 式 ， 并结合各指标权重 ， 实现了对高耗能企业 电力能 效的综合评估 。 1 高耗能企业能效评估模型的建立 1 ． 1评估 指标 体 系 文章依据 国家电网公司电力需求侧管理实施办 法的要求 ， 并结合高耗能企业 电能消耗特点及企 业级电力能效监测终端 的采集数据 ， 分别从全社会、 电力企业 、 电力客户等多方面进行综合考虑 ， 最终选 取 了若干能够直接或者 间接反 映企业能效水平 的特 征量 ， 构成 了高耗能企业 电力能效等级评估指标 体 系 如 图 1 所示 。 图 1 高耗能企业电力能效等级评估指标体 系 Fi g ． 1 Ev a l u a t i o n i n d e x s y s t e m o f t h e e l e c t r i c i t y e n e r g y e ffi c i e n c y r a t i n g f o r h i g h e ne r g y - c o n s umi n g e n t e r p r i s e s 1 ． 2 能 效 指 标 的 归 一 化 处 理 企业能效指标体系 中既有定量指标又有定性 指 标 ， 且具有不同的量纲和数量级 ， 因此不能直接进行 比较 ， 必须进行归一化处理。对于定性指标 ， 主要依 据专家经验进行定性描述 ， 即采用专 家打分法 ， 打分 范围为 [ 0， 1 ] ； 对 于定量指标 ， 引入相对优化度 的概 念将 各指 标值 进 行无 量纲 化处 理 ， 其取 值 范 围为 [ 0 ， 1 ] ， 这样就避免 了因各指标 的量纲 、 数量级不 同 而造成评估的能效等级不匹配。 对于成本型( 极小型 ) 指标 ， 其数值越小 ， 能效越 优 ， 其无量纲化 的处理公式为： X = [ 鲁 r。 < < 6 ( 1 ) 0 ≥ b 对于效益型( 极大型) 指标 ， 其数值越大， 能效越 优 ， 其无量纲化的处理公式为 ： X ： [ ] “6 b i +c j ( 5 ) 式 中 b 为差异度 的不同级 ； i 为差异度不确定系数 的组分 ， 且同样满足 。+∑b +C =1 。 一 8 — 2 ． 2模糊 集对评 估模 型 根据评 估对 象建立其 评估 指标 体系及 评估标 准 ， 设待评估样本的指标值为 X ( m=1 ， 2 ⋯ ． F I, ) ， 对 应的能效等级划分为 级。令指标 属于集合 U， 将其视为集合 A， 各能效 等级 H={ H 、 、 ⋯ 、 } ， 当做集合 B， 则 U与 H构成集对 P=( U， H) 。则 ， 集 对 P的 元联系度 表示为 ： m = 0 m 十 b m ．1。i 1+ ⋯ 十 b m ． ‘ i 十c m‘ j ( 6 ) 式 中 n 表示指标 与 级标准的同一度 ； b m ,z为差 异度 ， 表示指标 与 级标 准差异 ( 取 =1 ， 2 ⋯ 一 2 ) 级 ； c 为对立度， 表示指标 与 K级标 准差 异 K一1 级 。 为便于评估 ， 可将 K元联 系度 的数学 内涵定 义 如下 ： 6 t 特指指标 隶属于 第 1 级标准的可能程 度 ； 6 ～特指指标 隶属于 日第 z+1级标准 的可能 程度 ； c 特指指标 隶属于日第 K级标准的可能程 度。则 ， 集对 P=( ， 日) 的 元联系度 定义为 ： ( U～ )=∑∞ =∑ n +∑ m 一1 m l m = l b i 1 + ∑∞ b i2 + ． ． +∑∞ - b i 一 2 m ：l m = l +> ‘ C ( 7 ) m = l 式 中 为指标 的权重 ， 具体计算方法见 2 ． 4节。 由此可见 ， 评估的关键在于确定 和指标 的权 重 。 2 ． 3 的计算 针对本文选取 的企业能效指标属性 ， 并考虑 到 能效等级标 准边 界值 的模糊性 ， 可建立如下相对优 化度指标 与 级标 准 的 元 联 系度计算 公式 ( 8 ) 。 式 中 0<S l <S 2 <⋯<S K — l <1 ， S 一 为能效等级 的 区间阈值 ， 对应关系如表 2所示。 表 2 能效等级与隶属 区间阈值的对应关 系 Ta b ． 2 Re l a t i o n s be t we e n g r a de s a n d t h r e s h o l ds 文中根据评估体系 的特性取 K=5 ， 即划分 为 5 个评估等级， 则 ／ x 的示意图如图2所示。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 6期 2 0 1 5年3月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I n s t r u me n t a t i o n V0 L 5 2 NO ． 6 M a r ． 2 5。 2 0 1 5 ／ ．t =1+0i +0i 2+⋯ 0i ～2 + ； S S + S } ．_ S + 0 ： + ⋯ + ； 1 — 2 。 1 — 2 ⋯ 2 。 。 ’ 0i 一2 + ； 。 + 等i2 + ．．． + 0 iK _2 + O j ； < ； 。 +。 +。 +⋯+ 一 + 墨 ； 0+0i +0 2+ ⋯ 0 一2 +U； l 图 2联 系度 的 示意 图 Fi g ． 2 S c h e ma t i c d i a g r a m o f c o n n e c t i o n d e g r e e s 目前对于高耗能企业还缺乏统一或通用 的能效 等级评价指标的分类标准 ， 本文根据能效等级的划分 和评估指标相对优化度的语义定义 ， 取能效等级 阈值 分别为 S = 0 ． 8 ， S ： 0 ． 6 ， S 3 = 0 ． 4 ， S = 0 ． 2 。 2 ． 4 各级指标权重 ∞ 的计算 由于企业电力能效监测终端所采集的能效指标 众多 ， 因此各级指标权重的确定是能效评估 中的一个 关键问题 ， 其精确性直接影响到最终评估结果 的准确 性和有效性。本文采用主观与客 观相结合的定权方 法 ： 首先采用层次分析法确定主观权重_ 1 。 ” 为 ∞ ， 然 后运用熵权法得到各指标的客观权重 ， 最后得到其综 合权重。 采用熵权法时， 若某项指标的熵值越小 ， 则该指 标对对整体评价体系的作用越大 ， 其权重就越大。具 体步骤如下 ： ( 1 )计算第 m项指标的信息熵 n E =一 Z z ( 9 ) m =1 n 式中 k=1 ／ l n ， 凡为指标个数 ； Z = X ／∑．X ， X 为第 m项指标无量纲化值 。 ( 2 )计算第 m项指标的熵权 n =G ／ G ( 1 0 ) ≥ S S】+S2 — _ 二≤ A ( 1 2 ) n ／ l n 式 中 =∑ X ， _厂 2 =∑ ∞ ‘ b ， ， ⋯ ， = ∑ ， C ； k =1 ， 2 一， K； A为置信度水平 ， 置 信区间一 般为[ 0 ． 5 0 ， 0 ． 7 0 ] ， A越大 ， 则评估结果越倾 于稳妥 ， 本 文取 A= 0 ． 6 。 3能效评估实例分析 根据 到高耗能企业进行实地调研 以及查阅相关 资料 ， 本文 以水泥行业作为研究对象 ， 以某 一水 泥厂 电力能效监测终端一个月( 3 0天) 所采集到的数据为 基础 ， 并根据图 1 所建立的高耗能企业电力能效等级 评估指标体系对该企业进行电力能效评估。具体能 效数据如表 3所示 ： 表 3电力 能效数 据 T a b． 3 El e c t r i c i t y e ne r g y e ffi c i e nc y d a t a 一 9 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 6期 2 0 1 5年3月2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e n t＆ I n s t r u me n t at i o n VO 1 ． 5 2 No ． 6 M a r ． 2 5。 2 0 1 5 首先利用式( 1 ) 和式( 2 ) 依次得到各级状态指标 的无量纲化值为 X ={ ， 。 。 }={ 0 ． 7 3 ， 0 ． 5 9 ， 0 ． 7 4} ， X 2={ 2 1 ， 2 2 ， 2 3 ， ， 2 4 ， 2 5 } ：{ 0 ． 5 6 ， 0 ． 3 3 ， 0 ． 4 5 ， 0 ． 1 8 ， 0 ． 6 8 } ， X 3 ={ 3 1 ， 3 2 ， 3 3 }：{ 0 ． 7 9， 0 ． 7 8 ， 0 ． 7 7 } ； 再 由式 ( 8 ) 计算出依次计算 出各级 电力能效 指标与能效等级的联系度 ， 如表 4所示 ； 最后 ， 由 2 ． 4 节所述 的权重求 取方法确定各 级指标 的权重 ， 见表 5 ， 并利用式 ( 1 2 ) 可得到该企业的电力能效等级综合 评估结果 ， 如表 6所示。 由表 7结果 ， 根据 2 ． 4节置信度准则式 ( 1 2 ) 可 得 ， 该企业 的电力能效等级为 H 类属 于 2级电耗水 泥企业 ， 即能效水平略高于同类企业的平均水平 ， 能 效水平较高。 表 4二级指标联 系度的计算值 Ta b． 4 Ca l c u l a t e d v a l u e s f o r t he c o n n e c t i o n d e g r e e s o f t he s e c o n da r y i nd e x e s 一 级指标 权重 二级指标权重 表 6能效评估结果 Ta b． 6 Ev a l u a t i o n r e s u l t s o f e n e r g y e f f i c i e n c y — l 0 一 表 7 不同评估方法的对比结果 Ta b． 7 Co mp a r i s o n r e s u l t s o f d i f f e r e n t a s s e s s me n t me t h o d s 可 以看 出， 以上 3种方法 的评估结果一致 ， 验证 了本文方法的有效性。与前两者相 比， 采用集对分析 方法能够更加简单 、 快速、 有效 的对高耗能企业进行 能效等级评估 ， 为高耗能企业 电力能效评估提供了新 的思路 ， 也为建立高耗能企业能效标识制度提供了理 论依据。 4结束语 ( 1 )提出了一种基于模糊集对分析方法的高耗 能企业能效等级评估方法 ， 通过构造联系度及其数学 表达式处理评估指标 的不确定性和模糊性 ， 解决 了评 估等级边界值难 以确定这一问题 ， 并采用主观与客观 相结合的综合权重 ， 实现了对高耗能企业能效等级的 科学划分 ； ( 2 )引入信度准则判断企业能效等级 ， 避免 了差 异不确定系数的求取 ， 简化 了评估算法 。实例分析表 明， 基于集对分析的评估策略可以用来评判企业单项 和整体能效状况 ， 评估 方法简单 、 直观， 评定结果 正 确 、 可行 ； ( 3 )提出了高耗能企业 电力能效标识制度的概 念 ， 为今后实施高耗能企业差别 电价及节能考核标准 提供了理论依据 ； ( 4 ) 目前对于高耗能企业的能效评估还存在很 多不足 ： 一方面高耗能企业能效数据监测系统还不够 完善 ， 无法 为能效评估工作 提供准确可靠 的能效 数 据 ； 另一方面 电力能效 系统数据管理方法落后 ， 对数 据挖掘工作形成了一定的制约性。 参 考 文 献 [ 1 ]王蓓蓓 ，李扬 ， 高赐威 ， 等．智能电网框架下 的需求侧 管理展望 与思考 [ J ] ． 电力系统 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 3 ( 2 O )： 1 7 ． 2 2 ． W a n g Be i b e i ，L i Ya n g，Ga o Ci we i ，e t a 1 ．De ma n d s i d e ma n a g e me n t o u t l o o k u n d e r s m a r t g ri d i n fr a s t r u c t u r e[ J ] ． Au t o m a t i o n o f E l e c t r i c P o w e r S y s t e ms ， 2 0 0 9， 3 3 ( 2 0 ) ：1 7 — 2 2 ． [ 2 ]陈志强 ，杨永标 ，朱金大 ， 等．新型电力需求侧 管理终端的研制 [ J ] ． 电力系统 自动化 ， 2 0 0 9 ， 3 3 ( 2 O ) ：1 0 4 — 1 0 7 ． ( 下转第 5 4页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m