中国架空输电线路生命周期低碳评估：层次分析法与熵权法相结合的综合方法

《Energies》：Life-Cycle Low-Carbon Assessment of Overhead Transmission Lines in China: A Combined Approach Using the Analytic Hierarchy Process and Entropy Weighting

　　

受全球碳中和目标的驱动，电力系统的低碳转型 necessitates 对电网基础设施进行严格的碳评估。然而，现有的对架空输电线路的评估通常表现出不完整的生命周期边界，并且缺乏主观与客观权重分配的协调方法。为了填补这些空白，本研究以架空输电线路为目标，构建了一个全面的低碳评价指标体系，该体系涵盖了设计、施工、运营和回收四个生命周期阶段的14项指标。基于层次分析法（AHP）和熵权法相结合的方法，提出了一种混合评估模型。AHP被用于导出基于专家的主观权重，而熵权法从多个样本中提取客观数据变化，随后将两者集成以获得稳健的组合权重。通过对中国一个500 kV双回路架空输电线路项目的实证分析，验证了所提出的框架。结果显示，综合评估得分为80.219，对应于“低碳”等级。此外，线损率（0.234227）、运营碳排放量（0.133978）和单位长度钢材消耗量（0.122381）被认定为决定评估结果的关键指标。本研究为输电线路项目的低碳设计、绿色施工、运营损耗降低以及资源化退役决策提供了量化支持和实践标准。

在全球碳达峰与碳中和目标的约束下，电力系统的低碳转型已逐渐从发电侧延伸至电网建设与运行的全过程。作为长距离输电与可再生能源消纳的关键基础设施，架空输电线路具有线路长、材料消耗大、服役寿命长及环境适应性要求高的特点。架空输电线路的碳排放会贯穿其设计、材料生产、施工运输、长期运维以及退役回收的整个生命周期。以往针对变电站等点状工程的研究较多，而架空输电线路作为典型的线性工程，其碳排放受路径选择、杆塔布置、基础型式及导线参数等线路特有因素的深刻影响。在长达30至40年的服役期内，电阻损耗、电晕损耗及无功功率引起的附加损耗将不断累积。现有的低碳评估方法多局限于施工阶段的材料消耗或单一减排技术，低估了设计源头管控与长期运行损耗的影响；同时，现有指标体系未能紧密贴合线性工程特征，且权重分配多依赖纯主观或纯客观方法，难以平衡专家经验、工程安全约束与实际数据差异。开展全生命周期的低碳评估对于绿色设计审查、施工过程控制、运行优化及资源化退役管理具有重要意义。为此，研究人员针对中国架空输电线路构建了涵盖设计、施工、运行及回收四个阶段14个指标的低碳评价指标体系，并开展了实证研究，相关成果发表在《Energies》期刊上。

在关键技术方法方面，研究人员主要采用了以下几种方法：采用层次分析法（AHP）获取基于专家判断的主观权重，并结合国内外电网基建与碳核算领域的专家咨询构建判断矩阵；引入基于信息论的熵权法（EWM），利用6个涵盖110 kV、220 kV与500 kV电压等级及不同地形条件的真实输电线路工程样本数据提取客观权重；应用乘法集成组合赋权法计算综合权重，以凸显主客观一致性高的关键指标；最后基于某500 kV同塔双回架空输电线路工程开展实例验证，采用基准归一化百分制对各项指标进行量化评分与等级评定。

在“架空输电线路低碳评价指标体系构建”部分，研究人员依据全生命周期、工程适用性、可量化、低碳相关性、可比性及安全约束等原则，将指标分为正向与负向两类，构建了包含目标层、准则层（B₁设计阶段、B₂施工阶段、B₃运行阶段、B₄回收阶段）和指标层（14个具体指标）的递阶层次结构。设计阶段指标体现了源头控制，如设计周期、低碳钢利用率和塔重；施工阶段反映了隐含碳排放、机械与运输排放；运行阶段反映了长期损耗与优化能力；鉴于尚未进入退役期，回收阶段指标采用了设计文件中设定的钢、导线和混凝土资源化利用目标值。

在“基于AHP-熵权组合赋权法的评估模型”部分，研究人员通过构造两两比较判断矩阵计算主观权重，并进行了严格的一致性检验，计算出准则层最大特征值λ_max为4.0310，一致性比例C.R.=0.0116<0.10，满足要求。客观权重计算则通过计算各指标的熵值与差异系数，根据样本数据的离散程度进行赋权。采用乘法组合赋权法得到最终综合权重，结果表明，线损率（C₈）、运行总碳排放量（C₁₁）和单位长度钢材消耗量（C₄）的综合权重较高，分别为0.234227、0.133978和0.122381，说明长期运行损耗与施工期钢耗是核心影响因素。为避免重复计算，C₈被视为独立于工程规模的运营效率指标，而C₁₁则代表考虑线路长度与电网排放因子后的绝对碳排放规模。

在“工程实例分析”部分，研究人员选取了位于中国南方某全长34.085 km、跨越平丘与局部水网地形的500 kV双回路架空输电线路项目作为案例。该线路采用JL/LB20A-630/45型导线，设计寿命40年。通过建立100分制基准归一化打分体系，得出该项目综合评价得分为80.219分，处于[80, 90]区间，被划定为“低碳”等级。研究指出，运行阶段控制较好，但塔材与基础混凝土的单位消耗量偏高限制了施工期得分。敏感性分析表明，在等权重、经验权重与熟悉度权重三种方案下，综合得分波动仅0.263分，线损率、运行碳排放与钢耗的排名保持不变，结论具备稳健性。

在总结讨论与研究结论部分，研究人员强调，架空输电线路的碳减排不应仅依赖单一措施，而应建立融合设计源头削减、低碳建材使用、运营损耗控制与资源化退役的全生命周期管理模式。建议在设计阶段将低碳钢利用与塔重优化纳入审查；施工阶段优先控制钢与混凝土消耗并优化运输组织；运行阶段通过无功补偿、动态增容与状态监测降低线损；回收阶段应提前设定资源利用率目标并建立可追溯的材料台账。研究同时指出，当前熵权计算样本局限于6个工程，部分参数基于同类工程估算，且回收阶段指标尚属前瞻性承诺，未来需扩充项目数据库并采用实际退役数据更新指标体系。该研究成果为输电线路项目的低碳评估、优化设计及减排方案选择提供了可量化的决策参考标准。