基于支持向量機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)快速投資估算

方疆，劉慶超

(1.新疆華電十三間房風(fēng)電有限責(zé)任公司，新疆 哈密 839000;2.華電電力科學(xué)研究院，浙江 杭州 310030)

1 問題的提出

根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)階段，大致可分為前期規(guī)劃、項(xiàng)目建議書(預(yù)可行性研究)、可行性研究、初步設(shè)計(jì)、施工圖設(shè)計(jì)及竣工圖設(shè)計(jì)幾個(gè)階段［1］。

不同設(shè)計(jì)階段所對(duì)應(yīng)的投資深度不同，項(xiàng)目前期規(guī)劃及項(xiàng)目建議書階段的投資可稱為投資估算，主要方法有生產(chǎn)能力指數(shù)法、單位生產(chǎn)能力法、比例法及系數(shù)法等。在可行性研究階段的投資通常稱為投資概算，主要編制依據(jù)為水電水利規(guī)劃設(shè)計(jì)總院編制的FD 022—2007《風(fēng)電場(chǎng)工程可行性研究報(bào)告設(shè)計(jì)概算編制辦法及計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》和FD 004—2007《風(fēng)電場(chǎng)工程概算定額》。風(fēng)電場(chǎng)可行性研究設(shè)計(jì)深度通常要求達(dá)到工程初步設(shè)計(jì)深度，但是，風(fēng)電目前處于大發(fā)展階段，業(yè)主給設(shè)計(jì)單位進(jìn)行可行性研究時(shí)間較短，其設(shè)計(jì)方案往往無法達(dá)到初步設(shè)計(jì)深度。部分發(fā)電集團(tuán)公司增加了初步設(shè)計(jì)階段，其套用的定額除FD 004—2007《風(fēng)電場(chǎng)工程概算定額》，還增加了《電力工程建設(shè)概算定額》(2006年版)，在深度上更加符合電力工程建設(shè)需要，施工圖階段主要套用《電力建設(shè)工程預(yù)算定額》(2006年版)。

項(xiàng)目投資決策通常發(fā)生在項(xiàng)目前期規(guī)劃、項(xiàng)目建議書及可行性研究階段，因此，如何對(duì)投資做出較為準(zhǔn)確的估算，對(duì)于投資決策行為至關(guān)重要。鑒于項(xiàng)目前期規(guī)劃、項(xiàng)目建議書2個(gè)階段投資估算通常為線性折算，考慮因素較少，準(zhǔn)確度亦不高，本文提出了基于支持向量機(jī)算法的風(fēng)電場(chǎng)快速投資估算方法［2－4］。

2 基于支持向量機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)投資估算模型

2.1 風(fēng)電場(chǎng)投資估算影響因素分析

在風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)中，影響總投資的主要因素有裝機(jī)容量、風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)、機(jī)組單位千瓦造價(jià)、地形、地基承載力特征值、地震烈度、基礎(chǔ)形式、風(fēng)機(jī)荷載、道路長度、集電線路形式、變電站電壓等級(jí)、永久征地費(fèi)用、臨時(shí)征地費(fèi)用等［1］。

(1)裝機(jī)容量指風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際安裝的額定有功功率的總和。裝機(jī)容量直接影響風(fēng)電場(chǎng)總投資，目前，平坦地形風(fēng)電場(chǎng)單位造價(jià)為7600～8600元/kW，復(fù)雜地形風(fēng)電場(chǎng)單位造價(jià)為9 000～12 000元/kW，灘涂及近海風(fēng)電場(chǎng)單位造價(jià)更高，因此，裝機(jī)容量直接影響造價(jià)高低。

(2)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)主要由風(fēng)電機(jī)組的單機(jī)容量決定。目前，裝機(jī)容量為50 MW級(jí)別的風(fēng)電場(chǎng)，1.5 MW機(jī)組共需33臺(tái)，2.0 MW機(jī)組共需24臺(tái)。不同單機(jī)容量風(fēng)電機(jī)組單位千瓦造價(jià)不等，單機(jī)容量越大，造價(jià)越高，由于占地面積等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)隨著單機(jī)容量增加而減小，這方面的費(fèi)用會(huì)有一定下降，因此，風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)是影響工程造價(jià)的一個(gè)重要因素。

(3)機(jī)組單位千瓦造價(jià)為機(jī)組造價(jià)的直接影響因素，不同階段的風(fēng)電機(jī)組造價(jià)不同，從2009年的6500元/kW下降到2011年的3600元/kW左右，使得已經(jīng)竣工投產(chǎn)的項(xiàng)目樣本與目前機(jī)組造價(jià)有較大區(qū)別，因此，選用機(jī)組單位千瓦造價(jià)作為主要因素具有一定意義。

(4)地形。根據(jù)目前國內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)地建設(shè)條件，主要分為山地風(fēng)電場(chǎng)、平坦風(fēng)電場(chǎng)、灘涂風(fēng)電場(chǎng)及海上風(fēng)電。不同建設(shè)條件對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的投資影響較大。山地風(fēng)電場(chǎng)土建投資通常占總投資的30% ～45%，平坦地形風(fēng)電場(chǎng)土建投資通常占總投資的20%～40%，灘涂風(fēng)電場(chǎng)土建投資通常占總投資的30% ～50%，海上風(fēng)電場(chǎng)土建部分占總投資的40%～50%左右。復(fù)雜地形土建工程投資較高主要是因?yàn)樯降氐匦蔚缆吠顿Y較大，在施工過程中二次倒運(yùn)費(fèi)用較高。海上風(fēng)電及灘涂風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)造價(jià)較高，施工難度大，因此，地形對(duì)風(fēng)電場(chǎng)投資具有較大影響。

(5)地基承載力特征值是指載荷試驗(yàn)測(cè)定的地基土壓力變形曲線線性變形段內(nèi)規(guī)定的變形所對(duì)應(yīng)的壓力值，其最大值為比例界限值。由FD 003—2007《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》(試行)可知，基礎(chǔ)的埋深應(yīng)滿足地基承載力、變形和穩(wěn)定性的要求。在地基抗壓計(jì)算中，當(dāng)承受軸心載荷時(shí)，要求荷載效應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)組合下，擴(kuò)展基礎(chǔ)底面處平均壓力要小于或等于修正后地基承載力特征值。當(dāng)承受偏心載荷時(shí)，在載荷效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，擴(kuò)展基礎(chǔ)底面邊緣最大壓力值要小于或等于修正后地基承載力特征值。因此，地基承載力特征值的大小能夠影響風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的埋深和風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的大小，進(jìn)而影響工程造價(jià)。在基礎(chǔ)變形計(jì)算中，主要驗(yàn)算沉降值和傾斜率，其結(jié)果不應(yīng)大于地基變形影響值。在計(jì)算地基沉降時(shí)，沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)主要由地基承載力特征值決定，從而影響基礎(chǔ)埋深和大小。

(6)地震烈度。由FD 003—2007《風(fēng)電機(jī)組地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)定》可知，在抗震設(shè)防烈度為9度及以上(或50年一遇極端風(fēng)速超過70 m/s)時(shí)，應(yīng)對(duì)于風(fēng)電機(jī)組的地基基礎(chǔ)進(jìn)行專題研究。當(dāng)?shù)卣鹆叶却笥诨虻扔?度時(shí)，應(yīng)計(jì)算多遇地震工況荷載下的地基設(shè)計(jì)內(nèi)容。通常其控制的載荷為多遇地震工況下的載荷，在此情況下，基地不允許脫開，從而影響基礎(chǔ)大小。

(7)基礎(chǔ)類型?；A(chǔ)類型主要有擴(kuò)展基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)和巖石錨桿基礎(chǔ)3種，基礎(chǔ)工程量的不同，會(huì)影響造價(jià)。在通常情況下，巖石錨桿基礎(chǔ)工程造價(jià)小，擴(kuò)展基礎(chǔ)工程造價(jià)次之，樁基礎(chǔ)工程造價(jià)較高。

(8)在極端載荷工況下的風(fēng)機(jī)載荷。載荷的大小直接影響地基抗壓計(jì)算、變形計(jì)算、風(fēng)機(jī)穩(wěn)定性計(jì)算，從而影響風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)大小。

(9)道路長度。不同地形下道路造價(jià)不同，山地道路造價(jià)較高，通常在100萬元/km以上，平坦地形道路造價(jià)較低，通常為25萬元/km左右，因此，道路長度對(duì)工程造價(jià)影響較大。

(10)集電線路類型主要分為架空線路和地埋電纜2種，2種不同類型集電線路工程造價(jià)有較大區(qū)別，地埋電纜工程造價(jià)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于集電線路。因此，這種情況可作為影響工程造價(jià)的一個(gè)因素。

(11)變電站電壓等級(jí)目前有35，66，110和220 kV 4個(gè)等級(jí)，不同等級(jí)變電站造價(jià)不同。

(12)永久征地費(fèi)用。不同區(qū)域征地費(fèi)用不同，浙江沿海永久征地費(fèi)用較高，新疆戈壁灘征地費(fèi)用低且相差較大，這些因素會(huì)直接影響工程造價(jià)。

(13)臨時(shí)征地費(fèi)費(fèi)用。不同區(qū)域臨時(shí)征地費(fèi)用不同，浙江沿海臨時(shí)征地費(fèi)用較高，新疆戈壁灘征地費(fèi)用低，兩地征地費(fèi)用相差較大，這些因素會(huì)直接影響工程造價(jià)。

2.2 支持向量機(jī)模型

支持向量機(jī)SVM(Support Vector Machine)的基本思想是通過用內(nèi)積函數(shù)定義的非線性變換將輸入空間變換到一個(gè)高維空間，在這個(gè)高維空間中，尋找輸入變量和輸出變量的非線性關(guān)系。SVM有2層結(jié)構(gòu):第1層用于選擇核函數(shù)確定支持向量個(gè)數(shù)，第2層在相應(yīng)的特征空間構(gòu)建最優(yōu)超平面［5－6］。

給定數(shù)據(jù)集 {(xi，yi)}，i=1，2，…，n，xi∈X?Rn，yi∈Y?R，設(shè)函數(shù)形式為

式中:?(x)能將輸入空間映射到高維特征空間(Hilbert空間)。

根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化準(zhǔn)則，f應(yīng)使得

式中:Lε(g)為懲罰函數(shù)(1oss function)，通常稱為ε不敏感函數(shù)，其定義為

式中:參數(shù)C(C＞0)為函數(shù)f的平滑度;ε為容許誤差，表示數(shù)值之間的平衡因子。引入松弛變量ξi，ξ*i，它們代表真實(shí)值與e容許誤差邊界對(duì)應(yīng)值的距離n，公式(2)可表示為

滿足條件

引入拉格朗日(Lagrange)乘子和對(duì)偶理論(Duality Theory)得到公式(8)

式中:0≤ai≤C;0≤≤ C，i=1，2，…，n。

在式(8)中，ai，稱為拉格朗日乘子，滿足等式aig=0，則有

式中:K(x，xi)稱為核函數(shù)，xi，xj的內(nèi)積等于核函數(shù)的值，即 K(xi，xj)= ?(xi)g?(xj)。任一滿足 Mercer條件n的函數(shù)都可以作為核函數(shù)。目前常用的核函數(shù)主要有:

(1)多項(xiàng)式核函數(shù)

(2)徑向基函數(shù)(RBF)核函數(shù)

(3)Sigmoid核函數(shù)

式中:d，v，c為核函數(shù)的參數(shù)。

2.3 基于支持向量機(jī)的風(fēng)電場(chǎng)投資估算模型

運(yùn)用支持向量機(jī)算法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)投資進(jìn)行快速估算，需要對(duì)各個(gè)影響因素進(jìn)行量化和標(biāo)準(zhǔn)化，由于支持向量機(jī)輸入因素通常為0～1數(shù)據(jù)，因此，可對(duì)各輸入因素進(jìn)行如下定義:

(1)裝機(jī)容量(A1)。單位為MW，利用“裝機(jī)容量/1000 MW”進(jìn)行歸一化處理。

(2)風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)(A2)。單位為臺(tái)，利用“總臺(tái)數(shù)/1000臺(tái)”進(jìn)行歸一化處理。

(3)機(jī)組單位千瓦造價(jià)(A3)。單位為元/kW，利用“單位造價(jià)/(10 000元/kW)”進(jìn)行歸一化處理。

(4)地形(A4)。復(fù)雜山地取0.1，較為復(fù)雜山地取0.2，較為平坦地形取0.3，非常平坦地形取0.4，沿海灘涂風(fēng)電場(chǎng)取0.5。

(5)地基承載力特征值(A5)。單位為kPa，利用“地基承載力特征值/10000 kPa”進(jìn)行歸一化處理。

(6)地震烈度(A6)。大于7度地震烈度區(qū)域取0.1，小于或等于7度地震烈度區(qū)域取0.2。

(7)基礎(chǔ)形式(A7)。擴(kuò)展基礎(chǔ)為0.1，樁基礎(chǔ)為0.2，錨桿基礎(chǔ)為0.3。

(8)風(fēng)機(jī)載荷(A8)。單位為109 N·m，利用“風(fēng)機(jī)荷載/(1 N·m)”進(jìn)行歸一化處理。

(9)道路長度(A9)。單位為km，利用“道路長度/100 km”進(jìn)行歸一化處理。

(10)集電線路形式(A10)。架空線取0.1，地纜取0.2。

(11)變電站電壓等級(jí)(A11)。35 kV變電站用0.035表示，66 kV變電站用0.066表示，110 kV變電站用0.110表示，220 kV變電站用0.220表示。

(12)永久征地費(fèi)用(A12)。單位為元/m2，利用“永久征地費(fèi)用/(1000元/m2)”進(jìn)行歸一化處理。

(13)臨時(shí)征地費(fèi)用(A13)。單位為元/m2，利用“臨時(shí)征地費(fèi)用/(1000元/m2)”進(jìn)行歸一化處理。

(14)總投資(B):單位為億元，利用“總投資/100億元”進(jìn)行歸一化處理。

歸一化后，利用(1)～(13)條作為影響因素輸入，(14)條作為結(jié)果輸出，對(duì)其建立支持向量機(jī)模型，再通過已有數(shù)據(jù)作為樣本進(jìn)行訓(xùn)練，以要預(yù)測(cè)的項(xiàng)目影響因素?cái)?shù)據(jù)作為輸入，從而可實(shí)現(xiàn)總投資的估算。

3 案例分析

表1 訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)

搜集國內(nèi)各個(gè)區(qū)域7個(gè)風(fēng)電場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)該模型方法進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果見表1。

運(yùn)用表1中的前6個(gè)風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，以第7個(gè)風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)作為檢驗(yàn)樣本，其計(jì)算結(jié)果為26582萬元，與實(shí)際結(jié)果27260萬元誤差為2.49%，預(yù)測(cè)精度較高，因此，可用該模型進(jìn)行投資估算。

4 結(jié)束語

決策階段的投資估算是在沒有詳細(xì)技術(shù)方案前提下對(duì)工程造價(jià)進(jìn)行的一種推測(cè)，其估算精度的高低直接影響著項(xiàng)目是否可行。因此，如何把投資估算預(yù)測(cè)得更加準(zhǔn)確對(duì)于業(yè)主進(jìn)行項(xiàng)目決策具有重要意義。

本文通過對(duì)影響風(fēng)電場(chǎng)工程造價(jià)的主要因素進(jìn)行了深入分析，最終確定13個(gè)重要影響參數(shù)，通過利用SVM模型對(duì)其進(jìn)行模擬訓(xùn)練，選取6個(gè)樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)并以1個(gè)樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)和驗(yàn)證，結(jié)果表明，預(yù)測(cè)精度較高，該模型在實(shí)際運(yùn)用中具有可行性。

［1］宮靖遠(yuǎn).風(fēng)電場(chǎng)工程技術(shù)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［2］Wei Chunri，Gai Zizhou.Application of Continual Multiplication to Investment Estimation［J］.Petroleum Planning ＆Engineering，2005(6):34－36.

［3］Han Chunmin，Li Zhanqiao.The Discuss of Investment Estimation by Fuzzy Mathmatics［J］.Group Economy，2006(20):241－242.

［4］Lu Jianbing，Ye Fei.The Application of Three Segment Linear Method to the Investment Estimation of Wastewater Treatment［J］.Journal of Qingdao Institute of Architecture and Engineering，2004(3):107－111.

［5］雷雨龍，王健，田華.基于支持向量機(jī)的換檔質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007(24):34－27.

［6］肖文兵，費(fèi)奇，萬虎.基于支持向量機(jī)的信用評(píng)估模型及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)［J］.華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2007(5):23－25.