基于可拓綜合評(píng)估模型的電源規(guī)劃優(yōu)選方法

鄧笑冬，劉利黎，周 野，李 娟，余 虎，曾雅文

(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

在“雙碳”背景下，新能源將迎來跨越式發(fā)展，新能源規(guī)模的大幅增加，將給區(qū)域電力系統(tǒng)的發(fā)展帶來新的挑戰(zhàn)。構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，需統(tǒng)籌兼顧電源規(guī)劃有力和電源清潔低碳的發(fā)展目標(biāo)，在各類電源不斷增長的基礎(chǔ)上，確定電源規(guī)劃優(yōu)選方案尤為重要。電源規(guī)劃方案用于指導(dǎo)區(qū)域內(nèi)電源中長期發(fā)展，從而保障電力系統(tǒng)的負(fù)荷供應(yīng)需求和調(diào)節(jié)能力需要。通過對(duì)電源規(guī)劃方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，對(duì)方案的各類指標(biāo)進(jìn)行全方位綜合考慮，優(yōu)選出綜合指標(biāo)最優(yōu)的電源規(guī)劃方案，科學(xué)指導(dǎo)區(qū)域電力發(fā)展，對(duì)電網(wǎng)新能源發(fā)展與電源規(guī)劃具有重要意義。

目前對(duì)電源規(guī)劃評(píng)價(jià)指標(biāo)主要考慮電源方案經(jīng)濟(jì)性比較，文獻(xiàn)[1]提出利用模擬退火算法對(duì)電源規(guī)劃方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要從經(jīng)濟(jì)指標(biāo)出發(fā)進(jìn)行最優(yōu)評(píng)價(jià)；文獻(xiàn)[2-17]提出考慮區(qū)外來電、需求側(cè)管理、新能源接入、復(fù)雜適應(yīng)性理論、電源側(cè)靈活性等多方因素，以經(jīng)濟(jì)效益為目標(biāo)，對(duì)各電源容量的配比進(jìn)行優(yōu)化。上述方法均局限于以經(jīng)濟(jì)性為單一目標(biāo)分析優(yōu)化電源規(guī)劃方案。但在新時(shí)代“雙碳”目標(biāo)背景下，電源規(guī)劃方案的可靠性、綠色清潔低碳等指標(biāo)同樣重要，怎樣更好平衡安全性、經(jīng)濟(jì)性、綠色低碳是新時(shí)代電源規(guī)劃亟需解決的關(guān)鍵問題。

綜合考慮電源規(guī)劃方案評(píng)價(jià)時(shí)各類關(guān)鍵指標(biāo)，通過建立基于熵權(quán)的指標(biāo)權(quán)重?cái)?shù)學(xué)模型，科學(xué)確定方案關(guān)鍵指標(biāo)權(quán)重；通過建立基于可拓綜合評(píng)價(jià)的電源規(guī)劃方案評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源規(guī)劃方案的綜合評(píng)估。該方法對(duì)電源規(guī)劃方案實(shí)現(xiàn)綜合評(píng)估，統(tǒng)籌考慮各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算，使各方案評(píng)價(jià)結(jié)果更加全面合理，為“雙碳”目標(biāo)下新型電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)的規(guī)劃轉(zhuǎn)型和電網(wǎng)建設(shè)提供科學(xué)可靠依據(jù)。

1 模型建立

1.1 基于熵權(quán)的指標(biāo)權(quán)重?cái)?shù)學(xué)模型

一般來說，權(quán)重可以概括為兩類：主觀權(quán)重和客觀權(quán)重。主觀權(quán)重的求取過程對(duì)主觀評(píng)估具有很強(qiáng)的依賴性，例如層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)[18-21]；客觀權(quán)重則完全依賴于收集的數(shù)據(jù)，例如熵權(quán)法[22-24]。為了能盡量消除各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算的人為干擾，使結(jié)果更加客觀合理，本文采用熵權(quán)法。

設(shè)電源規(guī)劃方案即決策方案集為C=(C1,C2, …,Cm)，評(píng)估指標(biāo)集為I=(I1,I2, …,In)，第i種電源規(guī)劃方案對(duì)應(yīng)第j個(gè)評(píng)估指標(biāo)的值為Xij=(i=1, 2, …, m;j=1, 2, …n)，則可形成多目標(biāo)決策矩陣X。

為了消除不同評(píng)價(jià)指標(biāo)量綱可能帶來的問題，對(duì)各指標(biāo)的數(shù)值利用式(2)進(jìn)行歸一化處理。

式中：vij為指標(biāo)特征值xij的歸一化值；max(xj)與min(xj)分別為方案集中第j個(gè)指標(biāo)的最大值和最小值。

1)計(jì)算第i種方案對(duì)應(yīng)第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值pij：

2)一個(gè)事件的信息量就是這個(gè)事件發(fā)生的概率的負(fù)對(duì)數(shù)；信息熵就是平均而言發(fā)生一個(gè)事件時(shí)得到的信息量大小，在數(shù)學(xué)上，信息熵其實(shí)是信息量的期望。計(jì)算第i種方案對(duì)應(yīng)第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵的值：

式中：ln(Pij)表示第i種方案對(duì)應(yīng)第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值Pij的自然對(duì)數(shù)。為了使ln(Pij)有意義，假定當(dāng)Pij=0或1時(shí)，Pijln(Pij)=0。

3)計(jì)算各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的信息熵權(quán)重：

1.2 基于可拓綜合評(píng)價(jià)的電源規(guī)劃方案評(píng)估模型

設(shè)有m個(gè)待評(píng)價(jià)方案物元C1,C2, …,Cm，有n個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)I1,I2, …,In，將各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的合理特征值范圍用[aij,bij]表示，則經(jīng)典域物元R0可表示為：

式中：Ci表示第i個(gè)評(píng)價(jià)方案物元，Ii表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，Vji=[aji,bji]表示第i個(gè)電源規(guī)劃備選方案對(duì)應(yīng)的第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的經(jīng)典域范圍。

由全體評(píng)價(jià)物元C，指標(biāo)Ij和各種指標(biāo)合理范圍確定各個(gè)指標(biāo)I1,I2, …,In的節(jié)域：

式中：Vjp=[ajp,bjp]表示待評(píng)價(jià)物元；C關(guān)于第j個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)Ij對(duì)應(yīng)的各評(píng)價(jià)等級(jí)總的取值范圍，即節(jié)域。

將待評(píng)價(jià)的對(duì)象對(duì)應(yīng)的各指標(biāo)的值用物元表示：

式中：Rd為待評(píng)價(jià)物元；vj為待評(píng)價(jià)事物C對(duì)應(yīng)于評(píng)價(jià)指標(biāo)Ij的數(shù)值。

確定規(guī)劃年對(duì)指標(biāo)Ij的關(guān)聯(lián)度，即計(jì)算vj與經(jīng)典域和節(jié)域的距：

式中：ρ(vj,Vji)表示vj與區(qū)間Vji的距，ρ(vj,Vjp)表示vj與區(qū)間Vjp的距。

建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于評(píng)價(jià)級(jí)別的關(guān)聯(lián)度：

式中：Kl(vj)為關(guān)聯(lián)函數(shù)，表示待評(píng)價(jià)方案的指標(biāo)Ij關(guān)于評(píng)價(jià)級(jí)別l的關(guān)聯(lián)度；|Vji|為區(qū)間[aji,bji]的長度，即|bji-aji|。

計(jì)算待評(píng)價(jià)方案的各評(píng)價(jià)指標(biāo)關(guān)于評(píng)價(jià)級(jí)別的關(guān)聯(lián)度組合值：

式中：Kl(C)表示在考慮指標(biāo)權(quán)重下，待評(píng)價(jià)方案C各評(píng)價(jià)指標(biāo)Ij關(guān)于評(píng)價(jià)級(jí)別l的關(guān)聯(lián)度組合值。

確定規(guī)劃年待評(píng)價(jià)方案的類別和級(jí)別變量特征值。

則C的級(jí)別特征值j*為：

式中：l為評(píng)價(jià)級(jí)別(l=1, 2, …,y)；j*為級(jí)別特征值。

在評(píng)定規(guī)劃年的電源規(guī)劃方案合理性時(shí)，根據(jù)某年各個(gè)指標(biāo)Ij的級(jí)別變量特征，利用上述模型即可得到該年該方案所處的評(píng)價(jià)級(jí)別。若該方案的Kl0(Rd1)=maxKl(Rd1)，則評(píng)定Rd1屬于類別l0，利用式(15)和式(16)可以求得規(guī)劃年的待評(píng)價(jià)方案的級(jí)別特征值j*，進(jìn)而得到規(guī)劃年不同電源規(guī)劃方案的評(píng)選所屬級(jí)別，即綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 算例分析

以華中地區(qū)某省2025年電源規(guī)劃備選方案優(yōu)選為示例。在考慮現(xiàn)狀年各類電源裝機(jī)規(guī)模、規(guī)劃年負(fù)荷預(yù)測(cè)達(dá)到5 500萬kW、規(guī)劃電量達(dá)到2 660億kWh，同時(shí)考慮已明確計(jì)劃投運(yùn)的電源規(guī)模的基礎(chǔ)上，2025年全省電力虧缺達(dá)800萬kW。根據(jù)2025年非水可再生能源消納權(quán)重為20.4%的約束條件，為穩(wěn)步提升非水可再生能源占比、推進(jìn)電力結(jié)構(gòu)低碳化發(fā)展，提出新能源“高、中、低”三檔發(fā)展目標(biāo)，同時(shí)，為支撐大負(fù)荷時(shí)電力穩(wěn)定供應(yīng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)分別擬定以下三個(gè)電源方案，作為2025年電源規(guī)劃備選方案。

方案一：新增煤電400萬kW；風(fēng)電、光伏、生物質(zhì)、儲(chǔ)能分別發(fā)展至1 500、1 600、150、500萬kW。

方案二：新增煤電600萬kW；風(fēng)電、光伏、生物質(zhì)、儲(chǔ)能分別發(fā)展至1 200、1 300、150、200萬kW。

方案三：新增煤電800萬kW；風(fēng)電、光伏、生物質(zhì)、儲(chǔ)能分別發(fā)展至1 000、1 100、150、50萬kW。

表1 2025年電源發(fā)展方案 萬kW

從電力結(jié)構(gòu)指標(biāo)、電力、電量、調(diào)峰校核分析、經(jīng)濟(jì)低碳綜合分析三個(gè)方面，提出電源裝機(jī)和電量的新增占比、總量占比指標(biāo)，電源保供、調(diào)峰盈虧指標(biāo)，總投資、年費(fèi)用以及碳排放等共16項(xiàng)指標(biāo)。2025年三個(gè)方案各指標(biāo)情況見表2所列。

表2 2025年三個(gè)方案各指標(biāo)情況

結(jié)合相應(yīng)數(shù)據(jù)，利用基于熵權(quán)的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算模型求得待評(píng)價(jià)方案的指標(biāo)權(quán)重見表3所列。

表3 待評(píng)價(jià)方案的指標(biāo)權(quán)重表

在進(jìn)行電力方案評(píng)價(jià)之前，本文確定評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，見表4所列。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合2025年三個(gè)電源規(guī)劃方案的評(píng)價(jià)參數(shù)及分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)等數(shù)據(jù)，利用基于可拓綜合評(píng)價(jià)的電源規(guī)劃方案評(píng)估模型進(jìn)行求解，得到2025年三個(gè)電源規(guī)劃方案的評(píng)價(jià)結(jié)果見表5所列。

通過分析以上結(jié)果可知，綜合16項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)三個(gè)方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，方案一級(jí)別特征值結(jié)果為2.409，評(píng)定類別為2，評(píng)價(jià)結(jié)果為“一般”；方案二級(jí)別特征值結(jié)果為2.743，評(píng)定類別為3，評(píng)價(jià)結(jié)果為“優(yōu)選”；方案三級(jí)別特征值結(jié)果為2.286，評(píng)定類別為2，評(píng)價(jià)結(jié)果為“一般”。綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，方案二評(píng)價(jià)最優(yōu)，建議作為該地區(qū)“十四五”期間電源發(fā)展方案。

從定性角度分析，三種方案均可不同程度上促進(jìn)省內(nèi)新能源的發(fā)展，提升電力清潔化水平，促進(jìn)清潔能源消納，拓寬電源規(guī)劃渠道，實(shí)現(xiàn)電源品種多元化發(fā)展，但是方案二的新能源發(fā)展規(guī)模增長較快，既可以提升省內(nèi)非水可再生能源消納權(quán)重占比，兼顧煤電和儲(chǔ)能支撐性電源發(fā)展，并且具有較好的經(jīng)濟(jì)性，有利于電源側(cè)經(jīng)濟(jì)合理有序發(fā)展，綜合評(píng)價(jià)最優(yōu)。因此，建議將方案二作為該省“十四五”電源發(fā)展方案的推薦方案。

3 結(jié)語

本文綜合考慮電源規(guī)劃方案評(píng)價(jià)時(shí)各類關(guān)鍵指標(biāo)，通過建立基于熵權(quán)的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算模型，確定方案關(guān)鍵指標(biāo)權(quán)重；通過建立基于可拓綜合評(píng)價(jià)的電源規(guī)劃方案評(píng)估模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)電源規(guī)劃方案進(jìn)行優(yōu)選推薦。該方法使各電源規(guī)范方案評(píng)價(jià)結(jié)果更加綜合全面，對(duì)新型電力系統(tǒng)電源結(jié)構(gòu)的規(guī)劃轉(zhuǎn)型和電網(wǎng)建設(shè)提供科學(xué)可靠依據(jù)。后續(xù)將進(jìn)一步研究從當(dāng)前電源結(jié)構(gòu)到規(guī)劃年電源規(guī)劃優(yōu)選方案的實(shí)施路徑。