基于熵權物元可拓模型的海上風電項目后評價

宿 愷, 盧玉祥, 邢作霞, 陳 雷

(沈陽工業大學 a. 管理學院, b. 電氣工程學院, 遼寧 沈陽 110870)

我國擁有豐富的海上風資源,截至2021年,海上風電累計裝機容量達到26.39 GW,海上風電事業已經進入發展的快車道。相較于陸上風電項目,海上風力更加穩定,海上風力發電機可以捕獲更多的能量;但海上風電項目投資成本高,海上風力發電機組的運行環境更加復雜,因此對風力發電機組的可靠性、安全性和運行時的可維護性、可達性提出了更高的要求[1]。為了評判海上風電項目能否取得預計的投資效果,找出項目在建設和運營過程中存在的風險和問題,亟須對海上風電項目進行后評價,以便將總結的經驗教訓反饋到新的投資決策中。

一、文獻綜述

目前,國內外學者針對風電項目的后評價進行了相關研究。CASTRO等針對風能轉換系統的容量可信度問題,提出了一種按時間順序排列的后評估方法[2]。NGUYEN等將風電機組的故障率和風速聯系起來,提出了一種從風速的角度評價風電場可靠性的方法[3]。WANG等通過區間數改進的ANP確定指標權重,并構造區間數改進的梯形隸屬函數模糊綜合評價模型,進行風電項目后評價[4]。潘沛從投標機型的變化、驗證機型功率曲線和風電場折減系數3個方面分析了實際上網電量滿負荷小時數,并對風電場發電能力進行了評價[5]。王燕濤等構建了風能資源利用效率綜合評價體系,并根據改進型添加榜樣模式的灰靶理論建立風能資源利用水平評價模型[6]。許昌等提出了基于云模型的風電場工程綜合后評價方法[7]。沈又幸等從風電場的建設過程、效益、影響3個維度構建了后評價指標體系,使用層次分析法和模糊綜合評價法對風電場進行了成功度評價[8]。趙高強等使用網絡層次分析法確定了指標權重,并采用灰色聚類決策模型對風電項目的經濟外部性進行了分析[9]。羅春輝等基于層次分析法和改進云參數的正態隸屬云模型,對風電場的運行性能進行了多維評價[10]。

同時,學者們也對海上風電項目后評價進行了相關研究。李靜等利用支持向量機理論,從風險角度對運營期的海上風電項目進行了評價[11]。宗雪等用熵權法和數據包絡分析(DEA),對江蘇省潮間帶風電產業的可持續性進行了評價[12]。HUANG等分析了海上風電場各種拓撲結構的可靠性和經濟性,采用可靠性框圖和分類方法分別對鏈式風電場和環形風電場的可靠性進行了分析[13]。郭樹生通過對比江蘇某海上風電場發電量與實際運營時發電量之間的差異,對海上風電場發電量折減系數進行了優化[14]。郭雨桐等將指標理論發電量完成率引入海上風電場效能評價體系,以反映風電機組和風電場的實際運行狀態[15]。張飛飛采用基于ANP的模糊綜合評價法,對海上風電項目進行了風險評估[16]。張晶磊等綜合運用情景分析法和GIS方法、賦值計算法,結合濱?？h海上風電場建設實際情況,定量分析并評價了海上風電場對近岸海域海洋水質和海洋生物的累積影響[17]。

綜上可知,目前我國風電項目后評價工作存在的問題主要集中在評價方法應用上,主要表現為以下幾方面:層次分析法不能反映指標之間的相關性,且由評價者根據以往的工作經驗判斷出兩兩指標的相對重要性,具有很強的隨機性,從而無法保障風電項目評價結果的可信度;網絡層次分析法采用點估計的方式確定指標權重,并不能消除主觀判斷的不確定性;模糊綜合評價模型存在確定隸屬函數參數困難、模糊概念轉換不明確等一系列問題;灰色聚類分析法只考慮了量性轉化過程中的信息不完整性,而沒有考慮判斷者作出決策的隨機性。

從目前的研究來看,關于海上風電項目綜合后評價的研究較少,國內研究大多側重于評價海上風電項目的某一方面,如發電量、風險、經濟性,未能形成系統全面的海上風電項目后評價指標體系,進而無法兼顧經濟效益、發電量、項目建設情況等多方面因素。因此,本文采用熵權物元可拓模型對海上風電項目進行綜合后評價,能夠將實際問題轉化成形式化問題,有效處理指標間的不相容問題,并將各評價指標的取值轉化為量值區間,增強待評事物隸屬于集合的程度。目前,物元可拓法已經較為廣泛地被應用于各類工程的評價問題[18-20]。本文從項目財務、項目建設過程和項目技術3個維度構建較為系統全面的海上風電項目后評價指標體系,避免評價層面的單一性;采用客觀性較高的熵值法確定權重,以減少后評價過程中主觀因素的影響;通過物元可拓模型中的關聯函數得出海上風電項目后評價各個指標與投資效果評價等級之間的關聯程度,進而得到海上風電項目投資運營等級的綜合關聯度和投資運營等級,并以4個海上風電項目檢驗該模型的實用性。

二、模型構建

1. 評價指標物元

根據物元可拓理論[21],N為待評價的事物,c為評價指標,v為待評事物指標的取值范圍。假定評價指標分為m個等級,存在n個海上風電項目后評價指標,則構造的經典域物元矩陣為

(1)

式中:Nj(j=1,2…,m)為海上風電項目建設、運營的等級;ci(i=1,2…,n)為反映建設和運營情況的后評價指標;vij為在j評價等級中的第i個后評價指標的閾值區間;bji和aji分別為閾值區間的最大值和最小值。

假設后評價等級為p,則節域物元矩陣為

(2)

式中:Np為后評價等級p的待評對象;vpi為ci的最大閾值范圍。

假設待評價的對象為P,實際指標數據為

(3)

式中:vi為ci的量化指標值。

2. 評價指標歸一化處理

首先需要對經典域物元矩陣Rj及待評物元矩陣R0進行數值歸一化處理,得到

(4)

(5)

3. 計算評價指標關聯度

量化指標值到經典域閾值范圍的距離為ρ(vi,vji),量化指標值到節域量值范圍的距離為ρ(vi,vpi)。評價指標的關聯函數為

(6)

則評價等級j和評價指標i的關聯度為

(7)

4. 計算評價指標權重

各指標的權重值由熵值法計算得出,設kj(vi)=rji,構建矩陣

R=(rji)m×n(i=1,2,…,n;j=1,2,…,m)

(8)

評價指標的熵Hi可定義為

(9)

評價指標權重wi計算公式為

(10)

5. 確定綜合關聯度及評價等級

待評對象P與評價等級j的綜合關聯度為

(11)

關聯度表示兩個事物聯系的緊密程度,該數值越接近1,說明兩個事物聯系越緊密。求出最大的關聯度以確定所需評價事物的等級,計算公式為

Kj0(P)=maxKj(P)

(12)

待評物元R0與相鄰等級的關聯程度為

(13)

三、模型分析與驗證

1. 確定指標及分類標準

基于科學性、系統性及可操作性等原則,根據海上風電項目運行特點,咨詢有關從業專家的意見,構建后評價指標體系如表1所示。

表1 海上風電項目后評價指標體系

風電場后評價樣本數據及評價等級標準如表2所示。其中,B1～B4為具有代表性的海上風電項目;Ⅰ～Ⅴ級分別表示優秀、良好、中等、較差、不合格。

表2 樣本數據及評價等級標準

對經典域Rj進行歸一化處理,結果如表3所示。由表3可知,歸一化結果最大值為1,對應該指標數值區間的右極限。指標C1～C4、C6～C9為生產型指標,指標歸一化值越接近1,其評價等級越接近Ⅰ級;C5、C10、C11為消耗型指標,指標歸一化值越小,其評價等級越接近Ⅰ級。

表3 經典域歸一化結果

為檢驗熵權物元可拓模型的有效性和合理性,對待評價物元進行歸一化處理,結果如表4所示。

表4 樣本數據歸一化結果

2. 確定指標等級關聯度和權重

Kj(xi)表示第i個評價指標與各投資運營等級j的關聯度,以海上風電項目B1中的指標C1為例,計算出指標C1與5個評價等級的關聯度分別為-0.394 5,0.044 5,-0.055 5,-0.105 5,-0.555 5,可知C1指標屬于“良好”等級。B1樣本指標與評價等級關聯度如表5所示。查閱表3和表4,樣本B1的C1值為0.605 5,處于表3中的Ⅱ級區間,與關聯度計算結果一致。

表5 B1樣本數據指標與評價等級關聯度結果

由式(9)計算出B1樣本各指標權重值為(0.110 7,0.204 1,0.046 4,0.079 8,0.067 8,0.048 9,0.138 5,0.076 1,0.079 7,0.075 0,0.073 0),進而求出準則層因素的權重w1=0.361 2,w2=0.196 5,w3=0.442 3。樣本B1～B4的各指標權重如表6所示。

表6 B1～B4各指標權重

計算得到海上風電項目樣本B1～B4的準則層權重,如表7所示。

表7 B1～B4準則層權重

由表7可知,B1～B4權重值的總體趨勢較為一致,均為財務后評價因素影響最大,過程后評價次之,技術后評價對投資效果等級的影響最弱。其原因在于:權重計算采用的是熵值法,權重越大說明其信息熵越大,也就是變異程度越大。以B1為例,P1對應的指標元素C1～C3的值分別為0.605 5,0.858 8,1.000 0,對應等級分別為Ⅱ、Ⅰ、Ⅰ;P2對應指標元素C4～C6的值分別為0.761 7,0.846 7,0.952 0,對應等級分別為Ⅲ、Ⅲ、Ⅳ;而P3對應指標元素C7～C11的值分別為0.231 0,0.675 3,0.734 0,0.709 0,0.739 6,對應等級分別為Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ、Ⅰ;P3的等級分布差異要遠遠高于P2和P1,所以其權重值更高。同時,該結果與財務后評價(P3)對應的指標元素(C7～C11)數量大于過程后評價(P1)和技術后評價(P2)指標元素數量有關,也與財務后評價情況各項指標對應等級差異程度比其他兩項更大有關。

這對于投資方與海上風電建設運營方有一定借鑒意義,說明海上風電項目的建設水平與技術水平較容易達到一個較穩定的狀態,而如何通過合理地節約成本提高收益率維持項目財務水平總體穩定,仍然有較大的研究空間。

3. 確定樣本綜合關聯度及特征值

根據式(11)求得待評價物元B1～B4的綜合關聯度,結果如表8所示。

表8 B1～B4綜合關聯度

由表8可知,B1的綜合關聯度最大值為-0.123 57,最終確定其為等級Ⅱ。但等級Ⅱ與等級Ⅲ的關聯度十分接近,說明其評價結果處于等級Ⅱ的下游,在該等級中仍然有較大的提升空間。同理,對于B2,最終將其確定為等級Ⅲ,但等級Ⅲ與等級Ⅱ對應的綜合關聯度十分接近,說明該風電項目很有希望通過提升運營管理水平來提高評價等級。對B3的評價等級為Ⅳ,B4的評價等級為Ⅲ。綜上可知,4個風電場建設情況的評價等級排序為B1>B2≥B4>B3。

計算樣本B1～B4的等級變量特征值j*,其結果分別為2.479 9,2.844 5,2.772 6,2.851 4。各海上風電項目評價等級如表9所示。

表9 B1～B4加權后的關聯度和評價結果

由表9可知,采用熵權物元可拓模型所獲得的投資效果評價等級與專家通過對比分析法得出的結論一致。在物元可拓模型中,B1樣本的評價等級為Ⅱ級,且準則層過程后評價的關聯度最大(-0.222 3),財務后評價的關聯度最小(-0.493 6),則可以判斷出財務后評價因素是影響評價等級的關鍵。由財務后評價因素所包含的指標層分析可知,資本金財務內部收益率關聯度最大(0.034 0),投資回報率關聯度最小(-0.269),項目應重點關注提升投資回報率的策略。

在運營中,出質保期之后風機的委托運行、樁基修理、自有船舶修理費用占比較高,是控制經營成本的重點。因此,企業可聯合當地氣象服務中心,研發適合當地海況、氣象和救援力量的海上風電氣象安全監管調度系統,為項目建設和生產安全保駕護航;應加強基礎、海底電纜防沖刷的檢測和研究,加強基礎、塔筒、風機、平臺等海上建筑物防腐蝕的監測和防護。同理可以推出,B2、B3、B4樣本當中,企業應分別重點關注投資回報率、全投資財務內部收益率、投資回報率,以提升該風電項目的后評價等級。根據海上風電項目經驗,有效抵御投資風險的關鍵在于控制造價。因此,企業要深入分析關鍵設備、施工市場和海洋施工環境;在鋼管樁制造、塔筒制造、鋼管樁沉樁、海上風機設備安裝工程“四合一”招標基礎上,繼續創新海洋相關工程招標模式;加強工期管理,對標行業先進,確保首臺機并網時間和全場并網時間,保證工程零拖期,控制變更,確保費用可控。

四、結 論

(1) 本文采用熵權法,運用更客觀、操作性更強的熵權物元可拓后評價模型,確定海上風電項目建設過程、財務、技術3個方面的權重,有效地避免了在確定后評價指標權重時的主觀性,從定量角度描述和分析了海上風電項目的投資效果等級,避免了評價投資效果等級時的模糊性,拓寬了海上風電項目后評價渠道,具有一定現實意義。

(2) 根據4個海上風電項目的樣本數據,本文結合后評價指標權重以及綜合關聯度分析可以得出以下結論:財務因素對海上風電項目后評價影響最為重要,過程因素次之。由于海上風電后評價等級以投資效果作為劃分標準,故財務因素影響最大。在海上風電項目運營過程中,企業應盡可能地控制發電成本與經營成本,保證資本金財務內部收益率與全投資財務內部收益率處于較高水平,從而提高投資效益,提升海上風電項目的后評價等級;要加強造價管理,降低建設成本,論證技術和施工方案,更要重視造價控制,依靠技術進步優化設計,進一步降低基礎和施工費用,實現度電成本等技術經濟指標最優;在建設中要優化施工組織,確保工程進度和質量,與關鍵設備供應商、施工力量深度合作,施工時海上協同作業、減少交叉,保障零拖期;在技術層面,前期要選擇成熟設備,提高風場智能化水平,減少非計劃停機時間。通過分析海上風電項目樣本整體的綜合關聯度,可針對海上風電項目投資效果等級進行逐級分析,提出具有針對性的建設運營改進策略,降低建設運維成本,從而提升后評價等級。

(3) 本文使用熵權物元可拓模型對4個海上風電項目的投資效果等級進行分析,得出的總體評價結果與專家采用對比分析法的評價結果一致,熵權物元可拓模型在海上風電項目后評價中的實踐應用得到驗證。