基于可拓綜合評估模型的電源規劃優選方法

鄧笑冬，劉利黎，周 野，李 娟，余 虎，曾雅文

(中國能源建設集團湖南省電力設計院有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

在“雙碳”背景下，新能源將迎來跨越式發展，新能源規模的大幅增加，將給區域電力系統的發展帶來新的挑戰。構建以新能源為主體的新型電力系統，需統籌兼顧電源規劃有力和電源清潔低碳的發展目標，在各類電源不斷增長的基礎上，確定電源規劃優選方案尤為重要。電源規劃方案用于指導區域內電源中長期發展，從而保障電力系統的負荷供應需求和調節能力需要。通過對電源規劃方案進行綜合評價，對方案的各類指標進行全方位綜合考慮，優選出綜合指標最優的電源規劃方案，科學指導區域電力發展，對電網新能源發展與電源規劃具有重要意義。

目前對電源規劃評價指標主要考慮電源方案經濟性比較，文獻[1]提出利用模擬退火算法對電源規劃方案進行評價，主要從經濟指標出發進行最優評價；文獻[2-17]提出考慮區外來電、需求側管理、新能源接入、復雜適應性理論、電源側靈活性等多方因素，以經濟效益為目標，對各電源容量的配比進行優化。上述方法均局限于以經濟性為單一目標分析優化電源規劃方案。但在新時代“雙碳”目標背景下，電源規劃方案的可靠性、綠色清潔低碳等指標同樣重要，怎樣更好平衡安全性、經濟性、綠色低碳是新時代電源規劃亟需解決的關鍵問題。

綜合考慮電源規劃方案評價時各類關鍵指標，通過建立基于熵權的指標權重數學模型，科學確定方案關鍵指標權重；通過建立基于可拓綜合評價的電源規劃方案評估模型，實現對電源規劃方案的綜合評估。該方法對電源規劃方案實現綜合評估，統籌考慮各指標權重計算，使各方案評價結果更加全面合理，為“雙碳”目標下新型電力系統電源結構的規劃轉型和電網建設提供科學可靠依據。

1 模型建立

1.1 基于熵權的指標權重數學模型

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

設電源規劃方案即決策方案集為C=(C1,C2, …,Cm)，評估指標集為I=(I1,I2, …,In)，第i種電源規劃方案對應第j個評估指標的值為Xij=(i=1, 2, …, m;j=1, 2, …n)，則可形成多目標決策矩陣X。

為了消除不同評價指標量綱可能帶來的問題，對各指標的數值利用式(2)進行歸一化處理。

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

1)計算第i種方案對應第j個評價指標的權重值pij：

2)一個事件的信息量就是這個事件發生的概率的負對數；信息熵就是平均而言發生一個事件時得到的信息量大小，在數學上，信息熵其實是信息量的期望。計算第i種方案對應第j個評價指標的信息熵的值：

式中：ln(Pij)表示第i種方案對應第j個評價指標的權重值Pij的自然對數。為了使ln(Pij)有意義，假定當Pij=0或1時，Pijln(Pij)=0。

3)計算各個評價指標對應的信息熵權重：

1.2 基于可拓綜合評價的電源規劃方案評估模型

設有m個待評價方案物元C1,C2, …,Cm，有n個評價指標I1,I2, …,In，將各個評價指標對應的合理特征值范圍用[aij,bij]表示，則經典域物元R0可表示為：

式中：Ci表示第i個評價方案物元，Ii表示第i個評價指標，Vji=[aji,bji]表示第i個電源規劃備選方案對應的第j個評價指標的經典域范圍。

由全體評價物元C，指標Ij和各種指標合理范圍確定各個指標I1,I2, …,In的節域：

式中：Vjp=[ajp,bjp]表示待評價物元；C關于第j個評價指標Ij對應的各評價等級總的取值范圍，即節域。

將待評價的對象對應的各指標的值用物元表示：

式中：Rd為待評價物元；vj為待評價事物C對應于評價指標Ij的數值。

確定規劃年對指標Ij的關聯度，即計算vj與經典域和節域的距：

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

建立關聯函數，計算各評價指標關于評價級別的關聯度：

式中：Kl(vj)為關聯函數，表示待評價方案的指標Ij關于評價級別l的關聯度；|Vji|為區間[aji,bji]的長度，即|bji-aji|。

計算待評價方案的各評價指標關于評價級別的關聯度組合值：

式中：Kl(C)表示在考慮指標權重下，待評價方案C各評價指標Ij關于評價級別l的關聯度組合值。

確定規劃年待評價方案的類別和級別變量特征值。

則C的級別特征值j*為：

式中：l為評價級別(l=1, 2, …,y)；j*為級別特征值。

在評定規劃年的電源規劃方案合理性時，根據某年各個指標Ij的級別變量特征，利用上述模型即可得到該年該方案所處的評價級別。若該方案的Kl0(Rd1)=maxKl(Rd1)，則評定Rd1屬于類別l0，利用式(15)和式(16)可以求得規劃年的待評價方案的級別特征值j*，進而得到規劃年不同電源規劃方案的評選所屬級別，即綜合評價結果。

2 算例分析

以華中地區某省2025年電源規劃備選方案優選為示例。在考慮現狀年各類電源裝機規模、規劃年負荷預測達到5 500萬kW、規劃電量達到2 660億kWh，同時考慮已明確計劃投運的電源規模的基礎上，2025年全省電力虧缺達800萬kW。根據2025年非水可再生能源消納權重為20.4%的約束條件，為穩步提升非水可再生能源占比、推進電力結構低碳化發展，提出新能源“高、中、低”三檔發展目標，同時，為支撐大負荷時電力穩定供應，根據經驗分別擬定以下三個電源方案，作為2025年電源規劃備選方案。

方案一：新增煤電400萬kW；風電、光伏、生物質、儲能分別發展至1 500、1 600、150、500萬kW。

方案二：新增煤電600萬kW；風電、光伏、生物質、儲能分別發展至1 200、1 300、150、200萬kW。

方案三：新增煤電800萬kW；風電、光伏、生物質、儲能分別發展至1 000、1 100、150、50萬kW。

表1 2025年電源發展方案 萬kW

從電力結構指標、電力、電量、調峰校核分析、經濟低碳綜合分析三個方面，提出電源裝機和電量的新增占比、總量占比指標，電源保供、調峰盈虧指標，總投資、年費用以及碳排放等共16項指標。2025年三個方案各指標情況見表2所列。

表2 2025年三個方案各指標情況

結合相應數據，利用基于熵權的指標權重計算模型求得待評價方案的指標權重見表3所列。

表3 待評價方案的指標權重表

在進行電力方案評價之前，本文確定評價指標分級標準，見表4所列。

表4 評價指標分級標準

結合2025年三個電源規劃方案的評價參數及分級標準等數據，利用基于可拓綜合評價的電源規劃方案評估模型進行求解，得到2025年三個電源規劃方案的評價結果見表5所列。

通過分析以上結果可知，綜合16項評價指標，對三個方案進行綜合評價，方案一級別特征值結果為2.409，評定類別為2，評價結果為“一般”；方案二級別特征值結果為2.743，評定類別為3，評價結果為“優選”；方案三級別特征值結果為2.286，評定類別為2，評價結果為“一般”。綜合評價結果，方案二評價最優，建議作為該地區“十四五”期間電源發展方案。

從定性角度分析，三種方案均可不同程度上促進省內新能源的發展，提升電力清潔化水平，促進清潔能源消納，拓寬電源規劃渠道，實現電源品種多元化發展，但是方案二的新能源發展規模增長較快，既可以提升省內非水可再生能源消納權重占比，兼顧煤電和儲能支撐性電源發展，并且具有較好的經濟性，有利于電源側經濟合理有序發展，綜合評價最優。因此，建議將方案二作為該省“十四五”電源發展方案的推薦方案。

3 結語

本文綜合考慮電源規劃方案評價時各類關鍵指標，通過建立基于熵權的指標權重計算模型，確定方案關鍵指標權重；通過建立基于可拓綜合評價的電源規劃方案評估模型，實現對電源規劃方案進行優選推薦。該方法使各電源規范方案評價結果更加綜合全面，對新型電力系統電源結構的規劃轉型和電網建設提供科學可靠依據。后續將進一步研究從當前電源結構到規劃年電源規劃優選方案的實施路徑。