基于AHP-熵权法-TOPSIS的广东省抽水蓄能站点优选评价
时间：2023-04-07 15:55:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
袁 鹰，吴伟杰,张伊宁,赵宇翔，张海涛
(1.广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广州 510635；
2.广东电网有限责任公司电网规划研究中心，广州 510630；
3.中国水利水电科学研究院，北京 100038；
4.华北水利水电大学 水利学院，郑州 450046)
近些年来，广东省抽水蓄能发展迅速，先后建成了广蓄、惠蓄、清蓄、深蓄等大型抽水蓄能电站，目前，广东电力系统已形成以煤电为主，集核电、西电、气电、水电、抽水蓄能、风电等多种类型电源为一体的多元化电源体系，电网峰谷差较大。随着核电、西电及新能源电力的比重越来越大，电网调峰压力随之增大，加之对供电可靠性的要求不断提高，电力系统对充足、优质的调峰电源提出了更高要求。建设合理规模的调峰电源是解决电网调峰问题、保障电网运行安全以及促进各类电源经济运行的重要手段。抽水蓄能电站建设有利于多能互补和消纳新能源，是实现“双碳目标”的重要手段。因此，对广东省境内抽水蓄能站点建设条件进行优选排查尤为重要。
国内于20世纪80年代初对抽水蓄能电站选址进行研究。张克诚[1-2]分析了华东电网几类抽水蓄能电站的站址条件并进行优劣评价。臧军昌[3]对高水头抽水蓄能电站选址中的工程地质问题进行探讨。杨玉增[4]利用初步比选、技术经济手段对江西省的15个抽水蓄能站点进行筛选。任岩、候尚辰[5]系统介绍了我国抽水蓄能站址选择的影响因素及一般步骤。综上，早期抽水蓄能电站选址研究基于工程实践经验总结选址原则，定性分析筛选站址，通过深入研究不断积累，逐渐形成一套完整的站址筛选技术流程。前述关于抽水蓄能电站站址的优选方法上，基本都是以定性分析研究为主，利用量化评价方法的研究甚少。由于定性研究方法受不同研究者的工程实践经验，对个别选址受主观因素影响，难以准确客观地反映站点建设条件的优劣性。本文在汲取前人研究的基础上，从影响抽水蓄能建设电站选址的影响因素中选取能够量化的指标组合形成站点评价指标体系，并基于AHP-熵权法对指标进行综合加权，利用TOPSIS评价模型对选取站点建设条件优劣进行量化评价。
随着广东省社会经济发展，未来广东新增电力需求主要依靠新能源、核电满足，对调峰型电源需求越来越迫切，通过全省选点相关工作，已选条件相对较好的多个站址。根据广东省电网结构，将全省分为东区和西区，从东区和西区分别选出部分站点进行评价。东区站点包括中洞、岑田、梅蓄二期、三江口、龙川；
西区站点包括水源山、浪江、阳蓄二期、走马坪和新丰(各站点位置如图1所示)。
图1 评价站址位置示意
经过大量研究表明:影响抽水蓄能电站选址的因素主要包括：地理位置、地形条件、外部限制、技术经济性等(见表1)。
表1 评价站点建设条件基础数据
由于抽水蓄能的主要功能之一为调峰调频，站址地理位置一般是选择电网负荷的中心地带，并尽可能接近输电线路[6-10]。为电力系统获得安全、稳定、经济的运行效果，抽水蓄能电站应尽量布局分散，有利于提高停电后的系统恢复速度，同时，可避免电力潮流的大进大出。由于广东省能源结构多样，境内有煤炭、石油资源，水能资源，核电、风电和光伏等新能源资源，未来广东新增电力需求主要依靠新能源、核电满足，对调峰型电源需求越来越迫切，而抽水蓄能电站建设有利于多能互补和消纳新能源，是实现双碳目标的重要手段。因此，站址选择应尽量靠近新能源周边区域，并顺应潮流分布，有利于节省电网投资。对此，在量化方面就可以选择距离电网负荷中心的距离以及距变电站的距离作为地理位置条件的衡量指标。
地形条件中要求上下水库有一定的高差，且坝体的长度不能过大，以控制电站的投资[2,6,10]，可从上下游坝体的平均水头差与坝高、坝长方面选取指标。
外部限制因素主要为生态环境的要求以及移民与涉及耕地的数量[8]，生态环境要符合法律法规、地方政策文件的要求，站址选择应优先避让生态保护红线、自然保护地、饮用水水源保护区等环境敏感区或区域内有一级、二级保护动植物[7]，这方面工作主要是在前期初选阶段进行分析，而涉及的耕地与移民数量就可以作为外部限制的主要衡量指标。
技术经济性包括前期的投资、建成后的运行维护成本、收益情况等[11]，一般是利用单位千瓦投资、收益率等指标进行评价[11-12]。以站址优选为目标，考虑前述几项影响因素，选择定量指标建立评价指标体系(见表2)。
表2 抽水蓄能站点建设优选评价指标体系
层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)是一种定性和定量相结合的、系统的、层次化的分析方法，多应用于评价指标的主观赋权[13]。熵权法是以熵原理为基础的客观赋权法，利用评价对象指标数据间的差异度为驱动获得各指标权重[14]。层次分析法虽能够汲取专家经验，但缺乏对数据客观重要程度的反映，仍然不能完全反映出多准则情况下的各因素对评价结果的影响程度，而熵权法可根据数据本身的特性对各因素进行客观赋权。利用AHP—熵权法对各指标进行综合加权，保证能够准确反映各因素对评价结果的影响程度。
3.1 综合权重计算
层次分析法(AHP)具体步骤为：① 构造判断矩阵；
② 确定指标权重；
③ 进行一致性检验，如通过一致性检验，则证明判断矩阵不存在逻辑性错误，未通过则应调整判断矩阵，直至通过检验得到主观权重xi。
熵权法具体步骤为：① 数据矩阵同趋势处理；
② 指标无量纲化处理；
③ 计算某一样本距离指标值的比重；
④ 计算指标信息熵权；
⑤ 计算信息熵冗余度；
⑥ 计算各评价指标权重yi。
利用主、客观权重构建综合加权wi，计算方法如下：
(1)
3.2 基于综合加权的TOPSIS评价法
TOPSIS法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)，即逼近理想解排序法，是一种常用的综合评价方法，其通过计算评价对象的属性指标与最优解和最差解之间的欧式距离，得到各评价对象的相对优劣顺序。而在实际应用中，经常需要配合指标加权得到综合评价结果。TOPSIS具有对数据分布及样本量无过多限制、信息利用较为充分的特点[15]，本次站址优选评价利用的都是比较典型的指标，在数据量不大的基础上需要充分发挥每个指标的作用，因此，比较适合利用TOPSIS进行评价研究，综合评价模型具体计算步骤如下。
1) 正向化处理
由于负向指标较多，采用下式对原始评价矩阵中的负向指标正向化处理，随后进行标准化处理：
(2)
(3)
式中：
xmax——各评价指标的最大值;
xmn——负向指标原始值;
rmn——标准化后的评价指标;
m——评价对象个数;
n——指标个数。
2) 构造加权评价矩阵
(4)
式中：
A——加权后的评价矩阵;
amn——加权后的评价指标。
3) 求正、负理想解
正、负理想解即加权评价矩阵中各列中的最大，最小值组成的行向量。
(5)
(6)
式中:
A+——正理想解向量;
A-——负理想解向量;
4) 计算贴合度
(7)
(8)
(9)
式中：
Di——各评价单元的贴合度，越大代表评价结果越好。
3.3 模型计算结果
分别计算指标主客观权重，代入式(1)计算综合权重，结果显示：变量X4、X3指标权重排在14项指标前列，分别为0.155、0.151，变量X11、X10的重要性略小于前两者，指标权重分别为0.119、0.117，其他变量中X1、X2的权重稍大，剩余变量则相差不大(见表3)。这反映出影响抽水蓄能电站建设选址的主要因素为站址条件中的平均水头、调节库容与外部限制因素中的设计移民及耕地数量；
其次则要考虑电站的地理位置因素、建成后的实际收益以及上下游的坝高、坝长。
表3 各指标权重计算结果
经过评价计算，正理想解A+={0.014,0.016,0.023,0.020,0.011,0.005,0.009,0.009,0.006,0.019,0.016,0.010,0.013,0.007},负理想解A-={0,0,0,0.011,0.001,0,0,0,0,0,0,0,0,0.004},各站点贴合度计算结果如下:选取评价的10个站点中，阳蓄二期贴合度最高，评价结果最好；
中洞、三江口、梅蓄二期贴合度在0.6左右，属于第2梯队，评价结合次之；
水源山、新丰、浪江、岑田贴合度略大于0.5，属于第3梯队；
走马坪、龙川贴合度低于0.5，评价结果最差(见表4)。
从评价结果来看，各站点评价结果的优劣受指标权重大小影响。平均水头较大且涉及移民及耕地数量较少的站点评价结果较好，如阳蓄二期水头较高为670 m、涉及移民及耕地数量都为0，另外，其权重排列靠前的指标都比较好，因此其贴合度结果最大，评价结果最好。中洞、三江口、梅蓄二期站址水头较高、外部制约因素较少、距离负荷中心较近，个别指标一般，评价结果略逊于阳蓄二期。而其他因素由于权重较小，对结果的影响也远小于前者，而其他站点即使在其他因素评价中占有一定优势，但因优势指标的权重较小，也难以达到较好的评价结果。如新丰、浪江、岑田虽然所处位置较好，距负荷中心较近，但水头较小，其他各方面指标一般。走马坪、龙川各方面指标都不突出，评价结果较差。
表4 广东省抽水蓄能电站建设选址评价结果
AHP—熵权法—TOPSIS法在抽水蓄能站址优选评价中具有良好的适用性，评价结果直观清晰，且比较符合实际情况。但由于熵权法以及TOPSIS评价方法的特性，对于站址评价中的一些定性内容包括地质条件、生态环境要求方面，AHP—熵权法—TOPSIS法具有一定的局限性。同时指标之间相关性造成的信息重复也容易影响评价结果的合理性。在扩大抽水蓄能站址影响因素研究范围的基础上，可尝试利用其他评价方法开展相关研究，以提升方法的合理性与稳健性。
广东省蓄能站址资源丰富，利用AHP—熵权法—TOPSIS综合评价模型对广东省内东、西部共10个抽水蓄能站址优劣进行评价。结果按照优劣次序排列分别为阳蓄二期、中洞、三江口、梅蓄二期、水源山、新丰、浪江、岑田、走马坪、龙川。平均水头、涉及移民及耕地数量、与负荷中心距离、与海上风电距离是站点优选评价中的重要指标。站点的选择除以上因素外，还受其他非技术因素影响，因此，本研究结论仅能作为前期工作的重要依据，而非唯一依据。
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