張小蓮， 李恒聰， 胡淇， 周千潯， 沈柏宇， 向嘉琪

(南京工程學(xué)院電力工程學(xué)院,江蘇 南京211167)

0 引言

多站融合是變電站、數(shù)據(jù)中心、充電站、光伏電站以及5G基站等多個(gè)站點(diǎn)之間的相互融合，涉及面廣，影響因素多。

目前對(duì)于多站融合選址評(píng)估體系的研究較少，但單站評(píng)估體系的研究已較為成熟。在變電站選址評(píng)估方面，文獻(xiàn)[1]考慮了變電站地形、地質(zhì)條件，城市總體規(guī)劃,電網(wǎng)負(fù)荷和潮流分布，電網(wǎng)現(xiàn)狀，電網(wǎng)高壓走廊分布等因素，利用層次分析法建立了選址評(píng)估指標(biāo)體系；文獻(xiàn)[2]在層次分析法的基礎(chǔ)上添加灰色關(guān)聯(lián)分析法，進(jìn)行組合賦權(quán)，一定程度上彌補(bǔ)了單一方法存在的不足，但指標(biāo)體系考慮的因素并不完善；文獻(xiàn)[3]在專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查，并充分考慮各方面影響因素，補(bǔ)充了技術(shù)要求這一關(guān)鍵指標(biāo)，使指標(biāo)體系更加全面。在其他站點(diǎn)選址評(píng)估方面，文獻(xiàn)[4]建立了以電力資源、地質(zhì)災(zāi)害、氣候條件、網(wǎng)絡(luò)資源、人才環(huán)境、區(qū)域位置六大要素為核心的數(shù)據(jù)中心評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；文獻(xiàn)[5]將交通網(wǎng)和配電網(wǎng)綜合考慮在內(nèi)，對(duì)充電站選址評(píng)估體系進(jìn)行研究；文獻(xiàn)[6]考慮太陽(yáng)輻射量、規(guī)劃控制、交通可達(dá)性、電網(wǎng)接入、生態(tài)保護(hù)等約束條件與規(guī)劃原則，篩選出了合適的光伏電站備選場(chǎng)地；文獻(xiàn)[7]提出了宏觀(guān)與微觀(guān)相結(jié)合的方法，考慮成本、用戶(hù)覆蓋率、用戶(hù)態(tài)度等因素，使5G基站選址評(píng)估體系更加合理。

由上述分析可知，現(xiàn)有研究大多是單一站點(diǎn)的選址評(píng)估，多站融合站點(diǎn)難以直接沿用。多站融合選址評(píng)估面臨兩方面難點(diǎn)：一是構(gòu)建能兼顧多個(gè)單站影響因素的指標(biāo)體系，二是設(shè)計(jì)指標(biāo)權(quán)重。某些特性指標(biāo)僅為某個(gè)單站的重要影響因素，而其他站點(diǎn)并不受該指標(biāo)影響，因而設(shè)置為大權(quán)重或小權(quán)重均無(wú)法體現(xiàn)其影響程度；指標(biāo)體系中共性指標(biāo)對(duì)每個(gè)單站的影響程度也存在差異，因而共性指標(biāo)應(yīng)按各單站需求進(jìn)行差異化賦權(quán)。

因此，文中綜合考慮各單站選址評(píng)估影響因素，構(gòu)造了一個(gè)全新的多站融合選址評(píng)估指標(biāo)體系，并提出了基于層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法的多站融合選址綜合評(píng)估方法，采用以9/9～9/1為標(biāo)度的層次分析法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，并利用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)候選站址進(jìn)行評(píng)分。在權(quán)重計(jì)算中，針對(duì)各單站共性指標(biāo)與特性指標(biāo)的差異化問(wèn)題，提出組合權(quán)重的方法，既保證了指標(biāo)體系的整體性，又將5種單站考慮在內(nèi)，保證了計(jì)算結(jié)果的合理性。

1 多站融合選址評(píng)估指標(biāo)體系

1.1 單個(gè)站點(diǎn)選址影響因素分析

(1) 變電站。變電站選址影響因素大致可分為經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、人文社會(huì)、環(huán)保等。在技術(shù)層面，變電站選址重點(diǎn)考慮線(xiàn)路走廊、電網(wǎng)架構(gòu)、負(fù)荷中心距離、進(jìn)出線(xiàn)條件、電能質(zhì)量、電能損耗、負(fù)荷增長(zhǎng)率、供電現(xiàn)狀等[8—10]。

(2) 數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心重點(diǎn)考慮的影響因素包括氣溫氣候、能源現(xiàn)狀、供電現(xiàn)狀、運(yùn)營(yíng)商骨干節(jié)點(diǎn)、通信情況、市場(chǎng)需求、冷卻條件、隔音條件等[11—14]。

(3) 充電站。充電站需要考慮的影響因素主要在用戶(hù)側(cè)，包括充電站與交通網(wǎng)絡(luò)的距離、交通便捷度、車(chē)流量大小、供電可靠性、當(dāng)?shù)匮a(bǔ)貼政策等[15—18]。

(4) 光伏電站。光伏電站重點(diǎn)考慮太陽(yáng)資源和基礎(chǔ)條件，包括太陽(yáng)輻射量、光照時(shí)間、建筑高度、大氣質(zhì)量、可用面積、屋頂承載力、補(bǔ)貼情況等[19]。

(5) 5G基站。5G基站重點(diǎn)考慮的影響因素包括基站位置與高度、干擾源分布、話(huà)務(wù)熱點(diǎn)分布、信號(hào)覆蓋情況等[20—23]。

1.2 多站融合選址原則

(1) 節(jié)約資源原則。建設(shè)多站融合不僅要節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，追求經(jīng)濟(jì)效益最大化，還要充分利用土地資源。在城市用地日益緊張的背景下，盡可能提高土地及材料的使用率尤為重要。

(2) 環(huán)境保護(hù)原則。多站融合生產(chǎn)建設(shè)過(guò)程中可能產(chǎn)生電磁輻射、噪聲污染、水污染[24]。減少污染排放、實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)是綠色可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，故環(huán)境保護(hù)是多站融合選址的重要原則之一。

(3) 和諧社會(huì)原則。開(kāi)展多站融合選址研究時(shí)，要結(jié)合城市發(fā)展規(guī)劃，保證與城市發(fā)展建設(shè)規(guī)劃的一致性，實(shí)現(xiàn)投資的可拓展性，提高利用價(jià)值。多站融合建設(shè)的目的是服務(wù)于民，因此要重視當(dāng)?shù)鼐用竦拿褚狻?/p>

(4) 便捷性原則。在多站融合選址建設(shè)過(guò)程中，為保障正常生產(chǎn)和運(yùn)輸，應(yīng)盡量設(shè)立在交通發(fā)達(dá)地區(qū)。在大大減少變電站進(jìn)站公路建設(shè)的同時(shí)，也可減少建設(shè)材料的運(yùn)輸成本，進(jìn)而減少變電站的建設(shè)投資。

(5) 全面考慮原則。建設(shè)多站融合要從總體的角度來(lái)考察站址選擇問(wèn)題。多站融合的選址不能僅考慮單一站點(diǎn)影響，而應(yīng)考慮多站中各單站影響因素的制約。因此建設(shè)前須充分、全面考慮。

1.3 選址評(píng)估指標(biāo)體系

1.3.1 選址評(píng)估體系構(gòu)建方法

多站融合選址評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建流程見(jiàn)圖1。文中采用目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層3級(jí)結(jié)構(gòu)，依照多站融合選址原則，得到負(fù)荷中心距離、地塊情況、業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)、交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)、市政配套條件、外部環(huán)境、經(jīng)濟(jì)成本8項(xiàng)準(zhǔn)則層指標(biāo)。在各準(zhǔn)則層引申出單站的細(xì)化指標(biāo)，各單站的特性指標(biāo)予以保留，共性指標(biāo)則進(jìn)行適當(dāng)合并。

圖1 多站融合選址評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建流程

1.3.2 指標(biāo)體系

根據(jù)1.3.1節(jié)的構(gòu)建方法，對(duì)多站融合影響因素進(jìn)行全方位分析，形成較為完整的多站融合選址評(píng)估指標(biāo)體系，如表1所示。其中，目標(biāo)層為多站融合選址，準(zhǔn)則層包含8個(gè)指標(biāo)，將準(zhǔn)則層細(xì)化后，得到30個(gè)指標(biāo)層指標(biāo)。

表1 多站融合選址評(píng)估指標(biāo)體系

2 多站融合選址綜合評(píng)估方法

基于第1章設(shè)計(jì)的多站融合選址評(píng)估指標(biāo)體系，首先，采用層次分析法計(jì)算指標(biāo)體系組合權(quán)重以及多層指標(biāo)綜合后的最終權(quán)重；其次，采用模糊評(píng)價(jià)法對(duì)候選站址進(jìn)行評(píng)分；最后，結(jié)合指標(biāo)體系最終權(quán)重和候選站址評(píng)分進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，得到最終得分，選出最優(yōu)站址。

2.1 基于層次分析法的組合賦權(quán)

層次分析法是將復(fù)雜的多目標(biāo)決策問(wèn)題作為一個(gè)系統(tǒng)，將目標(biāo)分解為多個(gè)目標(biāo)或準(zhǔn)則，進(jìn)而分解為多指標(biāo)的若干層次，據(jù)此完成多目標(biāo)、多方案的優(yōu)化決策[25—26]。因此，為解決多站融合選址評(píng)估指標(biāo)體系權(quán)重設(shè)計(jì)中特性指標(biāo)以及共性指標(biāo)影響程度的差異化問(wèn)題，文中提出基于層次分析法的組合賦權(quán)方法。

2.1.1 指標(biāo)權(quán)重

將多站融合選址評(píng)估指標(biāo)體系用于單站選址評(píng)估，設(shè)計(jì)每個(gè)單站對(duì)應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重，稱(chēng)為“指標(biāo)權(quán)重”。針對(duì)特性指標(biāo)的處理方法為：受特性指標(biāo)影響的單站按該項(xiàng)特性指標(biāo)的重要程度賦權(quán)，不受該項(xiàng)特性指標(biāo)影響的單站，其權(quán)重設(shè)為0；針對(duì)共性指標(biāo)的處理方法為：共性指標(biāo)權(quán)重按其對(duì)各個(gè)單站影響程度獨(dú)立賦權(quán)。

文中采用各方面性能都較好的9/9～9/1分?jǐn)?shù)標(biāo)度法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算。將每一層評(píng)估指標(biāo)的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣A=(aij)n×n。建立判斷矩陣時(shí)，各指標(biāo)重要性標(biāo)度值按同等重要、稍微重要、明顯重要、非常重要、絕對(duì)重要依次表示為9/9，9/7，9/5，9/3，9/1。

通過(guò)對(duì)判斷矩陣進(jìn)行分析，得到權(quán)重集，其步驟如下。

(1) 將判斷矩陣A=(aij)n×n每一列進(jìn)行歸一化處理：

(1)

(2) 將處理過(guò)的矩陣按行相加：

(2)

(3) 將Bi進(jìn)行歸一化處理得到權(quán)重wi：

(3)

根據(jù)求得的判斷矩陣最大特征值，計(jì)算一致性指標(biāo)，然后進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。查表獲得隨機(jī)一致性指標(biāo)后得出檢驗(yàn)系數(shù)，若檢驗(yàn)系數(shù)小于0.1，則一致性檢驗(yàn)通過(guò)。

(4)

(5)

式中：KCI為一致性指標(biāo)；λmax為判斷矩陣最大特征值；n為判斷矩陣階數(shù)；KCR為檢驗(yàn)系數(shù)；KRI為隨機(jī)一致性指標(biāo)。

2.1.2 站點(diǎn)權(quán)重

根據(jù)多站融合選址時(shí)各單站的優(yōu)先次序設(shè)計(jì)各單站的選址權(quán)重，稱(chēng)為“站點(diǎn)權(quán)重”。雖然多站融合同時(shí)整合了多個(gè)站點(diǎn)，但其重要程度有一定差異。變電站仍為多站融合的主體，在選址過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)考慮變電站選址影響因素，其他單站則以負(fù)荷需求來(lái)判斷其重要性，據(jù)此設(shè)定權(quán)重。采用層次分析法根據(jù)負(fù)荷需求對(duì)各單站進(jìn)行兩兩比較，得到站點(diǎn)權(quán)重xsite=[xsubxdataxchxPVx5G]。

2.1.3 指標(biāo)組合權(quán)重

以單個(gè)指標(biāo)為單位，將上述計(jì)算所得的各單站指標(biāo)權(quán)重與各站點(diǎn)權(quán)重相乘，獲得該項(xiàng)指標(biāo)的“組合權(quán)重”。

(6)

式中：Wcom為組合權(quán)重；wsub為變電站指標(biāo)權(quán)重；wdata為數(shù)據(jù)中心指標(biāo)權(quán)重；wch為充電站指標(biāo)權(quán)重；wPV為光伏站指標(biāo)權(quán)重；w5G為5G基站指標(biāo)權(quán)重。

2.1.4 最終權(quán)重

將求得的A級(jí)準(zhǔn)則層與其對(duì)應(yīng)的B級(jí)指標(biāo)層組合權(quán)重相乘，獲得指標(biāo)層對(duì)目標(biāo)層權(quán)重，作為指標(biāo)層“最終權(quán)重”。

Wf=WAcomWBcom

(7)

式中：Wf為最終權(quán)重；WAcom為A級(jí)準(zhǔn)則層組合權(quán)重；WBcom為B級(jí)指標(biāo)層組合權(quán)重。

2.2 候選站址的模糊綜合評(píng)價(jià)

模糊綜合評(píng)價(jià)法[27]是一種定性與定量相結(jié)合的方法，通過(guò)多位專(zhuān)家對(duì)候選站址的指標(biāo)層進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，并進(jìn)行量化來(lái)獲取方案得分。

首先構(gòu)建評(píng)價(jià)矩陣R。專(zhuān)家對(duì)候選站址按指標(biāo)層進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立評(píng)語(yǔ)集U={優(yōu)，良，中，差}，得到評(píng)價(jià)矩陣R：

(8)

式中：rn1，rn2，rn3，rn4分別為第n個(gè)指標(biāo)中優(yōu)、良、中、差4類(lèi)評(píng)語(yǔ)的占比。

然后給優(yōu)、良、中、差賦值為V=[4 3 2 1]，將指標(biāo)層最終權(quán)重矩陣與評(píng)價(jià)矩陣、評(píng)語(yǔ)集賦值列向量相乘，求得得分S：

S=WFRVT

(9)

式中：WF為指標(biāo)層各指標(biāo)最終權(quán)重Wf組成的矩陣。

3 算例分析

文中以某大型城市為例，擬將2個(gè)候選站址建設(shè)成為包含變電站、數(shù)據(jù)中心、充電站、光伏電站以及5G基站的多站融合站點(diǎn)。2個(gè)候選站址分別為35 kV海潮變電站和高陽(yáng)變電站。其中，海潮變電站與高陽(yáng)變電站的水文氣象和防洪防震條件相同：平均氣溫16.8 ℃，最高氣溫36.0 ℃，最低氣溫-5.7 ℃，平均降水量1 035.7 mm，平均風(fēng)速3.2 m/s；防汛設(shè)施按百年和千年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，抗震設(shè)防烈度為7度。兩站址周?chē)煌ㄇ闆r良好，其中海潮變電站臨近大橋、地鐵站、內(nèi)環(huán)高架橋、客運(yùn)站；高陽(yáng)變電站地處江邊，接近主干道、輪渡站。兩站址周?chē)脩?hù)較多，其中海潮變電站周?chē)≌瑓^(qū)較多，位于商圈，車(chē)流量大；高陽(yáng)變電站附近較多寫(xiě)字樓，臨近大型購(gòu)物廣場(chǎng)。海潮變電站占地面積1 500 m2，無(wú)電氣設(shè)備，僅有變電站土建部分；高陽(yáng)變電站占地面積為1 650 m2，變壓器容量為3×40 MV·A。

詳細(xì)信息為后續(xù)3.2節(jié)專(zhuān)家評(píng)分提供依據(jù)。如水文氣象對(duì)應(yīng)“地理?xiàng)l件B72”、防洪防震對(duì)應(yīng)“地質(zhì)條件B71”、交通情況對(duì)應(yīng)“與交通網(wǎng)絡(luò)距離B41”以及周?chē)脩?hù)對(duì)應(yīng)“用戶(hù)數(shù)量預(yù)測(cè)B31”。

3.1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

采用層次分析法對(duì)各指標(biāo)的重要程度進(jìn)行比較，獲得初始判斷矩陣。以準(zhǔn)則層為例，先計(jì)算站點(diǎn)權(quán)重，設(shè)計(jì)如式(10)所示的判斷矩陣，計(jì)算獲得此時(shí)xsite=[0.245 0.214 0.207 0.151 0.183]，再計(jì)算各單站準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重，各單站準(zhǔn)則層指標(biāo)相對(duì)重要程度排序如表2所示。

表2 各單站準(zhǔn)則層指標(biāo)重要性

文中多站融合以變電站為主體，變電站的經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo)最重要；而數(shù)據(jù)中心對(duì)供電可靠性要求較高，其市政配套條件指標(biāo)最重要；充電站是多站融合的主要利益站點(diǎn)，所以充電站的業(yè)務(wù)預(yù)測(cè)指標(biāo)最重要；太陽(yáng)能資源的多少直接影響了光伏站的發(fā)電量，所以光伏站的外部環(huán)境指標(biāo)最重要。

(10)

依據(jù)表2中準(zhǔn)則層指標(biāo)的重要程度，列出判斷矩陣，求得各單站準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重，將站點(diǎn)權(quán)重和指標(biāo)權(quán)重組合后得到組合權(quán)重，結(jié)果如表3所示。

表3 A1—A8組合權(quán)重

同理可得指標(biāo)層各指標(biāo)組合權(quán)重。將準(zhǔn)則層組合權(quán)重與指標(biāo)層組合權(quán)重相乘，可得指標(biāo)層對(duì)目標(biāo)層最終權(quán)重，結(jié)果如表4所示。

表4 指標(biāo)層對(duì)目標(biāo)層最終權(quán)重

3.2 候選站址的綜合評(píng)估及分析

采用2.2節(jié)的模糊綜合評(píng)價(jià)方法分別對(duì)2個(gè)候選站的指標(biāo)層進(jìn)行評(píng)分(相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)附錄A)。通過(guò)分析可知，海潮變電站周?chē)休^多住宅和商家，車(chē)流量大，而高陽(yáng)變電站附近僅有寫(xiě)字樓和購(gòu)物廣場(chǎng)，因此海潮變電站在用戶(hù)數(shù)量預(yù)測(cè)和業(yè)務(wù)量預(yù)測(cè)指標(biāo)得分較高，而高陽(yáng)變電站對(duì)周?chē)用裼绊懼笜?biāo)得分較高。海潮變電站周?chē)煌ňW(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)，因此與交通網(wǎng)絡(luò)距離指標(biāo)得分較高。海潮變電站是土建站，而高陽(yáng)變電站是現(xiàn)役變電站，因此高陽(yáng)變電站輸配電線(xiàn)路投資、線(xiàn)路走廊、建設(shè)成本指標(biāo)得分較高。根據(jù)候選站址概況，可獲得兩者的評(píng)價(jià)矩陣(見(jiàn)附錄B)。

由式(10)求得各準(zhǔn)則層指標(biāo)分?jǐn)?shù)，相加后得到候選站址最終得分S，如表5所示。

表5 候選站址得分

通過(guò)調(diào)研發(fā)現(xiàn)某地區(qū)已建成的始信路多站融合試點(diǎn)在站點(diǎn)類(lèi)型、業(yè)務(wù)量、交通條件和基礎(chǔ)設(shè)施等方面與海潮變電站有諸多相似之處，體現(xiàn)了海潮變電站成為多站融合建設(shè)站點(diǎn)的可行性，反映文中所提指標(biāo)體系、選址評(píng)估方法的合理性。

4 結(jié)論

文中分析了多站融合選址時(shí)需要考慮的各項(xiàng)影響因素，研究了多站融合選址評(píng)估方法，并對(duì)某城市實(shí)際候選站址進(jìn)行了綜合評(píng)估。文中主要貢獻(xiàn)和結(jié)論如下：

(1) 提出多站融合選址評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建方法，充分調(diào)研各單站選址評(píng)估影響因素，構(gòu)建完成指標(biāo)體系，較為全面地涵蓋了多站融合選址影響因素。

(2) 采用基于分?jǐn)?shù)標(biāo)度9/9～9/1的層次分析法計(jì)算權(quán)重，針對(duì)各單站存在特性指標(biāo)和共性指標(biāo)權(quán)重難以設(shè)定的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了組合權(quán)重計(jì)算方法，既保持指標(biāo)體系整體性，又滿(mǎn)足不同單站選址需求的差異性。

(3) 多站融合的指標(biāo)權(quán)重一般根據(jù)單站中該指標(biāo)對(duì)站點(diǎn)的影響程度來(lái)確定，站點(diǎn)權(quán)重須根據(jù)多站融合規(guī)劃的主體功能或主導(dǎo)負(fù)荷需求進(jìn)行設(shè)置。

(4) 評(píng)估候選站址時(shí)，最終權(quán)重較大的指標(biāo)應(yīng)作為重點(diǎn)考察指標(biāo)。具有大權(quán)重的指標(biāo)分?jǐn)?shù)越高，則候選站址綜合得分越高，越適合成為多站融合站址。

本文得到江蘇省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(202111276142H)資助，謹(jǐn)此致謝！

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