袁 鷹，吳偉杰,張伊寧,趙宇翔，張海濤

(1.廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣州 510635；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣州 510630；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038；4.華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院，鄭州 450046)

近些年來，廣東省抽水蓄能發(fā)展迅速，先后建成了廣蓄、惠蓄、清蓄、深蓄等大型抽水蓄能電站，目前，廣東電力系統(tǒng)已形成以煤電為主，集核電、西電、氣電、水電、抽水蓄能、風(fēng)電等多種類型電源為一體的多元化電源體系，電網(wǎng)峰谷差較大。隨著核電、西電及新能源電力的比重越來越大，電網(wǎng)調(diào)峰壓力隨之增大，加之對供電可靠性的要求不斷提高，電力系統(tǒng)對充足、優(yōu)質(zhì)的調(diào)峰電源提出了更高要求。建設(shè)合理規(guī)模的調(diào)峰電源是解決電網(wǎng)調(diào)峰問題、保障電網(wǎng)運行安全以及促進(jìn)各類電源經(jīng)濟(jì)運行的重要手段。抽水蓄能電站建設(shè)有利于多能互補和消納新能源，是實現(xiàn)“雙碳目標(biāo)”的重要手段。因此，對廣東省境內(nèi)抽水蓄能站點建設(shè)條件進(jìn)行優(yōu)選排查尤為重要。

國內(nèi)于20世紀(jì)80年代初對抽水蓄能電站選址進(jìn)行研究。張克誠[1-2]分析了華東電網(wǎng)幾類抽水蓄能電站的站址條件并進(jìn)行優(yōu)劣評價。臧軍昌[3]對高水頭抽水蓄能電站選址中的工程地質(zhì)問題進(jìn)行探討。楊玉增[4]利用初步比選、技術(shù)經(jīng)濟(jì)手段對江西省的15個抽水蓄能站點進(jìn)行篩選。任巖、候尚辰[5]系統(tǒng)介紹了我國抽水蓄能站址選擇的影響因素及一般步驟。綜上，早期抽水蓄能電站選址研究基于工程實踐經(jīng)驗總結(jié)選址原則，定性分析篩選站址，通過深入研究不斷積累，逐漸形成一套完整的站址篩選技術(shù)流程。前述關(guān)于抽水蓄能電站站址的優(yōu)選方法上，基本都是以定性分析研究為主，利用量化評價方法的研究甚少。由于定性研究方法受不同研究者的工程實踐經(jīng)驗，對個別選址受主觀因素影響，難以準(zhǔn)確客觀地反映站點建設(shè)條件的優(yōu)劣性。本文在汲取前人研究的基礎(chǔ)上，從影響抽水蓄能建設(shè)電站選址的影響因素中選取能夠量化的指標(biāo)組合形成站點評價指標(biāo)體系，并基于AHP-熵權(quán)法對指標(biāo)進(jìn)行綜合加權(quán)，利用TOPSIS評價模型對選取站點建設(shè)條件優(yōu)劣進(jìn)行量化評價。

1 站址情況

隨著廣東省社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，未來廣東新增電力需求主要依靠新能源、核電滿足，對調(diào)峰型電源需求越來越迫切，通過全省選點相關(guān)工作，已選條件相對較好的多個站址。根據(jù)廣東省電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將全省分為東區(qū)和西區(qū)，從東區(qū)和西區(qū)分別選出部分站點進(jìn)行評價。東區(qū)站點包括中洞、岑田、梅蓄二期、三江口、龍川；西區(qū)站點包括水源山、浪江、陽蓄二期、走馬坪和新豐(各站點位置如圖1所示)。

圖1 評價站址位置示意

2 優(yōu)選評價指標(biāo)體系

經(jīng)過大量研究表明:影響抽水蓄能電站選址的因素主要包括：地理位置、地形條件、外部限制、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等(見表1)。

表1 評價站點建設(shè)條件基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

由于抽水蓄能的主要功能之一為調(diào)峰調(diào)頻，站址地理位置一般是選擇電網(wǎng)負(fù)荷的中心地帶，并盡可能接近輸電線路[6-10]。為電力系統(tǒng)獲得安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)的運行效果，抽水蓄能電站應(yīng)盡量布局分散，有利于提高停電后的系統(tǒng)恢復(fù)速度，同時，可避免電力潮流的大進(jìn)大出。由于廣東省能源結(jié)構(gòu)多樣，境內(nèi)有煤炭、石油資源，水能資源，核電、風(fēng)電和光伏等新能源資源，未來廣東新增電力需求主要依靠新能源、核電滿足，對調(diào)峰型電源需求越來越迫切，而抽水蓄能電站建設(shè)有利于多能互補和消納新能源，是實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要手段。因此，站址選擇應(yīng)盡量靠近新能源周邊區(qū)域，并順應(yīng)潮流分布，有利于節(jié)省電網(wǎng)投資。對此，在量化方面就可以選擇距離電網(wǎng)負(fù)荷中心的距離以及距變電站的距離作為地理位置條件的衡量指標(biāo)。

地形條件中要求上下水庫有一定的高差，且壩體的長度不能過大，以控制電站的投資[2,6,10]，可從上下游壩體的平均水頭差與壩高、壩長方面選取指標(biāo)。

外部限制因素主要為生態(tài)環(huán)境的要求以及移民與涉及耕地的數(shù)量[8]，生態(tài)環(huán)境要符合法律法規(guī)、地方政策文件的要求，站址選擇應(yīng)優(yōu)先避讓生態(tài)保護(hù)紅線、自然保護(hù)地、飲用水水源保護(hù)區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)或區(qū)域內(nèi)有一級、二級保護(hù)動植物[7]，這方面工作主要是在前期初選階段進(jìn)行分析，而涉及的耕地與移民數(shù)量就可以作為外部限制的主要衡量指標(biāo)。

技術(shù)經(jīng)濟(jì)性包括前期的投資、建成后的運行維護(hù)成本、收益情況等[11]，一般是利用單位千瓦投資、收益率等指標(biāo)進(jìn)行評價[11-12]。以站址優(yōu)選為目標(biāo)，考慮前述幾項影響因素，選擇定量指標(biāo)建立評價指標(biāo)體系(見表2)。

表2 抽水蓄能站點建設(shè)優(yōu)選評價指標(biāo)體系

3 基于AHP-熵權(quán)法的TOPSIS綜合評價模型

層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)是一種定性和定量相結(jié)合的、系統(tǒng)的、層次化的分析方法，多應(yīng)用于評價指標(biāo)的主觀賦權(quán)[13]。熵權(quán)法是以熵原理為基礎(chǔ)的客觀賦權(quán)法，利用評價對象指標(biāo)數(shù)據(jù)間的差異度為驅(qū)動獲得各指標(biāo)權(quán)重[14]。層次分析法雖能夠汲取專家經(jīng)驗，但缺乏對數(shù)據(jù)客觀重要程度的反映，仍然不能完全反映出多準(zhǔn)則情況下的各因素對評價結(jié)果的影響程度，而熵權(quán)法可根據(jù)數(shù)據(jù)本身的特性對各因素進(jìn)行客觀賦權(quán)。利用AHP—熵權(quán)法對各指標(biāo)進(jìn)行綜合加權(quán)，保證能夠準(zhǔn)確反映各因素對評價結(jié)果的影響程度。

3.1 綜合權(quán)重計算

層次分析法(AHP)具體步驟為：① 構(gòu)造判斷矩陣；② 確定指標(biāo)權(quán)重；③ 進(jìn)行一致性檢驗，如通過一致性檢驗，則證明判斷矩陣不存在邏輯性錯誤，未通過則應(yīng)調(diào)整判斷矩陣，直至通過檢驗得到主觀權(quán)重xi。

熵權(quán)法具體步驟為：① 數(shù)據(jù)矩陣同趨勢處理；② 指標(biāo)無量綱化處理；③ 計算某一樣本距離指標(biāo)值的比重；④ 計算指標(biāo)信息熵權(quán)；⑤ 計算信息熵冗余度；⑥ 計算各評價指標(biāo)權(quán)重yi。

利用主、客觀權(quán)重構(gòu)建綜合加權(quán)wi，計算方法如下：

(1)

3.2 基于綜合加權(quán)的TOPSIS評價法

TOPSIS法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)，即逼近理想解排序法，是一種常用的綜合評價方法，其通過計算評價對象的屬性指標(biāo)與最優(yōu)解和最差解之間的歐式距離，得到各評價對象的相對優(yōu)劣順序。而在實際應(yīng)用中，經(jīng)常需要配合指標(biāo)加權(quán)得到綜合評價結(jié)果。TOPSIS具有對數(shù)據(jù)分布及樣本量無過多限制、信息利用較為充分的特點[15]，本次站址優(yōu)選評價利用的都是比較典型的指標(biāo)，在數(shù)據(jù)量不大的基礎(chǔ)上需要充分發(fā)揮每個指標(biāo)的作用，因此，比較適合利用TOPSIS進(jìn)行評價研究，綜合評價模型具體計算步驟如下。

1) 正向化處理

由于負(fù)向指標(biāo)較多，采用下式對原始評價矩陣中的負(fù)向指標(biāo)正向化處理，隨后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

(2)

(3)

式中：

xmax——各評價指標(biāo)的最大值;

xmn——負(fù)向指標(biāo)原始值;

rmn——標(biāo)準(zhǔn)化后的評價指標(biāo);

m——評價對象個數(shù);

n——指標(biāo)個數(shù)。

2) 構(gòu)造加權(quán)評價矩陣

(4)

式中：

A——加權(quán)后的評價矩陣;

amn——加權(quán)后的評價指標(biāo)。

3) 求正、負(fù)理想解

正、負(fù)理想解即加權(quán)評價矩陣中各列中的最大，最小值組成的行向量。

(5)

(6)

式中:

A+——正理想解向量;

A-——負(fù)理想解向量;

4) 計算貼合度

(7)

(8)

(9)

式中：

Di——各評價單元的貼合度，越大代表評價結(jié)果越好。

3.3 模型計算結(jié)果

分別計算指標(biāo)主客觀權(quán)重，代入式(1)計算綜合權(quán)重，結(jié)果顯示：變量X4、X3指標(biāo)權(quán)重排在14項指標(biāo)前列，分別為0.155、0.151，變量X11、X10的重要性略小于前兩者，指標(biāo)權(quán)重分別為0.119、0.117，其他變量中X1、X2的權(quán)重稍大，剩余變量則相差不大(見表3)。這反映出影響抽水蓄能電站建設(shè)選址的主要因素為站址條件中的平均水頭、調(diào)節(jié)庫容與外部限制因素中的設(shè)計移民及耕地數(shù)量；其次則要考慮電站的地理位置因素、建成后的實際收益以及上下游的壩高、壩長。

表3 各指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果

經(jīng)過評價計算，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},負(fù)理想解A-={0,0,0,0.011,0.001,0,0,0,0,0,0,0,0,0.004},各站點貼合度計算結(jié)果如下:選取評價的10個站點中，陽蓄二期貼合度最高，評價結(jié)果最好；中洞、三江口、梅蓄二期貼合度在0.6左右，屬于第2梯隊，評價結(jié)合次之；水源山、新豐、浪江、岑田貼合度略大于0.5，屬于第3梯隊；走馬坪、龍川貼合度低于0.5，評價結(jié)果最差(見表4)。

從評價結(jié)果來看，各站點評價結(jié)果的優(yōu)劣受指標(biāo)權(quán)重大小影響。平均水頭較大且涉及移民及耕地數(shù)量較少的站點評價結(jié)果較好，如陽蓄二期水頭較高為670 m、涉及移民及耕地數(shù)量都為0，另外，其權(quán)重排列靠前的指標(biāo)都比較好，因此其貼合度結(jié)果最大，評價結(jié)果最好。中洞、三江口、梅蓄二期站址水頭較高、外部制約因素較少、距離負(fù)荷中心較近，個別指標(biāo)一般，評價結(jié)果略遜于陽蓄二期。而其他因素由于權(quán)重較小，對結(jié)果的影響也遠(yuǎn)小于前者，而其他站點即使在其他因素評價中占有一定優(yōu)勢，但因優(yōu)勢指標(biāo)的權(quán)重較小，也難以達(dá)到較好的評價結(jié)果。如新豐、浪江、岑田雖然所處位置較好，距負(fù)荷中心較近，但水頭較小，其他各方面指標(biāo)一般。走馬坪、龍川各方面指標(biāo)都不突出，評價結(jié)果較差。

表4 廣東省抽水蓄能電站建設(shè)選址評價結(jié)果

4 結(jié)語

AHP—熵權(quán)法—TOPSIS法在抽水蓄能站址優(yōu)選評價中具有良好的適用性，評價結(jié)果直觀清晰，且比較符合實際情況。但由于熵權(quán)法以及TOPSIS評價方法的特性，對于站址評價中的一些定性內(nèi)容包括地質(zhì)條件、生態(tài)環(huán)境要求方面，AHP—熵權(quán)法—TOPSIS法具有一定的局限性。同時指標(biāo)之間相關(guān)性造成的信息重復(fù)也容易影響評價結(jié)果的合理性。在擴(kuò)大抽水蓄能站址影響因素研究范圍的基礎(chǔ)上，可嘗試?yán)闷渌u價方法開展相關(guān)研究，以提升方法的合理性與穩(wěn)健性。

廣東省蓄能站址資源豐富，利用AHP—熵權(quán)法—TOPSIS綜合評價模型對廣東省內(nèi)東、西部共10個抽水蓄能站址優(yōu)劣進(jìn)行評價。結(jié)果按照優(yōu)劣次序排列分別為陽蓄二期、中洞、三江口、梅蓄二期、水源山、新豐、浪江、岑田、走馬坪、龍川。平均水頭、涉及移民及耕地數(shù)量、與負(fù)荷中心距離、與海上風(fēng)電距離是站點優(yōu)選評價中的重要指標(biāo)。站點的選擇除以上因素外，還受其他非技術(shù)因素影響，因此，本研究結(jié)論僅能作為前期工作的重要依據(jù)，而非唯一依據(jù)。