基于可拓综合评估模型的电源规划优选方法

邓笑冬，刘利黎，周 野，李 娟，余 虎，曾雅文

(中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引言

在“双碳”背景下，新能源将迎来跨越式发展，新能源规模的大幅增加，将给区域电力系统的发展带来新的挑战。构建以新能源为主体的新型电力系统，需统筹兼顾电源规划有力和电源清洁低碳的发展目标，在各类电源不断增长的基础上，确定电源规划优选方案尤为重要。电源规划方案用于指导区域内电源中长期发展，从而保障电力系统的负荷供应需求和调节能力需要。通过对电源规划方案进行综合评价，对方案的各类指标进行全方位综合考虑，优选出综合指标最优的电源规划方案，科学指导区域电力发展，对电网新能源发展与电源规划具有重要意义。

目前对电源规划评价指标主要考虑电源方案经济性比较，文献[1]提出利用模拟退火算法对电源规划方案进行评价，主要从经济指标出发进行最优评价；文献[2-17]提出考虑区外来电、需求侧管理、新能源接入、复杂适应性理论、电源侧灵活性等多方因素，以经济效益为目标，对各电源容量的配比进行优化。上述方法均局限于以经济性为单一目标分析优化电源规划方案。但在新时代“双碳”目标背景下，电源规划方案的可靠性、绿色清洁低碳等指标同样重要，怎样更好平衡安全性、经济性、绿色低碳是新时代电源规划亟需解决的关键问题。

综合考虑电源规划方案评价时各类关键指标，通过建立基于熵权的指标权重数学模型，科学确定方案关键指标权重；通过建立基于可拓综合评价的电源规划方案评估模型，实现对电源规划方案的综合评估。该方法对电源规划方案实现综合评估，统筹考虑各指标权重计算，使各方案评价结果更加全面合理，为“双碳”目标下新型电力系统电源结构的规划转型和电网建设提供科学可靠依据。

1 模型建立

1.1 基于熵权的指标权重数学模型

一般来说，权重可以概括为两类：主观权重和客观权重。主观权重的求取过程对主观评估具有很强的依赖性，例如层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)[18-21]；客观权重则完全依赖于收集的数据，例如熵权法[22-24]。为了能尽量消除各指标权重计算的人为干扰，使结果更加客观合理，本文采用熵权法。

设电源规划方案即决策方案集为C=(C1,C2, …,Cm)，评估指标集为I=(I1,I2, …,In)，第i种电源规划方案对应第j个评估指标的值为Xij=(i=1, 2, …, m;j=1, 2, …n)，则可形成多目标决策矩阵X。

为了消除不同评价指标量纲可能带来的问题，对各指标的数值利用式(2)进行归一化处理。

式中：vij为指标特征值xij的归一化值；max(xj)与min(xj)分别为方案集中第j个指标的最大值和最小值。

1)计算第i种方案对应第j个评价指标的权重值pij：

2)一个事件的信息量就是这个事件发生的概率的负对数；信息熵就是平均而言发生一个事件时得到的信息量大小，在数学上，信息熵其实是信息量的期望。计算第i种方案对应第j个评价指标的信息熵的值：

式中：ln(Pij)表示第i种方案对应第j个评价指标的权重值Pij的自然对数。为了使ln(Pij)有意义，假定当Pij=0或1时，Pijln(Pij)=0。

3)计算各个评价指标对应的信息熵权重：

1.2 基于可拓综合评价的电源规划方案评估模型

设有m个待评价方案物元C1,C2, …,Cm，有n个评价指标I1,I2, …,In，将各个评价指标对应的合理特征值范围用[aij,bij]表示，则经典域物元R0可表示为：

式中：Ci表示第i个评价方案物元，Ii表示第i个评价指标，Vji=[aji,bji]表示第i个电源规划备选方案对应的第j个评价指标的经典域范围。

由全体评价物元C，指标Ij和各种指标合理范围确定各个指标I1,I2, …,In的节域：

式中：Vjp=[ajp,bjp]表示待评价物元；C关于第j个评价指标Ij对应的各评价等级总的取值范围，即节域。

将待评价的对象对应的各指标的值用物元表示：

式中：Rd为待评价物元；vj为待评价事物C对应于评价指标Ij的数值。

确定规划年对指标Ij的关联度，即计算vj与经典域和节域的距：

式中：ρ(vj,Vji)表示vj与区间Vji的距，ρ(vj,Vjp)表示vj与区间Vjp的距。

建立关联函数，计算各评价指标关于评价级别的关联度：

式中：Kl(vj)为关联函数，表示待评价方案的指标Ij关于评价级别l的关联度；|Vji|为区间[aji,bji]的长度，即|bji-aji|。

计算待评价方案的各评价指标关于评价级别的关联度组合值：

式中：Kl(C)表示在考虑指标权重下，待评价方案C各评价指标Ij关于评价级别l的关联度组合值。

确定规划年待评价方案的类别和级别变量特征值。

则C的级别特征值j*为：

式中：l为评价级别(l=1, 2, …,y)；j*为级别特征值。

在评定规划年的电源规划方案合理性时，根据某年各个指标Ij的级别变量特征，利用上述模型即可得到该年该方案所处的评价级别。若该方案的Kl0(Rd1)=maxKl(Rd1)，则评定Rd1属于类别l0，利用式(15)和式(16)可以求得规划年的待评价方案的级别特征值j*，进而得到规划年不同电源规划方案的评选所属级别，即综合评价结果。

2 算例分析

以华中地区某省2025年电源规划备选方案优选为示例。在考虑现状年各类电源装机规模、规划年负荷预测达到5 500万kW、规划电量达到2 660亿kWh，同时考虑已明确计划投运的电源规模的基础上，2025年全省电力亏缺达800万kW。根据2025年非水可再生能源消纳权重为20.4%的约束条件，为稳步提升非水可再生能源占比、推进电力结构低碳化发展，提出新能源“高、中、低”三档发展目标，同时，为支撑大负荷时电力稳定供应，根据经验分别拟定以下三个电源方案，作为2025年电源规划备选方案。

方案一：新增煤电400万kW；风电、光伏、生物质、储能分别发展至1 500、1 600、150、500万kW。

方案二：新增煤电600万kW；风电、光伏、生物质、储能分别发展至1 200、1 300、150、200万kW。

方案三：新增煤电800万kW；风电、光伏、生物质、储能分别发展至1 000、1 100、150、50万kW。

表1 2025年电源发展方案 万kW

从电力结构指标、电力、电量、调峰校核分析、经济低碳综合分析三个方面，提出电源装机和电量的新增占比、总量占比指标，电源保供、调峰盈亏指标，总投资、年费用以及碳排放等共16项指标。2025年三个方案各指标情况见表2所列。

表2 2025年三个方案各指标情况

结合相应数据，利用基于熵权的指标权重计算模型求得待评价方案的指标权重见表3所列。

表3 待评价方案的指标权重表

在进行电力方案评价之前，本文确定评价指标分级标准，见表4所列。

表4 评价指标分级标准

结合2025年三个电源规划方案的评价参数及分级标准等数据，利用基于可拓综合评价的电源规划方案评估模型进行求解，得到2025年三个电源规划方案的评价结果见表5所列。

通过分析以上结果可知，综合16项评价指标，对三个方案进行综合评价，方案一级别特征值结果为2.409，评定类别为2，评价结果为“一般”；方案二级别特征值结果为2.743，评定类别为3，评价结果为“优选”；方案三级别特征值结果为2.286，评定类别为2，评价结果为“一般”。综合评价结果，方案二评价最优，建议作为该地区“十四五”期间电源发展方案。

从定性角度分析，三种方案均可不同程度上促进省内新能源的发展，提升电力清洁化水平，促进清洁能源消纳，拓宽电源规划渠道，实现电源品种多元化发展，但是方案二的新能源发展规模增长较快，既可以提升省内非水可再生能源消纳权重占比，兼顾煤电和储能支撑性电源发展，并且具有较好的经济性，有利于电源侧经济合理有序发展，综合评价最优。因此，建议将方案二作为该省“十四五”电源发展方案的推荐方案。

3 结语

本文综合考虑电源规划方案评价时各类关键指标，通过建立基于熵权的指标权重计算模型，确定方案关键指标权重；通过建立基于可拓综合评价的电源规划方案评估模型，实现对电源规划方案进行优选推荐。该方法使各电源规范方案评价结果更加综合全面，对新型电力系统电源结构的规划转型和电网建设提供科学可靠依据。后续将进一步研究从当前电源结构到规划年电源规划优选方案的实施路径。