基于模糊綜合評(píng)價(jià)模型的風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址研究

冶金祥，王 鵬，張 瑋，杜風(fēng)宇，萬(wàn)瑪周加，李林忠，張 平

(中國(guó)電建集團(tuán)青海省電力設(shè)計(jì)院有限公司，青海 西寧 810008)

0 引言

風(fēng)電作為清潔、有效的重要能源，國(guó)家為風(fēng)電的發(fā)展提供強(qiáng)有力的支持。比如直接投資開發(fā)、提供補(bǔ)貼、EPC及PPP項(xiàng)目刺激風(fēng)電市場(chǎng)，這些措施的實(shí)施，促使風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展、市場(chǎng)極大擴(kuò)張。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局發(fā)布的《中華人民共和國(guó)2019年國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》表明，全國(guó)風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)2.1億kW，同比增長(zhǎng)14%，在新增裝機(jī)方面，風(fēng)電年度裝機(jī)2 574萬(wàn)kW，同比上漲22%。

風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址作為風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的重要技術(shù)支撐，是風(fēng)能資源有效利用和經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。已建風(fēng)電項(xiàng)目表明，風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址的評(píng)判準(zhǔn)確性對(duì)風(fēng)電項(xiàng)目的發(fā)電效益及經(jīng)濟(jì)效益影響程度較大。伴隨風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)不斷增加，風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址的技術(shù)創(chuàng)新對(duì)新建風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境保護(hù)具有重要的作用。

文獻(xiàn)〔1〕-〔3〕的研究表明，風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址通常采用風(fēng)能資源、水文地質(zhì)條件、土地利用、環(huán)境影響以及社會(huì)因素等單個(gè)因素評(píng)估評(píng)價(jià)選址，或借鑒已開發(fā)場(chǎng)址選址的方法。侯燕梅〔4〕考慮宏觀選址的多個(gè)因素，歸納選址的基本原則，采用流程圖的方式進(jìn)行宏觀選址。文獻(xiàn)〔5〕-〔6〕對(duì)風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址的理論與方法進(jìn)行研究分析，主要從風(fēng)資源的利用方面進(jìn)行單一因素的分析，風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址缺乏綜合多因素、多指標(biāo)的系統(tǒng)性評(píng)估分析。綜合多因素評(píng)估，就其本質(zhì)而言屬于模糊定量化范疇〔7〕。近年來，文獻(xiàn)〔8〕采用模糊綜合評(píng)價(jià)法，有效評(píng)估風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行性能；文獻(xiàn)〔9〕的研究表明，針對(duì)引水壓力鋼管的安全性評(píng)價(jià)，以實(shí)用性、安全性為目標(biāo)層的模糊綜合評(píng)價(jià)模型，有效地評(píng)價(jià)壓力鋼管的安全性狀；文獻(xiàn)〔10〕-〔11〕闡述表明，基于模糊綜合多層次橋梁的安全性評(píng)估，結(jié)合定性指標(biāo)與定量指標(biāo)的分析，科學(xué)合理的評(píng)價(jià)橋梁使用的風(fēng)險(xiǎn)趨勢(shì)。因此，建立模糊綜合評(píng)價(jià)模型，準(zhǔn)確評(píng)估風(fēng)電場(chǎng)址在多指標(biāo)因素下的優(yōu)良性，滿足風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址的需求，為風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址提供了科學(xué)有效的技術(shù)支撐。

1 風(fēng)電場(chǎng)選址決策模型

模糊綜合評(píng)價(jià)模型源于模糊數(shù)學(xué)理論〔12〕。主要描述評(píng)價(jià)對(duì)象的客觀性與不確定性，是一個(gè)多層次多指標(biāo)的復(fù)雜評(píng)價(jià)系統(tǒng)，定性指標(biāo)與定量指標(biāo)相結(jié)合的評(píng)價(jià)分析體系。由于風(fēng)電場(chǎng)選址屬于一個(gè)多層次多指標(biāo)的復(fù)雜問題，需要將其簡(jiǎn)單化，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)該評(píng)價(jià)分析問題是科學(xué)合理的研究途徑。

1.1 宏觀選址決策模型〔13〕

風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址模型，主要通過最大隸屬度原則〔14〕，綜合模糊判斷矩陣與隸屬度標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址的客觀評(píng)價(jià)。通過自下而上遞階層次結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)體系，逐級(jí)逐層次的將指標(biāo)因素的權(quán)重向量與單指標(biāo)因素排序合成，備選方案在多級(jí)多層次指標(biāo)因素權(quán)重信息的綜合考慮，從而實(shí)現(xiàn)基于多指標(biāo)因素的風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址研究。風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址模型構(gòu)建如圖1所示。

1.2 宏觀選址模型算法

風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址研究是多相信息的綜合評(píng)價(jià)，就其本質(zhì)而言是定量化與定性化模糊綜合評(píng)價(jià)的識(shí)別范疇。求出N個(gè)方案的序列權(quán)重向量A={a1,a2,Λ,an}基于最大隸屬度原則，其計(jì)算按式(1)進(jìn)行。

(1)

式中：A為排序權(quán)重向量；w為評(píng)價(jià)因素權(quán)向量矩陣，采用層次分析法確定；V為模糊判斷矩陣；sj為加權(quán)平均算法，其中r為因素權(quán)重占比；μ為最優(yōu)方案識(shí)別隸屬度。

1.3 宏觀選址決策模型設(shè)計(jì)

1.3.1構(gòu)建遞階層次因素集

依據(jù)文獻(xiàn)查閱與專家咨詢的方法，把選定的多種狀態(tài)參量作為評(píng)判因素，建立風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址的遞階層級(jí)因素集，該層次結(jié)構(gòu)包含四個(gè)遞階部分：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層及方案層。即目標(biāo)層為風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址(A)；準(zhǔn)則層為地理因素(B1)，技術(shù)因素(B2)，經(jīng)濟(jì)因素(B3)，環(huán)境因素(B4)以及社會(huì)影響因素(B5)。指標(biāo)層是對(duì)準(zhǔn)則層遞階層次的細(xì)化表現(xiàn)，不同的準(zhǔn)則層依附著不同的指標(biāo)因素，其遞階層次結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。方案層是指標(biāo)層的具體細(xì)化，僅風(fēng)資源條件(C12)細(xì)化方案層，即：風(fēng)功率密度(D1)，湍流強(qiáng)度(D2)，年平均風(fēng)速(D3)及年有效利用小時(shí)數(shù)(D4)。

1.3.2構(gòu)造模糊判斷矩陣

宏觀選址模型最終的目的是把研究對(duì)象具有的隨機(jī)復(fù)雜性問題當(dāng)作一個(gè)整體系統(tǒng)，將目標(biāo)層分解為遞階層次因素集。通過構(gòu)造模糊判斷矩陣客觀地評(píng)價(jià)分析，將遞階層次結(jié)構(gòu)的因素集模糊數(shù)量化，進(jìn)而計(jì)算遞階層次的模糊判斷矩陣。

在宏觀風(fēng)電選址中，模糊判斷矩陣主要包括：比較判別矩陣(P)與方案選擇的優(yōu)先矩陣(R)。遞階層次結(jié)構(gòu)中，Bk具體細(xì)化下一層的n個(gè)元素指標(biāo)Ck1，Ck2…其中模糊判斷矩陣的rij表示：Cki與Ckj兩兩比較判斷，Cki比Ckj的重要程度大；假設(shè)具有m個(gè)方案y1，y2，…，ym，矩陣R是針對(duì)最低層各指標(biāo)因素給出的優(yōu)先矩陣。比較判別矩陣(P)與優(yōu)先矩陣(R)其兩兩比較的重要程度標(biāo)度采用1-9標(biāo)度法比較賦值〔15〕，形成風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址的模糊判斷矩陣。

風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址指標(biāo)因素的比較判別形式為：

BkCk1Ck2…CknCk1p11p12…p1nCk2p21p22…p2n……………Cknpn1pn2…pnn

方案層每個(gè)因素指標(biāo)對(duì)應(yīng)的優(yōu)先矩陣，其形式為：

因素方案y1方案y2…方案ym方案y1r11r12…r1m方案y2r21r22…r2m……………方案ymrm1rm2…rmm

兩兩比較的重要程度標(biāo)度采用0.1-0.9標(biāo)度法比較賦值，其判斷矩陣標(biāo)度及其含義如表1所示：

表1 判斷矩陣標(biāo)度及其含義

1.3.3模糊判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)與改進(jìn)方法

模糊判斷矩陣就其本質(zhì)而言是專家針對(duì)指標(biāo)因素相對(duì)重要程度的有效反映。在風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址的研究中，由于其問題的復(fù)雜性與專家思想認(rèn)知的局限性，很難保證其判斷矩陣的一致性。本文僅考慮互補(bǔ)判斷矩陣的一致性檢驗(yàn)，通過三角模糊互補(bǔ)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)與方法改進(jìn)，其方法簡(jiǎn)單、科學(xué)、有效，且改進(jìn)的結(jié)果滿足其模型的要求。

文獻(xiàn)〔16〕闡述的一致性檢驗(yàn)定義如下：

定義1：假設(shè)P=(Pij)n×n為一個(gè)三角模糊互補(bǔ)判斷矩陣，如果P滿足：?i

定義2：假設(shè)P=(Pij)n×n為一個(gè)三角模糊互補(bǔ)判斷矩陣，則Y[P]=(Y|Pij|)n×n，其中Pij=(aij,bij,cij)，Y|Pij|=(aij+bij+cij)/3，稱矩陣Y[P]為矩陣P的Y-矩陣。

定義3：三角模糊互補(bǔ)判斷矩陣P，其等價(jià)映射矩陣為Q，Q的可達(dá)矩陣為T，若可達(dá)矩陣對(duì)角線上的元素不為1，則可以稱為三角模糊判斷矩陣符合一致性檢驗(yàn)。

對(duì)不滿足一致性檢驗(yàn)要求的模糊判斷矩陣進(jìn)行一致性改進(jìn)，文獻(xiàn)〔17〕研究表明模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣的一致性改進(jìn)方法。模糊數(shù)互補(bǔ)判斷矩陣P=(Pij)n×n，假設(shè)一致性檢驗(yàn)閾值ε(ε>0)，設(shè)k值為調(diào)整次數(shù)，從而進(jìn)行一致性檢驗(yàn)的驗(yàn)算演繹。

1.3.4指標(biāo)因素權(quán)重的求取與單指標(biāo)因素的排序

對(duì)三角模糊互補(bǔ)判斷矩陣P=(Pij)n×n，依據(jù)定義3求等價(jià)映射矩陣Q=Em[P]，則第i個(gè)指標(biāo)因素的權(quán)重如式(2)所示。

(2)

風(fēng)電場(chǎng)宏觀遞階層次的比較判別矩陣P中，ri表示第i個(gè)指標(biāo)因素的重要性程度，其指標(biāo)因素的權(quán)重表示為w={r1,r2,Λ,rn}；最底層各指標(biāo)因素的優(yōu)先矩陣R，其優(yōu)先度向量為v={r1,r2,Λ,rn}，ri表示第i個(gè)方案的優(yōu)先程度。

1.3.5風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址的綜合排序

依據(jù)風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址決策模型，其具體算法步驟如下：

Step1:設(shè)準(zhǔn)則層A支配細(xì)化目標(biāo)層B的n個(gè)指標(biāo)因素，由式(2)求出目標(biāo)層指標(biāo)因素的排序權(quán)重向量w={r1,r2,Λ,rn}。

Step2:設(shè)具有m個(gè)方案，相對(duì)于目標(biāo)層B的n個(gè)指標(biāo)因素，其單指標(biāo)因素的排序向量表示為：v1={r11,r12,Λ,r1m}T，Λ,vn={rn1,rn2,Λ,rnm}T,令V={v1,v2,Λ,vn}T作為排序權(quán)重向量求解的因數(shù)。

Step3:求出m個(gè)方案相對(duì)于準(zhǔn)則層A的排序權(quán)重向量S={s1,s2,Λ,sm}=w·V。

Step4:風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址研究是基于多級(jí)多層次的指標(biāo)因素，需要綜合考慮指標(biāo)因素對(duì)選址的影響狀況，因此，采用加權(quán)平均法〔18〕求解權(quán)重排序向量，如式(3)所示。

(3)

Step5:逐層遞增的方式向上求解，可得風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址目標(biāo)層的綜合排序向量，對(duì)綜合權(quán)重向量采用最大隸屬度原則〔19〕進(jìn)行求解，從m個(gè)方案中得到最優(yōu)方案。

2 工程實(shí)例分析驗(yàn)證

依據(jù)相關(guān)資料的可研報(bào)告分析及初步設(shè)計(jì)調(diào)查報(bào)告，現(xiàn)有三個(gè)備選方案：甲場(chǎng)址、乙場(chǎng)址、丙場(chǎng)址，三個(gè)場(chǎng)址的指標(biāo)因素具體概況如表2所示。

表2 因素指標(biāo)分類及具體參考值

2.1 構(gòu)建指標(biāo)因素的比較判別矩陣與優(yōu)先矩陣

指標(biāo)因素的比較判別矩陣由遞階層次因素結(jié)構(gòu)的上層指標(biāo)因素同下層指標(biāo)因素兩兩比較求得。依據(jù)圖2顯示的宏觀風(fēng)電場(chǎng)選址的遞階層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)建選址指標(biāo)因素的比較判別矩陣：A-B，B1-C，B2-C，B3-C，B4-C，B5-C，C12-D。其中，目標(biāo)層風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址(A)與準(zhǔn)則層指標(biāo)因素B1，B2，B3，B4，B5的比較判別矩陣A-B=(pij)5×5，如表3所示。

表3 比較判別矩陣A-B

同理，各層次指標(biāo)因素的比較判別矩陣B1-C，B2-C，B3-C，B4-C，B5-C，C12-D不一一列舉。

方案層的各指標(biāo)因素對(duì)應(yīng)一個(gè)優(yōu)先矩陣，對(duì)于年可利用小時(shí)數(shù)D4采用甲、乙、丙3個(gè)方案進(jìn)行兩兩比較，得出相應(yīng)的優(yōu)先矩陣D4=(rij)3×3，如表4所示。

表4 優(yōu)先矩陣D4

同理，其余方案層指標(biāo)因素的優(yōu)先矩陣不一一列舉。

2.2 比較判別矩陣與優(yōu)先矩陣一致性的檢驗(yàn)和改進(jìn)

(1)指標(biāo)因素的比較判別矩陣

依據(jù)文獻(xiàn)〔16〕闡述的一致性檢驗(yàn)準(zhǔn)則，需對(duì)比較判別矩陣A-B，B1-C，B2-C，B3-C，B4-C，B5-C，C12-D進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。其中A-B的一致性檢驗(yàn)步驟如下所示：

Step1:求解A-B的等價(jià)映射矩陣Q，

同理，按照上述步驟比較判別矩陣B1-C，B2-C，B3-C，B4-C，B5-C，C12-D均滿足一致性檢驗(yàn)要求。

(2)方案層指標(biāo)因素的優(yōu)先矩陣

判斷方案層指標(biāo)的一致性檢驗(yàn)，其方法步驟同比較判別矩陣檢驗(yàn)方法一致，因此，依據(jù)上述步驟，方案層因素指標(biāo)D1，D2，D3，D4均滿足一致性檢驗(yàn)要求。

2.3 指標(biāo)因素的權(quán)重

準(zhǔn)則層A支配細(xì)化目標(biāo)層B的指標(biāo)因素，由式(2)求取遞階層次結(jié)構(gòu)各指標(biāo)因素的權(quán)重向量w,如表5所示。

表5 指標(biāo)因素的權(quán)重向量

2.4 單指標(biāo)因素的方案排序

依據(jù)表2因素指標(biāo)的分類及具體參考值，由式(2)求取甲、乙、丙三個(gè)方案的單指標(biāo)因素的優(yōu)先度向量，如表6所示。

表6 單指標(biāo)因素的優(yōu)先度向量矩陣

2.5 風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址方案的綜合排序

依據(jù)表5和表6的相關(guān)內(nèi)容，采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型，求取風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址的最佳決策。運(yùn)用式(1)求取甲、乙、丙三個(gè)場(chǎng)址的綜合排序向量，如下所示：

指標(biāo)因素風(fēng)資源條件C12的綜合排序向量：

表7 風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址方案的綜合排序向量

由表7所示，甲、乙、丙三個(gè)場(chǎng)址的最終綜合排序向量為(0.320,0.402,0.278)，根據(jù)最大隸屬度原則，可以知道，乙場(chǎng)址的優(yōu)先程度最高，最適合建設(shè)風(fēng)電場(chǎng)。實(shí)際中，乙場(chǎng)址已經(jīng)建設(shè)完畢，該風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行良好，效益可觀，證明了風(fēng)電場(chǎng)選址決策模型的科學(xué)性與實(shí)用性。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)甲、乙、丙3個(gè)風(fēng)電場(chǎng)址進(jìn)行綜合評(píng)判，針對(duì)場(chǎng)址的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)的算例驗(yàn)證，確定乙場(chǎng)址最優(yōu)，使得風(fēng)電場(chǎng)選址決策模型更好地為實(shí)際工程的選址服務(wù)，較好地解決了風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址的模糊性和不確定問題，是風(fēng)電場(chǎng)選址決策的重要技術(shù)方法。模糊綜合評(píng)價(jià)模型科學(xué)合理地構(gòu)建了遞階層次結(jié)構(gòu)，有效融合了復(fù)雜與隨機(jī)的諸多指標(biāo)因素，對(duì)最優(yōu)選址的結(jié)果給予明確的響應(yīng)，是風(fēng)電場(chǎng)宏觀選址的重要軟技術(shù)支撐。