抽水蓄能機(jī)組功率調(diào)節(jié)評(píng)價(jià)方法綜述

衣傳寶，王德順，王龍澤，蔣思宇，謝 彧，焦淑涔，張 妍，謝 歡，李美成

(1.華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，北京 102206；2.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司，北京 100761；3.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192；4.華北電力大學(xué) 新能源學(xué)院，北京 102206；5.華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206；6.國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司電力科學(xué)研究院，北京 100045)

0 引 言

電力能源在生產(chǎn)、分配、輸送和使用等環(huán)節(jié)，均存在很大的波動(dòng)性和不確定性。因此，儲(chǔ)能成為電力系統(tǒng)不可或缺的一部分，在智能電網(wǎng)、可再生能源高占比系統(tǒng)和能源互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用，并成為這些領(lǐng)域的重要組成部分以及關(guān)鍵支撐技術(shù)[1]。抽水蓄能是目前大容量電能存儲(chǔ)的主要方式，具有調(diào)峰、填谷、調(diào)頻及事故備用功能，。抽水蓄能的低吸高發(fā)功能，不僅實(shí)現(xiàn)了電能的有效存儲(chǔ)，而且有效調(diào)節(jié)了電力系統(tǒng)生產(chǎn)的供應(yīng)和使用，保持了三者之間的動(dòng)態(tài)平衡。功率調(diào)節(jié)功能是抽水蓄能電站調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、事故備用等功能和在電力系統(tǒng)中多種作用發(fā)揮的基礎(chǔ)[2]。

我國(guó)在20世紀(jì)60年代后期開(kāi)始對(duì)抽水蓄能電站研究、開(kāi)發(fā)和使用，主要解決電力系統(tǒng)中遇到的調(diào)峰問(wèn)題。1968年建成的崗南小型混合式抽水蓄能電站開(kāi)辟了我國(guó)抽水蓄能電站建設(shè)的先河[3]。雖然我國(guó)抽水蓄能建設(shè)起步較晚，但由于后發(fā)效應(yīng)，起點(diǎn)卻較高，近年建設(shè)的幾座大型抽水蓄能電站技術(shù)已處于世界先進(jìn)水平。預(yù)計(jì)到2020年底，我國(guó)抽水蓄能電站裝機(jī)規(guī)模將達(dá)到4 000萬(wàn)kW[4]。

抽水蓄能電站是世界公認(rèn)的運(yùn)行靈活且安全可靠的調(diào)峰電源，國(guó)內(nèi)外已投產(chǎn)運(yùn)行的抽水蓄能電站均為電力系統(tǒng)帶來(lái)良好的經(jīng)濟(jì)效益。它以其特有的優(yōu)點(diǎn)發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，主要體現(xiàn)在以下幾方面：(1)承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相和旋轉(zhuǎn)備用任務(wù)，給電力系統(tǒng)帶來(lái)可觀的動(dòng)態(tài)效益、提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量和運(yùn)行安全；(2)平抑風(fēng)力發(fā)電與太陽(yáng)能發(fā)電的不確定性，緩解新能源并網(wǎng)的不利影響；(3)為特高壓和智能電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展保駕護(hù)航，對(duì)電力系統(tǒng)特別是堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行具有重要意義；(4)具有實(shí)現(xiàn)整個(gè)電力系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電機(jī)組節(jié)能降耗的靜態(tài)功能，有助于實(shí)現(xiàn)低碳經(jīng)濟(jì)與能源產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[5]。

合理評(píng)價(jià)抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)性能是推動(dòng)抽水蓄能發(fā)展的首要前提。理論研究方面，科學(xué)全面地評(píng)價(jià)抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)性能，可為抽水蓄能技術(shù)發(fā)展提出合理建議，為理論研究指明方向與提供借鑒；現(xiàn)實(shí)意義方面，將評(píng)價(jià)成果應(yīng)用到實(shí)踐中，實(shí)現(xiàn)理論與實(shí)踐更好地結(jié)合，改善我國(guó)抽水蓄能電站的管理與運(yùn)行水平，發(fā)揮出抽水蓄能電站功率調(diào)節(jié)的應(yīng)用作用，更好地推動(dòng)抽水蓄能行業(yè)的發(fā)展。然而，由于抽蓄機(jī)組多源異質(zhì)特性以及評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法各異，為綜合評(píng)價(jià)抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)性能帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。

本文針對(duì)抽水蓄能功率調(diào)節(jié)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法，梳理了國(guó)內(nèi)外既有研究成果，根據(jù)抽蓄機(jī)組及功率調(diào)節(jié)特性，分析現(xiàn)有評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法存在的不足，提出今后抽水蓄能功率調(diào)節(jié)評(píng)價(jià)研究的發(fā)展方向。

1 抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)特性分析

根據(jù)抽水蓄能機(jī)組的功率調(diào)節(jié)特性，可將機(jī)組分為定速抽蓄機(jī)組與變速抽蓄機(jī)組。由于定速抽蓄機(jī)組的轉(zhuǎn)速為固定值，水泵工況的揚(yáng)程與功率符合單一映射的函數(shù)關(guān)系，改變導(dǎo)葉開(kāi)度對(duì)機(jī)組輸出功率進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，過(guò)程較慢，難以滿足電網(wǎng)功率快速調(diào)節(jié)的要求。這種機(jī)組無(wú)法對(duì)電網(wǎng)功率的短時(shí)、瞬時(shí)波動(dòng)做出響應(yīng)，且無(wú)法調(diào)節(jié)、消納電網(wǎng)多余功率。相較于定速抽蓄機(jī)組，變速抽蓄機(jī)組的優(yōu)勢(shì)在于抽水工況可進(jìn)行自動(dòng)頻率控制、發(fā)電工況瞬時(shí)有功功率和無(wú)功功率調(diào)節(jié)，同時(shí)還有助于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)柔性連接，提高發(fā)電效率，控制電網(wǎng)負(fù)荷頻率，避免可再生能源并網(wǎng)后出現(xiàn)頻率大幅變化問(wèn)題，提高電能質(zhì)量[6]。變速抽蓄機(jī)組合理的功率調(diào)節(jié)可以使水輪機(jī)和水泵的運(yùn)行效率普遍提高3%～10%左右，并且在抽水工況下抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)，具有調(diào)節(jié)機(jī)組人力的能力[7]。因此，變速抽蓄機(jī)組已逐步取代定速抽蓄機(jī)組。基于此，本文主要對(duì)變速抽蓄機(jī)組的功率調(diào)節(jié)特性進(jìn)行分析。

抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)在發(fā)電模式與電動(dòng)模式中有不同的表現(xiàn)。發(fā)電模式下的功率調(diào)節(jié)，起到調(diào)峰的作用。即在高峰負(fù)荷時(shí)，機(jī)組作為發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，利用上水庫(kù)的蓄水發(fā)電，將流水帶動(dòng)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，送入電網(wǎng)。此時(shí)，水輪機(jī)進(jìn)口能量高于出口能量，水流對(duì)轉(zhuǎn)輪做功。文獻(xiàn)[8]將功率調(diào)節(jié)看作是對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)能調(diào)整和調(diào)速器對(duì)水流量調(diào)整的響應(yīng)，通過(guò)計(jì)算有功功率來(lái)反應(yīng)功率調(diào)節(jié)性能優(yōu)劣。文獻(xiàn)[9]通過(guò)分析揚(yáng)程與功率關(guān)系曲線來(lái)進(jìn)行抽濾機(jī)組功率調(diào)節(jié)的特性分析。文獻(xiàn)[10]則認(rèn)為表征功率調(diào)節(jié)性能的指標(biāo)是水泵調(diào)節(jié)容量。

電動(dòng)模式下的功率調(diào)節(jié)起到填谷的作用，即在電力系統(tǒng)負(fù)荷處于低谷時(shí)，抽水蓄能機(jī)組作為水泵運(yùn)行，往上水庫(kù)蓄水。此時(shí)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，水泵的出口能量高于進(jìn)口能量，轉(zhuǎn)輪對(duì)水流做功。文獻(xiàn)[8]提出電機(jī)轉(zhuǎn)速可以表征功率調(diào)節(jié)性能的優(yōu)劣，計(jì)算發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)吸收的功率與轉(zhuǎn)速的三次方成正比。文獻(xiàn)[9]在流量與揚(yáng)程、功率曲線關(guān)系圖中，根據(jù)得到水泵最大入力限制線確定功率調(diào)節(jié)的范圍。文獻(xiàn)[11]以單位調(diào)節(jié)功率的標(biāo)幺值來(lái)恒定機(jī)組的功率調(diào)節(jié)性能。文獻(xiàn)[12]通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)在輸入功率一定的情況下相較于常規(guī)可變速抽速系統(tǒng)基于虛擬水頭的可變速抽水蓄能系統(tǒng)機(jī)組效率明顯較高，具有更好的功率調(diào)節(jié)特性。

目前，上述文獻(xiàn)表征功率調(diào)節(jié)特性的參數(shù)多為輸出功率，大多數(shù)研究都指明影響輸出功率的因素有轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程[10]。文獻(xiàn)在計(jì)算輸出功率時(shí)大多在理想狀態(tài)下進(jìn)行，這一算法對(duì)于工況較為簡(jiǎn)單的定速抽蓄機(jī)組較為準(zhǔn)確。然而變速抽蓄機(jī)組運(yùn)行工況極為復(fù)雜，工況啟停止中涉及到的相關(guān)要素較多，故簡(jiǎn)單的輸出功率計(jì)算不能準(zhǔn)確地反應(yīng)功率調(diào)節(jié)特性，該方法也就失去了其先進(jìn)性，無(wú)法實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)特性合理分析。綜上所述，功率調(diào)節(jié)特性分析方法較單一，需再加強(qiáng)抽蓄機(jī)組功率工況的調(diào)研工作，為科學(xué)合理分析抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)特性打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其在功率調(diào)節(jié)方面的性能狀態(tài)，因此，需要建立科學(xué)合理的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，以實(shí)現(xiàn)抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)能力最優(yōu)的考量目標(biāo)。對(duì)于抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)性能的綜合評(píng)價(jià)，首先要建立真實(shí)客觀地反映系統(tǒng)綜合性能的指標(biāo)體系，進(jìn)而確定體系中各指標(biāo)的權(quán)重，即各指標(biāo)對(duì)整體的重要程度，最后得出綜合性能的評(píng)價(jià)得分，以實(shí)現(xiàn)對(duì)抽蓄機(jī)組進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)評(píng)價(jià)的目標(biāo)。

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

抽水蓄能機(jī)組能夠通過(guò)抽取和釋放水，實(shí)現(xiàn)勢(shì)能和電能的相互轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到調(diào)峰填谷的目的。這種轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的效益受到學(xué)者重點(diǎn)關(guān)注并得到了廣泛的研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多從靜態(tài)效益和動(dòng)態(tài)效益兩個(gè)方面來(lái)建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，來(lái)衡量抽水蓄能電站在電網(wǎng)中的效益。其中，靜態(tài)效益即調(diào)峰填谷產(chǎn)生的效益，分為容量效益和電量效益，即節(jié)煤效益；動(dòng)態(tài)效益是指由于抽水蓄能電站啟動(dòng)迅速、運(yùn)行靈活，在承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)相、負(fù)荷調(diào)整和緊急事故備用任務(wù)時(shí)，滿足系統(tǒng)“動(dòng)態(tài)”運(yùn)行需要而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

在抽蓄機(jī)組靜態(tài)參數(shù)的評(píng)價(jià)方面，文獻(xiàn)[13]考慮了機(jī)組的開(kāi)機(jī)容量和機(jī)組出力、事故備用容量和負(fù)荷備用容量等約束條件，能較全面地反映靜態(tài)效益，但單純用數(shù)學(xué)方法求解文獻(xiàn)所提出的公式十分困難。文獻(xiàn)[14]運(yùn)用了等效替代原則，提出了系統(tǒng)負(fù)荷峰谷態(tài)、電站調(diào)峰能力和煤耗特性等主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，但由于僅評(píng)估了靜態(tài)性能且指標(biāo)不夠全面，因而并不足以得出調(diào)峰火電機(jī)組、抽水蓄能機(jī)組何者更優(yōu)的結(jié)論。文獻(xiàn)[15]考慮了抽蓄電站的上下水庫(kù)的流量、庫(kù)容、水頭、發(fā)電量和抽水負(fù)荷間的關(guān)系，并將系統(tǒng)機(jī)組的煤耗效率、資源分布以及能源價(jià)格差別、不同地區(qū)和不同時(shí)段的售電電價(jià)差別等多方因素考慮在內(nèi)，通過(guò)區(qū)分不同的計(jì)算口徑來(lái)建立綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，但文獻(xiàn)并未對(duì)此進(jìn)行更深入的闡述。因此，現(xiàn)有研究選取的指標(biāo)可行性不高、計(jì)算結(jié)果不夠精確；包含的二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)較少，并不足以建立其一個(gè)全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、實(shí)現(xiàn)對(duì)抽蓄機(jī)組效益的綜合評(píng)價(jià)。

在抽蓄機(jī)組的動(dòng)態(tài)參數(shù)的評(píng)價(jià)方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多將抽水蓄能電站的容量按其承擔(dān)的各種功能分塊，分別計(jì)算其動(dòng)態(tài)效益，最后逐項(xiàng)累加。文獻(xiàn)[16]提出一種定量評(píng)估抽水蓄能機(jī)組調(diào)頻效益的解析模型，衡量了調(diào)頻容量、備用容量、燃料費(fèi)和固定運(yùn)行費(fèi)用等指標(biāo)，但忽視了各類(lèi)機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速度問(wèn)題，計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[17]主要關(guān)注新增機(jī)組的有效容量、小時(shí)強(qiáng)迫停運(yùn)率、抽蓄機(jī)組的發(fā)電容量、抽水容量的指標(biāo)，還評(píng)估了在峰荷區(qū)所節(jié)約的燃料和因增加抽水量而增加的煤耗，確定邊際效益，但弱化了對(duì)負(fù)荷隨機(jī)變化和計(jì)劃外負(fù)荷增長(zhǎng)的考慮。文獻(xiàn)[13]計(jì)量了典型日負(fù)荷曲線，逐小時(shí)計(jì)算機(jī)組發(fā)生事故停運(yùn)導(dǎo)致的系統(tǒng)供電量、缺供電力和期望值等指標(biāo)，然后累加求出系統(tǒng)供電量、缺供電力和停電持續(xù)時(shí)間的期望值。綜上，將抽蓄電站進(jìn)行功能分塊后計(jì)算其動(dòng)態(tài)效益的方法概念清晰，計(jì)算簡(jiǎn)便，但主要缺陷在于各種功能效益相互交叉重疊，難以割裂；抽水蓄能電站動(dòng)態(tài)效益的實(shí)現(xiàn)機(jī)理復(fù)雜，在這種方法上建立的動(dòng)態(tài)參數(shù)并不能完整準(zhǔn)確地評(píng)估抽水蓄能電站所能實(shí)現(xiàn)的全部動(dòng)態(tài)效益。

綜上所述，現(xiàn)存的國(guó)內(nèi)外研究從多角度、多方面提出了評(píng)價(jià)指標(biāo)，以評(píng)價(jià)抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)方面的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)效益，如圖1所示。但仍存在些許不足：首先，部分指標(biāo)的獲取仍有一定的技術(shù)難度，因此無(wú)法計(jì)算出精確的結(jié)果；其次，由于抽蓄電站效益實(shí)現(xiàn)機(jī)理的復(fù)雜性，已建立的評(píng)價(jià)體系層次過(guò)于單一，仍需建立二級(jí)指標(biāo)，對(duì)效益進(jìn)行深度評(píng)價(jià)；最后，不同學(xué)者提出的指標(biāo)受到考慮角度的限制，指標(biāo)本身不足以全面、完整地評(píng)價(jià)抽蓄電站。

圖1 抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)Fig.1 Evaluation index for power regulation performance of pumped storage unit

2.2 評(píng)價(jià)體系的權(quán)重

在項(xiàng)目評(píng)價(jià)中，確認(rèn)各類(lèi)指標(biāo)的權(quán)重往往是影響最終評(píng)價(jià)結(jié)果的關(guān)鍵因素。原因在于變速抽蓄機(jī)組產(chǎn)生的效益分為兩種，其相應(yīng)的評(píng)估指標(biāo)的重要程度也不盡相同，考核也需要具有側(cè)重點(diǎn)。權(quán)重不僅僅是指某一因素或指標(biāo)所占的百分比，更重要的是因素或指標(biāo)對(duì)整體的貢獻(xiàn)度或重要性。因此，選擇合理的賦權(quán)方法是綜合評(píng)價(jià)的關(guān)鍵。具體的賦權(quán)方法可分為主觀賦權(quán)法、客觀賦權(quán)法和組合賦權(quán)法三類(lèi)。

主觀賦權(quán)法是一種定性分析的方法，主要是根據(jù)決策者或?qū)＜业闹R(shí)、經(jīng)驗(yàn)等無(wú)法量化的信息來(lái)確定指標(biāo)的權(quán)重，體現(xiàn)了評(píng)價(jià)者的主觀偏好。代表性的主觀賦權(quán)法有層次分析法。文獻(xiàn)[18]對(duì)希臘各能源發(fā)電績(jī)效評(píng)價(jià)時(shí)，從公共電力部門(mén)、獨(dú)立的電力生產(chǎn)商、輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和政府等能源相關(guān)部門(mén)組織了25人對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行打分。文獻(xiàn)[19]在對(duì)伊斯坦布爾可再生能源發(fā)電績(jī)效進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，利用專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)法得出各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。這種方法操作簡(jiǎn)單，能夠直接依賴(lài)專(zhuān)家的歷史經(jīng)驗(yàn)，結(jié)果比較符合實(shí)際；但缺點(diǎn)是具有一定的主觀臆斷性，容易陷入經(jīng)驗(yàn)主義的誤區(qū)，無(wú)法合理考慮指標(biāo)的數(shù)值和內(nèi)在聯(lián)系。

客觀賦權(quán)法是一種定量分析方法，是根據(jù)指標(biāo)的原始信息，運(yùn)用統(tǒng)計(jì)的方法理論計(jì)算出的指標(biāo)權(quán)重。常見(jiàn)的有主成分分析法、變異系數(shù)法、熵值法等。文獻(xiàn)[20]運(yùn)用了客觀賦權(quán)法，通過(guò)對(duì)目標(biāo)間的對(duì)比強(qiáng)度和沖突性進(jìn)行綜合考慮來(lái)確定目標(biāo)的權(quán)重，以對(duì)停電后機(jī)組恢復(fù)方案進(jìn)行優(yōu)化決策。文獻(xiàn)[21]使用了熵權(quán)法來(lái)度量指標(biāo)所含的信息量、使用變異系數(shù)法來(lái)確定指標(biāo)的變異程度，并將二者結(jié)合對(duì)電能質(zhì)量各等級(jí)進(jìn)行賦權(quán)，以對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)?？偟膩?lái)說(shuō)，客觀賦權(quán)法的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為能合理有效地保留原始數(shù)據(jù)的信息，充分體現(xiàn)了指標(biāo)的特征與差異；缺點(diǎn)在于客觀賦權(quán)法要依賴(lài)于足夠的樣本數(shù)據(jù)和實(shí)際的問(wèn)題域，通用性和可參與性差，計(jì)算方法也比較復(fù)雜，而且不能體現(xiàn)評(píng)判者對(duì)不同屬性指標(biāo)的重視程度，既定權(quán)重會(huì)與屬性的實(shí)際重要程度相差較大。

組合賦權(quán)法是一種將主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法進(jìn)行組合的綜合分析方法。文獻(xiàn)[22]在評(píng)價(jià)分布式能源系統(tǒng)的各方案的優(yōu)劣時(shí)，邀請(qǐng)6位專(zhuān)家進(jìn)行賦權(quán)并用熵權(quán)法的指標(biāo)計(jì)算權(quán)重值，引入熵值變量，將二者結(jié)合。文獻(xiàn)[23]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和公式計(jì)算、專(zhuān)家打分求平均值的方法獲得指標(biāo)權(quán)重，然后采用博弈論把主觀權(quán)重與客觀權(quán)重整合優(yōu)化為組合權(quán)重，并進(jìn)行歸一化處理。最后，基于TOPSIS法計(jì)算充電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)的貼近度，并得出最終評(píng)分。文獻(xiàn)[24]建立了分布式電源并網(wǎng)的綜合評(píng)估指標(biāo)體系，邀請(qǐng)專(zhuān)家給出評(píng)估指標(biāo)的重要程度，然后進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算，再利用隸屬度函數(shù)進(jìn)行模糊評(píng)分，二者結(jié)合組進(jìn)行權(quán)重計(jì)算。因此，組合賦權(quán)法確保了主觀信息和客觀信息都能夠在指標(biāo)權(quán)重中得以體現(xiàn)，有效地規(guī)避了上述主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法各自的缺陷，使得計(jì)算出的結(jié)果更合理。

3 評(píng)價(jià)方法

由于抽蓄機(jī)組的功率調(diào)節(jié)是系統(tǒng)性的，單因子評(píng)價(jià)無(wú)法全面、準(zhǔn)確地反映抽水蓄能工程在功率調(diào)節(jié)方面的性能，因此多采用綜合評(píng)價(jià)方法。綜合評(píng)價(jià)方法可分為主觀評(píng)價(jià)法、客觀評(píng)價(jià)法及組合評(píng)價(jià)法。主觀評(píng)價(jià)法包括專(zhuān)家評(píng)價(jià)法、層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法等；客觀評(píng)價(jià)法包括灰色關(guān)聯(lián)度分析法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法、主成分分析法、熵權(quán)法等；組合評(píng)價(jià)法則是將多種評(píng)價(jià)法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)多種方法的綜合應(yīng)用。

3.1 主觀評(píng)價(jià)法

層次分析法是本世紀(jì)中期被提出來(lái)的一種系統(tǒng)規(guī)劃方法，通過(guò)應(yīng)用數(shù)學(xué)方法將決定性分析有效結(jié)合起來(lái)，統(tǒng)一進(jìn)行優(yōu)化處理而得到合理結(jié)果的一種方法。它將決策者的思維過(guò)程數(shù)學(xué)化，將人的主觀判斷的定性分析進(jìn)行定量化，將各種評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的差異數(shù)值化，幫助決策者保持思維過(guò)程的一致性，從而為確定這些評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重提供了易于被人接受的決策數(shù)據(jù)，因此，在抽水蓄能評(píng)價(jià)中得到廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[25]對(duì)智能水電廠調(diào)速系統(tǒng)硬件平臺(tái)及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)討論，采用層次分析法，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、運(yùn)行監(jiān)控進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[26]采用層次分析法，以水電機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，提出了機(jī)組的健康狀態(tài)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)模型，并通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了層次分析法在水電機(jī)組評(píng)價(jià)中應(yīng)用的可行性。但采用層次分析法評(píng)價(jià)時(shí)，擺脫不了評(píng)價(jià)過(guò)程中的隨機(jī)性和評(píng)價(jià)專(zhuān)家主觀上的不確定性及認(rèn)識(shí)上的模糊性；對(duì)于抽蓄機(jī)組，評(píng)價(jià)指標(biāo)比較復(fù)雜，判斷矩陣易出現(xiàn)不一致現(xiàn)象，影響結(jié)果的可信度。

模糊綜合評(píng)判法是進(jìn)行綜合評(píng)判的一種有效方法，最早是由我國(guó)學(xué)者汪培莊于1980年提出的。其優(yōu)點(diǎn)是數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單，容易掌握，對(duì)多因素、多層次的復(fù)雜問(wèn)題評(píng)判效果比較好，是別的數(shù)學(xué)分支和模型所難以代替的方法。文獻(xiàn)[27]采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法，構(gòu)建水利工程指標(biāo)體系與相應(yīng)評(píng)價(jià)模型，為企業(yè)進(jìn)行施工質(zhì)量管理提供科學(xué)有效的評(píng)價(jià)方法和思路，提高水電項(xiàng)目執(zhí)行效率。文獻(xiàn)[28]建立了評(píng)價(jià)抽水蓄能電站功能作用的指標(biāo)體系，通過(guò)模糊綜合評(píng)判方法對(duì)抽水蓄能電站服務(wù)電網(wǎng)的性能做出評(píng)價(jià)。然而，模糊評(píng)判法不能解決評(píng)價(jià)指標(biāo)間相關(guān)造成的評(píng)價(jià)信息重復(fù)問(wèn)題，各因素權(quán)重的確定帶有一定的主觀性，尤其在抽水蓄能機(jī)組復(fù)雜的性能評(píng)價(jià)方面，隸屬函數(shù)的確定有一定困難，導(dǎo)致該方法的應(yīng)用過(guò)于繁瑣，實(shí)用性不強(qiáng)。

3.2 客觀評(píng)價(jià)法

灰色關(guān)聯(lián)度分析法是典型的客觀評(píng)價(jià)方法之一，是一種定性和定量分析相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)方法，這種方法可以較好的解決評(píng)價(jià)指標(biāo)難以準(zhǔn)確量化和統(tǒng)計(jì)的問(wèn)題，可以排除人為因素帶來(lái)的影響，使評(píng)價(jià)結(jié)果更加客觀準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[29]針對(duì)現(xiàn)有配電網(wǎng)的評(píng)價(jià)考量體系及管理中存在的問(wèn)題，提出了一種基于灰色關(guān)聯(lián)度的指標(biāo)賦權(quán)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)的全面效果評(píng)價(jià)，有助于提升電網(wǎng)改造和建設(shè)水平。文獻(xiàn)[30]應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)度分析法評(píng)價(jià)我國(guó)西南地區(qū)某流域梯級(jí)水電開(kāi)發(fā)對(duì)流域內(nèi)水生生物的影響，證明了將灰色關(guān)聯(lián)度分析法應(yīng)用于水電規(guī)劃環(huán)境影響評(píng)價(jià)，不僅可以量化水電梯級(jí)規(guī)劃對(duì)環(huán)境的影響程度，而且更有利于多個(gè)開(kāi)發(fā)方案的比較優(yōu)選。文獻(xiàn)[31]在水電工程施工工程中，引入灰色關(guān)聯(lián)度分析法，詳細(xì)介紹了灰色評(píng)標(biāo)模型的計(jì)算方法和步驟。但灰色關(guān)聯(lián)度量化模型的理論基礎(chǔ)很狹隘，比較序列的取值不同會(huì)造成結(jié)果不唯一，該方法不能解決功率調(diào)節(jié)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)間相關(guān)性造成的評(píng)價(jià)信息重復(fù)問(wèn)題，因而指標(biāo)的選擇對(duì)評(píng)判結(jié)果影響很大。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是工程技術(shù)手段模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能特征的一類(lèi)人工系統(tǒng)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的信息處理是通過(guò)神經(jīng)元之間的相互作用來(lái)完成的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)方法具有自適應(yīng)能力，能對(duì)多指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)問(wèn)題給出一個(gè)客觀評(píng)價(jià)，有助于弱化權(quán)重確定中的人為因素。文獻(xiàn)[32]針對(duì)水電工程安全事故的動(dòng)態(tài)性、隨機(jī)性和模糊性特點(diǎn)，構(gòu)建水電工程安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，通過(guò)引入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)模型，對(duì)水電工程施工安全進(jìn)行評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[33]探究了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法在電力需求側(cè)功率管理綜合評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，分析人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)方法應(yīng)用的可行性、優(yōu)越性及現(xiàn)有缺陷，并輔以實(shí)例加以論證，為電力系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)中評(píng)價(jià)方法的選擇提供一種解決方案。然而，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)方法最嚴(yán)重的問(wèn)題是沒(méi)能力來(lái)解釋自己的推理過(guò)程和推理依據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)不充分的時(shí)候，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就無(wú)法進(jìn)行工作。

主成分分析也稱(chēng)主分量分析，把多指標(biāo)合成為少數(shù)幾個(gè)相互無(wú)關(guān)的綜合指標(biāo)(即主成分)以降低復(fù)雜維度，其中每個(gè)主成分都能夠反映原始變量的絕大部分信息，而且所含信息互不重復(fù)。這種方法在引進(jìn)多方面變量的同時(shí)將復(fù)雜因素歸結(jié)為幾個(gè)主成分，使問(wèn)題簡(jiǎn)單化，同時(shí)得到更加科學(xué)有效的數(shù)據(jù)信息。文獻(xiàn)[34]以電力系統(tǒng)需求側(cè)功率調(diào)節(jié)為研究對(duì)象，利用主成分分析方法提取少量但又能反映原先指標(biāo)的信息，有效降低了變量維數(shù)而又不造成信息的大量丟失。但主成分分析法的計(jì)算過(guò)程比較繁瑣，對(duì)樣本量的要求較大，且需要假設(shè)指標(biāo)之間的關(guān)系都為線性關(guān)系，但在評(píng)價(jià)抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)性能的實(shí)際應(yīng)用時(shí)，指標(biāo)之間的關(guān)系并非為線性關(guān)系，這將有可能導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果的偏差較大。

3.3 組合評(píng)價(jià)法

各種評(píng)價(jià)方法的提出都有其特殊的背景和意義，因而會(huì)有適合自己的應(yīng)用范圍，主觀評(píng)價(jià)法中存在權(quán)重確定存在主觀性等問(wèn)題，客觀評(píng)價(jià)法中存在底層數(shù)據(jù)需求量過(guò)大等問(wèn)題。對(duì)于具體的評(píng)價(jià)研究，方法的優(yōu)劣與否沒(méi)有絕對(duì)的甄別標(biāo)準(zhǔn)，單純從方法的機(jī)理上判別方法的好壞不可行。因此，許多學(xué)者將兩種甚至多種方法進(jìn)行組合，對(duì)抽蓄機(jī)組的性能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以盡量克服單一評(píng)價(jià)方法的局限性。

文獻(xiàn)[35]將模糊評(píng)判法與層次分析法相組合，建立了可較好反映抽水蓄能功率調(diào)速系統(tǒng)性能狀態(tài)的評(píng)估指標(biāo)體系，綜合評(píng)估了系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并以實(shí)際案例進(jìn)行驗(yàn)證，取得了較為滿意的應(yīng)用效果。文獻(xiàn)[36]同樣采用模糊評(píng)判與層次分析組合的方法，對(duì)廣西農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造的功率效能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并建立了組合式的評(píng)價(jià)體系。文獻(xiàn)[37]從水電工程風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)量化問(wèn)題出發(fā)，將灰色關(guān)聯(lián)度分析法與層次分析法相結(jié)合，進(jìn)行工程風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)，為水電相關(guān)企業(yè)在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面提供了思路。文獻(xiàn)[38]以水電工程施工安全為研究對(duì)象，采用模糊綜合評(píng)價(jià)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法，基于Matlab神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱建立了基于模糊綜合評(píng)價(jià)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的評(píng)價(jià)模型，對(duì)于水電工程施工過(guò)程的安全隱患排查具有一定的參考意義。文獻(xiàn)[39]針對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)輸出功率的波動(dòng)性和間歇性特點(diǎn)，提出一種基于主成分分析和遺傳算法優(yōu)化的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功率預(yù)測(cè)方法，構(gòu)建了多種方法組合式的數(shù)學(xué)模型，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。這些組合評(píng)價(jià)方法雖然有助于對(duì)抽蓄機(jī)組性能進(jìn)行較全面的綜合評(píng)價(jià)，但這些“組合”只是在評(píng)價(jià)權(quán)數(shù)和結(jié)果兩個(gè)局部環(huán)節(jié)進(jìn)行“重組”，對(duì)于能否科學(xué)全面地評(píng)價(jià)抽蓄機(jī)組性能仍需考量。典型評(píng)價(jià)方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 典型評(píng)價(jià)方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of typical evaluation methods

4 抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)評(píng)價(jià)研究的發(fā)展趨勢(shì)

評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的進(jìn)一步研究。在抽水蓄能機(jī)組的功率調(diào)節(jié)性能評(píng)價(jià)中，建立科學(xué)全面的指標(biāo)體系是綜合評(píng)價(jià)合理性的基礎(chǔ)。抽蓄機(jī)組的功率調(diào)節(jié)性能受多種因素影響，從中選擇能較好地反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、功率調(diào)節(jié)能力、技術(shù)與管理人員訴求的指標(biāo)因子是一個(gè)較難把握的技術(shù)問(wèn)題，尤其是將定性與定量相結(jié)合的指標(biāo)權(quán)重選取，是綜合評(píng)價(jià)過(guò)程中的一大難點(diǎn)。因此，在今后的研究與實(shí)踐工作中，要充分考慮抽蓄機(jī)組不同狀態(tài)下的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的合理建立，力爭(zhēng)形成一套完備的、具有代表性的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

廣義統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立。目前抽水蓄能項(xiàng)目建設(shè)與運(yùn)營(yíng)情況各異，尤其是功率調(diào)節(jié)方面受到當(dāng)?shù)乜稍偕茉磁c配電網(wǎng)運(yùn)行影響，導(dǎo)致功率調(diào)節(jié)還沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在未來(lái)的研究工作中，可以根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象所處區(qū)域的水力與電力結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建統(tǒng)一的或具有代表性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；也可以根據(jù)抽水蓄能機(jī)組建設(shè)規(guī)模，并結(jié)合功率調(diào)節(jié)任務(wù)，建立分級(jí)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，同一級(jí)別的評(píng)價(jià)對(duì)象可采用相同的標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，還可以根據(jù)抽水蓄能項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)類(lèi)型的不同，建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。有了廣義上統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在對(duì)各類(lèi)型抽蓄項(xiàng)目及功率調(diào)節(jié)性能的評(píng)價(jià)中，可得到更有意義的評(píng)價(jià)結(jié)果，并便于各研究項(xiàng)目的對(duì)標(biāo)分析。

集成式評(píng)價(jià)方法的優(yōu)化?！凹伞钡脑u(píng)價(jià)方法與“組合”評(píng)價(jià)方法不同，集成式評(píng)價(jià)方法不是簡(jiǎn)單的方法疊加，而是在同時(shí)使用兩種方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的各個(gè)階段根據(jù)需要進(jìn)行“再造”，這種有機(jī)結(jié)合的方法，可以縮小主觀認(rèn)識(shí)和客觀實(shí)際的差距，使得評(píng)價(jià)結(jié)果更具科學(xué)性和可操作性。例如求解DEA線性規(guī)劃最優(yōu)解時(shí)，可以將層次分析法與數(shù)據(jù)包絡(luò)分析進(jìn)行整合，這種權(quán)重的選擇方法比一般的DEA權(quán)重分析法更具有準(zhǔn)確性和客觀性，能夠克服一般DEA方法對(duì)權(quán)重選擇的缺點(diǎn)。因此，對(duì)于抽蓄機(jī)組的相關(guān)評(píng)價(jià)研究中，需要更深入地研究各類(lèi)評(píng)價(jià)方法的機(jī)理，并將多種方法做有機(jī)的集成優(yōu)化，以滿足抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)評(píng)價(jià)的技術(shù)需求。

現(xiàn)代化信息技術(shù)的有效融合。隨著智能化、數(shù)字化信息技術(shù)的飛速發(fā)展，可大力開(kāi)發(fā)基于智能計(jì)算機(jī)的評(píng)價(jià)技術(shù)，把專(zhuān)家評(píng)價(jià)與主觀評(píng)價(jià)賦予數(shù)字化表征，通過(guò)大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理、深度學(xué)習(xí)、人工智能算法等技術(shù)融入，挖掘更加全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建更加科學(xué)的評(píng)價(jià)模型，開(kāi)發(fā)更加智能的評(píng)價(jià)系統(tǒng)。最后，通過(guò)可視化技術(shù)，將評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行直觀地展現(xiàn)，形成友好的人機(jī)交互界面，使抽水蓄能項(xiàng)目的綜合評(píng)價(jià)具有更廣闊的前景，助力水力發(fā)電產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

5 結(jié) 論

抽水蓄能電站是保證電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)、安全、穩(wěn)定運(yùn)行的得力工具，在電網(wǎng)中發(fā)揮了不可替代的重要作用。功率調(diào)節(jié)是抽水蓄能電站最重要的功能之一，對(duì)抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)的綜合評(píng)價(jià)將為抽水蓄能項(xiàng)目建設(shè)與發(fā)展提供寶貴的技術(shù)支持與科學(xué)借鑒。本文對(duì)抽水蓄能機(jī)組功率調(diào)節(jié)性能進(jìn)行了系統(tǒng)性分析，據(jù)此綜述了評(píng)價(jià)指標(biāo)、評(píng)價(jià)指標(biāo)體系、評(píng)價(jià)方法和相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題，最后對(duì)抽蓄機(jī)組功率調(diào)節(jié)評(píng)價(jià)研究的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，提出需要開(kāi)展的理論研究與技術(shù)攻關(guān)方向，主要包括評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的進(jìn)一步研究，統(tǒng)一評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立，集成式評(píng)價(jià)方法的優(yōu)化，以及將現(xiàn)代化的信息技術(shù)與抽水蓄能機(jī)組評(píng)價(jià)有效融合等。抽水蓄能作為重要的電力功率調(diào)節(jié)技術(shù)，是未來(lái)能源系統(tǒng)發(fā)展不可或缺的一部分，希望本文能為抽水蓄能機(jī)組綜合評(píng)價(jià)的研究提供參考。