基于AHP-熵權(quán)法的抽水蓄能電站施工變電站選址規(guī)劃研究

摘要：為了科學(xué)開展抽水蓄能電站施工變電站選址規(guī)劃，選取了9個影響施工變電站選址的關(guān)鍵指標(biāo)，基于熵權(quán)法和層次分析法，從主客觀角度確定關(guān)鍵指標(biāo)的綜合權(quán)重，并基于模糊數(shù)學(xué)理論構(gòu)建了施工變電站選址規(guī)劃模型。通過工程實際案例，對該模型進行了驗證。結(jié)果表明：基于優(yōu)化組合賦權(quán)法有效克服了單一指標(biāo)賦權(quán)模型的局限與不足，所構(gòu)建的優(yōu)化組合賦權(quán)施工變電站選址規(guī)劃模型能夠客觀反映指標(biāo)影響力，定量化進行方案的綜合比選，準(zhǔn)確推薦最優(yōu)站址，驗證了此模型的有效性和科學(xué)性。研究成果對抽水蓄能電站施工變電站選址規(guī)劃及評估具有參考意義，也可為其他類似多元素規(guī)劃評估問題提供一種思路。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站； 熵權(quán)法； AHP； 施工變電站

中圖法分類號：TV743

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.12.004

文章編號：1006-0081（2024）12-0016-07

0 引 言

近年來，“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的提出，對中國能源發(fā)展轉(zhuǎn)型提出了新的要求。加快推進清潔能源建設(shè)，構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)，顯得尤為緊迫和必要［1-3］。抽水蓄能電站作為當(dāng)前技術(shù)最成熟、經(jīng)濟最優(yōu)的大規(guī)模儲能方式，對于緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力、提高風(fēng)電和光伏等新能源消納、構(gòu)建源網(wǎng)荷儲一體化新型電力系統(tǒng)方面具有重要作用。大規(guī)模發(fā)展抽水蓄能電站是完善新型電力系統(tǒng)建設(shè)、推動清潔能源革命、保障經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

抽水蓄能電站施工供電系統(tǒng)，在電站建設(shè)期發(fā)揮推進工程順利建設(shè)、保障工期目標(biāo)實現(xiàn)的重要作用；在電站運行期作為廠用電備用電源，保障電站安全可靠運行。施工供電系統(tǒng)是抽水蓄能電站建設(shè)和運行的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。施工變電站選址是電站施工供電系統(tǒng)規(guī)劃工作中的重要環(huán)節(jié)，站址好壞直接影響電站供電系統(tǒng)方案、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、供電質(zhì)量和工程建設(shè)經(jīng)濟性?？茖W(xué)合理規(guī)劃施工變電站站址，對電站施工供電系統(tǒng)合理布局，保障工程建設(shè)運行安全、經(jīng)濟、可靠，具有重要意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者對變電站規(guī)劃選址方法已開展了大量研究工作。李曉泉等［4］提出考慮多目標(biāo)規(guī)劃和基于GIS的規(guī)劃方法，可更好地優(yōu)化變電站選址和布局；徐華秒等［5］提出基于GIS技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，建立規(guī)劃階段和可研階段不同變電站選址模型，結(jié)合GIS空間分析技術(shù)實現(xiàn)變電站的智能選址；張旭陽等［6］提出基于物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的變電站遠程選址模型，通過搭建變電站遠程選址自動定位平臺實現(xiàn)最優(yōu)選址；許立凱等［7］提出在GIS應(yīng)用基礎(chǔ)上建立變電站選址綜合評價模型推選最佳站址。

上述研究工作多基于GIS和大數(shù)據(jù)技術(shù)建立選址模型，側(cè)重于對算法優(yōu)化開展相關(guān)研究。研究模型存在輸入數(shù)據(jù)需求量大、搜集面廣、工作周期性長等問題，且受限于輸入數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，現(xiàn)有規(guī)劃方法和模型缺乏適用性，忽視了工程周期性短、輸入資料有限等制約條件下的準(zhǔn)確選址需求，因此，需要建立一套科學(xué)、準(zhǔn)確、適用現(xiàn)有工程特點的規(guī)劃選址方法和模型。

本文針對影響抽水蓄能電站施工變電站選址的眾多因素，選取了9項主要評價指標(biāo)，構(gòu)建了施工變電站選址規(guī)劃模型，采用熵權(quán)法與層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）相結(jié)合的主客觀并重方法計算評價指標(biāo)權(quán)重，通過引入模糊理論，計算各評價指標(biāo)權(quán)重隸屬度，建立了一套準(zhǔn)確、客觀、可靠、適用性強的施工變電站選址規(guī)劃模型。

1 施工變電站選址規(guī)劃影響因素

抽水蓄能電站建設(shè)是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，呈現(xiàn)施工布置范圍廣、工程建設(shè)周期長、施工用電負(fù)荷大、供電可靠性要求高等特點。施工變電站作為外來電源和場內(nèi)用電負(fù)荷的主要聯(lián)結(jié)點和支撐點，其選址規(guī)劃是工程建設(shè)的前期基礎(chǔ)性工作，是架設(shè)施工供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的重要環(huán)節(jié)，也是電站施工總布置規(guī)劃的重要組成部分。影響施工變電站選址規(guī)劃因素眾多，從自然因素、技術(shù)經(jīng)濟性以及社會政策等角度考慮，主要有以下9項影響指標(biāo)。

（1） 地形地貌條件。變電站選址應(yīng)便于進出線，選擇有利于變電站布置的地形地貌，避開自然保護區(qū)、生態(tài)紅線等，盡量減少對自然環(huán)境地貌的破壞。

（2） 地質(zhì)條件。變電站選址應(yīng)規(guī)避山體滑坡區(qū)、泥石流區(qū)、塌陷區(qū)、滾石區(qū)、地震斷裂帶等不良地質(zhì)地段，同時應(yīng)具有良好的防洪條件。

（3） 交通條件。變電站選址要考慮施工時設(shè)備、材料及主變壓器等大型設(shè)備的運輸，還應(yīng)考慮運行、維護時的交通便利性；變電站站址一般考慮靠近主干道路選取。

（4） 周邊環(huán)境。變電站選址應(yīng)規(guī)避對其安全運行有影響的設(shè)施或活動，如炸藥庫、燃?xì)夤艿赖纫兹家妆O(shè)施以及爆破開挖等施工活動。

（5） 電源條件。變電站選址應(yīng)考慮施工電源接入方案及接入線路的便利性，保證電源接入的可靠安全。

（6） 線路路徑。變電站選址應(yīng)考慮進、出線線路方案及路由走向，應(yīng)盡量減少線路交叉，保證線路走廊寬度。

（7） 用電負(fù)荷分布。變電站選址應(yīng)靠近用電負(fù)荷中心，與施工總布置相適應(yīng)，縮小供電半徑，減少電壓損失。

（8） 建設(shè)投資。變電站選址應(yīng)充分考慮征地費用、環(huán)水保投資、電源線路及變電站建設(shè)費用等，選擇綜合投資最優(yōu)站址方案。

（9） 征地難易度。變電站選址應(yīng)盡可能利用荒地、劣地，不占用基本農(nóng)田。站址宜選擇征地拆遷難度最小方案。

2 施工變電站選址規(guī)劃模型

2.1 施工變電站選址規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)

根據(jù)前文所述施工變電站選址影響因素，建立選址規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)。將施工變電站選址（X）作為目標(biāo)層，將地形地貌條件（X1）、地質(zhì)條件（X2）、交通條件（X3）、周邊環(huán)境（X4）、電源條件（X5）、線路路徑（X6）、用電負(fù)荷分布（X7）、建設(shè)投資（X8）、征地難易度（X9）等9項主要評價指標(biāo)作為準(zhǔn)則層，將規(guī)劃階段不同選址方案定為指標(biāo)層。由此所建立的施工變電站選址規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 施工變電站選址規(guī)劃模型

熵權(quán)法和層次分析法作為一種成熟實用的多目標(biāo)決策分析方法，目前在水利水電工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用實踐：如對外交通和重大件運輸方案優(yōu)選［8-9］、施工總布置規(guī)劃［10］、水旱災(zāi)害分析評估［11］、大壩安全分析評價［12］、邊坡穩(wěn)定性分析［13］、隧洞圍巖分類研究［14］、水庫退役影響評價［15］等。該方法在水利水電工程實踐中取得了良好的經(jīng)濟技術(shù)效益，其從主客觀角度全面揭示影響因子相互間的復(fù)雜關(guān)聯(lián)，提供可靠準(zhǔn)確的多目標(biāo)決策與多方案比選，為建立抽水蓄能電站施工變電站選址規(guī)劃模型提供了新的思路。

本文根據(jù)所建立的施工變電站選址規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)，采用熵權(quán)法和層次分析法揭示影響因素的綜合權(quán)重，借助模糊數(shù)學(xué)理論得到影響因素的隸屬度，結(jié)合模糊綜合評價并基于最大隸屬度原則，確定施工變電站選址規(guī)劃方案推薦等級。施工變電站選址規(guī)劃主要步驟如圖2所示。

2.2.1 熵權(quán)法確定權(quán)重

熵權(quán)法是一種客觀賦權(quán)方法，該方法主要依據(jù)客觀資料，基于客觀指標(biāo)的變異程度來確定指標(biāo)權(quán)重。對于某評價指標(biāo)，其熵值大小決定了其變異程度。熵值越小，變異程度越大，則所提供的信息量越大，該評價指標(biāo)對綜合評價結(jié)果的影響越大?？陀^權(quán)重計算方法如下。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理：基于n個評價指標(biāo)、m個選址方案構(gòu)造的指標(biāo)評價矩陣，進行標(biāo)準(zhǔn)化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化矩陣U。

U=（uij）n×m（1）

對于正向型指標(biāo)，令uij為

式中：rij為第j個選址第i個評價指標(biāo)的實際值；

uij為對rij進行歸一化后的相對值。

計算評價指標(biāo)i的熵值Ei：

式中：fij為變異性指標(biāo)；k為信息熵。

計算評價指標(biāo)i的熵權(quán)值wi：

2.2.2 層次分析法確定權(quán)重

在進行因子相對重要性判斷前，需根據(jù)1～9標(biāo)度法確定比較判斷矩陣A，如下式所示。

式中：aij為根據(jù)標(biāo)度法量化的因子i對因子j的相對重要性。

采用和法計算相對權(quán)重，首先計算判斷矩陣每一列元素之和并進行歸一化處理：

計算影響因子比較的重要性權(quán)重向量：

對于多影響因子權(quán)重向量的計算，需對其進行一致性判斷。首先建立比較判斷矩陣的特征值λmax：

式中：W為由歸一化列向量wj組成的數(shù)量向量。

計算一致性檢驗指標(biāo)CI和CR：

RI的取值見表1。若CR＜0.10，則判定判斷矩陣A一致性檢驗合格，所得影響因子權(quán)重向量計算合理；反之則認(rèn)為一致性較差，需對矩陣A進行修正，直至檢驗通過。

2.2.3 綜合賦權(quán)法確定權(quán)重

綜合賦權(quán)法是將上述兩種方法所確定的評價指標(biāo)權(quán)重進行合理組合，通過求解微分方程得到最優(yōu)權(quán)重值。具體步驟如下。

構(gòu)造基本權(quán)重向量wk，并將基本向量進行組合得到組合向量w：

通過尋找最優(yōu)權(quán)重組合確定最優(yōu)線性方程組：

對求得的最優(yōu)線性組合系數(shù)μ1和μ2進行歸一化處理，得到綜合賦權(quán)向量值w*：

2.2.4 模糊綜合評價

模糊綜合評價法采用數(shù)學(xué)方法處理含有無法量化影響因素的復(fù)雜問題。首先需要建立模糊綜合評語集，記為U。U={u1，u2，…，um}，m為評語等級個數(shù)。本文建立施工變電站選址規(guī)劃評語集U={差，稍差，中等，良好，優(yōu)秀}，共5個等級。為便于進行方案比選，對評語等級進行量化：U={（0，a1］，（a1，a2］，（a2，a3］，（a3，a4］，（a4，1］}。

對于每項影響因素，選擇行業(yè)內(nèi)多位專家（從事抽水蓄能電站設(shè)計、施工、咨詢領(lǐng)域，高級工程師及以上職稱，專家數(shù)量不少于10位）的意見進行打分，設(shè)n項影響因素，參與評估專家有k位。記每個指標(biāo)專家評分值為sim（0≤sim≤1，1≤i≤k，1≤m≤n）。每項影響因素得分為

構(gòu)建模糊等級評價矩陣S：

構(gòu)建模糊綜合評價模型，記綜合賦權(quán)向量W=（w1，w2，…，wn），則模糊綜合評價模型為

T=WS=（t1，t2，…，tn）（17）

根據(jù)最大隸屬度原則，綜合評價向量T中最大值所處評語區(qū)間即為施工變電站選址推薦等級。

2.2.5 隸屬度確定

在模糊理論中，元素模糊集的隸屬度取值在0～1之間。確定隸屬度是進行模糊綜合評價的關(guān)鍵。隸屬度函數(shù)是模糊理論確定隸屬度的常用方法。顯然，對評語等級區(qū)間端點，其相鄰等級隸屬度為05；對于評語等級區(qū)間上的點而言，越靠近區(qū)間中點，其對該區(qū)間內(nèi)的隸屬度越顯著，即隸屬該評語等級的隸屬度越高。對評語等級矩陣U={差，稍差，中等，良好，優(yōu)秀}={Ⅴ，Ⅳ，Ⅲ，Ⅱ，Ⅰ}，指標(biāo)sij對評價等級U的隸屬度矩陣為

φij=［φⅤ（sij），φⅣ（sij），φⅢ（sij），φⅡ（sij），φⅠ（sij）］（18）

本文采用一種梯形隸屬度函數(shù)對評語等級區(qū)間端點進行處理，其表達式如下：

3 工程案例及應(yīng)用

以新疆達坂城抽水蓄能電站施工變電站選址規(guī)劃為例，在其前期施工總布置規(guī)劃工作中，施工變電站有選址1（D1）、選址2（D2）和選址3（D3）等3處選址地塊可供規(guī)劃布置。根據(jù)前述選址規(guī)劃層次結(jié)構(gòu)，收集備選站址的9項影響因素相關(guān)實際資料，并邀請10位抽水蓄能行業(yè)高級職稱專家，對備選站址充分發(fā)表意見，從差、稍差、中等、良好、優(yōu)秀等5個評價等級中對備選站址進行評級打分，分值取值區(qū)間均為0～1，等級賦值為

ai=［0.6 0.7 0.8 0.9］（i=1，2，3，4）（24）

3.1 確定權(quán)重向量

3.1.1 熵權(quán)法確定權(quán)重

收集備選站址的9項影響因素相關(guān)實際資料，將其數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后得到數(shù)據(jù)如表2所示。

依據(jù)式（2）～（4）處理得到影響因素X1～X9的熵值依次為0.621 6，0.511 9，0.544 6，0.472 9，0618 2，0.612 6，0.537 8，0.343 0，0.499 6。由式（5）得到熵權(quán)法下各評價指標(biāo)權(quán)重如表3所示。

3.1.2 層次分析法確定權(quán)重

層次分析法基于1～9標(biāo)度的方法，對評價指標(biāo)進行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣A：

采用和積法計算，根據(jù)式（7）～（8）得到層次分析法權(quán)重，如表4所示。結(jié)合式（10）～（11）計算一致性比例CR=0.035lt;0.1，表明判斷矩陣A通過一致性檢驗，評價指標(biāo)權(quán)重分配合理。

3.1.3 綜合權(quán)重

將上述熵權(quán)法和層次分析法得到的權(quán)重，代入式（13）～（14）中，得到綜合權(quán)重，如表5所示。

3.2 隸屬度確定

根據(jù)梯形隸屬度函數(shù)，對隸屬度函數(shù)進行賦值：

（i=1，2，3，4）（25）

代入得到梯形隸屬度函數(shù)如圖3所示。

專家對3種選址方案的各評價指標(biāo)綜合打分，代入式（19）～（23），得到各選址方案下隸屬度結(jié)果如表6～8所示。

3.3 施工變電站選址規(guī)劃方案比選

根據(jù)模糊等級綜合評價原理，結(jié)合上述各評價等級隸屬度及綜合權(quán)重，得到各選址方案的綜合評價結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)最大隸屬度原則，施工變電站選址1綜合評價結(jié)果為Ⅱ級（良好），施工變電站選址2和選址3綜合評價結(jié)果為Ⅲ級（中等）。從綜合評價結(jié)果來看，選址1比選址2、選址3更具有綜合優(yōu)勢，應(yīng)推薦選址1為施工變電站站址。

4 結(jié) 論

本文研究了基于綜合賦權(quán)和模糊綜合評價的抽水蓄能電站施工變電站選址規(guī)劃方法，將其應(yīng)用于新疆達坂城抽水蓄能電站的施工變電站選址規(guī)劃方案比選工作中，可得到以下結(jié)論。

（1） 建立了抽水蓄能電站施工變電站選址規(guī)劃方案比選3級層次結(jié)構(gòu)，其中第2層包含地形地貌條件等9個代表性影響因子，該層次結(jié)構(gòu)可以有效表征抽水蓄能電站施工變電站選址規(guī)劃主要特征。

（2） 基于熵權(quán)法-層次分析法相結(jié)合的優(yōu)化組合賦權(quán)模型，構(gòu)建了抽水蓄能電站施工變電站選址規(guī)劃模型，從主、客觀多維度有效克服了單一賦權(quán)模型的缺陷與不足，可更全面揭示影響因子動態(tài)關(guān)聯(lián)以及真實影響價值，權(quán)重指標(biāo)計算過程更為科學(xué)合理，方案比選結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

（3） 所建立的優(yōu)化組合賦權(quán)選址規(guī)劃模型可全面客觀反映各項評價指標(biāo)影響力，并能較好地應(yīng)用于施工變電站站址方案比選。從新疆達坂城抽水蓄能電站選址應(yīng)用結(jié)果來看，本文推薦的選址方案良好。研究成果可為后續(xù)水利水電工程相關(guān)站址規(guī)劃選擇、優(yōu)化和評價提供參考。

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Research on site selection planning for construction transformer substations of

pumped storage power stations based on AHP-Entropy Weight Method

Abstract：

In order to scientifically carry out the site selection planning for construction transformer substations of pumped storage power station，nine key indicators that affect the site selection of the construction substation were selected.Based on the entropy weight method and Analytic Hierarchy Process，the comprehensive weights of key indicators were determined from a subjective and objective perspective.A site selection planning model for construction transformer substations was constructed based on fuzzy mathematics theory.The model was validated through practical engineering cases.The results showed that the optimized combination weighting method effectively overcame the limitations and shortcomings of the single indicator weighting model.The constructed optimized combination weighting construction substation site selection planning model can objectively reflect the influence of indicators，quantitatively compare schemes comprehensively，accurately recommend the best station site，and verify the effectiveness and scientificity of this model.The research results can provide a reference for the site selection planning and evaluation of construction substations of pumped storage power stations，and can also provide a new solution idea for other similar multi-element planning and evaluation problems.

Key words：

pumped storage power station； entropy weight method； AHP； construction transformer substation