多站融合選址綜合評估研究

張小蓮， 李恒聰， 胡淇， 周千潯， 沈柏宇， 向嘉琪

(南京工程學院電力工程學院,江蘇 南京211167)

0 引言

多站融合是變電站、數據中心、充電站、光伏電站以及5G基站等多個站點之間的相互融合，涉及面廣，影響因素多。

目前對于多站融合選址評估體系的研究較少，但單站評估體系的研究已較為成熟。在變電站選址評估方面，文獻[1]考慮了變電站地形、地質條件，城市總體規劃,電網負荷和潮流分布，電網現狀，電網高壓走廊分布等因素，利用層次分析法建立了選址評估指標體系；文獻[2]在層次分析法的基礎上添加灰色關聯分析法，進行組合賦權，一定程度上彌補了單一方法存在的不足，但指標體系考慮的因素并不完善；文獻[3]在專業領域內進行了問卷調查，并充分考慮各方面影響因素，補充了技術要求這一關鍵指標，使指標體系更加全面。在其他站點選址評估方面，文獻[4]建立了以電力資源、地質災害、氣候條件、網絡資源、人才環境、區域位置六大要素為核心的數據中心評價指標體系；文獻[5]將交通網和配電網綜合考慮在內，對充電站選址評估體系進行研究；文獻[6]考慮太陽輻射量、規劃控制、交通可達性、電網接入、生態保護等約束條件與規劃原則，篩選出了合適的光伏電站備選場地；文獻[7]提出了宏觀與微觀相結合的方法，考慮成本、用戶覆蓋率、用戶態度等因素，使5G基站選址評估體系更加合理。

由上述分析可知，現有研究大多是單一站點的選址評估，多站融合站點難以直接沿用。多站融合選址評估面臨兩方面難點：一是構建能兼顧多個單站影響因素的指標體系，二是設計指標權重。某些特性指標僅為某個單站的重要影響因素，而其他站點并不受該指標影響，因而設置為大權重或小權重均無法體現其影響程度；指標體系中共性指標對每個單站的影響程度也存在差異，因而共性指標應按各單站需求進行差異化賦權。

因此，文中綜合考慮各單站選址評估影響因素，構造了一個全新的多站融合選址評估指標體系，并提出了基于層次分析法和模糊綜合評價法的多站融合選址綜合評估方法，采用以9/9～9/1為標度的層次分析法計算指標權重，并利用模糊綜合評價法對候選站址進行評分。在權重計算中，針對各單站共性指標與特性指標的差異化問題，提出組合權重的方法，既保證了指標體系的整體性，又將5種單站考慮在內，保證了計算結果的合理性。

1 多站融合選址評估指標體系

1.1 單個站點選址影響因素分析

(1) 變電站。變電站選址影響因素大致可分為經濟、技術、人文社會、環保等。在技術層面，變電站選址重點考慮線路走廊、電網架構、負荷中心距離、進出線條件、電能質量、電能損耗、負荷增長率、供電現狀等[8—10]。

(2) 數據中心。數據中心重點考慮的影響因素包括氣溫氣候、能源現狀、供電現狀、運營商骨干節點、通信情況、市場需求、冷卻條件、隔音條件等[11—14]。

(3) 充電站。充電站需要考慮的影響因素主要在用戶側，包括充電站與交通網絡的距離、交通便捷度、車流量大小、供電可靠性、當地補貼政策等[15—18]。

(4) 光伏電站。光伏電站重點考慮太陽資源和基礎條件，包括太陽輻射量、光照時間、建筑高度、大氣質量、可用面積、屋頂承載力、補貼情況等[19]。

(5) 5G基站。5G基站重點考慮的影響因素包括基站位置與高度、干擾源分布、話務熱點分布、信號覆蓋情況等[20—23]。

1.2 多站融合選址原則

(1) 節約資源原則。建設多站融合不僅要節約經濟成本，追求經濟效益最大化，還要充分利用土地資源。在城市用地日益緊張的背景下，盡可能提高土地及材料的使用率尤為重要。

(2) 環境保護原則。多站融合生產建設過程中可能產生電磁輻射、噪聲污染、水污染[24]。減少污染排放、實現環境保護是綠色可持續發展的基礎，故環境保護是多站融合選址的重要原則之一。

(3) 和諧社會原則。開展多站融合選址研究時，要結合城市發展規劃，保證與城市發展建設規劃的一致性，實現投資的可拓展性，提高利用價值。多站融合建設的目的是服務于民，因此要重視當地居民的民意。

(4) 便捷性原則。在多站融合選址建設過程中，為保障正常生產和運輸，應盡量設立在交通發達地區。在大大減少變電站進站公路建設的同時，也可減少建設材料的運輸成本，進而減少變電站的建設投資。

(5) 全面考慮原則。建設多站融合要從總體的角度來考察站址選擇問題。多站融合的選址不能僅考慮單一站點影響，而應考慮多站中各單站影響因素的制約。因此建設前須充分、全面考慮。

1.3 選址評估指標體系

1.3.1 選址評估體系構建方法

多站融合選址評估指標體系的構建流程見圖1。文中采用目標層、準則層和指標層3級結構，依照多站融合選址原則，得到負荷中心距離、地塊情況、業務預測、交通運輸、環境保護、市政配套條件、外部環境、經濟成本8項準則層指標。在各準則層引申出單站的細化指標，各單站的特性指標予以保留，共性指標則進行適當合并。

圖1 多站融合選址評估指標體系構建流程

1.3.2 指標體系

根據1.3.1節的構建方法，對多站融合影響因素進行全方位分析，形成較為完整的多站融合選址評估指標體系，如表1所示。其中，目標層為多站融合選址，準則層包含8個指標，將準則層細化后，得到30個指標層指標。

表1 多站融合選址評估指標體系

2 多站融合選址綜合評估方法

基于第1章設計的多站融合選址評估指標體系，首先，采用層次分析法計算指標體系組合權重以及多層指標綜合后的最終權重；其次，采用模糊評價法對候選站址進行評分；最后，結合指標體系最終權重和候選站址評分進行模糊綜合評價，得到最終得分，選出最優站址。

2.1 基于層次分析法的組合賦權

層次分析法是將復雜的多目標決策問題作為一個系統，將目標分解為多個目標或準則，進而分解為多指標的若干層次，據此完成多目標、多方案的優化決策[25—26]。因此，為解決多站融合選址評估指標體系權重設計中特性指標以及共性指標影響程度的差異化問題，文中提出基于層次分析法的組合賦權方法。

2.1.1 指標權重

將多站融合選址評估指標體系用于單站選址評估，設計每個單站對應的指標權重，稱為“指標權重”。針對特性指標的處理方法為：受特性指標影響的單站按該項特性指標的重要程度賦權，不受該項特性指標影響的單站，其權重設為0；針對共性指標的處理方法為：共性指標權重按其對各個單站影響程度獨立賦權。

文中采用各方面性能都較好的9/9～9/1分數標度法進行指標權重的計算。將每一層評估指標的重要性進行兩兩比較，構造判斷矩陣A=(aij)n×n。建立判斷矩陣時，各指標重要性標度值按同等重要、稍微重要、明顯重要、非常重要、絕對重要依次表示為9/9，9/7，9/5，9/3，9/1。

通過對判斷矩陣進行分析，得到權重集，其步驟如下。

(1) 將判斷矩陣A=(aij)n×n每一列進行歸一化處理：

(1)

(2) 將處理過的矩陣按行相加：

(2)

(3) 將Bi進行歸一化處理得到權重wi：

(3)

根據求得的判斷矩陣最大特征值，計算一致性指標，然后進行一致性檢驗。查表獲得隨機一致性指標后得出檢驗系數，若檢驗系數小于0.1，則一致性檢驗通過。

(4)

(5)

式中：KCI為一致性指標；λmax為判斷矩陣最大特征值；n為判斷矩陣階數；KCR為檢驗系數；KRI為隨機一致性指標。

2.1.2 站點權重

根據多站融合選址時各單站的優先次序設計各單站的選址權重，稱為“站點權重”。雖然多站融合同時整合了多個站點，但其重要程度有一定差異。變電站仍為多站融合的主體，在選址過程中應重點考慮變電站選址影響因素，其他單站則以負荷需求來判斷其重要性，據此設定權重。采用層次分析法根據負荷需求對各單站進行兩兩比較，得到站點權重xsite=[xsubxdataxchxPVx5G]。

2.1.3 指標組合權重

以單個指標為單位，將上述計算所得的各單站指標權重與各站點權重相乘，獲得該項指標的“組合權重”。

(6)

式中：Wcom為組合權重；wsub為變電站指標權重；wdata為數據中心指標權重；wch為充電站指標權重；wPV為光伏站指標權重；w5G為5G基站指標權重。

2.1.4 最終權重

將求得的A級準則層與其對應的B級指標層組合權重相乘，獲得指標層對目標層權重，作為指標層“最終權重”。

Wf=WAcomWBcom

(7)

式中：Wf為最終權重；WAcom為A級準則層組合權重；WBcom為B級指標層組合權重。

2.2 候選站址的模糊綜合評價

模糊綜合評價法[27]是一種定性與定量相結合的方法，通過多位專家對候選站址的指標層進行模糊評價，并進行量化來獲取方案得分。

首先構建評價矩陣R。專家對候選站址按指標層進行評價，建立評語集U={優，良，中，差}，得到評價矩陣R：

(8)

式中：rn1，rn2，rn3，rn4分別為第n個指標中優、良、中、差4類評語的占比。

然后給優、良、中、差賦值為V=[4 3 2 1]，將指標層最終權重矩陣與評價矩陣、評語集賦值列向量相乘，求得得分S：

S=WFRVT

(9)

式中：WF為指標層各指標最終權重Wf組成的矩陣。

3 算例分析

文中以某大型城市為例，擬將2個候選站址建設成為包含變電站、數據中心、充電站、光伏電站以及5G基站的多站融合站點。2個候選站址分別為35 kV海潮變電站和高陽變電站。其中，海潮變電站與高陽變電站的水文氣象和防洪防震條件相同：平均氣溫16.8 ℃，最高氣溫36.0 ℃，最低氣溫-5.7 ℃，平均降水量1 035.7 mm，平均風速3.2 m/s；防汛設施按百年和千年一遇防洪標準設置，抗震設防烈度為7度。兩站址周圍交通情況良好，其中海潮變電站臨近大橋、地鐵站、內環高架橋、客運站；高陽變電站地處江邊，接近主干道、輪渡站。兩站址周圍用戶較多，其中海潮變電站周圍住宅區較多，位于商圈，車流量大；高陽變電站附近較多寫字樓，臨近大型購物廣場。海潮變電站占地面積1 500 m2，無電氣設備，僅有變電站土建部分；高陽變電站占地面積為1 650 m2，變壓器容量為3×40 MV·A。

詳細信息為后續3.2節專家評分提供依據。如水文氣象對應“地理條件B72”、防洪防震對應“地質條件B71”、交通情況對應“與交通網絡距離B41”以及周圍用戶對應“用戶數量預測B31”。

3.1 指標權重計算

采用層次分析法對各指標的重要程度進行比較，獲得初始判斷矩陣。以準則層為例，先計算站點權重，設計如式(10)所示的判斷矩陣，計算獲得此時xsite=[0.245 0.214 0.207 0.151 0.183]，再計算各單站準則層指標權重，各單站準則層指標相對重要程度排序如表2所示。

表2 各單站準則層指標重要性

文中多站融合以變電站為主體，變電站的經濟成本指標最重要；而數據中心對供電可靠性要求較高，其市政配套條件指標最重要；充電站是多站融合的主要利益站點，所以充電站的業務預測指標最重要；太陽能資源的多少直接影響了光伏站的發電量，所以光伏站的外部環境指標最重要。

(10)

依據表2中準則層指標的重要程度，列出判斷矩陣，求得各單站準則層指標權重，將站點權重和指標權重組合后得到組合權重，結果如表3所示。

表3 A1—A8組合權重

同理可得指標層各指標組合權重。將準則層組合權重與指標層組合權重相乘，可得指標層對目標層最終權重，結果如表4所示。

表4 指標層對目標層最終權重

3.2 候選站址的綜合評估及分析

采用2.2節的模糊綜合評價方法分別對2個候選站的指標層進行評分(相關標準見附錄A)。通過分析可知，海潮變電站周圍有較多住宅和商家，車流量大，而高陽變電站附近僅有寫字樓和購物廣場，因此海潮變電站在用戶數量預測和業務量預測指標得分較高，而高陽變電站對周圍居民影響指標得分較高。海潮變電站周圍交通網絡發達，因此與交通網絡距離指標得分較高。海潮變電站是土建站，而高陽變電站是現役變電站，因此高陽變電站輸配電線路投資、線路走廊、建設成本指標得分較高。根據候選站址概況，可獲得兩者的評價矩陣(見附錄B)。

由式(10)求得各準則層指標分數，相加后得到候選站址最終得分S，如表5所示。

表5 候選站址得分

通過調研發現某地區已建成的始信路多站融合試點在站點類型、業務量、交通條件和基礎設施等方面與海潮變電站有諸多相似之處，體現了海潮變電站成為多站融合建設站點的可行性，反映文中所提指標體系、選址評估方法的合理性。

4 結論

文中分析了多站融合選址時需要考慮的各項影響因素，研究了多站融合選址評估方法，并對某城市實際候選站址進行了綜合評估。文中主要貢獻和結論如下：

(1) 提出多站融合選址評估指標體系的構建方法，充分調研各單站選址評估影響因素，構建完成指標體系，較為全面地涵蓋了多站融合選址影響因素。

(2) 采用基于分數標度9/9～9/1的層次分析法計算權重，針對各單站存在特性指標和共性指標權重難以設定的問題，設計了組合權重計算方法，既保持指標體系整體性，又滿足不同單站選址需求的差異性。

(3) 多站融合的指標權重一般根據單站中該指標對站點的影響程度來確定，站點權重須根據多站融合規劃的主體功能或主導負荷需求進行設置。

(4) 評估候選站址時，最終權重較大的指標應作為重點考察指標。具有大權重的指標分數越高，則候選站址綜合得分越高，越適合成為多站融合站址。

本文得到江蘇省大學生創新創業訓練計劃項目(202111276142H)資助，謹此致謝！

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