基于模糊綜合評價的電網調峰效益研究

馬 紅，徐 俊

(1. 蕪湖發電有限責任公司，安徽 蕪湖 241000；2. 南京郵電大學自動化學院、人工智能學院，江蘇 南京 210023)

綜合效益是電力系統調度策略最直觀的判斷依據，可以反映在經濟調度策略下電力系統的能源效益利用情況，也可判斷能源與經濟之間的依賴關系。隨著光伏風電等清潔能源的裝機容量不斷擴大，電網綜合效益逐漸成為電網運行的重要考慮對象。

綜合效益可以從多個角度分析，如社會角度、環境角度、經濟角度等[1]。由于我國發電結構以火電為主，因此煤耗成本是評價經濟效益的一個重要指標。文獻[2]研究了不同容量火電機組在深度調峰狀態下的煤耗變化特性，通過建立火電機組調峰調度模型將火電機組參與深度調峰的環境效益和經濟效益進行量化。文獻[3]依據多重原則，考慮包括節約燃煤量、減少污染物排放量、減少水資源等多個指標后，構建了適用于火電廠的能源效率評價體系。文獻[4]通過研究經濟性指標，分析了發電企業在能源效率方面所面臨的問題及不足之處，選取多個指標對發電企業能源利用率進行評價，并提出多條措施建議以改善能源效率。文獻[5]提出一種新的經濟效益評價模型，將其量化為按時間順序排列的生產成本模擬方法，通過確定最佳互聯容量實現跨國電網經濟效益最大化。文獻[6]量化多業務融合的綜合效益，并根據時間長短2個維度對電網項目運行效果的效率和綜合效益進行評價。

電網效益常見的評價方法有模糊評價法、層次分析法、專家打分法、熵權法等。文獻[7]建立了包括電網發展效益和效率等3個指標的電網發展診斷體系，將主觀與客觀權重融合，獲得指標權重，應用模糊層次分析法進行診斷。文獻[8]通過主成分分析來微觀研究，系統聚類分析來宏觀研究，并對多指標體系去相關性、降維，基于各指標主成分權重，評價后對電網性質排名分析。文獻[9]提出一套概率化的輸電網結構適應性評價指標體系，并基于蒙特卡洛模擬算法和最優經濟模型提出一種實用化的適應性指標計算方法。文獻[10]提出了一種基于改進灰色關聯度的指標賦權方法來實現對配電網的全面效果評價和建設合理性分析。具體采用建設運行成果與效率比來構建科學的指標體系,結合主客觀評價方法，并依照指標權重度和特性偏好進行數學建模與仿真計算。

當前直接研究新能源消納對電網火電機組深度調峰乃至啟停調峰效益影響的文獻較少。本文開展在新能源規劃化并網形勢下，為消納新能源電量，電網中火電機組深度調峰和啟停調峰的效益評估問題。首先，提出基于區間數的梯形隸屬函數，并引進區間符合度修正單因素隸屬度，建立了基于區間數的模糊綜合評價模型；其次，提出新能源消納保障性收購小時數作為新能源消納保障性收購指標，構建新能源消納下的電網調峰效益評價指標體系；最后，計算多場景的新能源消納下電網調峰效益的綜合得分，并確定評價等級，從經濟效益、環境效益、社會效益3個方面進行比較分析。

1 電網調峰效益評價指標體系

新能源消納下的電網調峰調度運行是電網公司實現區域自我管理的輔助服務，電網中火電機組的調峰綜合效益需要研究其運行的內部環境與外部環境，通過發電廠的實時競標與調度側的統一管理，形成較為成熟的調峰輔助服務體系，從而獲得不同方面的效益，同時影響效益的因素也是多方面的。

受新能源發電資源隨機性波動、負荷季節性變化等因素影響，某省級電網各年月之間新能源消納形勢存在顯著變化。現有保障性利用小時數辦法按照年度總量進行考核，難以科學反映月度消納的區別。特別是春秋季負荷平穩，受氣象因素影響小，新能源消納面臨較大壓力，有必要針對春秋季各月設置合理的保障性收購小時數。根據歷史年份新能源發電數據、歷史采集數據，分析各年度春秋季晴、雨各類天氣概率分布情況，逐月測算新能源發電小時數，作為下一年度各月度保障性收購利用小時數參考值，促進電網調峰資源的合理利用。

本文從經濟效益、環境效益、社會效益3個方面結合電網調峰多方效益的特點，得到新能源消納下的電網火電機組調峰效益的評價體系，如圖1所示。

圖1 新能源消納下的電網調峰效益評價指標體系

2 基于區間數的模糊層次分析評價模型

模糊綜合評價是一種基于模糊數學的綜合評價方法，主要優點是能將定性評價轉化為定量評價?；趨^間數的模糊綜合評價模型的具體步驟如下。

a.建立因素集

新能源消納下的電網調峰效益評價指標體系的因素集為U={U1，U2，U3，…，Un}={煤炭成本，投油成本，…，碳減排效益}。

b.確定指標權重

①構建無權重超矩陣

將控制層中準則中所包含的元素記為Pi(i=1,2,…,s)，將網絡層中受控制層各準則所支配的元素cij(j=1,2,…,n)作為比較對象，比較元素組中各元素cj1,cj2,…,cjn與元素cij之間的相互影響關系并排序，排序的依據為比較結果的重要程度。

為量化各元素之間的相互影響關系，需將其進行歸一化處理。以網絡層中各元素組作為比較對象，以上述方法比較其他元素組的各元素與其之間的相互影響關系并排序，不斷重復這一過程直至與所有元素比較完畢，從而獲得無權重超矩陣S[11]。

(1)

式中：Sij為子矩陣，S的列向量在準則Pj(j=1,2,…,s)下的網絡層元素作為比較對象時，其他準則下的網絡層元素與準則Pj(j=1,2,…,s)下的網絡層元素進行比較后的影響程度排序。

②構建加權型矩陣

將評估對象的準則記為準則層中的元素組Pi(i=1,2,…,n)，將其作為次準則；比較準則層中其他某一元素組Pj(j=1,2,…,n)與元素組Pi(i=1,2,…,n)，并按照結果的重要程度進行排序，由此量化各元素組之間的影響程度。同上，將準則層中的所有元素組分別作為比較對象，將除比較對象外的準則層剩余元素組依次與其進行比較并排序，最后將矩陣歸一化處理，獲得的加權矩陣可由式(2)所示。

(2)

③構建加權超矩陣

(3)

④求解極限超矩陣

c.建立評價集

表1 不同評價等級對應的區間數

d.計算單因素的區間梯形隸屬度

本文采用基于區間數的梯形隸屬函數，如圖2所示，區間隸屬度計算步驟如下。

圖2 梯形區間隸屬函數

確定不同評價等級下的隸屬度公式。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

3 算例分析

3.1 算例結果

本文建立4個場景下的新能源消納下的電網調峰運行方式，并進行效益評價。場景分別為①場景1：電網在腰荷時段新能源出力導致火電機組停機調峰的運行方式；②場景2：電網在腰荷時段新能源出力導致火電機組深度調峰的運行方式；③場景3：電網在腰荷時段新能源彈性消納區間取[80%,90%)的調峰運行方式；④場景4：電網在腰荷時段新能源彈性消納區間取[90%,100%)的調峰運行方式。

通過專家打分法獲得不同指標的區間數及隸屬度，并計算新能源消納下的電網調峰策略評價指標體系中各指標的梯形隸屬度區間，如表2所示。

表2 新能源消納下的電網調峰評價單因素隸屬度區間

新能源消納下的電網調峰評價指標體系中的單因素得分如表3所示。

表3 新能源消納下的電網調峰單因素得分

由表3可知,單因素得分最終可以計算出該場景下的電網調峰策略的綜合得分為[76.53,81.95]。綜合得分和各評價等級之間的區間符合度為f={0，0，0.76，0.24，0}，因此該場景下電網調峰效益對應的評價等級為中等。同理，比較不同場景下的新能源消納電網調峰效益評價的等級水平并排序,具體如表4所示。

表4 不同場景下電網調峰的綜合得分及評價水平

本文創造性地提出了新能源月度保障性收購利用小時數作為新能源保障性收購指標，提供了年度各月保障性收購利用小時數參考值，鼓勵保障性小時數以外的新能源電量通過參與市場促進消納，通過電網調峰資源的合理利用，緩解新能源造成的電網調峰壓力，如圖3及表5所示。

圖3 某地春季累積平均溫度-氣象負荷模型

表5 春秋季新能源月度保障性收購小時數

以上場景從全社會角度測算了火電機組停機調峰對應的新能源消納成本?；趨^間數模糊層次分析法評估了新能源消納費用與火電機組調峰運行費用、污染物排放等指標的綜合效益，得出結論，停機調峰不宜作為新能源全額消納的主要手段。

3.2 評價結果分析

通過研究場景4新能源消納下的電網調峰效益評價可知，該場景下的綜合效益評價水平為中等水平，盡管新能源并網下的電網調峰服務已運行多年，但是在處理新能源發電量方面稍顯不足，需要及時調整新能源消納的比例以降低新能源出力對電網造成的調峰壓力和經濟壓力。結合新能源消納下的電網調峰效益評價指標體系的準則層，分別從經濟效益、環境效益和社會效益3個方面對新能源消納下的電網調峰進行解釋。

3.2.1 經濟效益

目前，電網調峰輔助服務已運行多年，現有分類較少，且電網調度部門在安排火電機組調峰時,調峰費用最少，即對火電機組來說調峰補償效益越小。場景1的調峰補償費用相對其他3種場景下的調峰補償費用偏高，原因是受新能源全消納政策的影響，新能源出力高峰時段火電機組深度調峰無法滿足電網運行要求，從而造成1臺或多臺火電機組停機，但火電機組停機時段下電網消納新能源電量所獲收益遠遠低于火電機組的停機費用，造成極大的資源浪費。從短期來說，場景1的調峰方式以犧牲火電機組經濟利益的方式有效緩解電網調峰壓力。但從長期來說，該方式長期損害電網利益，不利于電網運行。而采取彈性消納新能源的電網調峰方式并未舍棄新能源，而是將部分新能源電量轉入電網調峰輔助服務市場獲取利益，同時，電網中火電機組并未進行啟停調峰，而是進行常規調峰與深度調峰，對比各場景下的火電機組調峰補償可知，彈性消納新能源的調峰方式有利于電網的經濟發展。

3.2.2 環境效益

新能源消納下的電網調峰主要應用于電網側，電網調峰運行并不局限于經濟效益，同時也需考慮電網運行對環境產生的影響。以場景4的新能源消納下的電網調峰評價指標體系中環境效益為例，該指標的權重為0.21，僅次于經濟效益，表明了電網對環境的重視程度。污染物的排放主要源于火電機組燃燒煤炭和深度調峰投油的過程，場景1中由于新能源出力過大導致火電機組在相當一段運行時間保持低負荷率，且火電機組的供電煤耗隨機組負荷率的降低而增大，這一過程加劇了污染物的排放。場景2調峰方式污染物的排放僅次于場景1的污染物排放。盡管場景3和場景4采取了彈性消納新能源的電網調峰策略，但為了保證電網功率動態平衡，火電機組的出力總量上升，由此煤炭和投油燃燒產生的污染物排量增多。

同時，新能源消納保障收購小時數和新能源裝機容量比例也代表了電網調峰的環境效益。由電網實際運行數據分析可知，隨新能源裝機容量比例的不斷上升，日新能源消納保障小時數由2.83 h上升至3.03 h，該指標為處理新能源裝機容量過大導致的新能源消納與電網調峰問題打下了堅實的基礎，當滿足新能源消納保障性收購小數的新能源電量完成消納后，其他新能源可轉入電網調峰輔助服務市場也可作為負的負荷修正用電負荷，避免了資源浪費。環境效益水平一般，還需進一步努力實現更好的環境保護。

3.2.3 社會效益

可再生能源利用率與能源效率表現出國家及企業對電網投資的利用效率，新能源消納下的電網調峰在4個場景下并未棄風棄光，新能源的投資建設并未浪費，產出相同電量，場景4的運行方式付出的社會成本最少。

4 結語

本文主要提出一種基于區間數和多場景的新能源消納下的電網調峰效益的模糊綜合評價模型。首先，提出了基于區間數的梯形隸屬函數，并引進區間符合度修正單因素隸屬度；其次，建立新能源消納下的電網調峰效益評價指標模型，并提出新能源消納保障性收購小時數作為新能源保障性收購指標；最后分析比較多場景下的新能源消納下的電網調峰效益綜合得分。分析結果認為，停機調峰不適宜作為新能源全消納的主要手段，并通過提供新能源保障性收購小時數的參考值，鼓勵保障性收購小時數以外的電量通過參與市場進行消納，合理利用電網的調峰資源。多場景下的電網調峰效益評價可以清晰地顯示出深度調峰與啟停調峰作為輔助新能源消納手段的可行性程度，可為電`網處理大規模新能源消納和制定調峰策略提供參考。