基于AHP-熵權法的抽水蓄能電站施工變電站選址規劃研究

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

關鍵詞：抽水蓄能電站； 熵權法； AHP； 施工變電站

中圖法分類號：TV743

文獻標志碼：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”戰略目標的提出，對中國能源發展轉型提出了新的要求。加快推進清潔能源建設，構建以新能源為主體的新型電力系統，顯得尤為緊迫和必要［1-3］。抽水蓄能電站作為當前技術最成熟、經濟最優的大規模儲能方式，對于緩解電網調峰壓力、提高風電和光伏等新能源消納、構建源網荷儲一體化新型電力系統方面具有重要作用。大規模發展抽水蓄能電站是完善新型電力系統建設、推動清潔能源革命、保障經濟社會可持續發展的必由之路。

抽水蓄能電站施工供電系統，在電站建設期發揮推進工程順利建設、保障工期目標實現的重要作用；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。施工供電系統是抽水蓄能電站建設和運行的關鍵基礎設施。施工變電站選址是電站施工供電系統規劃工作中的重要環節，站址好壞直接影響電站供電系統方案、網絡結構、供電質量和工程建設經濟性。科學合理規劃施工變電站站址，對電站施工供電系統合理布局，保障工程建設運行安全、經濟、可靠，具有重要意義。

目前國內外學者對變電站規劃選址方法已開展了大量研究工作。李曉泉等［4］提出考慮多目標規劃和基于GIS的規劃方法，可更好地優化變電站選址和布局；徐華秒等［5］提出基于GIS技術和大數據技術，建立規劃階段和可研階段不同變電站選址模型，結合GIS空間分析技術實現變電站的智能選址；張旭陽等［6］提出基于物聯網大數據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最優選址；許立凱等［7］提出在GIS應用基礎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和大數據技術建立選址模型，側重于對算法優化開展相關研究。研究模型存在輸入數據需求量大、搜集面廣、工作周期性長等問題，且受限于輸入數據的可靠性和準確性，現有規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確選址需求，因此，需要建立一套科學、準確、適用現有工程特點的規劃選址方法和模型。

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，構建了施工變電站選址規劃模型，采用熵權法與層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）相結合的主客觀并重方法計算評價指標權重，通過引入模糊理論，計算各評價指標權重隸屬度，建立了一套準確、客觀、可靠、適用性強的施工變電站選址規劃模型。

1 施工變電站選址規劃影響因素

抽水蓄能電站建設是一項復雜的系統工程，呈現施工布置范圍廣、工程建設周期長、施工用電負荷大、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用電負荷的主要聯結點和支撐點，其選址規劃是工程建設的前期基礎性工作，是架設施工供電系統網絡的重要環節，也是電站施工總布置規劃的重要組成部分。影響施工變電站選址規劃因素眾多，從自然因素、技術經濟性以及社會政策等角度考慮，主要有以下9項影響指標。

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

（2） 地質條件。變電站選址應規避山體滑坡區、泥石流區、塌陷區、滾石區、地震斷裂帶等不良地質地段，同時應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備、材料及主變壓器等大型設備的運輸，還應考慮運行、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） 周邊環境。變電站選址應規避對其安全運行有影響的設施或活動，如炸藥庫、燃氣管道等易燃易爆設施以及爆破開挖等施工活動。

（5） 電源條件。變電站選址應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。變電站選址應考慮進、出線線路方案及路由走向，應盡量減少線路交叉，保證線路走廊寬度。

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

（8） 建設投資。變電站選址應充分考慮征地費用、環水保投資、電源線路及變電站建設費用等，選擇綜合投資最優站址方案。

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

2 施工變電站選址規劃模型

2.1 施工變電站選址規劃層次結構

根據前文所述施工變電站選址影響因素，建立選址規劃層次結構。將施工變電站選址（X）作為目標層，將地形地貌條件（X1）、地質條件（X2）、交通條件（X3）、周邊環境（X4）、電源條件（X5）、線路路徑（X6）、用電負荷分布（X7）、建設投資（X8）、征地難易度（X9）等9項主要評價指標作為準則層，將規劃階段不同選址方案定為指標層。由此所建立的施工變電站選址規劃層次結構如圖1所示。

2.2 施工變電站選址規劃模型

熵權法和層次分析法作為一種成熟實用的多目標決策分析方法，目前在水利水電工程領域得到了廣泛的應用實踐：如對外交通和重大件運輸方案優選［8-9］、施工總布置規劃［10］、水旱災害分析評估［11］、大壩安全分析評價［12］、邊坡穩定性分析［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濟技術效益，其從主客觀角度全面揭示影響因子相互間的復雜關聯，提供可靠準確的多目標決策與多方案比選，為建立抽水蓄能電站施工變電站選址規劃模型提供了新的思路。

本文根據所建立的施工變電站選址規劃層次結構，采用熵權法和層次分析法揭示影響因素的綜合權重，借助模糊數學理論得到影響因素的隸屬度，結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劃方案推薦等級。施工變電站選址規劃主要步驟如圖2所示。

2.2.1 熵權法確定權重

熵權法是一種客觀賦權方法，該方法主要依據客觀資料，基于客觀指標的變異程度來確定指標權重。對于某評價指標，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，該評價指標對綜合評價結果的影響越大。客觀權重計算方法如下。

數據標準化處理：基于n個評價指標、m個選址方案構造的指標評價矩陣，進行標準化處理，得到標準化矩陣U。

U=（uij）n×m（1）

對于正向型指標，令uij為

式中：rij為第j個選址第i個評價指標的實際值；

uij為對rij進行歸一化后的相對值。

計算評價指標i的熵值Ei：

式中：fij為變異性指標；k為信息熵。

計算評價指標i的熵權值wi：

2.2.2 層次分析法確定權重

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

式中：aij為根據標度法量化的因子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重向量：

對于多影響因子權重向量的計算，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組成的數量向量。

計算一致性檢驗指標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，所得影響因子權重向量計算合理；反之則認為一致性較差，需對矩陣A進行修正，直至檢驗通過。

2.2.3 綜合賦權法確定權重

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

構造基本權重向量wk，并將基本向量進行組合得到組合向量w：

通過尋找最優權重組合確定最優線性方程組：

對求得的最優線性組合系數μ1和μ2進行歸一化處理，得到綜合賦權向量值w*：

2.2.4 模糊綜合評價

模糊綜合評價法采用數學方法處理含有無法量化影響因素的復雜問題。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。本文建立施工變電站選址規劃評語集U={差，稍差，中等，良好，優秀}，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，選擇行業內多位專家（從事抽水蓄能電站設計、施工、咨詢領域，高級工程師及以上職稱，專家數量不少于10位）的意見進行打分，設n項影響因素，參與評估專家有k位。記每個指標專家評分值為sim（0≤sim≤1，1≤i≤k，1≤m≤n）。每項影響因素得分為

構建模糊等級評價矩陣S：

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

T=WS=（t1，t2，…，tn）（17）

根據最大隸屬度原則，綜合評價向量T中最大值所處評語區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鍵。隸屬度函數是模糊理論確定隸屬度的常用方法。顯然，對評語等級區間端點，其相鄰等級隸屬度為05；對于評語等級區間上的點而言，越靠近區間中點，其對該區間內的隸屬度越顯著，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，優秀}={Ⅴ，Ⅳ，Ⅲ，Ⅱ，Ⅰ}，指標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對評語等級區間端點進行處理，其表達式如下：

3 工程案例及應用

以新疆達坂城抽水蓄能電站施工變電站選址規劃為例，在其前期施工總布置規劃工作中，施工變電站有選址1（D1）、選址2（D2）和選址3（D3）等3處選址地塊可供規劃布置。根據前述選址規劃層次結構，收集備選站址的9項影響因素相關實際資料，并邀請10位抽水蓄能行業高級職稱專家，對備選站址充分發表意見，從差、稍差、中等、良好、優秀等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 確定權重向量

3.1.1 熵權法確定權重

收集備選站址的9項影響因素相關實際資料，將其數據標準化后得到數據如表2所示。

依據式（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）得到熵權法下各評價指標權重如表3所示。

3.1.2 層次分析法確定權重

層次分析法基于1～9標度的方法，對評價指標進行兩兩比較，構造判斷矩陣A：

采用和積法計算，根據式（7）～（8）得到層次分析法權重，如表4所示。結合式（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，評價指標權重分配合理。

3.1.3 綜合權重

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

3.2 隸屬度確定

根據梯形隸屬度函數，對隸屬度函數進行賦值：

（i=1，2，3，4）（25）

代入得到梯形隸屬度函數如圖3所示。

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

3.3 施工變電站選址規劃方案比選

根據模糊等級綜合評價原理，結合上述各評價等級隸屬度及綜合權重，得到各選址方案的綜合評價結果如圖4所示。

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

4 結 論

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

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

（2） 基于熵權法-層次分析法相結合的優化組合賦權模型，構建了抽水蓄能電站施工變電站選址規劃模型，從主、客觀多維度有效克服了單一賦權模型的缺陷與不足，可更全面揭示影響因子動態關聯以及真實影響價值，權重指標計算過程更為科學合理，方案比選結果更加準確可靠。

（3） 所建立的優化組合賦權選址規劃模型可全面客觀反映各項評價指標影響力，并能較好地應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用結果來看，本文推薦的選址方案良好。研究成果可為后續水利水電工程相關站址規劃選擇、優化和評價提供參考。

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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