1、33 基于多层次多维度的水光互补容量优化配置综合评价方法研究0引言大力发展可再生能源是全球能源转型和应对气候变化的重大战略方向1，将成为支撑经济可持续发展的主能源。随着我国“碳达峰 碳中和”目标的提出，持续增长的能源电力需求导致能源开发、电力系统以及生态系统的承载压力加大，我国能源安全保障问题日趋严峻2-3。为实现“双碳”目标并满足社会经济发展用能需求，我国“十四五”期间大力发展清洁能源基地，计划构建一批水风光一体化新型电力系统4，但同时也亟须解决可再生能源高比例消纳、稳定性可靠性等关键问题5。可再生能源大规模、高比例发展是能源结构优化、能源发展转型需求，决定了我国多元化能源供应格局。由于风光
2、等可再生能源出力具有“间歇性、随机性和波动性”等天然特性，直接并入电网调峰运行中可能会降低电网的灵活性负载响应，破坏系统稳定性6。为此，合理构建多能互补系统是解决调峰调频困难和电压支撑能力不足的重要途径。其中，水风光互补是电力系统发展的主要研究方向之一，通过水电调整适应风电、光伏出力波动，增强互补系统发电出力的稳定性，减小电力系统火电或其他电源的调峰深度7。目前，许多学者分别从调度策略8、运行效益、容量配置等对水风光互补系统开展了重点应用研究。如申建建等9提出水风光互补系统灵活性需求的量化方法，构建灵活性裕量期望最大和不足期望最小模型，以动态适应不同情景下水风光的互补调度需求。陈述等10通过水
3、风光多能互补运行博弈特性分析，构建互补性评价指标，提出多能互补增益分配策略，实现参与主体经济效益最大化。刘军涛等11通过研究各类电源配置规模，提出水风光储多能互补基地电源配置方案，能较好地满足电力、电量的送出需求，并能与受端市场需求特性很好地匹配。上述研究均从不同分析角度对水风光互补系统结构组成、运行规律的重要探索。目前水风光互补容量配置的相关研究局限于优化互补系统的运行效率或效益，较少研究考虑配置方案是否利于系统稳定可靠、满足地方生态环境需求及对社会发展效益，缺乏多维度系统性分析，这对于后续系统调度运行具有重要意义。本文辨析了水光互补容量配置的安全性、环保性、经济性、技术性以及社会性的多目标
4、内涵，提取不同目标下的具体关键控制参数，构建有效、全面的水光互补能源系统容量配置基于多层次多维度的水光互补容量优化配置综合评价方法研究李大成，吴迪，朱天生，马黎，项华伟（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州省贵阳市550081）摘要：合理配置水光装机容量是构建水光互补系统的关键环节。为有效解决水光互补系统容量优化配置问题，结合水光互补系统利益多元化与评价指标复杂化特性，从配置方案的安全性、环保性、经济性、技术性以及社会性五个方面，采用多层次、多维度的评价体系，提出耦合层次分析法、ELERTRE-、TOPSIS 法等多类多准则评价方法，构建综合水光互补系统容量优化配置综合评价模型，有效、
5、全面识别水光互补系统容量最优配置方案。将上述方法应用于 LCJ 上游西藏段清洁能源基地水光互补系统，验证了所提评价体系、方法及模型的合理性和有效性。结果表明：清洁能源基地水光合理规模配置方案为水电 952.5万 kW+光伏 1200 万 kW，综合效益最优。研究成果可为水光互补系统容量优化配置、清洁能源资源集约高效利用等提供科学的决策依据。关键词：清洁能源基地；水光互补系统；容量优化配置；综合评价模型中图分类号：TK 79文献标识码：A 学科代码：480.601 基金项目：中国华能集团科技项目“澜沧江西藏段千万千瓦清洁能源基地建设水光互补关键技术研究（HNKJ20-H20）”；中国电建集团贵阳
6、勘测设计研究院有限公司科技项目“矿坑抽蓄关键技术及市场应用研究（YJ2020-01）”。34水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 S1 期2023 年 6 月 20 日Vol.9 No.S1Jun.20,2023评估指标体系，识别系统容量最优化配置方案。为此，本文采用层次分析法评价模型构建评价指标权重矩阵。其次，结合外部输入的各评价指标量化值，分别使用三种多准则评价模型对不同容量配置方案进行评价，并利用均等加权方法构建综合评价模型，以明确最优容量配置方案。最后，将上述方法应用于 LCJ 上游西藏段清洁能源基地水光装机容量协同优化配置评价开展实例
7、研究，深入验证本文综合评价模型的合理性和有效性，研究成果可为水光互补系统容量优化配置、清洁能源资源集约高效利用等提供科学的决策依据。1容量配置方案评价指标体系1.1评价指标体系构建水光互补系统影响因素众多，互补特性与其经济性相互制约、相互协调，且有定量与定性之分。水光互补系统容量配置的核心问题是评估容量配置方案实施是否良好（目标层），基于此提出五个关键问题（准则层），即方案安全性是否合格，方案环保性是否达标，方案经济性是否良好，方案技术性是否合理以及方案社会性如何；其次，分析五个关键问题的深层内涵，获取 9 个指标（内涵层），进而提出具体评估指标（指标层），构成“1 个目标5 个准测9 个内涵
8、40 个指标”的水光互补系统容量配置评价指标体系。在选择效益评价指标时，遵从科学实用性、定量与定性、系统客观性、动静态结合、独立与典型性、简便与可操作性原则。结合水光装机容量规划特征，遴选评价指标，构建一个 1 个目标5 个准测9 个内涵25 个指标的水光互补系统容量配置评价指标体系，评价指标体系如表 1 所示。1.2评价指标量化与标准化在水光互补容量配置评价前，需量化评价指标，即依据构建的指标体系以及各指标计算方法，对前序工作提供的出力类和经济类数据进行评价指标量化计算，获取各容量配置方案的评价指标数值。其次，由于所有指标均属于效益型属性，为便于对比分析，需消除指标方向与量纲的差异化。本文对
9、评价指标体系指标进行一致化和标准化处理。一致化处理以正向指标作为评价基础，只针对逆向指标进行正向化一致化性处理，处理方法为减法一致化法，计算方法如下所示：yij=maxxij-xij （1）式中：xij、yij表示评价指标一致化处理前、后的指标值。指标标准化采用等比例归一化法，计算方法如下所示：表 1水光互补系统容量配置评价指标体系Table1Evaluationindexsystemofcapacityallocationforhydro-photovoltaiccomplementarysystem目标层准测层 内涵层编号指标层指标单位是否选取梯级水光互补能源系统容量配置方案优选方案安全性
10、可靠性1电量不足期望值万 kWh2电力不足小时期望值h是3最大负荷缺失深度万 kW是4水库缺水指数m5水库蓄满率%是稳定性6基地最大出力比%7基地最小出力比%8基地出力波动比%9削峰填谷率%是10水库水位最大变幅m方案环保性内部环境效益11水资源利用率%是12光伏消纳率%是外部环境效益13二氧化碳排放量减少量万 t是14生态需水保证率15最大下泄流量变幅m3/s16基地与下游电站协调性万 m3是方案经济性经济指标17系统初投资亿元18总费用现值亿元是19水电单位电能投资元/（kWh）是20光伏单位电能投资元/（kWh）是21基地单位电能投资元/（kWh）是22水电单位千瓦投资元/kW是23光伏
11、单位千瓦投资元/kW是24基地单位千瓦投资元/kW是财务指标25光伏上网电价元是26水电上网电价元是27综合上网电价元是28输电电价元是35 基于多层次多维度的水光互补容量优化配置综合评价方法研究 续表目标层准测层 内涵层编号指标层指标单位是否选取梯级水光互补能源系统容量配置方案优选方案经济性财务指标29落地电价元是方案技术性设备使用水平30设备利用率31水电利用小时数h是32光伏有效利用小时数h是33多能互补率kW/h34水电机组启停次数线路使用水平35送出通道利用小时数h是36输电通道负载变幅万 kW方案社会性带动社会发展效益37是否符合政策导向38带动社会就业水平39投资贡献 GDP 增
12、长率%是40可增加财税收入效益亿元是 （2）式中：Mj=maxjpij，mj=minjpij。变换后，指标的极大值为1，极小值为 0。2水光互补系统容量评价方法2.1水光互补系统容量配置综合评价模型基本原理在多能互补系统的容量配置问题上，由于其成本效益的多维度性与多层次性，极少单独使用传统评价方法或多准则决策分析方法评价容量配置方案，通常融合不同方法的优势对系统综合评价。因此，针对本研究涉及多维度-多层次指标体系的复杂性，结合层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）、消去和选择转换算法（ELERTRE）、理想点法（TOPSIS）三种多准则决策分析法，采用模型耦
13、合方法构建多层次-多维度的综合评价模型。该模型取长补短，结合主观性、模糊性和客观性，提升综合评价的合理性。2.1.1基于 AHP 法的评价模型AHP 法能将一个复杂的多准则、多目标决策问题作为一个系统，把与决策总是有关的元素分解成目标、准则、方案等若干层次，并进行定性和定量分析12-13。采用 AHP 法进行最优方案决策的具体流程见图 1。确定方案评价总目标一致性检验建立递阶层次关系结构层次单排序层次总排序构建判断矩阵选择最优方案一致性检验NONOYESYES 图 1层次分析法具体流程图Figure 1Specific flow chart of hierarchical analysis m
14、ethod2.1.2基于 ELERTRE-法的评价模型20 世纪 60 年代，Roy 等14提出了 ELECTRE 法，该方法使用级别优先关系的概念，由备选方案之间的相互比较构成，可以提供有效的步骤去对方案排序。与 ELERTRE-、ELERTRE-相比，EELERTRE-法是一种较有效的排序方法。EELERTRE-法要求决策者给出各个属性之间相对重要性的权重和无差异、严格优于和否决三个门槛值。门槛值的引入使 ELERTRE-法更符合人们作决策时的实际状况，而且无差异、严格优于和否决门槛值的直观意义明确，决策人容易理解并设定。2.1.3基于 TOPSIS 法的评价模型TOPSIS 法是 C.L
15、.Hwang 等15于 1981 年首次提出，根据有限个评价对象与理想化目标的接近程度进行排序，从而在现有的对象中进行相对优劣的评价。TOPSIS 法是多目标决策分析中一种常用的有效方法，又称为优劣解距离法。2.2综合评价模型指标权重的确定水光互补系统容量配置的评价指标体系涉及诸多因素，各个单项指标对于实现最优容量配置方案这一总目标的重要程度不同，需要确定各指标相对于总目标的权重。采用AHP 法，基于评价指标体系，建立层次结构模型，构建判断矩阵，计算各指标权重，为选择容量最优配置方案提供定量依据。2.3水光互补系统容量配置综合评价模型水光互补系统容量配置综合评价模型耦合了三种评价模型。首先，采
16、用 AHP 评价模型确定各指标权重，采用专家评估和两两指标对比判断的方式构建指标判断矩阵，并进行一致性检验，若检验不通过则重新评估，检验通过后则建立权36水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 S1 期2023 年 6 月 20 日Vol.9 No.S1Jun.20,2023重矩阵。其次，结合外部输入的评价指标值，不同容量配置方案均分别使用三种评价模型单独评价，采用均等加权法构建综合评价模型（见图 2）。具体步骤如下：（1）不同方案评价指标值确定后，开展评价模型具体工作。首先，采用 AHP 法确定指标权重，结合指标值可加权计算出水光互补系统容量配
17、置评价总得分，完成 AHP 法评价过程。（2）应用 ELECTRE-法。根据规范化评价指标矩阵统计出各指标属性值，将 0 1 区间每隔 0.1 进行区间划分，先依据各指标属性值判断其隶属度，再根据得分排序判断容量配置方案的评价级别，取为隶属评价级别的中值，将各容量配置方案的指标值转换为评价隶属度矩阵。然后，根据隶属度数据特性给出 ELECTRE-评价法阈值，作为各属性间相对重要性的权重和无差异、严格优于和否决三个门槛值，并根据 ELECTRE-评价方法的计算流程完成评价过程。（3）前序工作构建的规范化指标体系可作为 TOPSIS评价法中的规范决策矩阵。首先，引入 AHP 法确定的权重向量构成加
18、权规范阵，筛选规范化矩阵中每个指标最值，结合指标的实际物理意义，将最值作为 TOPSIS 评价法中的理想解和负理想解，确定理想解 x*j和负理想解 x0i。根据TOPSIS 法，计算各方案到理想点、负理想点的距离，进而计算各方案的排队指标值，以此作为方案的评价指标值来确定优劣次序。（4）综合三种评价模型分析。本文认为三种评价模型可信度一致，即赋予一致权重，均为 1/3。对三种模型的评价结果进行加权综合评价，选出水光互补系统综合效益的容量最优配置方案，作为水光互补系统的合理规模推荐配置方案。3LCJ 上游西藏段清洁能源基地实例研究3.1清洁能源基地概况为促进经济社会发展，适应国家能源结构转型需要
19、，利用 LCJ 上游西藏段流域丰富的水力资源及周边的太阳能资源，通过水光互补建成 LCJ 上游西藏段大型清洁能源基地是实现能源资源优化配置和助力“碳达峰 碳中和”目标实现的重要举措。该基地拟采取水电+光伏互补的开发模式，拟定梯级水电站总装机容量 862 万 kW、907 万 kW、952.5 万kW、1000 万 kW 四种方案，结合基地光伏场址分布特点及电源汇集线路经济性，光伏规模拟定 1000 万 kW、1100 万 kW、1200 万 kW、1400 万 kW 四种方案，通过组合形成 16 种水光互补系统容量配置方案进行比选。因此，下文主要针对 16 种配置方案进行综合评价，合理选择基地
20、电源配置方案。3.2评价指标体系构建及指标计算清洁能源基地水光配置评价指标体系涉及方案安全性、环保性、经济性、技术性及社会性等五个方面，前述遴选的指标包含水库蓄满率、光伏消纳率、综合上网电价、可增加财税收入效益等 25 个评价指标。根据各指标计算方法，由前序工作提供的出力类和经济类数据开展评价指标量化计算，获取 16 种不同容量配置方案的评价指标数值。以水电952.5 万 kW 配置不同光伏规模方案为例，其具体指标计算值见表 2。3.3评价指标标准化清洁能源基地遴选的水光互补系统容量配置方案评价指标均具有不同效益型属性，数据源存在量级、方向差异，为多层次综合评价体系评价指标值专家评估两两判断指
21、标判断矩阵基于AHP法的权重矩阵AHP评价模型ELERTRE评价模型TOPSIS评价模型综合评价模型一致性检验基于AHP确定指标权重NOYES均等加权图 2水光互补系统容量配置综合评价模型结构示意图Figure 2Structure of the comprehensive evaluation model for capacity allocation of hydro-photovoltaic complementary system37 基于多层次多维度的水光互补容量优化配置综合评价方法研究便于对比分析，消除评价指标间的差异化。根据 3.2 中计算获取的各指标值，采用 1.2 中公式（2
22、）的标准化方法求得标准化决策矩阵。表 2清洁能源基地水电 952.5 万 kW配置不同光伏规模评价指标值Table2Valuesofevaluationindexofhydropowerof952.5millionkWwithconfigurationofdifferentphotovoltaicscaleincleanenergybase编号评价指标单位容量配置方案C1C2C3C41电力不足小时期望值h22872142202017912最大负荷缺失深度万 kW7487437347213水库蓄满率%1001001001004削峰填谷率%10.0811.1413.4715.785水资源利用率%9
23、6.6496.6496.6496.646光伏消纳率%93.6592.8691.6187.557二氧化碳排放减少量万 t56315768589861258乌弄龙附加调节库容万 m36036146246319总费用现值亿元1177.58 1161.2 1147.25 1129.7110水电单位电能投资元/（kWh）3.323.323.323.3211光伏单位电能投资元/（kWh）2.933.013.083.2612基地单位电能投资元/（kWh）3.213.233.253.313水电单位千瓦投资元/kW1423814238142381423814光伏单位千瓦投资元/kW457946454701479
24、615基地单位千瓦投资元/kW929190978921861916光伏上网电价元/（kWh）0.2868 0.29410.30150.310417水电上网电价元/（kWh）0.4141 0.41410.41410.414118综合上网电价元/（kWh）0.3789 0.37880.37920.379319输电电价元/（kWh）0.0765 0.07470.07310.070320落地电价元/（kWh）0.4554 0.45350.45230.449721水电利用小时数h429042904290429022光伏利用小时数h166016461624155223送出通道利用小时数h575359166
25、0846436 续表编号评价指标单位容量配置方案C1C2C3C424投资贡献 GDP增长率%48.6750.0751.4753.2625可增加财税收入效益亿元43.2144.3145.4147.25注C1 C4分别表示在水电规模 952.5 万 kW 下配置光伏装机规模 1000 万 kW、1100 万 kW、1200 万 kW、1400 万 kW 四种方案。3.4评价指标权重确定在清洁能源基地水光互补系统的容量配置中，由于评价指标体系复杂的多元化特性，各指标对系统容量配置的影响力和效应不一致，须评估各指标的相对重要性，赋予评价指标对应的权重。考虑到清洁能源基地的实际工程情况，本文采用 AHP
26、 法，依据工程的重点考虑对象和难点问题，主观上赋予指标不同权重。根据 AHP 法计算过程，为获取准则层、内涵层、指标层总排序结果，建立递阶层次关系结构，并计算出不同层次指标权重。首先，构造两两对比判断矩阵，并邀请业内 10 位专家对判断矩阵进行评分。其次，对判断矩阵进行层次单排序，并检验权重结果的一致性，若未通过一致性检验，重新构造判断矩阵，并重新进行比较评。最后，若层次单排序的一致性检验通过后，进行层次总排序和一致性检验，当检验未通过，重新考虑构造递阶层次模型或判断矩阵。以此类推，直至层次单、总排序均通过一致性检验，计算出专家评价权重，最终各层级指标权重结果如表 3 所示。表 3基于 AHP
27、 法的不同层级评价权重系数Table3 WeightingcoefficientsofdifferentlevelsofevaluationbasedonAHP准则层（P）内涵层（Q）指标层（R）P 层总排序Q 层总排序R 层总排序P1方案安全性Q1可靠性R10.24740.18550.0265R20.1436R30.0155Q2稳定性R40.06180.0618P2方案环保性Q3内部环境效益R50.14210.10660.0266R60.0799Q4外部环境效益R70.03550.0178R80.0178P3方案经济性Q5经济指标R90.32640.16320.0158R100.0158R1
28、10.0158R120.049438水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 S1 期2023 年 6 月 20 日Vol.9 No.S1Jun.20,2023 续表准则层（P）内涵层（Q）指标层（R）P 层总排序Q 层总排序R 层总排序P3方案经济性Q5经济指标R130.32640.16320.0158R140.0204R150.0303Q6财务指标R160.16320.0221R170.0221R180.0676R190.0121R200.0393P4方案技术性Q7设备使用水平R210.14210.07100.0355R220.0355Q8线路
29、使用水平R230.07100.0710P5方案社会性Q9带动社会发展效益R240.14210.14210.1066R250.03553.5评价结果分析在确定评价指标权重后，首先，采用 2.1 节构建的 AHP法、ELECTRE-法和 TOPSIS 法单独评价清洁能源基地水光互补系统容量配置方案，将独立的评价结果以相同权重相加获取综合评价结果（见图 3）。从评价方法看，ELECTRE-法计算的评价值较高，AHP 法次之，TOPSIS 法较小，且各评价结果具有一致性，说明综合评价模型的合理性，而该结果与 AHP 法最为接近。从评价内容看，不同光伏规模下，水电装机容量变化曲线响应过程具有较大差异，说
30、明不同容量配置方案对综合效益影响大，同时也证实了构建容量配置评价模型的必要性。因此，在实际工程中，需慎重选取容量配置方案。根据评价结果，本次清洁能源基地水电 952.5 万 kW+光伏 1200 万 kW 方案加权综合评价值为 0.5973，综合效益较优；清洁能源基地水电 952.5 万 kW+光伏 1400 万 kW 方案加权综合评价值为 0.5797，综合效益次之，但此方案弃光率较高。经综合评价，推荐清洁能源基地水光互补系统最优容量配置方案为水电 952.5 万 kW+光伏 1200 万 kW。862907952.510000.300.350.400.450.500.55指数水电装机容量/
31、万kW AHP ELERTRE-TOPSIS ALL(a)光伏1000万kW(b)光伏1100万kW(c)光伏1200万kW(d)光伏1400万kW862907952.510000.300.350.400.450.500.55指数水电装机容量/万kW862907952.510000.350.400.450.500.550.600.65指数水电装机容量/万kW862907952.510000.300.350.400.450.500.550.60指数水电装机容量/万kW 图 3清洁能源基地水光互补系统不同容量配置方案评价结果Figure 3Evaluation results of differe
32、nt capacity configuration options of hydro-photovoltaic complementary system in clean energy base39 基于多层次多维度的水光互补容量优化配置综合评价方法研究4结论本文主要对水光互补系统容量配置评价问题开展了研究，构建了多维度、多层次性的评价指标体系。首先，考虑到水光互补系统利益多元化与评价指标复杂化特点，提出安全性、环保性、经济性、技术性及社会性等五方面关系是水光互补系统容量配置的一级关键指标，并构建可靠稳定性、内外部环境效益、经济财务指标、设备、线路使用水平以及带动社会发展效益 9 个二级指标和
33、 25 个三级指标的容量配置评价指标子系统。其次，提出运用多类、多准则模型耦合的评价方法，构建综合多层次-多维度的综合评估模型。该综合模型耦合AHP法、ELERTRE 法和 TOPSIS 法，取长补短，综合了评价过程中主观性、模糊性和客观性相结合的特点，提升综合评价的合理性。最后通过对 LCJ 上游西藏段清洁能源基地进行实例研究，表明该套评价体系的合理性和有效性。因此，基于该多维度、多层次性的水光互补系统容量配置评价指标体系和评价模型，为水光互补系统容量规划设计工作提供重要保障，同时为高质量完成基地后续调度运行工作提供技术支撑，最终为形成行业性水光互补容量配置评价技术体系奠定基础。参考文献1韩
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41、tionaccountonthebasisofdiversifiedprofitsofHWPCSandcomplexityofevaluationindexes.Thenwebuiltacomprehensivemodelcomposedofmultilayeredandmultidimensionalevaluationsystemandmulti-classandmulti-criteriaevaluationmethodsofAnalyticalHierarchyProcess(AHP),ELiminationandChoiceTranslatingREality-(ELERTRE-)a
42、ndTechniqueforOrderPreferencebySimilaritytoanIdealSolution(TOPSIS)toeffectivelyandcomprehensivelydistinguishoptimalschemeofhydro-photovoltaicinstalledcapacity.AndweappliedthemodeltotheHWPCSofcleanenergybaseoftheupperreachesoftheLCJRiverinTibetsectionandverifiedtherationalityandeffectivenessoftheeval
43、uationsystem,methodandmodel.Theresultsshowthatitsoptimalcomprehensivebenefitforthecleanenergybasetoallocate9.525millionkWtohydropowerand12millionkWtophotovoltaic.Andtheresearchfindingscanprovideascientificbasisfordecisionmakingonoptimalallocationofhydro-photovoltaicinstalledcapacityofHWPCSandtheintensiveandefficientutilizationofcleanenergyresources.Keywords：cleanenergyresources;systemofhydro-photovoltaiccomplementary;optimalinstalledcapacity;comprehensiveevaluationmodel
