冶金祥，王 鵬，張 瑋，杜風(fēng)宇，萬瑪周加，李林忠，張 平

(中國電建集團青海省電力設(shè)計院有限公司，青海 西寧 810008)

0 引言

風(fēng)電作為清潔、有效的重要能源，國家為風(fēng)電的發(fā)展提供強有力的支持。比如直接投資開發(fā)、提供補貼、EPC及PPP項目刺激風(fēng)電市場，這些措施的實施，促使風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展、市場極大擴張。據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的《中華人民共和國2019年國民經(jīng)濟和社會發(fā)展統(tǒng)計公報》表明，全國風(fēng)電累計裝機2.1億kW，同比增長14%，在新增裝機方面，風(fēng)電年度裝機2 574萬kW，同比上漲22%。

風(fēng)電場宏觀選址作為風(fēng)電技術(shù)發(fā)展的重要技術(shù)支撐，是風(fēng)能資源有效利用和經(jīng)濟效益優(yōu)化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。已建風(fēng)電項目表明，風(fēng)電場宏觀選址的評判準(zhǔn)確性對風(fēng)電項目的發(fā)電效益及經(jīng)濟效益影響程度較大。伴隨風(fēng)電場的建設(shè)不斷增加，風(fēng)電場宏觀選址的技術(shù)創(chuàng)新對新建風(fēng)電場的運行、經(jīng)濟效益以及環(huán)境保護具有重要的作用。

文獻〔1〕-〔3〕的研究表明，風(fēng)電場宏觀選址通常采用風(fēng)能資源、水文地質(zhì)條件、土地利用、環(huán)境影響以及社會因素等單個因素評估評價選址，或借鑒已開發(fā)場址選址的方法。侯燕梅〔4〕考慮宏觀選址的多個因素，歸納選址的基本原則，采用流程圖的方式進行宏觀選址。文獻〔5〕-〔6〕對風(fēng)電場宏觀選址的理論與方法進行研究分析，主要從風(fēng)資源的利用方面進行單一因素的分析，風(fēng)電場宏觀選址缺乏綜合多因素、多指標(biāo)的系統(tǒng)性評估分析。綜合多因素評估，就其本質(zhì)而言屬于模糊定量化范疇〔7〕。近年來，文獻〔8〕采用模糊綜合評價法，有效評估風(fēng)電機組的運行性能；文獻〔9〕的研究表明，針對引水壓力鋼管的安全性評價，以實用性、安全性為目標(biāo)層的模糊綜合評價模型，有效地評價壓力鋼管的安全性狀；文獻〔10〕-〔11〕闡述表明，基于模糊綜合多層次橋梁的安全性評估，結(jié)合定性指標(biāo)與定量指標(biāo)的分析，科學(xué)合理的評價橋梁使用的風(fēng)險趨勢。因此，建立模糊綜合評價模型，準(zhǔn)確評估風(fēng)電場址在多指標(biāo)因素下的優(yōu)良性，滿足風(fēng)電場宏觀選址的需求，為風(fēng)電場宏觀選址提供了科學(xué)有效的技術(shù)支撐。

1 風(fēng)電場選址決策模型

模糊綜合評價模型源于模糊數(shù)學(xué)理論〔12〕。主要描述評價對象的客觀性與不確定性，是一個多層次多指標(biāo)的復(fù)雜評價系統(tǒng)，定性指標(biāo)與定量指標(biāo)相結(jié)合的評價分析體系。由于風(fēng)電場選址屬于一個多層次多指標(biāo)的復(fù)雜問題，需要將其簡單化，運用模糊綜合評價模型，對該評價分析問題是科學(xué)合理的研究途徑。

1.1 宏觀選址決策模型〔13〕

風(fēng)電場宏觀選址模型，主要通過最大隸屬度原則〔14〕，綜合模糊判斷矩陣與隸屬度標(biāo)準(zhǔn)化實現(xiàn)風(fēng)電場宏觀選址的客觀評價。通過自下而上遞階層次結(jié)構(gòu)評價體系，逐級逐層次的將指標(biāo)因素的權(quán)重向量與單指標(biāo)因素排序合成，備選方案在多級多層次指標(biāo)因素權(quán)重信息的綜合考慮，從而實現(xiàn)基于多指標(biāo)因素的風(fēng)電場宏觀選址研究。風(fēng)電場宏觀選址模型構(gòu)建如圖1所示。

1.2 宏觀選址模型算法

風(fēng)電場宏觀選址研究是多相信息的綜合評價，就其本質(zhì)而言是定量化與定性化模糊綜合評價的識別范疇。求出N個方案的序列權(quán)重向量A={a1,a2,Λ,an}基于最大隸屬度原則，其計算按式(1)進行。

(1)

式中：A為排序權(quán)重向量；w為評價因素權(quán)向量矩陣，采用層次分析法確定；V為模糊判斷矩陣；sj為加權(quán)平均算法，其中r為因素權(quán)重占比；μ為最優(yōu)方案識別隸屬度。

1.3 宏觀選址決策模型設(shè)計

1.3.1構(gòu)建遞階層次因素集

依據(jù)文獻查閱與專家咨詢的方法，把選定的多種狀態(tài)參量作為評判因素，建立風(fēng)電場宏觀選址的遞階層級因素集，該層次結(jié)構(gòu)包含四個遞階部分：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層及方案層。即目標(biāo)層為風(fēng)電場宏觀選址(A)；準(zhǔn)則層為地理因素(B1)，技術(shù)因素(B2)，經(jīng)濟因素(B3)，環(huán)境因素(B4)以及社會影響因素(B5)。指標(biāo)層是對準(zhǔn)則層遞階層次的細化表現(xiàn)，不同的準(zhǔn)則層依附著不同的指標(biāo)因素，其遞階層次結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。方案層是指標(biāo)層的具體細化，僅風(fēng)資源條件(C12)細化方案層，即：風(fēng)功率密度(D1)，湍流強度(D2)，年平均風(fēng)速(D3)及年有效利用小時數(shù)(D4)。

1.3.2構(gòu)造模糊判斷矩陣

宏觀選址模型最終的目的是把研究對象具有的隨機復(fù)雜性問題當(dāng)作一個整體系統(tǒng)，將目標(biāo)層分解為遞階層次因素集。通過構(gòu)造模糊判斷矩陣客觀地評價分析，將遞階層次結(jié)構(gòu)的因素集模糊數(shù)量化，進而計算遞階層次的模糊判斷矩陣。

在宏觀風(fēng)電選址中，模糊判斷矩陣主要包括：比較判別矩陣(P)與方案選擇的優(yōu)先矩陣(R)。遞階層次結(jié)構(gòu)中，Bk具體細化下一層的n個元素指標(biāo)Ck1，Ck2…其中模糊判斷矩陣的rij表示：Cki與Ckj兩兩比較判斷，Cki比Ckj的重要程度大；假設(shè)具有m個方案y1，y2，…，ym，矩陣R是針對最低層各指標(biāo)因素給出的優(yōu)先矩陣。比較判別矩陣(P)與優(yōu)先矩陣(R)其兩兩比較的重要程度標(biāo)度采用1-9標(biāo)度法比較賦值〔15〕，形成風(fēng)電場宏觀選址的模糊判斷矩陣。

風(fēng)電場宏觀選址指標(biāo)因素的比較判別形式為：

BkCk1Ck2…CknCk1p11p12…p1nCk2p21p22…p2n……………Cknpn1pn2…pnn

方案層每個因素指標(biāo)對應(yīng)的優(yōu)先矩陣，其形式為：

因素方案y1方案y2…方案ym方案y1r11r12…r1m方案y2r21r22…r2m……………方案ymrm1rm2…rmm

兩兩比較的重要程度標(biāo)度采用0.1-0.9標(biāo)度法比較賦值，其判斷矩陣標(biāo)度及其含義如表1所示：

表1 判斷矩陣標(biāo)度及其含義

1.3.3模糊判斷矩陣的一致性檢驗與改進方法

模糊判斷矩陣就其本質(zhì)而言是專家針對指標(biāo)因素相對重要程度的有效反映。在風(fēng)電場宏觀選址的研究中，由于其問題的復(fù)雜性與專家思想認知的局限性，很難保證其判斷矩陣的一致性。本文僅考慮互補判斷矩陣的一致性檢驗，通過三角模糊互補判斷矩陣進行一致性檢驗與方法改進，其方法簡單、科學(xué)、有效，且改進的結(jié)果滿足其模型的要求。

文獻〔16〕闡述的一致性檢驗定義如下：

定義1：假設(shè)P=(Pij)n×n為一個三角模糊互補判斷矩陣，如果P滿足：?i

定義2：假設(shè)P=(Pij)n×n為一個三角模糊互補判斷矩陣，則Y[P]=(Y|Pij|)n×n，其中Pij=(aij,bij,cij)，Y|Pij|=(aij+bij+cij)/3，稱矩陣Y[P]為矩陣P的Y-矩陣。

定義3：三角模糊互補判斷矩陣P，其等價映射矩陣為Q，Q的可達矩陣為T，若可達矩陣對角線上的元素不為1，則可以稱為三角模糊判斷矩陣符合一致性檢驗。

對不滿足一致性檢驗要求的模糊判斷矩陣進行一致性改進，文獻〔17〕研究表明模糊數(shù)互補判斷矩陣的一致性改進方法。模糊數(shù)互補判斷矩陣P=(Pij)n×n，假設(shè)一致性檢驗閾值ε(ε>0)，設(shè)k值為調(diào)整次數(shù)，從而進行一致性檢驗的驗算演繹。

1.3.4指標(biāo)因素權(quán)重的求取與單指標(biāo)因素的排序

對三角模糊互補判斷矩陣P=(Pij)n×n，依據(jù)定義3求等價映射矩陣Q=Em[P]，則第i個指標(biāo)因素的權(quán)重如式(2)所示。

(2)

風(fēng)電場宏觀遞階層次的比較判別矩陣P中，ri表示第i個指標(biāo)因素的重要性程度，其指標(biāo)因素的權(quán)重表示為w={r1,r2,Λ,rn}；最底層各指標(biāo)因素的優(yōu)先矩陣R，其優(yōu)先度向量為v={r1,r2,Λ,rn}，ri表示第i個方案的優(yōu)先程度。

1.3.5風(fēng)電場宏觀選址的綜合排序

依據(jù)風(fēng)電場宏觀選址決策模型，其具體算法步驟如下：

Step1:設(shè)準(zhǔn)則層A支配細化目標(biāo)層B的n個指標(biāo)因素，由式(2)求出目標(biāo)層指標(biāo)因素的排序權(quán)重向量w={r1,r2,Λ,rn}。

Step2:設(shè)具有m個方案，相對于目標(biāo)層B的n個指標(biāo)因素，其單指標(biāo)因素的排序向量表示為：v1={r11,r12,Λ,r1m}T，Λ,vn={rn1,rn2,Λ,rnm}T,令V={v1,v2,Λ,vn}T作為排序權(quán)重向量求解的因數(shù)。

Step3:求出m個方案相對于準(zhǔn)則層A的排序權(quán)重向量S={s1,s2,Λ,sm}=w·V。

Step4:風(fēng)電場宏觀選址研究是基于多級多層次的指標(biāo)因素，需要綜合考慮指標(biāo)因素對選址的影響狀況，因此，采用加權(quán)平均法〔18〕求解權(quán)重排序向量，如式(3)所示。

(3)

Step5:逐層遞增的方式向上求解，可得風(fēng)電場宏觀選址目標(biāo)層的綜合排序向量，對綜合權(quán)重向量采用最大隸屬度原則〔19〕進行求解，從m個方案中得到最優(yōu)方案。

2 工程實例分析驗證

依據(jù)相關(guān)資料的可研報告分析及初步設(shè)計調(diào)查報告，現(xiàn)有三個備選方案：甲場址、乙場址、丙場址，三個場址的指標(biāo)因素具體概況如表2所示。

表2 因素指標(biāo)分類及具體參考值

2.1 構(gòu)建指標(biāo)因素的比較判別矩陣與優(yōu)先矩陣

指標(biāo)因素的比較判別矩陣由遞階層次因素結(jié)構(gòu)的上層指標(biāo)因素同下層指標(biāo)因素兩兩比較求得。依據(jù)圖2顯示的宏觀風(fēng)電場選址的遞階層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)建選址指標(biāo)因素的比較判別矩陣：A-B，B1-C，B2-C，B3-C，B4-C，B5-C，C12-D。其中，目標(biāo)層風(fēng)電場宏觀選址(A)與準(zhǔn)則層指標(biāo)因素B1，B2，B3，B4，B5的比較判別矩陣A-B=(pij)5×5，如表3所示。

表3 比較判別矩陣A-B

同理，各層次指標(biāo)因素的比較判別矩陣B1-C，B2-C，B3-C，B4-C，B5-C，C12-D不一一列舉。

方案層的各指標(biāo)因素對應(yīng)一個優(yōu)先矩陣，對于年可利用小時數(shù)D4采用甲、乙、丙3個方案進行兩兩比較，得出相應(yīng)的優(yōu)先矩陣D4=(rij)3×3，如表4所示。

表4 優(yōu)先矩陣D4

同理，其余方案層指標(biāo)因素的優(yōu)先矩陣不一一列舉。

2.2 比較判別矩陣與優(yōu)先矩陣一致性的檢驗和改進

(1)指標(biāo)因素的比較判別矩陣

依據(jù)文獻〔16〕闡述的一致性檢驗準(zhǔn)則，需對比較判別矩陣A-B，B1-C，B2-C，B3-C，B4-C，B5-C，C12-D進行一致性檢驗。其中A-B的一致性檢驗步驟如下所示：

Step1:求解A-B的等價映射矩陣Q，

同理，按照上述步驟比較判別矩陣B1-C，B2-C，B3-C，B4-C，B5-C，C12-D均滿足一致性檢驗要求。

(2)方案層指標(biāo)因素的優(yōu)先矩陣

判斷方案層指標(biāo)的一致性檢驗，其方法步驟同比較判別矩陣檢驗方法一致，因此，依據(jù)上述步驟，方案層因素指標(biāo)D1，D2，D3，D4均滿足一致性檢驗要求。

2.3 指標(biāo)因素的權(quán)重

準(zhǔn)則層A支配細化目標(biāo)層B的指標(biāo)因素，由式(2)求取遞階層次結(jié)構(gòu)各指標(biāo)因素的權(quán)重向量w,如表5所示。

表5 指標(biāo)因素的權(quán)重向量

2.4 單指標(biāo)因素的方案排序

依據(jù)表2因素指標(biāo)的分類及具體參考值，由式(2)求取甲、乙、丙三個方案的單指標(biāo)因素的優(yōu)先度向量，如表6所示。

表6 單指標(biāo)因素的優(yōu)先度向量矩陣

2.5 風(fēng)電場宏觀選址方案的綜合排序

依據(jù)表5和表6的相關(guān)內(nèi)容，采用模糊綜合評價模型，求取風(fēng)電場宏觀選址的最佳決策。運用式(1)求取甲、乙、丙三個場址的綜合排序向量，如下所示：

指標(biāo)因素風(fēng)資源條件C12的綜合排序向量：

表7 風(fēng)電場宏觀選址方案的綜合排序向量

由表7所示，甲、乙、丙三個場址的最終綜合排序向量為(0.320,0.402,0.278)，根據(jù)最大隸屬度原則，可以知道，乙場址的優(yōu)先程度最高，最適合建設(shè)風(fēng)電場。實際中，乙場址已經(jīng)建設(shè)完畢，該風(fēng)電場運行良好，效益可觀，證明了風(fēng)電場選址決策模型的科學(xué)性與實用性。

3 結(jié)論

本文運用模糊綜合評價模型對甲、乙、丙3個風(fēng)電場址進行綜合評判，針對場址的實測數(shù)據(jù)，進行相關(guān)的算例驗證，確定乙場址最優(yōu)，使得風(fēng)電場選址決策模型更好地為實際工程的選址服務(wù)，較好地解決了風(fēng)電場宏觀選址的模糊性和不確定問題，是風(fēng)電場選址決策的重要技術(shù)方法。模糊綜合評價模型科學(xué)合理地構(gòu)建了遞階層次結(jié)構(gòu)，有效融合了復(fù)雜與隨機的諸多指標(biāo)因素，對最優(yōu)選址的結(jié)果給予明確的響應(yīng)，是風(fēng)電場宏觀選址的重要軟技術(shù)支撐。