馬 紅，徐 俊

(1. 蕪湖發(fā)電有限責(zé)任公司，安徽 蕪湖 241000；2. 南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院、人工智能學(xué)院，江蘇 南京 210023)

綜合效益是電力系統(tǒng)調(diào)度策略最直觀的判斷依據(jù)，可以反映在經(jīng)濟調(diào)度策略下電力系統(tǒng)的能源效益利用情況，也可判斷能源與經(jīng)濟之間的依賴關(guān)系。隨著光伏風(fēng)電等清潔能源的裝機容量不斷擴大，電網(wǎng)綜合效益逐漸成為電網(wǎng)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(huán)境角度、經(jīng)濟角度等[1]。由于我國發(fā)電結(jié)構(gòu)以火電為主，因此煤耗成本是評價經(jīng)濟效益的一個重要指標(biāo)。文獻(xiàn)[2]研究了不同容量火電機組在深度調(diào)峰狀態(tài)下的煤耗變化特性，通過建立火電機組調(diào)峰調(diào)度模型將火電機組參與深度調(diào)峰的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益進行量化。文獻(xiàn)[3]依據(jù)多重原則，考慮包括節(jié)約燃煤量、減少污染物排放量、減少水資源等多個指標(biāo)后，構(gòu)建了適用于火電廠的能源效率評價體系。文獻(xiàn)[4]通過研究經(jīng)濟性指標(biāo)，分析了發(fā)電企業(yè)在能源效率方面所面臨的問題及不足之處，選取多個指標(biāo)對發(fā)電企業(yè)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(xiàn)[5]提出一種新的經(jīng)濟效益評價模型，將其量化為按時間順序排列的生產(chǎn)成本模擬方法，通過確定最佳互聯(lián)容量實現(xiàn)跨國電網(wǎng)經(jīng)濟效益最大化。文獻(xiàn)[6]量化多業(yè)務(wù)融合的綜合效益，并根據(jù)時間長短2個維度對電網(wǎng)項目運行效果的效率和綜合效益進行評價。

電網(wǎng)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(quán)法等。文獻(xiàn)[7]建立了包括電網(wǎng)發(fā)展效益和效率等3個指標(biāo)的電網(wǎng)發(fā)展診斷體系，將主觀與客觀權(quán)重融合，獲得指標(biāo)權(quán)重，應(yīng)用模糊層次分析法進行診斷。文獻(xiàn)[8]通過主成分分析來微觀研究，系統(tǒng)聚類分析來宏觀研究，并對多指標(biāo)體系去相關(guān)性、降維，基于各指標(biāo)主成分權(quán)重，評價后對電網(wǎng)性質(zhì)排名分析。文獻(xiàn)[9]提出一套概率化的輸電網(wǎng)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性評價指標(biāo)體系，并基于蒙特卡洛模擬算法和最優(yōu)經(jīng)濟模型提出一種實用化的適應(yīng)性指標(biāo)計算方法。文獻(xiàn)[10]提出了一種基于改進灰色關(guān)聯(lián)度的指標(biāo)賦權(quán)方法來實現(xiàn)對配電網(wǎng)的全面效果評價和建設(shè)合理性分析。具體采用建設(shè)運行成果與效率比來構(gòu)建科學(xué)的指標(biāo)體系,結(jié)合主客觀評價方法，并依照指標(biāo)權(quán)重度和特性偏好進行數(shù)學(xué)建模與仿真計算。

當(dāng)前直接研究新能源消納對電網(wǎng)火電機組深度調(diào)峰乃至啟停調(diào)峰效益影響的文獻(xiàn)較少。本文開展在新能源規(guī)劃化并網(wǎng)形勢下，為消納新能源電量，電網(wǎng)中火電機組深度調(diào)峰和啟停調(diào)峰的效益評估問題。首先，提出基于區(qū)間數(shù)的梯形隸屬函數(shù)，并引進區(qū)間符合度修正單因素隸屬度，建立了基于區(qū)間數(shù)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(shù)作為新能源消納保障性收購指標(biāo)，構(gòu)建新能源消納下的電網(wǎng)調(diào)峰效益評價指標(biāo)體系；最后，計算多場景的新能源消納下電網(wǎng)調(diào)峰效益的綜合得分，并確定評價等級，從經(jīng)濟效益、環(huán)境效益、社會效益3個方面進行比較分析。

1 電網(wǎng)調(diào)峰效益評價指標(biāo)體系

新能源消納下的電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)度運行是電網(wǎng)公司實現(xiàn)區(qū)域自我管理的輔助服務(wù)，電網(wǎng)中火電機組的調(diào)峰綜合效益需要研究其運行的內(nèi)部環(huán)境與外部環(huán)境，通過發(fā)電廠的實時競標(biāo)與調(diào)度側(cè)的統(tǒng)一管理，形成較為成熟的調(diào)峰輔助服務(wù)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(fā)電資源隨機性波動、負(fù)荷季節(jié)性變化等因素影響，某省級電網(wǎng)各年月之間新能源消納形勢存在顯著變化?，F(xiàn)有保障性利用小時數(shù)辦法按照年度總量進行考核，難以科學(xué)反映月度消納的區(qū)別。特別是春秋季負(fù)荷平穩(wěn)，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(shè)置合理的保障性收購小時數(shù)。根據(jù)歷史年份新能源發(fā)電數(shù)據(jù)、歷史采集數(shù)據(jù)，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(fā)電小時數(shù)，作為下一年度各月度保障性收購利用小時數(shù)參考值，促進電網(wǎng)調(diào)峰資源的合理利用。

本文從經(jīng)濟效益、環(huán)境效益、社會效益3個方面結(jié)合電網(wǎng)調(diào)峰多方效益的特點，得到新能源消納下的電網(wǎng)火電機組調(diào)峰效益的評價體系，如圖1所示。

圖1 新能源消納下的電網(wǎng)調(diào)峰效益評價指標(biāo)體系

2 基于區(qū)間數(shù)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(shù)學(xué)的綜合評價方法，主要優(yōu)點是能將定性評價轉(zhuǎn)化為定量評價?；趨^(qū)間數(shù)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(wǎng)調(diào)峰效益評價指標(biāo)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(biāo)權(quán)重

①構(gòu)建無權(quán)重超矩陣

將控制層中準(zhǔn)則中所包含的元素記為Pi(i=1,2,…,s)，將網(wǎng)絡(luò)層中受控制層各準(zhǔn)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(guān)系并排序，排序的依據(jù)為比較結(jié)果的重要程度。

為量化各元素之間的相互影響關(guān)系，需將其進行歸一化處理。以網(wǎng)絡(luò)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(guān)系并排序，不斷重復(fù)這一過程直至與所有元素比較完畢，從而獲得無權(quán)重超矩陣S[11]。

(1)

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

②構(gòu)建加權(quán)型矩陣

將評估對象的準(zhǔn)則記為準(zhǔn)則層中的元素組Pi(i=1,2,…,n)，將其作為次準(zhǔn)則；比較準(zhǔn)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(jié)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(zhǔn)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(zhǔn)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(quán)矩陣可由式(2)所示。

(2)

③構(gòu)建加權(quán)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(yīng)的區(qū)間數(shù)

d.計算單因素的區(qū)間梯形隸屬度

本文采用基于區(qū)間數(shù)的梯形隸屬函數(shù)，如圖2所示，區(qū)間隸屬度計算步驟如下。

圖2 梯形區(qū)間隸屬函數(shù)

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(jié)果

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

通過專家打分法獲得不同指標(biāo)的區(qū)間數(shù)及隸屬度，并計算新能源消納下的電網(wǎng)調(diào)峰策略評價指標(biāo)體系中各指標(biāo)的梯形隸屬度區(qū)間，如表2所示。

表2 新能源消納下的電網(wǎng)調(diào)峰評價單因素隸屬度區(qū)間

新能源消納下的電網(wǎng)調(diào)峰評價指標(biāo)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(wǎng)調(diào)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(wǎng)調(diào)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(qū)間符合度為f={0，0，0.76，0.24，0}，因此該場景下電網(wǎng)調(diào)峰效益對應(yīng)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(wǎng)調(diào)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(wǎng)調(diào)峰的綜合得分及評價水平

本文創(chuàng)造性地提出了新能源月度保障性收購利用小時數(shù)作為新能源保障性收購指標(biāo)，提供了年度各月保障性收購利用小時數(shù)參考值，鼓勵保障性小時數(shù)以外的新能源電量通過參與市場促進消納，通過電網(wǎng)調(diào)峰資源的合理利用，緩解新能源造成的電網(wǎng)調(diào)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(fù)荷模型

表5 春秋季新能源月度保障性收購小時數(shù)

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

3.2 評價結(jié)果分析

通過研究場景4新能源消納下的電網(wǎng)調(diào)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(wǎng)下的電網(wǎng)調(diào)峰服務(wù)已運行多年，但是在處理新能源發(fā)電量方面稍顯不足，需要及時調(diào)整新能源消納的比例以降低新能源出力對電網(wǎng)造成的調(diào)峰壓力和經(jīng)濟壓力。結(jié)合新能源消納下的電網(wǎng)調(diào)峰效益評價指標(biāo)體系的準(zhǔn)則層，分別從經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益3個方面對新能源消納下的電網(wǎng)調(diào)峰進行解釋。

3.2.1 經(jīng)濟效益

目前，電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)已運行多年，現(xiàn)有分類較少，且電網(wǎng)調(diào)度部門在安排火電機組調(diào)峰時,調(diào)峰費用最少，即對火電機組來說調(diào)峰補償效益越小。場景1的調(diào)峰補償費用相對其他3種場景下的調(diào)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(diào)峰無法滿足電網(wǎng)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(wǎng)消納新能源電量所獲收益遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(diào)峰方式以犧牲火電機組經(jīng)濟利益的方式有效緩解電網(wǎng)調(diào)峰壓力。但從長期來說，該方式長期損害電網(wǎng)利益，不利于電網(wǎng)運行。而采取彈性消納新能源的電網(wǎng)調(diào)峰方式并未舍棄新能源，而是將部分新能源電量轉(zhuǎn)入電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)市場獲取利益，同時，電網(wǎng)中火電機組并未進行啟停調(diào)峰，而是進行常規(guī)調(diào)峰與深度調(diào)峰，對比各場景下的火電機組調(diào)峰補償可知，彈性消納新能源的調(diào)峰方式有利于電網(wǎng)的經(jīng)濟發(fā)展。

3.2.2 環(huán)境效益

新能源消納下的電網(wǎng)調(diào)峰主要應(yīng)用于電網(wǎng)側(cè)，電網(wǎng)調(diào)峰運行并不局限于經(jīng)濟效益，同時也需考慮電網(wǎng)運行對環(huán)境產(chǎn)生的影響。以場景4的新能源消納下的電網(wǎng)調(diào)峰評價指標(biāo)體系中環(huán)境效益為例，該指標(biāo)的權(quán)重為0.21，僅次于經(jīng)濟效益，表明了電網(wǎng)對環(huán)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(diào)峰投油的過程，場景1中由于新能源出力過大導(dǎo)致火電機組在相當(dāng)一段運行時間保持低負(fù)荷率，且火電機組的供電煤耗隨機組負(fù)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(diào)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(wǎng)調(diào)峰策略，但為了保證電網(wǎng)功率動態(tài)平衡，火電機組的出力總量上升，由此煤炭和投油燃燒產(chǎn)生的污染物排量增多。

同時，新能源消納保障收購小時數(shù)和新能源裝機容量比例也代表了電網(wǎng)調(diào)峰的環(huán)境效益。由電網(wǎng)實際運行數(shù)據(jù)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(shù)由2.83 h上升至3.03 h，該指標(biāo)為處理新能源裝機容量過大導(dǎo)致的新能源消納與電網(wǎng)調(diào)峰問題打下了堅實的基礎(chǔ)，當(dāng)滿足新能源消納保障性收購小數(shù)的新能源電量完成消納后，其他新能源可轉(zhuǎn)入電網(wǎng)調(diào)峰輔助服務(wù)市場也可作為負(fù)的負(fù)荷修正用電負(fù)荷，避免了資源浪費。環(huán)境效益水平一般，還需進一步努力實現(xiàn)更好的環(huán)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(xiàn)出國家及企業(yè)對電網(wǎng)投資的利用效率，新能源消納下的電網(wǎng)調(diào)峰在4個場景下并未棄風(fēng)棄光，新能源的投資建設(shè)并未浪費，產(chǎn)出相同電量，場景4的運行方式付出的社會成本最少。

4 結(jié)語

本文主要提出一種基于區(qū)間數(shù)和多場景的新能源消納下的電網(wǎng)調(diào)峰效益的模糊綜合評價模型。首先，提出了基于區(qū)間數(shù)的梯形隸屬函數(shù)，并引進區(qū)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(wǎng)調(diào)峰效益評價指標(biāo)模型，并提出新能源消納保障性收購小時數(shù)作為新能源保障性收購指標(biāo)；最后分析比較多場景下的新能源消納下的電網(wǎng)調(diào)峰效益綜合得分。分析結(jié)果認(rèn)為，停機調(diào)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(shù)的參考值，鼓勵保障性收購小時數(shù)以外的電量通過參與市場進行消納，合理利用電網(wǎng)的調(diào)峰資源。多場景下的電網(wǎng)調(diào)峰效益評價可以清晰地顯示出深度調(diào)峰與啟停調(diào)峰作為輔助新能源消納手段的可行性程度，可為電`網(wǎng)處理大規(guī)模新能源消納和制定調(diào)峰策略提供參考。