袁 鷹，吳偉杰,張伊寧,趙宇翔，張海濤

(1.廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣州 510635；2.廣東電網(wǎng)有限責任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣州 510630；3.中國水利水電科學研究院，北京 100038；4.華北水利水電大學 水利學院，鄭州 450046)

近些年來，廣東省抽水蓄能發(fā)展迅速，先后建成了廣蓄、惠蓄、清蓄、深蓄等大型抽水蓄能電站，目前，廣東電力系統(tǒng)已形成以煤電為主，集核電、西電、氣電、水電、抽水蓄能、風電等多種類型電源為一體的多元化電源體系，電網(wǎng)峰谷差較大。隨著核電、西電及新能源電力的比重越來越大，電網(wǎng)調(diào)峰壓力隨之增大，加之對供電可靠性的要求不斷提高，電力系統(tǒng)對充足、優(yōu)質(zhì)的調(diào)峰電源提出了更高要求。建設合理規(guī)模的調(diào)峰電源是解決電網(wǎng)調(diào)峰問題、保障電網(wǎng)運行安全以及促進各類電源經(jīng)濟運行的重要手段。抽水蓄能電站建設有利于多能互補和消納新能源，是實現(xiàn)“雙碳目標”的重要手段。因此，對廣東省境內(nèi)抽水蓄能站點建設條件進行優(yōu)選排查尤為重要。

國內(nèi)于20世紀80年代初對抽水蓄能電站選址進行研究。張克誠[1-2]分析了華東電網(wǎng)幾類抽水蓄能電站的站址條件并進行優(yōu)劣評價。臧軍昌[3]對高水頭抽水蓄能電站選址中的工程地質(zhì)問題進行探討。楊玉增[4]利用初步比選、技術經(jīng)濟手段對江西省的15個抽水蓄能站點進行篩選。任巖、候尚辰[5]系統(tǒng)介紹了我國抽水蓄能站址選擇的影響因素及一般步驟。綜上，早期抽水蓄能電站選址研究基于工程實踐經(jīng)驗總結選址原則，定性分析篩選站址，通過深入研究不斷積累，逐漸形成一套完整的站址篩選技術流程。前述關于抽水蓄能電站站址的優(yōu)選方法上，基本都是以定性分析研究為主，利用量化評價方法的研究甚少。由于定性研究方法受不同研究者的工程實踐經(jīng)驗，對個別選址受主觀因素影響，難以準確客觀地反映站點建設條件的優(yōu)劣性。本文在汲取前人研究的基礎上，從影響抽水蓄能建設電站選址的影響因素中選取能夠量化的指標組合形成站點評價指標體系，并基于AHP-熵權法對指標進行綜合加權，利用TOPSIS評價模型對選取站點建設條件優(yōu)劣進行量化評價。

1 站址情況

隨著廣東省社會經(jīng)濟發(fā)展，未來廣東新增電力需求主要依靠新能源、核電滿足，對調(diào)峰型電源需求越來越迫切，通過全省選點相關工作，已選條件相對較好的多個站址。根據(jù)廣東省電網(wǎng)結構，將全省分為東區(qū)和西區(qū)，從東區(qū)和西區(qū)分別選出部分站點進行評價。東區(qū)站點包括中洞、岑田、梅蓄二期、三江口、龍川；西區(qū)站點包括水源山、浪江、陽蓄二期、走馬坪和新豐(各站點位置如圖1所示)。

圖1 評價站址位置示意

2 優(yōu)選評價指標體系

經(jīng)過大量研究表明:影響抽水蓄能電站選址的因素主要包括：地理位置、地形條件、外部限制、技術經(jīng)濟性等(見表1)。

表1 評價站點建設條件基礎數(shù)據(jù)

由于抽水蓄能的主要功能之一為調(diào)峰調(diào)頻，站址地理位置一般是選擇電網(wǎng)負荷的中心地帶，并盡可能接近輸電線路[6-10]。為電力系統(tǒng)獲得安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟的運行效果，抽水蓄能電站應盡量布局分散，有利于提高停電后的系統(tǒng)恢復速度，同時，可避免電力潮流的大進大出。由于廣東省能源結構多樣，境內(nèi)有煤炭、石油資源，水能資源，核電、風電和光伏等新能源資源，未來廣東新增電力需求主要依靠新能源、核電滿足，對調(diào)峰型電源需求越來越迫切，而抽水蓄能電站建設有利于多能互補和消納新能源，是實現(xiàn)雙碳目標的重要手段。因此，站址選擇應盡量靠近新能源周邊區(qū)域，并順應潮流分布，有利于節(jié)省電網(wǎng)投資。對此，在量化方面就可以選擇距離電網(wǎng)負荷中心的距離以及距變電站的距離作為地理位置條件的衡量指標。

地形條件中要求上下水庫有一定的高差，且壩體的長度不能過大，以控制電站的投資[2,6,10]，可從上下游壩體的平均水頭差與壩高、壩長方面選取指標。

外部限制因素主要為生態(tài)環(huán)境的要求以及移民與涉及耕地的數(shù)量[8]，生態(tài)環(huán)境要符合法律法規(guī)、地方政策文件的要求，站址選擇應優(yōu)先避讓生態(tài)保護紅線、自然保護地、飲用水水源保護區(qū)等環(huán)境敏感區(qū)或區(qū)域內(nèi)有一級、二級保護動植物[7]，這方面工作主要是在前期初選階段進行分析，而涉及的耕地與移民數(shù)量就可以作為外部限制的主要衡量指標。

技術經(jīng)濟性包括前期的投資、建成后的運行維護成本、收益情況等[11]，一般是利用單位千瓦投資、收益率等指標進行評價[11-12]。以站址優(yōu)選為目標，考慮前述幾項影響因素，選擇定量指標建立評價指標體系(見表2)。

表2 抽水蓄能站點建設優(yōu)選評價指標體系

3 基于AHP-熵權法的TOPSIS綜合評價模型

層次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)是一種定性和定量相結合的、系統(tǒng)的、層次化的分析方法，多應用于評價指標的主觀賦權[13]。熵權法是以熵原理為基礎的客觀賦權法，利用評價對象指標數(shù)據(jù)間的差異度為驅(qū)動獲得各指標權重[14]。層次分析法雖能夠汲取專家經(jīng)驗，但缺乏對數(shù)據(jù)客觀重要程度的反映，仍然不能完全反映出多準則情況下的各因素對評價結果的影響程度，而熵權法可根據(jù)數(shù)據(jù)本身的特性對各因素進行客觀賦權。利用AHP—熵權法對各指標進行綜合加權，保證能夠準確反映各因素對評價結果的影響程度。

3.1 綜合權重計算

層次分析法(AHP)具體步驟為：① 構造判斷矩陣；② 確定指標權重；③ 進行一致性檢驗，如通過一致性檢驗，則證明判斷矩陣不存在邏輯性錯誤，未通過則應調(diào)整判斷矩陣，直至通過檢驗得到主觀權重xi。

熵權法具體步驟為：① 數(shù)據(jù)矩陣同趨勢處理；② 指標無量綱化處理；③ 計算某一樣本距離指標值的比重；④ 計算指標信息熵權；⑤ 計算信息熵冗余度；⑥ 計算各評價指標權重yi。

利用主、客觀權重構建綜合加權wi，計算方法如下：

(1)

3.2 基于綜合加權的TOPSIS評價法

TOPSIS法(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)，即逼近理想解排序法，是一種常用的綜合評價方法，其通過計算評價對象的屬性指標與最優(yōu)解和最差解之間的歐式距離，得到各評價對象的相對優(yōu)劣順序。而在實際應用中，經(jīng)常需要配合指標加權得到綜合評價結果。TOPSIS具有對數(shù)據(jù)分布及樣本量無過多限制、信息利用較為充分的特點[15]，本次站址優(yōu)選評價利用的都是比較典型的指標，在數(shù)據(jù)量不大的基礎上需要充分發(fā)揮每個指標的作用，因此，比較適合利用TOPSIS進行評價研究，綜合評價模型具體計算步驟如下。

1) 正向化處理

由于負向指標較多，采用下式對原始評價矩陣中的負向指標正向化處理，隨后進行標準化處理：

(2)

(3)

式中：

xmax——各評價指標的最大值;

xmn——負向指標原始值;

rmn——標準化后的評價指標;

m——評價對象個數(shù);

n——指標個數(shù)。

2) 構造加權評價矩陣

(4)

式中：

A——加權后的評價矩陣;

amn——加權后的評價指標。

3) 求正、負理想解

正、負理想解即加權評價矩陣中各列中的最大，最小值組成的行向量。

(5)

(6)

式中:

A+——正理想解向量;

A-——負理想解向量;

4) 計算貼合度

(7)

(8)

(9)

式中：

Di——各評價單元的貼合度，越大代表評價結果越好。

3.3 模型計算結果

分別計算指標主客觀權重，代入式(1)計算綜合權重，結果顯示：變量X4、X3指標權重排在14項指標前列，分別為0.155、0.151，變量X11、X10的重要性略小于前兩者，指標權重分別為0.119、0.117，其他變量中X1、X2的權重稍大，剩余變量則相差不大(見表3)。這反映出影響抽水蓄能電站建設選址的主要因素為站址條件中的平均水頭、調(diào)節(jié)庫容與外部限制因素中的設計移民及耕地數(shù)量；其次則要考慮電站的地理位置因素、建成后的實際收益以及上下游的壩高、壩長。

表3 各指標權重計算結果

經(jīng)過評價計算，正理想解A+={0.014,0.016,0.023,0.020,0.011,0.005,0.009,0.009,0.006,0.019,0.016,0.010,0.013,0.007},負理想解A-={0,0,0,0.011,0.001,0,0,0,0,0,0,0,0,0.004},各站點貼合度計算結果如下:選取評價的10個站點中，陽蓄二期貼合度最高，評價結果最好；中洞、三江口、梅蓄二期貼合度在0.6左右，屬于第2梯隊，評價結合次之；水源山、新豐、浪江、岑田貼合度略大于0.5，屬于第3梯隊；走馬坪、龍川貼合度低于0.5，評價結果最差(見表4)。

從評價結果來看，各站點評價結果的優(yōu)劣受指標權重大小影響。平均水頭較大且涉及移民及耕地數(shù)量較少的站點評價結果較好，如陽蓄二期水頭較高為670 m、涉及移民及耕地數(shù)量都為0，另外，其權重排列靠前的指標都比較好，因此其貼合度結果最大，評價結果最好。中洞、三江口、梅蓄二期站址水頭較高、外部制約因素較少、距離負荷中心較近，個別指標一般，評價結果略遜于陽蓄二期。而其他因素由于權重較小，對結果的影響也遠小于前者，而其他站點即使在其他因素評價中占有一定優(yōu)勢，但因優(yōu)勢指標的權重較小，也難以達到較好的評價結果。如新豐、浪江、岑田雖然所處位置較好，距負荷中心較近，但水頭較小，其他各方面指標一般。走馬坪、龍川各方面指標都不突出，評價結果較差。

表4 廣東省抽水蓄能電站建設選址評價結果

4 結語

AHP—熵權法—TOPSIS法在抽水蓄能站址優(yōu)選評價中具有良好的適用性，評價結果直觀清晰，且比較符合實際情況。但由于熵權法以及TOPSIS評價方法的特性，對于站址評價中的一些定性內(nèi)容包括地質(zhì)條件、生態(tài)環(huán)境要求方面，AHP—熵權法—TOPSIS法具有一定的局限性。同時指標之間相關性造成的信息重復也容易影響評價結果的合理性。在擴大抽水蓄能站址影響因素研究范圍的基礎上，可嘗試利用其他評價方法開展相關研究，以提升方法的合理性與穩(wěn)健性。

廣東省蓄能站址資源豐富，利用AHP—熵權法—TOPSIS綜合評價模型對廣東省內(nèi)東、西部共10個抽水蓄能站址優(yōu)劣進行評價。結果按照優(yōu)劣次序排列分別為陽蓄二期、中洞、三江口、梅蓄二期、水源山、新豐、浪江、岑田、走馬坪、龍川。平均水頭、涉及移民及耕地數(shù)量、與負荷中心距離、與海上風電距離是站點優(yōu)選評價中的重要指標。站點的選擇除以上因素外，還受其他非技術因素影響，因此，本研究結論僅能作為前期工作的重要依據(jù)，而非唯一依據(jù)。