基于模糊综合评价的电网调峰效益研究

马 红，徐 俊

(1. 芜湖发电有限责任公司，安徽 芜湖 241000；2. 南京邮电大学自动化学院、人工智能学院，江苏 南京 210023)

综合效益是电力系统调度策略最直观的判断依据，可以反映在经济调度策略下电力系统的能源效益利用情况，也可判断能源与经济之间的依赖关系。随着光伏风电等清洁能源的装机容量不断扩大，电网综合效益逐渐成为电网运行的重要考虑对象。

综合效益可以从多个角度分析，如社会角度、环境角度、经济角度等[1]。由于我国发电结构以火电为主，因此煤耗成本是评价经济效益的一个重要指标。文献[2]研究了不同容量火电机组在深度调峰状态下的煤耗变化特性，通过建立火电机组调峰调度模型将火电机组参与深度调峰的环境效益和经济效益进行量化。文献[3]依据多重原则，考虑包括节约燃煤量、减少污染物排放量、减少水资源等多个指标后，构建了适用于火电厂的能源效率评价体系。文献[4]通过研究经济性指标，分析了发电企业在能源效率方面所面临的问题及不足之处，选取多个指标对发电企业能源利用率进行评价，并提出多条措施建议以改善能源效率。文献[5]提出一种新的经济效益评价模型，将其量化为按时间顺序排列的生产成本模拟方法，通过确定最佳互联容量实现跨国电网经济效益最大化。文献[6]量化多业务融合的综合效益，并根据时间长短2个维度对电网项目运行效果的效率和综合效益进行评价。

电网效益常见的评价方法有模糊评价法、层次分析法、专家打分法、熵权法等。文献[7]建立了包括电网发展效益和效率等3个指标的电网发展诊断体系，将主观与客观权重融合，获得指标权重，应用模糊层次分析法进行诊断。文献[8]通过主成分分析来微观研究，系统聚类分析来宏观研究，并对多指标体系去相关性、降维，基于各指标主成分权重，评价后对电网性质排名分析。文献[9]提出一套概率化的输电网结构适应性评价指标体系，并基于蒙特卡洛模拟算法和最优经济模型提出一种实用化的适应性指标计算方法。文献[10]提出了一种基于改进灰色关联度的指标赋权方法来实现对配电网的全面效果评价和建设合理性分析。具体采用建设运行成果与效率比来构建科学的指标体系,结合主客观评价方法，并依照指标权重度和特性偏好进行数学建模与仿真计算。

当前直接研究新能源消纳对电网火电机组深度调峰乃至启停调峰效益影响的文献较少。本文开展在新能源规划化并网形势下，为消纳新能源电量，电网中火电机组深度调峰和启停调峰的效益评估问题。首先，提出基于区间数的梯形隶属函数，并引进区间符合度修正单因素隶属度，建立了基于区间数的模糊综合评价模型；其次，提出新能源消纳保障性收购小时数作为新能源消纳保障性收购指标，构建新能源消纳下的电网调峰效益评价指标体系；最后，计算多场景的新能源消纳下电网调峰效益的综合得分，并确定评价等级，从经济效益、环境效益、社会效益3个方面进行比较分析。

1 电网调峰效益评价指标体系

新能源消纳下的电网调峰调度运行是电网公司实现区域自我管理的辅助服务，电网中火电机组的调峰综合效益需要研究其运行的内部环境与外部环境，通过发电厂的实时竞标与调度侧的统一管理，形成较为成熟的调峰辅助服务体系，从而获得不同方面的效益，同时影响效益的因素也是多方面的。

受新能源发电资源随机性波动、负荷季节性变化等因素影响，某省级电网各年月之间新能源消纳形势存在显著变化。现有保障性利用小时数办法按照年度总量进行考核，难以科学反映月度消纳的区别。特别是春秋季负荷平稳，受气象因素影响小，新能源消纳面临较大压力，有必要针对春秋季各月设置合理的保障性收购小时数。根据历史年份新能源发电数据、历史采集数据，分析各年度春秋季晴、雨各类天气概率分布情况，逐月测算新能源发电小时数，作为下一年度各月度保障性收购利用小时数参考值，促进电网调峰资源的合理利用。

本文从经济效益、环境效益、社会效益3个方面结合电网调峰多方效益的特点，得到新能源消纳下的电网火电机组调峰效益的评价体系，如图1所示。

图1 新能源消纳下的电网调峰效益评价指标体系

2 基于区间数的模糊层次分析评价模型

模糊综合评价是一种基于模糊数学的综合评价方法，主要优点是能将定性评价转化为定量评价。基于区间数的模糊综合评价模型的具体步骤如下。

a.建立因素集

新能源消纳下的电网调峰效益评价指标体系的因素集为U={U1，U2，U3，…，Un}={煤炭成本，投油成本，…，碳减排效益}。

b.确定指标权重

①构建无权重超矩阵

将控制层中准则中所包含的元素记为Pi(i=1,2,…,s)，将网络层中受控制层各准则所支配的元素cij(j=1,2,…,n)作为比较对象，比较元素组中各元素cj1,cj2,…,cjn与元素cij之间的相互影响关系并排序，排序的依据为比较结果的重要程度。

为量化各元素之间的相互影响关系，需将其进行归一化处理。以网络层中各元素组作为比较对象，以上述方法比较其他元素组的各元素与其之间的相互影响关系并排序，不断重复这一过程直至与所有元素比较完毕，从而获得无权重超矩阵S[11]。

(1)

式中：Sij为子矩阵，S的列向量在准则Pj(j=1,2,…,s)下的网络层元素作为比较对象时，其他准则下的网络层元素与准则Pj(j=1,2,…,s)下的网络层元素进行比较后的影响程度排序。

②构建加权型矩阵

将评估对象的准则记为准则层中的元素组Pi(i=1,2,…,n)，将其作为次准则；比较准则层中其他某一元素组Pj(j=1,2,…,n)与元素组Pi(i=1,2,…,n)，并按照结果的重要程度进行排序，由此量化各元素组之间的影响程度。同上，将准则层中的所有元素组分别作为比较对象，将除比较对象外的准则层剩余元素组依次与其进行比较并排序，最后将矩阵归一化处理，获得的加权矩阵可由式(2)所示。

(2)

③构建加权超矩阵

(3)

④求解极限超矩阵

c.建立评价集

表1 不同评价等级对应的区间数

d.计算单因素的区间梯形隶属度

本文采用基于区间数的梯形隶属函数，如图2所示，区间隶属度计算步骤如下。

图2 梯形区间隶属函数

确定不同评价等级下的隶属度公式。

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

3 算例分析

3.1 算例结果

本文建立4个场景下的新能源消纳下的电网调峰运行方式，并进行效益评价。场景分别为①场景1：电网在腰荷时段新能源出力导致火电机组停机调峰的运行方式；②场景2：电网在腰荷时段新能源出力导致火电机组深度调峰的运行方式；③场景3：电网在腰荷时段新能源弹性消纳区间取[80%,90%)的调峰运行方式；④场景4：电网在腰荷时段新能源弹性消纳区间取[90%,100%)的调峰运行方式。

通过专家打分法获得不同指标的区间数及隶属度，并计算新能源消纳下的电网调峰策略评价指标体系中各指标的梯形隶属度区间，如表2所示。

表2 新能源消纳下的电网调峰评价单因素隶属度区间

新能源消纳下的电网调峰评价指标体系中的单因素得分如表3所示。

表3 新能源消纳下的电网调峰单因素得分

由表3可知,单因素得分最终可以计算出该场景下的电网调峰策略的综合得分为[76.53,81.95]。综合得分和各评价等级之间的区间符合度为f={0，0，0.76，0.24，0}，因此该场景下电网调峰效益对应的评价等级为中等。同理，比较不同场景下的新能源消纳电网调峰效益评价的等级水平并排序,具体如表4所示。

表4 不同场景下电网调峰的综合得分及评价水平

本文创造性地提出了新能源月度保障性收购利用小时数作为新能源保障性收购指标，提供了年度各月保障性收购利用小时数参考值，鼓励保障性小时数以外的新能源电量通过参与市场促进消纳，通过电网调峰资源的合理利用，缓解新能源造成的电网调峰压力，如图3及表5所示。

图3 某地春季累积平均温度-气象负荷模型

表5 春秋季新能源月度保障性收购小时数

以上场景从全社会角度测算了火电机组停机调峰对应的新能源消纳成本。基于区间数模糊层次分析法评估了新能源消纳费用与火电机组调峰运行费用、污染物排放等指标的综合效益，得出结论，停机调峰不宜作为新能源全额消纳的主要手段。

3.2 评价结果分析

通过研究场景4新能源消纳下的电网调峰效益评价可知，该场景下的综合效益评价水平为中等水平，尽管新能源并网下的电网调峰服务已运行多年，但是在处理新能源发电量方面稍显不足，需要及时调整新能源消纳的比例以降低新能源出力对电网造成的调峰压力和经济压力。结合新能源消纳下的电网调峰效益评价指标体系的准则层，分别从经济效益、环境效益和社会效益3个方面对新能源消纳下的电网调峰进行解释。

3.2.1 经济效益

目前，电网调峰辅助服务已运行多年，现有分类较少，且电网调度部门在安排火电机组调峰时,调峰费用最少，即对火电机组来说调峰补偿效益越小。场景1的调峰补偿费用相对其他3种场景下的调峰补偿费用偏高，原因是受新能源全消纳政策的影响，新能源出力高峰时段火电机组深度调峰无法满足电网运行要求，从而造成1台或多台火电机组停机，但火电机组停机时段下电网消纳新能源电量所获收益远远低于火电机组的停机费用，造成极大的资源浪费。从短期来说，场景1的调峰方式以牺牲火电机组经济利益的方式有效缓解电网调峰压力。但从长期来说，该方式长期损害电网利益，不利于电网运行。而采取弹性消纳新能源的电网调峰方式并未舍弃新能源，而是将部分新能源电量转入电网调峰辅助服务市场获取利益，同时，电网中火电机组并未进行启停调峰，而是进行常规调峰与深度调峰，对比各场景下的火电机组调峰补偿可知，弹性消纳新能源的调峰方式有利于电网的经济发展。

3.2.2 环境效益

新能源消纳下的电网调峰主要应用于电网侧，电网调峰运行并不局限于经济效益，同时也需考虑电网运行对环境产生的影响。以场景4的新能源消纳下的电网调峰评价指标体系中环境效益为例，该指标的权重为0.21，仅次于经济效益，表明了电网对环境的重视程度。污染物的排放主要源于火电机组燃烧煤炭和深度调峰投油的过程，场景1中由于新能源出力过大导致火电机组在相当一段运行时间保持低负荷率，且火电机组的供电煤耗随机组负荷率的降低而增大，这一过程加剧了污染物的排放。场景2调峰方式污染物的排放仅次于场景1的污染物排放。尽管场景3和场景4采取了弹性消纳新能源的电网调峰策略，但为了保证电网功率动态平衡，火电机组的出力总量上升，由此煤炭和投油燃烧产生的污染物排量增多。

同时，新能源消纳保障收购小时数和新能源装机容量比例也代表了电网调峰的环境效益。由电网实际运行数据分析可知，随新能源装机容量比例的不断上升，日新能源消纳保障小时数由2.83 h上升至3.03 h，该指标为处理新能源装机容量过大导致的新能源消纳与电网调峰问题打下了坚实的基础，当满足新能源消纳保障性收购小数的新能源电量完成消纳后，其他新能源可转入电网调峰辅助服务市场也可作为负的负荷修正用电负荷，避免了资源浪费。环境效益水平一般，还需进一步努力实现更好的环境保护。

3.2.3 社会效益

可再生能源利用率与能源效率表现出国家及企业对电网投资的利用效率，新能源消纳下的电网调峰在4个场景下并未弃风弃光，新能源的投资建设并未浪费，产出相同电量，场景4的运行方式付出的社会成本最少。

4 结语

本文主要提出一种基于区间数和多场景的新能源消纳下的电网调峰效益的模糊综合评价模型。首先，提出了基于区间数的梯形隶属函数，并引进区间符合度修正单因素隶属度；其次，建立新能源消纳下的电网调峰效益评价指标模型，并提出新能源消纳保障性收购小时数作为新能源保障性收购指标；最后分析比较多场景下的新能源消纳下的电网调峰效益综合得分。分析结果认为，停机调峰不适宜作为新能源全消纳的主要手段，并通过提供新能源保障性收购小时数的参考值，鼓励保障性收购小时数以外的电量通过参与市场进行消纳，合理利用电网的调峰资源。多场景下的电网调峰效益评价可以清晰地显示出深度调峰与启停调峰作为辅助新能源消纳手段的可行性程度，可为电`网处理大规模新能源消纳和制定调峰策略提供参考。