基于加權熵的電網(wǎng)清潔性評估

王曦冉，何英靜，來 聰，沈舒儀，李真娣

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟技術研究院，杭州 310008；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009；3.北京交通大學，北京 100044）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的穩(wěn)步快速發(fā)展，環(huán)保問題也隨之浮現(xiàn)，浙江省成為國內首個創(chuàng)建清潔能源示范省的省份，明確到2017年基本形成清潔能源示范省建設框架和清潔能源發(fā)展機制[1]。省內目前已加強了對小功率煤、氣發(fā)電的控制，同時逐步降低一次化石能源消耗。根據(jù)文獻[2]，2015年調入煤炭同比減少0.3%，淘汰小火電（小油機）30.9萬kW，電力總消費量3 554億kWh，同比上升1.4%。

目前已有大量文獻針對電網(wǎng)各個部分節(jié)能減排情況分別建立模型。文獻[3]從宏觀角度給出了電力行業(yè)減排發(fā)展方向；文獻[4]從火電蓄能利用角度給出一種節(jié)能控制方法；文獻[5]采用熵權法對河北電網(wǎng)減排效果進行了具體建模及計算，建立了相關的評價指標。熵權方法在電網(wǎng)風險性及能效上也有了相關的應用成果[6-7]。此外，相關規(guī)劃[8-11]及電力設備周期壽命成本[12-13]的研究中也部分涉及相關電網(wǎng)損耗或電網(wǎng)節(jié)能環(huán)節(jié)。文獻[14]使用熵權法探究電網(wǎng)的變化和應急情況；文獻[15]將熵理論進行擴展，對智能電網(wǎng)針對性指標進行了分析研究。

現(xiàn)有文獻中，多數(shù)涉及到電網(wǎng)中損耗及排放等問題，或切入面較小地描述了某設備損耗、減排問題。以下采用熵權值方法作為綜合整體處理方式，避免了各項負面因素互相覆蓋或減弱，可以較好地量化某一電力供區(qū)條件下各項損耗情況。所提出的電網(wǎng)清潔性模型導向明確，涵蓋范圍全面，有利于對比及綜合量化各方面影響因素，快速得到區(qū)域系統(tǒng)清潔性評價。

1 指標的選取

電力能源的清潔度指標的選取需涵蓋量化、獨立、對電力切實影響的指標進行分析。經(jīng)比對、細化及擴展，分別選取資源消耗、環(huán)境影響、合理備用偏差情況、科技更新潛力、安全風險5個方面作為一級評價指標，并選取附屬于該5類的共18個二級評價指標。相關指標選取見圖1。

圖1 清潔度一二級指標的選取

上述5類一級指標互相獨立，但在結果上存在潛在牽制的電網(wǎng)清潔性評價特征。以安全、消耗、科技投入、冗余度、環(huán)境限制等邊界框定合理的電力建設、運行范圍，通過對各項偏移的綜合偏移度來框定區(qū)域電網(wǎng)運行清潔性。

（1）資源消耗。

從資源分類及占用比例上對資源消耗進行描述，可分為：區(qū)域單度電平均煤耗U11、單度電平均油耗U12、單度電平均氣耗U13、煤機占比U14、油機占比U15、氣機占比U16。由于化石能源牽涉煤、油、氣機組及其占比，剩余水、核、太陽等清潔能源對于排放等情況造成的影響明顯減小，所以此處以主要化石能源為參考。

（2）環(huán)境影響。

主要包括：單位發(fā)電量溫室氣體排放量U21、單位發(fā)電量顆粒物排放量U22、線路布置區(qū)位因素U23。電力是清潔能源，其對環(huán)境的負面影響主要集中在發(fā)電過程中的排放及電力線路布局在人口稠密處對人民生活造成的風險及干擾，所以此處將線路布置的干擾情況作為一個二級指標，可由每段線路的位置情況加權量化推算。

（3）合理備用偏差情況。

主要包括：發(fā)電機組備用合理偏差率U31、變壓器備用合理偏差率U32、線路容量備用合理偏差率U33?？紤]設備容量備用可能出現(xiàn)的接近或超過容量/出力上限，或裕度過大、存在“大馬拉小車”情況，布點及容量安排科學性統(tǒng)一考慮在節(jié)能環(huán)保因素中。

（4）科技更新潛力。

節(jié)能減排的措施落實情況，包括線損情況U41、廠站用電占比U42、節(jié)能設備占比U43。目前，由于電力統(tǒng)計線損包含線路、變壓器等設備基礎損耗，單項短路功率損耗等事件損耗及偷電等社會損耗多種情況，無法通過現(xiàn)有數(shù)據(jù)細分，且相關損耗的減少均有利于電網(wǎng)清潔性的提高，故可采用目前統(tǒng)一統(tǒng)計的線損。

（5）安全風險。

為了控制因其他節(jié)能減排手段對電力運行安全性造成影響，考慮降低安全性所引發(fā)的風險成本將遠高于節(jié)能效果。具體包括：環(huán)網(wǎng)供電因素U51、電力斷面過載情況U52、區(qū)域故障率U53。區(qū)域故障率由區(qū)域總故障時間與運行時間的占比來確定。

2 清潔性模型

2.1 模糊賦值模型

電網(wǎng)清潔性評價因素合集一級指標表示為Ui， 二級指標表示為 Uij， Ui={Ui1， Ui2， …， Uij，…，Uin}，其中Uij表示第i個一級指標下第j個二級指標，一個二級指標采用模糊定級Vij表示，Vij（x）=[顯著， 明顯， 一般， 微弱， 弱]， 每個二級指標對合理目標值給出在Vij每個評價緯度的隸屬度 Wij（x）：

相關評價可采用實測、量化計算后模糊化來得到。

針對每一個一級指標，同理對其附屬二級指標集合表示如下：

對于二級指標，對每一個分項指標先進行底層計算及評估，在得到每個二級指標隸屬度后，可以采用合并矩陣共同計算。

2.2 隸屬度及評價指標

采用模糊隸屬度方法，針對每個子項結果做歸一化處理，將某項計算因素Vij（x）隸屬函數(shù)表示為 Wij（x）：

考慮到Vij（x）可能通過計算或專家打分等不同途徑生成，將其轉化為（0，）范圍內的一個評價值；為計算或打分得到的實際值；σ為評價集中度，文中取σ=1.4，適當增加隸屬收斂速度。

以二級指標中線路布置區(qū)位因素U23為例，U23=[土地價格，保護區(qū)距離，危險品距離，平均高程，人口密度]。對于V23（5）評價參照為人口密度ρ，統(tǒng)計出城區(qū)或居住密集區(qū)占比η，針對該局部區(qū)域統(tǒng)計每平方公里人口聚集程度γ，綜合計算出人口密集度∶

考慮針對人口范圍（0，ρmax）為評價范圍，實際人口密度ρ′時有：

2.3 加權熵模型

考慮相關指標對電網(wǎng)清潔性存在正、負面不同效果，采用極差方式建立矩陣并對其標準化，第j個一級指標由n個二級矩陣及m個決策緯度組成。 標準量化為： Vij（x）=[100， 75， 50， 25， 0]；第 j個一級指標的決策矩陣表示為 G=（gij）n×m， 其

圖2 電力布局對人口聚集區(qū)影響隸屬度分級曲線

中單一項gij按正、負效果不同分別表示為：

所涉及的指標中，節(jié)能設備占比U43和環(huán)網(wǎng)情況U51為正面指標，其他均為負面指標。

各項指標的熵值表示為：

式中：m為評價指標；n為針對該指標的評價緯度。

指標權值如下：

建立評價矩陣 Rm×n=[rij]m×n， 作為前述每個指標評價矩陣。該矩陣中，可采用01矩陣評判法，即計算各子項后分區(qū)間劃分結果，第i個子項評價結果為第j級時，rij數(shù)值為1，其余第i行其他賦值0。

在得到隸屬矩陣后，整體評價采用熵權矩陣與隸屬度分析矩陣相乘所得到的清潔性評價矩陣：

先進行二級指標的評價，在各個二級指標評價計算完成后，以二級指標計算結果矩陣為基礎進行一級指標的計算。在得到了最終一級指標模糊化評價矩陣之后，采用單值方式將模糊化描述矩陣計算為綜合清潔性評價結果如下：

3 算例

以浙江北部電網(wǎng)中2處220 kV網(wǎng)架供區(qū)1及供區(qū)2為例，對其進行供電來源分析后，根據(jù)實際發(fā)生的500 kV下行功率將供區(qū)外部受電情況進行分類；對供區(qū)1，2范圍內小電源分布情況進行統(tǒng)計；針對2處供區(qū)線路路徑布置情況進行分析、評價；針對各供區(qū)潮流及用電、電力設備供電上限等進行計算，積分后按照綜合占比匯總；線損及廠用電根據(jù)供區(qū)內電網(wǎng)耗損情況進行統(tǒng)計。相關數(shù)據(jù)見表1。

表1 供區(qū)基礎數(shù)據(jù)

采用第2節(jié)計算方法對相關供區(qū)1，2進行計算，采用熵值加權及模糊隸屬度進行矩陣計算，先計算二級指標獲得評價矩陣，將其作為一級指標輸入量帶入一級指標熵權矩陣計算，在獲得一級評價矩陣后，采用反模糊化計算將模糊矩陣結果輸出成單值，最終以單值區(qū)間進行評價。

從表2計算結果可以看出：由于加權熵代表的是整體清潔性的混亂度，主要是相關問題的負面程度，文中結論按照其意義設置綜合清潔性指標作為評價依據(jù)，按照綜合指標越低，表示影響供區(qū)清潔性的因素越少，整體清潔性越好，以此作為評價邏輯進行計算及評價。相關評價標準以專家評價為基礎形成評價擬合曲線，如圖3所示。

電網(wǎng)整體清潔性牽涉到多方面復雜因素，并且在對比時存在一定的困難。從表1中線路布置區(qū)位因素來看，供區(qū)1線路穿越了更多的人口密集區(qū)，但是其變電容載比較低，變電設備利用率更高。傳統(tǒng)節(jié)能評估方法存在節(jié)能定義狹窄造成結果單向偏離的問題，如表2在只計及消耗損耗類指標時，2個區(qū)域指標得到的供區(qū)情況就遺漏了很多差異化因素。

表2 供區(qū)清潔性結果

圖3 清潔性等級劃分指標評價擬合曲線

從結果上看，文中所述清潔性評價方法考慮得較為全面，有效避免了由于邊界限制少導致的結果單向偏離。結果評價中，當出現(xiàn)評價較低時，說明相關供電區(qū)域存在一項或幾項清潔供電缺陷，需進行重點分析、規(guī)劃；當評價為低時，說明該區(qū)域供電清潔性較差，從節(jié)能環(huán)保的角度上需要盡快重新調整。

4 結語

針對浙江省清潔能源示范省建設需求，提出了一套從電網(wǎng)清潔性角度出發(fā)的整體性評價方法。采用了熵權值計算及模糊賦值模型結合的方法，對相關參數(shù)進行概括性評價；特別選取了造成潛在牽制的分級指標，其中安全風險與合理偏差率指標避免了為了電網(wǎng)安全性而造成一味的“大馬拉小車”情況；資源消耗與安全風險指標避免了為了節(jié)能減排而不合理地加大小電源接入及分布能源集中入網(wǎng)可能造成的網(wǎng)絡穩(wěn)定風險。算例結果符合實際工程情況，整體來看，所述方法全面、便捷，能有效反映電網(wǎng)清潔性需求。

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