衣传宝，王德顺，王龙泽，蒋思宇，谢 彧，焦淑涔，张 妍，谢 欢，李美成

(1.华北电力大学 控制与计算机工程学院，北京 102206；2.国网新源控股有限公司，北京 100761；3.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；4.华北电力大学 新能源学院，北京 102206；5.华北电力大学 经济与管理学院，北京 102206；6.国网冀北电力有限公司电力科学研究院，北京 100045)

0 引 言

电力能源在生产、分配、输送和使用等环节，均存在很大的波动性和不确定性。因此，储能成为电力系统不可或缺的一部分，在智能电网、可再生能源高占比系统和能源互联网等领域逐渐得到广泛应用，并成为这些领域的重要组成部分以及关键支撑技术[1]。抽水蓄能是目前大容量电能存储的主要方式，具有调峰、填谷、调频及事故备用功能，。抽水蓄能的低吸高发功能，不仅实现了电能的有效存储，而且有效调节了电力系统生产的供应和使用，保持了三者之间的动态平衡。功率调节功能是抽水蓄能电站调峰填谷、调频、调相、事故备用等功能和在电力系统中多种作用发挥的基础[2]。

我国在20世纪60年代后期开始对抽水蓄能电站研究、开发和使用，主要解决电力系统中遇到的调峰问题。1968年建成的岗南小型混合式抽水蓄能电站开辟了我国抽水蓄能电站建设的先河[3]。虽然我国抽水蓄能建设起步较晚，但由于后发效应，起点却较高，近年建设的几座大型抽水蓄能电站技术已处于世界先进水平。预计到2020年底，我国抽水蓄能电站装机规模将达到4 000万kW[4]。

抽水蓄能电站是世界公认的运行灵活且安全可靠的调峰电源，国内外已投产运行的抽水蓄能电站均为电力系统带来良好的经济效益。它以其特有的优点发挥越来越重要的作用，主要体现在以下几方面：(1)承担电网调峰、调频、调相和旋转备用任务，给电力系统带来可观的动态效益、提高电网的供电质量和运行安全；(2)平抑风力发电与太阳能发电的不确定性，缓解新能源并网的不利影响；(3)为特高压和智能电网的建设发展保驾护航，对电力系统特别是坚强智能电网的稳定安全运行具有重要意义；(4)具有实现整个电力系统内发电机组节能降耗的静态功能，有助于实现低碳经济与能源产业的可持续发展[5]。

合理评价抽蓄机组功率调节性能是推动抽水蓄能发展的首要前提。理论研究方面，科学全面地评价抽蓄机组功率调节性能，可为抽水蓄能技术发展提出合理建议，为理论研究指明方向与提供借鉴；现实意义方面，将评价成果应用到实践中，实现理论与实践更好地结合，改善我国抽水蓄能电站的管理与运行水平，发挥出抽水蓄能电站功率调节的应用作用，更好地推动抽水蓄能行业的发展。然而，由于抽蓄机组多源异质特性以及评价指标和方法各异，为综合评价抽蓄机组功率调节性能带来巨大挑战。

本文针对抽水蓄能功率调节综合评价指标体系和评价方法，梳理了国内外既有研究成果，根据抽蓄机组及功率调节特性，分析现有评价指标体系和评价方法存在的不足，提出今后抽水蓄能功率调节评价研究的发展方向。

1 抽蓄机组功率调节特性分析

根据抽水蓄能机组的功率调节特性，可将机组分为定速抽蓄机组与变速抽蓄机组。由于定速抽蓄机组的转速为固定值，水泵工况的扬程与功率符合单一映射的函数关系，改变导叶开度对机组输出功率进行调节时，过程较慢，难以满足电网功率快速调节的要求。这种机组无法对电网功率的短时、瞬时波动做出响应，且无法调节、消纳电网多余功率。相较于定速抽蓄机组，变速抽蓄机组的优势在于抽水工况可进行自动频率控制、发电工况瞬时有功功率和无功功率调节，同时还有助于提高系统的稳定性，实现机电系统柔性连接，提高发电效率，控制电网负荷频率，避免可再生能源并网后出现频率大幅变化问题，提高电能质量[6]。变速抽蓄机组合理的功率调节可以使水轮机和水泵的运行效率普遍提高3%～10%左右，并且在抽水工况下抽蓄机组功率调节，具有调节机组人力的能力[7]。因此，变速抽蓄机组已逐步取代定速抽蓄机组。基于此，本文主要对变速抽蓄机组的功率调节特性进行分析。

抽蓄机组功率调节在发电模式与电动模式中有不同的表现。发电模式下的功率调节，起到调峰的作用。即在高峰负荷时，机组作为发电机组运行，利用上水库的蓄水发电，将流水带动的机械能转化为电能，送入电网。此时，水轮机进口能量高于出口能量，水流对转轮做功。文献[8]将功率调节看作是对转子动能调整和调速器对水流量调整的响应，通过计算有功功率来反应功率调节性能优劣。文献[9]通过分析扬程与功率关系曲线来进行抽滤机组功率调节的特性分析。文献[10]则认为表征功率调节性能的指标是水泵调节容量。

电动模式下的功率调节起到填谷的作用，即在电力系统负荷处于低谷时，抽水蓄能机组作为水泵运行，往上水库蓄水。此时将电能转化为机械能，水泵的出口能量高于进口能量，转轮对水流做功。文献[8]提出电机转速可以表征功率调节性能的优劣，计算发现电网吸收的功率与转速的三次方成正比。文献[9]在流量与扬程、功率曲线关系图中，根据得到水泵最大入力限制线确定功率调节的范围。文献[11]以单位调节功率的标幺值来恒定机组的功率调节性能。文献[12]通过计算发现在输入功率一定的情况下相较于常规可变速抽速系统基于虚拟水头的可变速抽水蓄能系统机组效率明显较高，具有更好的功率调节特性。

目前，上述文献表征功率调节特性的参数多为输出功率，大多数研究都指明影响输出功率的因素有转速与扬程[10]。文献在计算输出功率时大多在理想状态下进行，这一算法对于工况较为简单的定速抽蓄机组较为准确。然而变速抽蓄机组运行工况极为复杂，工况启停止中涉及到的相关要素较多，故简单的输出功率计算不能准确地反应功率调节特性，该方法也就失去了其先进性，无法实现功率调节特性合理分析。综上所述，功率调节特性分析方法较单一，需再加强抽蓄机组功率工况的调研工作，为科学合理分析抽蓄机组功率调节特性打下坚实基础。

2 评价指标及评价指标体系

抽水蓄能机组运行过程中，需要实时监测其在功率调节方面的性能状态，因此，需要建立科学合理的评价指标体系，以实现抽蓄机组功率调节能力最优的考量目标。对于抽蓄机组功率调节性能的综合评价，首先要建立真实客观地反映系统综合性能的指标体系，进而确定体系中各指标的权重，即各指标对整体的重要程度，最后得出综合性能的评价得分，以实现对抽蓄机组进行科学系统评价的目标。

2.1 评价指标体系的建立

抽水蓄能机组能够通过抽取和释放水，实现势能和电能的相互转换，从而达到调峰填谷的目的。这种转换所产生的效益受到学者重点关注并得到了广泛的研究。国内外学者大多从静态效益和动态效益两个方面来建立评价指标体系，来衡量抽水蓄能电站在电网中的效益。其中，静态效益即调峰填谷产生的效益，分为容量效益和电量效益，即节煤效益；动态效益是指由于抽水蓄能电站启动迅速、运行灵活，在承担系统调频、调相、负荷调整和紧急事故备用任务时，满足系统“动态”运行需要而产生的经济效益。

在抽蓄机组静态参数的评价方面，文献[13]考虑了机组的开机容量和机组出力、事故备用容量和负荷备用容量等约束条件，能较全面地反映静态效益，但单纯用数学方法求解文献所提出的公式十分困难。文献[14]运用了等效替代原则，提出了系统负荷峰谷态、电站调峰能力和煤耗特性等主要评价指标，但由于仅评估了静态性能且指标不够全面，因而并不足以得出调峰火电机组、抽水蓄能机组何者更优的结论。文献[15]考虑了抽蓄电站的上下水库的流量、库容、水头、发电量和抽水负荷间的关系，并将系统机组的煤耗效率、资源分布以及能源价格差别、不同地区和不同时段的售电电价差别等多方因素考虑在内，通过区分不同的计算口径来建立综合评价指标体系，但文献并未对此进行更深入的阐述。因此，现有研究选取的指标可行性不高、计算结果不够精确；包含的二级评价指标较少，并不足以建立其一个全面的评价指标体系、实现对抽蓄机组效益的综合评价。

在抽蓄机组的动态参数的评价方面，国内外学者多将抽水蓄能电站的容量按其承担的各种功能分块，分别计算其动态效益，最后逐项累加。文献[16]提出一种定量评估抽水蓄能机组调频效益的解析模型，衡量了调频容量、备用容量、燃料费和固定运行费用等指标，但忽视了各类机组的负荷响应速度问题，计算结果不够准确。文献[17]主要关注新增机组的有效容量、小时强迫停运率、抽蓄机组的发电容量、抽水容量的指标，还评估了在峰荷区所节约的燃料和因增加抽水量而增加的煤耗，确定边际效益，但弱化了对负荷随机变化和计划外负荷增长的考虑。文献[13]计量了典型日负荷曲线，逐小时计算机组发生事故停运导致的系统供电量、缺供电力和期望值等指标，然后累加求出系统供电量、缺供电力和停电持续时间的期望值。综上，将抽蓄电站进行功能分块后计算其动态效益的方法概念清晰，计算简便，但主要缺陷在于各种功能效益相互交叉重叠，难以割裂；抽水蓄能电站动态效益的实现机理复杂，在这种方法上建立的动态参数并不能完整准确地评估抽水蓄能电站所能实现的全部动态效益。

综上所述，现存的国内外研究从多角度、多方面提出了评价指标，以评价抽蓄机组功率调节方面的静态和动态效益，如图1所示。但仍存在些许不足：首先，部分指标的获取仍有一定的技术难度，因此无法计算出精确的结果；其次，由于抽蓄电站效益实现机理的复杂性，已建立的评价体系层次过于单一，仍需建立二级指标，对效益进行深度评价；最后，不同学者提出的指标受到考虑角度的限制，指标本身不足以全面、完整地评价抽蓄电站。

图1 抽蓄机组功率调节性能评价指标Fig.1 Evaluation index for power regulation performance of pumped storage unit

2.2 评价体系的权重

在项目评价中，确认各类指标的权重往往是影响最终评价结果的关键因素。原因在于变速抽蓄机组产生的效益分为两种，其相应的评估指标的重要程度也不尽相同，考核也需要具有侧重点。权重不仅仅是指某一因素或指标所占的百分比，更重要的是因素或指标对整体的贡献度或重要性。因此，选择合理的赋权方法是综合评价的关键。具体的赋权方法可分为主观赋权法、客观赋权法和组合赋权法三类。

主观赋权法是一种定性分析的方法，主要是根据决策者或专家的知识、经验等无法量化的信息来确定指标的权重，体现了评价者的主观偏好。代表性的主观赋权法有层次分析法。文献[18]对希腊各能源发电绩效评价时，从公共电力部门、独立的电力生产商、输电系统运营商、学术机构和政府等能源相关部门组织了25人对各评价指标的权重进行打分。文献[19]在对伊斯坦布尔可再生能源发电绩效进行评价时，利用专家经验法得出各评价指标的权重。这种方法操作简单，能够直接依赖专家的历史经验，结果比较符合实际；但缺点是具有一定的主观臆断性，容易陷入经验主义的误区，无法合理考虑指标的数值和内在联系。

客观赋权法是一种定量分析方法，是根据指标的原始信息，运用统计的方法理论计算出的指标权重。常见的有主成分分析法、变异系数法、熵值法等。文献[20]运用了客观赋权法，通过对目标间的对比强度和冲突性进行综合考虑来确定目标的权重，以对停电后机组恢复方案进行优化决策。文献[21]使用了熵权法来度量指标所含的信息量、使用变异系数法来确定指标的变异程度，并将二者结合对电能质量各等级进行赋权，以对电能质量进行评价。总的来说，客观赋权法的优点表现为能合理有效地保留原始数据的信息，充分体现了指标的特征与差异；缺点在于客观赋权法要依赖于足够的样本数据和实际的问题域，通用性和可参与性差，计算方法也比较复杂，而且不能体现评判者对不同属性指标的重视程度，既定权重会与属性的实际重要程度相差较大。

组合赋权法是一种将主观赋权法和客观赋权法进行组合的综合分析方法。文献[22]在评价分布式能源系统的各方案的优劣时，邀请6位专家进行赋权并用熵权法的指标计算权重值，引入熵值变量，将二者结合。文献[23]通过实验和公式计算、专家打分求平均值的方法获得指标权重，然后采用博弈论把主观权重与客观权重整合优化为组合权重，并进行归一化处理。最后，基于TOPSIS法计算充电机的运行状态的贴近度，并得出最终评分。文献[24]建立了分布式电源并网的综合评估指标体系，邀请专家给出评估指标的重要程度，然后进行相应的计算，再利用隶属度函数进行模糊评分，二者结合组进行权重计算。因此，组合赋权法确保了主观信息和客观信息都能够在指标权重中得以体现，有效地规避了上述主观赋权法和客观赋权法各自的缺陷，使得计算出的结果更合理。

3 评价方法

由于抽蓄机组的功率调节是系统性的，单因子评价无法全面、准确地反映抽水蓄能工程在功率调节方面的性能，因此多采用综合评价方法。综合评价方法可分为主观评价法、客观评价法及组合评价法。主观评价法包括专家评价法、层次分析法、模糊综合评价法等；客观评价法包括灰色关联度分析法、人工神经网络评价法、主成分分析法、熵权法等；组合评价法则是将多种评价法相结合，实现多种方法的综合应用。

3.1 主观评价法

层次分析法是本世纪中期被提出来的一种系统规划方法，通过应用数学方法将决定性分析有效结合起来，统一进行优化处理而得到合理结果的一种方法。它将决策者的思维过程数学化，将人的主观判断的定性分析进行定量化，将各种评价指标之间的差异数值化，帮助决策者保持思维过程的一致性，从而为确定这些评价指标的权重提供了易于被人接受的决策数据，因此，在抽水蓄能评价中得到广泛应用。文献[25]对智能水电厂调速系统硬件平台及软件系统的设计讨论，采用层次分析法，对调速系统状态监测、运行监控进行综合评价。文献[26]采用层次分析法，以水电机组的结构特点为基础，提出了机组的健康状态评价指标体系和评价模型，并通过实例验证了层次分析法在水电机组评价中应用的可行性。但采用层次分析法评价时，摆脱不了评价过程中的随机性和评价专家主观上的不确定性及认识上的模糊性；对于抽蓄机组，评价指标比较复杂，判断矩阵易出现不一致现象，影响结果的可信度。

模糊综合评判法是进行综合评判的一种有效方法，最早是由我国学者汪培庄于1980年提出的。其优点是数学模型简单，容易掌握，对多因素、多层次的复杂问题评判效果比较好，是别的数学分支和模型所难以代替的方法。文献[27]采用模糊综合评价方法，构建水利工程指标体系与相应评价模型，为企业进行施工质量管理提供科学有效的评价方法和思路，提高水电项目执行效率。文献[28]建立了评价抽水蓄能电站功能作用的指标体系，通过模糊综合评判方法对抽水蓄能电站服务电网的性能做出评价。然而，模糊评判法不能解决评价指标间相关造成的评价信息重复问题，各因素权重的确定带有一定的主观性，尤其在抽水蓄能机组复杂的性能评价方面，隶属函数的确定有一定困难，导致该方法的应用过于繁琐，实用性不强。

3.2 客观评价法

灰色关联度分析法是典型的客观评价方法之一，是一种定性和定量分析相结合的综合评价方法，这种方法可以较好的解决评价指标难以准确量化和统计的问题，可以排除人为因素带来的影响，使评价结果更加客观准确。文献[29]针对现有配电网的评价考量体系及管理中存在的问题，提出了一种基于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，有助于提升电网改造和建设水平。文献[30]应用灰色关联度分析法评价我国西南地区某流域梯级水电开发对流域内水生生物的影响，证明了将灰色关联度分析法应用于水电规划环境影响评价，不仅可以量化水电梯级规划对环境的影响程度，而且更有利于多个开发方案的比较优选。文献[31]在水电工程施工工程中，引入灰色关联度分析法，详细介绍了灰色评标模型的计算方法和步骤。但灰色关联度量化模型的理论基础很狭隘，比较序列的取值不同会造成结果不唯一，该方法不能解决功率调节性能评价指标间相关性造成的评价信息重复问题，因而指标的选择对评判结果影响很大。

人工神经网络是工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能特征的一类人工系统，整个网络的信息处理是通过神经元之间的相互作用来完成的。人工神经网络评价方法具有自适应能力，能对多指标综合评价问题给出一个客观评价，有助于弱化权重确定中的人为因素。文献[32]针对水电工程安全事故的动态性、随机性和模糊性特点，构建水电工程安全评价指标体系，通过引入人工神经网络理论设计评价模型，对水电工程施工安全进行评价。文献[33]探究了人工神经网络评价法在电力需求侧功率管理综合评价中的应用，分析人工神经网络评价方法应用的可行性、优越性及现有缺陷，并辅以实例加以论证，为电力系统综合评价系统中评价方法的选择提供一种解决方案。然而，人工神经网络评价方法最严重的问题是没能力来解释自己的推理过程和推理依据，当数据不充分的时候，神经网络就无法进行工作。

主成分分析也称主分量分析，把多指标合成为少数几个相互无关的综合指标(即主成分)以降低复杂维度，其中每个主成分都能够反映原始变量的绝大部分信息，而且所含信息互不重复。这种方法在引进多方面变量的同时将复杂因素归结为几个主成分，使问题简单化，同时得到更加科学有效的数据信息。文献[34]以电力系统需求侧功率调节为研究对象，利用主成分分析方法提取少量但又能反映原先指标的信息，有效降低了变量维数而又不造成信息的大量丢失。但主成分分析法的计算过程比较繁琐，对样本量的要求较大，且需要假设指标之间的关系都为线性关系，但在评价抽蓄机组功率调节性能的实际应用时，指标之间的关系并非为线性关系，这将有可能导致评价结果的偏差较大。

3.3 组合评价法

各种评价方法的提出都有其特殊的背景和意义，因而会有适合自己的应用范围，主观评价法中存在权重确定存在主观性等问题，客观评价法中存在底层数据需求量过大等问题。对于具体的评价研究，方法的优劣与否没有绝对的甄别标准，单纯从方法的机理上判别方法的好坏不可行。因此，许多学者将两种甚至多种方法进行组合，对抽蓄机组的性能进行综合评价，以尽量克服单一评价方法的局限性。

文献[35]将模糊评判法与层次分析法相组合，建立了可较好反映抽水蓄能功率调速系统性能状态的评估指标体系，综合评估了系统的运行状态，并以实际案例进行验证，取得了较为满意的应用效果。文献[36]同样采用模糊评判与层次分析组合的方法，对广西农村水电增效扩容改造的功率效能进行综合评价，并建立了组合式的评价体系。文献[37]从水电工程风险指标量化问题出发，将灰色关联度分析法与层次分析法相结合，进行工程风险综合评价，为水电相关企业在风险评估方面提供了思路。文献[38]以水电工程施工安全为研究对象，采用模糊综合评价与人工神经网络相结合的方法，基于Matlab神经网络工具箱建立了基于模糊综合评价和人工神经网络的评价模型，对于水电工程施工过程的安全隐患排查具有一定的参考意义。文献[39]针对太阳能发电系统输出功率的波动性和间歇性特点，提出一种基于主成分分析和遗传算法优化的人工神经网络功率预测方法，构建了多种方法组合式的数学模型，具有一定的应用价值。这些组合评价方法虽然有助于对抽蓄机组性能进行较全面的综合评价，但这些“组合”只是在评价权数和结果两个局部环节进行“重组”，对于能否科学全面地评价抽蓄机组性能仍需考量。典型评价方法的优缺点对比如表1所示。

表1 典型评价方法优缺点对比Tab.1 Comparison of advantages and disadvantages of typical evaluation methods

4 抽蓄机组功率调节评价研究的发展趋势

评价指标体系的进一步研究。在抽水蓄能机组的功率调节性能评价中，建立科学全面的指标体系是综合评价合理性的基础。抽蓄机组的功率调节性能受多种因素影响，从中选择能较好地反映机组运行状态、功率调节能力、技术与管理人员诉求的指标因子是一个较难把握的技术问题，尤其是将定性与定量相结合的指标权重选取，是综合评价过程中的一大难点。因此，在今后的研究与实践工作中，要充分考虑抽蓄机组不同状态下的评价指标体系的合理建立，力争形成一套完备的、具有代表性的评价指标体系。

广义统一评价标准的建立。目前抽水蓄能项目建设与运营情况各异，尤其是功率调节方面受到当地可再生能源与配电网运行影响，导致功率调节还没有统一的评价标准。在未来的研究工作中，可以根据评价对象所处区域的水力与电力结构特征，构建统一的或具有代表性的评价标准；也可以根据抽水蓄能机组建设规模，并结合功率调节任务，建立分级的评价标准，同一级别的评价对象可采用相同的标准；同时，还可以根据抽水蓄能项目关键技术类型的不同，建立相应的评价标准。有了广义上统一的评价标准，在对各类型抽蓄项目及功率调节性能的评价中，可得到更有意义的评价结果，并便于各研究项目的对标分析。

集成式评价方法的优化。“集成”的评价方法与“组合”评价方法不同，集成式评价方法不是简单的方法叠加，而是在同时使用两种方法进行综合评价的各个阶段根据需要进行“再造”，这种有机结合的方法，可以缩小主观认识和客观实际的差距，使得评价结果更具科学性和可操作性。例如求解DEA线性规划最优解时，可以将层次分析法与数据包络分析进行整合，这种权重的选择方法比一般的DEA权重分析法更具有准确性和客观性，能够克服一般DEA方法对权重选择的缺点。因此，对于抽蓄机组的相关评价研究中，需要更深入地研究各类评价方法的机理，并将多种方法做有机的集成优化，以满足抽蓄机组功率调节评价的技术需求。

现代化信息技术的有效融合。随着智能化、数字化信息技术的飞速发展，可大力开发基于智能计算机的评价技术，把专家评价与主观评价赋予数字化表征，通过大数据存储与处理、深度学习、人工智能算法等技术融入，挖掘更加全面的评价指标，构建更加科学的评价模型，开发更加智能的评价系统。最后，通过可视化技术，将评价结果进行直观地展现，形成友好的人机交互界面，使抽水蓄能项目的综合评价具有更广阔的前景，助力水力发电产业的长远发展。

5 结 论

抽水蓄能电站是保证电网经济、安全、稳定运行的得力工具，在电网中发挥了不可替代的重要作用。功率调节是抽水蓄能电站最重要的功能之一，对抽蓄机组功率调节的综合评价将为抽水蓄能项目建设与发展提供宝贵的技术支持与科学借鉴。本文对抽水蓄能机组功率调节性能进行了系统性分析，据此综述了评价指标、评价指标体系、评价方法和相关的科学问题，最后对抽蓄机组功率调节评价研究的发展趋势进行了展望，提出需要开展的理论研究与技术攻关方向，主要包括评价指标体系的进一步研究，统一评价标准的建立，集成式评价方法的优化，以及将现代化的信息技术与抽水蓄能机组评价有效融合等。抽水蓄能作为重要的电力功率调节技术，是未来能源系统发展不可或缺的一部分，希望本文能为抽水蓄能机组综合评价的研究提供参考。