基于模糊综合评判的火电厂节能状态评估.pdf

第 2 7卷第 1期 2 0 1 2年 3月 电 力 科 学 与 技 术 学 报 J 0URNAL OF EL ECT RI C POWER S CI ENCE AND TECHNOL OGY Vo 【 ． 2 7 No ．1 M a r ． 2 0 l 2 基 于模糊综合评判 的火 电厂 节能状态评估 徐贵林 ， 罗 斌。 ， 马 瑞 1 ． 河北西柏坡发电有 限公 司， 河北 平 山0 5 0 4 0 0 ； 2 ． 长沙理工大学 电气与信息工程学院 ， 湖南 长沙4 1 0 0 0 4 摘 要 为了对火电厂节能状态进行考评， 提出一种用于火电厂节能状态评估的模糊综合评判模型和方法． 采用 两级评判法进行评估 ， 首先对影 响电厂节能状态的三大因素 煤水耗指标 、 涡轮指标 、 汽轮机指标 及其子 因素进行 分析 ， 用半梯形 隶属度 函数对历史数据进行处理 ， 构建一级评判矩阵 ； 并重点研究分析层次分析法 AHP 的原理及 其计算过程， 得出权重向量， 用二级评判模型计算出电厂节能状态综合评判的最终结果． 以某火电厂为例完成了节 能状态 的模糊综合评判 ， 验证了模糊综 合评判模型和方法的有效性． 关 键 词 电厂节能； 层次分析法 AHP ； 隶属度函数； 模糊综合评判 中 图分 类号 T M6 1 1 ． 1 文献标 识码 A 文章编 号 1 6 7 3 9 1 4 0 2 0 1 2 0 1 0 0 8 6 0 5 Fu z z y c o m pr e h e n s i v e e v a l u a t i o n b a s e d e n e r g y s a v i n g c o n d i t i o n a s s e s s m e nt o f t h e r m a l po we r pl a n t s XU Gu i l i n ，LU O Bi n 。，M A Ru i 。 1 ．He b e i Xi ba i p o Po we r Ge n e r a t i o n Co ．， Lt d ．， Pi n g s ha n 0 5 0 4 0 0 Ch i n a； 2． S c h o o l o f El e c t r i c a l a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g， Ch a n gs h a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， Ch a n g s h a 4 1 0 0 0 4 Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o a s s e s s t h e c o n d i t i o n o f t h e r ma l p o we r p l a n t ，a mo d e l a n d me t h o d o f f u z z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n we r e p r o p o s e d f o r e n e r g y s a v i n g c o n d i t i o n a s s e s s me n t o f t h e r ma l p o we r p l a n t s i n t h i s p a p e r ．Th e t wo o r d e r e v a l u a t i o n me t h o d wa s u s e d ．Fi r s t l y，t h r e e p r i ma r y f a c t o r s i n c l u d i n g c o a l a n d wa t e r c o n s u mi n g i n d e x，b o i l e r t u r b i n e i n d e x a n d s t e a m t u r b i n e i n d e x a n d t h e i r s u b s i d i a r y i n d e x e s we r e a n a l y z e d，wh i c h i n f l u e n c e d t h e s a v i n g c o n d i t i o n s o f t h e r ma l p o we r p l a n t s ．Th e n t h e f i r s t o r d e r a s s e s s me n t ma t r i x wa s o b t a i n e d f r o m c a l c u l a t i n g h i s t o r i c a l d a t a b y t h e h a l f t r a p e z o i d a l me mb e r s h i p d e g r e e f u n c t i o n ．Co n s i d e r i n g a l l i n f l u e n c e f a c t o r s a n d t h e i r c o m p l e x r e l a t i o n s h i p s ，t h e t h e o r y a n d c a l c u l a t i o n p r o c e s s o f An a l y t i c Hi e r a r c h y P r o c e s s AHP we r e a l s o a n a l y z e d，a n d we i g h t v e c t o r s we r e o b t a i n e d b y AHP．Th e f i n a l c o mp r e h e n s i v e a s s e s s me n t r e s u l t s c o u l d b e c a l c u l a t e d b y t h e s e c o n d a r y a s s e s s me n t mo d e l 。As a n e x a mp l e ，a t h e r ma l p o we r p l a n t s e n e r g y s a v i n g c o n d i t i o n wa s e v a l u a t e d b y t h e f u z z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n me t h o d ．Re s u l t s v e r i f i e d t ha t t he p r o po s e d m o d e l a nd me t h o d we r e e f f e c t i v e ． 收稿 日期 2 0 1 i 一1 O 一1 2 通讯作者 马瑞 1 9 7 1 一 男 ， 博士 ， 教授 ， 主要从事风电并网分析与控制 、 电压稳定 、 电力系统的节能减排及电力市场等方面的研究； E - ma i l ma r u i 8 1 8 1 2 6 ． t o m 第 2 7 卷第 1期 徐贵林 ， 等 基 于模糊综合评判的火 电厂节能状态评估 8 7 Ke y wo r d s e n e r g y s a v i n g o f p l a n t ； a n a l y t i c h i e r a r c h y p r o c e s s AHP； me mb e r s h i p d e g r e e ； u z z y c o m p r e he n s i ve a s s e s s m e n t 能源的紧缺 已经让各 国在开发新能源的同时， 大力发展节能技术． 在中国众多火力发电厂 中， 相当 大比例电厂的生产效率和节能水平在世界电力行业 中处于劣势． 为了有助于火电厂节能工作 的开展 ， 对 火电厂各重要生产环节做出节能状态的评估就显得 十分重要． 目前 ， 已经有一些专家提出了电厂有关节 能指标的评估标准和方法 ， 但是相关 公式和方法缺 乏客观性 、 计算 繁 杂、 不 便 灵 活调 整且 具有 局 限 性[ 1 ] ． 因此 ， 拥有一套有效而灵活的节能状态综合评 估方法和体系 ， 对于电厂定期做出节能状态考评 、 及 时有效地采取节能措施 、 进行技术升级改造， 具有重 要的参考作用． 自 Z a d e h教授首次提出模糊集合的概念 以来 ， 模糊集理论得到了大量的研究和应用 ， 例如 多 目标 模糊优化 、 模糊控制及模糊逻辑r 卜 ] 等． 基 于模糊数 学的模糊综合评判在电力系统上也得到了大量的研 究和应用[ 7 ] ． 笔者研究用 于火 电厂 节能状态评估 的模糊综合评判法 ， 用层次分析法 AHP 分析各层 次 因素对 节能 状态 的影 响程 度 ， 即权 重 ， 构 成权 重 向 量 ． 由于要 获 得 的评 判 结 果 是 对 电厂 节 能 状态 的定 性分析 ， 故选用半梯形隶 属度 函数对历史数据进行 计算 ， 得出评判矩阵． 通过两级评判 ， 得 出某电厂节 能状 态 的综合 评判 结果 ． 模糊综合评 判 的数学模型 模糊综合评判的基本原理是利用模糊线性变换 原理和最大隶属度原则[ 1 ， 综合考虑对被评判事物 有影响的各因素 ， 利用隶 属度 函数计算法或者模糊 统计实验等方法求 取各 因素对各评 判等级 的隶属 度 ， 构成 评判 矩 阵 ； 并根 据 不 同指标 对评 判对 象 的影 响程度来分配权系数 ， 构成权重 向量； 最后通过模糊 运算获得最终的综合评估结果[ 1 ] ． 在电厂中 ， 煤水耗 指标 、 汽机指标 、 锅炉指标可以直接或间接地反映出 电厂总体的能耗情况 ， 利用这些参数 ， 构建模糊综合 评 判模 型来评 估 和考核 电厂整 体 的节 能状态 ． 模糊综合评判的方法步骤 1 确定 因素集 【 ， 和评判集 y． 所选 因素集既要 有广泛性 ， 能涵盖各方面 ， 又要有代表性 ， 能抓住主 要矛盾． 因素集可表示为 U一{ U ， “ z ， ⋯， } ， 每一 个因素又包含一系列子因素 { ， U ⋯， “ ； 评判集是被评判 的对象或者评语 等级 ， 表示 为 V一 { 1 ， 口 2 ， ⋯ ， ； 2 确定隶属度函数． 隶属度函数 的确定是模糊 综合评判中最重要的内容之一． 隶属度 函数的选 取 要从实际问题出发 ， 根据 已知数据 的特点和评判因 素的性质寻求合适的隶属度函数模型[ 1 ； 因素集根据其性质分为定量和定性 2类指标． 通常情况下 ， 若被评价 因素属于定性指标 ， 一般采用 半梯形隶属度函数 ； 若属于定量指标 ， 隶属度 函数为 正态分布[ 1 ] ． 对于 U 越大、 评判性能越好的因素 ， 其 隶 属度 函数 值 随着 铭 的增 大而 增 大 ， 称 之为偏 大 型 隶属度函数 ； 反之 ， 称之为偏小型隶属度 函数． 3 评判矩阵的计算和确定． 评判矩 阵指的是因 素集 【 ， 与评判集 y之间的模糊关系矩阵 ， 即 R 式中r 表示因素 ； 被评成 等级的隶属度； 评判 矩阵 R由隶属度函数计算或者由模糊统计实验得出； 4 因素权重向量 A 的确定． 各权重分配实际上 是 u上 的模糊集 ， A一 { A ， A。 ， ⋯ ， A } ∈F 【 ， ； 5 计算综合评判结果 CA * R一 c l ， c 2 ， ⋯ ， c } ． 式中 *是模糊集 A 与评判矩 阵R 合成的模糊运 算模型． 常见的运算模型有加权平均型、 全面制约型 及主因素突出型等． 向量 c是模糊综合评判的结果， 根据隶属度函数最大原则 ， 最大的 c 就是最优解． 2 火电厂节能状态的模糊综合评判 2 ． 1 因素集 【 ， 的确定 根据理论原理和实际工程技术人员的经验 ， 将 影响火电厂节能状态 的因素归结为 3个主要 因素 煤水耗指标 、 锅炉指标和汽机指标因素． 而这 3个综 合因素又包含一系列子 因素 ， 所 以存在 2个层次的 因素集 ①由 3 个主要因素构成的因素集 ； ②3个主 要因素的子因素构成 的因素集． 各层次 的因素及其 关 系如 表 l 所 示 ． 8 8 电 力 科 学 与 技 术 学 报 2 0 1 2年 3月 2 ． 2 评 判集 y的确定 以某 火 电厂在 2 0 1 0年 l O月 一2 0 1 1 年 1 月 这 4 个月的 节能 状 态作 为 评 判对 象 ， 即评 判集 ， 编码 为 1 ～4 ．得 出的评 判结 果反 应 出此电 厂在 4个月 份 的 节能状 况 ． 2 ． 3隶 属 度 函数 的确定 火电厂节能状态 的影响因素 ， 也就是被评判的 因素都是定量指标 ， 但从节能的角度看 ， 要获得的评 判 结论 是 电厂在 4个 月 份 的节 能状 态 的定 性 分 析 ， 故 选用半 梯 形隶属 度 函数 A z 一 { 置 ， n ≤ ≤ b ， 1 【。 z 6， f O ’ z 6． 大部分因素指标越小越好 在局部范 围内比较 越小越好 ， 如 煤耗 、 水耗 、 排烟温度、 烟气含氧量、 主蒸汽流量 、 排气温度和凝汽器真空 ， 对它们使用偏 小 型 的半 梯 形隶 属度 函数 ， 如 式 1 ； 有少 数 因 素指 标越大越好 在局部范围内比较越大越好 ， 如 主蒸 汽压力 、 温度越大和剩下的其他指标 ， 对它们使用偏 大型的半梯形隶属度 函数 ， 如式 2 ． 用此方法对 3 个综合因素 的子 因素在 4个月的运行数 据进行计 算 ， 得出一级评判的 3个评判矩阵 R ， R。 ， R。 ． 例如 用偏小型隶属度函数计算 2 0 1 0年 1 1月 份煤耗的隶属度 一 6 一z ／ 6 一a 一 3 0 3 ． 1 6 2 7 6 ． 1 7 ／ 3 0 3 ． 1 6 2 4 6 ． 9 7 0 ． 4 8 ． 计算 得 出 的一 级评判矩阵数据见表 1 ， 即 R1一 R R 3一 。． r0． 3 耋‘ 3] ， 2 ． 4 权重向量的计算 现在 有很 多权 重 系 数 给 出法 ， 不 同 的方 法 有 不 同的适用 范 围 ， 如 直接 给 出法适用 于评 判 因素 比较 少 、 因素 影响 程度 比较 明显 的情况 ； 对 于评判 因素 比 较多、 因素影响程度不明显或权重的确定对最终评 判结果影响大的情况 ， 就不适合用直接给出法． 笔者 采用层次分析法 AHP ． AHP的基本原理 通过分析复杂系统包含的因 素及相关关系， 将 问题条理化 、 层 次化 ， 构造一个多 层次的结构分析模型[ g ； 对每一层次各因素 的重要 性进行两两 比较 ， 构建出两两比较矩阵； 通过计算 比 较矩阵的最大特征值及相应的特征 向量 ， 获得各层 次因素对上层某因素的重要性次序 ， 从而建立权重 向量． 1 构建两两 比较矩阵， 即评判矩阵 B b ， ， 1 ， 2 ， ⋯ ． 3 第 2 7卷第 1期 徐贵林 ， 等 基于模糊综合 评判的火 电厂节能状态评估 式中b 表示因素 i 相对于 因素 的重要程度． 请 专家为因素之间两两 比较 的相对重要性进行打分 ， 形成了两两 比较矩阵， 见表 2 ～5 ． 表 2 煤 水耗指标 两两比较 矩阵 T a b l e 2 Co mp a r i s o n ma t r i x o f c o a l a n d wa t e r c o n s u m i n g i n d e x e s 表 3汽机指标 两两比较矩 阵 T a b l e 3 Co mp a r i s o n ma t r i x o f s t e a m t u r b i n e i n d e x e s 表 4锅 炉指 标 两 两 比较 矩 阵 Ta b l e 4 Co m p a r i s o n ma t r i x o f b o i l e r i n d e x e s 表 5综合 指 标 两 两 比较 矩 阵 T a b l e 5 Co mp a r i s o n ma t r i x o f c o mp r e h e n s i v e i n d e x e s 2 将评判矩阵 B的各行元素相乘 ， 并将所得乘 积分别开 次方， 得 咒个方根值 ， 即 面 Ⅱb ” ． 4 宣 1 3 将 归一化处理 ， 得 i 一 面i ／ ∑面 f ． 5 i 』 f ． 0 ， f 篁 1 4 计算特征值及其特种向量 。 B Wr ／ n w ， 6 1 W 一 1 ， 2 ， ⋯ ， ． 7 特征 向量就是 权 重 向量 ， 即 AW． 5 进行一致性检验． 一 致性指标为 C I 一， 1 ／ 7 2 1 ． 按表 6 查找 出与 对应的平均随机一致性指标 R ． 计算 一 致性 比例 C RC I ／ RI ， 如果 C RO ． 1 ， 认为评判 矩阵 B通过 了一致性检验 ； 否则 ， 需要重新构建评 判矩阵 ， 直到一致性比例满足要求为止． ‘ 表 6评 判 矩 阵 平 均 随机 一 致 性 指 标 Ta b l e 6 Av e r a g e r a n dom c oi nc i de n c e i n d i c a t o r f o r a s s e s s me n t ma t r i x R工 R 工 n RI 1 O 5 1 ． 1 Z 9 1 ． 4 5 2 0 6 1 ． 2 4 1 0 1 ． 4 9 3 0 ． 5 8 7 1 ． 3 2 4 0 ． 9 O 8 1 ． 4 l 将 表 2 ～5中 4个 比较 矩 阵按 5个 步骤 分 别计 算 出煤水耗及发 电量指标 、 锅炉指标和汽机指标这 3个综合 因素各 自子因素 的权重 向量 ， 以及这 3个 综合因素指标的权重 向量 ， 即 Al W 1 一 O ． 4，0 ． 2，0 ． 4 ， A2一 一 0 ． 6，0 ． 2，0 ． 2 ， A 3 W3 一 O ． 1 6，0 ． 3 8 ，0 ． 0 4，0 ． 2 5 ，0 ． 0 7，0 ． 1 ， A W 一 0 ． 3 9 0 4，0 ． 3 9 0 4 ，0 ． 2 l 9 1 ． 它们都 通 过 了 一致 性 检 验 ， 验 证 了 比较 矩 阵 的 合理性． 2 ． 5两级 模糊 综 合评判 综合评判结果的计算模型是 CA* R， 模糊运 算模型 *选用加权平均型 ， 既能 突出主要因素 的影 响， 又能兼顾所有 因素的作用． 计算煤水耗指标、 锅 炉指 标 和汽 机 指标 因素 这 3个综 合 因素 的评 判 结果． 1 一级评判． 按 CA*R 计算 出的_级评判 结果为 C1； O ． 4，0 ． 6 2 4，0 ． 5 7 2 ，0 ． 5 1 4 ， 9 0 电 力 科 学 与 技 术 学 报 2 0 1 2年 3月 C3 O ． 8 4 1 ，0 ． 0 8 7，0 ． 9 0 5 ，0 ． 9 4 9 ． 2 二级评判． 由一级评判的结果构成二级评判 的评判矩阵 R[ C ， C。 ， C。 ] ， 即 0 8 41 0 0 87 0 9 0 7 5 0 9 3 4 9 ‘ }． ． ． ． 1 将综合因素权重向量 A 和R代入模糊运算式 ， 得到二级综合评判的结果 ， 也就是最终 的综合评判 结 果 CA*R， 即 从 最终 的评 判结果 可 以得 知 ， 电 厂在 2 0 1 1年 1 月 份 的节能水 平 最 好 ， 而且 电厂 的 节 能水 平 在 不 断 提高． 3 结论 笔者 从原 理上 对用 于火 电厂节 能状 态 的一种模 糊综 合评 判模 型 和方 法 进行 了论 证 ， 并 且 进 行 了 实 例的演算 ， 得 出如下结论 1 实例评判结果说 明了笔者提 出的模糊综合 评 判法 的有效 性 ． 若 评 判结 果 向量 中有 任 2个 分 量 相 等 ， 则 评 判结果 失 效 ； 否则 ， 评判 结果 有效n ] ． 实 例 评 判结果 的 向量 中没有 2 个 相 等或者 非 常相近 的分 量 ． 表 1 的运 行数 据 亦 显示 电厂 在 1月 份 的数 据 大 部分都 比其他月份更优 ， 评判结果与之一致 ； 2 针对电厂因素 的复杂性 ， 用 AHP法计算权 重向量， 半梯形隶属度函数计算评判矩阵， 获得了准 确的评判结果 ， 证明了模型的有效性 ； 3 研究 表 明 ， 模糊 综合 评判 法 可 以用来 评 估 电 厂节 能 状 态 ， 为 电 厂 节 能 工 作 的 开展 提 供 可靠 的依 据 ． 参 考 文献 [ 1 ]满若岩 ， 付忠广． 基于模糊综合评判的火电厂状态评估 F J ] ． 中国电机工程学报， 2 0 0 9 ， 2 9 5 5 - 1 0 ． M AN Ru o - y a n，F U Z h o n g g u a n g ． Co n d i t i o n a s s e s s me n t o f f o s s i l f i r e d p o we r p l a n t b a s e d o n f u z z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e C S E E，2 0 0 9 ，2 9 5 5 - 1 0． [ 2 ] 马瑞 ，刘建华 ， 穆 大庆． 基 于双 目标模 糊优 化的 电力 市 场短期交易计划新模型I- J ] ． 电力系统及 其 自动化学报 ， 2 0 0 3 ，2 7 8 3 3 - 3 6， 1 0 8 ． MA Ru i ，LI U J i a n - h u a ，MU Da - q i n g ． A n o v e l mo d e l o f d o u b l o b j e c t i v e f u z z y o p t i mi z a t i o n s h o r t t e r m t r a d e p l a n n i n g f o r e l e c t r i c i t y ma r k e t E J -] ． P r o c e e d i n g s o f t h e EP S A ， 2 0 0 3，2 7 8 3 3 3 6， 1 0 8 ． [ 3 ] Ru i Ma ，Ho n g we n Ya h ． Mu l t i o b j e c t i v e f u z z y o p t i ma l p o we r d i s p a t c h i n c o r p o r a t e d T C S C a n d l o a d [ C ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e 5 W SE AS I n t e r n a t i o n a l Co n f e r e n c e o n Ap p l i e d Co mp u t e r S c i e n c e ，Ha n g z h o u，Ch i n a ， 2 0 0 6 ． [ 4 ]马瑞 ． 电力市场中兼顾 环境 保护和经济效益 的双 目标模 糊优化短期交易 计划 新 模 型 [ J ] ． 中 国电机 工 程学 报 ， 2 0 0 2 ，2 2 4 1 0 4 - 1 0 8 ． MA Ru i ．An o v e l b i - o b j e e t i v e f u z z y o p t i ma l s h o r t t e r m t r a d e p l a n n i n g mo d e l c o n s i d e r i n g e n v i r o n me n t p r o t e c t i o n a n d e c o n o my p r o f i t i n d e r e g u l a t e d p o we r s y s t e m [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e C S E E， 2 0 0 2 ， 2 2 4 1 0 4 1 0 8 ． [ 5 3 Ga n g F e n g ． A s u r v e y o n a n a l y s i s a n d d e s i g n o f mo d e l b a s e d f u z z y c o n t r o l s y s t e m [ J ] ． I E E E Tr a n s a c t io n O n F u z z y S y s t e ms ， 2 0 0 6 ，1 4 5 6 7 6 6 9 7 ． [ 6 ]R a mo t D，F r i e d ma n M，L a n g h o l z G，e t a 1 ． C o mp l e x f u z z y l o g i c [ J ] ． I E E E T r a n s a c t i o n s o n F u z z y S y s t e m， 2 0 0 3 ，1 1 4 4 5 0 - 4 6 1 ． [ 7 ]马一太 ， 王志国 ， 杨 昭 ， 等． 燃气轮机性能评价 的模糊综 合评判方 法[ J ] ． 中国电机工 程学报 ，2 0 0 3 ，2 3 9 2 1 8 2 20 ． M A Yi - t a i ，W ANG Z h i g u o，YANG Z h a o ，e t a 1 ． Fu z z y c o mp r e h e n s i v e me t h o d f o r g a s t u r b i n e e v a l u a t io n [ J ] ． Pr o c e e d i n g s o f t h e CS EE，2 0 0 3，2 3 9 2 1 8 2 2 0 ． [ 8 3李波 ， 刘念 ， 王秀捷． 高压电网绝缘 子在线绝缘性能 的多 级模糊综合评判口] ． 电网技术 ， 2 0 0 7 ，3 1 1 5 7 5 7 9 ． L I 1 3 o， LI U Ni a n ， W ANG Xi u j i e ．Mu l t i l e v e l f u z z y c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n o f o n - l i n e i n s u l a t i o n p e r f o r m a n c e o f h i g h v o l t a g e i n s u l a t o r s [ J ] ． P o we r S y s t e m T e c h n o l o g y， 2 0 0 7 ，3 1 1 5 7 5 7 9 ． [ 9 ]廖瑞金 ， 王谦 ， 骆思 佳 ， 等． 基于模糊综合评判 的电力变 压器运 行 状 态 评估 模 型 [ J ] ．电力 系 统 及 其 自动 化 ， 2 0 0 8，3 2 3 7 0 - 7 4 ． L I A0 Ru i - j i n 。WANG Qi a n ，L UO S i j i a ． C o n d i t i o n a s s e s s me n t mo d e l f o r p o we r t r a n s f o r me r i n s e r v i c e b a s e d o n f u z z y s y n t h e t i c e v a l u a t i o n [ J ] ． Au t o ma t i o n o f E l e c t r i c Po we r S y s t e m， 2 0 0 8，3 2 3 7 0 - 7 4 ． [ 1 O ]陈水利 ， 李敬功 ，王 向公． 模糊 集理 论及其应 用[ M] ． 北京 科学 出版社 ， 2 0 0 5 ．