基于熵值分析和層次分析法的智能電網(wǎng)電力終端接入網(wǎng)綜合效益評(píng)價(jià)

劉瑾，馮瑛敏，章輝，馮亮，孫瑞雪，王麗珠

(1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，天津市 300171；2.南開(kāi)大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津市 300071)

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基于熵值分析和層次分析法的智能電網(wǎng)電力終端接入網(wǎng)綜合效益評(píng)價(jià)

劉瑾1，馮瑛敏1，章輝2，馮亮2，孫瑞雪2，王麗珠2

(1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，天津市 300171；2.南開(kāi)大學(xué)電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津市 300071)

針對(duì)目前智能電網(wǎng)電力終端通信接入網(wǎng)建設(shè)中技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系不完善的現(xiàn)狀，從電力終端通信接入網(wǎng)建設(shè)成本、效益和費(fèi)效比3個(gè)方面提出了電力終端通信接入網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)集，借助目標(biāo)評(píng)估中的層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)與熵值分析法，確定了評(píng)價(jià)指標(biāo)集中的各指標(biāo)權(quán)重，從而構(gòu)建了完整的電力終端通信接入網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)體系。

電力終端接入網(wǎng)；經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)；層次分析法(AHP)；熵值分析

0 引 言

電力終端通信接入網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，目前主要包含10 kV/0.4 kV通信接入網(wǎng)2部分，以EPON為代表的光纖通信占據(jù)著重要份額，此外還含有部分中壓電力線載波和無(wú)線通信方式[1]。在未來(lái)的智能電網(wǎng)中，多種不同類型的通信傳輸技術(shù)將會(huì)共同出現(xiàn)在同一系統(tǒng)中。以智能測(cè)量系統(tǒng)為例，測(cè)量端和用戶終端接口之間采用藍(lán)牙、超寬帶(ultra wideband, UWB)等傳輸技術(shù)，測(cè)量端和本地局域網(wǎng)接口之間采用IEEE 802.15.4(Zigbee)、IEEE 802.11(Wi-Fi)等傳輸技術(shù)。測(cè)量端和中央控制系統(tǒng)接口之間則采用蜂窩無(wú)線通信技術(shù)，如GPRS、通用移動(dòng)通信系統(tǒng)(universal mobile telecommunications system，UMTS)、長(zhǎng)期演進(jìn)(long term evolution，LTE)等[2-3]。在不同類型通信技術(shù)的組網(wǎng)過(guò)程中，如何控制成本提高效益已成為決策中的關(guān)鍵問(wèn)題[4]。

現(xiàn)行的電力終端通信接入網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估通常沿用單一工程評(píng)估方法，不足之處表現(xiàn)為缺乏技術(shù)經(jīng)濟(jì)的全面統(tǒng)籌規(guī)劃，或單純從通信性能指標(biāo)的技術(shù)角度論證，或單純從投資效益回報(bào)的經(jīng)濟(jì)角度評(píng)估[5-7]。未來(lái)的智能電網(wǎng)對(duì)電力終端通信接入網(wǎng)的建設(shè)、組網(wǎng)和維護(hù)提出了新的挑戰(zhàn)，需要一套客觀有效的技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系，以利于及時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤、評(píng)估和反饋。

本文從智能電網(wǎng)中的電力終端接入網(wǎng)著手，結(jié)合組網(wǎng)實(shí)際成本，將其各類技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)抽象成一類極值優(yōu)化問(wèn)題加以分析，以成本、效益和費(fèi)效比3方面的參量建立電力終端通信接入網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型，提出聯(lián)合AHP與熵值分析劃分評(píng)價(jià)模型中指標(biāo)權(quán)重的方法，綜合分析光纖覆蓋率、通信電路運(yùn)行率、通信設(shè)備運(yùn)行率、光纜線路運(yùn)行率和通信業(yè)務(wù)保障率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)，計(jì)算得到合理的經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)參量,從而構(gòu)建完整的電力終端通信接入網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)體系。

1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)模型

為優(yōu)選電力終端通信接入網(wǎng)建設(shè)方案，選取技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)參數(shù)至關(guān)重要。技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)參數(shù)的合理性直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性，其選取過(guò)程應(yīng)遵循全面性、客觀性、典型性、可獲取性等原則，力求完整準(zhǔn)確?？紤]到電力終端通信接入網(wǎng)組網(wǎng)建設(shè)特點(diǎn)，提出如圖1所示的電力終端通信接入網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)模型，劃分為成本、效益、費(fèi)效比3類指標(biāo)。

圖1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Technical and economic evaluation index system

(1)成本指標(biāo)：依據(jù)資產(chǎn)全壽命周期成本(life cycle cost, LCC)模型，成本可以由式(1)概括

LCC=CI+CO+CM+CF+CD

(1)

式中：CI為投資成本，包括設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、安裝調(diào)試費(fèi)、建筑工程費(fèi)和其他費(fèi)用；CO為運(yùn)行成本，包括設(shè)備能耗費(fèi)、日常巡視檢查費(fèi)等；CM為維護(hù)成本，即在全壽命周期內(nèi)，按照檢修要求定期更換零部件等備件的費(fèi)用，以及搶修、維護(hù)、實(shí)驗(yàn)、巡查等人工費(fèi)、交通費(fèi)等；CF為故障成本，包括故障檢修所產(chǎn)生的材料費(fèi)，因故障引起的設(shè)備性能及壽命損失費(fèi)及可能引起的間接損失費(fèi)等；CD為廢置處理成本，包括廢置處理時(shí)的人工、設(shè)備費(fèi)用及運(yùn)輸費(fèi)和廢置處理時(shí)的環(huán)保費(fèi)，并減去設(shè)備廢置時(shí)的殘值。依據(jù)以上，將成本指標(biāo)劃分為投入成本比、運(yùn)行成本比、維護(hù)成本比、故障成本比和廢置成本比這5個(gè)子指標(biāo)來(lái)衡量在投入、運(yùn)行、維護(hù)、故障以及廢置5個(gè)方面實(shí)際耗費(fèi)的成本與預(yù)估成本上限之間的關(guān)系。通常情況下，其比值均介于0至1之間。

(2)效益指標(biāo)：電力終端通信接入網(wǎng)為智能電網(wǎng)提供可靠的傳輸鏈路支撐，有助于提升電網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。其中，電力通信網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)效益與光纖覆蓋率、通信電路運(yùn)行率、通信設(shè)備運(yùn)行率、光纜線路運(yùn)行率、通信業(yè)務(wù)保障率等技術(shù)指標(biāo)密切相關(guān)。因此，將經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中的效益指標(biāo)分為光纖覆蓋率、通信電路運(yùn)行率、通信設(shè)備運(yùn)行率、光纜線路運(yùn)行率、通信業(yè)務(wù)保障率等5類子指標(biāo)。

(3)費(fèi)效比指標(biāo)：接入網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目實(shí)施前后電網(wǎng)的靜態(tài)投資變化與因電網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量提升而帶來(lái)效益估值的比值。

2 指標(biāo)權(quán)重劃分

技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系應(yīng)具有全面有效的評(píng)價(jià)能力。在實(shí)際應(yīng)用中，多指標(biāo)、多方案的評(píng)價(jià)問(wèn)題需要綜合評(píng)估的指標(biāo)有多項(xiàng)。由于評(píng)價(jià)通常處于諸多因素未知的條件，這要求對(duì)未知因素進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測(cè)和評(píng)判，將客觀數(shù)據(jù)與主觀經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，從而得出精確的結(jié)果。目前，層次分析是使用較廣泛的綜合決策方法，但其準(zhǔn)則層的權(quán)重僅由主觀權(quán)重決定，局限性較大，考慮到方案具體數(shù)據(jù)的影響，在權(quán)重的確定中通過(guò)熵值分析法引入客觀權(quán)重，運(yùn)用AHP與熵值分析相結(jié)合的方法，綜合考慮主客觀因素的影響，得出評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)的權(quán)重[8-9]。

2.1 AHP指標(biāo)權(quán)重

AHP是一種定量與定性相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法，其核心思想是通過(guò)分析復(fù)雜系統(tǒng)的要素及相互關(guān)系，將系統(tǒng)簡(jiǎn)化為有序的遞階層次，使各要素歸并為不同的層，在每一層按上一層的準(zhǔn)則，對(duì)該層要素進(jìn)行兩兩比較，建立判斷矩陣，進(jìn)而計(jì)算判斷矩陣的最大特征根及對(duì)應(yīng)的正交特征向量，得出該層要素對(duì)于該準(zhǔn)則的權(quán)重，最后運(yùn)算出多層要素對(duì)于總體目標(biāo)的組合權(quán)重。依此下去，得出不同方案或評(píng)價(jià)對(duì)象的權(quán)值，為決策和評(píng)選提供依據(jù)。

AHP中指標(biāo)層次可劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。目標(biāo)層是最高層，即系統(tǒng)所要達(dá)到的總目標(biāo)，如有多類分目標(biāo)，可在其下再建不同類子目標(biāo)層；準(zhǔn)則層是中間層，表示實(shí)現(xiàn)預(yù)定總目標(biāo)所要采取的各項(xiàng)準(zhǔn)則；方案層是最底層，表示要選用的解決問(wèn)題的各種方案、措施等。據(jù)此，可劃分電力終端通信接入網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)體系的對(duì)應(yīng)層次，如圖2所示。

圖2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)AHP劃分Fig.2 AHP division of technical and economic evaluation index

利用層次分析法中的1～9標(biāo)度法，采用專家判斷，對(duì)準(zhǔn)則層和方案層中需要進(jìn)行權(quán)重劃分的子集構(gòu)建對(duì)應(yīng)判斷矩陣JB、JC1、JC2:

根據(jù)AHP的一致性檢驗(yàn)表達(dá)式：

當(dāng)CR<0.10時(shí)，判斷矩陣具有較好的一致性。否則調(diào)整矩陣大小，使其滿足CR<0.10，直到具備較好的一致性。n=1～9時(shí)RI值見(jiàn)表1。

表1n=1～9時(shí)RI值

Table 1RIvalues whenn=1～9

對(duì)判斷矩陣JB、JC1、JC2分別進(jìn)行一致性判斷，均滿足一致性要求，可得各層次的指標(biāo)權(quán)重如下：B1=0.33，B2=0.44，B3=0.23，C1=C2=C3=C5=0.22，C4=0.12，C6=0.12，C7=0.25，C8=0.13，C9=0.13，C10=0.37。

2.2 熵值分析確定客觀權(quán)重

(2)

(1)各指標(biāo)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。

由于各指標(biāo)的量綱和類型不同，難以進(jìn)行直接比較，需對(duì)決策矩陣X=YxijYm×n進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

數(shù)值越大越好的正向指標(biāo)：

(3)

數(shù)值越小越好的逆向指標(biāo)：

(4)

固定指標(biāo)：

(5)

區(qū)間型指標(biāo)：

(6)

(2)計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的熵。

(7)

(8)

據(jù)熵的定義及性質(zhì)，e(yj)值越小，指標(biāo)j的相對(duì)重要度就越大。

(3)確定第j個(gè)指標(biāo)的評(píng)價(jià)權(quán)值。

為進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，由e(yj)確定的評(píng)價(jià)指標(biāo)j的評(píng)價(jià)權(quán)值為

(9)

在對(duì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)體系進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，有2套方案，各指標(biāo)值如表2所示。

表2 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)方案比較案例

Table 2 Comparison of technical and economic

evaluation schemes

則標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣為

由此，根據(jù)式(8)可得

同理，e(y2)=0.428 86，e(y3)=0.483 29，e(y4)=0.429 12，e(y5)=0.430 12，e(y6)=0.430 58，e(y7)=0.430 70，e(y8)=0.430 70，e(y9)=0.430 70，e(y10)=0.430 70。

根據(jù)式(9)可得方案層各客觀指標(biāo)權(quán)重分別為

同理，γ2=0.20，γ3=0.19，γ4=0.20，γ5=0.20，γ6=γ7=γ8=γ9=γ10=0.20。

2.3 方案層指標(biāo)權(quán)重修正

結(jié)合AHP和熵值分析對(duì)方案層指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行修正，如式(10)：

(10)

于是有

w1=(C1×γ1)/(C1×γ1+C2×γ2+C3×γ3+C4×γ4+C5×γ5)=(0.22×0.21)/(0.22×0.21+0.22×0.20+0.22×0.19+0.12×0.20+0.22×0.20)=0.23

同理，w2=0.22，w3=0.21，w4=0.12，w5=0.22，w6=0.12，w7=0.25，w8=0.13，w9=0.13，w10=0.37。最終，可得電力終端通信接入網(wǎng)經(jīng)濟(jì)型評(píng)價(jià)體系權(quán)重因子，如圖3所示。

圖3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重因子Fig.3 Weight factor of technical and economic evaluation index

3 結(jié) 論

本文提出了集成本指標(biāo)、效益指標(biāo)和費(fèi)效比指標(biāo)于一體的電力終端通信接入網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，利用AHP與熵值分析相結(jié)合的方法分析得出評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)的權(quán)重因子，為電力終端通信接入網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目提供了衡量標(biāo)準(zhǔn)和參考依據(jù)。隨著未來(lái)智能電網(wǎng)三網(wǎng)融合建設(shè)中不同項(xiàng)目需求的變化，各技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)亦可不斷更新，以更有效地對(duì)項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性進(jìn)行評(píng)估。

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(編輯:劉文瑩)

Comprehensive Benefit Evaluation for Power Terminal Access Network in Smart Grid Based on Analytic Hierarchy Process and Entropy Analysis

LIU Jin1, FENG Yingmin1, ZHANG Hui2, FENG Liang2, SUN Ruixue2, WANG Lizhu2

(1. State Grid Tianjin Electric Power Economic Research Institute, Tianjin 300171, China;2. College of Electronic Information and Optical Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China)

Since to the situation that the technical and economic evaluation system in the power terminal access network construction for smart grid was imperfect, this paper proposes the index set of technical and economic evaluation for power terminal access network from three aspects: cost of construction, benefit and cost-benefit ratio. By means of analytic hierarchy process (AHP) and entropy analysis in object assessment, each index weight in evaluation index set was determined. Then, the complete technical and economic evaluation system was constructed for power terminal access networks.

power terminal access network; economic evaluation index; analytic hierarchy process (AHP); entropy analysis

天津市電力公司科技項(xiàng)目(KJ141-59)， 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61101084)。

TM 73

A

1000-7229(2015)05-0136-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.022

2014-11-06

2015-01-29

劉瑾(1982)，女，工程師，從事電力通信工作；

馮瑛敏(1981)，女，高級(jí)工程師，從事電力通信工作；

章輝(1982)，男，博士，主要研究方向?yàn)樾乱淮鸁o(wú)線通信系統(tǒng)；

馮亮(1981)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槎鄬赢悩?gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)和移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)；

孫瑞雪(1988)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槎鄬赢悩?gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)和移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)；

王麗珠(1989)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)槎鄬赢悩?gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)和移動(dòng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

Project Supported by National Science Foundation of China(61101084).