基于逼近理想解法的現(xiàn)代配電網(wǎng)成熟度評價

蔣小亮, 李秋燕, 張文朝, 全少理, 李錳, 梁海平, 田圣雙

(1.國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，河南 鄭州 450052； 2.中電普瑞電力工程有限公司，北京 102200；3.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

隨著我國新型城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化工作的深入推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)對供電可靠性、電能質(zhì)量的要求越來越高。經(jīng)過多年的建設(shè)與改造，我國配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷改善、供電能力不斷提高。但與發(fā)達(dá)國家相比，我國配電網(wǎng)在電能質(zhì)量、供電可靠性等方面還存在較大差距[1]。文獻(xiàn)[2-3]明確提出加快建設(shè)現(xiàn)代配電網(wǎng)，構(gòu)建城鄉(xiāng)統(tǒng)籌、安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、技術(shù)先進(jìn)、環(huán)境友好、與小康社會相適應(yīng)的現(xiàn)代配電網(wǎng)，以安全可靠的電力供應(yīng)和優(yōu)質(zhì)高效的供電服務(wù)保障經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，為全面建成小康社會提供有力支撐。

配電網(wǎng)綜合評價旨在全面衡量配電網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r，通過對配電網(wǎng)的供電質(zhì)量、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、運行水平、技術(shù)裝備、經(jīng)濟(jì)與社會性等要素進(jìn)行評價，深入了解配電網(wǎng)現(xiàn)狀及存在問題，并針對配電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)提出改進(jìn)意見和措施，促進(jìn)配電網(wǎng)的不斷發(fā)展和完善。

不少學(xué)者和專家對配電網(wǎng)的綜合評價進(jìn)行了大量的研究。而從經(jīng)濟(jì)性[4-6]、評價的屬性偏好[7]、子目標(biāo)之間的協(xié)調(diào)性[8-9]、用戶側(cè)微觀需求[10]、網(wǎng)格化思想[11]、等多方面構(gòu)建評價體系的研究很多，但是對配電網(wǎng)的智能化指標(biāo)涉及較少。目前，構(gòu)建配電網(wǎng)評價體系常用的方法有層次分析法或者改進(jìn)的層次分析法[12-13]、德爾菲法[14]、魚骨圖分析法[15]，模糊綜合評價法[16]等。文獻(xiàn)[16]綜合運用了以上幾種方法，吸取了各種方法的優(yōu)點，并引入全生命周期指標(biāo)來反映配電網(wǎng)的運行管理水平，結(jié)果表明夠充分利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源實現(xiàn)評價，為評估工作常態(tài)化提供了條件。文獻(xiàn)[17]按照差異化原則將評價區(qū)域分成A、B、C、D四類，分別給出各類供電區(qū)域評價指標(biāo)的參考值，及各類供電區(qū)域?qū)φ麄€評價區(qū)域的影響權(quán)重來完成配電網(wǎng)的綜合評價。文獻(xiàn)[18] 建立了基于DEMATEL-ANP-反熵權(quán)和灰色關(guān)聯(lián)分析法組合的區(qū)域輸配電網(wǎng)智能化水平評價模型，對輸配電網(wǎng)智能化發(fā)展水平評價具有較好科學(xué)性及適用性。

針對目前缺乏現(xiàn)代配電網(wǎng)成熟度評價的現(xiàn)狀，本文提出了基于變異系數(shù)法和TOPSIS法的現(xiàn)代配電網(wǎng)評價方法，采用變異系數(shù)法對各個指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行賦值，并用TOPSIS法對各地區(qū)的現(xiàn)代配電網(wǎng)成熟度進(jìn)行打分，隨后通過實際算例測試多個地區(qū)配電網(wǎng)的成熟度水平并對其做出綜合評價。

1 現(xiàn)代配電網(wǎng)成熟度評價指標(biāo)選擇

隨著人們生產(chǎn)生活的電氣化、智能化程度越來越高，對供電可靠性和電能質(zhì)量的要求越來越高。同時，分布式電源的大量接入、電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及配電自動化建設(shè)的逐步推進(jìn)促使配電網(wǎng)發(fā)生著深刻的變革[19]。遴選能夠充分反映現(xiàn)代配電網(wǎng)發(fā)展水平的指標(biāo)是現(xiàn)代配電網(wǎng)成熟度評價的基礎(chǔ)。本文從配電網(wǎng)運行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性及自動化水平等不同角度出發(fā)，選取了7個評價指標(biāo)，分別為中心城市(區(qū))供電可靠性、中心城市(區(qū))用戶平均停電時間、中心城市(區(qū))綜合電壓合格率、110 kV及以下線損率、配電自動化覆蓋率、配電通信網(wǎng)覆蓋率和智能電網(wǎng)覆蓋率來全面反映配電網(wǎng)的運行特性和現(xiàn)代化水平。

2 基于變異系數(shù)法的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)計算

變異系數(shù)法(Coefficient of Variation Method)是直接利用各項評價指標(biāo)所包含的信息，通過計算得到各評價指標(biāo)的權(quán)重，該方法是一種客觀賦權(quán)的方法，具有良好的實用性和科學(xué)性。變異系數(shù)法通過考慮評價指標(biāo)數(shù)據(jù)的相對變化程度實現(xiàn)評價指標(biāo)動態(tài)賦權(quán)，可顯著降低主觀因素干擾。

采用變異系數(shù)法計算評價指標(biāo)的權(quán)重，主要計算步驟如下：

(1)建立評價矩陣

假設(shè)有m個數(shù)量相同的評價指標(biāo)，第j個評價對象的評價指標(biāo)向量為Yj=[y1j,y2j,…,ymj]T，如果有n個評價對象，則評價矩陣可表示為Y=[Y1,Y2,…,Yn]。各評價指標(biāo)的權(quán)重用ω表示，則權(quán)重向量為ω=[ω1,ω2,…,ωm]T。

(2)評價指標(biāo)同向化

評價指標(biāo)可分為正向評價指標(biāo)和負(fù)向評價指標(biāo)，正向評價指標(biāo)值越大其反映的狀況越優(yōu)，負(fù)向評價指標(biāo)則正好相反。當(dāng)m個評價指標(biāo)中含有負(fù)向評價指標(biāo)時，則需對負(fù)向評價指標(biāo)進(jìn)行同向化處理，采用式(1)實現(xiàn)。

(1)

(3)評價指標(biāo)去量綱化

由于各指標(biāo)所代表的物理涵義不同，因此存在著量綱上的差異，需對Y′進(jìn)行去量綱化處理，采用式(2)進(jìn)行處理，得到標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y″：

(2)

(4)評價指標(biāo)權(quán)重計算

針對去量綱化處理后的標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y″，分別采用式(3)和式(4)計算評價指標(biāo)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差：

(3)

(4)

利用均值和標(biāo)準(zhǔn)差計算變異系數(shù)Vi，計算式見式(5)：

(5)

如式(6)所示，利用變異系數(shù)Vi可計算各評價指標(biāo)的權(quán)重 。

(6)

確定各評價指標(biāo)的權(quán)重后，可采用TOPSIS法對各評價對象進(jìn)行綜合評價。如果把評價指標(biāo)看成坐標(biāo)系中的變量，則在幾何上形成一個高維空間，從幾何角度看，每個被評價對象是由反映它的多個評價指標(biāo)值在該空間決定的一個點，而綜合評價問題就變成了對這些空間點的排序和評價。

TOPSIS法采用相對接近度來表征各個評價對象與參考點的距離。首先在空間確定出參考點，包括最優(yōu)點和最劣點，然后計算各個評價對象與參考點的距離，與最優(yōu)點越近或與最劣點越遠(yuǎn)說明被評價對象的綜合特性越好。本文的具體計算如下：

根據(jù)式(7)確定加權(quán)數(shù)據(jù)矩陣Y?。

(7)

由于評價指標(biāo)已經(jīng)正向化，可以用所有樣本中各評價指標(biāo)的最大值構(gòu)成正理想樣本，用各評價指標(biāo)的最小值構(gòu)成負(fù)理想樣本，分別用Y+和Y-表示。

定義樣本點到最優(yōu)點的距離為D+，其計算見式(8)：

(8)

定義樣本點到最劣點的距離為D-，其計算見式(9)：

(9)

相對接近度由式(10)計算得出：

(10)

根據(jù)相對接近度Cj的大小，可以對各評價對象進(jìn)行排序。Cj越大表明評價對象與正理想樣本的相對距離越小，相應(yīng)評價對象的評價結(jié)果越優(yōu)。

3 現(xiàn)代配電網(wǎng)對標(biāo)標(biāo)桿的確定

本文以文獻(xiàn)[1]中給出的2020年的期望指標(biāo)為現(xiàn)代配電網(wǎng)建設(shè)改造的指導(dǎo)目標(biāo)，以2014年的實際情況作為合格配電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

通過表1可以看到其中供電可靠性離目標(biāo)水平相差0.19個百分點；用戶均停電時間和目標(biāo)水平相差較大；電壓合格率接近目標(biāo)水平；配電自動化覆蓋率、配電通信網(wǎng)覆蓋率、智能電表覆蓋率還有很大提升空間。

表1 配電網(wǎng)建設(shè)改造指導(dǎo)目標(biāo)

4 算例分析

算例選用某省的五個地區(qū)同一年份的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計出的評價指標(biāo)如表2所示。

表2 配電網(wǎng)成熟度指標(biāo)數(shù)據(jù)

選取2014年電網(wǎng)各項評價指標(biāo)數(shù)據(jù)作為合格數(shù)據(jù)，賦值60分；選取2020年水平數(shù)據(jù)作為最好數(shù)據(jù)，賦值100分。按照公式(11)進(jìn)行一次函數(shù)曲線擬合，得到A、B、C、D、E5個地區(qū)的各項數(shù)據(jù)的評分?jǐn)?shù)據(jù)。

(11)

(12)

其中xevaluation(i,j)是評分結(jié)果，sgiven(i,j)是給定的第j個配電網(wǎng)第i個評價指標(biāo)的給定數(shù)據(jù)，sbest(i,2)和sworst(i,1)分別是給定各項評價指標(biāo)中的最好數(shù)據(jù)和最壞數(shù)據(jù)。

通過計算數(shù)據(jù)組成對于給定數(shù)據(jù)的評價矩陣，按照第2章的計算步驟，對評價矩陣進(jìn)行處理，得到如式(13)所示的標(biāo)準(zhǔn)評價矩陣Y″，圖1為評價矩陣對應(yīng)指標(biāo)的對比圖。

(13)

圖1為評價矩陣中各個地區(qū)的各個指標(biāo)數(shù)值的對比圖。綜合評價越高的地區(qū)，該地區(qū)各個指標(biāo)的值越大。

圖1 評價矩陣對應(yīng)的指標(biāo)

由圖1可以看到5個地區(qū)的前4個評價指標(biāo)相差不大，配電自動化覆蓋率、配電通信網(wǎng)覆蓋率、智能電表覆蓋率指標(biāo)相差較大。

采用式(3)和(4)計算每個評價指標(biāo)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差；用式(5)計算變異系數(shù)；用式(6)計算評價指標(biāo)的權(quán)重；計算結(jié)果如表3所示，其對應(yīng)圖如圖2。

表3 參數(shù)計算結(jié)果

圖2 平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和權(quán)重

由表3及圖2可以看到，配電網(wǎng)自動化覆蓋率、配電通信網(wǎng)覆蓋率、智能電表覆蓋率三項評價指標(biāo)的數(shù)據(jù)過于分散，所以，它們的標(biāo)準(zhǔn)差偏大，而平均值相差無幾，因此，他們具有很大的變異系數(shù)，對應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重也會增加。計算結(jié)果證明了這一點。

根據(jù)各評價指標(biāo)的權(quán)重，通過式(7)可獲得式(14)所示的加權(quán)數(shù)據(jù)矩陣 ，其對應(yīng)加權(quán)評價矩陣中的各個評價指標(biāo)對比如圖3所示。

(14)

圖3 加權(quán)評價矩陣

由圖3可以看到，配電設(shè)備自動化率、通信網(wǎng)覆蓋率和智能電表覆蓋率三項評價指標(biāo)因為權(quán)重較大，各配電網(wǎng)的對應(yīng)評分對于整體評價的影響顯著上升。

進(jìn)而，利用加權(quán)數(shù)據(jù)矩陣計算得到正理想樣本點Y+和負(fù)理想樣本點Y-：

Y+=(0.046 8,0.022 4,0.003 6,0.049 5,0.099 7,0.131 9,0.158 8)
Y-=(0.040,0.021,0.004,0.042,0.067,0.084,0.097)

進(jìn)一步可分別計算出樣本點到最優(yōu)點和最劣點的距離D+和D-：

D+=(0.063 2,0.084 8,0.037 3,0.011 3,0.008 4)
D-=(0.034 9,0.006 4,0.048 2,0.079 7,0.083 3)

圖4 與最優(yōu)點和最劣點的距離

繪制最優(yōu)點和最劣點的距離如圖4所示。樣本點越接近最優(yōu)點，該點在圖表中越接近中心點。

通過觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，B點離最優(yōu)點最遠(yuǎn)，離最劣點最近。但是，某個給定點與最優(yōu)點和最劣點之間的距離并不能直觀地反應(yīng)其綜合水平的優(yōu)劣。因此，根據(jù)式(10)計算出樣本點到最優(yōu)樣本點的相對接近度Cj。

Cj的值越大，表明評價值越優(yōu)。將Cj按大小排序?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)成熟度綜合評價，如表4所示。

圖5 相對接近度

通過表4可以看到E地區(qū)的成熟度最高，在對標(biāo)城市中排名第一，而B地區(qū)的成熟度最低，排名最后。將相對接近度繪制到圖中，如圖5所示。

由表4和圖5的相對接近度數(shù)據(jù)可知，E地區(qū)的綜合評價結(jié)果最優(yōu)，D、C、A地區(qū)次之，B地區(qū)最差。智能電表覆蓋率和配電網(wǎng)通信覆蓋率指標(biāo)權(quán)重較大，而對于B地區(qū)，這兩項指標(biāo)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)矩陣數(shù)值與D、E地區(qū)相比差距較大，而其他指標(biāo)對應(yīng)的數(shù)值與D、E地區(qū)比較接近，甚至優(yōu)于上述兩個地區(qū)。因此評價指標(biāo)權(quán)重越大，對于評價結(jié)果的影響越大。同理，對其他地區(qū)進(jìn)行分析，也可得到一致的結(jié)論。評價結(jié)果和實際相符，結(jié)果表明本文所提出的現(xiàn)代配電網(wǎng)成熟度綜合評價方法可實現(xiàn)對配電網(wǎng)情況的客觀有效評價。

表4 配電網(wǎng)成熟度綜合評價排序

5 結(jié)束語

本文綜合了變異系數(shù)法和TOPSIS法的優(yōu)點，與以往的評價方法相比，具有計算量小、評價結(jié)果客觀有效的特點。該方法不僅能實現(xiàn)不同地區(qū)之間的橫向?qū)Ρ?，計算結(jié)果還能夠反應(yīng)指標(biāo)和目標(biāo)值之間的差距，同時可直觀的看到各指標(biāo)對配電網(wǎng)成熟度的影響程度，對于配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義，是一種客觀有效的綜合現(xiàn)代配電網(wǎng)成熟度評價方法。

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