采用改進(jìn)TOPSIS法的中壓配電網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)化

葉辛頔，張俊杰，徐 強(qiáng)，張 興，鄭旭初

（1．國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009；2．杭州市電力設(shè)計(jì)院有限公司，杭州 310014；3．浙江優(yōu)能電力設(shè)計(jì)有限公司，浙江 寧波 315100）

0 引言

配電網(wǎng)直接面向終端用戶，與廣大人民群眾的生產(chǎn)、生活息息相關(guān)，是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要公共基礎(chǔ)設(shè)施。為加快推進(jìn)配電網(wǎng)建設(shè)改造，國家發(fā)展改革委、國家能源局、國家電網(wǎng)公司先后印發(fā)了相關(guān)指導(dǎo)意見[1-4]，組織動(dòng)員和部署實(shí)施配電網(wǎng)建設(shè)改造行動(dòng)。

隨著電網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，對(duì)配電網(wǎng)投資效益提出了更高的要求。合理安排配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目建設(shè)時(shí)序，注重投入產(chǎn)出效益，成為電力企業(yè)亟待深入研究和解決的問題。

國內(nèi)對(duì)電網(wǎng)項(xiàng)目評(píng)價(jià)的研究時(shí)間較短，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)較少，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)項(xiàng)目優(yōu)選主要考慮項(xiàng)目帶來的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)電網(wǎng)技術(shù)性和安全性等方面的考慮不足，也未充分考慮投資限額問題[5-10]。

本文綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益和技術(shù)效益，建立了分類分階段優(yōu)選決策方法。針對(duì)參與排序的項(xiàng)目，采用改進(jìn)的TOPSIS（理想解近似偏好排序技術(shù)）法評(píng)估項(xiàng)目對(duì)電網(wǎng)的預(yù)期改善效果，并考慮項(xiàng)目關(guān)聯(lián)關(guān)系和資金約束，對(duì)排序結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，得到最終優(yōu)選結(jié)果。以某城市配電網(wǎng)的實(shí)際和規(guī)劃數(shù)據(jù)為例，驗(yàn)證了項(xiàng)目優(yōu)選模型的合理性和可行性。

1 總體思路

國家電網(wǎng)公司將中壓配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目按工程屬性分為以下10類：滿足新增負(fù)荷供電要求、變電站配套送出、解決低電壓臺(tái)區(qū)、解決卡脖子、解決設(shè)備重過載、消除設(shè)備安全隱患、加強(qiáng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、分布式電源接入、無電地區(qū)供電、其他。

考慮到供電企業(yè)作為公共事業(yè)單位需承擔(dān)基本的供電義務(wù)以及中壓配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目數(shù)量大、種類多，本文建立了分類分階段優(yōu)選決策方法以提高優(yōu)選速度。具體內(nèi)容如下：

先按項(xiàng)目屬性將項(xiàng)目分為不參與排序和參與排序兩大類，前者是基于企業(yè)的基本供電義務(wù)提出的解決基本供電問題項(xiàng)目，后者則分階段進(jìn)行優(yōu)選。第一階段針對(duì)參與排序項(xiàng)目，采用改進(jìn)的TOPSIS法對(duì)電網(wǎng)的預(yù)期改善效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，基于評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行排序；第二階段考慮項(xiàng)目關(guān)聯(lián)關(guān)系和資金約束，對(duì)第一階段的項(xiàng)目排序結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，得到最終優(yōu)選結(jié)果。

（1）第一階段

針對(duì)參與排序項(xiàng)目，建設(shè)先后順序需綜合考慮成本和效益兩方面，在滿足經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)還要考慮電網(wǎng)供電可靠、可持續(xù)發(fā)展、協(xié)調(diào)發(fā)展等。因此，首先建立項(xiàng)目效益評(píng)估指標(biāo)體系，計(jì)算項(xiàng)目對(duì)這些指標(biāo)的定量改善程度值，作為項(xiàng)目效益；接著，基于項(xiàng)目投資額，引入收益/成本分析方法計(jì)算單位投資效益；然后，采用改進(jìn)的TOPSIS法對(duì)不同的中壓配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)一步求出綜合排序決策值；最后，根據(jù)綜合排序決策值對(duì)各項(xiàng)目進(jìn)行優(yōu)選排序，單位投資對(duì)電網(wǎng)改善成效最大的項(xiàng)目優(yōu)先安排實(shí)施。

（2）第二階段

一方面，由于配電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目種類多、數(shù)量大、涉及多個(gè)電壓等級(jí)，不同項(xiàng)目之間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系（此處的關(guān)聯(lián)關(guān)系主要是依附關(guān)系，如項(xiàng)目B依附于項(xiàng)目A，則項(xiàng)目B的竣工年限要晚于項(xiàng)目A的竣工年限）。另一方面，配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目分年度進(jìn)行投資，一定時(shí)間內(nèi)投資額度是有限的。因此，需對(duì)第一階段的項(xiàng)目排序結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，得到最終優(yōu)選結(jié)果。

中壓配電網(wǎng)項(xiàng)目優(yōu)選流程見圖1。

圖1 中壓配電網(wǎng)項(xiàng)目優(yōu)選流程

2 項(xiàng)目效益評(píng)估指標(biāo)體系

參與排序的配電網(wǎng)項(xiàng)目效益評(píng)估指標(biāo)體系從不同維度定量反映各規(guī)劃項(xiàng)目實(shí)施后對(duì)電網(wǎng)的提升作用，為不同規(guī)劃項(xiàng)目之間比較規(guī)劃效果提供依據(jù)。

本文提出的項(xiàng)目效益指標(biāo)包括持續(xù)性、可靠性、協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟(jì)性4類一級(jí)指標(biāo)，采用階梯層次結(jié)構(gòu)，自上而下逐層細(xì)化，構(gòu)建全面、合理、客觀的項(xiàng)目效益評(píng)估指標(biāo)體系，見圖2。

2.1 持續(xù)性指標(biāo)

持續(xù)性指標(biāo)反映規(guī)劃項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展的提升作用，包括2個(gè)二級(jí)指標(biāo)：新增供電能力與預(yù)測(cè)負(fù)荷的匹配程度、電網(wǎng)最大供電能力提升程度。

（1）新增供電能力與預(yù)測(cè)負(fù)荷的匹配程度

將負(fù)荷預(yù)測(cè)值與規(guī)劃項(xiàng)目實(shí)施后新增供電能力進(jìn)行比較，找到負(fù)荷預(yù)測(cè)值大于供電能力的年份n。n取不同值時(shí)，規(guī)劃項(xiàng)目在新增供電能力與預(yù)測(cè)負(fù)荷匹配程度方面的得分情況見公式（1）：

（2）電網(wǎng)最大供電能力提升程度

假定變電站供電電源容量充裕時(shí)，影響配電網(wǎng)供電能力的因素包括：變電站主變壓器（以下簡稱“主變”）數(shù)量、變電站主變?nèi)萘俊⒅袎号潆娋€路及網(wǎng)架。部分中壓配電網(wǎng)項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)電網(wǎng)最大供電能力有提升作用，具體提升效果見公式（2）：

式中：rTSC為最大供電能力提升率；為項(xiàng)目實(shí)施后配電網(wǎng)最大供電能力；ATSC為項(xiàng)目實(shí)施前配電網(wǎng)最大供電能力。采用文獻(xiàn)[11]最大供電能力計(jì)算方法來計(jì)算ATSC和。

圖2 項(xiàng)目效益評(píng)估指標(biāo)體系

2.2 可靠性指標(biāo)

可靠性指標(biāo)反映規(guī)劃項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)電網(wǎng)可靠性的提升作用，包括5個(gè)二級(jí)指標(biāo)：中壓線路平均分段數(shù)、中壓線路聯(lián)絡(luò)率、中壓線路電纜化率、中壓線路N-1通過率、運(yùn)行年限超過20年的中壓線路比例。

（1）中壓線路平均分段數(shù)

指標(biāo)值=中壓公用架空線路總分段數(shù)/中壓公用架空線路總條數(shù)。

其中，中壓公用架空線路包括架空線長度超過50%的混合線路。

（2）中壓線路聯(lián)絡(luò)率

指標(biāo)值=（存在聯(lián)絡(luò)的中壓公用線路條數(shù)/中壓公用配電線路總條數(shù)）×100%。

（3）中壓線路電纜化率

指標(biāo)值=（中壓公用配電線路電纜線長度/中壓公用配電線路總長度）×100%。

（4）中壓線路N-1通過率

指標(biāo)值=（滿足N-1線路條數(shù)/線路總條數(shù)）×100%。

（5）運(yùn)行年限超過20年的中壓線路比例

指標(biāo)值=（運(yùn)行年限大于20年的中壓線路條數(shù)/中壓線路總條數(shù)）×100%。

2.3 協(xié)調(diào)性指標(biāo)

協(xié)調(diào)性指標(biāo)反映規(guī)劃項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)電網(wǎng)負(fù)載均衡方面的提升作用，包括5個(gè)二級(jí)指標(biāo)：變電站負(fù)載不均衡度、中壓線路負(fù)載不均衡度、中壓線路過載比例、中壓線路輕載比例、中壓線路重載比例。

（1）變電站負(fù)載不均衡度

變電站負(fù)載不均衡度計(jì)算方式見公式（3）：

式中：Bs為變電站負(fù)載不均衡度；Ssi為單一變電站負(fù)載率；為變電站負(fù)載率平均值；Ns為變電站數(shù)量。

（2）中壓線路負(fù)載不均衡度

中壓線路負(fù)載不均衡度計(jì)算方法見公式（4）：

式中：BL為中壓線路負(fù)載不均衡度；Lsi為單一中壓線路負(fù)載率；為中壓線路負(fù)載率平均值；NL為中壓線路條數(shù)。

（3）中壓線路過載比例

指標(biāo)值=（中壓過載公用配電線路條數(shù)/中壓公用配電線路總條數(shù)）×100%。

其中，中壓過載公用配電線路指最大負(fù)載率大于100%的中壓公用配電線路。

（4）中壓線路輕載比例

指標(biāo)值=（中壓輕載公用配電線路條數(shù)/中壓公用配電線路總條數(shù)）×100%。

其中，中壓輕載公用配電線路指最大負(fù)載率小于20%的中壓公用配電線路。

（5）中壓線路重載比例

指標(biāo)值=（中壓重載公用配電線路條數(shù)/中壓公用配電線路總條數(shù)）×100%。

其中，中壓重載公用配電線路指最大負(fù)載率在80%～100%的中壓公用配電線路。

2.4 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)反映規(guī)劃項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)減小網(wǎng)損的作用，包括2個(gè)二級(jí)指標(biāo)：110 kV及以下綜合線損率、10 kV及以下綜合線損率。單個(gè)規(guī)劃項(xiàng)目對(duì)線損影響較小，在本文中忽略不計(jì)。

（1）110 kV及以下綜合線損率

指標(biāo)值=[（110 kV及以下配電網(wǎng)供電量-110 kV及以下配電網(wǎng)售電量）/110 kV及以下配電網(wǎng)供電量]×100%。

（2）10 kV及以下綜合線損率

指標(biāo)值=[（10 kV及以下配電網(wǎng)供電量-10 kV及以下配電網(wǎng)售電量）/10 kV及以下配電網(wǎng)供電量]×100%。

3 基于改進(jìn)TOPSIS法的項(xiàng)目優(yōu)選模型

3.1 傳統(tǒng)TOPSIS法原理

1981年C.L.Hwang提出了TOPSIS，一般簡稱為理想解近似法、理想解法[12]。近幾年，該方法在電網(wǎng)設(shè)備評(píng)估、投資評(píng)價(jià)、項(xiàng)目優(yōu)選等方面也逐漸得到應(yīng)用[13-17]。

TOPSIS基本計(jì)算流程如下[13]：

（1）構(gòu)造初始決策矩陣

設(shè)初始決策矩陣為X=[xij]m×n，該矩陣有m各個(gè)評(píng)估對(duì)象、n個(gè)評(píng)估指標(biāo)。

（2）初始決策矩陣規(guī)范化

利用向量規(guī)范化方法得到規(guī)范化決策矩陣，Y=[yij]m×n， 其中：

（3）形成加權(quán)規(guī)范化決策矩陣

設(shè)權(quán)重向量 ω=（ω1，ω2，…，ωn）， 其中 ω1+ω2+…+ωn=1。 得到加權(quán)規(guī)范化決策矩陣 Z=[zij]m×n，其元素值見式（6）：

式中：T1為效益型指標(biāo)；T2為成本型指標(biāo)。

（5）計(jì)算評(píng)估對(duì)象到Z+和Z-的距離D+和D-

各評(píng)估對(duì)象到正理想解的距離：

（6）計(jì)算評(píng)估對(duì)象與正理想解的貼近程度C

Ci越接近1，表示該評(píng)估對(duì)象越接近正理想解，在優(yōu)劣排序中將占據(jù)靠前位置。

3.2 存在問題及改進(jìn)方法

在實(shí)際應(yīng)用中，評(píng)估對(duì)象數(shù)量的改變（會(huì)引起正負(fù)理想解改變、初設(shè)決策矩陣規(guī)范化時(shí)的參照標(biāo)準(zhǔn)改變）和評(píng)估指標(biāo)權(quán)重的改變可能會(huì)引起逆序問題，已有相關(guān)文獻(xiàn)提出了改進(jìn)方法[17-21]。文獻(xiàn)[17]提出構(gòu)造固定的最優(yōu)值點(diǎn)和最劣值點(diǎn)對(duì)所有評(píng)價(jià)決策單元的最優(yōu)貼近度進(jìn)行計(jì)算，在一定程度上克服了逆序問題。文獻(xiàn)[18]提出使用垂面距離對(duì)TOPSIS法最優(yōu)貼近度進(jìn)行改進(jìn)，但某些情況下會(huì)降低TOPSIS法對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的區(qū)分度。文獻(xiàn)[19]提出憑借評(píng)價(jià)者主觀偏好構(gòu)造權(quán)重獲取“絕對(duì)理想點(diǎn)”的方法來防止各種客觀逆序問題。文獻(xiàn)[21]提出采用馬氏距離改進(jìn)傳統(tǒng)的TOPSIS法，由于馬氏距離獨(dú)立于測(cè)量尺度，不受坐標(biāo)之間的量綱影響，排除了變量之間相關(guān)性的干擾。

本文采用文獻(xiàn)[21]提出的改進(jìn)TOPSIS法進(jìn)行中壓配網(wǎng)項(xiàng)目優(yōu)選。

4 實(shí)例分析

4.1 計(jì)算單位投資收益

單個(gè)項(xiàng)目對(duì)電網(wǎng)網(wǎng)損影響較小，因此不考慮經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，各項(xiàng)目效益值及投資額見表1。計(jì)算單位投資效益，形成初始決策矩陣的評(píng)估指標(biāo)，見表2。

表1 各項(xiàng)目效益值及投資額

表2 初始決策矩陣指標(biāo)值

4.2 基于改進(jìn)TOPSIS法的初步排序

項(xiàng)目效益評(píng)估指標(biāo)體系中效益型指標(biāo)集合T1={T11，T12，T21， T22，T23，T24}，成本型指標(biāo)集合T2={T25，T31， T32，T33，T34， T35，T41，T42}。 前者與投資額成正比，后者與投資額成反比，歸一化后得到與之對(duì)應(yīng)的指標(biāo)Xij，見表2。

由于采用馬氏距離計(jì)算，無須對(duì)原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行歸一化處理，無須對(duì)原始矩陣中的屬性指標(biāo)進(jìn)行單獨(dú)的外在賦權(quán)[21]。

根據(jù)公式（7）和（8）計(jì)算理想解：

應(yīng)用matlab求解，結(jié)果如表3所示。

4.3 考慮約束條件的項(xiàng)目建設(shè)時(shí)序調(diào)整

按以上計(jì)算結(jié)果，項(xiàng)目建設(shè)時(shí)序?yàn)椋喉?xiàng)目7—項(xiàng)目13—項(xiàng)目3—項(xiàng)目5—項(xiàng)目1—項(xiàng)目10—項(xiàng)目6—項(xiàng)目11—項(xiàng)目8—項(xiàng)目12—項(xiàng)目2—項(xiàng)目9—項(xiàng)目4?？紤]到本年度投資限額6 400萬，項(xiàng)目4需安排到下一年；再考慮到項(xiàng)目1依賴于項(xiàng)目4，故項(xiàng)目1也安排到下一年。本年度中壓配電網(wǎng)最終的項(xiàng)目建設(shè)時(shí)序?yàn)椋喉?xiàng)目7—項(xiàng)目13—項(xiàng)目3—項(xiàng)目5—項(xiàng)目10—項(xiàng)目6—項(xiàng)目11—項(xiàng)目8—項(xiàng)目12—項(xiàng)目2—項(xiàng)目9。

表3 各項(xiàng)目的相對(duì)帖近度及排名

5 結(jié)語

當(dāng)前，中壓配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目優(yōu)選考慮不全面，主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)，缺乏定量分析。對(duì)此，本文提出了中壓配電網(wǎng)規(guī)劃項(xiàng)目效益評(píng)估指標(biāo)體系，采用改進(jìn)的TOPSIS法對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行評(píng)估排序，并考慮項(xiàng)目關(guān)聯(lián)關(guān)系和資金約束，對(duì)排序結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，得到最終優(yōu)選結(jié)果。最后以某城市配電網(wǎng)的實(shí)際數(shù)據(jù)為例，驗(yàn)證了項(xiàng)目優(yōu)選模型的合理性和可行性。效益評(píng)估指標(biāo)體系從持續(xù)性、可靠性、協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟(jì)性4個(gè)方面計(jì)算項(xiàng)目對(duì)配電網(wǎng)的效益，指標(biāo)數(shù)據(jù)易于獲取，能實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)項(xiàng)目或項(xiàng)目組合的效益評(píng)價(jià)。項(xiàng)目優(yōu)選結(jié)果對(duì)優(yōu)化配電網(wǎng)規(guī)劃、節(jié)約建設(shè)資金有指導(dǎo)意義。