物元分析法及其在電網(wǎng)發(fā)展診斷中的應用研究

艾 欣， 趙 璐， 王智冬， 彭 冬， 王雪瑩， 劉宏楊， 李一錚

(1.華北電力大學 新能源電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京 102206； 2.國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，北京 102209)

0 引 言

近年來，為應對大量分布式能源不斷接入所帶來的挑戰(zhàn)，泛在電力物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為電力能源領域戰(zhàn)略性的新興科研和產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向[1]。泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設對電網(wǎng)提出了堅強可靠、經(jīng)濟高效的要求[2-4]。隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴張，交直流混聯(lián)，結(jié)構(gòu)越發(fā)復雜[5]，各類制約電網(wǎng)發(fā)展的問題陸續(xù)暴露出來[6]。在這樣的形勢下，評估電網(wǎng)發(fā)展水平，找出電網(wǎng)發(fā)展過程中的短板，為電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃與投資決策提供依據(jù)，成為一項重要的工作[7]。電網(wǎng)發(fā)展診斷就是通過考慮電網(wǎng)各指標之間的相互聯(lián)系與相互制約，建立相應模型，對電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展空間進行診斷[8]。

目前，針對電網(wǎng)發(fā)展診斷的研究已取得一定成果。邊二朝等[9]從技術(shù)和經(jīng)營兩個方面建立了指標體系，但指標不夠全面，且僅采用比較分析法進行分析，未提出診斷模型。史智萍等[10]構(gòu)建了電網(wǎng)發(fā)展診斷雙層模型，利用多層次序關(guān)系法和模糊綜合評價進行診斷。王亞龍等[11]利用模糊層次分析法對電網(wǎng)經(jīng)濟型指標進行診斷。王忠民等[12]基于灰色模糊層次法對電能質(zhì)量指標進行診斷。由此可見，目前對電網(wǎng)發(fā)展診斷的研究方法多集中于模糊分析法，通過計算各指標隸屬度，利用模糊數(shù)學的原理量化待評價量與等級區(qū)間之間的關(guān)系，但是模糊評價無法處理隸屬度相同的問題。

為了解決此類現(xiàn)實中相互矛盾的問題，學者蔡文提出了物元分析法[13, 14]，將評價區(qū)間從[0～1]拓展至(-∞～+∞)，即整條實數(shù)軸，實現(xiàn)精細刻畫級別區(qū)間內(nèi)差異性問題，從而解決了近似隸屬度的問題[15]，且利用關(guān)聯(lián)值可以為負的特點，動態(tài)描述事物變化趨勢。物元分析的這一優(yōu)勢使其在多個領域得到了應用[16-19]。

綜上所述，本文首先在現(xiàn)有的電網(wǎng)發(fā)展診斷指標體系基礎上，重新構(gòu)建了反映電網(wǎng)發(fā)展速度協(xié)調(diào)性、電網(wǎng)發(fā)展規(guī)模協(xié)調(diào)性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性、電網(wǎng)安全可靠性、設備水平、電網(wǎng)利用效率、電網(wǎng)發(fā)展效益7個維度的指標體系，能夠全面、客觀地反映電網(wǎng)發(fā)展水平，并給出構(gòu)建原則及指標選擇依據(jù)。應用物元分析中的物元模型及關(guān)聯(lián)度的概念，量化各指標與評價等級的關(guān)系。結(jié)合電網(wǎng)運行準則及電網(wǎng)發(fā)展水平對不同指標的不同敏感程度，利用AHP1-9標度法確定權(quán)重，建立了基于物元分析的電網(wǎng)發(fā)展診斷模型。最后通過實例分析驗證了該方法在診斷電網(wǎng)發(fā)展水平上的有效性，并針對單個指標的分級結(jié)果和轉(zhuǎn)化趨勢，確定影響電網(wǎng)發(fā)展水平的關(guān)鍵因素，提出發(fā)展建議。

1 物元分析方法的概念和原理

物元分析方法是一種針對現(xiàn)實中存在的矛盾問題，將定性與定量相結(jié)合的研究方法。物元分析方法構(gòu)建“名稱、特征、值”的三元有序組合“物元”，描述事物對某一特征的量值。以物元作為基本元，將點與評價區(qū)間的位置關(guān)系刻畫為距，評價區(qū)間與質(zhì)變范圍區(qū)間構(gòu)成區(qū)間套，將點與該區(qū)間套之間的關(guān)系定義為位值。研究關(guān)聯(lián)函數(shù)的計算公式，客觀表征事物具有某種性質(zhì)的程度，定量描述事物性質(zhì)的變化。關(guān)聯(lián)函數(shù)的計算不必依靠主觀判斷或統(tǒng)計，而是根據(jù)事物關(guān)于某特征的量值要求的范圍X0=(a,b)和質(zhì)變的區(qū)間X=(c,d)來確定，使關(guān)聯(lián)函數(shù)擺脫了主觀判斷造成的偏差。

傳統(tǒng)分析方法評價區(qū)間是[0～1]，靜態(tài)呈現(xiàn)出事物屬于一個集合的程度，不考慮事物在區(qū)間之外的情況，無法描述在一定條件下性質(zhì)的變化，且存在隸屬度相近的問題。物元分析方法綜合考慮事物屬于集合之內(nèi)與集合之外的情況，將傳統(tǒng)分析方法中的[0～1]評價區(qū)間擴展到(-∞～+∞)，正值更為精細地刻畫了事物屬于評價區(qū)間的程度，解決了隸屬度相近的問題，負值反映事物向評價區(qū)間轉(zhuǎn)化的可能，以此獲得研究對象的發(fā)展水平及變化趨勢。

2 電網(wǎng)發(fā)展診斷指標體系的重構(gòu)

為客觀、科學地量化診斷電網(wǎng)發(fā)展水平，需建立多維度、多層級的指標體系。指標體系應兼有理論依據(jù)與現(xiàn)實意義，既滿足科學性、全面性、系統(tǒng)性、可操作性、動態(tài)性的要求，又考慮目前電網(wǎng)既有信息化系統(tǒng)的既有數(shù)據(jù)及其可獲取性，以確保數(shù)據(jù)真實，分析有效。

現(xiàn)有的電網(wǎng)發(fā)展診斷指標體系包含有88個指標，由電網(wǎng)指標及經(jīng)營指標構(gòu)成。電網(wǎng)指標主要反映電網(wǎng)在建設規(guī)模、安全運行、利用效率、設備壽命和裝備水平方面的發(fā)展情況；經(jīng)營指標主要反映企業(yè)盈利能力、投資能力和地方政府對電網(wǎng)建設的政策支持情況?，F(xiàn)有指標雖然比較全面，但各個指標之間基本相互獨立，缺乏協(xié)調(diào)和關(guān)聯(lián)分析，難以形成對電網(wǎng)發(fā)展診斷的整體評級。

針對這一情況，本文根據(jù)指標體系建立原則，將電網(wǎng)發(fā)展水平分為電網(wǎng)發(fā)展速度協(xié)調(diào)性、電網(wǎng)發(fā)展規(guī)模協(xié)調(diào)性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性、電網(wǎng)安全可靠性、設備水平、電網(wǎng)利用效率、電網(wǎng)發(fā)展效益7個維度。各維度既相互影響，又相互制約。

電網(wǎng)發(fā)展速度協(xié)調(diào)性綜合考慮GDP、電源裝機、負荷、電量增長情況，體現(xiàn)電網(wǎng)建設速度是否適中。

電網(wǎng)發(fā)展規(guī)模協(xié)調(diào)性綜合考慮電網(wǎng)容載比及可擴建主變?nèi)萘空急?，從?guī)模上分析各級電網(wǎng)建設能否滿足當前負荷供電需要，分析電網(wǎng)輸電線路和變電建設對負荷增長的適應性。

電網(wǎng)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性利用滿足互聯(lián)結(jié)構(gòu)的線路比率描述電網(wǎng)結(jié)構(gòu)形態(tài)，分析電網(wǎng)聯(lián)絡情況。

電網(wǎng)安全可靠性在考慮電網(wǎng)轉(zhuǎn)供能力的前提下，結(jié)合可能導致發(fā)生各類事故的安全隱患數(shù)量，分析不同電壓等級電網(wǎng)安全穩(wěn)定性和供電可靠率。

設備水平指標中，設備強迫停運率及可用系數(shù)反映設備運行維護水平，設備運行年限反映退役主設備的實際壽命，智能變電站比例反映裝備水平，整體反映設備水平對電網(wǎng)運行的影響。

電網(wǎng)利用效率主要分析電網(wǎng)中線路和變壓器兩類主要輸變電設備的容量利用率，體現(xiàn)電網(wǎng)對提高資產(chǎn)使用效率這一目標的實現(xiàn)水平。

電網(wǎng)發(fā)展效益指標中，單位電網(wǎng)投資增供負荷、單位電網(wǎng)投資增售電量、單位電網(wǎng)資產(chǎn)售電收入從經(jīng)營效益角度反映電網(wǎng)投資的針對性、合理性和有效性。線損率從能量損失角度反映電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性。

本文利用層次分析結(jié)構(gòu)模型，重新構(gòu)建的指標體系及各指標類型如圖1所示。

圖1 評價指標體系重構(gòu)Fig.1 Reconstruction of evaluation index system

3 電網(wǎng)發(fā)展診斷的物元分析模型

為對電網(wǎng)發(fā)展水平進行定量與定性的分析，需量化上述指標體系中單個指標與評價區(qū)間的關(guān)系，本文利用物元分析中的物元模型和關(guān)聯(lián)函數(shù)實現(xiàn)。

3.1 電網(wǎng)發(fā)展診斷物元模型

物元模型是以給定事物的名稱N、特征c和其值v來描述研究對象。有序三元組R=(N,c,v)為描述事物的基本元，簡稱物元。對擁有多個特征c1、c2…cn的事物，可以相應的量值v1、v2…vn來描述，表示為

(1)

將各指標評價結(jié)果分為優(yōu)、良、中、合格、差5個等級，建立經(jīng)典域物元、節(jié)域物元、待評估物元三種表示形式。

(1)經(jīng)典域物元

經(jīng)典域物元表示各等級特征的取值區(qū)間，其表示為

(2)

式中:Nj為第j等級的電網(wǎng)發(fā)展水平；c1～cn為第j等級的各指標；(an,bn)表示在第j等級的電網(wǎng)發(fā)展水平下cn的取值區(qū)間。

(2)節(jié)域物元

節(jié)域物元表示全體特征的取值區(qū)間，其表示為

(3)

式中:N為全體等級的電網(wǎng)發(fā)展水平；c1～cn為全體等級的各指標；(cn,dn)表示在全體等級的電網(wǎng)發(fā)展水平下cn的取值區(qū)間。

(3)待評估物元

待評估物元表示待評估的各指標測量數(shù)據(jù)，其表示為

(4)

式中:N0為待評估的電網(wǎng)發(fā)展水平；c1～cn為待評估電網(wǎng)水平中的各指標；xn表示cn的測量數(shù)據(jù)。

3.2 確定指標層關(guān)聯(lián)度

在確定經(jīng)典域物元、節(jié)域物元、待評估物元后，可以用關(guān)聯(lián)函數(shù)量化待評估物元與經(jīng)典域物元、節(jié)域物元之間的相似程度[20]。

當X0=(a,b)，X=(c,d)且X0?X時，設獲得最佳效果的最優(yōu)取值為x0，關(guān)聯(lián)函數(shù)

(5)

其中，

(6)

(7)

若x0=a,使用左側(cè)距公式

(8)

若x0=b,使用右側(cè)距公式

(9)

根據(jù)各指標的現(xiàn)實意義，可將指標分為成本型、效益型和適中型三種[21]。對于成本型指標，其值越小電網(wǎng)發(fā)展水平越高，應使用左側(cè)距公式[22]。對于效益型指標，其值越大電網(wǎng)水平越高，應使用右側(cè)距公式。對于適中型指標，電網(wǎng)發(fā)展水平隨其值增大先升高再降低，此時需根據(jù)實際指標數(shù)據(jù)與各等級取值范圍的大小關(guān)系確定使用左側(cè)距公式還是右側(cè)距公式。

關(guān)聯(lián)函數(shù)有如下性質(zhì)：若關(guān)聯(lián)函數(shù)大于0，表示被評價指標符合該等級特征，數(shù)值越大則符合程度越大；若關(guān)聯(lián)函數(shù)小于0，說明被評價指標不符合該等級特征但具有轉(zhuǎn)化為符合該等級特征的條件，其數(shù)值越大轉(zhuǎn)化趨勢越大[23]。

3.3 確定準則層及目標層關(guān)聯(lián)度

在獲得各指標關(guān)于各等級的關(guān)聯(lián)值矩陣K后，需利用層次分析結(jié)構(gòu)，通過指標層關(guān)聯(lián)度與其指標權(quán)重繼續(xù)復合運算可獲得準則層指標的關(guān)聯(lián)度，以此類推可獲得目標層關(guān)聯(lián)度。

本文采用AHP1-9標度法確定各權(quán)重矢量W=[w1,w2,…wn]。準則層及目標層關(guān)聯(lián)度可通過加權(quán)計算獲得

KA=WB·KB

(10)

式中：KA代表上層關(guān)聯(lián)度；KB代表下層關(guān)聯(lián)度；WB代表下層關(guān)聯(lián)度所對應權(quán)重矢量。

在獲得最終目標層對于各等級的關(guān)聯(lián)度后，根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則，可以獲得電網(wǎng)發(fā)展水平的最終診斷等級，最終實現(xiàn)由各指標數(shù)據(jù)實現(xiàn)電網(wǎng)發(fā)展診斷。由于關(guān)聯(lián)度的大小可反映發(fā)展水平對各個等級的關(guān)聯(lián)程度，因此對于屬于同一等級的不同地區(qū)，可根據(jù)關(guān)聯(lián)度數(shù)值大小進行對比。

4 實例分析與應用

隨著泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的建設，電力系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化、信息化水平不斷提升，數(shù)據(jù)源不斷增多，電力大數(shù)據(jù)平臺逐步搭建，可實現(xiàn)不同類數(shù)據(jù)的接入整合及統(tǒng)計結(jié)果的自動生成[24]。例如，利用電網(wǎng)規(guī)劃分析平臺可獲取電網(wǎng)規(guī)模、電網(wǎng)拓撲、用電量、用電負荷等規(guī)劃數(shù)據(jù)，集成發(fā)、輸、變、配、用、調(diào)等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)、能量管理系統(tǒng)(EMS)、電量采集系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)(MIS)、電力設備在線監(jiān)測系統(tǒng)等，可完成對各類運行數(shù)據(jù)的采集。同時，各類針對大數(shù)據(jù)的智能算法廣泛應用于電力系統(tǒng)，如人工免疫算法、蟻群優(yōu)化算法、粒子群算法、遺傳算法等[25]。通過上述數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)治理的方法和體系，實現(xiàn)海量、多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)的有效整合和數(shù)據(jù)質(zhì)量提升[26]，為物元分析方法在電網(wǎng)發(fā)展診斷中的研究與應用提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。

現(xiàn)利用上述基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，以某省電網(wǎng)為例，驗證所建立指標體系及診斷模型的可行性。將各指標確定為k1、k2、k3、k4、k5五個等級，分別表示“優(yōu)”“良”“中”“合格”“差”。各等級劃分標準及某省電網(wǎng)各指標數(shù)據(jù)見表1所示。

表1 各指標等級劃分及某省電網(wǎng)實測值

經(jīng)典域物元Rj表示各等級的指標取值區(qū)間，為

其中符號意義舉例說明如下：

R1表示電網(wǎng)發(fā)展水平為“優(yōu)”的評價區(qū)間的物元形式；N1表示該事物的名稱為“電網(wǎng)發(fā)展水平為‘優(yōu)’的評價區(qū)間”；c11表示事物的第一個特征為“GDP年增長率”；(0,2)表示事物N1關(guān)于c11特征的取值范圍在0到2的區(qū)間內(nèi)。

節(jié)域物元Rp表示全體等級的指標取值區(qū)間，為

其中符號意義舉例說明如下：

N表示該事物的名稱為“電網(wǎng)發(fā)展水平總體評價區(qū)間”；c11表示事物的第一個特征為“GDP年增長率”；(0,15)表示事物“GDP年增長率”的總體評價范圍在0到15的區(qū)間內(nèi)。

待評估物元R表示待評估的各指標測量數(shù)據(jù)，為

其中符號意義舉例說明如下：

N0表示該事物的名稱為“待評價的測量數(shù)據(jù)”；c11表示事物的第一個特征為“GDP年增長率”；11.37表示GDP年增長率的實測值。

將上述三種物元模型代入式(5)～(9)中，即可得各指標關(guān)于不同等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)值，見表2所示。

結(jié)合國家電網(wǎng)“電網(wǎng)發(fā)展診斷分析大綱”的要求，電網(wǎng)建設和運行的主要任務是在確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和可靠供電的同時，提高電網(wǎng)投資效益。利用AHP1-9標度法，根據(jù)專家評價打分，給出指標層對準則層、準則層對目標層的判斷矩陣。例如，“電網(wǎng)發(fā)展規(guī)模協(xié)調(diào)性”準則中，指標層對準則層的判斷矩陣為

依次進行層次單排序、層次總排序、一致性檢驗后[27]，可得到權(quán)重矢量：

其余各權(quán)重用相同方法獲得，結(jié)果見表2所示。

將各權(quán)重及關(guān)聯(lián)度結(jié)果代入式(10)中，可得最終某省電網(wǎng)發(fā)展水平關(guān)聯(lián)度為

K=[-0.148 9-0.205 6-0.143 4-0.364 3-0.526 4]

根據(jù)最大關(guān)聯(lián)度原則，某省電網(wǎng)發(fā)展水平的最終診斷等級為“中”。根據(jù)關(guān)聯(lián)函數(shù)性質(zhì)，對診斷結(jié)果進行分析。

各指標所處等級可反映出電網(wǎng)當前存在的主要問題。例如，由關(guān)聯(lián)度計算結(jié)果可以看出，“線路互聯(lián)率”指標僅屬于“中”級水平。這與目前某省電網(wǎng)局部地區(qū)缺少220 kV變電站布點，110 kV線路供電距離較遠的實際情況相吻合?！?00 kV短路電流超過開關(guān)遮斷容量80%母線節(jié)點占比”指標僅屬于“合格”水平，這與某省電網(wǎng)通過500 kV線路與天津、華中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)，成為聯(lián)結(jié)東北、華北和華中的大通道后，電網(wǎng)運行方式多處受限，短路容量劇增有關(guān)，使得該問題突出[28]。

各指標的轉(zhuǎn)化趨勢可為后續(xù)提高電網(wǎng)發(fā)展水平提供參考。例如，“智能變電站比例”與“線損率”兩項指標都屬于“合格”等級，且向“差”等級轉(zhuǎn)化的趨勢比向“中”等級轉(zhuǎn)化的趨勢大。因此，可重點關(guān)注這兩項指標并進行改善。這與《某省“十三五”電力發(fā)展規(guī)劃》中“結(jié)合‘大智移云’引領計劃，推進電網(wǎng)智能化發(fā)展”和“降低綜合線損率，推進節(jié)能減排”的重點任務相一致。

表2 關(guān)聯(lián)函數(shù)值及權(quán)重

通過類比對某省電網(wǎng)的分析過程，可以將各省電網(wǎng)發(fā)展水平分為四類。第一類是江蘇電網(wǎng)，電網(wǎng)發(fā)展水平高，各項指標等級都較高且多數(shù)指標呈現(xiàn)向更優(yōu)等級轉(zhuǎn)化的趨勢，體現(xiàn)了電網(wǎng)發(fā)展的先進水平，可繼續(xù)推進電能替代，提升供電服務水平，維持售電量穩(wěn)定增長。第二類包括陜西、北京、上海、江西、重慶、天津，電網(wǎng)發(fā)展綜合診斷結(jié)果較高，但是各項指標發(fā)展不平衡，各指標等級差距明顯。第三類包括浙江、山西、河南、山東、吉林、冀北、四川、福建、湖北、遼寧、湖南、黑龍江、河北，各項指標較為均衡，可以在優(yōu)化資源配置的同時保持電網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展。第四類包括新疆、寧夏、青海、蒙東、甘肅、西藏，受地域、交通等因素的影響，各項指標等級都較低，需要加強基本設施建設，發(fā)展技術(shù)經(jīng)濟[29]。

5 結(jié) 論

本文針對物元分析方法及其在電網(wǎng)發(fā)展診斷中的應用展開研究，得到以下結(jié)論：

(1)依據(jù)指標體系建立原則，重構(gòu)了反映電網(wǎng)發(fā)展速度協(xié)調(diào)性、電網(wǎng)發(fā)展規(guī)模協(xié)調(diào)性、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性、電網(wǎng)安全可靠性、設備水平、電網(wǎng)利用效率、電網(wǎng)發(fā)展效益7個維度的指標體系，并給出構(gòu)建原則及指標選擇依據(jù)。

(2)利用物元分析方法構(gòu)造了電網(wǎng)發(fā)展診斷的物元分析模型，利用關(guān)聯(lián)函數(shù)反映電網(wǎng)整體發(fā)展水平及各指標變化趨勢。

(3)通過實例分析與應用，表明該模型可確定各電網(wǎng)整體發(fā)展水平，對比各電網(wǎng)之間差異，發(fā)現(xiàn)各電網(wǎng)發(fā)展存在的問題，為進一步改進和提高電網(wǎng)發(fā)展水平提供依據(jù)。

本文驗證了將物元分析法應用于電網(wǎng)發(fā)展診斷中，可以較準確地評價電網(wǎng)發(fā)展水平，較好地預測各指標的變化趨勢及整體的發(fā)展情況，為明確改進重點、確立發(fā)展政策提供依據(jù)。下一步將對物元模型中等級標準、經(jīng)典域、節(jié)域的界定問題開展進一步的研究。