層次分析法和支持向量機的電網(wǎng)規(guī)劃方案評估與優(yōu)選

王 霞，鄔擁軍

(內(nèi)蒙古電力(集團)有限責任公司鄂爾多斯電業(yè)局，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引言

近年來，我國電網(wǎng)電壓等級逐漸升高，具有生態(tài)環(huán)保的綠色電網(wǎng)吸引眾多投資者，對電網(wǎng)規(guī)劃方案合理性以及科學性需求逐漸升高。電網(wǎng)規(guī)劃決策需綜合考慮投資回報收益性、環(huán)保生態(tài)性、綜合安全性、占地情況以及美觀性等綜合性能[1-3]。

電網(wǎng)規(guī)劃方案評估與優(yōu)選屬于電網(wǎng)規(guī)劃決策問題，電網(wǎng)規(guī)劃決策問題是規(guī)劃電網(wǎng)基礎(chǔ)上綜合考慮各種規(guī)劃方案合理性、經(jīng)濟性以及發(fā)展性，通過綜合評估結(jié)果選取最優(yōu)規(guī)劃方案，電網(wǎng)規(guī)劃方案評估存在眾多不確定性因素，影響電網(wǎng)規(guī)劃方案評估因素較復雜，評估與優(yōu)選面臨巨大挑戰(zhàn)[4-5]。程耀華等[6]研究了可再生能源并網(wǎng)的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案綜合評價，針對高比例可再生能源并網(wǎng)的特點，從可再生能源消納壓力、可再生能源的強不確定性等方向綜合評價輸電網(wǎng)規(guī)劃方案；朱天曈等[7]、楊楠等[8]、李利娟等[9]提出改進TOPSIS法和德爾菲-熵權(quán)綜合權(quán)重法的電網(wǎng)規(guī)劃方案綜合決策方法，該方法引入絕對理想點以及投影法改進TOPSIS法，有效提升電網(wǎng)規(guī)劃方案決策和有效性。但是這些方法均沒有考慮指標之間的差異性，致使電網(wǎng)規(guī)劃方案評估準確性低。

為了提高電網(wǎng)規(guī)劃方案評估的準確性，選擇更優(yōu)的電網(wǎng)規(guī)劃方案，提出了基于層次分析法和支持向量機的電網(wǎng)規(guī)劃方案評估與優(yōu)選方法，并與其他方法進行了對比測試，驗證本文方法的優(yōu)越性。

1 層次分析法和支持向量機的電網(wǎng)規(guī)劃方案評估與優(yōu)選方法

1.1 構(gòu)建電網(wǎng)規(guī)劃方案評估的指標體系

在進行電網(wǎng)規(guī)劃方案評估過程中，需先明確電網(wǎng)規(guī)劃決策目標，依據(jù)所需實現(xiàn)目標分析相關(guān)因素，并將影響評估目標因素通過分類建立清晰的層次結(jié)構(gòu)，便于最終電網(wǎng)規(guī)劃方案的評估與優(yōu)選[10]。綜合優(yōu)越性評分最優(yōu)設(shè)置為決策目標，建立電網(wǎng)規(guī)劃評估指標體系如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)規(guī)劃方案評估指標體系次結(jié)構(gòu)

由圖1可知，決策目標包括可靠性、協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟性以及社會性4個屬性，4個屬性共包含16個下層屬性，將眾多屬性結(jié)合，建立存在關(guān)聯(lián)的樹狀層次結(jié)構(gòu)[11]。

1.2 層次方法確定電網(wǎng)規(guī)劃方案評估的指標權(quán)值

不同的指標對電網(wǎng)規(guī)劃方案評估結(jié)果的貢獻是不相同的，為此本文引入層次分析法獲取不同電網(wǎng)規(guī)劃方案相對于總目標的綜合權(quán)重，利用相對重要性評估綜合權(quán)重，將不同方案相對綜合優(yōu)越性評分作為不同電網(wǎng)規(guī)劃方案綜合權(quán)重獲取方式[12-13]。

將指標內(nèi)原始數(shù)據(jù)利用固定標度體系轉(zhuǎn)化至規(guī)劃范格式，規(guī)劃范格式便于直接比較不同指標，以上過程即為標量化，設(shè)存在2個指標分別用i以及j表示，指標i與指標j比較結(jié)果用dij表示，指標j與指標i比較結(jié)果用dji表示，可得

(1)

利用特征向量法獲取不同層次評估指標相對權(quán)重，求解判斷矩陣的最大特征值λmax以及特征向量W，獲取權(quán)重向量(w1,w2,…,wn)。歸一化處理特征向量W，獲取不同層各評估指標相對于上層指標相對權(quán)重為

(2)

判斷矩陣一致性通過最大特征值利用相容性指標檢驗，具體為

CI=(λmax-n)/(n-1)

(3)

CI為一致性指標；n為判斷矩陣階數(shù)。當CI<0.1以及CI≥0.1時，分別認為判斷矩陣一致性可以接受以及無法接受。判斷矩陣無法接受時，需重新修改判斷矩陣[14]，重新計算修改后矩陣權(quán)重并再次檢驗判斷矩陣一致性，直至一致性檢驗通過為止。

1.3 支持向量機建立電網(wǎng)規(guī)劃方案評估模型

支持向量機是利用結(jié)構(gòu)風險最小化原則獲取理想輸出的分類器，設(shè)(xi,yi)，i=1,2,…,N表示訓練樣本集，xi與yi分別表示支持向量機輸入數(shù)據(jù)以及輸出數(shù)據(jù)，支持向量機分類器將輸入數(shù)據(jù)集利用非線性映射函數(shù)η()映射至高維特征空間，可得支持向量機函數(shù)模型為

f(x)=wTη(·)+b

(4)

w和b分別表示權(quán)值向量以及偏置量。

權(quán)值向量以及偏置量求解公式為：

(5)

(6)

支持向量機分類器對于求解高維特征空間的最優(yōu)超平面問題效果較優(yōu)[15]，利用二次優(yōu)化問題求解令支持向量機分類器輸出數(shù)據(jù)集誤差最小為

(7)

支持向量機分類器數(shù)學模型為

(8)

K()表示核函數(shù)，選取Gauss函數(shù)作為支持向量機分類器的核函數(shù)，其公式為

K(xi,xj)=exp(-‖xi-xj‖2/2h2)

(9)

h表示核函數(shù)寬度。

將利用層次分析法所確定電網(wǎng)規(guī)劃評估指標權(quán)重作為輸入樣本，電網(wǎng)規(guī)劃方案期望得分作為支持向量機輸出結(jié)果，通過支持向量機回歸建立電網(wǎng)規(guī)劃方案評估模型，并根據(jù)模型對待評估的電網(wǎng)規(guī)劃方案進行測試，輸出該電網(wǎng)規(guī)劃方案的得分，并根據(jù)得分選擇最優(yōu)電網(wǎng)規(guī)劃方案。

2 電網(wǎng)規(guī)劃方案評估與優(yōu)選的實例分析

2.1 測試對象

以某地電力系統(tǒng)500 kV網(wǎng)絡(luò)未來5年時間內(nèi)的3種規(guī)劃方案為例，采用3種電網(wǎng)規(guī)劃方案作為測試對象，電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)包含節(jié)點與支路數(shù)量分別為68個以及81個，其中包含發(fā)電機節(jié)點數(shù)量為41個，電網(wǎng)內(nèi)包括線型類型為2種。

2.2 評估結(jié)果分析

依據(jù)層次分析法確定的指標權(quán)值，采用支持向量機對3種方案進行評估結(jié)果，如圖2～圖5所示。由圖2～圖5可以看出，方案1成本最低，但安全穩(wěn)定性最差；方案2與方案3均滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定性需求，但方案2的可靠性差，因此方案3為3種電網(wǎng)規(guī)劃方案中最優(yōu)方案。選擇方案3為該電網(wǎng)規(guī)劃的最佳方案，這與實際情況相同，實驗結(jié)果驗證本文方法可有效、合理評估與優(yōu)選電網(wǎng)規(guī)劃方案。

圖2 社會性指標評估結(jié)果

圖3 可靠性指標評估結(jié)果

圖4 經(jīng)濟性指標評估結(jié)果

圖5 適應(yīng)性指標評估結(jié)果

2.3 選擇最優(yōu)方案的優(yōu)越性分析

為驗證本文方法優(yōu)選電網(wǎng)規(guī)劃方案3是否可靠，采用MATLAB仿真軟件分別將3種方案應(yīng)用于該500 kV電網(wǎng)內(nèi)，采用仿真軟件模擬3種電網(wǎng)規(guī)劃方案下的電網(wǎng)于2018年9月—2019年8月運行情況，電網(wǎng)運行費用對比結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，方案3所規(guī)劃電網(wǎng)運行費用低于方案2與方案1，驗證了本文方法優(yōu)選的方案3具有較高的經(jīng)濟性。

圖6 3種方案運行費用對比

電網(wǎng)故障次數(shù)對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 3種方案故障次數(shù)對比

由圖7模擬結(jié)果可以看出，采用3種方案規(guī)劃電網(wǎng)，長期運行時方案3的電網(wǎng)故障次數(shù)明顯低于方案1與方案2，表明方案3具有較高的運行穩(wěn)定性，故障次數(shù)低，規(guī)劃電網(wǎng)具有較高的安全性能，符合電網(wǎng)長期運行的安全穩(wěn)定性要求。

負載率作為電網(wǎng)運行可靠性的重要評估指標，可有效體現(xiàn)電網(wǎng)的運行性能，電網(wǎng)最大負載率對比結(jié)果如圖8所示。由圖8可以看出，方案3最大負載率最低，明顯優(yōu)于方案1以及方案2，再次驗證本文方法選擇方案的優(yōu)越性，依據(jù)評估結(jié)果可以得到最佳電網(wǎng)規(guī)劃方案。

圖8 3種方案最大負載率對比結(jié)果

3 結(jié)束語

為獲得更優(yōu)的電網(wǎng)規(guī)劃方案，提出了層次分析法與支持向量機相結(jié)合的電網(wǎng)規(guī)劃方案評估模型，利用層次分析法綜合考慮電網(wǎng)規(guī)劃方案的技術(shù)性和經(jīng)濟性，建立了完整的電網(wǎng)規(guī)劃方案評估層次結(jié)構(gòu)，并通過支持向量機分類器將權(quán)重求解問題轉(zhuǎn)換至線性規(guī)劃問題，有效提升評估效率與評估精準性，實現(xiàn)電網(wǎng)規(guī)劃方案精準評估與優(yōu)選。并以某地某500 kV電網(wǎng)為例，利用該方法有效評估3種電網(wǎng)規(guī)劃方案，綜合考慮3種規(guī)劃方案的技術(shù)性以及經(jīng)濟性，最終選取方案3作為最優(yōu)電網(wǎng)規(guī)劃方案，通過仿真模擬軟件有效驗證該方法具有較高的評估有效性，可從眾多方案中選取最優(yōu)方案。