一種配電網(wǎng)中低壓改造項目的優(yōu)化決策方法

劉 洋,李夢陽，張學(xué)新,李 晶,吳永華,葉 青, 徐春山,范 典,周 信

(1.國網(wǎng)孝感供電公司,湖北 孝感 432000;2.湖北工程學(xué)院 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計學(xué)院,湖北 孝感 432000)

隨著經(jīng)濟發(fā)展及人民生活水平的提高，本地用電負(fù)荷持續(xù)快速增長，配電網(wǎng)供電能力與用電需求水平的矛盾日益突出。同時，配電網(wǎng)中低壓項目改造決策存在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)點繁多、人工經(jīng)驗預(yù)判準(zhǔn)確性不高和效率低下等問題，在配網(wǎng)改造資金有限的情況下，亟需開展配電網(wǎng)中低壓改造項目迫切度分析工作，為配電網(wǎng)改造和電網(wǎng)規(guī)劃提供參考，不斷提升配電網(wǎng)的供電能力。

關(guān)于配電網(wǎng)中低壓改造項目問題的研究，已有的文獻(xiàn)分為兩類：定性的建議與量化的分析。曾麗等[1]選擇配電網(wǎng)10 kV饋線重過等5個指標(biāo)，應(yīng)用層次分析法討論了廣州某區(qū)域中低壓配電網(wǎng)改造方案迫切程度。賀少文[2]、金勝松和周鵬[3]從電力負(fù)荷的預(yù)測、站點的選擇及配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建設(shè)方面，安全可靠，經(jīng)濟可擴充性原則討論中低壓配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的關(guān)鍵問題。鐵宏建和朱明政[4]則補充了合理選擇供電半徑、選擇導(dǎo)線截面和桿型，科學(xué)開展變壓器臺區(qū)改造等中低壓配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)的關(guān)鍵問題。嚴(yán)松[5]提出抓住網(wǎng)格化，重點關(guān)注結(jié)構(gòu)好的配電網(wǎng)建設(shè)改造項目需求管理的優(yōu)化思路。曹為[6]則局限于一個單位，討論醫(yī)院的供配電系統(tǒng)，在信息化配網(wǎng)基礎(chǔ)上提出中低壓配網(wǎng)精細(xì)化管理。但是對于較大區(qū)域，信息化配網(wǎng)并不便捷。在量化分析方面，張偉明[7]分別采用層次分析法和兩步聚類算法，對饋線主干長度和線損率等7個指標(biāo)及配電臺區(qū)過載相關(guān)的4個指標(biāo)，建立模型分析配電網(wǎng)項目迫切度，最后將臺區(qū)分為3個子類臺區(qū)：老舊和過載問題同時存在的臺區(qū)；老舊、過載、低電壓、重載問題均不存在的臺區(qū)；只有老舊問題的存在臺區(qū)。本文以生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)PMS2.0、營銷管理系統(tǒng)SG186、調(diào)度自動化系統(tǒng)iES600、設(shè)備(資產(chǎn))運維精益管理系統(tǒng)(GIS系統(tǒng))、電能量計量系統(tǒng)TMR和用電信息采集系統(tǒng)六大系統(tǒng)的電網(wǎng)參數(shù)及運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用大數(shù)據(jù)采集、清洗、整理歸類等方法預(yù)處理數(shù)據(jù)，再綜合應(yīng)用統(tǒng)計方法建立優(yōu)化模型，其中結(jié)合層次分析法，采用DEMATEL方法和交叉增援矩陣法計算改造迫切度，層次分析法模型的主要指標(biāo)包括10 kV饋線主干長度、主干截面等7個方面問題的故障診斷信息。同時采用兩步聚類算法挖掘臺區(qū)項目改造優(yōu)先區(qū)域。最后顆粒化管理項目，使項目儲備與星級問題相對應(yīng)，確保項目需求與電網(wǎng)發(fā)展銜接，并將結(jié)果融合至Superset實現(xiàn)圖表實現(xiàn)可視化展示。

1 分析過程

1.1 統(tǒng)計方法

層次分析法是關(guān)于目標(biāo)、多方案優(yōu)化決策的系統(tǒng)方法，它首先把復(fù)雜問題的組成因素拆分成有序的遞階層次結(jié)構(gòu)，再量化人們的主觀判斷，逐層建立判斷矩陣，求解各判斷矩陣的權(quán)重，最后獲得最優(yōu)方案的排序。

在解決問題的過程中，層次分析法使用了三個原理：優(yōu)先級的分解，比較和綜合。

分解原理應(yīng)用于構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)，其中同級水平的元素相互獨立。從最高的一級目標(biāo)層開始，到支撐目標(biāo)的第二級準(zhǔn)則，再到第三級子準(zhǔn)則等若干準(zhǔn)則層，一直到最底層的備選方案措施層。

比較判斷的原理應(yīng)用于構(gòu)建一個兩兩比較倒數(shù)矩陣A，它的元素A(i,j)是低層水平上的元素兩兩之間關(guān)于其上層水平的每個元素相對重要性(優(yōu)先度)，A的主要特征向量給出了優(yōu)先級。

第三個原理是對某個層的所有元素，以優(yōu)先度為權(quán)重，并進(jìn)行加權(quán)求和，得到綜合指數(shù)。

可以看出，層次分析法是不使用三段論確實行演繹思維和歸納思維的一個非線性框架。它通過同時考慮多個因素并允許依賴和反饋，并進(jìn)行數(shù)值折衷以獲得綜合評價，所以用它作為決策分析具有合理的方面。

兩步聚類分析是一種統(tǒng)計方法，可以自動識別數(shù)據(jù)集中的相似人群或?qū)ο?。相比傳統(tǒng)的聚類方法(如均值聚類算法)，兩步聚類分析也被認(rèn)為更可靠和更加準(zhǔn)確，對連續(xù)和分類數(shù)據(jù)都有效的聚類技術(shù)[8]。兩步聚類允許保留數(shù)據(jù)完整的信息，不需要對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，因而其結(jié)果能提供豐富的解釋。兩步聚類可兼顧處理數(shù)值型變量與分類型變量、自動處理異常值，舍棄或歸入最近的類，比較適用于大型數(shù)據(jù)集的挖掘，所以本項目的優(yōu)化模型第二部分也應(yīng)用了兩步聚類算法，并進(jìn)行了改進(jìn)，即對數(shù)據(jù)的其他非正態(tài)分布檢驗時，我們使用非參數(shù)檢驗代替t-檢驗，從統(tǒng)計上檢驗聚類之間是否存在顯著性差異。

兩步聚類分析包含預(yù)聚類和聚類兩步。第一步，通過構(gòu)建聚類特征樹將原始案例聚類。在第二步，使用標(biāo)準(zhǔn)層次聚類算法，形成分層的聚類，允許探索具有不同數(shù)量聚類的解決方案。對于產(chǎn)生的多個解決方案，它能根據(jù)Schwarz的貝葉斯信息標(biāo)準(zhǔn)(Bayes information criterion,BIC)歸納出最優(yōu)的聚類數(shù)目。一旦形成集群解決方案，就需要實施三種驗證。首先，內(nèi)聚和分離的輪廓度量必須高于設(shè)定的0.05的顯著性水平，以表明集群內(nèi)距離和集群間距離是有效的。其次，分別對分類變量和連續(xù)變量執(zhí)行χ2檢驗和t-檢驗[9]，以識別聚類中各個變量的重要性，并指出聚類之間的顯著差異。如果聚類里某個變量的統(tǒng)計信息的絕對值大于臨界值，則該變量被認(rèn)為在區(qū)分某個聚類不同于其他聚類時是重要的。第三，減半后的最終聚類解決方案必須相似(如群集的大小，數(shù)量和特征)。

下面詳述兩步聚類分析方法的統(tǒng)計指標(biāo)。

(1)

顯然，對數(shù)似然距離是一種基于概率的距離。當(dāng)兩個聚類合并為一個聚類時，它們之間的距離與對數(shù)似然性的減少有關(guān)。在預(yù)聚類步驟中，掃描數(shù)據(jù)中的所有情況，并測量它們之間的對數(shù)似然距離，以某個閾值距離準(zhǔn)則確定它們是否將形成預(yù)簇。在第二步中，使用凝聚聚類算法，把來自于預(yù)聚簇步驟的聚類集聚為最佳數(shù)量的聚類。這時第一步的每個子聚類被視為單個記錄，如果它們滿足(1)中的最小距離閾值，則再被合并為一個大記錄，直到所有數(shù)據(jù)記錄被集聚成一個群集中。

如果未預(yù)先確定所需的聚類數(shù)量，則算法可以使用Schwarz的貝葉斯準(zhǔn)則(BIC)或赤池信息標(biāo)準(zhǔn)(AIC)自動確定最佳數(shù)量。設(shè)聚類數(shù)量為J，數(shù)據(jù)集總觀測值個數(shù)(總記錄)N，則有：

(2)

(3)

(4)

由此，所有樣本點的平均輪廓系數(shù)為

(5)

下面就10 kV饋線迫切度和10 kV臺區(qū)迫切度各自從三個層面介紹以上統(tǒng)計方法的應(yīng)用結(jié)果。

1.2 10 kV饋線迫切度計算

1)數(shù)據(jù)層。配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)流主要由實時數(shù)據(jù)流、離線數(shù)據(jù)流和在線數(shù)據(jù)查詢組成，對配電網(wǎng)饋線主干長度、主干截面、裝接容量、重過載、可轉(zhuǎn)供比例、接線模式和線損率等數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝整理，得到迫切度分析數(shù)據(jù)樣本，選取其中的5條10 kV饋線作為測試數(shù)據(jù)樣本。

2)方法層。中壓配電網(wǎng)線路項目涉及線路和設(shè)備繁多，且需綜合考慮改造效果、資金計劃、供電可靠性、電能質(zhì)量和經(jīng)濟效益等因素，傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法難以對其進(jìn)行統(tǒng)一、整體的建模，為此，選擇層次分析法及其改進(jìn)的方法。

通過改進(jìn)層次分析法，建立配電網(wǎng)饋線改造項目綜合評價體系，在資金一定的約束下，對線路存在問題的多少與嚴(yán)重程度進(jìn)行細(xì)致分析，提出線路改造項目迫切度的概念，即線路指標(biāo)不合格對電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行影響的嚴(yán)重程度折算值，并采用基于DEMATEL方法及交叉增援矩陣法的改進(jìn)層次分析法計算指標(biāo)權(quán)重，將線路指標(biāo)不合格值與權(quán)重值相乘并累加計算線路改造迫切值。

以總項目投資額固定等為約束條件，以線路迫切度改善最大為目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)化模型，可在有限的資金約束下更科學(xué)、有效地安排建設(shè)與改造項目的優(yōu)先次序。最后建立了層次分析法3層模型，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 層次分析法分模型層次結(jié)構(gòu)

對數(shù)據(jù)樣本計算得到的饋線改造迫切度綜合值如表1所示。

表1 饋線指標(biāo)不合格值折算表

3)應(yīng)用層。把迫切度計算結(jié)果以數(shù)據(jù)可視化的方式在衛(wèi)星地圖上顯示。饋線改造迫切度由高至低依次為巡58楊坡線(紅色)、巡55桑樹線(黃色)、巡53八里線(綠色)、巡56巡店線(青色)、巡59高店線(藍(lán)色)，展示效果如圖2所示。

圖2 迫切度分析結(jié)果在衛(wèi)星地圖中的展示

1.3 10 kV臺區(qū)迫切度計算

1)數(shù)據(jù)層。從相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)獲取臺區(qū)的經(jīng)緯度坐標(biāo)、重過載、運行年限、低電壓等信息，建立臺區(qū)問題聚類數(shù)據(jù)庫，選取云夢公司存在問題的臺區(qū)作為數(shù)據(jù)樣本。

2)方法層。對臺區(qū)過載、重載、老舊、低電壓等問題采取兩步聚類算法，判斷是否重復(fù)出現(xiàn)低電壓、是否成片出現(xiàn)低電壓、是否監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量問題、是否屬于管理手段可解決的問題、是否確需納入配電網(wǎng)項目解決以及先前投資安排策略是否合理，確定臺區(qū)改造迫切度，結(jié)果見圖3。

圖3 樣本聚類結(jié)果

3)應(yīng)用層。云夢公司375個臺區(qū)共聚為3類，如圖4所示。

圖4中白線為區(qū)縣行政邊界，可以看出問題臺區(qū)主要分布在縣公司的西部和南部，由此可以得到如下結(jié)論：

同時存老舊和過載問題的臺區(qū)為聚類-1，占比18.4%，此類問題最迫切，共69臺，應(yīng)優(yōu)先解決此類臺區(qū)，約需改造資金1700萬元。

樣本臺區(qū)中老舊問題最為突出，聚類-3為只存在老舊問題的臺區(qū)，占比高達(dá)67.7%，對此類問題臺區(qū)宜可結(jié)合負(fù)荷發(fā)展逐步通過整體統(tǒng)籌方案解決。

圖4 樣本聚類結(jié)果空間展示

2 項目應(yīng)用成效

1)本項目應(yīng)用于孝感2017年第二批配電網(wǎng)項目評審，通過層次分析法計算得到101條線路項目迫切度，如圖5所示。

圖5 孝感2017年第二批配電網(wǎng)線路項目迫切度分析

通過本項目的實施可以為配電網(wǎng)線路項目評審提供既兼顧了專家經(jīng)驗又較為客觀且符合投資導(dǎo)向的迫切度評價。

2)配電網(wǎng)規(guī)劃。電網(wǎng)規(guī)劃以問題和需求為導(dǎo)向，通過項目迫切度數(shù)據(jù)分析，明確問題和需求所處的區(qū)域，確定配電網(wǎng)規(guī)劃的重點區(qū)域。

3)中低壓項目評審。以饋線迫切度改善最大為目標(biāo)函數(shù)，總項目投資等為約束條件，建立配電網(wǎng)優(yōu)化改造模型，以使資金得到最大限度使用，有效安排項目改造順序。

4)中低壓項目后評價。對已投產(chǎn)中低壓項目進(jìn)行項目后評價，可改進(jìn)投資決策管理，完善相關(guān)政策措施，提高科學(xué)管理水平，為今后中低壓項目建設(shè)提供經(jīng)驗。

3 討論

本項目的統(tǒng)計方法目前已經(jīng)應(yīng)用于如下多個方面。

1)已應(yīng)用Ambari 2.6.0.0在VMware虛擬機上安裝Hortonworks公司HDP-2.6.3.0版大數(shù)據(jù)4機集群測試平臺。

在臺區(qū)風(fēng)險預(yù)警方面，與區(qū)縣公司開展臺區(qū)所屬單相用戶相位識別研究合作，針對三相不平衡臺區(qū)列出所有單相用戶相位明細(xì)，根據(jù)偏相嚴(yán)重程度下達(dá)臺區(qū)風(fēng)險預(yù)警。

2)已實現(xiàn)按臺區(qū)自動召測該臺區(qū)下所有用戶的電壓。

3)未來可在電網(wǎng)現(xiàn)狀分析方面，組建規(guī)劃大數(shù)據(jù)工作室，搭建大數(shù)據(jù)平臺，通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲獲取線路與臺區(qū)的運行數(shù)據(jù)，根據(jù)電網(wǎng)診斷指標(biāo)，形成電網(wǎng)現(xiàn)狀分析報告。還需要與臺區(qū)風(fēng)險預(yù)警方面進(jìn)行整合。