基于層次分析法的“十四五”終端通信接入網(wǎng)通信技術(shù)規(guī)劃

吳慶，王云棣，曾令康，孫云曉，陳閩林

(1. 國(guó)網(wǎng)信息通信產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司, 北京 102211；2. 國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院, 江蘇 南京 211103；3. 北京智芯微電子科技有限公司, 北京 102200)

0 引言

隨著國(guó)家電網(wǎng)有限公司“十三五”終端通信接入網(wǎng)的全面建設(shè)，公司已經(jīng)積累了大量的相關(guān)技術(shù)研究、產(chǎn)品研發(fā)、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、運(yùn)維管理經(jīng)驗(yàn)，但仍存在通信技術(shù)選型缺乏科學(xué)指導(dǎo)依據(jù)、接入網(wǎng)建設(shè)缺乏統(tǒng)籌規(guī)劃等問題。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展，電網(wǎng)末端將接入數(shù)量龐大功能各異的終端、產(chǎn)生更新更頻繁的業(yè)務(wù)交互、采集更全面更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，海量接入、廣域覆蓋、低成本、高可靠的通信接入網(wǎng)絡(luò)成為建設(shè)能源互聯(lián)網(wǎng)的必要。

因此，在“十四五”終端通信接入網(wǎng)規(guī)劃方面，需要選擇與應(yīng)用場(chǎng)景適配的通信技術(shù)。文獻(xiàn)[1-3]提出了基于層次分析的電力終端通信接入網(wǎng)綜合評(píng)價(jià)模型，但并未考慮不同場(chǎng)景下指標(biāo)體系權(quán)重的差異性，也未給出具體的技術(shù)選擇適配結(jié)論；文獻(xiàn)[4]主要圍繞終端通信接入網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行成本開展分析，但未考慮不同通信技術(shù)對(duì)建設(shè)和運(yùn)行成本的區(qū)別和影響；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了多技術(shù)融合的智能配用電終端通信接入3層架構(gòu)，但主要面向配電自動(dòng)化和用電信息采集，未考慮新興業(yè)務(wù)對(duì)接入網(wǎng)的需求；文獻(xiàn)[6]探討了終端通信接入網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行模式，僅從定性的角度提出了典型的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式；文獻(xiàn)[7-8]僅從通信技術(shù)本身的角度，分析總結(jié)了配用電通信網(wǎng)的規(guī)劃及適配模型，缺乏與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的關(guān)聯(lián)。

綜上，本文在建立層次分析法規(guī)劃模型的基礎(chǔ)上，充分考慮不同電力應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)模型指標(biāo)體系權(quán)重的影響，進(jìn)行綜合考慮和評(píng)分，提出具體的網(wǎng)絡(luò)典型配置原則，既可以適配現(xiàn)網(wǎng)電力業(yè)務(wù)，也可以為未來新興電力業(yè)務(wù)接入網(wǎng)選型提供參考。

1 基于層次分析法的規(guī)劃匹配模型

1.1 模型建立背景

在能源體系結(jié)構(gòu)性變革過程中，能源互聯(lián)網(wǎng)以電網(wǎng)客戶需求和電網(wǎng)企業(yè)發(fā)展為導(dǎo)向，將源、網(wǎng)、荷等聯(lián)系在一起[9]。在多數(shù)據(jù)融合、多場(chǎng)景融合、接入網(wǎng)多業(yè)務(wù)承載的發(fā)展趨勢(shì)下，需要綜合考慮多業(yè)務(wù)整體需求，面向通信網(wǎng)絡(luò)多業(yè)務(wù)承載的實(shí)際建設(shè)及發(fā)展情況，基于不同負(fù)荷密度的供電區(qū)域劃分典型場(chǎng)景（A+、A、B、C、D、E地區(qū)[10]），研究和建立典型場(chǎng)景與接入網(wǎng)通信技術(shù)匹配模型。

利用層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）[11]建立匹配模型是比較常用的效益評(píng)價(jià)方法，除文獻(xiàn)[1-2]之外，在電動(dòng)汽車[12-13]、輸電線路在線監(jiān)測(cè)[14-15]、電力業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)[16-17]、電力創(chuàng)新體系建設(shè)[18]、電力零售[19]、電力通信網(wǎng)業(yè)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[20]等電力相關(guān)方面都有分析和應(yīng)用，能夠較好地指導(dǎo)實(shí)際規(guī)劃設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理等工作開展。

1.2 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)建立

匹配模型中，各評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠從不同的方面反映通信技術(shù)與業(yè)務(wù)需求的匹配程度。首先是構(gòu)造評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理，最后確定權(quán)重并進(jìn)行一致性分析。

接入網(wǎng)規(guī)劃匹配模型從實(shí)際建設(shè)應(yīng)用角度設(shè)計(jì)，基于層次分析法建立評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。

表1 規(guī)劃匹配模型評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 1 The evaluation indexes of planning matching model

一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)分為3項(xiàng)：通信設(shè)備及系統(tǒng)全生命周期成本、通信技術(shù)帶來的業(yè)務(wù)效益及通信技術(shù)特點(diǎn)。每個(gè)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)下，再細(xì)分多個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)，具體如下。

（1）通信設(shè)備及系統(tǒng)全生命周期成本。①通信設(shè)備采購成本：對(duì)采購成本的敏感度，也即在選擇通信體制時(shí)，需要考慮設(shè)備的招標(biāo)采購價(jià)格以及項(xiàng)目建設(shè)配套通信建設(shè)投資金額，對(duì)于供電可靠性要求高、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，該項(xiàng)成本的敏感度較低。②通信設(shè)備建設(shè)成本：對(duì)通信系統(tǒng)建設(shè)施工難易度及施工成本的敏感度，例如在城市中心敷設(shè)光纜挖溝、電力無線專網(wǎng)基站（非自有物業(yè)）站址征地[21]等。對(duì)于城市結(jié)構(gòu)復(fù)雜、擁擠的地區(qū)，該項(xiàng)成本的敏感度較高[22]。③通信系統(tǒng)運(yùn)維成本：對(duì)通信系統(tǒng)正常運(yùn)行所需人力及財(cái)物資源的敏感度，不同地區(qū)的人力成本（工資）、運(yùn)行成本存在區(qū)別。對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，該項(xiàng)成本敏感度較高。④通信系統(tǒng)故障搶修成本：對(duì)通信故障時(shí)搶修所花費(fèi)的人力、物力等的敏感度。對(duì)于供電可靠性要求高、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的地區(qū)，該項(xiàng)成本的敏感度較低[23]。⑤通信設(shè)備廢置處理成本：由于通信技術(shù)及設(shè)備升級(jí)、系統(tǒng)改造等原因，導(dǎo)致已部署設(shè)備提前報(bào)廢或更換，造成前期投資浪費(fèi)。對(duì)于設(shè)備和技術(shù)更新速度快、更新概率高的地區(qū)，該項(xiàng)成本的敏感度較高。

（2）通信技術(shù)帶來的業(yè)務(wù)效益。①通信技術(shù)提供的通信可靠性：基于供電區(qū)域?qū)╇娍煽啃缘囊?，?duì)通信可靠性的要求[24]。②通信技術(shù)提供的通信隔離性：多業(yè)務(wù)承載場(chǎng)景下，對(duì)通道安全隔離性的需求[25]。③通信技術(shù)提供的接入容量：?jiǎn)挝还╇娒娣e下，業(yè)務(wù)終端接入數(shù)量的需求。④通信系統(tǒng)可擴(kuò)展性：對(duì)應(yīng)業(yè)務(wù)及終端的增長(zhǎng)速度，要求通信系統(tǒng)具備一定的可擴(kuò)展性[26]。在A+/A類地區(qū)，業(yè)務(wù)基本飽和，業(yè)務(wù)以質(zhì)量和性能提升為主，而不是絕對(duì)數(shù)量的快速增長(zhǎng)；而在B、C類地區(qū)，業(yè)務(wù)及終端數(shù)量增長(zhǎng)速度最快。

（3）通信系統(tǒng)本身特點(diǎn)。①通信技術(shù)先進(jìn)性：通信技術(shù)應(yīng)用受到國(guó)家政策影響力及公司試點(diǎn)影響力的程度，同時(shí)，適度考慮各類地區(qū)對(duì)新技術(shù)的需求強(qiáng)烈程度，以及對(duì)已部署的相對(duì)落后技術(shù)的更替需求強(qiáng)烈程度。②通信設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈成熟度：對(duì)備品備件需求強(qiáng)烈度，以及對(duì)產(chǎn)品兼容性、一致性的要求。同時(shí)，適度考慮在D、E等技術(shù)和設(shè)備相對(duì)落后地區(qū)，對(duì)因?yàn)榧夹g(shù)淘汰而無法找到更換或替代件的需求情況。③通信技術(shù)適配性：對(duì)通信技術(shù)業(yè)務(wù)適配性的需求，主要考慮通信技術(shù)是否能夠根據(jù)電力業(yè)務(wù)場(chǎng)景及需求進(jìn)行定制化配置或設(shè)計(jì)開發(fā)，以及定制化的程度。

基于上述評(píng)價(jià)指標(biāo)，面向A+、A、B、C、D、E 6類供電地區(qū)場(chǎng)景，后續(xù)將對(duì)一級(jí)和二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分和計(jì)算。

1.3 權(quán)重決策計(jì)算

在確定各層次各因素之間的權(quán)重時(shí)，采用一致矩陣法，通過評(píng)價(jià)指標(biāo)兩兩相互比較，盡可能減少性質(zhì)不同的諸因素相互比較的困難，以提高準(zhǔn)確度。一致矩陣法中，判斷矩陣為

式中：aij=1aji，aij表示評(píng)價(jià)指標(biāo)i與評(píng)價(jià)指標(biāo)j相互之間重要性的比較結(jié)果，如表2所示。

表2 評(píng)價(jià)指標(biāo)間重要性標(biāo)度Table 2 Importance scale between evaluation indexes

基于一致矩陣A，可以計(jì)算每一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)在該判斷矩陣中的歸一化權(quán)重值為

在對(duì)多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行比較時(shí)，為了確保不同評(píng)價(jià)指標(biāo)相互之間進(jìn)行比較的邏輯一致性，需要對(duì)于每個(gè)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。也即計(jì)算一致性比率 ，若一致性比率<0.1，則檢驗(yàn)通過；否則不通過，需重新構(gòu)造判斷矩陣。其一致性指標(biāo)為

表3 隨機(jī)性指標(biāo)Table 3 Randomness index

由此得出各個(gè)判斷矩陣及權(quán)重，并根據(jù)一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)和二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的層次關(guān)系，計(jì)算出針對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)而言，所有因素重要性的權(quán)重。

1.4 通信技術(shù)評(píng)分原則

為了對(duì)不同通信技術(shù)的匹配度做出量化評(píng)價(jià)，對(duì)不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)滿足場(chǎng)景應(yīng)用要求的情況進(jìn)行定級(jí)，定級(jí)原則按照某一參數(shù)指標(biāo)下，不同通信技術(shù)的優(yōu)劣進(jìn)行評(píng)分，分為4個(gè)檔次：40、60、80、100。

進(jìn)行規(guī)劃的接入網(wǎng)遠(yuǎn)程通信技術(shù)包括光纖專網(wǎng)、無線公網(wǎng)、無線專網(wǎng)、中壓載波、北斗短報(bào)文等，技術(shù)評(píng)分結(jié)果如表4所示。

表4 技術(shù)評(píng)分結(jié)果Table 4 Rating scores for communication technologies

1.5 公式化求解

在某一典型應(yīng)用場(chǎng)景中，將1.4節(jié)各通信技術(shù)的評(píng)分與1.3節(jié)中各指標(biāo)權(quán)重依次相乘并求和，得到各通信技術(shù)的評(píng)分值，進(jìn)而可得出在該典型應(yīng)用場(chǎng)景下不同通信技術(shù)的匹配度。分?jǐn)?shù)最高即為在該典型應(yīng)用場(chǎng)景下優(yōu)先選擇的通信技術(shù)。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分

分別針對(duì)A+、A、B、C、D、E等6類供電地區(qū)，對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重決策和計(jì)算。

2.1 A+類供電區(qū)域

A+類供電區(qū)域負(fù)荷密度最大，經(jīng)濟(jì)也相對(duì)發(fā)達(dá)，對(duì)供電可靠性指標(biāo)的要求最高，相對(duì)而言對(duì)成本的敏感度較低，對(duì)前沿通信技術(shù)的需求不迫切。評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分及權(quán)重如表5～8所示。

表5 A+類供電區(qū)域一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重策略Table 5 The 1st-level evaluation indexes and weights in type A+ power supply area

表6 A+類供電區(qū)域二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)（成本）及權(quán)重策略Table 6 The 2nd-level evaluation indexes (cost) and weights in type A+ power supply area

表7 A+類供電區(qū)域二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)（效益）及權(quán)重策略Table 7 The 2nd-level evaluation indexes (benefit) and weights in type A+ power supply area

表8 A+類供電區(qū)域二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)（技術(shù)）及權(quán)重策略Table 8 The 2nd-level evaluation indexes (technology)and weights in type A+ power supply area

計(jì)算表5評(píng)價(jià)指標(biāo)一致性指標(biāo)CR=0.033 199＜0.1，滿足一致性校驗(yàn)要求。

分別計(jì)算上述3個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的一致性指標(biāo)CR，依次是：0.071 248、0.023 934、0.007 933，均小于0.1，滿足一致性校驗(yàn)要求。

2.2 A類供電區(qū)域

A類供電區(qū)域負(fù)荷密度較大，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，對(duì)供電可靠性指標(biāo)的要求高，對(duì)通信建設(shè)成本的敏感度較低，較常試點(diǎn)先進(jìn)通信技術(shù)（尤其是前沿通信技術(shù)）。評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分及權(quán)重如表9～12所示。

表9 A類供電區(qū)域一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重策略Table 9 The 1st-level evaluation indexes and weights in type A power supply area

表10 A類供電區(qū)域二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)（成本）及權(quán)重策略Table 10 The 2nd-level evaluation indexes (cost) and weights in type A power supply area

表11 A類供電區(qū)域二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)（效益）及權(quán)重策略Table 11 The 2nd-level evaluation indexes (benefit) and weights in type A power supply area

表12 A類供電區(qū)域二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)（技術(shù)）及權(quán)重策略Table 12 The 2nd-level evaluation indexes (technology)and weights in type A power supply area

計(jì)算表9評(píng)價(jià)指標(biāo)一致性指標(biāo)CR=0.046 225＜0.1，滿足一致性校驗(yàn)要求。

分別計(jì)算上述3個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的一致性指標(biāo)CR，依次是：0.080 646、0.058 922、0.046 225，均小于0.1，滿足一致性校驗(yàn)要求。

2.3 B、C類供電區(qū)域

B、C類供電區(qū)域負(fù)荷密度一般，對(duì)供電可靠性指標(biāo)的要求一般，對(duì)成本的敏感度較A+、A供電區(qū)域高，對(duì)先進(jìn)通信技術(shù)及設(shè)備本身的要求一般。評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分及權(quán)重如表13～16所示。

表13 B、C類供電區(qū)域一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重策略Table 13 The 1st-level evaluation indexes and weights in type B & C power supply areas

表14 B、C類供電區(qū)域二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)（成本）及權(quán)重策略Table 14 The 2nd-level evaluation indexes (cost) and weights in type B & C power supply areas

表15 B、C類供電區(qū)域二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)（效益）及權(quán)重策略Table 15 The 2nd-level evaluation indexes (benefit) and weights in type B & C power supply areas

表16 B、C類供電區(qū)域二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)（技術(shù)）及權(quán)重策略Table 16 The 2nd-level evaluation indexes (technology)and weights in type B & C power supply areas

計(jì)算表13評(píng)價(jià)指標(biāo)一致性指標(biāo)，CR=0.015 771＜0.1，滿足一致性校驗(yàn)要求。

分別計(jì)算上述3個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的一致性指標(biāo)CR，依次是：0.046 252、0.071 975、0.081 048，均小于0.1，滿足一致性校驗(yàn)要求。

2.4 D、E類供電區(qū)域

D、E類供電區(qū)域負(fù)荷密度小，經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后，對(duì)供電可靠性指標(biāo)的要求較低，對(duì)成本的敏感度高，對(duì)通信技術(shù)及設(shè)備本身的要求較低。評(píng)價(jià)指標(biāo)評(píng)分及權(quán)重如表17～20所示。

表17 D、E類供電區(qū)域一級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)及權(quán)重策略Table 17 The 1st-level evaluation indexes and weights in type D & E power supply areas

表18 D、E類供電區(qū)域二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)（成本）及權(quán)重策略Table 18 The 2nd-level evaluation indexes (cost) and weights in type D & E power supply areas

表19 D、E類供電區(qū)域二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)（效益）及權(quán)重策略Table 19 The 2nd-level evaluation indexes (benefit) and weights in type D & E power supply areas

表20 D、E類供電區(qū)域二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)（技術(shù)）及權(quán)重策略Table 20 The 2nd-level evaluation indexes (technology)and weights in type D & E power supply areas

計(jì)算表17評(píng)價(jià)指標(biāo)一致性指標(biāo)，CR=0.073 937＜0.1，滿足一致性校驗(yàn)要求。

分別計(jì)算上述3個(gè)二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)的一致性指標(biāo)CR，依次是：0.099749、0.095662、0.063374，均小于0.1，滿足一致性校驗(yàn)要求。

3 規(guī)劃匹配計(jì)算結(jié)果

3.1 規(guī)劃匹配計(jì)算結(jié)果

對(duì)上述不同供電區(qū)域終端通信接入網(wǎng)規(guī)劃進(jìn)行匹配計(jì)算，結(jié)果如表21所示。

表21 各類供電區(qū)域下通信技術(shù)匹配得分Table 21 Matching scores for communication technologies in all types of power supply areas

由計(jì)算結(jié)果可見，不同供電區(qū)域終端通信接入網(wǎng)對(duì)通信技術(shù)的需求不相同。

3.2 規(guī)劃原則建議

根據(jù)3.1節(jié)模型匹配計(jì)算結(jié)果，針對(duì)“十四五”終端通信接入網(wǎng)建設(shè)，總結(jié)遠(yuǎn)程通信技術(shù)規(guī)劃原則建議如下。

（1）A+類區(qū)域：對(duì)于控制類業(yè)務(wù)，配置光纖通道，在必要時(shí)進(jìn)行多路由備份配置；對(duì)于非控制類業(yè)務(wù)，配置電力無線專網(wǎng)及無線公網(wǎng)。

（2）A類區(qū)域：對(duì)于控制類業(yè)務(wù)，優(yōu)先配置光纖通道，可選擇配置電力無線專網(wǎng)；對(duì)于非控制類業(yè)務(wù)，在已建設(shè)電力無線專網(wǎng)的情況下，優(yōu)先復(fù)用電力無線專網(wǎng)，也可選擇配置無線公網(wǎng)。

（3）B、C類區(qū)域：以配置電力無線專網(wǎng)和無線公網(wǎng)為主，配置電力線載波為輔，必要時(shí)可對(duì)關(guān)鍵業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)選擇配置光纖通道。

（4）D、E類區(qū)域：優(yōu)先配置無線公網(wǎng)，在無線公網(wǎng)覆蓋條件受限的情況下，可考慮配置電力線載波、北斗短報(bào)文等通信方式。

4 結(jié)論

圍繞技術(shù)特點(diǎn)、全生命周期成本、經(jīng)濟(jì)效益等評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過層次分析法建立“十四五”終端通信接入網(wǎng)遠(yuǎn)程通信技術(shù)規(guī)劃匹配模型，通過權(quán)重策略、技術(shù)評(píng)分，得到不同供電區(qū)域下，光纖專網(wǎng)、無線公網(wǎng)、無線專網(wǎng)、中壓載波、北斗短報(bào)文等遠(yuǎn)程通信技術(shù)的推薦選型原則。該原則與具體電力業(yè)務(wù)解耦，不僅適用于現(xiàn)網(wǎng)電力業(yè)務(wù)通信網(wǎng)建設(shè)，還能夠適應(yīng)將來新興電力業(yè)務(wù)的通信需求，能夠指導(dǎo)“十四五”終端通信接入網(wǎng)遠(yuǎn)程通信技術(shù)選型，提升接入網(wǎng)電力業(yè)務(wù)支撐效益。