微電網建設規劃方案評估與選擇

黃雄峰 翁 杰 張宇嬌

(三峽大學電氣與新能源學院 宜昌 443002)

0 引言

微電網建設規劃方案需滿足一定的投資可能性，因規劃原理、技術路線、運行維護、經濟狀況和環境保護等不同，規劃方案的種類會產生多樣化［1，2］，這會導致指標體系呈現出高維、非線性的特性［3］，對指標關聯關系的合理處理直接影響微電網建設規劃方案評估的科學性，因此，如何有效地指出規劃方案的薄弱環節，兼顧指標間的關聯關系，使管理者做出合理的決策，具有重要的工程實用意義［4，5］。

目前對微電網建設規劃進行綜合評估決策的方法主要有模糊綜合評價法、層次分析法、數據包絡分析方法等。文獻［6］提出了一種基于區間數的城市配電網經濟運行模糊綜合評價方法，利用區間層次分析法計算指標權重，解決了專家判斷的不確定性。文獻［7］將D-S 證據推理方法與傳統的貝葉斯網絡法相結合，進行配電系統的可靠性評估，能夠很好地處理具有模糊和不確定信息的合成問題。上述方法明確了決策問題中的層次結構的模糊性和不確定性，但忽略了要素間的關聯關系。文獻［8］采用網絡層次分析法對電網建設項目進行研究，單純使用ANP 法雖然考慮了指標間的相互影響和相互聯系，但要素間影響關系的刻畫較為粗略和主觀。決策問題中存在層次結構間的關聯性，評價指標并非相互獨立［9］，而上述微電網建設規劃綜合決策方法對評價指標要素間的關聯關系或者予以忽略，或者考慮過于主觀隨意，因此，亟需找到一種可以實現關聯關系準確度量的評判方法，通過對綜合決策過程中評價指標之間相互影響關系的量化處理，有效解決關聯關系難以界定的問題。

在充分考慮影響因素之間的依賴-反饋關系下，本文建立了一套多屬性的微電網建設規劃方案決策體系，形成科學完善的決策方法，通過追求最大化群體效益和最小化個體遺憾，實現對備選微電網建設規劃方案的排序和選優，并運用實例計算驗證了該決策方法的有效性。

1 評價指標體系

建立科學合理的指標體系是規劃方案評估工作的重要前提。微電網建設規劃中各項指標需達到一定的技術要求，同時還應綜合考慮供電的可靠性、建設的經濟性和環境的保護性等諸多影響因素［10］。以指標盡可能全面、不重疊、易于取得為準則，在熟悉評估目標的內涵與構成的基礎上完成了評價指標體系的初選，然后結合功能聚合與相關性聚合對初選的指標體系進行結構優化，最后從可靠性、經濟性、技術性和環境性四個方面建立了一套可以對微電網進行科學評估決策的指標體系。建立的微電網建設規劃方案評價指標體系如圖1所示。

從指標體系的構成可以看出因素之間存在相互影響:對規劃方案投資過多會導致資源浪費，投資不足又將無法實現優化配置，這將直接影響建設方案的技術性指標;微電網技術性的投入不足將會造成微電網可靠性的降低。因此，評價指標間的關聯關系是廣泛存在的，而傳統的評估標準和準確尺度卻很難衡量或界定［11］，采用DEMATEL-ANP-VIKOR 混合決策模型，通過建立指標間的網絡層次關系，可以準確反映影響因素的實際情況。

圖1 評價指標體系Fig.1 Evaluation index system

2 基于DEMATEL-ANP-VIKOR 混合決策模型的評估決策

在微電網建設規劃最優方案的優化選擇中，首先采用DEMATEL 法量化準則層要素的影響關系強度;然后利用ANP 法確定準則層各指標的權重;最后結合VIKOR 法進行備選方案的排序和選優。

2.1 DEMATEL-ANP 建設規劃評估

根據構建的評價指標體系，用DEMATEL 法建立綜合影響關系矩陣，找出評價指標體系中指標間的關聯關系，得到準則層要素的影響關系圖，再結合專家分析的結論建立各準則下元素相互比較的判斷矩陣，計算各指標對目標的權重分配，具體步驟如下［12，13］。

利用相關文獻和專家評審結果對影響要素的相互關系進行分析，建立準則層要素的直接影響關系矩陣A

式中:aij為要素i 對要素j 的影響，aij=0、1、2、3、4;n 為準則層要素的數量。

將矩陣A 標準化

考慮要素之間的間接影響，計算綜合影響關系矩陣T

在綜合影響關系矩陣中，關聯度較小的指標對ANP 法計算權重影響不大，通過設定門檻值p 來剔除關聯度較小的關系，實現準則層要素之間的影響關系網絡結構圖的簡化。

根據專家探討的結果將ANP 網絡層元素組中元素的相互影響力大小進行間接優勢度比較，可形成各準則下元素之間的兩兩比較判斷矩陣，再由特征根法計算權重向量，構造的未加權超矩陣W 形式為

式中:CN為ANP 網絡層中的元素組;eNnN為元素組中的元素;Wij為Ci中元素對Cj中元素的影響力矩陣，Wij=0 表示Cj中的元素不受Ci中的元素影響。

為明確各元素組之間的相互影響關系，對超矩陣進行歸一化處理。以元素組為研究對象，構造準則下各組元素對Cj的相對重要性判斷矩陣，得到該元素組作為子準則下其他元素組的歸一化的權重矢量［h1j，h2j，…，hnj］T。對于j=1，2，…，N，重復上述步驟，得到權重矩陣

構造加權超矩陣

對矩陣Wh求極限，得到極限超矩陣

若極限值收斂且惟一，則可得到列值相同、列和為1 的極限超矩陣，指標的權重即為極限超矩陣對應行的值。

2.2 VIKOR 規劃方案決策

完成對備選方案各指標的評分后，結合上述DEMATEL-ANP 法計算得到的準則層指標權重，采用VIKOR 法對備選方案進行排序和選優，具體步驟如下［14-17］。

將方案指標的初始值標準化處理

式中:xij為第i 個方案第j 個指標的評價值;K 為備選方案的數量。

式中:I1為效益型準則集合;I2為成本型準則集合。

得到第i 個評估方案的群體效益值Si和個體遺憾值Ri

式中:ωj為第j 個指標的權重;Si值越小表示群體效益越大;Ri值越小表示個體遺憾越小。

考慮決策者的效用偏好，計算綜合指標Qi的值為

計算備選方案的Si、Ri和Qi值，并按由小到大排序，其中，Si、Ri和Qi值越小表示該方案表現越好。

結合理想方案的選取條件和評判準則［15，16］，對備選方案最優性進行驗證，決策出Q 排列中的最優方案。

條件1:優勢的可接受性。

式中:a' 為Q 值最小的方案;a″為Q 值第二小的方案;K 為備選方案的數量。

條件2:決策可信度的可接受性。

方案a'的S 值小于方案a″的S 值，或方案a'的R值小于方案a″的R 值。

評判準則:若上述條件同時滿足，則接受a' 為最優方案;若只滿足條件2，則接受a' 和a″同為最優方案。當存在多個備選方案時，沿用上述選取條件及評判準則依次對其他方案的最優性進行驗證，直到選出最優方案。

3 實例計算與分析

某地進行微電網項目建設，并給出了3 個規劃方案。通過對備選方案進行評估，決策出最優的實施方案，以提高規劃設計的科學性。3 個規劃方案的相關指標評價值經過歸一化處理后如表1 所示。

表1 備選方案指標的數據Tab.1 Data of the index to alternatives

1)準則層要素關系網絡結構圖。

將要素之間的影響強度分為無影響、低度影響、中度影響、高度影響和極高度影響5 個等級，分別用0、1、2、3、4 表示。4 位專家對兩兩要素的直接影響強度進行打分，平均打分結果，得到直接影響關系矩陣A，見表2。

表2 直接影響關系矩陣ATab.2 Matrix A of the direct influence relation

利用式(2)對直接影響關系矩陣標準化處理，再結合式(3)計算得到綜合影響關系矩陣T(如表3 所示)，充分征求專家意見設定門檻值p=1．2，剔除影響度低于門檻值的關聯關系(見表3 中的黑體數值)，得到微電網建設規劃方案準則層要素間依賴-反饋關系的網絡結構圖，如圖2所示(箭頭方向表示由被影響者指向影響者)。

表3 綜合影響關系矩陣TTab.3 Matrix T of the comprehensive influence relation

圖2 準則層要素關系網絡結構圖Fig.2 The network structure of the criterion layer elements

2)指標權重分析。

結合準則層要素關系網絡結構圖，在專家打分結果的基礎上建立判斷矩陣，計算未加權超矩陣，加權超矩陣和極限超矩陣，得到對應的指標權重。與采用AHP 法對上述3 個方案進行評估的結果對比，如圖3所示。

圖3 ANP 法和AHP 法指標權重對比Fig.3 Weight contrast of ANP and AHP

ANP 法與AHP 法得到的指標權重在單個數值上有明顯的不同，但其總體排序變化不大。指標權重排序分析:AHP 法注重環境指標對建設方案的影響，而ANP 法更強調經濟效益的作用。指標權重離散度(即指標權重的標準差)分析:AHP 法為0.044 0，ANP 法為0.027 3，AHP 法的指標權重個體差異較大，而ANP 法的指標權重分配趨于均衡，體現了指標內部的依賴-反饋關系。通過考慮評價體系中復雜的影響關系，ANP 法對指標權重的衡量更為合理。

3)最優方案選擇。

設定決策機制系數v=0．5，利用規劃方案的相關指標評價值(見表1)計算出備選方案的Si、Ri以及Qi值，結果見表4(括號內的數字代表排序號)。

表4 備選方案排序結果Tab.4 Results ranking of alternatives

結合理想方案的選取條件，對備選方案的最優性進行驗證:

根據評判準則可以得到，備選方案中方案3 綜合表現最好，為最優方案，方案1 是次優方案，方案2的可選性相對較差。通過考慮群體效用的最大化與個體遺憾的最小化，得到的最優方案易于被決策者所接受。

4 結論

本文以微電網建設規劃方案的評估與優化選擇為背景，建立了DEMATEL-ANP-VIKOR 混合決策模型，對指標的相互關聯性、指標權重分配和備選方案排序進行分析。研究表明，根據DEMATEL 法量化指標之間的相互影響程度，可有效實現指標體系中要素間關聯關系的界定;結合指標要素關系的網絡結構圖，采用ANP 法得到的指標權重與層次分析法的計算結果相比其均衡性較高;最后利用VIKOR 法引入決策者的個人偏好得到優化選擇方案，綜合考慮了群體效益和個體遺憾的相對效果。研究結果對指標體系的設計、評價指標的改善和方案的優化選擇具有一定的參考意義。

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