基于改進ANP的配電網綜合評估方法及應用

陳 靖，路志英，劉 洪，馮作棟，盧 震，楊春明

（1.天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072；2.國網運城供電公司，山西運城044000）

基于改進ANP的配電網綜合評估方法及應用

陳 靖1，路志英1，劉 洪1，馮作棟2，盧 震2，楊春明2

（1.天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072；2.國網運城供電公司，山西運城044000）

現有配電網評估方法存在評估內容單一、整體性差，而且基于層次分析法的配電網評估在計算指標權重過程中忽略指標間相互影響的因素，從而降低了指標權重的可信度。通過對配電網的發展特性進行分析，建立一套完整的配電網綜合評估指標體系。同時在指標權重的計算過程中采用了網絡層次分析（ANP）法，并通過DEMATEL方法對其進行改進，使得所得權重更加準確地反映評價指標互相影響的網絡關系。最終通過實例驗證了該方法的有效性，能夠識別當前配電網的發展瓶頸，對于配電網未來的發展具有指導意義。

配電網評估；指標體系；網絡層次分析法

0 引言

目前，針對配電網規劃方案的綜合評估已經越來越受到眾多電力專家、學者和電力公司的重視。文獻［1，2］從配電網的技術合理性、運行安全性、供電質量可靠性等方面出發，提出了基于層次分析法的配電網綜合評價的指標體系，并通過評估結果來衡量規劃方案的預期效果。文獻［3］考慮到不同地區配電網的特點并利用此特點對該地區配電網評估過程中指標權重計算進行調整。文獻［4］將層次分析法和德爾菲法進行結合，完整了對高壓配電網和中壓配電網的綜合評價。文獻［5］利用熵權法對電網應急能力進行評估。但是上述的這些研究成果所建立的評價體系都側重于反映配電網的運行水平和供電能力，缺乏全面的評價，同時由于配電網規模較大，涉及因素多，所以單一的評估方法已經無法滿足要求，因此配電網綜合評估方法屬于多屬性綜合評估方法［6］。采用層次分析法確定指標權重，會忽略指標間相互影響的關系，從而降低了指標權重的可信度［7，8］。文獻［9］中雖然使用網絡分析法與反熵權法相結合確定指標權重，但是利用客觀方法賦權時僅對指標列的組間信息傳遞變異進行了調整，而且對于異常數據太過敏感，導致某些非重要指標經此法計算得出的客觀權重過大，導致綜合權重不切實際。

為此，本文通過深入分析配電網發展的特征，并據此建立了一套可以反映配電網整體發展水平的綜合評價體系。在指標權重的計算過程中利用了網絡層次分析法，相比于傳統的層次分析法更能準確地反映指標間互相影響的網絡關系。在此基礎上，利用DEMATEL理論對ANP方法進行改進，從而解決元素對自身的影響以及元素間相互關系無法客觀表示的問題。

1 配電網綜合評估指標體系

1.1 配電網發展問題特性分析

對配電網進行評估是為了能尋找配電網的薄弱環節和供電瓶頸，以指導配電網的后續發展、建設和改造工作。發展配電網則需要解決兩個問題:一是為什么要發展配電網。發展配電網就是指配電網的發展能夠滿足電力用戶、電力企業以及社會等各方面的需求，反映這類問題的指標可以歸結為效果類的指標；二是發展什么樣的配電網。了解電力用戶、電力企業以及社會的需求之后，就需要建立能夠滿足這些需求的配電網在各方面特性的指標，這類指標可以歸結為特性類指標。圖1所示即為對配電網發展問題特性分析過程。

圖1 配電網發展問題特性分析

1.2 配電網綜合評估指標選取

（1）效果類指標的選取

效果類指標反映的是電力用戶、電力企業以及社會三方面綜合需求，整合電力用戶、電力企業以及社會對于配電網建設的需求即能夠歸納出效果類指標，具體內容如圖2所示。

圖2 電力用戶和電力企業以及社會對配電網建設需求圖

如圖2所示，電力用戶需求優質的電能，以及與電網更及時、更高效的互動能力；電力企業關注的是企業效益，提高企業效益有兩種途徑:一是減少損耗，對于電力企業來說主要是降低線損；二是提高設備利用率，社會要求的節能環保，可以歸結為減少損耗，同時友好地兼容各類分布式電源的接入，也能降低能源的消耗和污染物的排放。所以，效果類指標包括供電可靠率、綜合電壓合格率、綜合線損率、設備利用率和友好互動率5個指標。

（2）特性類指標的選取

配電網在發展建設過程中對效果類指標的影響可歸納為4個方面:網絡結構水平，用于評價電網架構的好壞；負荷供應能力，用于反映電網在負荷供應方面的具體表現；裝備技術水平，指電網的先進性和使用情況；運行管理水平，用于刻畫電力企業對電網的監管水平［10～12］。下面以這4個方面對供電可靠率的影響為例來說明特性類指標對效果類指標的影響，并通過此方式選取二級特性指標。

供電可靠率反映的是電網持續供電的能力，即指電網運行時設備發生故障時，衡量能使由該故障設備供電的用戶供電障礙盡量減少，使電網本身保持穩定運行的能力的程度。網絡結構水平對其影響總體可以反映在以下兩個方面:一是網絡結構的備用與聯絡能力。網絡結構的備用與聯絡能力表現為一旦電網在運行過程中出現故障，可以通過啟用備用線路和電源或者利用聯絡線路轉帶負荷。反映網絡結構備用水平的指標可以選取變電站單變率和變電站單電源線率。反映網絡結構聯絡水平的指標可以選取中壓線路聯絡率和中壓線路站間聯絡率；二是網絡結構縮小故障影響區域的能力。一旦電網在運行過程中出現故障，可以利用分段開關將故障隔離，以免引起大范圍的停電，因此可選取的指標是中壓線路平均分段數。負荷供應能力的影響體現在負荷的轉供能力上，因此可選取的指標為主變“N-1”通過率與中壓線路“N-1”通過率；裝備技術水平對于供電可靠率的影響體現在設備狀態監測、設備的故障發生頻率、設備對故障的自動識別、設備自身對故障的處理上。供電半徑越限線路比例等指標會影響由于外因導致的故障發生的次數。采用更多自動化裝備，能夠增強設備的故障判斷能力和自動隔離故障，及時恢復非故障線路的供電條件，反映在量化指標上有GIS設備使用率和變電站綜合自動化率。對設備狀態進行監測方面可選取配電自動化覆蓋率。運行管理水平對于供電可靠率的影響體現在以下幾個方面:首先，運行管理水平的提高意味著電力企業可以提早發現具有隱患故障的設備，并提早將其排除，避免故障的發生，PMS系統配網數據完整性是電力企業對設備了解程度的直觀反映；其次，運行管理水平的提高意味著電力企業對于已發生的故障的修復能夠及時的修復，將停電損失降低，反映在量化指標上有重大缺陷消除率；最后運行管理水平的提高還意味著將帶電作業給電力用戶帶來的損失降低，反映在量化指標上有臨時停電比例、帶電作業化率等。

經過上述分析總結出影響供電可靠率的二級特性類指標如表1所示。

表1 影響供電可靠率的特性類指標

利用同樣的方法細化一級特性類指標對其余效果類指標的影響，最終實現配電網綜合評價指標體系的構建，其結構如圖3所示。

圖3 配電網綜合評價指標體系

2 基于DEMATEL的網絡層次分析法

網絡層次分析（ANP）法首先將系統元素劃分為兩大部分:第一部分稱為控制層，包括問題目標及決策準則；第二部分為網絡層，是由所有受控制層支配的元素組組成的，其內部是互相影響的網絡結構［13］。在進行配電網評估的過程中，本文把對配電網綜合評估作為控制層，把所構建的配電網綜合評估指標體系中的指標作為網絡層，并利用評估指標間的相互關聯，建立針對配電網綜合評估問題的ANP網絡結構，即如圖4所示。

利用網絡層析分析法進行指標權重的確立過程中，首先要建立判斷矩陣。判斷矩陣的構造過程是要在同一目標準則下對受該目標準則支配的元素分別進行比較，就本文所關注的配電網綜合評估問題來說，就是以衡量配電網綜合評估結果為準則，對其下所建立的指標集分層進行比較。但是傳統的網絡層次分析（ANP）法的局限性在于:對元素受自身的影響判斷不準確而導致內部依賴矩陣的構造會產生混亂。因此，本文利用了DEMATEL法改進了內部依賴矩陣的構建方法，通過數學運算而避免專家打分的方式來得到各元素之間的關聯程度［14］。

圖4 配電網綜合評估的ANP結構圖

假定所建立的ANP網絡結構中的網絡層中有n個元素，它們分別為C1，C2…Cn，并通過專家打分所獲取的元素Cj（j≠i）對于Ci的直接影響程度為yji。利用上述打分結果，分別以Ci（i=1，2，…，n）為次準則，計算將其余元素（除Ci外）對該準則元素的相互影響程度，具體計算公式見公式（1）。

再根據上述矩陣依次得到以Ci為次準則下判斷矩陣的特征向量，并將其進行歸一化。利用所有次準則下的歸一化特征向量構建內部依賴矩陣，如式（2）所示。

由于本文在構建上述矩陣的過程中，并不計及元素對自身的影響，導致上述矩陣存在對角線殘缺的問題。針對上述問題，鑒于各元素在計算過程中對自身沒有影響，所以在上述矩陣的對角線部分補上數值0，則變成與DEMATEL方法中一致的直接影響矩陣Wd，具體表示見公式（3）。

按照傳統的DEMATEL方法流程來說，在建立直接影響矩陣Wd之后，要根據其結果構造平均綜合影響矩陣Wc。為了避免構造平均綜合影響矩陣所要滿足的收斂條件，本文對傳統的DEMATEL方法進行改進，利用n個矩陣相加之和的平均數矩陣來代替所要構造的平均綜合影響矩陣Wc，具體公式如下:

最終對本文所構建的平均綜合影響矩陣Wc求極限運算，結果收斂到一個穩定矩陣，該矩陣的各行非零值均相同，即為各元素在目標控制層下評估所占的權重。

3 指標權重以及評分標準的確定

3.1 指標權重計算

根據本文需要通過專家打分一共構建5個指標權重計算矩陣，不同指標集的權重計算矩陣的階數與其內部包含的指標個數有關。各指標權重計算矩陣的階數及其代表意義如表2所示。

表2 指標體系權重判斷矩陣

以一級特性指標的權重計算為例，首先邀請電力領域的專家對一級特性類指標間相互作用程度進行打分，用A1，A2，A3，A4分別代表網絡結構水平、負荷供應能力、裝備技術水平、運行管理水平4個主要特性指標集，本文采用1～9標度法。專家對一級特性類指標間相互作用程度打分結果如表3所示。

表3 一級特性類指標間互相直接影響程度

根據表3建立一級特性類指標判斷矩陣，并根據公式（1）計算得到分別以網絡結構水平、負荷供應能力、裝備技術水平、運行管理水平為準則下的特征向量。將得到的特征向量歸一化后進行合并得到內部依賴矩陣。由于在計算過程中各指標對自身沒有影響，所以本方法對權重矩陣的對角線部分補上數值0得到直接影響矩陣Wd，結果如式（5）所示。

利用本文的改進方法根據式（3）建立平均綜合影響矩陣Wc，并對所構建的平均綜合影響矩陣Wc求極限運算，結果收斂到一個穩定矩陣，該矩陣各行非零值即為所求各一級特性類指標的權重值，如表4所示。

表4 一級特性類指標權重值

對各具體主要特性指標集運用相同的方法，可以求解各二級特性類指標集的權重。

3.2 指標判據的確定

對二級特性類指標分為3類:效益型指標，其指標評分與指標計算值呈正相關關系；成本型指標，其指標評分與指標計算值呈負相關關系；特定型指標，其指標評分與指標計算值不呈正相關也不呈負相關，而是取在某個數值達到最高。根據專家意見，利用德爾菲法獲得離散的指標評分判據，表5為某一級特性指標下的二級特性指標評分判據。

由于在實際計算當中離散的判據不方便計算，因此本文利用曲線擬合的方式來解決此問題。通過曲線擬合的手段計算出所有二級特性指標的評分函數，并結合指標的實際計算值計算出二級指標的得分情況，表6即為某一級特性指標集下二級特性指標的連續判據。

表5 網絡結構水平下的評分判據

表6 網絡結構水平下的連續判據

4 算例分析

本文選取山西省某地區配電網作為評估對象，按照本文所構建的指標與評估方法對當地配電網的發展情況展開評估，通過評估結果驗證本文體系和方法的實用性。表7列舉了負荷供應能力下的二級特性特性指標的計算數值以及根據指標計算數值和評價判據所得到的評分結果。將表中各二級指標加權求和就能夠獲取該地區在負荷供應能力方面的得分。

表7 負荷供應能力下的各二級指標的數值以及得分情況

運用相同的方法分析計算其他一級特性指標的得分結果，最后得到所選區域的配電網綜合評估結果如表8所示。

表8 該地區配電網綜合評估結果

根據表8能夠得出以下結論:所選區域的配電網綜合得分為51.64，由于所選區域的發展水平并不高，本文所得評估結果與該區域的發展定位相吻合。評估結果不僅能夠直觀地反映出該地區配電網的發展程度，還能通過對結果的分析了解該地區配電網建設的發展瓶頸和薄弱環節。在該地區評估結果的幾項二級指標中，較為薄弱的環節是評分為29.9的負荷供應能力。進一步分析可知:

（1）網絡結構水平得分為46.33，影響整體評分偏低的在于中壓線路聯絡率、中壓線路平均分段數以及中壓線路站間聯絡率三個子指標，得分分別為12.66，17.6和35.4，整個網架結構的聯絡率偏低，分段數較少，需大幅度提升。

（2）負荷供應能力得分為29.9，主要原因在于線路重載率、主變“N-1”通過率、中壓線路“N-1”通過率過低，評價得分分別為13.42，28.42，0；該市配電網整體線路負載率較高且沒有具有轉供能力的線路，很大程度影響了其負荷供應水平。

（3）裝備技術水平得分為64.77，需要重點改進的是配電無功配置比例、GIS設備利用率以及配電網自動化覆蓋率，其得分均在40分以下，上升空間很大。

（4）運行管理水平得分為71.33，影響較大的子指標為帶電作業化率，一年中帶電作業減少停電戶數占總戶數比例為36.76%。

結合上述分析，建議該地區在今后建設配電網的過程中，重點關注對網架結構的改造，增加中壓輸電線路，用來緩解整體負載率偏高的狀況。同時增加中壓線路之間的聯絡和分段數，并積極推廣自動化和信息化設施的建設和投入。

5 結論

本文提出了基于DEMATEL的網絡層次分析（ANP）法的配電網綜合評估方法，改善了基于傳統的AHP層次分析法在計算指標權重過程中忽略指標間相互影響的因素，并將所建立的方法應用于實際的配電網的評估當中。本文所建立的體系和方法可以有效地得到當前配電網的發展現狀，發現配電網在建設過程中的薄弱環節，并對未來配電網的發展建設提供了有效的指導。隨著配電網智能化改造的深入，可在傳統配電網評價的基礎上增設衡量配電網智能化改造程度的指標，如配電數據采集以及設備的在線監控等技術指標，以對配電網的智能化改造水平進行評價。

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Research and Application of a Comprehensive Distribution Network Assessment Method Based on Improved ANP

Chen Jing1，Lu Zhiying1，Liu Hong1，Feng Zuodong2，Lu Zhen2，Yang Chunming2
（1.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Yuncheng Power Supply Company，Yuncheng 044000，China）

Existing distribution network assessment methods exist concern only one particular aspect without paying attention to the whole.Similarly，these methods based on the Analytic Hierarchy Process ignore while calculating the index weight the interaction among the indexes，thus reducing the credibility of the index weight.We established a complete assessment system according to the distribution network distribution network target.Also proposed an analytic network process improved by DEMATEL to better reflect the interaction among the indexes.Finally the effectiveness of this method was verified by examples.This method can also dentify the bottleneck in the development of the current distribution network and thus has implications for the future distribution network construction.

distribution network assessment；indicator system；analytic network process

TM73

A DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.05.005

2015-03-31。

國家電網公司科技項目（2014GKF-0410）。

陳靖（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統規劃與可靠性等，E-mail:447386638@qq.com。