省級智能電網發展程度評估體系與方法

王　倩，王　偉，陳上吉，孫　芊

（1.國網河南省電力公司電力科學研究院，鄭州 450000；2.國家電網公司，北京 100000；3.國網河南省電力公司，鄭州 450000）

省級智能電網發展程度評估體系與方法

王倩1，王偉2，陳上吉3，孫芊1

（1.國網河南省電力公司電力科學研究院，鄭州 450000；2.國家電網公司，北京 100000；3.國網河南省電力公司，鄭州 450000）

為了評估省級電網智能化發展水平，深入分析了省級智能電網特征及其各環節建設重點和關鍵技術，構建了一套省級智能電網評估體系。該指標體系分為2個層次，涵蓋發電、輸電、變電、配電、用電、調度和通信信息平臺，其中含有動態性指標，能同時反映省級智能電網的發展程度和發展速度，具有普適性。在此基礎上，提出應用反熵權法和改進灰色關聯度法的權重分層計算方法以及基于Delphi與曲線擬合的指標連續評分方法。最后，算例的應用分析證明了該方法的合理性，對于評估省級電網的智能化發展水平和實際效益、分析識別電網的運行狀態和薄弱環節有重要意義。

省級智能電網；綜合評估；指標體系；權重分層計算方法；連續評分方法

我國國家電網公司于2009年提出了以特高壓電網為骨干網架、各級電網高度協調發展的堅強智能電網建設與發展模式［1］。省級電網作為我國電網體系建設、運行和管理的核心體系之一，評價省級智能電網的發展情況對于衡量省級電網各環節建設水平、對比各省智能電網發展狀況、指導省級智能電網建設工作、實現堅強智能電網建設目標具有重要意義。因此需要對省級電網的智能化發展水平進行研究，對省級電網的發展進行全方位、多角度的評價。

近年來，我國各地開展了大量智能電網研究工作［2-3］，目前已有不少文獻介紹智能電網的評價指標體系［4-5］和智能電網或配電網的評價方法［6-8］。但現有文獻提出的評價體系都只針對整個智能電網或者智能配電網，沒有建立針對省級智能電網的評價體系，且相應的評價方法研究也較少。

為此，本文結合省級智能電網特征，構建了一套基于發電、輸電、變電、配電、用電、調度和通信信息平臺的省級智能電網評估體系，該指標體系分為2個層次，涵蓋發電、輸電、變電、配電、用電、調度和通信信息平臺，其中含有動態性指標，能同時反映省級智能電網的發展程度和發展速度。通過采用反熵權法和改進灰色關聯度法相結合的權重分層計算模型，對指標權重進行計算，并建立相應的評分標準，為省級智能電網進行打分，發現薄弱環節并提出相應提升策略，指導省級智能電網今后的規劃與建設。

1　省級智能電網特征分析

1.1省級智能電網共性特征

鑒于省的行政意義和歷史地理特征［9］，國家電網公司在每個省級區域設立省電力公司，各省公司均為獨立法人，以指導省級智能電網的規劃和建設，其下轄的省級智能電網具有如下特征。

（1）主體性。省電力公司是我國智能電網生產、建設、運行、管理的承擔主體，國家電網公司提出的堅強智能電網建設目標和建設要求都需要通過省一級電網來實現。我國堅強智能電網的信息化、自動化和互動化主要依賴于各省級智能電網的信息化、自動化和互動化進程。

（2）完備性。省級智能電網是一個完整的智能電網單元，它涵蓋了發電、輸電、變電、配電、用電、調度各環節和通信信息平臺，具備智能電網的所有要素。

（3）規模性。從發電量、電力設備、用戶數量等方面看，省級智能電網具有一定規模。省作為地方最高一級行政區劃單位，是一種規模相當大的政治、經濟和文化實體，人口眾多，因而具有相當的電網規模。

（4）差異性。省級智能電網在建設重點、建設速度上存在差異。由于各省的文化背景、地理條件、能源資源狀況、經濟和社會狀況各不相同，各省級智能電網的發展戰略上有所區別。

1.2省級智能電網差異性特征

1）電網各環節重視程度

從能源資源的地區分布狀況來看，我國能源資源總量分布北多南少、西富東貧，能源品種分布特點為北煤、南水、西部和海上油氣。能源分布的差異使得各區域在電力能源結構調整上存在差異。

在經濟發達的東部沿海地區，由于電能消耗量大，對配電和用戶環節要求較高，而在西部相對落后地區，用戶數量較少，電能需求較小，對配、用電環節的重視程度相對較低。

2）電網價值取向

總體而言，各省份智能電網都要求具備安全、可靠、經濟、優質、清潔、互動等特征。不同地區根據自身發展的需要和城市發展定位，在發展智能電網時側重點各不相同，如上海、北京等城市更加注重智能電網的安全、可靠和優質性，然而較偏遠地區更注重經濟性。

3）電網建設速度

由于經濟及社會環境不同，省級智能電網各環節的發展速度參差不齊。如電能需求增長快速的省份注重智能化變電站的擴建，而電能增長需求較緩的城市更關注智能調度的建設。因此不同省份發展智能電網的速度也不一致。

2　省級智能電網評估指標體系

2.1評估指標的構建原則

省級智能電網評價體系的構建需要滿足以下要求。

（1）體現智能電網、省級智能電網特征。指標要能體現智能電網在堅強性、自愈能力、兼容性、經濟性、優化程度、互動性和集成化等方面的情況；同時能重點反映省級智能電網的特征。

（2）反映省級智能電網的發展速度。即指標中含有動態性指標。

（3）符合我國建設堅強智能電網的要求［10］。構建的指標體系應當符合構建以信息化、自動化、互動化為特征的國際領先、自主創新、中國特色的堅強智能電網的要求。

（4）全面性。指標應涵蓋發電、輸電、變電、配電、用電、調度個環節和通信信息平臺。

（5）普適性。即指標體系在考慮到各省智能電網差異化發展的同時，使評價體系適用于各省份的電網評估。

2.2各環節指標集

根據我國建設堅強可靠、經濟高效、清潔環保、透明開放和友好互動的堅強智能電網要求，分析我國智能電網的建設內容和方向，確立了省級智能電網評估的7個一級指標及其下層指標集［11］。

（1）發電環節。保證大規模新能源有序接入電網并安全、可靠運行；加強廠網協調控制能力，實現電源電網協調發展，滿足電網安全、穩定需要。

（2）輸電環節。加強線路在線監測和智能巡檢；廣泛采用靈活輸電技術，提高線路輸送能力和電壓、潮流控制的靈活性；推進防災減災技術研究應用；推廣新材料導線和桿塔應用，節能降損。

（3）變電環節。智能變電站的推廣和建設；全站設備的智能化；變電站的全壽命周期管理。

（4）配電環節。建成高效、靈活的網架結構；加快配電自動化系統建設；實現分布式電源和儲能裝置即插即用［12］。

（5）用電環節。構建智能雙向互動平臺，提升用戶服務質量；全面開展智能用戶管理與服務，在全國范圍推廣應用智能電表；滿足電動汽車等新型電力用戶的電力服務要求，提高電能在能源消費終端的比重。

（6）調度環節。建立高速、穩定的調度數據網；全面建成橫向集成、縱向貫通的智能電網調度技術支持系統。

（7）通信信息平臺。開展電力通信骨干網和城市配電通信網建設；實現一體化信息集成平臺及技術推廣應用、電力信息安全技術推廣應用。

2.3省級智能電網評價指標體系

將上述各環節指標集結合在一起，即構成了完整的省級智能電網多層級分類評估指標體系，其中包括7個一級指標，每個一級指標對應1個二級指標集，如圖1所示。二級指標的各指標集分別見表1～表7。

圖1　省級智能電網發展程度評估指標體系Fig.1　Comprehensive assessment system of provincial smart grid development

評價指標中，除了反映省級智能電網發展程度的指標外，還含有體現發展速度的相關指標：新能源裝機容量增長率、智能變電站增長率、分布式電源容量增長率、電能替代量增長率、電動汽車充換電站增長率、骨干通信網光纖覆蓋增長率等。這使得評價結果更加全面到位。

表1　發電環節指標集Tab.1　Generation index set

表2　輸電環節指標集Tab.2　Transmission index set

表3　變電環節指標集Tab.3　Transformation index set

表4　配電環節指標集Tab.4　Distribution index set

表5　用電環節指標集Tab.5　Consumption index set

表6　調度環節指標集Tab.6　Scheduling index set

表7　通信信息平臺指標集Tab.7　Communication and information index set

3　指標權重計算和評分方法

3.1指標權重計算方法

結合一級指標和二級指標的不同特點，本文采用了權重分層計算模型［13］。采用反熵權法確定一級指標權重；二級指標數量較多，以定量指標為主，且指標間相互獨立，無耦合依存關系，采用改進灰色關聯度法求解其權重，該方法簡單實用，且求解計算量相對較少。

3.1.1一級指標權重計算方法

一級權重ω采用反熵權法［14］進行確定，以避免出現熵權法中指標差異度敏感性較大，導致權重分配時出現了指標過小的極端情況。

用反熵權法確定指標權重的步驟如下：設評價問題有m個評價對象，n個評價指標，指標值為xij（i=1，2，…，n；j=1，2，…，m），評價矩陣X=（xij）n×m。根據評價矩陣X確定各指標的反熵為

3.1.2二級指標權重計算方法

灰色關聯分析作為一種系統分析技術，是分析系統中各因素關聯程度的一種方法，可將其用于確定評價指標的權重。

傳統的灰色關聯度分析方法在計算過程中易受分辨系數ρ取值的影響，使得計算的權重值具有主觀不確定性，從而給決策工作帶來不便。為了克服該缺陷，本文采用改進的灰色關聯度分析方法，求解二級指標權重［15］。具體計算方法與步驟如下。

（1）確定評價指標，聘請專家進行權重的經驗判斷。設有n個評價指標，有m個專家同時對各個指標的權重做出經驗判斷，從而組成各個指標權重的經驗判斷數據序列，可用矩陣形式表示為

（2）確定參考序列A0，即從經驗判斷矩陣A中挑選一個最大的權重值作為“公共”參考權重值，各個專家的參考權重值均賦予此值，表示為

（3）求取各個指標序列A1，A2，…，An與參考數據列A0之間的距離，其表達式為

（4）求各個指標的權重，并進行歸一化處理，具體計算參考式分別為

3.2權重計算流程

對于一級指標，權重計算流程如下。

（1）聘請n位專家打分，生成1個7×n的反熵權判斷矩陣A。

（2）利用反熵權法，根據式（1）和式（2）計算出一級指標的權重ω。

對于二級指標，權重計算流程如下：

（1）聘請n位專家分別對7個一級指標下的二級指標打分，生成7個改進灰色關聯度法判斷矩陣（假設某個一級指標下的二級指標個數為m，則判斷矩陣階數為m×n）。

（2）利用改進灰色關聯度法，根據式（3）～式（7），分別計算出7組二級指標的權重向量。

綜上，本指標體系包含的權重初始判斷矩陣如表8所示（其中n=10）。

表8　省級智能電網發展程度評估體系權重判斷矩陣Tab.8　Weight judgment matrix of assessment system of provincial smart grid

其中，反熵權判斷矩陣為n位專家對一級指標的初始權重判斷矩陣，列元素之和為1。

二級指標判斷矩陣為n位專家對m個指標做出的權重判斷矩陣。

根據一級指標權重計算流程可得到各指標的最終權重值，如表9所示。

表9　一級指標權重值Tab.9　Weight values of first class indicators

按照二級指標權重計算流程求解二級評估指標的權重，由于指標集過于龐大，僅在表10中列舉一級指標變電環節的指標權重計算結果。

表10　二級指標部分數據Tab.10　Part of second class indicators

3.3指標評分方法

［16］的指標評分方法對二級評估指標進行分類。指標類型分為效益型指標、成本型指標和特定型指標3類，其中效益型指標指隨著指標取值的增大其分數增高；成本型指標指隨著指標取值的減小其分數增高；而特定型指標指在中間的某個數值或子區間取值時其分數最高。

根據指標類型和指標理想值的不同，利用德爾菲法制定出離散評分判據，即指標數值和指標得分間的對應關系，并使用Matlab軟件中的Curve fit?ting tool工具對離散的評分判據進行曲線擬合，得到所有指標的連續評分函數，結合指標數值，最終可以得到評價指標的得分。限于篇幅，現只給出一級指標變電環節的離散評分判據和評分函數，分別如表11和12所示。

表11　變電環節離散評分判據Tab.11　Evaluation criterion of didcretized transformation index set

表12　變電環節評分函數Tab.12　Score functions of transformation index set

4　算例分析

選取某省電網作為研究對象，收集所有二級評估指標的基礎數據，并根據指標的計算方法求出具體的指標數值，然后將計算得到的指標數值帶入相應的指標評分函數中，從而得到所需的指標得分。

表10統計了變電環節二級評估指標的數值和得分，對各指標對應權重與得分相乘再求和，可得到變電指標評分值為59.82。利用上述方法，最終獲得該省電網現狀的綜合評估結果，如表13所示。

從表13的結果可以看出，該省電網的綜合評估分數為53.45。已知選取地區為國內較發達省份，評估結果基本符合該省的發展定位。

表13　某省智能電網綜合評估結果Tab.13　Comprehensive assessment results of a provincial smart grid

進一步分析可知，該省級電網的輸電（46.20）和配電（45.44）2個指標的評價值偏低，評估結果與我國省級智能電網發展中存在的問題相吻合，具體如下。

（1）輸電環節中各類輸電線路監測設備制造技術起步較晚、發展較慢，在線監測系統不完善，同時各種新型輸電技術有待突破。

（2）由于對配網重視程度不夠，目前的配電網絡結構不合理，配電自動化水平不夠高，分布式能源接入與控制等相關技術還不成熟。

（3）現有網架結構限制、可再生能源安全可靠接網新技術和大規模儲能新技術的不成熟，使可再生能源發電量增長速度和微網普及速率受限。

結合上述問題分析，建議在今后全面建設省級智能電網的過程中，積極推廣智能化和自動化設施的建設使用，重點關注國家政策和電力體制改革，同時大力發展智能電網新技術，解決現有電網建設改造成本過高、新能源接入造成的電網供電安全和質量下降等問題，使省級智能電網能夠均衡發展、全面提升，真正發揮其在地區經濟社會發展中的重要作用。

5　結語

本文從電力系統各環節出發，構建了省級智能電網綜合評估指標體系，為省級電網的發展建設和趨優運營提供科學有效的指導；同時應用反熵權法和改進灰色關聯度法的權重分層計算模型，提高指標權重判定的精度。實際算例分析表明，所提方法可以反映出省級智能電網的各種屬性和整體發展程度，評估結果可為省級智能電網的發展建設提供參考。

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Comprehensive Assessment System and Method of Provincial Smart Grid Development

WANG Qian1，WANG Wei2，CHEN Shangji3，SUN Qian1
（1.Electric Power Research Institute，State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450000，China；2.State Grid Corporation of China，Beijing 100000，China；3.State Grid Henan Electric Power Company，Zhengzhou 450000，China）

In order to evaluate the development of provincial smart grid，based on its features，construction emphasis and key technology，a comprehensive assessment index system and method of provincial smart grid is established.The index system includes two hierarchies，which is universal in all provinces，and represents the degree and speed of a pro?vincial smart grid in terms of generation，transmission，transformation，distribution，consumption，scheduling，and communication and information.Then，an anti-entropy weight method and an improved grey incidence approach are ap?plied to solve and calculate the index weights of the index system.A continuous grading method based on Delphi and curve fitting is used to calculate index scores.Finally，the example proves the validity of the proposed method，which is valuable in assessing the development of a provincial smart grid and its benefits，and the identification of its operation condition and weak links.

provincial smart grid；comprehensive assessment；index system；hierarchical weight calculation mothod；continuous grading method

TM732

A

1003-8930（2016）08-0122-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.08.021

2014-09-25；

2015-11-30

王倩（1985—），女，碩士，工程師，研究方向為智能電網、配電網相關技術研究。Email：wangqian0523@163.com

王偉（1980—），男，博士，高級工程師，研究方向為智能電網新材料、新技術研究，負責智能電網規劃、建設和管理。Email：wang-w@sgcc.com.cn

陳上吉（1984—），女，碩士，工程師，研究方向為智能電網、電能計量等。Email：chensai118@163.com