基于AHP-熵權(quán)法的配電網(wǎng)設備資產(chǎn)運檢成本優(yōu)化配置模型

唐學軍，譚忠富，李智威，姜英涵，張雪霏，董力通

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，武漢市430077；2.華北電力大學經(jīng)濟與管理學院，北京市 102206；3.國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，北京市102209)

0 引 言

近年來，國家發(fā)展改革委先后正式印發(fā)了《輸配電定價成本監(jiān)審辦法》《省級電網(wǎng)輸配電價定價辦法》[1-2]，對提供輸配電服務的電網(wǎng)企業(yè)實施定價成本監(jiān)審。其中，對于運行維護費，定價辦法要求監(jiān)審期間核定的新增材料費、修理費和人工費三項合計按不高于監(jiān)管周期新增輸配電固定資產(chǎn)原值的2%核定，進一步壓縮了準許成本計提比例，以保障電網(wǎng)公司維持輸配電價穩(wěn)定。為適應輸配電成本改革新形勢和政府強化監(jiān)管新要求，電網(wǎng)企業(yè)亟需開展區(qū)域配電網(wǎng)設備資產(chǎn)運維檢修(以下簡稱運檢)成本的細化管理，提高運檢成本投入的有效性。

對配電網(wǎng)企業(yè)來講，運維和檢修兩大業(yè)務的成本在企業(yè)整個業(yè)務成本中占據(jù)著很大比重。維護、運行、檢修等工作都是設備全壽命使用周期中重要的管理階段，所以，其成本控制水平的高低也會對設備使用情況產(chǎn)生很大影響。設備運維檢修成本指在設備的全壽命周期內(nèi)，為維持設備運作而產(chǎn)生的運行、維護、檢修等相關活動的成本，按作業(yè)類型分類，可以分為運行維護成本、設備檢修成本和狀態(tài)監(jiān)控成本等，在電力設備的投資成本中，電力設備的運行和維護費用占比較大[3-6]。文獻[7]提出了一種基于運維檢修成本調(diào)整參數(shù)的線性、二次和彈性三種多元回歸測算模型，通過運檢成本調(diào)整系數(shù)以及影響因素修正成本分配。文獻[8]構(gòu)建了特高壓運維檢修成本控制體系，采用自回歸積分移動平均模型、支持向量機以及BP網(wǎng)絡模型確立運維檢修成本控制目標，并從主動控制和被動控制兩方面確保運檢成本在合理區(qū)間內(nèi)。文獻[9]提出了一種基于運維工作量調(diào)整因子的可量化的智慧能源運維成本模型，運用機器學習和灰色關聯(lián)度分析法確定運維工作量和資產(chǎn)原值的定量關系，使系統(tǒng)的運維費用支出有據(jù)可依。文獻[10]提出了一種適應輸配電價改革的電網(wǎng)項目成本費用核算方法，考慮了新電改政策對運維成本核定的影響。文獻[11]基于實際設備及作業(yè)內(nèi)容，優(yōu)化電網(wǎng)檢修運維成本作業(yè)庫及作業(yè)檢修周期，考慮應急搶修等特殊因素，對檢修運維成本預算進行調(diào)整。文獻[12]基于全壽命周期成本，結(jié)合設備運行可靠性影響因素，考慮役齡回退因子以及故障率的影響,建立以全壽命周期成本最小為目標的設備全壽命周期成本模型，優(yōu)化了設備檢修成本模型及策略。文獻[13]圍繞生產(chǎn)設備，融合設備資產(chǎn)管理信息標準，建立重點生產(chǎn)設備的成本投入與電網(wǎng)資源貢獻度之間的有機聯(lián)系，實現(xiàn)電網(wǎng)資源在合理投入下的綜合效益最大化。

上述研究對電網(wǎng)運檢成本的管控和優(yōu)化仍缺乏實證性的研究，尤其對區(qū)域配電網(wǎng)的外部環(huán)境以及內(nèi)部設備規(guī)模、設備質(zhì)量和設備效益等因素考慮不足，難以結(jié)合不同區(qū)域特點，差異化優(yōu)化運檢成本，實現(xiàn)區(qū)域配電網(wǎng)運檢成本的科學、合理、有效分配。為此，本文提出一種基于層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)-熵權(quán)法的配電網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置模型，依托電網(wǎng)公司PMS2.0與ERP等業(yè)務系統(tǒng)，結(jié)合區(qū)域配電網(wǎng)設備資產(chǎn)運維檢修成本結(jié)構(gòu)模型，綜合考慮運維檢修成本的關鍵影響因素，建立區(qū)域配電網(wǎng)設備運檢成本優(yōu)化配置模型，形成針對不同特性區(qū)域的成本配置方案。最后，選取典型區(qū)域配電網(wǎng)進行實例分析，驗證模型的可行性、科學性和適用性。

1 配電網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置模型

1.1 配電網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置評價指標體系

配電網(wǎng)設備檢修成本傳統(tǒng)上來說一般先由負責設備運維管理工作部門向財務部門上報每個周期設備檢修項目和成本，再由上一級部門按照設備資產(chǎn)總額，分配設備年度大修成本，并對該成本費用展開項目審核，最后再發(fā)布相應的年度檢修項目成本管理規(guī)劃。負責設備生產(chǎn)管理工作部門安排具體的設備大修與維護計劃，各個負責檢修工作的責任部門每年按照各季度設備檢修成本，對制定的資金使用計劃分項施行。安排設備大修資金時，一般都是以設備檢修周期為依據(jù)，尚不是以設備在使用期間的健康情況為依據(jù)來確定，使得設備大修時往往會產(chǎn)生較大的檢修成本浪費情況。對一個區(qū)域運維檢修成本大小的判斷要綜合多方面因素做出客觀評價，不能簡單地根據(jù)其規(guī)模大小判斷，需要適當借用設備使用狀態(tài)的評估成果來制定相應的檢修計劃，即對配電平臺中的變壓器和線路等設備施行狀態(tài)檢修。狀態(tài)檢修的施行可以幫助相關人員借助先進的科學技術(shù)和試驗方案，了解變壓器等設備的潛在故障，再結(jié)合設備在線監(jiān)測、日常檢查和故障診斷等大數(shù)據(jù)信息，了解設備性能的高低和運行狀況，以便預估出此類設備在未來一段時間內(nèi)的檢修規(guī)劃，從而展開針對性的設備檢修計劃。

結(jié)合配電網(wǎng)設備檢修的基本流程，本文使用解釋結(jié)構(gòu)模型對配電網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置指標進行篩選，具體過程如下：

步驟1：輸入指標原始數(shù)據(jù)，形成n×m階數(shù)據(jù)矩陣A0。

(1)

步驟2：對A0進行處理，計算這n項指標兩兩之間的關聯(lián)系數(shù)，以指標x1和指標x2為例，計算這兩個指標的相關系數(shù)公式如下：

(2)

得到n×n階系數(shù)矩陣A1：

(3)

步驟3：對矩陣A1進行處理，處理方式如下：若|rij|>α，則令rij=1，否則令rij=0，其中，α取值可以進行定義，一般取值為0.85，得到n×n階系數(shù)矩陣A2:

(4)

步驟4：對鄰接矩陣A2進行處理，通過處理可以得到n×n階可達矩陣A3。單位矩陣I、A2和A3滿足下列運算規(guī)則：

(A2+I)k-1≠(A2+I)k=(A2+I)k+1=A3

(5)

步驟5：劃分指標級別，首先對矩陣A3進行處理，計算各個元素相對應的可達集P，即找出A3中每一行中元素為1對應的列，計算各元素相對應的先行集Q，即找出A3中每一列中元素為1對應的行，并計算兩者的交集S。

步驟6：在得到上述三個集合的基礎上進行級別劃分。用有向枝連接相鄰級別間的元素及同一級別的元素，分析各層級元素間的相關關系，識別幾個層級以及每個層級類含有的指標，根據(jù)分類就可以得到配電網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置指標影響關系。

步驟7：進行關鍵指標篩選與優(yōu)化，基于指標間影響關系圖，選取最高層和次高層涉及的指標為關鍵指標。

用于優(yōu)化配置評價指標的選取遵循科學性原則和可比性原則，結(jié)合區(qū)域配電網(wǎng)運維檢修成本投入的目標，如設備安全運行、投入產(chǎn)出效益等，從外部因素、設備規(guī)模、配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、資產(chǎn)效益和運檢策略等多個方面構(gòu)建影響運維檢修成本的指標體系[14]。具體為：按照影響因素和目標，將其劃分為五個維度即外部因素、資產(chǎn)規(guī)模、安全運行、資產(chǎn)效益、經(jīng)濟發(fā)展，如表1所示。

表1 配電網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置指標體系

基于解釋結(jié)構(gòu)模型，將配電線路長度及GDP水平兩個指標作為一級影響因素，其他指標為二級影響因素。其中，配電線路長度是影響區(qū)域配電網(wǎng)設備資產(chǎn)運維檢修成本的基礎因素。GDP水平作為衡量地區(qū)發(fā)展的經(jīng)濟指標，能夠一定程度上表征地區(qū)的用電需求及保電需求。

基于此，將上述指標體系轉(zhuǎn)化為一級影響因素和二級影響因素兩部分。其中一級影響因素包含配電線路長度、GDP水平2個指標，二級影響因素包含非平原地區(qū)占比、低溫低于0 ℃天數(shù)、配電線路平均掛接設備數(shù)量、低電壓占比、重過載占比、三相不平衡占比、超過15年資產(chǎn)原值占比、外包占比、單位資產(chǎn)售電量9個指標，如表2所示。

表2 配網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置指標分級

1.2 評價指標體系權(quán)重確定方法

為避免評價過程中主觀性的影響，采用主客觀相結(jié)合的AHP-熵權(quán)法確定權(quán)重，權(quán)重的計算過程如下[15]詳述。

1)基于AHP的主觀權(quán)重計算。

層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的多目標決策分析方法，用兩兩對比的相對標度將專家的判斷量化，確定同層次中各元素的權(quán)重。假定評價指標有n個，層次分析法的計算步驟如下：

步驟1：構(gòu)造判斷矩陣。用兩兩比較法構(gòu)造判斷矩陣，兩兩比較法的輕重程度用表3所示標度表示。

表3 重要性程度定義

收集不同領域?qū)＜覍χ笜碎g重要程度的評分情況，并以各評分均值作為最后的評分結(jié)果，即得到判斷矩陣如下：

(6)

式中：aij表示i因素對比j因素所得到的評分結(jié)果均值。

步驟2：計算特征向量。采用求和法進行特征向量及特征值的計算，具體過程如下：

(7)

(3)計算主觀權(quán)重向量ωi，計算公式如下：

(8)

2)基于熵權(quán)法的客觀權(quán)重設計。

熵權(quán)法屬于客觀賦權(quán)法，信息熵理論起源于熱力學，最初由香農(nóng)引入到信息系統(tǒng)。熵權(quán)重按照信息熵的思想，根據(jù)數(shù)據(jù)信息的多少和質(zhì)量決定指標的權(quán)重[9]。假定評價指標有n個，一共測得有m組數(shù)據(jù)。熵權(quán)法的計算步驟如下[16-18]：

步驟1：根據(jù)指標的原始數(shù)據(jù)計算熵值，指標i的信息熵為：

(9)

(10)

式中：xiq(i=1,2,…,n;q=1,2,…,m)為評價指標測量值歸一化的值；piq為xiq歸一化后的值；ei為指標i的信息熵。

步驟2：計算客觀權(quán)重，根據(jù)信息熵可以計算客觀權(quán)重：

(11)

Wo=[wo1，wo2，wo3，…，won]

(12)

熵權(quán)法是一種突出局部差異的客觀賦權(quán)方法，主要根據(jù)指標的相對變化程度對系統(tǒng)整體的影響確定指標的權(quán)重，此方法排除掉了主觀色彩，并且具有普適性的特點[19]。因此，本文采用AHP和熵權(quán)法相結(jié)合的權(quán)重計算方法對運維檢修成本的影響因素進行權(quán)重賦值，將主觀權(quán)重與客觀權(quán)重加權(quán)平均獲得指標綜合權(quán)重，并構(gòu)建配電網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置模型。

1.3 運檢成本優(yōu)化配置指標權(quán)重確定過程

1)標準化處理。

由于優(yōu)化配置指標體系中各指標分別代表不同方面，具有不同的含義，其量綱、數(shù)量級均有差異，不宜直接通過大小比較或者進行數(shù)量上的加權(quán)，為了消除因量綱不同對評價結(jié)果的影響，必須運用一定的方法對其進行轉(zhuǎn)化，即進行標準化處理。

無量綱化(標準化)處理方法有很多種，最為常見的有極值化法、標準化法、均值化法等，由于本次分析數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量小，結(jié)合各方法的適用性，本文選擇極值化方法對各影響因素指標進行無量綱化處理[20-21]。

2)計算各指標以及指標層權(quán)重。

依據(jù)運檢成本優(yōu)化配置評價指標體系，收集某省電網(wǎng)公司14家地市單位2017—2019年對應指標的實際數(shù)據(jù)值。通過計算配電線路長度、GDP水平的信息熵得到一級影響指標層各指標權(quán)重，通過計算非平原地區(qū)占比、低溫低于0 ℃天數(shù)、配電線路平均掛接設備數(shù)量、低電壓占比、重過載占比、三相不平衡占比、超過15年資產(chǎn)原值占比、外包占比、單位資產(chǎn)售電量的信息熵得到二級影響指標層各指標權(quán)重，如表4所示。

表4 優(yōu)化配置指標體系外生影響各指標信息熵

從測算結(jié)果來看，一級影響因素中，GDP水平的影響比配電線路長度的影響更重要。二級影響因素中，配電線路平均掛接設備數(shù)量的影響最大，為0.293 9，其次為重過載占比、三相不平衡占比、低電壓占比，分別為0.147 8、0.138 5、0.105 1，其他指標的影響權(quán)重分布在0.100 0以下。

3)確定內(nèi)生影響與外生影響的權(quán)重。

在指標層權(quán)重計算結(jié)果的基礎上，確定因素層權(quán)重。首先，將原始數(shù)據(jù)標準化。然后，將標準化后的指標乘以對應指標權(quán)重，加權(quán)求和作為因素層指標值。例如，一級影響因素層含有2個指標，分別為配電線路長度、GDP水平，且指標權(quán)重分別為0.32和0.68，將2017—2019年指標標準化后乘以對應的指標權(quán)重，再求和得到一級影響指標值。最后，通過AHP-熵權(quán)法計算一級影響因素與二級影響因素的權(quán)重值[22]。

通過AHP-熵權(quán)法計算得到因素層中一級影響因素、二級影響因素權(quán)重分別為0.717 7、0.282 3，綜上可以得到優(yōu)化配置模型權(quán)重，如表5所示。

表5 優(yōu)化配置模型權(quán)重

其中，每個指標項對運維檢修成本的影響權(quán)重由兩部分組成。一是指標項對因素層的影響權(quán)重；二是因素層對運維檢修成本的影響權(quán)重。例如，配電線路長度對運維檢修成本的影響權(quán)重為0.32×0.717 7=0.229 7；非平原地區(qū)占比對運維檢修成本的影響權(quán)重為0.073 8×0.282 3=0.020 8。

2 模型驗證

通過實地調(diào)研和系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取，本文共收集到某省電力公司14家單位2017—2019年配電網(wǎng)運維檢修成本類影響因素指標值以及各單位運維檢修成本費用存在的問題，現(xiàn)以2019年指標數(shù)據(jù)及實際運檢成本分配數(shù)據(jù)為例，開展14家單位運檢成本優(yōu)化配置。

依據(jù)優(yōu)化配置評價指標體系及其對運維檢修成本影響的權(quán)重，結(jié)合各單位各項指標數(shù)據(jù)情況，可計算得到各單位成本優(yōu)化配置比例。

(13)

式中：kd為d單位的運維檢修成本分配比例；zdi為d單位第i(i=1,2,…,11)個指標數(shù)值標準化后的值；Wi為指標i的綜合權(quán)重。

將2019年的指標值代入測算各單位運維檢修成本分配比例，如表6所示。

表6 各單位2019年運維檢修成本分配比例

優(yōu)化配置模型在配電線路長度和GDP水平的基礎上，考慮到不同地市公司低溫低于0 ℃天數(shù)、配電線路平均掛接設備數(shù)量、低電壓占比、超過15年資產(chǎn)原值占比、外包占比、單位資產(chǎn)售電量、非平原地區(qū)占比、重過載占比、三相不平衡占比指標間的差異，綜合確定運維檢修成本分配比例。其中，各地市公司指標值變異程度越大，該項指標權(quán)重越大，說明該指標是造成差異的重要因素。

經(jīng)測算，與成本理論分配比例相比，有5家單位運維檢修成本實際分配比例相對偏高，分別是城市5、城市6、城市10、城市11、城市13。剩余9家單位運維檢修成本實際分配比例相對偏低，基于各影響因素與目標需求，可適當提高這些單位運維檢修成本分配比例，滿足其生產(chǎn)需要。

基于實地調(diào)研與數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計得到14家單位的低溫低于0 ℃天數(shù)、配電線路平均掛接設備數(shù)量等指標數(shù)值，各指標值分別與該指標14家單位的平均值進行對比，結(jié)果如表7所示，其中，“高”代表A單位b指標的實際發(fā)生值大于b指標14家單位發(fā)生值平均數(shù)；“低”代表A單位b指標實際發(fā)生值小于b指標14家地市公司發(fā)生值平均值。

表7 成本優(yōu)化配置指標分析對比

將單位線路長度運檢成本和實際成本與理論分配差值進行對比，明確定位各單位當前運檢成本配置存在的問題，城市2、城市3等11家單位的問題定位保持一致，即優(yōu)化配置模型的分配比例基本符合該省運維檢修實際。從2019年數(shù)據(jù)來看，總體上，各單位實際發(fā)生成本比例不太符合于基于關鍵影響因素與目標的成本需求。可根據(jù)優(yōu)化配置模型分析結(jié)果，適當調(diào)整各單位運維檢修成本分配比例，以更好滿足其生產(chǎn)需要。

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于AHP-熵權(quán)法的配電網(wǎng)運維檢修成本優(yōu)化配置模型。通過理論分析與算例驗證，得出如下結(jié)論：

1)從外部因素、資產(chǎn)規(guī)模、安全運行、資產(chǎn)效益、經(jīng)濟發(fā)展五個維度構(gòu)建配電網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置評價指標體系，兼顧可控影響因素和不可控影響因素指標，該評價體系能夠全面反映配電網(wǎng)運檢成本的配置差異。

2)綜合運用層次分析法和熵權(quán)法對優(yōu)化配置評價指標體系各指標賦權(quán)重，構(gòu)建配電網(wǎng)設備資產(chǎn)運檢成本優(yōu)化配置模型，并在算例中，依據(jù)各單位指標實際數(shù)據(jù)，得到了各單位運檢成本優(yōu)化配置結(jié)果與實際成本的差異，該結(jié)果與實際調(diào)研得到的問題定位相符，驗證了本文方法的有效性。