蔣小亮, 李秋燕, 張文朝, 全少理, 李錳, 梁海平, 田圣雙

(1.國網(wǎng)河南省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，河南 鄭州 450052； 2.中電普瑞電力工程有限公司，北京 102200；3.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引 言

隨著我國新型城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化工作的深入推進(jìn)，經(jīng)濟(jì)對供電可靠性、電能質(zhì)量的要求越來越高。經(jīng)過多年的建設(shè)與改造，我國配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不斷改善、供電能力不斷提高。但與發(fā)達(dá)國家相比，我國配電網(wǎng)在電能質(zhì)量、供電可靠性等方面還存在較大差距[1]。文獻(xiàn)[2-3]明確提出加快建設(shè)現(xiàn)代配電網(wǎng)，構(gòu)建城鄉(xiāng)統(tǒng)籌、安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、技術(shù)先進(jìn)、環(huán)境友好、與小康社會(huì)相適應(yīng)的現(xiàn)代配電網(wǎng)，以安全可靠的電力供應(yīng)和優(yōu)質(zhì)高效的供電服務(wù)保障經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，為全面建成小康社會(huì)提供有力支撐。

配電網(wǎng)綜合評價(jià)旨在全面衡量配電網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r，通過對配電網(wǎng)的供電質(zhì)量、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、運(yùn)行水平、技術(shù)裝備、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)性等要素進(jìn)行評價(jià)，深入了解配電網(wǎng)現(xiàn)狀及存在問題，并針對配電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)提出改進(jìn)意見和措施，促進(jìn)配電網(wǎng)的不斷發(fā)展和完善。

不少學(xué)者和專家對配電網(wǎng)的綜合評價(jià)進(jìn)行了大量的研究。而從經(jīng)濟(jì)性[4-6]、評價(jià)的屬性偏好[7]、子目標(biāo)之間的協(xié)調(diào)性[8-9]、用戶側(cè)微觀需求[10]、網(wǎng)格化思想[11]、等多方面構(gòu)建評價(jià)體系的研究很多，但是對配電網(wǎng)的智能化指標(biāo)涉及較少。目前，構(gòu)建配電網(wǎng)評價(jià)體系常用的方法有層次分析法或者改進(jìn)的層次分析法[12-13]、德爾菲法[14]、魚骨圖分析法[15]，模糊綜合評價(jià)法[16]等。文獻(xiàn)[16]綜合運(yùn)用了以上幾種方法，吸取了各種方法的優(yōu)點(diǎn)，并引入全生命周期指標(biāo)來反映配電網(wǎng)的運(yùn)行管理水平，結(jié)果表明夠充分利用現(xiàn)有的數(shù)據(jù)資源實(shí)現(xiàn)評價(jià)，為評估工作常態(tài)化提供了條件。文獻(xiàn)[17]按照差異化原則將評價(jià)區(qū)域分成A、B、C、D四類，分別給出各類供電區(qū)域評價(jià)指標(biāo)的參考值，及各類供電區(qū)域?qū)φ麄€(gè)評價(jià)區(qū)域的影響權(quán)重來完成配電網(wǎng)的綜合評價(jià)。文獻(xiàn)[18] 建立了基于DEMATEL-ANP-反熵權(quán)和灰色關(guān)聯(lián)分析法組合的區(qū)域輸配電網(wǎng)智能化水平評價(jià)模型，對輸配電網(wǎng)智能化發(fā)展水平評價(jià)具有較好科學(xué)性及適用性。

針對目前缺乏現(xiàn)代配電網(wǎng)成熟度評價(jià)的現(xiàn)狀，本文提出了基于變異系數(shù)法和TOPSIS法的現(xiàn)代配電網(wǎng)評價(jià)方法，采用變異系數(shù)法對各個(gè)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行賦值，并用TOPSIS法對各地區(qū)的現(xiàn)代配電網(wǎng)成熟度進(jìn)行打分，隨后通過實(shí)際算例測試多個(gè)地區(qū)配電網(wǎng)的成熟度水平并對其做出綜合評價(jià)。

1 現(xiàn)代配電網(wǎng)成熟度評價(jià)指標(biāo)選擇

隨著人們生產(chǎn)生活的電氣化、智能化程度越來越高，對供電可靠性和電能質(zhì)量的要求越來越高。同時(shí)，分布式電源的大量接入、電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及配電自動(dòng)化建設(shè)的逐步推進(jìn)促使配電網(wǎng)發(fā)生著深刻的變革[19]。遴選能夠充分反映現(xiàn)代配電網(wǎng)發(fā)展水平的指標(biāo)是現(xiàn)代配電網(wǎng)成熟度評價(jià)的基礎(chǔ)。本文從配電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性及自動(dòng)化水平等不同角度出發(fā)，選取了7個(gè)評價(jià)指標(biāo)，分別為中心城市(區(qū))供電可靠性、中心城市(區(qū))用戶平均停電時(shí)間、中心城市(區(qū))綜合電壓合格率、110 kV及以下線損率、配電自動(dòng)化覆蓋率、配電通信網(wǎng)覆蓋率和智能電網(wǎng)覆蓋率來全面反映配電網(wǎng)的運(yùn)行特性和現(xiàn)代化水平。

2 基于變異系數(shù)法的指標(biāo)權(quán)重系數(shù)計(jì)算

變異系數(shù)法(Coefficient of Variation Method)是直接利用各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)所包含的信息，通過計(jì)算得到各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，該方法是一種客觀賦權(quán)的方法，具有良好的實(shí)用性和科學(xué)性。變異系數(shù)法通過考慮評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)的相對變化程度實(shí)現(xiàn)評價(jià)指標(biāo)動(dòng)態(tài)賦權(quán)，可顯著降低主觀因素干擾。

采用變異系數(shù)法計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，主要計(jì)算步驟如下：

(1)建立評價(jià)矩陣

假設(shè)有m個(gè)數(shù)量相同的評價(jià)指標(biāo)，第j個(gè)評價(jià)對象的評價(jià)指標(biāo)向量為Yj=[y1j,y2j,…,ymj]T，如果有n個(gè)評價(jià)對象，則評價(jià)矩陣可表示為Y=[Y1,Y2,…,Yn]。各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重用ω表示，則權(quán)重向量為ω=[ω1,ω2,…,ωm]T。

(2)評價(jià)指標(biāo)同向化

評價(jià)指標(biāo)可分為正向評價(jià)指標(biāo)和負(fù)向評價(jià)指標(biāo)，正向評價(jià)指標(biāo)值越大其反映的狀況越優(yōu)，負(fù)向評價(jià)指標(biāo)則正好相反。當(dāng)m個(gè)評價(jià)指標(biāo)中含有負(fù)向評價(jià)指標(biāo)時(shí)，則需對負(fù)向評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行同向化處理，采用式(1)實(shí)現(xiàn)。

(1)

(3)評價(jià)指標(biāo)去量綱化

由于各指標(biāo)所代表的物理涵義不同，因此存在著量綱上的差異，需對Y′進(jìn)行去量綱化處理，采用式(2)進(jìn)行處理，得到標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y″：

(2)

(4)評價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

針對去量綱化處理后的標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y″，分別采用式(3)和式(4)計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的均值和標(biāo)準(zhǔn)差：

(3)

(4)

利用均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算變異系數(shù)Vi，計(jì)算式見式(5)：

(5)

如式(6)所示，利用變異系數(shù)Vi可計(jì)算各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重 。

(6)

確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重后，可采用TOPSIS法對各評價(jià)對象進(jìn)行綜合評價(jià)。如果把評價(jià)指標(biāo)看成坐標(biāo)系中的變量，則在幾何上形成一個(gè)高維空間，從幾何角度看，每個(gè)被評價(jià)對象是由反映它的多個(gè)評價(jià)指標(biāo)值在該空間決定的一個(gè)點(diǎn)，而綜合評價(jià)問題就變成了對這些空間點(diǎn)的排序和評價(jià)。

TOPSIS法采用相對接近度來表征各個(gè)評價(jià)對象與參考點(diǎn)的距離。首先在空間確定出參考點(diǎn)，包括最優(yōu)點(diǎn)和最劣點(diǎn)，然后計(jì)算各個(gè)評價(jià)對象與參考點(diǎn)的距離，與最優(yōu)點(diǎn)越近或與最劣點(diǎn)越遠(yuǎn)說明被評價(jià)對象的綜合特性越好。本文的具體計(jì)算如下：

根據(jù)式(7)確定加權(quán)數(shù)據(jù)矩陣Y?。

(7)

由于評價(jià)指標(biāo)已經(jīng)正向化，可以用所有樣本中各評價(jià)指標(biāo)的最大值構(gòu)成正理想樣本，用各評價(jià)指標(biāo)的最小值構(gòu)成負(fù)理想樣本，分別用Y+和Y-表示。

定義樣本點(diǎn)到最優(yōu)點(diǎn)的距離為D+，其計(jì)算見式(8)：

(8)

定義樣本點(diǎn)到最劣點(diǎn)的距離為D-，其計(jì)算見式(9)：

(9)

相對接近度由式(10)計(jì)算得出：

(10)

根據(jù)相對接近度Cj的大小，可以對各評價(jià)對象進(jìn)行排序。Cj越大表明評價(jià)對象與正理想樣本的相對距離越小，相應(yīng)評價(jià)對象的評價(jià)結(jié)果越優(yōu)。

3 現(xiàn)代配電網(wǎng)對標(biāo)標(biāo)桿的確定

本文以文獻(xiàn)[1]中給出的2020年的期望指標(biāo)為現(xiàn)代配電網(wǎng)建設(shè)改造的指導(dǎo)目標(biāo)，以2014年的實(shí)際情況作為合格配電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

通過表1可以看到其中供電可靠性離目標(biāo)水平相差0.19個(gè)百分點(diǎn)；用戶均停電時(shí)間和目標(biāo)水平相差較大；電壓合格率接近目標(biāo)水平；配電自動(dòng)化覆蓋率、配電通信網(wǎng)覆蓋率、智能電表覆蓋率還有很大提升空間。

表1 配電網(wǎng)建設(shè)改造指導(dǎo)目標(biāo)

4 算例分析

算例選用某省的五個(gè)地區(qū)同一年份的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出的評價(jià)指標(biāo)如表2所示。

表2 配電網(wǎng)成熟度指標(biāo)數(shù)據(jù)

選取2014年電網(wǎng)各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)作為合格數(shù)據(jù)，賦值60分；選取2020年水平數(shù)據(jù)作為最好數(shù)據(jù)，賦值100分。按照公式(11)進(jìn)行一次函數(shù)曲線擬合，得到A、B、C、D、E5個(gè)地區(qū)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)的評分?jǐn)?shù)據(jù)。

(11)

(12)

其中xevaluation(i,j)是評分結(jié)果，sgiven(i,j)是給定的第j個(gè)配電網(wǎng)第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)的給定數(shù)據(jù)，sbest(i,2)和sworst(i,1)分別是給定各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)中的最好數(shù)據(jù)和最壞數(shù)據(jù)。

通過計(jì)算數(shù)據(jù)組成對于給定數(shù)據(jù)的評價(jià)矩陣，按照第2章的計(jì)算步驟，對評價(jià)矩陣進(jìn)行處理，得到如式(13)所示的標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)矩陣Y″，圖1為評價(jià)矩陣對應(yīng)指標(biāo)的對比圖。

(13)

圖1為評價(jià)矩陣中各個(gè)地區(qū)的各個(gè)指標(biāo)數(shù)值的對比圖。綜合評價(jià)越高的地區(qū)，該地區(qū)各個(gè)指標(biāo)的值越大。

圖1 評價(jià)矩陣對應(yīng)的指標(biāo)

由圖1可以看到5個(gè)地區(qū)的前4個(gè)評價(jià)指標(biāo)相差不大，配電自動(dòng)化覆蓋率、配電通信網(wǎng)覆蓋率、智能電表覆蓋率指標(biāo)相差較大。

采用式(3)和(4)計(jì)算每個(gè)評價(jià)指標(biāo)的平均值及標(biāo)準(zhǔn)差；用式(5)計(jì)算變異系數(shù)；用式(6)計(jì)算評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；計(jì)算結(jié)果如表3所示，其對應(yīng)圖如圖2。

表3 參數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖2 平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和權(quán)重

由表3及圖2可以看到，配電網(wǎng)自動(dòng)化覆蓋率、配電通信網(wǎng)覆蓋率、智能電表覆蓋率三項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)過于分散，所以，它們的標(biāo)準(zhǔn)差偏大，而平均值相差無幾，因此，他們具有很大的變異系數(shù)，對應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重也會(huì)增加。計(jì)算結(jié)果證明了這一點(diǎn)。

根據(jù)各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，通過式(7)可獲得式(14)所示的加權(quán)數(shù)據(jù)矩陣 ，其對應(yīng)加權(quán)評價(jià)矩陣中的各個(gè)評價(jià)指標(biāo)對比如圖3所示。

(14)

圖3 加權(quán)評價(jià)矩陣

由圖3可以看到，配電設(shè)備自動(dòng)化率、通信網(wǎng)覆蓋率和智能電表覆蓋率三項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)因?yàn)闄?quán)重較大，各配電網(wǎng)的對應(yīng)評分對于整體評價(jià)的影響顯著上升。

進(jìn)而，利用加權(quán)數(shù)據(jù)矩陣計(jì)算得到正理想樣本點(diǎn)Y+和負(fù)理想樣本點(diǎn)Y-：

Y+=(0.046 8,0.022 4,0.003 6,0.049 5,0.099 7,0.131 9,0.158 8)
Y-=(0.040,0.021,0.004,0.042,0.067,0.084,0.097)

進(jìn)一步可分別計(jì)算出樣本點(diǎn)到最優(yōu)點(diǎn)和最劣點(diǎn)的距離D+和D-：

D+=(0.063 2,0.084 8,0.037 3,0.011 3,0.008 4)
D-=(0.034 9,0.006 4,0.048 2,0.079 7,0.083 3)

圖4 與最優(yōu)點(diǎn)和最劣點(diǎn)的距離

繪制最優(yōu)點(diǎn)和最劣點(diǎn)的距離如圖4所示。樣本點(diǎn)越接近最優(yōu)點(diǎn)，該點(diǎn)在圖表中越接近中心點(diǎn)。

通過觀察圖4可以發(fā)現(xiàn)，B點(diǎn)離最優(yōu)點(diǎn)最遠(yuǎn)，離最劣點(diǎn)最近。但是，某個(gè)給定點(diǎn)與最優(yōu)點(diǎn)和最劣點(diǎn)之間的距離并不能直觀地反應(yīng)其綜合水平的優(yōu)劣。因此，根據(jù)式(10)計(jì)算出樣本點(diǎn)到最優(yōu)樣本點(diǎn)的相對接近度Cj。

Cj的值越大，表明評價(jià)值越優(yōu)。將Cj按大小排序?qū)崿F(xiàn)配電網(wǎng)成熟度綜合評價(jià)，如表4所示。

圖5 相對接近度

通過表4可以看到E地區(qū)的成熟度最高，在對標(biāo)城市中排名第一，而B地區(qū)的成熟度最低，排名最后。將相對接近度繪制到圖中，如圖5所示。

由表4和圖5的相對接近度數(shù)據(jù)可知，E地區(qū)的綜合評價(jià)結(jié)果最優(yōu)，D、C、A地區(qū)次之，B地區(qū)最差。智能電表覆蓋率和配電網(wǎng)通信覆蓋率指標(biāo)權(quán)重較大，而對于B地區(qū)，這兩項(xiàng)指標(biāo)對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)矩陣數(shù)值與D、E地區(qū)相比差距較大，而其他指標(biāo)對應(yīng)的數(shù)值與D、E地區(qū)比較接近，甚至優(yōu)于上述兩個(gè)地區(qū)。因此評價(jià)指標(biāo)權(quán)重越大，對于評價(jià)結(jié)果的影響越大。同理，對其他地區(qū)進(jìn)行分析，也可得到一致的結(jié)論。評價(jià)結(jié)果和實(shí)際相符，結(jié)果表明本文所提出的現(xiàn)代配電網(wǎng)成熟度綜合評價(jià)方法可實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)情況的客觀有效評價(jià)。

表4 配電網(wǎng)成熟度綜合評價(jià)排序

5 結(jié)束語

本文綜合了變異系數(shù)法和TOPSIS法的優(yōu)點(diǎn)，與以往的評價(jià)方法相比，具有計(jì)算量小、評價(jià)結(jié)果客觀有效的特點(diǎn)。該方法不僅能實(shí)現(xiàn)不同地區(qū)之間的橫向?qū)Ρ龋?jì)算結(jié)果還能夠反應(yīng)指標(biāo)和目標(biāo)值之間的差距，同時(shí)可直觀的看到各指標(biāo)對配電網(wǎng)成熟度的影響程度，對于配電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義，是一種客觀有效的綜合現(xiàn)代配電網(wǎng)成熟度評價(jià)方法。

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