王正陽(yáng)， 詹智民， 羅　賓， 劉行波， 李源林， 葉　磊， 陳根永

(1.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州 450001； 2.湖北華中電力科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司,湖北 武漢 430077)

0　引言

面對(duì)復(fù)雜嚴(yán)峻的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)和艱巨的改革發(fā)展任務(wù)，電網(wǎng)作為社會(huì)重要基礎(chǔ)設(shè)施，應(yīng)該在繼承中創(chuàng)新，在創(chuàng)新中發(fā)展，為服務(wù)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展作出更大貢獻(xiàn)，因此有必要通過(guò)電網(wǎng)發(fā)展診斷，科學(xué)評(píng)價(jià)電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀和電網(wǎng)的發(fā)展空間，尋找電網(wǎng)發(fā)展內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，針對(duì)電網(wǎng)發(fā)展薄弱環(huán)節(jié)，提出準(zhǔn)確有效的診斷建議，為電網(wǎng)發(fā)展提供技術(shù)支撐和決策依據(jù)，促進(jìn)電網(wǎng)科學(xué)發(fā)展，提高電網(wǎng)管理水平[1]．

目前，電網(wǎng)發(fā)展診斷逐步受到電力公司和研究人員的重視，已有學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)研究工作．文獻(xiàn)[1]結(jié)合地市級(jí)電網(wǎng)的特點(diǎn)，從電網(wǎng)安全與質(zhì)量、速度與規(guī)模、協(xié)調(diào)性、運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益5個(gè)維度對(duì)電網(wǎng)發(fā)展進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并根據(jù)實(shí)地調(diào)研和數(shù)據(jù)挖掘方法確定了46個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而構(gòu)建了電網(wǎng)發(fā)展評(píng)價(jià)與診斷雙層結(jié)構(gòu)模型.文獻(xiàn)[2]通過(guò)借鑒國(guó)際電力行業(yè)常用的指標(biāo)體系，從安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、服務(wù)優(yōu)質(zhì)、綠色低碳、友好互動(dòng)等5個(gè)方面，篩選了能夠表征世界一流電網(wǎng)特質(zhì)的核心指標(biāo)，形成指標(biāo)體系.文獻(xiàn)[3]將層次分析法和德?tīng)柗品ㄓ糜陔娋W(wǎng)現(xiàn)狀評(píng)估中，并建立了高、中壓現(xiàn)狀配電網(wǎng)的評(píng)價(jià)體系，著重分析和研究同一層次中各指標(biāo)的權(quán)重求解問(wèn)題.文獻(xiàn)[4]采用熵權(quán)法和密切值法相融合的評(píng)估模型，對(duì)配電網(wǎng)評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行了科學(xué)合理的評(píng)價(jià)．

筆者通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的電網(wǎng)發(fā)展診斷指標(biāo)體系主要在于展示指標(biāo)數(shù)據(jù)，沒(méi)有考慮指標(biāo)間的相互聯(lián)系與制約，同時(shí)診斷的覆蓋面還不夠全面，缺乏電網(wǎng)發(fā)展與能源資源、環(huán)境資源、土地資源等方面關(guān)系的指標(biāo)，現(xiàn)有的電網(wǎng)發(fā)展診斷指標(biāo)體系還有待完善.

面對(duì)電網(wǎng)發(fā)展診斷的重大需求，筆者從電網(wǎng)規(guī)模、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、安全可靠性、利用效率、設(shè)備水平、外部環(huán)境6方面[5-8]對(duì)電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展空間進(jìn)行診斷，提出相應(yīng)的指標(biāo)分析方法，形成了基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法[9-10]的診斷模型．用此模型對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行診斷，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)發(fā)展的薄弱環(huán)節(jié)，結(jié)合發(fā)展形勢(shì)、經(jīng)濟(jì)環(huán)境和政策環(huán)境，分析影響電網(wǎng)發(fā)展的限制因素，把握電網(wǎng)發(fā)展方向，明確電網(wǎng)投資重點(diǎn)，推動(dòng)電網(wǎng)科學(xué)發(fā)展．

1　電網(wǎng)發(fā)展診斷指標(biāo)體系

影響電網(wǎng)發(fā)展的因素分為兩類：①內(nèi)部限制因素；②外部限制因素．結(jié)合電網(wǎng)發(fā)展特點(diǎn)，考慮指標(biāo)間的相互影響與支配，進(jìn)行影響因素分析，通過(guò)聚類算法，將指標(biāo)分為電網(wǎng)規(guī)模、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、利用效率、安全可靠性、設(shè)備水平、外部環(huán)境6個(gè)類別，下屬指標(biāo)共39個(gè)．基于這些指標(biāo)建立的電網(wǎng)發(fā)展診斷體系如圖1所示．

2　網(wǎng)絡(luò)層次分析法(ANP)

考慮到各個(gè)指標(biāo)間的相互聯(lián)系與制約，筆者采用網(wǎng)絡(luò)層次分析法(analytic network process，ANP)對(duì)指標(biāo)體系作進(jìn)一步研究．網(wǎng)絡(luò)層次分析法是美國(guó)匹茲堡大學(xué)教授薩蒂在層次分析法(AHP)的基礎(chǔ)上，于1996年提出的一種適應(yīng)非獨(dú)立遞接層次結(jié)構(gòu)，能夠解決存在內(nèi)部依存和反饋效應(yīng)的復(fù)雜系統(tǒng)的決策方式.由于網(wǎng)絡(luò)層次分析法在其網(wǎng)絡(luò)層中可將問(wèn)題的相關(guān)元素進(jìn)行聚類而形成元素組，并可隨意描述各個(gè)元素之間的相關(guān)性，即構(gòu)造出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，盡管建模過(guò)程較為復(fù)雜，但可以更準(zhǔn)確地描述決策問(wèn)題，因而成為一種更加有效的決策方法．

2.1　ANP的基本結(jié)構(gòu)

ANP系統(tǒng)元素分為兩個(gè)部分：①由問(wèn)題目標(biāo)及決策準(zhǔn)則構(gòu)成的控制層；②由控制層支配的所有元素構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)層，其內(nèi)部是相互影響的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)．圖2是典型的ANP結(jié)構(gòu)形式．

圖2　典型ANP的結(jié)構(gòu)形式Fig.2　A typical ANP structure

2.2　ANP的計(jì)算步驟

①判斷矩陣和排序向量的建立．使用德?tīng)柗品ㄅ袛郃NP系統(tǒng)中各指標(biāo)的相對(duì)重要性，常采用1—9標(biāo)度法作為判斷標(biāo)準(zhǔn)．

(1)

若Cj中的元素不受Ci中元素影響，則Wij=0．

②超矩陣的建立．同理，將其他元素集元素的內(nèi)外關(guān)系依次進(jìn)行比較，可得到由網(wǎng)絡(luò)層中各元素互相影響的排序向量構(gòu)成的無(wú)權(quán)重超矩陣W．

(2)

W的每個(gè)元素都是矩陣，列和是1，但W不是歸一化矩陣，為方便計(jì)算需將超矩陣列歸一化，即對(duì)W的元素加權(quán)，得到加權(quán)超矩陣．

③加權(quán)超矩陣的計(jì)算．在控制層Bn準(zhǔn)則下，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層各組元素對(duì)Cj(j=1，…，n)的重要

程度進(jìn)行比較，得到歸一化的排序向量

Hj=[h1j…h(huán)nj]T,

(3)

進(jìn)而可以得到加權(quán)矩陣

(4)

④超矩陣W穩(wěn)定處理．計(jì)算每個(gè)超矩陣的極限相對(duì)排序向量

(5)

若該極限收斂且唯一，則原矩陣對(duì)應(yīng)行的值為各指標(biāo)的權(quán)重．通過(guò)式(5)計(jì)算可得各指標(biāo)的權(quán)重值．

3　算例分析

基于上述電網(wǎng)發(fā)展診斷模型，分析指標(biāo)應(yīng)用場(chǎng)景，選取220 kV電網(wǎng)適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建220 kV電網(wǎng)發(fā)展診斷指標(biāo)體系的ANP結(jié)構(gòu)，如圖3所示．

圖3　220 kV電網(wǎng)發(fā)展診斷指標(biāo)體系的ANP結(jié)構(gòu)Fig.3　ANP structure of 220 kV power grid development diagnosis index system

圖3中C1與C3、C7、C17相關(guān)聯(lián)；C2與C4、C6、C18相關(guān)聯(lián)；C3與C7、C17相關(guān)聯(lián)；C4與C6、C18相關(guān)聯(lián)；C8與C17相關(guān)聯(lián)．

以國(guó)家電網(wǎng)公司一體化電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)平臺(tái)中2016年電網(wǎng)規(guī)劃和實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)(見(jiàn)表1)，選取河南、湖北、山東、江蘇、北京5地區(qū)220 kV電網(wǎng)進(jìn)行診斷分析．鑒于部分?jǐn)?shù)據(jù)較難收集，診斷工作將僅基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)展開(kāi)，涉及更多指標(biāo)、更多電壓等級(jí)的區(qū)域電網(wǎng)整體發(fā)展診斷分析需進(jìn)一步加強(qiáng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)收集工作，其診斷流程是在本算例基礎(chǔ)上的擴(kuò)展．

ANP計(jì)算過(guò)程異常繁復(fù)，對(duì)于大型系統(tǒng)，基本無(wú)法進(jìn)行手工計(jì)算．筆者采用基于ANP理論的專業(yè)計(jì)算工具Super Decisions軟件進(jìn)行權(quán)重計(jì)算，所得各指標(biāo)權(quán)重如表2所示．

基于ANP的評(píng)價(jià)得分如表3所示．診斷結(jié)果可以從總體上判斷220 kV電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀．同時(shí)，由診斷過(guò)程中間結(jié)果繪制相應(yīng)的雷達(dá)圖,如圖4所示．從雷達(dá)圖可以發(fā)現(xiàn)各地區(qū)220 kV電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)和發(fā)展方向．

由表3及圖4可知，北京220 kV電網(wǎng)診斷得分最低，其中電網(wǎng)規(guī)模、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)展略超前

表1　5省2016年220 kV電網(wǎng)發(fā)展診斷相關(guān)數(shù)據(jù)

表2　指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

表3　評(píng)價(jià)結(jié)果

圖4　5省電網(wǎng)發(fā)展診斷雷達(dá)圖Fig.4　Rader of five provinces power grid development diagnosis

于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和負(fù)荷發(fā)展需求.在發(fā)展過(guò)程中主要存在中心城區(qū)變電站數(shù)量不足、電力通道資源匱乏的緊張局面，建議合理優(yōu)化分區(qū)，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建設(shè)，著重解決變電容量與負(fù)荷的空間分布不均和局部地區(qū)供電能力不足等問(wèn)題，提高電網(wǎng)運(yùn)行水平．安全可靠性得分最高，這是因?yàn)榭紤]到首都能源安全大局，北京電網(wǎng)在發(fā)展過(guò)程中始終將安全可靠性作為發(fā)展重心．電網(wǎng)發(fā)展資源裕度從內(nèi)部來(lái)看，利用效率處于中等水平，未充分利用已有設(shè)備容量，設(shè)備重載和輕載現(xiàn)象同時(shí)存在.下一步建議考慮增加輕載輸變電設(shè)備負(fù)荷傳輸，打通高、低容載比地區(qū)的電力傳輸通道，同時(shí)考慮對(duì)部分變電站土地資源利用效率較低的重載變電站采取合理緊湊的布置方式進(jìn)行擴(kuò)建以提高供電能力,并達(dá)到節(jié)約土地資源、提高土地利用效率的目的.從外部來(lái)看，運(yùn)營(yíng)環(huán)境得分最低，建設(shè)環(huán)境變化快，可供電網(wǎng)發(fā)展所利用的資源裕度較小，為了積極搶占變電站站址、電力管溝、線路廊道等稀缺資源，滿足未來(lái)負(fù)荷飛躍發(fā)展的需求，建議該地區(qū)加強(qiáng)與政府規(guī)劃部門協(xié)調(diào)，爭(zhēng)取從政策上保障土地資源的可獲得性，并加大220 kV電網(wǎng)投資力度，適度超前開(kāi)展輸變電工程建設(shè)．

4　結(jié)論

筆者結(jié)合電網(wǎng)發(fā)展特點(diǎn)，從電網(wǎng)自身及外部環(huán)境入手，選取電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、利用效率、安全可靠性、設(shè)備水平、外部環(huán)境等指標(biāo)，建立一套電網(wǎng)發(fā)展診斷指標(biāo)體系，并提出相應(yīng)的指標(biāo)分析方法，形成電網(wǎng)發(fā)展綜合診斷模型．通過(guò)電網(wǎng)發(fā)展診斷，研究電網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)，尋找電網(wǎng)發(fā)展方向，并根據(jù)診斷結(jié)論制定針對(duì)性措施，以保證地區(qū)電網(wǎng)健康發(fā)展．

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