孫強，李向東，劉翔，呂方，呂京，杜璞良

(1.國網(wǎng)陜西省電力公司西安供電公司，陜西 西安 710000;2.東南大學 電氣工程學院，江蘇 南京 210096)

隨著我國“十三五”規(guī)劃的進一步開展，城市配電網(wǎng)已經(jīng)進入高速發(fā)展、全面提升的重要階段，建設世界一流的城市配電網(wǎng)是國家、城市、電網(wǎng)的共同戰(zhàn)略需求。電力企業(yè)為進一步確保一流城市配電網(wǎng)的高效建設，需對其管轄范圍內的配電網(wǎng)進行綜合有效評估。傳統(tǒng)城市配電網(wǎng)評估體系通過提取相關運行數(shù)據(jù)對配電網(wǎng)進行簡要評估，缺乏對城市配電網(wǎng)發(fā)展過程中經(jīng)濟性、低碳性以及智能性的考慮，導致城市配電網(wǎng)評估體系不夠健全，無法適應一流城市配電網(wǎng)的綜合評估工作，此外，傳統(tǒng)評估技術已經(jīng)難以適應配電網(wǎng)的高速發(fā)展；因此，制訂相應的一流城市配電網(wǎng)綜合評估策略成為當前研究的熱點問題之一。

當前對于一流城市配電網(wǎng)的研究已經(jīng)有了許多成果。文獻[1]提出建設一流城市配電網(wǎng)的主要思路，通過提升網(wǎng)架結構、控制技術、精益運維和智能互動服務水平來實現(xiàn)對配電網(wǎng)供電可靠性的提升。文獻[2]綜合運用專家打分法、模糊層次分析法和魚骨分析法等建立了一流配電網(wǎng)運行狀態(tài)健康評估體系模型，實現(xiàn)對配電網(wǎng)規(guī)劃、建設和運行提供指導。文獻[3]考慮一流配電網(wǎng)抵御災害的能力，提出一種含分布式電源的配電網(wǎng)的抗災害特性評估方法，為評估配電網(wǎng)抵御災害能力奠定一定的基礎。文獻[4]對銅山供電公司開展一流城市配電網(wǎng)建設進行了闡述。文獻[5]以上海浦東配電網(wǎng)建設為例，提出世界一流城市配電網(wǎng)的初步構想。文獻[6]通過對標一流城市配電網(wǎng)建設，深入挖掘公司一流城市電網(wǎng)建設難題，并對今后一流城市配電網(wǎng)建設進行探索。文獻[7]從實施過程、電網(wǎng)性能、環(huán)境與社會影響、投資效益4個方面構建配電網(wǎng)年度整體評價與單體項目評價的子體系。上述研究中，大部分都是關于一流城市配電網(wǎng)建設方面的探索，對于一流城市配電網(wǎng)的評估則很少涉及。文獻[7]雖涉及配電網(wǎng)評價，但是沒有很好地處理定性指標的模糊性和隨機性。此外，當前評估研究中，在處理不同形式信息的轉換過程中往往在一定程度上造成原始信息丟失，影響決策結果的準確性。特別是對一流城市配電網(wǎng)的評估，由于涉及指標較多，指標種類比較繁瑣，如何采用合理并有效的方法實現(xiàn)一流城市配電網(wǎng)的評估是當下研究的重點和難點[8]。

隨著學者對評估研究的不斷深入，現(xiàn)有的層次分析法、故障樹分析法、模糊綜合評判法、灰色模糊理論法等評估方法日漸成熟[9-13]，但上述方法不能很好地解決一流城市配電網(wǎng)評估過程中的模糊性和隨機性問題，也缺少有效的方法處理定性與定量之間相互轉化[14-16]。云模型以概率論和模糊數(shù)學理論為基礎，重點突出數(shù)據(jù)分布的特點，可同時完美實現(xiàn)定性與定量之間的相互轉換，有效處理評估信息的隨機性、模糊性以及關聯(lián)性。

基于上述分析，本文首先構建一流城市配電網(wǎng)評估指標體系，提出一種基于云模型和可能度的分析方法，并將該方法用于一流城市配電網(wǎng)的評估。該方法采用云模型表達和處理不確定性評估信息，采用可能度方法對配電網(wǎng)進行排序，最后以西安各區(qū)域配電網(wǎng)評估為例，驗證所提方法的有效性。

1 一流城市配電網(wǎng)綜合評估指標體系

1.1 評估指標體系的構建

一流城市配電網(wǎng)綜合評估指標體系的構建對合理有效地評估區(qū)域配電網(wǎng)的先進水平起著至關重要的作用。通過對已有文獻的研究可以看出，國內外學者建立的有關配電網(wǎng)綜合評估指標體系多圍繞可靠性、設備的安全性以及電網(wǎng)風險等角度[16-20]。對于一流城市配電網(wǎng)的評估，國內鮮有涉及，而電力企業(yè)則會考慮實際情況，通過劃定具體指標完成評定工作；但是，在一流城市配電網(wǎng)的具體評價過程中，由于評估信息固有的模糊性和環(huán)境的不確定性，導致評價體系不健全，難以全面合理地對一流城市配電網(wǎng)進行評估。本文基于當前一流城市配電網(wǎng)評價指標，加入專家語義評估信息，構建一套全面合理的一流城市配電網(wǎng)綜合評估指標體系。

一流城市配電網(wǎng)的歷史評價體系中，主要涉及配電網(wǎng)的可靠性、經(jīng)濟性以及低碳性。隨著2019年國家電網(wǎng)有限公司在“兩會”中提出“泛在電力物聯(lián)網(wǎng)”，使得電網(wǎng)的智能性被重點提出，要實現(xiàn)電網(wǎng)的泛在互聯(lián)，深度挖掘電網(wǎng)數(shù)據(jù)背后的價值，電網(wǎng)的智能性將是發(fā)展的重點方向。鑒于此，本文從可靠性、經(jīng)濟性、清潔性以及智能性4個角度構建一流城市配電網(wǎng)綜合評估指標，具體指標體系見表1。

表1 一流城市配電網(wǎng)綜合評估指標體系

1.2 綜合評估指標體系分析

1.2.1 可靠性指標

可靠性是一流城市配電網(wǎng)綜合評估的基礎指標，也是最重要的指標，考慮當前電力公司對于配電網(wǎng)的可靠性一般從負荷、停電、電壓以及設備角度進行管控[21-22]，本文選取具有代表性的指標來對電網(wǎng)的可靠性進行評估，如下：

a)供電可靠率——具體指電網(wǎng)實際運行電壓在允許電壓偏差范圍內，累計運行時間與電網(wǎng)實際運行總時長的比值。

b)系統(tǒng)平均停電次數(shù)——主要反映每次停電事故中停電用戶總數(shù)與用戶總數(shù)的比值，是反映電網(wǎng)停電信息的一個重要指標。

c)10(20)kV線路重載比例——主要反映配電網(wǎng)的線路情況，該指標的高低直接決定配電網(wǎng)線路的可靠系數(shù)，較低的重載比例，可以為電網(wǎng)調度留有足夠的裕度，確保電網(wǎng)的安全運行。

d)網(wǎng)架堅強程度——由于配電網(wǎng)網(wǎng)架的堅強程度難以用具體數(shù)字進行描述，本文根據(jù)調度專家對該指標進行的評價來獲取最終評價結果。

1.2.2 經(jīng)濟性指標

經(jīng)濟性是配電網(wǎng)發(fā)展的依靠，本文從配電網(wǎng)設備、投資以及收益增幅角度來提取配電網(wǎng)經(jīng)濟性指標。

a)高損配電變壓器比例——考慮資產(chǎn)投資等因素，電網(wǎng)中依舊會保留許多老舊變壓器，由于技術落后，老舊變壓器的損耗會遠大于當前運行的變壓器，給配電網(wǎng)經(jīng)濟運行帶來很大的難題。

b)單位資產(chǎn)售電量——表示電網(wǎng)投資與收益之間的關系，指標越高，表明當前電網(wǎng)投資保持較高的收益，是反映電網(wǎng)高效投資的一個重要指標。

c)單位投資增供負荷——可切實反映電網(wǎng)投資效率的高低，單位投資增供負荷越高，說明電力企業(yè)能夠以最小的投資滿足最大的供電需求，是評價電網(wǎng)本體高效的重要指標。

d)全年收益增幅——涉及電網(wǎng)具體盈利，在當前社會環(huán)境中屬于商業(yè)機密，不便對外公布具體數(shù)額，但該指標又是評價一流城市配電網(wǎng)不可替代的指標；因此本文通過收集相關專家的語義評價來獲取針對該指標的評估信息。

1.2.3 低碳性指標

低碳性是配電網(wǎng)發(fā)展的趨勢，隨著清潔能源不斷接入配電網(wǎng)，一流城市配電網(wǎng)對清潔性的要求也在逐步提高。根據(jù)地方特色，本文從國家電網(wǎng)相關考核指標中提取配電網(wǎng)低碳性指標。

a)煤改電負荷占比——在北方，由于冬季取暖對環(huán)境造成了一定程度的污染，許多城市相繼實施了煤改電工程，即在政府的補貼下，冬季統(tǒng)一采用電取暖，從而減少煤炭燃燒對空氣造成的污染。煤改電負荷占比已經(jīng)成為北方一流城市配電網(wǎng)綜合評估的重要方面。

b)清潔能源消納率——光伏、風機等清潔能源不斷接入配電網(wǎng)，對配電網(wǎng)造成了一定的沖擊。配電網(wǎng)在運行過程中會根據(jù)其自身的可靠性對清潔能源進行一定程度的棄風、棄光操作，清潔能源不能保障其滿額度消納，而高的清潔能源消納率不但可以反映配電網(wǎng)自身運行的堅強性，還能夠反映當前配電網(wǎng)的低碳程度；因此本文將清潔能源消納率作為反映電網(wǎng)低碳性的一個重要指標。

1.2.4 智能性指標

配電網(wǎng)的智能性是指配電網(wǎng)的通信及自動化水平，特別是今年國家電網(wǎng)有限公司在“兩會”中提出加強“三型兩網(wǎng)”建設，而實現(xiàn)泛在電力物聯(lián)網(wǎng)則需要配電網(wǎng)具備極高的智能性。本文從配電網(wǎng)的自動化水平和通信水平2個方面來提煉智能性指標。

a)配電自動化覆蓋率——具體指區(qū)域內符合終端配置要求的中壓線路條數(shù)與區(qū)域內中壓線路總條數(shù)的比值，反映了區(qū)域配電自動化水平。

b)配電變壓器信息采集覆蓋率——表征調度部門可以觀測變壓器數(shù)據(jù)的程度，變壓器數(shù)據(jù)可視化是配電網(wǎng)智能性的基礎。

c)智能電網(wǎng)調度系統(tǒng)覆蓋率——反映配電網(wǎng)智能調度程度，指標越高，表明該區(qū)域配電網(wǎng)具有較高的可操作性，能夠應對一些突發(fā)的情況。

d)通信光纜覆蓋率——智能配電網(wǎng)的實現(xiàn)與其高速通信密切相關，同時泛在電力物聯(lián)網(wǎng)要求電網(wǎng)要實現(xiàn)萬物互聯(lián)；因此，通信光纜的覆蓋程度直接決定著電網(wǎng)今后發(fā)展的潛力。

2 一流城市配電網(wǎng)綜合評估模型

鑒于評價對象的特殊性，需要能區(qū)分各區(qū)域一流城市配電網(wǎng)程度的評估模型。本文所用的評估模型主要包括3個部分：第1部分使用云模型對專家語義信息進行轉換，獲取對應指標的云模型；第2部分采用文獻[11]所述方法，將數(shù)據(jù)指標與語義指標所生成的云模型進行融合，生成綜合云模型；第3部分采用可能度方法，評價各區(qū)域配電網(wǎng)的一流程度。

2.1 云模型

2.2 語言評價值轉化為云模型

在一流城市配電網(wǎng)綜合評估過程中，存在許多信息模糊、不確定的情況，這類信息無法進行定量描述，需要用語義來模糊表述；因此，如何將語義類定性概念轉換為定量信息是一流城市配電網(wǎng)綜合評估需解決的首要問題。云模型通過采用3個數(shù)值特征來表征語義屬性，實現(xiàn)了定性概念與定量信息之間的相互轉換，為一流城市配電網(wǎng)準確評估提供了可能。語義變量與云模型之間的相互轉換也逐步被學者們所研究，并提出不同的轉換方法。本文通過對相關研究進行分析，采用文獻[20]所提方法，將專家語言評價在論域[0,1]上轉化為5朵一維正態(tài)云。5個不確定性語言評價標度為{很低，低，一般，高，很高}，記作{VL，L，M，H，VH}；采用文獻[23]所設定語言區(qū)間，并根據(jù)文獻[18]的計算方法來獲取各評價語言所對應的一維正態(tài)云的具體參數(shù)，見表2。

表2 語義評價變量及其對應的云模型

考慮到一流城市配電網(wǎng)綜合評估的準確性，本文基于不同領域專家的評估來獲取語義描述性信息，通過將生成的云進行合成，從而獲取最終的評價結果。云的合成過程具體如下：

設C1=(Ex1,En1,He1)和C2=(Ex2,En2,He2)為2個云模型，d、e為2個常數(shù)，滿足d+e=1。根據(jù)獨立正態(tài)分布運算法則，云的合成結果為

C=dC1+eC2=d(Ex1,En1,He1)+

e(Ex2,En2,He2)=

(1)

式(1)即為合成的云模型，若對多個云模型進行合成，方法類似。

2.3 云模型與區(qū)間值的轉換

在云模型的生成過程中，每個云滴對于定性概念都有著不同的貢獻值，而貢獻值高的云滴一般會聚集在區(qū)間[Ex-3En,Ex+3En]，該區(qū)間的云滴可詳細表征所描述的信息；因此，云模型的上述特性也叫做正態(tài)云的3En準則，如圖1所示。根據(jù)文獻[19]所提方法，結合3En準則，對正態(tài)云模型進行區(qū)間數(shù)轉化?？紤]到云模型中超熵會對結果產(chǎn)生一定的影響，轉化過程中將其考慮在內，具體轉換公式如下：

(2)

式中Cleft、Cright分別表示指標i轉換為區(qū)間數(shù)的左端點和右端點。

圖1 正態(tài)云滴圖

2.4 云模型與區(qū)間值轉換

指標的表述內容不同，將會導致指標表述過程中出現(xiàn)有些指標數(shù)值越大越好，而有些指標數(shù)值則越小越好；因此本文首先采用式(3)對數(shù)值性指標進行標準化處理，使得所有指標數(shù)值越大，反映指標越優(yōu)越：

(3)

由于不同評價指標的構成方式不同，導致各指標區(qū)間值差距較大，對最終一流城市配電網(wǎng)的評估造成一定的影響，通過規(guī)范化區(qū)間值可以很好地解決這個問題。本文借鑒文獻[20]所提方法，采用極差變換法對區(qū)間值進行規(guī)范化。極差變換法通過式(4)的計算，可以將最優(yōu)指標規(guī)范化為1，最差指標規(guī)范化為0，其余指標通過采用線性插值的方法得到規(guī)范化后的指標可能值，如下：

(4)

式中m為指標的總數(shù)。

通過區(qū)間值規(guī)范化，可以解決個別指標區(qū)間過大問題，確保一流城市配電網(wǎng)綜合評估的準確性。

2.5 可能度方法區(qū)間排序

可能度區(qū)間排序方法是從區(qū)間數(shù)的模糊性入手，定義一種度量來描述一個區(qū)間數(shù)超出另外一個區(qū)間數(shù)的具體程度，并以此為判據(jù)，對區(qū)間數(shù)進行排序。該方法能夠規(guī)避傳統(tǒng)方法對區(qū)間數(shù)進行具體量化而導致信息丟失問題?？赡芏确椒ň唧w如下。

P(a≥b)=

(5)

通過式(5)可以對給定的1組區(qū)間數(shù)進行可能度計算，構建可能度矩陣P=(Pij)n×n，其中Pij=P(ai≥aj)，分別代表2個區(qū)間數(shù)。之后，利用式(6)獲取每個區(qū)間數(shù)的具體評價值。

(6)

式中：n表示區(qū)間數(shù)的總數(shù)量；N表示區(qū)間數(shù)的集合。

3 模型求解

圖2為模型求解的具體流程[24]，其中m=14，n為需評估配電網(wǎng)數(shù)量。

模型求解步驟如下：

步驟1，獲取定性指標評價值和定量指標實際值。

步驟2，將定性語義評價值轉化為正態(tài)云，并將同一指標的不同語言評價值所生成的正態(tài)云模型相加，獲取不同指標的綜合正態(tài)云模型；同時將數(shù)據(jù)評價值進行標準化。

步驟3，利用3En準則將標準化后的數(shù)值指標與綜合正態(tài)云模型進行區(qū)間化，記錄第p個配電網(wǎng)關于第q個指標的區(qū)間值[Apq,Bpq] ，則區(qū)間評價矩陣

(7)

步驟4，將矩陣C中的各元素依據(jù)式(3)進行規(guī)范化。

步驟5，利用式(2)將區(qū)間評價矩陣生成對應的云模型，根據(jù)文獻[14]所述取He=0.005。

步驟6，將同一配電網(wǎng)在不同指標下的云模型進行合成，獲取不同配電網(wǎng)的綜合云模型。

步驟7，將步驟6中的綜合云模型區(qū)間化，利用可能度方法對不同配電網(wǎng)進行排序，獲取最終決策結果。

4 實例分析

4.1 西安實例分析

以西安市各區(qū)域配電網(wǎng)為例，對各區(qū)配電網(wǎng)進行綜合評估。為了保障語義評價性指標的準確性，分別從調度、營銷、運監(jiān)部門邀請相關專家對指標進行評估。將語言評價值轉化為云模型，并合成3個部門專家的云模型，獲取4個指標所對應的綜合云模型，結果見表3。

圖2 模型求解流程

表3 語義評價轉化為綜合云模型

為了統(tǒng)一指標表述，利用式(3)和(4)對指標進行標準化處理。由實際情況可知，指標A1、A4、B2、B3、B4、C2、D1、D2、D3、D4越高，表示配電網(wǎng)一流城市程度越高，而指標A2、A3、B1越低，則表示配電網(wǎng)一流城市程度越高；因此需對數(shù)據(jù)指標進行標準化處理，處理結果見表4。

利用式(2)對語義評價生成的綜合云模型進行區(qū)間化，數(shù)據(jù)指標可轉換為其數(shù)據(jù)對應的區(qū)間值，例如新城區(qū)的A1可寫為[99.99,99.99]，因此根據(jù)式(5)將區(qū)間值規(guī)范化，結果見表5。

根據(jù)表5區(qū)間值對應生成云模型，再利用式(1)合成各指標的云模型，生成各區(qū)域綜合云模型，結果見表6。

對上述結果進行區(qū)間化處理，并采用本文所提可能度方法對各個區(qū)域一流城市配電網(wǎng)進行評估，獲取最終區(qū)間值，根據(jù)式(6)獲取可能度矩陣，結果見表7。利用式(7)獲取最終一流城市配電網(wǎng)綜合評估結果，見表8。

表4 數(shù)據(jù)指標標準化處理結果

因此獲取最終一流城市配電網(wǎng)綜合評估結果，從高到低依次為：新城區(qū)、碑林區(qū)、雁塔區(qū)、蓮湖區(qū)、灞橋區(qū)、藍田、臨潼區(qū)、未央?yún)^(qū)、長安區(qū)、鄠邑區(qū)、閻良區(qū)。

表5 綜合云模型區(qū)間化結果

表6 各區(qū)域綜合云模型

表7 各區(qū)域最終區(qū)間數(shù)

表8 各區(qū)域一流城市配電網(wǎng)綜合評估結果

4.2 評價結果分析

新城區(qū)建設較晚，該區(qū)域配電網(wǎng)建設時期投入較大，其配電網(wǎng)一流程度最高；碑林區(qū)、雁塔區(qū)配電網(wǎng)建設時期較早，其配電網(wǎng)一流程度次之，符合電網(wǎng)目前發(fā)展態(tài)勢。此外，灞橋區(qū)處于正在建設階段，該區(qū)域配電網(wǎng)的一流程度還在提升中，但從評估結果可知，其與前幾個區(qū)域相差較小。排名偏后的幾個區(qū)域配電網(wǎng)，由于城市建設與當?shù)仉娏Πl(fā)展水平不協(xié)調，各區(qū)域均存在一定的拆遷工作，因此配電網(wǎng)的一流城市程度與新城區(qū)差距較大。鄠邑區(qū)與閻良區(qū)老城區(qū)由于其村鎮(zhèn)較多，電網(wǎng)急需升級改造，因此排名偏后。通過對比實際情況，證明本文所提評估方法具備很高的可行性。

此外，本文采用文獻[25]所提方法，對一流城市配電網(wǎng)進行評估分析，結果與本文所提方法一致，但是在多專家語義處理方面，該文獻未涉及，缺乏評估的廣泛性。文獻[25]通過構造評估矩陣進行評價，沒有很好地考慮定性指標的隨機性和模糊性，因此獲取的結果評價值很接近。由表7可知，本文所提方法能夠很好地對各區(qū)域進行一流城市配電網(wǎng)綜合評估，且評估值具備較強的區(qū)分度。

5 結論

本文研究了一流城市配電網(wǎng)綜合評估問題，從4個方面包含14個指標組成一流城市配電網(wǎng)綜合評估體系，并結合云模型與可能度的方法對一流城市配電網(wǎng)進行評估。根據(jù)實例分析所得結果，得到如下結論：

a)本文所提方法可以對多個配電網(wǎng)進行綜合評估并排序，使得工作人員及時獲知區(qū)域配電網(wǎng)一流程度。

b)結果表明本文所獲取的結果與當前西安電網(wǎng)的發(fā)展情況相符，評估具備可靠性。

c)通過方法對比可知，本文提出的評估方法具有更好的區(qū)分度。

此外，結合云模型與可能度的方法能夠有效處理混合多屬性決策問題，為一流城市配電網(wǎng)的評估提供科學合理的決策依據(jù)，也為混合多屬性決策提供一種新的思路。