于國康，余 金，高貴亮，余中平，鮮 龍，李永清

(1.國網(wǎng)新疆電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，新疆 烏魯木齊 830002；2.蘭州理工大學，甘肅 蘭州 730050；3.國網(wǎng)甘肅省電力公司白銀供電公司，甘肅 白銀 730900)

0 引 言

中國的城鎮(zhèn)化在不斷推進，因此城市配電網(wǎng)的供電負荷大小和供電線路長度也在不斷增加。同時，由于城市配電網(wǎng)所處的環(huán)境開始不斷地惡化，越來越多的配電網(wǎng)設備逐漸出現(xiàn)損壞和故障。為了解決上述問題，電網(wǎng)企業(yè)普遍采用建設配電自動化系統(tǒng)的方式來提升城市配電網(wǎng)供電可靠性與運維管理水平等運行指標。但是，目前配電網(wǎng)自動化系統(tǒng)項目建設還沒有成熟的評價理論和方法，相關(guān)的量化分析評價研究也較少。現(xiàn)采用的城市配電網(wǎng)建設項目后評價方法普遍存在指標單一的問題，且其最終結(jié)論也依賴于一些定量指標。但與城市配電自動化系統(tǒng)運行相關(guān)的各類指標表現(xiàn)出數(shù)量多、層次多、類型化的特點。因此，需要通過對上述指標進行全面的評價，才能將配電自動化系統(tǒng)建設項目的實際成效定量地反映出來，從而給電力企業(yè)和投資方提供決策依據(jù)[1]。

綜合評價方法種類較多，其中模糊層次分析法(fuzzy analytic hierarchy process,FAHP)[2-5]是工程人員最常采用的一種，它能夠有效地處理模糊和不確定性問題，通過對建設項目指標進行打分來定量描述其運行成效，可以消除工程人員非客觀判斷影響[1,6]。FAHP在應用當中能夠較好地體現(xiàn)工程人員對不確定性的一種模糊評判[7]，但它卻無法量化表示專家的主觀經(jīng)驗和評價結(jié)論。

針對FAHP的不足，基于熵權(quán)理論基本原理，提出了一種熵權(quán)法與模糊層次法相結(jié)合的綜合評價模型[6]。該模型需要計算評價指標的權(quán)重，同時對專家的評價結(jié)論進行量化，并以此來體現(xiàn)工程人員的主觀判斷，從而從定性和定量兩方面確定結(jié)論與結(jié)論之間的區(qū)別[8]。

1 模糊層次分析法和熵權(quán)法的基本原理

1.1 模糊層次分析法

設對被評價指標有影響的因素集合為U=(u1,u2,…,um)，其中每一種因素ui共有n種情形，其集合為V={v1,v2,…,vn}。集合U的子集實質(zhì)上為模糊權(quán)重向量A={a1,a2,…,am}，體現(xiàn)了所評價指標不同的重要性；集合U×V則是一個m×n階矩陣，定義為模糊關(guān)系評價矩陣R。通過對U和U×V進行模糊計算，可以得出模糊子集B={b1,b2,…,bn}∈V。由此可以知道，模糊綜合評價方法其實質(zhì)就是，首先構(gòu)建能夠代表各個指標權(quán)重大小的向量A={a1,a2,…,am}∈F(U)，然后找到一個能夠?qū)崿F(xiàn)集合U到集合V模糊變換的f(ui)，即找到一個能夠?qū)蟄的每個元素ui(i=1,2,…,m)做出獨立判斷的向量，f(ui)=(ri1,ri2,…,rin)∈F(V)，再通過集合U和集合V構(gòu)造模糊關(guān)系矩陣R=|rij|m×n∈F(U×V)，其中，指標因素ui具有評價vj的程度，vj是集合V的元素，表示對被評價指標有影響的第j種狀態(tài)。至此，便可以求出模糊子集B={b1,b2,…,bn}∈F(V)，它即為最終的綜合評價結(jié)果，其中bj表示其對B的隸屬度。

1.2 熵權(quán)法[6]

熵權(quán)法主要是通過計算所評價對象不同指標體系的熵值H，從而得到相應的權(quán)重大小wi，熵值H的具體表達式為

(1)

在具體工程項目中，評價對象的指標特性有所不同，它們所包含的二級指標也需要考慮權(quán)重分布，這就要求工程人員在實際使用時需要對多級指標的權(quán)重進行考察。通過對每個最低等級指標的分析和權(quán)重的確定，采用由低到高的方式，依次計算各級評價指標對應的權(quán)重分布，最終得到整個指標體系的總體權(quán)重分布情況。通過上述分析可知，熵值范圍為0≤H≤1[8]。

1)若H接近于1

若指標體系中k(k≠0)個評價指標且權(quán)重相等，即wi=1/ki，此時熵值H恒為1，即：

(2)

由熵權(quán)理論的基本原理可知，當H=1時，指標體系中的各個指標權(quán)重分布相同，且與指標體系中的度量值相等；若H≈1，指標體系中各個指標的指數(shù)近似相等，這在評價實際工程時很少發(fā)生。由于每個指標的選取存在聯(lián)系，所以當H≈1時，說明各指標不是相互獨立的，這也說明評價指標體系的建立不夠準確。

2)若H接近于0

當指標體系中只有某一指標的權(quán)重為1，其余都為0，此時熵值H為

(3)

當H≈0時，說明指標體系的極少數(shù)指標的權(quán)重分布很大，這就會使得在評價其他不太重要的指標時出現(xiàn)較大誤差，由于這種情況在評價過程中并不常見，所以這也說明此時建立的評價指標體系也不夠準確。

3)若H介于0～1之間

當H在0～1之間時，說明指標體系的權(quán)重分布情況是與實際比較相符。此時，所建立的指標體系具有了明顯的層級優(yōu)勢，這也體現(xiàn)了指標體系的結(jié)構(gòu)層次性，從而可以使用熵權(quán)方法來對評價指標進行量化[9]。

2 改進FAHP評價模型

2.1 選取評價標準

為了提高評價的準確性、有效性和客觀性，需要根據(jù)實際配電自動化工程的實施特點，選擇科學合理的評價標準，這就要求首先要考慮各個方面對工程運行有影響的因素，其次便是工程人員的運行經(jīng)驗。設專家選擇的指標數(shù)為m，專家總數(shù)為M，則由前面對模糊層次模型的分析可知隸屬度d為

(4)

在選擇和確定評價標準時，需要通過10位專家根據(jù)不同評價等級來確定相應的評價得分，同時考慮到中國配電自動化工程建設評價體系的研究現(xiàn)狀，還需要借鑒其他行業(yè)相關(guān)做法來建立標準，具體如表1所示。

表1 所建立的評價標準及其說明

2.2 構(gòu)建評估矩陣

已知模糊關(guān)系評價矩陣R=U×V，根據(jù)建立的評價標準和計算得到的d，可以求出評價矩陣R為

(5)

2.3 計算矩陣R中每一個指標權(quán)重[6]

在m×n個評價指標中，第i個評價指標的熵值為

(6)

式中，i=1,2,…,m;j=1,2,…,n。從而，對于第i個指標來說，它的熵權(quán)即為wi，可定義為

(7)

2.4 確定某個層級指標權(quán)重

由前述可知，當指標體系中只有某一指標的權(quán)重為1，其余都為0時，熵權(quán)值最小?；谶@一原理，先給各個指標層級確定權(quán)重，然后進行進一步的處理，可以得到每層指標加權(quán)和平均之后的標準化值Ii[1]：

(8)

根據(jù)式(8)可知，Ii越大，指標體系中某指標層級的權(quán)重分布就越大。將Ii進行處理可以得到：

(9)

2.5 構(gòu)建模糊綜合評價子集

利用評價矩陣R和分層權(quán)重矩陣A可以得到模糊評價結(jié)果矩陣為

B=A×R

(10)

利用模糊評價結(jié)果，考慮隸屬度影響，對指標的影響因素大小進行分析并給出結(jié)果。

2.6 計算模糊綜合評判矩陣

得到某一層級的模糊評價結(jié)果矩陣B后，可以運用相同的步驟逐級進行計算，最終得到模糊綜合評判矩陣B*=AR。此時，可以將計算得到的評價結(jié)果與相關(guān)數(shù)據(jù)進行比較，并在給定表中按“優(yōu)、良、中、劣、差”對結(jié)果進行評分，并以此來判定所評價項目的可行性是否達到預先設定的標準和要求[8]。

3 應用分析

將所提出的改進FAHP評價模型應用于BY市配電自動化項目評價，分析其項目建設運行的經(jīng)濟、技術(shù)和社會綜合效益[2,5]。

3.1 權(quán)重確定

依據(jù)BY市配電自動化建設項目確定相關(guān)評價指標體系，然后建立綜合因素評價集合U=(U1,U2,U3)，并根據(jù)實際情況將考慮的3類因素構(gòu)建成二維綜合因素評價集合：

經(jīng)濟效益集合為U1=(B11,B12,B13,B14,B15)，其中：B11為單位電量產(chǎn)值；B12為單位資產(chǎn)供電負荷；B13為投入產(chǎn)出比；B14為單位線路產(chǎn)度造價；B15為單位變電容量造價。

技術(shù)效益集合為U2=(B21,B22,B23,B24,B25)，其中：B21為主變壓器負載率；B22為供電安全性；B23為供電可靠性；B24為電壓質(zhì)量；B25為網(wǎng)損率。

社會綜合效益集合為U3=(B31,B32,B33,B34,B35)，其中：B31為就業(yè)率；B32為環(huán)境影響情況；B33為電表入戶率；B34為供電覆蓋率；B35為科技進步收入比率。

1)確定一級指標權(quán)重

建立評價集合U=(U1,U2,U3)的評價矩陣，如表2所示。

表2 一級指標評價矩陣

表2中：w表示矩陣U最大特征值的特征向量；λmax表示矩陣U最大特征值；CI表示一致性指標；CR表示判斷矩陣是否滿足一致性指標。此外RI表示平均隨機一致性指標，它們的關(guān)系如下：

(11)

(12)

當CR<0.10，則判斷滿足一致性，否則重新判斷，直至滿意。

2)計算U1、U2和U3的權(quán)重

根據(jù)經(jīng)濟效益集合U1所包含的內(nèi)容可以得到相應的判斷矩陣，然后計算出對應的權(quán)重分布，結(jié)果如表3所示。

根據(jù)技術(shù)效益集合U2所包含的內(nèi)容可以得到相應的判斷矩陣，然后計算出對應的權(quán)重分布，結(jié)果如表4所示。

根據(jù)社會綜合效益集合U3所包含的內(nèi)容可以得到相應的判斷矩陣，然后計算出對應的權(quán)重分布，結(jié)果如表5所示。

表5 社會綜合效益評價矩陣

3)層次總排序

根據(jù)計算出的U1、U2和U3所對應的權(quán)重可以得到第二級評價指標的權(quán)重大小以及基于權(quán)重因子的指標對評價結(jié)果產(chǎn)生影響的效果排序[10]，結(jié)果如表6所示。

表6 組合權(quán)重分布

為了得到各種因素綜合權(quán)重分析的結(jié)果，按照4個層級對成效進行劃分[3]，結(jié)果如表7所示。

表7 成效分析以及等級劃分

根據(jù)得到的權(quán)重大小排序可知，單位電量產(chǎn)值這一指標的權(quán)重(0.176 28)排在第一位，由此可以知道當BY市配電網(wǎng)建設完成后，電網(wǎng)企業(yè)的售電量得到了明顯著提升。另一方面，分析居民供電覆蓋率(0.144 838)、單位資產(chǎn)供電負荷率(0.139 748)和用戶用電可靠率指標(0.107 322)的排序可以知道，項目的實施提高了售電量，實現(xiàn)了100%居民用電，同時也提高了用戶用電可靠率，而且整體提高了配電網(wǎng)總資產(chǎn)效率，使其增加到相應電力負荷水平，因此處于第一梯隊。單位線路長度造價指數(shù)(0.052 441)、單位主變壓器負荷率指數(shù)(0.055 442)、供電安全可靠性指數(shù)(0.074 554)提升效果次之，說明進行配電網(wǎng)自動化的改造可以實現(xiàn)單位線路成本的有效降低，相應的單位可變?nèi)萘砍杀疽材軌蛴行陆担б嬲w呈現(xiàn)良好趨勢，屬于第二梯隊。除與科技相關(guān)的指標外的剩余指標排序比較靠后，屬于第三梯隊，這說明BY市城市配電網(wǎng)建設對于這些指標所帶來的效益增值和改善不明顯，還需進一步關(guān)注測算?？萍歼M步效益流入率(0.013 180)權(quán)重最小排在最后，屬于第四梯隊的指標，這說明BY市配電網(wǎng)自動化的建設對科技進步效益流入率的影響較小，取得的效益增值和改善相對較差，還需在科技力度的精準投入上繼續(xù)加強、加深，使得科技成果更好作用于配電網(wǎng)自動化建設，從而提升科技因素的利用效益。

3.2 綜合評價

通過對BY市城市配電網(wǎng)自動化建設項目的評價，對U1、U2和U3進行單因素評價。結(jié)果如表8、表9、表10所示。

表8 U1評價結(jié)果

表9 U2評價結(jié)果

表10 U3評價結(jié)果

基于所得到的評價值，構(gòu)建模糊矩陣，利用B=ω×R可以求出各個因素的一級和二級評價結(jié)果[1]。

1)一級評價結(jié)果

(13)

(14)

(15)

2)二級評價結(jié)果

基于各個因素的一級評價結(jié)果，可以構(gòu)建各個因素的二級評價模糊評價矩陣[1]，并根據(jù)評價標準中的權(quán)重分布，得到最終不同因素的綜合評價結(jié)果。

3)系統(tǒng)綜合評價

基于得到的一級和二級評價結(jié)果，可以得到BY市城市配電網(wǎng)自動化項目評價體系模糊綜合評價矩陣為

=(0.053 4,0.318 3,0.403 2,0.250 7,0.097 4)

(16)

通過上述分析，在采用基于熵權(quán)理論的模糊層次評價模型后，針對BY市城市配電網(wǎng)自動化的建設項目，在所有參與評價的人員中，綜合評價為“較好”的占5.43%；綜合評價為“好”的占31.83%，綜合評價為“一般”的占40.32%[6]。同時，在本次綜合評價的結(jié)果中，認為建設“尚且不夠完善”的評價人員人數(shù)占比大約為25.07%，認為建設“很不完善”的評價人員人數(shù)占比大約為9.17%。在上述理論中，依據(jù)已描述的最大隸屬度原則，最終將BY市城市配電網(wǎng)建設項目的綜合評價結(jié)果確定為(0.318 4～0.403 3)，基本介于一般與較好間。由此可以得出結(jié)論：BY市城市配電自動化項目建設能夠獲得一定的綜合效益，實現(xiàn)其配電網(wǎng)可靠性和運行水平的明顯提升[11]，進而可以助力城市快速發(fā)展。

4 結(jié) 語

基于項目技術(shù)、經(jīng)濟和社會效益3個方面的指標，構(gòu)建城市配電自動化項目建設評價指標體系，綜合熵權(quán)法和模糊綜合評價法提出了改進的模糊層次分析法，并應用于BY市配電自動化建設項目綜合評價。應用結(jié)果表明，所使用的改進模糊層次分析評價模型能夠客觀、準確地確定城市配電網(wǎng)建設運行的有效性，可以為電網(wǎng)公司和相關(guān)投資方在城市配電網(wǎng)建設效益分析和投資決策方面提供有力的支撐依據(jù)，具有較好的應用前景。