基于改进ANP的配电网综合评估方法及应用

陈 靖，路志英，刘 洪，冯作栋，卢 震，杨春明

（1.天津大学电气与自动化工程学院，天津300072；2.国网运城供电公司，山西运城044000）

基于改进ANP的配电网综合评估方法及应用

陈 靖1，路志英1，刘 洪1，冯作栋2，卢 震2，杨春明2

（1.天津大学电气与自动化工程学院，天津300072；2.国网运城供电公司，山西运城044000）

现有配电网评估方法存在评估内容单一、整体性差，而且基于层次分析法的配电网评估在计算指标权重过程中忽略指标间相互影响的因素，从而降低了指标权重的可信度。通过对配电网的发展特性进行分析，建立一套完整的配电网综合评估指标体系。同时在指标权重的计算过程中采用了网络层次分析（ANP）法，并通过DEMATEL方法对其进行改进，使得所得权重更加准确地反映评价指标互相影响的网络关系。最终通过实例验证了该方法的有效性，能够识别当前配电网的发展瓶颈，对于配电网未来的发展具有指导意义。

配电网评估；指标体系；网络层次分析法

0 引言

目前，针对配电网规划方案的综合评估已经越来越受到众多电力专家、学者和电力公司的重视。文献［1，2］从配电网的技术合理性、运行安全性、供电质量可靠性等方面出发，提出了基于层次分析法的配电网综合评价的指标体系，并通过评估结果来衡量规划方案的预期效果。文献［3］考虑到不同地区配电网的特点并利用此特点对该地区配电网评估过程中指标权重计算进行调整。文献［4］将层次分析法和德尔菲法进行结合，完整了对高压配电网和中压配电网的综合评价。文献［5］利用熵权法对电网应急能力进行评估。但是上述的这些研究成果所建立的评价体系都侧重于反映配电网的运行水平和供电能力，缺乏全面的评价，同时由于配电网规模较大，涉及因素多，所以单一的评估方法已经无法满足要求，因此配电网综合评估方法属于多属性综合评估方法［6］。采用层次分析法确定指标权重，会忽略指标间相互影响的关系，从而降低了指标权重的可信度［7，8］。文献［9］中虽然使用网络分析法与反熵权法相结合确定指标权重，但是利用客观方法赋权时仅对指标列的组间信息传递变异进行了调整，而且对于异常数据太过敏感，导致某些非重要指标经此法计算得出的客观权重过大，导致综合权重不切实际。

为此，本文通过深入分析配电网发展的特征，并据此建立了一套可以反映配电网整体发展水平的综合评价体系。在指标权重的计算过程中利用了网络层次分析法，相比于传统的层次分析法更能准确地反映指标间互相影响的网络关系。在此基础上，利用DEMATEL理论对ANP方法进行改进，从而解决元素对自身的影响以及元素间相互关系无法客观表示的问题。

1 配电网综合评估指标体系

1.1 配电网发展问题特性分析

对配电网进行评估是为了能寻找配电网的薄弱环节和供电瓶颈，以指导配电网的后续发展、建设和改造工作。发展配电网则需要解决两个问题:一是为什么要发展配电网。发展配电网就是指配电网的发展能够满足电力用户、电力企业以及社会等各方面的需求，反映这类问题的指标可以归结为效果类的指标；二是发展什么样的配电网。了解电力用户、电力企业以及社会的需求之后，就需要建立能够满足这些需求的配电网在各方面特性的指标，这类指标可以归结为特性类指标。图1所示即为对配电网发展问题特性分析过程。

图1 配电网发展问题特性分析

1.2 配电网综合评估指标选取

（1）效果类指标的选取

效果类指标反映的是电力用户、电力企业以及社会三方面综合需求，整合电力用户、电力企业以及社会对于配电网建设的需求即能够归纳出效果类指标，具体内容如图2所示。

图2 电力用户和电力企业以及社会对配电网建设需求图

如图2所示，电力用户需求优质的电能，以及与电网更及时、更高效的互动能力；电力企业关注的是企业效益，提高企业效益有两种途径:一是减少损耗，对于电力企业来说主要是降低线损；二是提高设备利用率，社会要求的节能环保，可以归结为减少损耗，同时友好地兼容各类分布式电源的接入，也能降低能源的消耗和污染物的排放。所以，效果类指标包括供电可靠率、综合电压合格率、综合线损率、设备利用率和友好互动率5个指标。

（2）特性类指标的选取

配电网在发展建设过程中对效果类指标的影响可归纳为4个方面:网络结构水平，用于评价电网架构的好坏；负荷供应能力，用于反映电网在负荷供应方面的具体表现；装备技术水平，指电网的先进性和使用情况；运行管理水平，用于刻画电力企业对电网的监管水平［10～12］。下面以这4个方面对供电可靠率的影响为例来说明特性类指标对效果类指标的影响，并通过此方式选取二级特性指标。

供电可靠率反映的是电网持续供电的能力，即指电网运行时设备发生故障时，衡量能使由该故障设备供电的用户供电障碍尽量减少，使电网本身保持稳定运行的能力的程度。网络结构水平对其影响总体可以反映在以下两个方面:一是网络结构的备用与联络能力。网络结构的备用与联络能力表现为一旦电网在运行过程中出现故障，可以通过启用备用线路和电源或者利用联络线路转带负荷。反映网络结构备用水平的指标可以选取变电站单变率和变电站单电源线率。反映网络结构联络水平的指标可以选取中压线路联络率和中压线路站间联络率；二是网络结构缩小故障影响区域的能力。一旦电网在运行过程中出现故障，可以利用分段开关将故障隔离，以免引起大范围的停电，因此可选取的指标是中压线路平均分段数。负荷供应能力的影响体现在负荷的转供能力上，因此可选取的指标为主变“N-1”通过率与中压线路“N-1”通过率；装备技术水平对于供电可靠率的影响体现在设备状态监测、设备的故障发生频率、设备对故障的自动识别、设备自身对故障的处理上。供电半径越限线路比例等指标会影响由于外因导致的故障发生的次数。采用更多自动化装备，能够增强设备的故障判断能力和自动隔离故障，及时恢复非故障线路的供电条件，反映在量化指标上有GIS设备使用率和变电站综合自动化率。对设备状态进行监测方面可选取配电自动化覆盖率。运行管理水平对于供电可靠率的影响体现在以下几个方面:首先，运行管理水平的提高意味着电力企业可以提早发现具有隐患故障的设备，并提早将其排除，避免故障的发生，PMS系统配网数据完整性是电力企业对设备了解程度的直观反映；其次，运行管理水平的提高意味着电力企业对于已发生的故障的修复能够及时的修复，将停电损失降低，反映在量化指标上有重大缺陷消除率；最后运行管理水平的提高还意味着将带电作业给电力用户带来的损失降低，反映在量化指标上有临时停电比例、带电作业化率等。

经过上述分析总结出影响供电可靠率的二级特性类指标如表1所示。

表1 影响供电可靠率的特性类指标

利用同样的方法细化一级特性类指标对其余效果类指标的影响，最终实现配电网综合评价指标体系的构建，其结构如图3所示。

图3 配电网综合评价指标体系

2 基于DEMATEL的网络层次分析法

网络层次分析（ANP）法首先将系统元素划分为两大部分:第一部分称为控制层，包括问题目标及决策准则；第二部分为网络层，是由所有受控制层支配的元素组组成的，其内部是互相影响的网络结构［13］。在进行配电网评估的过程中，本文把对配电网综合评估作为控制层，把所构建的配电网综合评估指标体系中的指标作为网络层，并利用评估指标间的相互关联，建立针对配电网综合评估问题的ANP网络结构，即如图4所示。

利用网络层析分析法进行指标权重的确立过程中，首先要建立判断矩阵。判断矩阵的构造过程是要在同一目标准则下对受该目标准则支配的元素分别进行比较，就本文所关注的配电网综合评估问题来说，就是以衡量配电网综合评估结果为准则，对其下所建立的指标集分层进行比较。但是传统的网络层次分析（ANP）法的局限性在于:对元素受自身的影响判断不准确而导致内部依赖矩阵的构造会产生混乱。因此，本文利用了DEMATEL法改进了内部依赖矩阵的构建方法，通过数学运算而避免专家打分的方式来得到各元素之间的关联程度［14］。

图4 配电网综合评估的ANP结构图

假定所建立的ANP网络结构中的网络层中有n个元素，它们分别为C1，C2…Cn，并通过专家打分所获取的元素Cj（j≠i）对于Ci的直接影响程度为yji。利用上述打分结果，分别以Ci（i=1，2，…，n）为次准则，计算将其余元素（除Ci外）对该准则元素的相互影响程度，具体计算公式见公式（1）。

再根据上述矩阵依次得到以Ci为次准则下判断矩阵的特征向量，并将其进行归一化。利用所有次准则下的归一化特征向量构建内部依赖矩阵，如式（2）所示。

由于本文在构建上述矩阵的过程中，并不计及元素对自身的影响，导致上述矩阵存在对角线残缺的问题。针对上述问题，鉴于各元素在计算过程中对自身没有影响，所以在上述矩阵的对角线部分补上数值0，则变成与DEMATEL方法中一致的直接影响矩阵Wd，具体表示见公式（3）。

按照传统的DEMATEL方法流程来说，在建立直接影响矩阵Wd之后，要根据其结果构造平均综合影响矩阵Wc。为了避免构造平均综合影响矩阵所要满足的收敛条件，本文对传统的DEMATEL方法进行改进，利用n个矩阵相加之和的平均数矩阵来代替所要构造的平均综合影响矩阵Wc，具体公式如下:

最终对本文所构建的平均综合影响矩阵Wc求极限运算，结果收敛到一个稳定矩阵，该矩阵的各行非零值均相同，即为各元素在目标控制层下评估所占的权重。

3 指标权重以及评分标准的确定

3.1 指标权重计算

根据本文需要通过专家打分一共构建5个指标权重计算矩阵，不同指标集的权重计算矩阵的阶数与其内部包含的指标个数有关。各指标权重计算矩阵的阶数及其代表意义如表2所示。

表2 指标体系权重判断矩阵

以一级特性指标的权重计算为例，首先邀请电力领域的专家对一级特性类指标间相互作用程度进行打分，用A1，A2，A3，A4分别代表网络结构水平、负荷供应能力、装备技术水平、运行管理水平4个主要特性指标集，本文采用1～9标度法。专家对一级特性类指标间相互作用程度打分结果如表3所示。

表3 一级特性类指标间互相直接影响程度

根据表3建立一级特性类指标判断矩阵，并根据公式（1）计算得到分别以网络结构水平、负荷供应能力、装备技术水平、运行管理水平为准则下的特征向量。将得到的特征向量归一化后进行合并得到内部依赖矩阵。由于在计算过程中各指标对自身没有影响，所以本方法对权重矩阵的对角线部分补上数值0得到直接影响矩阵Wd，结果如式（5）所示。

利用本文的改进方法根据式（3）建立平均综合影响矩阵Wc，并对所构建的平均综合影响矩阵Wc求极限运算，结果收敛到一个稳定矩阵，该矩阵各行非零值即为所求各一级特性类指标的权重值，如表4所示。

表4 一级特性类指标权重值

对各具体主要特性指标集运用相同的方法，可以求解各二级特性类指标集的权重。

3.2 指标判据的确定

对二级特性类指标分为3类:效益型指标，其指标评分与指标计算值呈正相关关系；成本型指标，其指标评分与指标计算值呈负相关关系；特定型指标，其指标评分与指标计算值不呈正相关也不呈负相关，而是取在某个数值达到最高。根据专家意见，利用德尔菲法获得离散的指标评分判据，表5为某一级特性指标下的二级特性指标评分判据。

由于在实际计算当中离散的判据不方便计算，因此本文利用曲线拟合的方式来解决此问题。通过曲线拟合的手段计算出所有二级特性指标的评分函数，并结合指标的实际计算值计算出二级指标的得分情况，表6即为某一级特性指标集下二级特性指标的连续判据。

表5 网络结构水平下的评分判据

表6 网络结构水平下的连续判据

4 算例分析

本文选取山西省某地区配电网作为评估对象，按照本文所构建的指标与评估方法对当地配电网的发展情况展开评估，通过评估结果验证本文体系和方法的实用性。表7列举了负荷供应能力下的二级特性特性指标的计算数值以及根据指标计算数值和评价判据所得到的评分结果。将表中各二级指标加权求和就能够获取该地区在负荷供应能力方面的得分。

表7 负荷供应能力下的各二级指标的数值以及得分情况

运用相同的方法分析计算其他一级特性指标的得分结果，最后得到所选区域的配电网综合评估结果如表8所示。

表8 该地区配电网综合评估结果

根据表8能够得出以下结论:所选区域的配电网综合得分为51.64，由于所选区域的发展水平并不高，本文所得评估结果与该区域的发展定位相吻合。评估结果不仅能够直观地反映出该地区配电网的发展程度，还能通过对结果的分析了解该地区配电网建设的发展瓶颈和薄弱环节。在该地区评估结果的几项二级指标中，较为薄弱的环节是评分为29.9的负荷供应能力。进一步分析可知:

（1）网络结构水平得分为46.33，影响整体评分偏低的在于中压线路联络率、中压线路平均分段数以及中压线路站间联络率三个子指标，得分分别为12.66，17.6和35.4，整个网架结构的联络率偏低，分段数较少，需大幅度提升。

（2）负荷供应能力得分为29.9，主要原因在于线路重载率、主变“N-1”通过率、中压线路“N-1”通过率过低，评价得分分别为13.42，28.42，0；该市配电网整体线路负载率较高且没有具有转供能力的线路，很大程度影响了其负荷供应水平。

（3）装备技术水平得分为64.77，需要重点改进的是配电无功配置比例、GIS设备利用率以及配电网自动化覆盖率，其得分均在40分以下，上升空间很大。

（4）运行管理水平得分为71.33，影响较大的子指标为带电作业化率，一年中带电作业减少停电户数占总户数比例为36.76%。

结合上述分析，建议该地区在今后建设配电网的过程中，重点关注对网架结构的改造，增加中压输电线路，用来缓解整体负载率偏高的状况。同时增加中压线路之间的联络和分段数，并积极推广自动化和信息化设施的建设和投入。

5 结论

本文提出了基于DEMATEL的网络层次分析（ANP）法的配电网综合评估方法，改善了基于传统的AHP层次分析法在计算指标权重过程中忽略指标间相互影响的因素，并将所建立的方法应用于实际的配电网的评估当中。本文所建立的体系和方法可以有效地得到当前配电网的发展现状，发现配电网在建设过程中的薄弱环节，并对未来配电网的发展建设提供了有效的指导。随着配电网智能化改造的深入，可在传统配电网评价的基础上增设衡量配电网智能化改造程度的指标，如配电数据采集以及设备的在线监控等技术指标，以对配电网的智能化改造水平进行评价。

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Research and Application of a Comprehensive Distribution Network Assessment Method Based on Improved ANP

Chen Jing1，Lu Zhiying1，Liu Hong1，Feng Zuodong2，Lu Zhen2，Yang Chunming2
（1.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；2.Yuncheng Power Supply Company，Yuncheng 044000，China）

Existing distribution network assessment methods exist concern only one particular aspect without paying attention to the whole.Similarly，these methods based on the Analytic Hierarchy Process ignore while calculating the index weight the interaction among the indexes，thus reducing the credibility of the index weight.We established a complete assessment system according to the distribution network distribution network target.Also proposed an analytic network process improved by DEMATEL to better reflect the interaction among the indexes.Finally the effectiveness of this method was verified by examples.This method can also dentify the bottleneck in the development of the current distribution network and thus has implications for the future distribution network construction.

distribution network assessment；indicator system；analytic network process

TM73

A DOI:10.3969/j.issn.1672-0792.2015.05.005

2015-03-31。

国家电网公司科技项目（2014GKF-0410）。

陈靖（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统规划与可靠性等，E-mail:447386638@qq.com。