基于改进综合赋权的电力通信网风险指标确定方法

孙增友，张 洋

(东北电力大学 信息工程学院，吉林 吉林 132012)



基于改进综合赋权的电力通信网风险指标确定方法

孙增友，张 洋

(东北电力大学 信息工程学院，吉林 吉林 132012)

为了适应智能电网的全面发展与普及，对电力通信网存在的风险进行综合评价就显得尤为重要，而在整个评价体系中，风险指标的权重将直接影响着评价结果。通常风险指标权重的确定采取主客观权重相加或相乘的组合形式，这种形式会使最终结果不符合实际。提出了一种改进的综合赋权法，利用博弈论思想将熵权法和层次分析法得到的方案层指标权重组合起来，再利用层次分析法思想中上层指标对下层指标的指导作用，将两种方法的求权过程合理的综合起来，得到最终的权重结果。经仿真分析，该方法改进了传统配用电通信网风险评价中在权重确定方面的不合理性，使得权重赋值的结果更符合实际。

配用电通信网；层次分析法；熵权法；博弈论；权重

随着智能电网概念的提出与发展，电力系统对电网信息传递和交互的要求也越来越高，从语音、文字、图像的传输到远距离配电自动化设备的监测与控制，都依赖于电力通信网来实现。作为电力通信网中承载业务最多、通信方式最复杂的配用电通信[1]部分则成为促进电网智能化发展的关键因素，因此要对配用电通信网的运行风险进行综合评价[2]，评价结果精确的前提是对风险因素的权重进行科学的赋值，也就是将风险因素的重要程度有效的量化。

目前，大量的文献对电力通信网风险指标赋权的方法进行研究，概括为以下三类，包括客观的熵权法和离差法、主观的层次分析法[3，4]以及主客观结合的方式[5，6]。这种主客观结合的方式固然有其合理性，可以有效地修正专家的经验臆断和实测数据的突变带来的误差[7]，但由于其只是对主客观两种赋权结果的简单组合，当出现两种方法求得的权重差异较大时，这种方法求得的权重会更偏向其中一种方法的权值，致使结果失调，不能正确地体现风险因素的实际重要程度。本文在通常主客观结合方法的基础上，将两种方法的求权过程有机的结合起来，利用博弈论的纳什均衡思想优化权值系数[8]。经实例仿真表明，此方法确定配用电通信网风险因素权值的方法更符合实际、具有合理性。

1 权值确定方法

1.1 层次分析法

层次分析法(AHP，The Analytic Hierarchy Process)将配用电通信网的风险因素分为目标层、准则层和方案层，根据专家的意见进行排序，由排序结果赋予权值的方法。

(1)构造判断矩阵

对配用电通信网及各风险因素之间的关系进行分析，对于方案层指标(Ii)，根据所属的准则层(Vi)为基准进行两两比较，用1-9标度法构造判断矩阵A。

(1)

式中：aij为同一指标层中Ii与Ij相比重要程度，具体数值由表1得出[9]。这里我们请10位专家对指标进行排序，确定判断矩阵，求出矩阵A的最大特征值λmax及特征向量，从而求得Ii相对于对应Vi的重要程度。

表1 比例标度aij取值

(2)一致性检验

层次分析法求取权重的前提是判断矩阵满足一致性，否则求取的权重结果将不够精确甚至违反常识[10]。因此定义随机一致比：

(2)

其中：RI根据A的阶数n的变化取相应的值。当CR≤0.1时，则所求权重可用，否则就需要变化A，使之满足一致性条件。

1.2 熵权法

熵权法(EWM，Entropy Weight Method)在配用电通信网风险评估过程中，从风险因素的实测数据出发，利用标准化后数据的变异程度，依据熵值可以体现信息量大小的原理，从而确定风险指标的权重。

1.2.1 数据处理

由统计获得各月设备、气象等风险指标的数据，由于其单位不同会导致数据之间的数值差异较大，这就加大了权重赋值的误差。为了增加风险评估的精度，采用公式(3)对处理数据：

(3)

其中：i为风险因素；j为获得数据的月份。

1.2.2 确定熵权

设获得了m个月份的数据，n个风险因素，利用归一化后的数据计算权重。

(1)计算每个月风险指标i在对应所有月份中所占的比率：

(4)

其中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

(2)计算第i个指标的熵值：

(5)

其中：k=1/lnm；i=1，2，…，n。

(3)第i个指标的熵权为：

(6)

其中：i=1，2，…，n。

1.3 基于改进综合赋权的权重确定方法

层次分析法充分利用了专家的经验以及决策者的意向和偏好，指标权重的确定通常具有较高的合理性。但由于其方法过分依赖于专家，无法克服赋权的主观随意性，而且在赋权过程中只考虑了准则层因素对下层因素的影响，没有考虑到同层因素之间的相互关联。熵权法充分利用了实测数据对系统的影响，在综合评价中结果比较客观，该方法已经广泛的应用于权重赋值中。但由于其方法完全依赖于实测数据之间的关系，当数据较为特殊时，得到的权重可能与实际情况不符。综合考虑以上两种方法的优缺点，通常把层次分析法和熵权法得到的结果通过简单的相乘或加权平均结合起来，这种方法虽然考虑了主客观权重的影响，但当两种方法求取的权重相差较大时，会使组合权重失调。

文章提出改进的综合赋权法，在充分考虑上层因素对下层因素决定性作用的基础上，将层次分析法和熵权法的求权过程结合起来，从而得到更加客观合理的权重。在结合过程中引入博弈论进行权重集优化，博弈论思想主要研究的是具有竞争性质的多个因素，以纳什均衡作为协调目标，实现各种评价方法协调一致的有利决策，这种方法可以有效地结合不同赋权法的优势来减小权重间偏差。综合赋权法的实现过程如下：

(1)设有n个准则层因素，对应有m个方案层因素。

(2)运用层次分析法分别求得准则层指标权重向量为A={β1，β2，…，βn}，方案层指标权重向量为B1={α1，α2，…，αm}。运用熵权法求得方案层指标权重为B2={γ1，γ2，…，γm}。

(3)使用两种方法对方案层指标进行赋权得到权重向量B1和B2，则两个向量的线性组合为

p=a1·B+a2·B2，a1>0，a2>0，a1+a2=1 ，

(7)

式中：a1与a2为权值系数。为了得到较为合理的组合权值，利用博弈论集结模型对a1与a2进行优化，目的是极小化组合权重p与主客观两种方法求得的权重向量B1和B2的离差，即对策模型为

(8)

式(8)的最优化导数条件可以转化为

(9)

式(9)转化为下面的矩阵形式

(10)

运用MATLAB计算出a1和a2，从而得到组合权重P。

(4)将每一个准则层指标对应的方案层指标划为一组，每组的方案层指标进行归一化处理，准则层的主观权重A与对应的方案层权重P相结合，得到最终的综合权重为T={τ1，τ2，…，τm}。该方法既考虑到最优的组合权重问题，又考虑到上层因素对下层因素的指导作用。

2 实例仿真

2.1 风险指标

智能配用电通信网是指电网用户侧的部分，其组网方式和承载业务多样化，存在有线和无线共存的特点。根据已建立配用电通信网的风险评价指标体系[11]和收集到的分析数据，所采用的指标体系如表2所示。

表2 指标体系

各风险指标的数据由某电力通信网十二个月的运行状态和气象情况获得[12]。由于各评价指标的单位、量纲不同将会对评价结果造成影响，因此按照公式(3)对数据进行处理，得到标准化后的数据，如表3所示。

表3 各风险指标标准化后的数据

2.2 计算综合权重

在MATLAB7.0软件中进行计算，应用层次分析法，依据公式(1)和公式(2)计算出准则层和方案层的指标权重，判断矩阵根据专家排序得到，应用熵权法，根据公式(4)、公式(5)、公式(6)计算出方案层权重，计算结果由表4给出。

表4 AHP及熵权法权重

表4(续)

将熵权法和层次分析法得到的结果对应相乘并归一化，得到考虑主客观的权重。应用1.3中改进的综合赋权法求出综合权重，其中依据公式(10)由博弈论确定的最优权值系数为a1=0.59、a2=0.41。表5给出了传统的AHP-熵权权重和改进的综合权重。

表5 AHP-熵权法及改进的综合赋权法权重

图1 四种赋权法的权重

2.3 仿真数据分析

图1为四种赋权法的权重分布图。从图中可以看出，层次分析法(AHP)的权重波动较大，这是由于此种方法着重强调了主要风险指标的重要程度，而忽略了一些相对次要的风险指标，因而将直接影响风险评估结果的准确性；熵权法(EWM)的权重波动较小，这是由于某一阶段实测样本数据的差别过小，使得权重差距变小，这也将造成风险评价结果与实际不符；传统的熵权层次法(EW-AHP)中，某点权重值过大，其它点位的权重值过小，这是由于将两种方法得到的权重值结果相乘归一化后，加大了层次分析法的权重差距；改进的综合赋权法(ICW)在强调了通信设备故障等因素对风险评价主要影响的同时，兼顾实测气象数据等带来的影响，考虑了风险实际发生的可能性，综合考虑了主客观权重的影响，避免了EW-AHP法中简单结合导致的权重失衡问题，从而进行综合赋权。

3 结束语

智能配用电通信网的风险评价一直以来都是智能电网研究的热点问题，而权重赋值的合理性将直接影响评价结果的准确性。文章在传统方法的基础上，提出了一种改进的综合赋权法来确定配用电通信网风险指标的权重。该方法在考虑主客观权重的同时，将两种方法的中间过程相结合，并引入博弈论的思想来确定最优权值系数，充分利用了准则层风险指标对方案层指标的指导作用和实测样本数据的客观性。通过实例仿真，进一步证明了该方法对配用电通信网风险指标权重赋值的科学合理性和可操作性，对电力通信网的安全稳定分析具有一定的参考价值。

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A Method for Determining Risk Index of Electric Power Communication Network Based on Improved Comprehensive Weight

Sun Zengyou，Zhang Yang

(School of Information Engineering，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

In order to adapt to the overall development and popularization of smart grid，the comprehensive risk evaluation of power communication network is particularly important.In the whole evaluation system，the weight of risk index will directly affect the evaluation results.Usually，the weight of the risk index is determined by the combination of subjective and objective weight，which can make the final result inconsistent with the actual results.In this paper，an improved comprehensive weighting method is proposed.By using the game theory，the index weights of the schemes obtained by the entropy weight method and the analytic hierarchy process are combined.Then by using the analytic hierarchy process to guide the upper and lower indicators，the process of the two methods is synthesized reasonably to get the final result of the weight.By simulation analysis，the method solves the unrationality of traditional electric communication network risk evaluation in the weight-counting，it makes the weights more in line with the reality.

Electric communication network；Analytic hierarchy process；Entropy weight method；Game theory；Weight.

2017-03-12

孙增友(1963-)，男，正高级实验师，主要研究方向：无线通信、电力系统通信.

1005-2992(2017)03-0097-06

TN915.853

A

电子邮箱： 805644853@qq.com(孙增友)；1033934614@qq.com(张洋)