基于网络层次分析法的电网发展诊断模型研究

王正阳， 詹智民， 罗　宾， 刘行波， 李源林， 叶　磊， 陈根永

(1.郑州大学 电气工程学院，河南 郑州 450001； 2.湖北华中电力科技开发有限责任公司,湖北 武汉 430077)

0　引言

面对复杂严峻的经济形势和艰巨的改革发展任务，电网作为社会重要基础设施，应该在继承中创新，在创新中发展，为服务国家经济和社会发展作出更大贡献，因此有必要通过电网发展诊断，科学评价电网的发展现状和电网的发展空间，寻找电网发展内在驱动力，针对电网发展薄弱环节，提出准确有效的诊断建议，为电网发展提供技术支撑和决策依据，促进电网科学发展，提高电网管理水平[1]．

目前，电网发展诊断逐步受到电力公司和研究人员的重视，已有学者开展了相关研究工作．文献[1]结合地市级电网的特点，从电网安全与质量、速度与规模、协调性、运行效率和经济效益5个维度对电网发展进行综合评价，并根据实地调研和数据挖掘方法确定了46个评价指标，从而构建了电网发展评价与诊断双层结构模型.文献[2]通过借鉴国际电力行业常用的指标体系，从安全可靠、经济高效、服务优质、绿色低碳、友好互动等5个方面，筛选了能够表征世界一流电网特质的核心指标，形成指标体系.文献[3]将层次分析法和德尔菲法用于电网现状评估中，并建立了高、中压现状配电网的评价体系，着重分析和研究同一层次中各指标的权重求解问题.文献[4]采用熵权法和密切值法相融合的评估模型，对配电网评估指标体系进行了科学合理的评价．

笔者通过研究发现，现有的电网发展诊断指标体系主要在于展示指标数据，没有考虑指标间的相互联系与制约，同时诊断的覆盖面还不够全面，缺乏电网发展与能源资源、环境资源、土地资源等方面关系的指标，现有的电网发展诊断指标体系还有待完善.

面对电网发展诊断的重大需求，笔者从电网规模、电网结构、安全可靠性、利用效率、设备水平、外部环境6方面[5-8]对电网发展现状及发展空间进行诊断，提出相应的指标分析方法，形成了基于网络层次分析法[9-10]的诊断模型．用此模型对电网进行诊断，发现电网发展的薄弱环节，结合发展形势、经济环境和政策环境，分析影响电网发展的限制因素，把握电网发展方向，明确电网投资重点，推动电网科学发展．

1　电网发展诊断指标体系

影响电网发展的因素分为两类：①内部限制因素；②外部限制因素．结合电网发展特点，考虑指标间的相互影响与支配，进行影响因素分析，通过聚类算法，将指标分为电网规模、电网结构、利用效率、安全可靠性、设备水平、外部环境6个类别，下属指标共39个．基于这些指标建立的电网发展诊断体系如图1所示．

2　网络层次分析法(ANP)

考虑到各个指标间的相互联系与制约，笔者采用网络层次分析法(analytic network process，ANP)对指标体系作进一步研究．网络层次分析法是美国匹兹堡大学教授萨蒂在层次分析法(AHP)的基础上，于1996年提出的一种适应非独立递接层次结构，能够解决存在内部依存和反馈效应的复杂系统的决策方式.由于网络层次分析法在其网络层中可将问题的相关元素进行聚类而形成元素组，并可随意描述各个元素之间的相关性，即构造出网络结构，尽管建模过程较为复杂，但可以更准确地描述决策问题，因而成为一种更加有效的决策方法．

2.1　ANP的基本结构

ANP系统元素分为两个部分：①由问题目标及决策准则构成的控制层；②由控制层支配的所有元素构成的网络层，其内部是相互影响的网络结构．图2是典型的ANP结构形式．

图2　典型ANP的结构形式Fig.2　A typical ANP structure

2.2　ANP的计算步骤

①判断矩阵和排序向量的建立．使用德尔菲法判断ANP系统中各指标的相对重要性，常采用1—9标度法作为判断标准．

(1)

若Cj中的元素不受Ci中元素影响，则Wij=0．

②超矩阵的建立．同理，将其他元素集元素的内外关系依次进行比较，可得到由网络层中各元素互相影响的排序向量构成的无权重超矩阵W．

(2)

W的每个元素都是矩阵，列和是1，但W不是归一化矩阵，为方便计算需将超矩阵列归一化，即对W的元素加权，得到加权超矩阵．

③加权超矩阵的计算．在控制层Bn准则下，根据网络层各组元素对Cj(j=1，…，n)的重要

程度进行比较，得到归一化的排序向量

Hj=[h1j…hnj]T,

(3)

进而可以得到加权矩阵

(4)

④超矩阵W稳定处理．计算每个超矩阵的极限相对排序向量

(5)

若该极限收敛且唯一，则原矩阵对应行的值为各指标的权重．通过式(5)计算可得各指标的权重值．

3　算例分析

基于上述电网发展诊断模型，分析指标应用场景，选取220 kV电网适应性评价指标，构建220 kV电网发展诊断指标体系的ANP结构，如图3所示．

图3　220 kV电网发展诊断指标体系的ANP结构Fig.3　ANP structure of 220 kV power grid development diagnosis index system

图3中C1与C3、C7、C17相关联；C2与C4、C6、C18相关联；C3与C7、C17相关联；C4与C6、C18相关联；C8与C17相关联．

以国家电网公司一体化电网规划设计平台中2016年电网规划和实际运行数据为基础(见表1)，选取河南、湖北、山东、江苏、北京5地区220 kV电网进行诊断分析．鉴于部分数据较难收集，诊断工作将仅基于现有数据展开，涉及更多指标、更多电压等级的区域电网整体发展诊断分析需进一步加强数据统计收集工作，其诊断流程是在本算例基础上的扩展．

ANP计算过程异常繁复，对于大型系统，基本无法进行手工计算．笔者采用基于ANP理论的专业计算工具Super Decisions软件进行权重计算，所得各指标权重如表2所示．

基于ANP的评价得分如表3所示．诊断结果可以从总体上判断220 kV电网发展现状．同时，由诊断过程中间结果绘制相应的雷达图,如图4所示．从雷达图可以发现各地区220 kV电网的薄弱环节和发展方向．

由表3及图4可知，北京220 kV电网诊断得分最低，其中电网规模、电网结构发展略超前

表1　5省2016年220 kV电网发展诊断相关数据

表2　指标权重计算结果

表3　评价结果

图4　5省电网发展诊断雷达图Fig.4　Rader of five provinces power grid development diagnosis

于社会经济发展和负荷发展需求.在发展过程中主要存在中心城区变电站数量不足、电力通道资源匮乏的紧张局面，建议合理优化分区，加强网络结构建设，着重解决变电容量与负荷的空间分布不均和局部地区供电能力不足等问题，提高电网运行水平．安全可靠性得分最高，这是因为考虑到首都能源安全大局，北京电网在发展过程中始终将安全可靠性作为发展重心．电网发展资源裕度从内部来看，利用效率处于中等水平，未充分利用已有设备容量，设备重载和轻载现象同时存在.下一步建议考虑增加轻载输变电设备负荷传输，打通高、低容载比地区的电力传输通道，同时考虑对部分变电站土地资源利用效率较低的重载变电站采取合理紧凑的布置方式进行扩建以提高供电能力,并达到节约土地资源、提高土地利用效率的目的.从外部来看，运营环境得分最低，建设环境变化快，可供电网发展所利用的资源裕度较小，为了积极抢占变电站站址、电力管沟、线路廊道等稀缺资源，满足未来负荷飞跃发展的需求，建议该地区加强与政府规划部门协调，争取从政策上保障土地资源的可获得性，并加大220 kV电网投资力度，适度超前开展输变电工程建设．

4　结论

笔者结合电网发展特点，从电网自身及外部环境入手，选取电网结构、利用效率、安全可靠性、设备水平、外部环境等指标，建立一套电网发展诊断指标体系，并提出相应的指标分析方法，形成电网发展综合诊断模型．通过电网发展诊断，研究电网发展现状，发现电网薄弱环节，寻找电网发展方向，并根据诊断结论制定针对性措施，以保证地区电网健康发展．

参考文献：

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