基于综合权重优劣解距离法模型的配电网调度模式评估方法

2022-08-19曲绍杰吕奕波高重晖王腾志林俐

现代电力 2022年4期

曲绍杰，吕奕波，高重晖，王腾志，林俐

（1.国网吉林省电力有限公司，吉林省长春市 130000；2.新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学），北京市昌平区 102206）

0 引言

配电网作为电网的末端，服务的前端，直接面向电力用户[1]，拥有远多于主网的设备，其复杂程度、感知难度和调度管理难度远超主网。近些年来随着城市群的发展、农网改造的进程加速，配电网一直在不断地改造和扩建，国网公司系统内大多数县级以上配电网的规模都已达到百条馈线以上[2]。然而，由于历史原因和投资水平，同一省配电网管理有“一县两公司”、“一县一公司”，调度方式有“调控一体化”、“地县一体化”，导致配电网管理标准和设备自动化水平存在差异，数据的采集和共享存在困难，多数地区仍处于“盲调”状态，制约了调度管理水平的提高。同时，随着分布式电源、电动汽车以及增量配电网的大量接入，配电网的网架结构产生了巨大的变化，负荷侧增加了大量不确定性电源[3]，对配电网调度管理提出了更高的要求。因此，在地区实际配电网发展水平的基础上，充分考虑配电网调度部门和供电用户的需求，对配电网调度管理模式进行评估，选择合适的调管模式，成为配电网调度管理部门亟需开展的一项工作。

由于配电网调度管理模式一直采用历史延续方式，相关评估研究很少，相近的研究多是关于配电网规划、建设和运行可靠性等方面的评估，例如：文献[3]建立了含有分布式电源配网运行可靠性指标的评估体系；文献[4]提出电网规划综合评判决策方法；文献[5]基于差异化全寿命周期理论，对配电网规划建设进行经济性评估；文献[6]在考虑配电网效益等级边界信息的模糊性和随机性的基础上，构建了配电网规划综合效益评估体系；文献[7]基于层次分析法建立了一套实用型配电网运行状态评估指标体系。但是，先进配电网的建设除了需要设备和技术的支撑外，还需要有相应的调度管理作为保障，而当前针对调度管理水平方面的评估体系研究还很少，北美电网通常是采用用户平均停电时间来反映调度管理水平[8]。为了规范和加强调度人员的管理工作，文献[9]构建了以通用能力和业务能力为一级指标的调度人员能力评价指标体系，用于反映调度部门的调管水平。从已发表的文献来看，目前还没有关于配电网调度管理模式评估方面的研究。

关于综合评估方法，目前常用的有主观赋权法和客观赋权法。其中，主观赋权法主要有层次分析法（analytic hierarchy process，AHP）及其改进方法。文献[10]在用层次分析法获得权重的基础上，结合模糊综合评判法对电网的多种属性进行综合量化评估；文献[11]针对单一方法赋权易失准的问题，基于改进层次分析法，结合几何平均法、算术平均法等多种计算方法，综合评估配电网的运行水平；文献[12]考虑到指标间相互影响的关系，采用网络层次分析法计算指标权重，对配电网运行的发展水平进行评估，寻找配电网薄弱环节和供电瓶颈。层次分析法简洁实用，侧重于定性的分析和判断，对数据的要求较低，但过于依赖专家的主观意见，为此，也有采用客观赋权法进行评估。客观赋权法主要有熵权法。文献[13]利用熵权法确定各指标权重，通过模糊综合评价方法评估新能源高渗透率电网的风险，可以避免人为因素造成的偏差。但是客观赋权法对客观数据的要求较高，当客观数据不足时难以采用。

据此，本文构建一套配电网调度管理模式评估指标体系；采用层次分析法确定主观权重、熵权法确定客观权重，并加权得到综合权重，进而建立基于优劣解距离法的评估模型；采用某实际电网数据，完成配电网调度管理模式的评估与分析。

1 配电网调度管理模式现状及未来集约化模式

根据资产管理归属和所属区域，配电网可以划分为城区配网、城郊配网、县域配网和县域农网等。以县级配电网为例，目前主要有2种配电网调度管理模式。

1.1 “一县两公司”模式

“一县两公司”模式是指一个县域配电网中存在供电服务指挥中心（配调）和县供电局（县调）两个调度管理部门，同一电压等级的配电网络，城区部分归属配调统一管理；农村配网归属县调统一管理。在这种模式下存在一些特殊的调管线路—趸售线路。以北方某县级配电网为例，结合电力工业部发布的《供电营业规则》对趸售方式的规定，将趸售线路分为出口趸售线路和T接趸售线路。出口趸售线路如图1所示，66 kV变电站及线路出口开关Q11属于配调调管，开关Q21及其以下设备属于县调调管；T接趸售线路如图2所示，分接开关Q21及其以下设备属于县调调管，图中其他设备属于配调调管。

出于历史和发展的原因，“一县两公司”模式目前普遍存在于各县级供电企业。通常采用这种调管模式的配电网发展水平极不平衡，由于同一电网分属两个公司调管，配网中的接线模式、配电设备类型和自动化程度等技术层面差异非常大，调度员的素质以及调度规范等管理层面也存在差异。并且由于同一地区存在两个调度部门，在调度管理工作中存在调度指令传递效率低、部分区域盲调、责任划分不清、人力资源利用不充分等问题。但是这种调度管理模式比较切合该地的实际情况，且实施成本较小，可以避免调管区域过大、调管标准不同带来的风险。

1.2 地区大集中模式

地区大集中模式是指将配电网调度和管理向上集约化，即将该地区配电网调度权集中至地区调控中心（地调），由地区供电局集中、统一调度。考虑到主网、配网特性不同、调度管理目标不同，在地调设专门的调度机构——配电网调控中心进行统一调度管理。这种模式适用于城区、各县配电网发展比较均衡，装备水平和管理水平相差较小，并且调管区域不大的地市供电局，也是适应未来城市集群化、城镇一体化的模式，可以实现一县一调度的目标，提高配网业务流转效率，解决部分盲调的问题。但是，改变调度管理模式不仅仅是调度流程和调度系统的改变，还涉及到部门人员重组的问题。部门重组势必会造成大量职工下岗转岗，带来负面的社会影响，重组后调度员人均调管范围和业务量都会增加，调管效率就会随之下降。改变调管模式带来的另一个问题是经济性问题，为了与大集中模式相适应，需要增加改造建设和运行维护的投资。

因此，考虑配电网历史沿革以及经济发展水平，选择配电网调度管理模式，需要建立全面、客观的评估指标体系，对配电网调度管理模式进行评价，分析影响管理模式优劣的主要因素，为配网调度管理的未来发展提供参考。

2 配电网调度管理模式评估指标体系

2.1 配电网调度管理模式评估指标体系的构建

随着未来规模化分布式电源、电动汽车以及柔性负荷的接入，负荷侧增加了大量不确定性源荷，配电网的网架结构日益变化，同时随着智能化和“双碳”目标的推进，对配电网调度管理提出了更高要求。电力公司根据《卓越绩效评价准则》（GB/T19580—2012）和《国调中心关于印发2019年配网调度控制管理工作意见的通知》（调技[2019]51号）文件，结合省内10 kV配电网调度管理现状，研究省域内配电网调度管理模式的评估方案。其中评估指标的确定是以上述两个文件为目标指导，根据国网公司对运行管理和人才队伍建设的要求，以及全域内调度工作的过程管理、资源配置和社会责任履行等方面要求，总结得到高效性、协调性、经济性和社会性4个一级指标。由于影响调度管理模式的因素很多，有客观和主观因素，且涉及到多个部门和操作人员的权责，甚至关系到电力公司外部评价，难以进行相关指标的表征和量化。所以，本文结合调管工作的实际需求，给出二级指标选取的基本原则：1）全面性，保证评估指标能够全面地反映一级指标的优劣；2）可获取可量化，在现有体系中便于采集和处理，并得到较广泛认可；3）真实性，指标计算所需数据是相关部门提供的日常统计数据，或能实地调查获得，来源真实可信。由此确定12个二级指标，共同构成配电网调度管理模式评估指标体系。具体如图3所示。

2.2 评估指标分析

2.2.1 高效性指标

高效性表征整个区域配电网的调管效率，结合业务承载力理论与实际工作人员的经验，高效性指标分为间接性指标和直接性指标，其中间接性指标反映调度员人均监控的设备、分布式电源等数量，从侧面反映调度运行的高效性，包括：人均调管线路数量A1、人均调管配电容量A2、人均调管区域面积A3和人均调管新能源容量A4。直接性指标为人均操作票数量A5，反映调度员人均拟票、审票的业务数量，直接反映调度员工作量水平。

这些指标都是中间型指标，其值越接近理想值评价得分越高。小于理想值，其值和评价值为正相关关系；大于理想值，其值和评价值为负相关关系。

定义各指标的计算公式为

式中：Np为不同模式下配置的人员数量；Nl为配电网调管区域内线路数量；Nt为配电网调管区域内变压器容量；Ns为配电网调管区域面积；Ne为配电网调管区域内新能源容量；Nm为调度操作票总数。

2.2.2 协调性指标

根据《国网吉林省电力有限公司县、配调调控管理规程（试行）》（吉电调[2019]63号）文件，梳理调控业务流程，并且由于电网运行过程中通常采用趸售线路数量反映各部门协同工作的情况，归纳总结得到的协调性指标有2个：趸售线路比例和平均业务流转时长。一个反映协同调管的业务数量，另一个反映业务流转所需的平均时间，通过这2个指标即可表征不同调管模式的协调性能。

1）趸售线路比例。

由于趸售线路调度涉及到配调以及县调2个单位，因此趸售线路比例可以反映同一配电网需要不同单位之间协同调度的线路比例，其值越高，需要协同调控的概率越大，定义如下

式中：Nls为配电网调管区域内趸售线路数量。

2）平均业务流转时长。

不同调度模式下调度业务涉及的单位不同，调度指令流转环节、流转效率也不同。相比于无需协同的业务，需要协同的业务调度指令流转的环节更多、时间更长，更容易造成调度发错令、现场接错令、调度重复发令、调度误发令等各种错误，容易导致误调度或者误操作事故发生，严重威胁人身安全和电网安全。定义平均业务流转时长为

式中：Nb为调度业务总量；tq为第q个业务的流转时间。

2.2.3 经济性指标

经济性指标可分为2类：一类为设备成本，包括投资改造建设成本和设备运行维护成本；另一类为人力资源成本。

1）投资改造建设成本。

调管模式投资改造建设成本C1是指改变调度管理模式所需的部门改造、设备投资费用，计算公式为

式中：Xk为建设所需增加的k类设备数量；Pk为k类设备的费用；Nn为有新增数量的设备种类数。

2）运行维护成本。

设备运行维护成本是指配电网调度管理过程中对调控设备维护的费用，采用年平均成本。

3）人力资源成本。

人力资源成本指标C3为

式中：Wa为人员平均年薪。

2.2.4 社会性指标

社会性指标包括2个方面，对外表征用电用户满意度，对内表征公司员工满意度。

1）用户满意度。

根据95598获得的满意度数据，总结调管区域内用户对供电服务的满意程度。

2）员工离职率。

改变调度管理模式需要对人员进行重新配置，可能会造成部分职工下岗转岗，产生逆向的就业效益，不利于社会稳定和人民生活水平的提高，还会降低员工的工作积极性和社会对企业的信任度[14]。因此，员工离职率在一定程度上可以反映改变调管模式对社会和员工的影响，其值越高，负面影响就越大。员工离职率定义为

式中：Nd为改组过程中减少的员工数量；Npn为“一县两公司”模式下配置的人员数量。

3 配电网调度管理模式评估方法

3.1 权重选取方法

构建评价指标矩阵X=(xij)m×n，其中，xij为第i个调度管理模式的第j个评价指标的计算结果。

指标的权重反映了各个指标对评价总目标的影响程度，权重的选取是评估流程中的关键环节，选取权重的方法直接影响到评价结果的合理性。本文采用组合赋权的方式，将主观和客观权重结合，既能满足调度部门的主观需求，又能充分利用客观数据反映各指标的重要性。

3.1.1 基于层次分析法的主观赋权

如图3所示，本文指标体系共分为4层，采用自下而上的顺序进行赋权。为了体现主观需求，采用“1~9”标度法[15]结合专家判断来对指标进行赋权。流程如下：

1）根据专家经验，将各个指标按照重要度进行组内对比，分别建立准则层和指标层的判断矩阵Z=(zij)n′×n′，其中：zij表示指标i相对于指标j的重要度；n′表示一个指标组内指标的个数。

2）求判断矩阵Z的最大特征值λmax，以及λmax对应的特征向量。然后将特征向量进行归一化处理，即可得到主观权重向量Wsub。

3）检验判断矩阵的一致性[16]，公式为

D表征了判断矩阵偏离一致性的程度，其值越大，偏离一致性越远。当D不大于0.01时，认为判断矩阵具有较好的一致性；当D大于0.01时，需要修正判断矩阵，直到检验结果满足要求。

3.1.2 基于熵权法的客观赋权

熵权法[17]是一种客观的赋权法，根据指标包含的信息量多少来确定每个指标的权重。在多指标决策问题中，一个指标的熵值越小，其信息量越大，在模式综合评价中的作用也就越大，该指标权重也越大。采用熵权法可以避免主观因素的影响，使计算出的权重更加客观。

考虑到不同的评价指标有不同的量纲，需要对指标计算结果进行标准化处理。第i个调度管理模式，第j个指标xij标准化的计算公式为

第j个指标的熵值计算公式为

第j个指标的权重系数计算公式为

由此得到n个指标的客观权重向量为

3.1.3 组合赋权

综合权重的计算公式为

式中：k1和k2分别为主观和客观权重的权重系数，这里取k1=k2=0.5。

3.2 基于优劣解距离法的配电网调度模式评估模型

优劣解距离法（technique for order preference by similarity to ideal solution, TOPSIS）是解决有限方案多目标决策问题常采用的方法，其基本原理是计算出各个被评方案与最优方案之间的距离，并以此为依据进行排序、择优。

根据各评价指标的属性差异，可将指标分为效益型指标、成本型指标和中间型指标，其中效益型指标值越大越好，成本型指标值越小越好，中间型指标值越接近某个理想值越好。为了统一指标属性，将各类指标进行正向化处理，得到正向化指标fij，fij越大，表明指标越优。

本文建立的指标体系中，属于效益型指标的有D1；属于中间型指标的有A1、A2、A3、A4和A5；属于成本型指标的有B1、B2、C1、C2、C3和D2。

对于效益型指标，其正向化处理为

式中：xjmax为第j个指标的最大值。

对于中间型指标，其正向化处理为

式中：xbest为中间型指标的理想值，本文参考先进地区的人均人员工作量，并结合当地人员实际的调控能力设置理想值。

对于成本型指标，其正向化处理为

式中：xjmin为第j个指标的最小值。

由式(17)—(19)可以得到正向化处理矩阵

根据式(15)和式(20)，可以得到加权正向化矩阵G为

设加权正向化矩阵的正理想解为P+=(p1，p2，···，pj，···，pn)T，其中，pj=max(g1j，g2j，···，gmj)，负理想解为P-=(0，0，···，0，···，0)T。

令Gi=(gi1，gi2，…，gin)T，则模式i相对于理想解的距离Ri为

Ri的值越小，表明模式i越接近于理想模式。根据R1，R2，···，Rm的大小对模式的优劣进行排序，从而选取最优模式。

3.3 调度模式综合评估流程

配电网调度管理模式评估计算流程如图4所示，具体步骤为：

1）建立评价指标矩阵。根据第2节确定的评估指标体系以及各指标的计算结果，建立评价指标矩阵；

2）主观赋权。根据评估指标体系，采用层次分析法，由专家对各个指标重要性进行打分，获得主观权重；

3）客观赋权。以步骤1）建立的评价指标矩阵为基础，采用熵权法计算各指标客观权重；

4）组合赋权。将客观权重与主观权重线性加权，获得综合权重；

5）评价。采用TOPSIS法，比较不同调度管理模式相对于理想模式的距离，将不同模式进行优劣排序，得到最终的模式评价结果。

4 算例分析

本文以北方某市配电网为例，由于历史原因，其一直采用的调度管理模式为“一县两公司”模式。但是电网公司为了满足国网5级调度的要求，同时由于该地区未来分布式电源、电动汽车以及增量配电网的大量接入，预测负荷侧会增加大量不确定性电源，这对配网调度管理提出了更高的要求。一些先进地区已经用大集中模式取代“一县两公司”模式，但考虑到不同地区配网发展水平存在差异，在选择调度管理模式时，需要结合当地实际发展水平，对2种调度管理模式进行评估，并选择适合当地电网公司的调管模式。

按照图3所示指标体系和各指标的定义，计算各指标值如表1所示。

表1 评价指标Table 1 Evaluation indices

采用所提方法分别确定主观、客观和综合权重，结果如表2所示。

表2 指标权重Table 2 Weights of indices

从主观权重来看，协调性和高效性指标权重较大，经济性指标权重最小；从客观权重来看，协调性、经济性和社会性指标权重较大，高效性指标权重最小；从综合权重来看，协调性和社会性指标权重较大，高效性指标权重最小。

对比主客观权重可以看出2种赋权方法的计算结果存在明显的差异。本文将2种赋权方法结合，避免了层次分析法依赖决策者主观倾向的问题，也避免了熵权法依赖客观数据的问题，评价更具可信度。

由式（21）可得加权正向化矩阵如表3所示。

表3 加权正向化指标Table 3 Weighted forward alization indices

根据式（22）分别计算2种模式与理想模式的相对距离，得到R1=0.4179，R2=0.4949。因此，可以得到结论，在现有网架和经济条件下，“一县两公司”模式比大集中模式更有优势，且优势主要在经济性和社会性这2个指标上，所以当地配网沿用“一县两公司”调度模式更加合理。从评价结果还可以看出，调度管理模式并非越先进越合适，调度模式选择需要结合当地配网发展水平、人员承载力和社会影响等因素进行综合考量。

综上可见，从一级指标看，大集中模式具有高效性和协调性，但是2种调度模式的高效性指标数值相差不大，影响评价结果的主要指标是协调性、经济性和社会性指标。更进一步，从二级指标看，趸售线路比例、投资改造建设成本和员工离职率3个二级指标对评估结果影响较大，在模式评价中具有关键作用。其中，趸售线路比例是影响“一县两公司”模式得分的负面指标，因此，降低趸售线路比例是改善“一县两公司”调度模式的关键环节。