基于群組序物元可拓方法的電力經濟與安全運行評價模型

彭道鑫，張翔宇，李丹，潘格，譚忠富

(華北電力大學能源經濟與環境研究所，北京市 102206)

基于群組序物元可拓方法的電力經濟與安全運行評價模型

彭道鑫，張翔宇，李丹，潘格，譚忠富

(華北電力大學能源經濟與環境研究所，北京市 102206)

電力工業經濟與安全運行是地區社會經濟發展的關鍵性基礎支撐，為了能夠準確評估電力在地區社會經濟發展過程中提供的支撐力度及運行風險，引入了群組序物元可拓方法，對運行過程中關鍵指標構成的電力經濟與安全運行評價模型進行綜合電力評價，給出區域社會經濟發展過程中電力經濟與安全運行風險，并評估偏向相鄰風險的程度，做到風險的提前預警或規避。首先，基于對地區電力經濟與安全運行的關鍵指標的理解，構建了電力經濟與安全運行評價模型。隨后，結合實際現狀，基于基礎序關系法，采用群組序關系法進行各指標間權重的綜合設定。此外，采用信息整合性強、兼顧主客觀因素的物元可拓改進模型進行地區電力經濟與安全運行風險的評估與識別。最后，通過實例分析，得出該指標體系及方法能夠有效地衡量地區電網經濟與安全運行的風險，將各指標實測值設為變量，對待評物元進行敏感性分析，該文結果可為地區經濟發展提供基礎建設方面的指導。

群組序關系；物元可拓模型；電力系統經濟安全運行；敏感性分析

0 引 言

隨著社會經濟的發展，電力需求量隨之急劇增長。然而，在逐步滿足日益增長的電力需求基礎上，各產業對電力質量、安全的保障需求也越來越高[1]。隨著各種新技術、新設備的廣泛應用，如特高壓、交直流遠距離輸電以及各種新型控制裝置，電力系統規模越來越大，電網運行也越來越復雜。而且，隨著新電改9號文的出臺，電力市場改革也在有條不紊的進行，逐步涌現出以可再生能源等新型電源、大用戶直購電等新型電力交易模式以及一批符合條件的中間購電商為代表的新主體，其均會增大電力經濟與安全穩定運行的風險[2]。如何在經濟可行的前提下有效地評估與控制地區電力工業安全運行是社會經濟與電力工業可持續發展必須關注的問題。本文對傳統電力綜合評價方法加以改進，提出了一套更加符合實際操控的電力經濟與安全運行評價指標體系及方法[3]。

社會經濟發展對電力行業提出了越來越高的經濟安全運行要求，考慮到各種電網事故所帶來的觸目驚心的社會、經濟損失，如美國西部電網所發生的3次事故[4-5]，如何保障電力經濟與安全運行引起了國內外學者的廣泛關注，也成了學者研究的焦點領域。文獻[6]將電網運行的經濟性與安全性指標進行綜合考慮，將安全性融入到經濟性中加以考慮，從理論上為本文提供了思路，但是卻淡化了量化經濟安全程度的問題，得出的評價結論不直觀。文獻[7-8]從電力系統調度的經濟調度管理、設備檢修管理、電網電壓和頻率管理、繼電保護管理、電網運行方式管理這5個方面著手，對電網經濟安全運行進行評價，但同樣沒有強化量化評估內容。文獻[9]采用了AHP方法確定各指標權重，該方法的主要問題是指標一旦多于9個，將不具備可操作性，且其計算過程較繁瑣，不便于具體推廣。文獻[10]則采用了熵權法，該方法權重設計較為簡潔，易于理解，但是其信息整合程度有待加強。因此要想獲得合理的、有說服力和信服力的評價結果，合理有效地選擇評價方法至關重要。文獻[11]將平衡計分卡理論與企業生態學有機結合，建立了針對電力企業電動汽車充換電服務的商業模式評價指標體系。改進的評價方法有效地結合了人力資源常用方法，為綜合評價提供了一種思路。文獻[12]采用了AHP-TOPSIS的綜合評價方法，為能效工程的科學評價及決策提供了有益的理論參考，同時也是本文權重與評價方法相結合，進行電網經濟與安全運行指標體系評價的重要參考。

基于以上分析，本文采用改進后的物元可拓評價方法對電力經濟與安全運行指標體系進行綜合評價。該方法采用了更為符合實際評估運行的群組序關系權重設計方法，并克服了如果任一指標實測值一旦超出了指標的節域，其關聯度函數就會無法計算的傳統物元可拓模型的缺陷。最終案例結果也表明，該方法能夠科學、合理、有效地對區域電力經濟與安全運行風險進行評估，得出直觀有效的評估量化值，并為當地社會經濟發展提供建設指導。

1 序關系物元可拓模型的構建

1.1 序關系法

1.1.1 單一序關系情況

序關系法是由專家確定了各指標之間相對重要性的排序關系之后，根據專家給出的相鄰指標間的指標重要程度進行權重計算的一種權重設計方法。確定序關系以及給出相鄰指標間相對重要程度是其核心步驟，具體步驟參考文獻[13]。

(2)相鄰指標xk-1與xk間相對重要程度。專家給出評級指標xk-1與xk之間重要程度通過wk-1/wk的理性判斷給出：

wk-1/wk=rk,k=m,m-1,…,2

(1)

(3)權重系數wk計算。獲得rk取值，則可計算各基表權重wk如下：

(2)

wk-1=rkwk,k=m,m-1,…,2

(3)

1.1.2 群組情況分析

實際運用中，對于相同指標體系，不同專家由于知識、經驗、理解等眾多客觀原因，其確定的序關系不盡相同。一旦出現序關系多種狀況，則需按照如下情況處理。

假設存在L位專家，其中有L0位序關系一致，其余是不同情形。

(4)

(2)設余下L-L0序關系不一致的專家所給出的序關系分別為

xk1?xk2?…?xkm,k=1,2,…，L-L0

(5)

式中xki表示專家k將{xi}按照序關系>排定順序之后第i個指標。

不妨設k專家關于xkj-1與xkj(j=m,m-1,…,2;k=1,2,…，L-L0)之間重要性程度之比取值分別為rkj(j=m,m-1,…,2;k=1,2,…，L-L0)，則根據式(2)、(3)可分別求出指標xkj的權重wkj。

(6)

(4)綜合權重wj為

(7)

式中：wj為指標相對于某評價準則或目標的權重系數；k1>0,k2>0,k1+k2=1，一般地，k1=L0/L,k2=L-L0/L。

1.2 物元可拓模型的構建

物元可拓模型構建思路較為清晰，其將待評價對象可能存在的級別首先進行了劃分，并根據經驗或者專家意見給出每個級別指標體系中各指標的取值范圍，即各指標在此級別中的經典域。各指標經典域的最大及最小可能取值構成了該指標的節域，所有指標節域匯總成為該待評物元的節域。隨后通過實測數據形成待評物元，從而進行待評物元等級劃分，即得最終的評價結果[13]。

1.2.1 傳統理論介紹

(1)確定經典域、節域及待評物元

令：

(8)

式中：Nj表示待評價對象所劃分的等級；c1,c2,…,cn為待評價對象指標體系中的指標；vj1,vj2,…,vjn分別為各指標c1,c2,…,cn所取值的范圍，亦即經典域。

令：

(9)

式中：p表示待評對象等級的全體；vp1,vp2,…,vpn分別是p關于c1,c2,…,cn所取值的范圍，亦即p的節域。

令

(10)

式中：p0為待評物元；v1,v2,…,vn分別是p0關于c1,c2,…,cn所獲取的實際具體數據。

(2)權重設計

本文中權重設計采用主觀賦權法中的序關系法。

(3)計算綜合關聯度

待評物元各指標與各等級水平的關聯函數值按式(11)計算：

(11)

1.2.2 模型缺陷

如果任一指標實測值超出了指標的節域，其關聯度函數就會出現無法計算的情況，此時就不能用物元可拓法進行風險評價，針對物元可拓方法以上的局限性，需對其進行相應改進。

1.2.3 模型改進

在原有物元可拓模型的基礎上，對每個經典域和待評物元的量值做規格化處理，即各指標均除以其節域的右端點，得到規格化處理之后的物元經典域和待評物元。具體如式(12)、(13)所示：

(12)

(13)

對規格化后的待評物元可由式(14)求其關于新經典域量值范圍的距離：

(14)

式中：v為點值；a，b分別為區間左端點及右端點值。

關聯度的計算：用Dij代替關聯度函數Kj(vi)去計算綜合關聯度Kj(p0)：

(15)

1.2.4 等級評定

(16)

(17)

式中：j*為p0的風險等級級別變量特征值，從j*數值的大小可以判斷待評物元偏向相鄰等級的程度。

2 區域電力經濟安全運行指標體系的構建

2.1 指標體系構建分析

供需平衡、變壓器經濟運行以及安全生產情況是區域電力經濟及安全運行的主要構成部分。供需是區域電力經濟發展的基礎，其最大負荷、峰谷差、負荷率等指標是在有效保障電力需求的同時經濟穩定運行的重要指標。變壓器工作運行狀態以及負載率則直接影響區域經濟電力供給，而安全穩定運行更是區域電力經濟安全運行的最首要目標。本文從這3個角度出發，選取各角度具有代表性的屬性，共同構建了區域電力經濟及安全運行指標體系。

供需平衡層面，主要通過區域最大負荷增長率、峰谷差、負荷率以及當地供需均衡狀況打分評價4個屬性進行定量加定性的綜合反映。變壓器經濟運行層面則通過變壓器平均負載率、變壓器日常維護程度以及優化電網運行工作成效3個屬性進行定量和定性的綜合反映。對于安全生產，則從城網供電可靠率、農網供電可靠率、城網供電電壓合格率、農網供電電壓合格率以及人身安全保障5個特定方面進行綜合反映。具體指標構建如圖1所示。

圖1 電力經濟及安全運行指標體系Fig.1 Indicator system of economic and safe operation of power

2.2 綜合評價流程分析

基于權重設計方法及綜合評價方法的理論分析，并結合構建的電力經濟及安全運行指標體系，即可以進行區域電力經濟與安全運行風險評估。可按照如下評價流程進行綜合評價，參見圖2。

(1)確定待評價對象，構建評價指標體系。在確定待評價區域之后，基于對地區電力經濟與安全運行關鍵指標的把握，構建了電力經濟與安全運行評價模型。

(2)進行指標體系權重設計。根據專家給出的序關系，判斷序關系集合是否一致，若一致，則用傳統單一序關系法進行指標權重設計，若不一致，則采用群組序關系法進行指標權重設計。

(3)確定經典域、節域以及待評物元。

(4)計算各指標關于經典域的距，用其代替傳統物元可拓的關聯度函數。

(5)電力經濟與安全運行綜合評級與風險等級評判。結合指標體系權重設計以及各指標關于經典域的距，計算出區域電力經濟與安全運行綜合關聯度，并給出其運行風險等級。

圖2 電力經濟與安全運行綜合評價流程Fig.2 Comprehensive assessment process of economic and safe operation of power

3 應用案例分析

2013年，某地區生產總值增長7.7%，增幅與上年持平，三次產業分別增長3%，8.1%，7.6%。該地區規模以上工業增加值同比增長8%。完成全社會固定投資7 032.2億元，增長8.8%。實現社會消費品零售額8 375.1億元，增長8.7%。該地區2013年全社會用電量累計達到913.11億kW時，同比增長4.44%。其中第一產業用電量累計完成 18.57億kW·h，同比增長2.40%；第二產業用電量累計完成334.59億kW·h，同比增長4.26%；第三產業用電量累計完成402.91億kW·h，同比增長7.90%；城鄉居民生活用電量累計完成157.04億 kW·h，同比下降2.96%。該地區2013年還實現了累計節約電量5.09億kW·h、節約電力10.87萬kW的目標，分別完成總目標值的215.67%和230.30%。

3.1 設計指標體系權重

本文采用序關系方法確定指標體系中各層級指標的權重，由于其屬于功能驅動賦權法，采用回收統計多位專家問卷的方法，確定指標之間的序關系以及相對重要程度理性判斷。

3.1.1 三級指標權重設計

(1)供需狀況

(2)變壓器經濟運行

(3)安全生產情況

3.1.2 二級指標權重設計

3.1.3 三級指標相對一級指標的權重設計

結合3.1.1節及3.1.2節相關結果，可最終確定三級指標C1,C2,C3,C4,C5,C6,C7,C8,C9,C10,C11,C12相對于一級指標的權重，分別為

w={0.053,0.086,0.091,0.122,0.064,0.083,0.119,0.069, 0.066,0.071,0.052,0.124}

3.2 構建序關系物元可拓模型

基于所構建的指標體系，將該地區電網經濟與安全運行風險劃分為負荷及供電量風險、變壓器經濟運行風險以及安全生產情況風險。最后將該地區電網經濟與安全運行風險劃分為5個等級，分別為N1很大、N2較大、N3一般、N4較小、N5很小。

3.2.1 確定經典域、節域及待評價對象形成的物元。

確定構建的電網經濟與安全運行風險指標體系中各三級指標的經典域以及5類風險等級的節域。其中，定量指標較多，包括最大負荷增長率、峰谷差率、負荷率、城網供電可靠率、農網供電可靠率、城網供電電壓合格率、農網供電電壓合格率；定性指標包括供需均衡程度分析、優化電網工作成效分析以及人身安全保障分析。定量指標經典域通過專家經驗給出，定性指標經典域則采用(0-1)專家打分法。并將極小型指標以及區間型指標經過一致化處理轉化為極大型指標。各指標的節域均為經典域最大取值范圍，本文中均為[0,1]。最終各指標的經典域如表1所示。

通過對該地區相關資料的整理以及各專家對定性指標打分問卷的調查，可以得到待評價對象形成的物元。其中涉及到極小型指標與區間型指標向極大型指標轉換的過程，指標分類如下圖3所示，處理方法參考文獻[13]。

表1 電力經濟及安全運行各指標經典域
Table 1 Each index classical field of powe’s economic and safe operation

圖3 指標體系各指標類型劃分Fig.3 Classification of various indicators in index system

3.2.2 確定待評對象各指標關于經典域的距離

根據公式(16)～(17)，并借助于Matlab軟件，可以計算待評價對象各指標關于其經典域的距離Dij，如表2所示。

3.2.3 電網經濟安全運行風險等級評價

結合3.1節中指標體系各指標權重設計，可計算得出電網經濟及安全運行風險等級的關聯度為：K1=0.630 1，K2=0.770 7，K3=0.858 6，K4= 0.932 8，K5=0.968 0。

因為K5=max{K1,K2,K3,K4,K5}，j=1,2,…,5，表明該區域電力經濟與安全運行風險等級為“很小”。至此，可計算風險等級級別變量特征值j*，得出j*=3.82>3.5，可知，該待評物元有極大的概率偏向相鄰等級(風險較小)，區域電力建設及管理需要高度重視電力安全經濟發展程度，提前給出應對方案。

4 敏感性分析

以各指標實測值為變量，對待評物元進行敏感性分析。隨著各指標實測值的變動，電力經濟與安全運行的風險等級關聯度Ki(i=1,2,3,4,5)以及風險等級級別變量特征值j*均會隨之變動。通過敏感性分析，旨在找出對區域電力經濟與安全運行影響作用明顯的因素，指導區域電力建設與電力風險預防。風險等級關聯度與風險等級級別變量特征值敏感性分析如圖4所示。

表2 待評價對象各指標關于其經典域的距離
Table 2 Distance of each indicator of objects on its classical field

圖4 風險等級關聯度與風險等級級別變量特征值敏感性分析Fig.4 Sensitivity analysis of correlation and level variable eigenvalues of risk level

由圖4可知，當指標變動范圍由-50%～50%時，風險等級關聯度最大數值分別為K1，K2，K2，K3，K4，K5，K5，K5，K5，K5。即區域電力安全穩定運行風險程度分別為很大、較大、一般、較小、很小。指標數值從0～50%變動時，區域風險程度恒定，均為風險很小，但是風險等級級別變量特征值則有所變化，由3.83遞增至3.92，均大于3.5，說明風險等級偏向風險較小的概率越來越高，區域電力安全經濟運行不穩定性增強。指標數值0～-50%變動時，區域風險級別不斷惡化，由運行風險很小相應地惡化為風險很大。風險等級級別變量特征值除了變動-10%時大于3.5，表明風險等級偏向相鄰等級的概率較高，其余情況下均小于3.5，偏轉傾向不高。

5 結 論

(1)針對物元可拓模型的任一指標實測值一旦超出了指標的節域，其關聯度函數就會出現無法計算的缺陷，本文采用了規格化處理的改進方法，能夠有效地克服傳統模型存在的缺陷。

(2)通過對實例區域的供需平衡、變壓器經濟運行以及安全生產情況的分析，運用群組序物元可拓模型，得出雖然該地區電力經濟與安全運行風險程度很低，但存在著極大的概率偏向風險較低區域，應注重風險預控。

(3)以各指標實測值為變量，對待評物元進行敏感性分析。對區域風險預控、識別與處理提供一定指導。

(4)經濟、環境、能源之間的協調關系將會成為本文后續需要關注的問題。

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(編輯 張媛媛)

Evaluation Model for Economic and Safe Operation of Electricity System Based on Matter-Element Extension Method Used Sequence Relations of Groups

PENG Daoxin, ZHANG Xiangyu, LI Dan, PAN Ge, TAN Zhongfu

(North China Electric Power University, Institute of Electricity Energy Economics, Beijing 102206, China)

The economic and safe operation of power industry is a critical foundation to support socio-economic development. In order to accurately assess the support and operation risk of power in the process of socio-economic development, this paper introduces the matter-element extension method with using sequence relations of groups to carry out comprehensive power evaluation on the economic and safe operation evaluation model of power system that consists of key indicators during the operation process. Then, this paper presents the economic and safe operation risks of power system during the process of regional social-economic development, and evaluates the degree of deviation of adjacent risk for the early warning or avoidance of risks. Firstly, we propose the evaluation model for the economic and safe operation of power system based on the understanding of the key indicators of economic and safe operation of the regional power. Secondly, we comprehensively set the weights of various indexes with using the sequence relations of groups based on the single sequence relation. Thirdly, we adopt improved matter-element extension model to evaluate and identify the risks of economic and safe operation of regional power, which has the characteristics of strong information integration and considering subjective and objective factors. Finally, through example analysis, the index system and method can effectively measure the risks of economic and safe operation of regional power grid, and can use the measured value as the variable to make sensitivity analysis on the matter-element. The results of this paper can provide guidance on the infrastructure of regional economic development.

sequence relations of groups; matter-element extension model; economic and safe operation of power system; sensitivity analysis

TM 732

A

1000-7229(2016)03-0039-08

10.3969/j.issn.1000-7229.2016.03.006

2015-11-17

彭道鑫(1992)，男，管理學碩士，主要從事電力市場環境經濟的研究工作；

張翔宇(1993)，男，管理學碩士，主要從事電力市場環境經濟的研究工作；

李丹(1993)，女，管理學碩士，主要從事電力市場環境經濟的研究工作；

潘格(1994)，女，管理學碩士，主要從事電力市場環境經濟的研究工作；

譚忠富(1964)，男，教授，博士生導師，主要從事電力市場環境經濟的研究工作。