采用改進TOPSIS法的中壓配電網規劃優化

葉辛頔，張俊杰，徐 強，張 興，鄭旭初

（1．國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310009；2．杭州市電力設計院有限公司，杭州 310014；3．浙江優能電力設計有限公司，浙江 寧波 315100）

0 引言

配電網直接面向終端用戶，與廣大人民群眾的生產、生活息息相關，是國民經濟和社會發展的重要公共基礎設施。為加快推進配電網建設改造，國家發展改革委、國家能源局、國家電網公司先后印發了相關指導意見[1-4]，組織動員和部署實施配電網建設改造行動。

隨著電網規模持續擴大，對配電網投資效益提出了更高的要求。合理安排配電網規劃項目建設時序，注重投入產出效益，成為電力企業亟待深入研究和解決的問題。

國內對電網項目評價的研究時間較短，相關經驗較少，傳統的配電網項目優選主要考慮項目帶來的經濟效益，對電網技術性和安全性等方面的考慮不足，也未充分考慮投資限額問題[5-10]。

本文綜合考慮經濟效益和技術效益，建立了分類分階段優選決策方法。針對參與排序的項目，采用改進的TOPSIS（理想解近似偏好排序技術）法評估項目對電網的預期改善效果，并考慮項目關聯關系和資金約束，對排序結果進行調整，得到最終優選結果。以某城市配電網的實際和規劃數據為例，驗證了項目優選模型的合理性和可行性。

1 總體思路

國家電網公司將中壓配電網規劃項目按工程屬性分為以下10類：滿足新增負荷供電要求、變電站配套送出、解決低電壓臺區、解決卡脖子、解決設備重過載、消除設備安全隱患、加強網架結構、分布式電源接入、無電地區供電、其他。

考慮到供電企業作為公共事業單位需承擔基本的供電義務以及中壓配電網規劃項目數量大、種類多，本文建立了分類分階段優選決策方法以提高優選速度。具體內容如下：

先按項目屬性將項目分為不參與排序和參與排序兩大類，前者是基于企業的基本供電義務提出的解決基本供電問題項目，后者則分階段進行優選。第一階段針對參與排序項目，采用改進的TOPSIS法對電網的預期改善效果進行評價，基于評價結果進行排序；第二階段考慮項目關聯關系和資金約束，對第一階段的項目排序結果進行調整，得到最終優選結果。

（1）第一階段

針對參與排序項目，建設先后順序需綜合考慮成本和效益兩方面，在滿足經濟效益的同時還要考慮電網供電可靠、可持續發展、協調發展等。因此，首先建立項目效益評估指標體系，計算項目對這些指標的定量改善程度值，作為項目效益；接著，基于項目投資額，引入收益/成本分析方法計算單位投資效益；然后，采用改進的TOPSIS法對不同的中壓配電網規劃項目進行評估，進一步求出綜合排序決策值；最后，根據綜合排序決策值對各項目進行優選排序，單位投資對電網改善成效最大的項目優先安排實施。

（2）第二階段

一方面，由于配電網建設項目種類多、數量大、涉及多個電壓等級，不同項目之間存在關聯關系（此處的關聯關系主要是依附關系，如項目B依附于項目A，則項目B的竣工年限要晚于項目A的竣工年限）。另一方面，配電網規劃項目分年度進行投資，一定時間內投資額度是有限的。因此，需對第一階段的項目排序結果進行調整，得到最終優選結果。

中壓配電網項目優選流程見圖1。

圖1 中壓配電網項目優選流程

2 項目效益評估指標體系

參與排序的配電網項目效益評估指標體系從不同維度定量反映各規劃項目實施后對電網的提升作用，為不同規劃項目之間比較規劃效果提供依據。

本文提出的項目效益指標包括持續性、可靠性、協調性、經濟性4類一級指標，采用階梯層次結構，自上而下逐層細化，構建全面、合理、客觀的項目效益評估指標體系，見圖2。

2.1 持續性指標

持續性指標反映規劃項目的實施對電網可持續發展的提升作用，包括2個二級指標：新增供電能力與預測負荷的匹配程度、電網最大供電能力提升程度。

（1）新增供電能力與預測負荷的匹配程度

將負荷預測值與規劃項目實施后新增供電能力進行比較，找到負荷預測值大于供電能力的年份n。n取不同值時，規劃項目在新增供電能力與預測負荷匹配程度方面的得分情況見公式（1）：

（2）電網最大供電能力提升程度

假定變電站供電電源容量充裕時，影響配電網供電能力的因素包括：變電站主變壓器（以下簡稱“主變”）數量、變電站主變容量、中壓配電線路及網架。部分中壓配電網項目的實施對電網最大供電能力有提升作用，具體提升效果見公式（2）：

式中：rTSC為最大供電能力提升率；為項目實施后配電網最大供電能力；ATSC為項目實施前配電網最大供電能力。采用文獻[11]最大供電能力計算方法來計算ATSC和。

圖2 項目效益評估指標體系

2.2 可靠性指標

可靠性指標反映規劃項目的實施對電網可靠性的提升作用，包括5個二級指標：中壓線路平均分段數、中壓線路聯絡率、中壓線路電纜化率、中壓線路N-1通過率、運行年限超過20年的中壓線路比例。

（1）中壓線路平均分段數

指標值=中壓公用架空線路總分段數/中壓公用架空線路總條數。

其中，中壓公用架空線路包括架空線長度超過50%的混合線路。

（2）中壓線路聯絡率

指標值=（存在聯絡的中壓公用線路條數/中壓公用配電線路總條數）×100%。

（3）中壓線路電纜化率

指標值=（中壓公用配電線路電纜線長度/中壓公用配電線路總長度）×100%。

（4）中壓線路N-1通過率

指標值=（滿足N-1線路條數/線路總條數）×100%。

（5）運行年限超過20年的中壓線路比例

指標值=（運行年限大于20年的中壓線路條數/中壓線路總條數）×100%。

2.3 協調性指標

協調性指標反映規劃項目的實施對電網負載均衡方面的提升作用，包括5個二級指標：變電站負載不均衡度、中壓線路負載不均衡度、中壓線路過載比例、中壓線路輕載比例、中壓線路重載比例。

（1）變電站負載不均衡度

變電站負載不均衡度計算方式見公式（3）：

式中：Bs為變電站負載不均衡度；Ssi為單一變電站負載率；為變電站負載率平均值；Ns為變電站數量。

（2）中壓線路負載不均衡度

中壓線路負載不均衡度計算方法見公式（4）：

式中：BL為中壓線路負載不均衡度；Lsi為單一中壓線路負載率；為中壓線路負載率平均值；NL為中壓線路條數。

（3）中壓線路過載比例

指標值=（中壓過載公用配電線路條數/中壓公用配電線路總條數）×100%。

其中，中壓過載公用配電線路指最大負載率大于100%的中壓公用配電線路。

（4）中壓線路輕載比例

指標值=（中壓輕載公用配電線路條數/中壓公用配電線路總條數）×100%。

其中，中壓輕載公用配電線路指最大負載率小于20%的中壓公用配電線路。

（5）中壓線路重載比例

指標值=（中壓重載公用配電線路條數/中壓公用配電線路總條數）×100%。

其中，中壓重載公用配電線路指最大負載率在80%～100%的中壓公用配電線路。

2.4 經濟性指標

經濟性指標反映規劃項目的實施對減小網損的作用，包括2個二級指標：110 kV及以下綜合線損率、10 kV及以下綜合線損率。單個規劃項目對線損影響較小，在本文中忽略不計。

（1）110 kV及以下綜合線損率

指標值=[（110 kV及以下配電網供電量-110 kV及以下配電網售電量）/110 kV及以下配電網供電量]×100%。

（2）10 kV及以下綜合線損率

指標值=[（10 kV及以下配電網供電量-10 kV及以下配電網售電量）/10 kV及以下配電網供電量]×100%。

3 基于改進TOPSIS法的項目優選模型

3.1 傳統TOPSIS法原理

1981年C.L.Hwang提出了TOPSIS，一般簡稱為理想解近似法、理想解法[12]。近幾年，該方法在電網設備評估、投資評價、項目優選等方面也逐漸得到應用[13-17]。

TOPSIS基本計算流程如下[13]：

（1）構造初始決策矩陣

設初始決策矩陣為X=[xij]m×n，該矩陣有m各個評估對象、n個評估指標。

（2）初始決策矩陣規范化

利用向量規范化方法得到規范化決策矩陣，Y=[yij]m×n， 其中：

（3）形成加權規范化決策矩陣

設權重向量 ω=（ω1，ω2，…，ωn）， 其中 ω1+ω2+…+ωn=1。 得到加權規范化決策矩陣 Z=[zij]m×n，其元素值見式（6）：

式中：T1為效益型指標；T2為成本型指標。

（5）計算評估對象到Z+和Z-的距離D+和D-

各評估對象到正理想解的距離：

（6）計算評估對象與正理想解的貼近程度C

Ci越接近1，表示該評估對象越接近正理想解，在優劣排序中將占據靠前位置。

3.2 存在問題及改進方法

在實際應用中，評估對象數量的改變（會引起正負理想解改變、初設決策矩陣規范化時的參照標準改變）和評估指標權重的改變可能會引起逆序問題，已有相關文獻提出了改進方法[17-21]。文獻[17]提出構造固定的最優值點和最劣值點對所有評價決策單元的最優貼近度進行計算，在一定程度上克服了逆序問題。文獻[18]提出使用垂面距離對TOPSIS法最優貼近度進行改進，但某些情況下會降低TOPSIS法對評價結果的區分度。文獻[19]提出憑借評價者主觀偏好構造權重獲取“絕對理想點”的方法來防止各種客觀逆序問題。文獻[21]提出采用馬氏距離改進傳統的TOPSIS法，由于馬氏距離獨立于測量尺度，不受坐標之間的量綱影響，排除了變量之間相關性的干擾。

本文采用文獻[21]提出的改進TOPSIS法進行中壓配網項目優選。

4 實例分析

4.1 計算單位投資收益

單個項目對電網網損影響較小，因此不考慮經濟性指標，各項目效益值及投資額見表1。計算單位投資效益，形成初始決策矩陣的評估指標，見表2。

表1 各項目效益值及投資額

表2 初始決策矩陣指標值

4.2 基于改進TOPSIS法的初步排序

項目效益評估指標體系中效益型指標集合T1={T11，T12，T21， T22，T23，T24}，成本型指標集合T2={T25，T31， T32，T33，T34， T35，T41，T42}。 前者與投資額成正比，后者與投資額成反比，歸一化后得到與之對應的指標Xij，見表2。

由于采用馬氏距離計算，無須對原始數據矩陣進行歸一化處理，無須對原始矩陣中的屬性指標進行單獨的外在賦權[21]。

根據公式（7）和（8）計算理想解：

應用matlab求解，結果如表3所示。

4.3 考慮約束條件的項目建設時序調整

按以上計算結果，項目建設時序為：項目7—項目13—項目3—項目5—項目1—項目10—項目6—項目11—項目8—項目12—項目2—項目9—項目4。考慮到本年度投資限額6 400萬，項目4需安排到下一年；再考慮到項目1依賴于項目4，故項目1也安排到下一年。本年度中壓配電網最終的項目建設時序為：項目7—項目13—項目3—項目5—項目10—項目6—項目11—項目8—項目12—項目2—項目9。

表3 各項目的相對帖近度及排名

5 結語

當前，中壓配電網規劃項目優選考慮不全面，主要依靠人工經驗，缺乏定量分析。對此，本文提出了中壓配電網規劃項目效益評估指標體系，采用改進的TOPSIS法對項目進行評估排序，并考慮項目關聯關系和資金約束，對排序結果進行調整，得到最終優選結果。最后以某城市配電網的實際數據為例，驗證了項目優選模型的合理性和可行性。效益評估指標體系從持續性、可靠性、協調性、經濟性4個方面計算項目對配電網的效益，指標數據易于獲取，能實現對單個項目或項目組合的效益評價。項目優選結果對優化配電網規劃、節約建設資金有指導意義。