基于改進AHP和CRITIC法的配電網(wǎng)規(guī)劃方案綜合評估

王鑫 任麗佳 張菁

摘要：針對當前配電網(wǎng)可靠性評估過程中決策因素的不確定性和權(quán)重難以量化問題，在配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面提出了一種改進AHP和基于指標相關(guān)性的CRITIC指標確定法相結(jié)合的智能配電網(wǎng)規(guī)劃方案評價方法。該方法首先基于配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面建立可靠性評價指標體系，利用改進的層次分析法與CRITIC法計算各評價指標的主客觀權(quán)重，并采用最小二乘法計算得到綜合權(quán)重。該方法綜合考慮了主客觀權(quán)重對規(guī)劃方案的影響，避免了單一觀點的局限性，并有效地利用了各指標的數(shù)據(jù)信息。通過算例分析表明，本文提出的評價方法能有效地評判配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面各決策方案的合理性。

關(guān)鍵詞： 可靠性評估; 網(wǎng)架結(jié)構(gòu); 改進AHP; CRITIC; 最小二乘法

【Abstract】 Aiming at the problem of uncertainty and difficult quantititative weight of decision factors in the current reliability assessment process of distribution networks，at the level of distribution network structure， an evaluation method of intelligent distribution network planning scheme combining improved AHP and CRITIC index determination method based on index correlation is proposed. In the research， a reliability evaluation index system is established based on the grid structure of the distribution network，the improved analytic hierarchy process and CRITIC method are used to calculate the subjective and objective weights of each evaluation index， the comprehensive weight is calculated using the least squares method.This method comprehensively considers the impact of subjective and objective weights on the planning scheme，avoids the limitations of a single point of view， and data information of each indicator is effectively used.The simulation analysis shows that the evaluation method proposed in this paper can effectively judge the rationality of various decision-making schemes at the structural level of the distribution network grid.

【Key words】 ?reliability evaluation; grid structure; improved AHP; CRITIC; least square method

0 引 言

隨著近年來智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，智能配電網(wǎng)已成為電力系統(tǒng)中的重要組成部分，為響應對供電質(zhì)量、可靠性等不斷提高的需求，對智能配電網(wǎng)的規(guī)劃評價必不可少[1-3]。通過智能配電網(wǎng)規(guī)劃評價可以在滿足用戶需求的同時，結(jié)合信息需求、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)等因素，對各種規(guī)劃方案進行綜合評估。現(xiàn)階段的綜合評估中，針對配電網(wǎng)的規(guī)劃方案大多考慮的都是基于配電系統(tǒng)層面的影響因素，對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面的規(guī)劃方案考慮較少，本文基于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面考慮影響配電系統(tǒng)供電可靠性的各影響因素，構(gòu)建相應的指標體系，并結(jié)合主觀和客觀權(quán)重對配電網(wǎng)規(guī)劃方案進行綜合評估。

目前，中國在配電網(wǎng)規(guī)劃評價方面的研究取得了一定的突破，在現(xiàn)階段智能配電網(wǎng)評估中采用一定方式對指標或備選方案權(quán)重進行計算，進而確定各方案的優(yōu)先級，該方面有如下研究：文獻[4]提出一種基于區(qū)間層次分析法的權(quán)重求解算法，合理地處理了決策因素的不確定性和專家判斷的模糊性。文獻[5]在故障停電風險決策中，利用模糊層次分析法對配電網(wǎng)進行評估，將指標體系中一些較為模糊的指標進行定量分析。文獻[6]綜合了AHP和線性規(guī)劃（LP）提出了基于價值的規(guī)劃決策方法，合理地給出了綜合利益最大化決策方案。當前對配電網(wǎng)的評估研究通常只針對單個指標性能，對配電網(wǎng)綜合性能考慮較少，故對配電網(wǎng)規(guī)劃方案進行合理有效的綜合評價便成為了亟待解決的重要問題。

配電網(wǎng)規(guī)劃方案的綜合評估方法主要有層次分析法、模糊綜合評價法、熵權(quán)法等，但目前規(guī)劃評價方法還存在一定局限性，在實際應用過程中會出現(xiàn)明顯缺陷。文獻[7]通過層次分析法-熵權(quán)法對配電網(wǎng)可靠性指標的主客觀權(quán)重計算，提升了綜合權(quán)重下的合理性，但忽略了在運用AHP對主觀權(quán)重計算時對一致性的校驗較為復雜的問題。文獻[8]提出一種綜合改進的TOPSIS法和德爾菲—熵權(quán)法的綜合決策方案，解決了規(guī)劃方案中主觀權(quán)重過大的問題，但其指標量化的方法難以在實際應用中實現(xiàn)。文獻[9]提出一種適用于高壓配電網(wǎng)規(guī)劃特點的評價指標體系，但在配電網(wǎng)其它電壓體系中具有一定的局限性。目前，對配電網(wǎng)規(guī)劃方案綜合評估研究主要集中在對各指標體系的性能計算中，基于主客觀去分析指標體系的性能。

本文針對當前配電網(wǎng)可靠性評估過程中決策因素的不確定性和權(quán)重難以量化問題，基于指標相關(guān)性的CRITIC指標確定法和改進層次分析法相結(jié)合的智能配電網(wǎng)規(guī)劃方案評價方法，提出一種包含配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面指標的評價體系。對不同配電網(wǎng)的規(guī)劃方案進行綜合評估，結(jié)合網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面的指標，并通過實際案例對比分析該方法的有效性。

1 配電網(wǎng)可靠性評價指標體系

1.1 配電網(wǎng)評價指標體系架構(gòu)

當前配電網(wǎng)可靠性評估規(guī)劃方案通常基于影響系統(tǒng)可靠性的因素來考慮，對系統(tǒng)中其他層面諸如網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面的研究考慮較少。現(xiàn)對配電網(wǎng)規(guī)劃方案指標的考慮主要集中在可靠性、經(jīng)濟性、適應性等方面，但在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面規(guī)劃缺乏全面性，且對不確定性因素考慮較少，不宜直接將其應用到網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面的配電網(wǎng)規(guī)劃方案中。本文根據(jù)在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面中影響配電網(wǎng)可靠性的各種影響因素和不確定性因素，建立了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面的配電網(wǎng)評價指標體系，共分為4個評價層級，如圖1所示。

圖1中的指標體系是圍繞著決策目標網(wǎng)架結(jié)構(gòu)綜合評估體系G建立的，其中用戶端可靠性A、網(wǎng)架合理性B、抗干擾性C、經(jīng)濟性D構(gòu)成與決策目標G直接相關(guān)的下一層子屬性。同理，指標配電系統(tǒng)充裕性A1、通訊系統(tǒng)可靠性A2同樣為構(gòu)成上一層級用戶端可靠性A相關(guān)的下一層子屬性。圖1所示的指標體系中各指標呈樹狀結(jié)構(gòu)，實際中有時會出現(xiàn)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

為彌補傳統(tǒng)配電網(wǎng)規(guī)劃方案在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面中的不全面性以及不確定性因素考慮較少的問題，在盡可能滿足全面性、客觀性和易求取性的原則下，圖1給出的指標體系中包含了傳統(tǒng)方案中的各項指標，并做出了以下三點的變動：

（1）針對可靠性的評價中，綜合了網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面指標后還考慮到了用戶端的負荷點供電可靠性和將通信系統(tǒng)的可靠性因素加入，使得規(guī)劃中對可靠性的考慮更加多元化。

（2）基于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面，深入研究網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的合理性，考慮了網(wǎng)架的接線模式及供電線路的因素。

（3）針對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在故障時抗干擾能力的不確定性，新增了在故障發(fā)生時帶來的不確定性影響的轉(zhuǎn)供能力、備用電源數(shù)及故障修復時間等指標。

1.2 單項指標及其計算方法

1.2.1 可靠性指標

可靠性指標反映的是配電網(wǎng)對用戶端持續(xù)供電能力的評價指標，可靠性越高，供電能力就越強。基于網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面的配電網(wǎng)可靠性指標除了常用的關(guān)于負荷點的可靠性指標外，還包括了配電系統(tǒng)充裕性指標以及通信系統(tǒng)可靠性指標。

電網(wǎng)充裕性問題也是可靠性評估過程中必不可少的一部分，并對系統(tǒng)充裕性指標進行定量分析。為對配電系統(tǒng)供電能力的評估，這里引用了電量不足期望值指標EENS。數(shù)學公式具體如下：

1.2.2 網(wǎng)架合理性指標

網(wǎng)架合理性指標描述了在網(wǎng)架結(jié)構(gòu)選擇和規(guī)劃過程中需要考慮的優(yōu)劣性問題，包括了網(wǎng)架接線模式指標以及線路供電半徑指標。

配電網(wǎng)網(wǎng)架構(gòu)建中選擇不同的接線模式，對整個配電系統(tǒng)的可靠性影響程度不同。常用的接線模式主要有輻射型接線模式、環(huán)式接線模式以及分段和聯(lián)絡接線模式三種。對各接線模式之間的優(yōu)劣性對比分析，得到接線模式指標下各模式的重要程度，進而考慮網(wǎng)架的合理性。

線路供電半徑指標主要考慮電壓等級以及用戶終端密集度，指從點電源點開始到其供電的最遠負荷點之間的線路距離。在供電線路上，供電電壓等級越高，對應的供電半徑也就越大，呈遞增趨勢，同時在供電的用戶終端隨著負載量的增加，供電半徑縮小，呈遞減趨勢。

1.2.3 抗干擾性指標

這里新增抗干擾性指標，針對在智能配電網(wǎng)出現(xiàn)故障時系統(tǒng)抗干擾能力的強弱問題，引入了故障修復時間和轉(zhuǎn)供能力這兩個指標來衡量。

隨著智能配電網(wǎng)運行過程中各種故障對系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生影響，備用電源的構(gòu)建對故障恢復起著顯著效果，為可靠性的提升起著重要作用，但同時會造成經(jīng)濟成本的增長，需妥善考慮可靠性與經(jīng)濟性的合理規(guī)劃。在故障發(fā)生后，變電站的負荷轉(zhuǎn)供能力也在應對故障發(fā)生中起著重要作用，不同的轉(zhuǎn)供能力在安全約束條件下，對因故障影響而失電的重要負荷有著不同的恢復速度，進而促使其它負荷的供電的恢復。

1.2.4 經(jīng)濟性指標

經(jīng)濟性指標體現(xiàn)的是在考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)規(guī)劃過程中追求更高性價比的規(guī)劃方案，主要考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的構(gòu)建應需追求較低的經(jīng)濟成本、較高的可靠性的特征。本文主要引用投資估算和運行管理維護費用兩個指標，對所規(guī)劃的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)經(jīng)濟性進行描述。在運行管理維護費用中，主要分為年運行維護費用和年傳輸維護費用。

3 算例分析

為驗證所提配電網(wǎng)供電可靠性評估方法的有效性，本案例以上海某地區(qū)配電網(wǎng)規(guī)劃作為研究對象，該地區(qū)由于110（35）kV變電站較少，造成部分地區(qū)供電范圍大，供電區(qū)域交錯，且因基建站點缺乏和分布不均，以及電纜通道所限，造成部分地區(qū)由區(qū)外變電站長距離供電，影響供電可靠性，由此形成3個方案屬性見表1。3個方案各有優(yōu)劣，需全面考慮各方案之間因素的變動對系統(tǒng)的供電可靠性的影響，得到最優(yōu)方案。以下按照決策步驟實現(xiàn)對各方案之間主客觀的權(quán)重計算，并最終求得綜合后的各方案權(quán)重，進而驗證所提決策方法的有效性。

由表4可知，采用改進層次分析法和CRITIC法分別對3種方案各項指標的主觀和客觀權(quán)重進行計算，并使用最小二乘法求得綜合后的方案優(yōu)劣排序為方案三>方案二>方案一。方案一雖具有經(jīng)濟性優(yōu)勢，但其接線模式采用輻射型接線，供電可靠性較方案二和方案三更低。雖然方案二和方案三都選擇分段和聯(lián)絡接線模式，但方案三的備用電源數(shù)和轉(zhuǎn)供能力均高于方案二，故方案三的綜合可靠性更高，因此在工程實施前的網(wǎng)絡構(gòu)建時，往往會選擇方案三作為規(guī)劃方案。因此通過這種改進層次分析法和CRITIC法的綜合評估算法，同時結(jié)合提出的配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面指標的評價體系，可以更全面合理地評估不同網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的可靠性。

4 結(jié)束語

本文提出了基于指標相關(guān)性的CRITIC指標確定法和改進層次分析法相結(jié)合的智能配電網(wǎng)規(guī)劃方案評價方法，并提出了一種包含配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面指標的評價體系，最后通過實際案例對比分析該方法的有效性。算例結(jié)果表明，所提的綜合評估方法充分地考慮了主觀和客觀權(quán)重，綜合權(quán)重更貼近理想的解，綜合評價的結(jié)果更好。不同于常考慮的配電網(wǎng)評估指標，在考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)層面后，使得對配電網(wǎng)規(guī)劃方案考慮得更為全面，更符合實際工程需求。

參考文獻

[1] ?薛振宇，胡航海，宋毅，等. ?基于大數(shù)據(jù)分析的縣公司綜合評價策略[J]. 電力自動化設備，2017，37（9）：199.

[2]杜琳，孫亮，陳厚合. 計及電轉(zhuǎn)氣規(guī)劃的綜合能源系統(tǒng)運行多指標評價[J]. 電力自動化設備，2017，37（6）：110.

[3]劉自發(fā)，韋濤，李夢漁，等. 基于改進層次分析法的交、直流微電網(wǎng)綜合評估[J]. 電力自動化設備，2016，36（3）：60.

[4]肖俊，王成山，周敏. 基于區(qū)間層次分析法的城市電網(wǎng)規(guī)劃綜合評判決策[J]. ?中國電機工程學報，2004，24（4）：50.

[5]徐銘銘，曹文思，姚森，等. 基于模糊層次分析法的配電網(wǎng)重復多發(fā)性停電風險評估[J]. ?電力自動化設備，2018，38（10）：19.

[6]SHEEHAN M， BRACE C， WILLIAMS S， et al. Optimal allocation of resources to distribution investments using the analytic hierarchy process to balance the impacts of investments on safety，customer interruption costs，levelized annual revenue requiremment，contribution to margin and other considerations[C]// 2000 Power Engineering Society Summer Meeting（Cat. No.00CH37134）. Seattle， USA：IEEE，2000，3：1311.

[7]黃廷城，葉琳浩，張勇軍. 基于AHP-熵權(quán)法的配電網(wǎng)用電可靠性綜合評估[J]. 廣東電力，2018，31（1）：44.

[8]朱天瞳，丁堅勇，鄭旭. 基于改進TOPSIS法和德爾菲—熵權(quán)綜合權(quán)重法的電網(wǎng)規(guī)劃方案綜合決策方法[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2018，46（12）：91.

[9]羌丁建，壽挺，朱鐵銘，等. 高壓配電網(wǎng)規(guī)劃評價指標體系與綜合評價模型[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2013（21）：52.

[10]楊麗君，王碩，盧志剛. 配電網(wǎng)智能化規(guī)劃評價指標[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2012，36（12）：83.

[11]吳峻，武迪，朱金大，等. 多端柔性直流配電網(wǎng)接地方式設計[J]. 中國電機工程學報，2017，37（9）：2551.

[12]李娜娜，何正友. 主客觀權(quán)重相結(jié)合的電能質(zhì)量綜合評估[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（6）：55-61.

[13]鄧紅雷，戴棟，李述文. 基于層次分析-熵權(quán)組合法的架空輸電線路綜合運行風險評估[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2017，45（1）：28.

[14]趙書強，湯善發(fā). 基于改進層次分析法、CRITIC法與逼近理想解排序法的輸電網(wǎng)規(guī)劃方案綜合評價[J]. 電力自動化設備，2019，39（3）：143.

[15]張立軍，張瀟. 基于改進CRITIC法的加權(quán)聚類方法[J]. 統(tǒng)計與決策，2015（22）：65.