基于IPCA-IFAHP的農村電網改造后項目評價研究

張俊成，陳 楚，黎 敏，莫昌明

(1.廣西電網有限責任公司，廣西 南寧 530023;2.天津天大求實電力新技術股份有限公司，天津 300384)

隨著新農村建設力度的加大，為提高農村電網的安全可靠運行，保障農村供電經濟性，我國對農村電網的改造投資越來越多，但是還沒有一套標準的項目運行效果評價標準，而精準的項目的后評價，對于提高項目投資效益具有重要意義[1-3]。對農網改造后項目進行評價有助于推動農網改造的順利進行[4-5]。

目前有很多有關電網項目后評價的研究，文獻[6]建立了電網項目后評價指標體系，并提出了采用ANP方法求取指標權重，然后采用模糊評價方法給出合理建議。文獻[7]提出了一種改進的邏輯框架方法，用于對電網項目的后評價，該方法能夠準確地體現出指標的實施情況，仿真實驗驗證了所提的方法具有較好的實現效果。文獻[8]設計了輸變電項目指標體系，并采用成功度模糊綜合評價方法進行項目后評價，所提方法成功實現了預期目標。文獻[9]建立了電網建設的評價指標體系，采用ANP方法對指標進行權重分析，并用云決策手段獲得最終評分結果。文獻[10]建立了500 kV變電站的項目改造評價指標體系，并且給出評價過程，得到最終的指導性建議意見。

雖然上述對電網的建設過程有了項目后評價研究，但是有關農村電網的項目后評價還沒有形成一套標準的指標體系，而且還沒有標準的項目評價規則，以指導農村電網項目建設的順利進行，所以，本文提出了采用改進的主成分分析方法提取農村電網項目后評價指標體系，而且采用改進的層次分析方法計算指標體系的權重，然后采用模糊綜合評價方法對農網項目進行評價，根據評價結果給出指導性建設意見，以提高農網建設的合理性。

1 基于IPCA的農網改造后評價指標體系

目前，在國內還沒有統一的電網改造評價指標體系，一般情況下采用人工評價，這就存在著評價結果是否科學準確的問題。評價結果受到評價專家對業務的理解程度不同而不同，所以評價的科學性較為欠缺。隨著我國經濟建設力度的加大，農村電網的改造項目也成為了趨勢，但是在改造過程中仍存在諸多缺點。比如：①缺少成熟的評價指標。當前的農網改造評價體系多是對一個具體問題的分析，還沒有完備的整體改造方案的評價體系。②缺少相關的統計支持?，F在的農網統計包括經濟和建設成果兩個方向，還沒有統一的改造評價體系。

1.1 農網改造后評價指標體系確定原則

為了對農網改造項目進行科學合理的評價，需要建立一套科學完善的評價指標體系。通常情況下，農網改造后一到兩年進行項目評價。評價的項目主要包括電網運行情況，經濟效益，社會效益，以及可持續性發展等。

(1)項目過程評價。

當某項目完成時，對該項目的前期準備，建設過程和運行結果進行評價。通常，農網改造過程包含了大量子項目，按照時間順序，本文對農網改造的前期準備，施工過程和運行階段進行綜合評價。前期準備指的是制作項目規劃書至施工前的工作內容。施工階段的評價主要包括從施工開始到項目驗收時的工作。運行階段的評價包括了性能改進及管理等方面。

(2)經濟效益評價。

經濟效益評價包括財務支出和收益兩個方面。主要從改造過程的財務支出以及運行階段產生的經濟效益來評價。

(3)社會效益評價。

農網改造的社會效益包括家庭用電量是否能夠滿足，以及小型工廠的用電量是否能夠得到滿足，是否能夠比改造前節約用電成本等。這些評價可以從用戶，企業和政府的服務反饋處進行評價。

(4)可持續性評價。

包括項目的延續性和可重復性。延續性表示改造后的電網能夠帶來長遠的收益，重復性表示該項目是否可以在其他地方實施。對農網改造的可持續性評價主要從經濟，環境，社會等三個方面考慮。

影響農網改造后評價的因素有很多，需要對影響因子逐步進行篩選，確定出主要影響評價結果的因子。根據影響的因素不同，發現對農網改造后評價有影響的因素按照層次歸類，可以歸納為三層。指標因素包括項目前期準備，項目實施，投資執行情況，項目財務收益率，財務凈現值，投資利潤率，投資回收期，區域經濟促進，經濟結構調整，節能情況，投資環境改善情況，項目財務，項目經濟性，電網安全性，供電能力，電壓質量，供電可靠性，線損率，農民滿意度，政府滿意度，企業滿意度，經濟可持續性，環境可持續性，社會可持續性等。

由于影響農網改造后評價的指標因子較多，如果考慮所有的評價指標，在評價的時候很可能存在冗余因素，導致評價結果不準確，為此在本文中，采用主成分分析方法選取評價指標。

1.2 改進主成分分析的指標選取

1.2.1 傳統的主成分分析

主成分分析(PCA)是對高維數據降維處理，且降維后的信息不影響數據的使用。PCA的實現過程如下所述[11-12]。

假設一共有N個樣本，每個樣本含有n個數據，記作：X=(xij)N×n。

(1)對X進行標準化處理。

(2)建立系數陣：R=(rij)n×n=X′X。

(3)計算R的特征根和特征向量，λ≥λ2≥…≥λn。

(1)

(4)提取主成分，用m個特征代替原始特征(m

Fi=a1iX1+a2iX2+…+aniXn(i=1,2…,n)

(2)

XPCA=[F1,F2,…,Fm]=X[a1,a2,…,am]

(3)

(5)計算每個特征的貢獻率。

(4)

式中：γi(i=1,…,n)是參數之間的關聯程度。γi越大，表示該參數的貢獻率越大。

(6)求取主成分綜合得分。

1.2.2 均值化改進的PCA(IPCA)

采用均值化方法對PCA進行改進，過程如下所述。

(1)原始數據均值化處理。

(5)

(2)計算均值化的協方差uij，建立協方差矩陣U=(uij)p×p。

(6)

求取指標間的協方差。

(7)

式中：sij是原始變量的協方差。

均值化前的相關系數計算。

(8)

均值化后相關系數計算。

(9)

循環執行式(5)～式(9)，確定均值化后的指標作為主成分。

Fi=u1iY1+u2iY2+…+umiYm

(10)

式中：umi(i=1,2,…,m)是主成分系數，m是主成分數量，Yi表示第i個主成分。

采用改進的PCA方法求取農網改造后指標體系的主成分，計算的前11個主成分貢獻之和大于95%，如圖1所示。

圖1 農網改造后評價指標體系

2 IFAHP算法

2.1 改進的層次分析法(IAHP)

本文采用層次分析法確定農網改造后評價指標的權重，根據上文建立的層次化農網評價指標[13-15]。

(1)將評價指標分為目標層A，準則層B和方案層C。

(2)根據層次關系建立判斷矩陣A=(aij)n×n。即

(11)

式中：aij為指標i和指標j的重要性對比。通常情況下aij取值“1～9”及其倒數。

(3)計算判斷矩陣最大特征值。對特征值進行歸一化處理，并計算每個因子的貢獻度。

(4)一致性檢驗。若正互反陣A=(Aij)n×n，滿足Aij·Ajk=Aik;i,j,k=1,2…n，則A是完全一致陣。計算一致性指標C.I.。

(12)

式中：λmax是判斷矩陣最大特征根。

查表獲得一致性指標R.I.如表1所示。

表1 一致性指標R.I.

當CR<0.1時，認為判斷矩陣滿足一致性要求。若不滿足，調整矩陣元素，繼續一致性判斷。

由于上述AHP的一致性矩陣調整時會給計算結果帶來誤差，所以本文對其進行改進，以降低權重計算誤差。

(5)當構造完判斷矩陣A時，計算最優傳遞矩陣D。

(13)

(6)求取判斷矩陣擬優一直矩陣C。

cij=10dij

(14)

(7)求取C的最大特征向量并歸一化處理，獲得各指標權重。

2.2 模糊綜合評價

在農網改造后評價模型中，因素集為由IAHP方法得到指標集，則評價的過程如下所述[16]。

設含n個指標的因素集U如下。

U={u1,u2,…,un}

(15)

含有m個評價結論的評判集V表示為

V={v1,v2,…,vm}

(16)

因素集U與評價集V的隸屬度關系表示如下。

rij=vj(ui)(j=1,2,…,n)

(17)

模糊關系矩陣表示為

(18)

因素集U的權重模糊向量表示如下。

A=(a1,a2,…,an)

(19)

模糊評價的結果表示如下：

B=A°R

(20)

式中：°指的是模糊合成運算。

模糊隸屬度集B表示如下：

B=(b1,b2,…,bn)

(21)

式中：bj是評價對象含評語vj(j=1,2,…,n)的程度。

3 算例仿真

3.1 農網改造后評價仿真

3.1.1 指標體系權重

本文算例以某電力公司某農網改造工程為例，該項目的改造內容主要為10 kV以下農網改造。改造的項目主要包括：①10 kV配網新建項目：新建雙回路線路4.95 km，新裝斷路器2臺；四線路6.28 km，新裝斷路器3臺；和諧線路4.31 km，斷路器1臺；雙回線路2.1 km，采用電纜線0.6 km，斷路器3臺；雙回線路5.81 km，電纜0.4 km，斷路器2臺。②改造10 kV輸電線路，裝配4臺斷路器。③對0.4 kV線路改造17.5 km，更換14臺變壓器。④對農村電表進行更換。⑤新裝14臺電壓監測設備。

該項目于2018年完工，共投資了12 256 862.35元。經過改造后，該地區的供電量，電壓合格率，及供電可靠性都得到了改善，而且用戶反饋較優。提升了人民的生活質量，經濟發展也得到了快速提升。

采用IAHP算法求取農網改造后指標權重，計算準則層A結果如下所述。

根據IAHP的計算方法，求得的CR=0.004<0.1，滿足一致性檢驗要求，且λmax=4.01。計算得到的A-B的權重如表2所示。

表2 A-B判斷矩陣權重

然后分別按照IAHP方法分別B1-B4的權重，如表3～表6所示。

表3 B1判斷矩陣權重

計算得到的農網改造后評價指標權重如表7所示。

表4 B2判斷矩陣權重

表5 B3判斷矩陣權重

表6 B4判斷矩陣權重

從表7以及上述計算過程可以知道，在計算過程中，一致性檢測的CR小于0.1，滿足一致性檢驗。從權重的計算結果來看，項目經濟性，經濟可持續性，電網安全性，在電網改造中具有重要地位。

表7 指標權重排序

3.1.2 農網改造后評價體系

(22)

綜合后評價主要包括：①對10 kV農網改造項目進行評分，并給出建設性意見。②通過該改造項目為其他農網改造給予建議。農網改造項目后評價結果如表8～表11所示。

表8 B1項目后評價

表9 B2項目后評價

表10 B3項目后評價

表11 B4項目后評價

根據上述計算得到的模糊綜合評價結果，進行綜合計算，得到該項目的評價得分為80.4，最終該項目被評價為良好。其中，項目過程得分為82.33，評為良好。經濟效益評分為81，評為良好。電網性能評分為81.5，評為良好?？沙掷m性發展為78.6，中。綜合來看，該農網的改造效果較好，得到了期望的改造效果。這個評價結果與領域內專家評判的結果一致。

3.2 算例結果分析

該項目評分為80.4，良。根據該項目各個指標的評價，可以得到以下結論:

(1)該項目的實施和運行效果較好。而且電壓質量，供電量，供電可靠性等都得到改善。但是由于工期較短，很多前期準備工作未能充分進行，需要改進。

(2)該項目的經濟指標權重較大，但是該農村電網的經濟還能進一步加強。

(3)從項目的電網性能來看，電壓質量供電可靠性和安全性都得到了改善。

(4)該項目的可持續性指標中，社會，經濟，和環境等方面還能進一步改善，以提高這些領域的水平。所以環境可持續性評價為中。

針對上述問題，對該農網改造提出以下意見:

(1)前期準備工作充分，為高質量的施工提供可靠保障。

(2)強化農網改造的經濟性，實現經濟效益。

(3)提升農民對農網改造的長遠收益意識，積極參與到農網改造建設中，以提升社會效益。

(4)農網改造的時候，多引進新技術，新理論，加強環境可持續性發展。

4 總 結

為了盡最大可能反映原始數據全部信息，提出了采用均值化方法改進主成分分析方法，用于提取農網改造后評價指標體系，達到以最少的數據獲得最大信息量的目的。為了克服傳統AHP算法一致性校驗存在的調整誤差，提出了采用最優傳遞矩陣確定指標權重，用改進的AHP算法計算農網改造后評價指標體系的權重值。最后，采用模糊綜合評價的方法根據評價指標體系對農網改造項目進行綜合評分，得到對當前改造項目的建設性意見。進行了算例仿真，仿真結果與實際情況相符，驗證了所提方法的有效性。