基于AHP-熵權(quán)法的配電網(wǎng)設(shè)備資產(chǎn)運檢成本優(yōu)化配置模型

唐學(xué)軍，譚忠富，李智威，姜英涵，張雪霏，董力通

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，武漢市430077；2.華北電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，北京市 102206；3.國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司，北京市102209)

0 引 言

近年來，國家發(fā)展改革委先后正式印發(fā)了《輸配電定價成本監(jiān)審辦法》《省級電網(wǎng)輸配電價定價辦法》[1-2]，對提供輸配電服務(wù)的電網(wǎng)企業(yè)實施定價成本監(jiān)審。其中，對于運行維護費，定價辦法要求監(jiān)審期間核定的新增材料費、修理費和人工費三項合計按不高于監(jiān)管周期新增輸配電固定資產(chǎn)原值的2%核定，進一步壓縮了準(zhǔn)許成本計提比例，以保障電網(wǎng)公司維持輸配電價穩(wěn)定。為適應(yīng)輸配電成本改革新形勢和政府強化監(jiān)管新要求，電網(wǎng)企業(yè)亟需開展區(qū)域配電網(wǎng)設(shè)備資產(chǎn)運維檢修(以下簡稱運檢)成本的細化管理，提高運檢成本投入的有效性。

對配電網(wǎng)企業(yè)來講，運維和檢修兩大業(yè)務(wù)的成本在企業(yè)整個業(yè)務(wù)成本中占據(jù)著很大比重。維護、運行、檢修等工作都是設(shè)備全壽命使用周期中重要的管理階段，所以，其成本控制水平的高低也會對設(shè)備使用情況產(chǎn)生很大影響。設(shè)備運維檢修成本指在設(shè)備的全壽命周期內(nèi)，為維持設(shè)備運作而產(chǎn)生的運行、維護、檢修等相關(guān)活動的成本，按作業(yè)類型分類，可以分為運行維護成本、設(shè)備檢修成本和狀態(tài)監(jiān)控成本等，在電力設(shè)備的投資成本中，電力設(shè)備的運行和維護費用占比較大[3-6]。文獻[7]提出了一種基于運維檢修成本調(diào)整參數(shù)的線性、二次和彈性三種多元回歸測算模型，通過運檢成本調(diào)整系數(shù)以及影響因素修正成本分配。文獻[8]構(gòu)建了特高壓運維檢修成本控制體系，采用自回歸積分移動平均模型、支持向量機以及BP網(wǎng)絡(luò)模型確立運維檢修成本控制目標(biāo)，并從主動控制和被動控制兩方面確保運檢成本在合理區(qū)間內(nèi)。文獻[9]提出了一種基于運維工作量調(diào)整因子的可量化的智慧能源運維成本模型，運用機器學(xué)習(xí)和灰色關(guān)聯(lián)度分析法確定運維工作量和資產(chǎn)原值的定量關(guān)系，使系統(tǒng)的運維費用支出有據(jù)可依。文獻[10]提出了一種適應(yīng)輸配電價改革的電網(wǎng)項目成本費用核算方法，考慮了新電改政策對運維成本核定的影響。文獻[11]基于實際設(shè)備及作業(yè)內(nèi)容，優(yōu)化電網(wǎng)檢修運維成本作業(yè)庫及作業(yè)檢修周期，考慮應(yīng)急搶修等特殊因素，對檢修運維成本預(yù)算進行調(diào)整。文獻[12]基于全壽命周期成本，結(jié)合設(shè)備運行可靠性影響因素，考慮役齡回退因子以及故障率的影響,建立以全壽命周期成本最小為目標(biāo)的設(shè)備全壽命周期成本模型，優(yōu)化了設(shè)備檢修成本模型及策略。文獻[13]圍繞生產(chǎn)設(shè)備，融合設(shè)備資產(chǎn)管理信息標(biāo)準(zhǔn)，建立重點生產(chǎn)設(shè)備的成本投入與電網(wǎng)資源貢獻度之間的有機聯(lián)系，實現(xiàn)電網(wǎng)資源在合理投入下的綜合效益最大化。

上述研究對電網(wǎng)運檢成本的管控和優(yōu)化仍缺乏實證性的研究，尤其對區(qū)域配電網(wǎng)的外部環(huán)境以及內(nèi)部設(shè)備規(guī)模、設(shè)備質(zhì)量和設(shè)備效益等因素考慮不足，難以結(jié)合不同區(qū)域特點，差異化優(yōu)化運檢成本，實現(xiàn)區(qū)域配電網(wǎng)運檢成本的科學(xué)、合理、有效分配。為此，本文提出一種基于層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)-熵權(quán)法的配電網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置模型，依托電網(wǎng)公司PMS2.0與ERP等業(yè)務(wù)系統(tǒng)，結(jié)合區(qū)域配電網(wǎng)設(shè)備資產(chǎn)運維檢修成本結(jié)構(gòu)模型，綜合考慮運維檢修成本的關(guān)鍵影響因素，建立區(qū)域配電網(wǎng)設(shè)備運檢成本優(yōu)化配置模型，形成針對不同特性區(qū)域的成本配置方案。最后，選取典型區(qū)域配電網(wǎng)進行實例分析，驗證模型的可行性、科學(xué)性和適用性。

1 配電網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置模型

1.1 配電網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置評價指標(biāo)體系

配電網(wǎng)設(shè)備檢修成本傳統(tǒng)上來說一般先由負責(zé)設(shè)備運維管理工作部門向財務(wù)部門上報每個周期設(shè)備檢修項目和成本，再由上一級部門按照設(shè)備資產(chǎn)總額，分配設(shè)備年度大修成本，并對該成本費用展開項目審核，最后再發(fā)布相應(yīng)的年度檢修項目成本管理規(guī)劃。負責(zé)設(shè)備生產(chǎn)管理工作部門安排具體的設(shè)備大修與維護計劃，各個負責(zé)檢修工作的責(zé)任部門每年按照各季度設(shè)備檢修成本，對制定的資金使用計劃分項施行。安排設(shè)備大修資金時，一般都是以設(shè)備檢修周期為依據(jù)，尚不是以設(shè)備在使用期間的健康情況為依據(jù)來確定，使得設(shè)備大修時往往會產(chǎn)生較大的檢修成本浪費情況。對一個區(qū)域運維檢修成本大小的判斷要綜合多方面因素做出客觀評價，不能簡單地根據(jù)其規(guī)模大小判斷，需要適當(dāng)借用設(shè)備使用狀態(tài)的評估成果來制定相應(yīng)的檢修計劃，即對配電平臺中的變壓器和線路等設(shè)備施行狀態(tài)檢修。狀態(tài)檢修的施行可以幫助相關(guān)人員借助先進的科學(xué)技術(shù)和試驗方案，了解變壓器等設(shè)備的潛在故障，再結(jié)合設(shè)備在線監(jiān)測、日常檢查和故障診斷等大數(shù)據(jù)信息，了解設(shè)備性能的高低和運行狀況，以便預(yù)估出此類設(shè)備在未來一段時間內(nèi)的檢修規(guī)劃，從而展開針對性的設(shè)備檢修計劃。

結(jié)合配電網(wǎng)設(shè)備檢修的基本流程，本文使用解釋結(jié)構(gòu)模型對配電網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置指標(biāo)進行篩選，具體過程如下：

步驟1：輸入指標(biāo)原始數(shù)據(jù)，形成n×m階數(shù)據(jù)矩陣A0。

(1)

步驟2：對A0進行處理，計算這n項指標(biāo)兩兩之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)，以指標(biāo)x1和指標(biāo)x2為例，計算這兩個指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)公式如下：

(2)

得到n×n階系數(shù)矩陣A1：

(3)

步驟3：對矩陣A1進行處理，處理方式如下：若|rij|>α，則令rij=1，否則令rij=0，其中，α取值可以進行定義，一般取值為0.85，得到n×n階系數(shù)矩陣A2:

(4)

步驟4：對鄰接矩陣A2進行處理，通過處理可以得到n×n階可達矩陣A3。單位矩陣I、A2和A3滿足下列運算規(guī)則：

(A2+I)k-1≠(A2+I)k=(A2+I)k+1=A3

(5)

步驟5：劃分指標(biāo)級別，首先對矩陣A3進行處理，計算各個元素相對應(yīng)的可達集P，即找出A3中每一行中元素為1對應(yīng)的列，計算各元素相對應(yīng)的先行集Q，即找出A3中每一列中元素為1對應(yīng)的行，并計算兩者的交集S。

步驟6：在得到上述三個集合的基礎(chǔ)上進行級別劃分。用有向枝連接相鄰級別間的元素及同一級別的元素，分析各層級元素間的相關(guān)關(guān)系，識別幾個層級以及每個層級類含有的指標(biāo)，根據(jù)分類就可以得到配電網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置指標(biāo)影響關(guān)系。

步驟7：進行關(guān)鍵指標(biāo)篩選與優(yōu)化，基于指標(biāo)間影響關(guān)系圖，選取最高層和次高層涉及的指標(biāo)為關(guān)鍵指標(biāo)。

用于優(yōu)化配置評價指標(biāo)的選取遵循科學(xué)性原則和可比性原則，結(jié)合區(qū)域配電網(wǎng)運維檢修成本投入的目標(biāo)，如設(shè)備安全運行、投入產(chǎn)出效益等，從外部因素、設(shè)備規(guī)模、配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、資產(chǎn)效益和運檢策略等多個方面構(gòu)建影響運維檢修成本的指標(biāo)體系[14]。具體為：按照影響因素和目標(biāo)，將其劃分為五個維度即外部因素、資產(chǎn)規(guī)模、安全運行、資產(chǎn)效益、經(jīng)濟發(fā)展，如表1所示。

表1 配電網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置指標(biāo)體系

基于解釋結(jié)構(gòu)模型，將配電線路長度及GDP水平兩個指標(biāo)作為一級影響因素，其他指標(biāo)為二級影響因素。其中，配電線路長度是影響區(qū)域配電網(wǎng)設(shè)備資產(chǎn)運維檢修成本的基礎(chǔ)因素。GDP水平作為衡量地區(qū)發(fā)展的經(jīng)濟指標(biāo)，能夠一定程度上表征地區(qū)的用電需求及保電需求。

基于此，將上述指標(biāo)體系轉(zhuǎn)化為一級影響因素和二級影響因素兩部分。其中一級影響因素包含配電線路長度、GDP水平2個指標(biāo)，二級影響因素包含非平原地區(qū)占比、低溫低于0 ℃天數(shù)、配電線路平均掛接設(shè)備數(shù)量、低電壓占比、重過載占比、三相不平衡占比、超過15年資產(chǎn)原值占比、外包占比、單位資產(chǎn)售電量9個指標(biāo)，如表2所示。

表2 配網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置指標(biāo)分級

1.2 評價指標(biāo)體系權(quán)重確定方法

為避免評價過程中主觀性的影響，采用主客觀相結(jié)合的AHP-熵權(quán)法確定權(quán)重，權(quán)重的計算過程如下[15]詳述。

1)基于AHP的主觀權(quán)重計算。

層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法，用兩兩對比的相對標(biāo)度將專家的判斷量化，確定同層次中各元素的權(quán)重。假定評價指標(biāo)有n個，層次分析法的計算步驟如下：

步驟1：構(gòu)造判斷矩陣。用兩兩比較法構(gòu)造判斷矩陣，兩兩比較法的輕重程度用表3所示標(biāo)度表示。

表3 重要性程度定義

收集不同領(lǐng)域?qū)＜覍χ笜?biāo)間重要程度的評分情況，并以各評分均值作為最后的評分結(jié)果，即得到判斷矩陣如下：

(6)

式中：aij表示i因素對比j因素所得到的評分結(jié)果均值。

步驟2：計算特征向量。采用求和法進行特征向量及特征值的計算，具體過程如下：

(7)

(3)計算主觀權(quán)重向量ωi，計算公式如下：

(8)

2)基于熵權(quán)法的客觀權(quán)重設(shè)計。

熵權(quán)法屬于客觀賦權(quán)法，信息熵理論起源于熱力學(xué)，最初由香農(nóng)引入到信息系統(tǒng)。熵權(quán)重按照信息熵的思想，根據(jù)數(shù)據(jù)信息的多少和質(zhì)量決定指標(biāo)的權(quán)重[9]。假定評價指標(biāo)有n個，一共測得有m組數(shù)據(jù)。熵權(quán)法的計算步驟如下[16-18]：

步驟1：根據(jù)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)計算熵值，指標(biāo)i的信息熵為：

(9)

(10)

式中：xiq(i=1,2,…,n;q=1,2,…,m)為評價指標(biāo)測量值歸一化的值；piq為xiq歸一化后的值；ei為指標(biāo)i的信息熵。

步驟2：計算客觀權(quán)重，根據(jù)信息熵可以計算客觀權(quán)重：

(11)

Wo=[wo1，wo2，wo3，…，won]

(12)

熵權(quán)法是一種突出局部差異的客觀賦權(quán)方法，主要根據(jù)指標(biāo)的相對變化程度對系統(tǒng)整體的影響確定指標(biāo)的權(quán)重，此方法排除掉了主觀色彩，并且具有普適性的特點[19]。因此，本文采用AHP和熵權(quán)法相結(jié)合的權(quán)重計算方法對運維檢修成本的影響因素進行權(quán)重賦值，將主觀權(quán)重與客觀權(quán)重加權(quán)平均獲得指標(biāo)綜合權(quán)重，并構(gòu)建配電網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置模型。

1.3 運檢成本優(yōu)化配置指標(biāo)權(quán)重確定過程

1)標(biāo)準(zhǔn)化處理。

由于優(yōu)化配置指標(biāo)體系中各指標(biāo)分別代表不同方面，具有不同的含義，其量綱、數(shù)量級均有差異，不宜直接通過大小比較或者進行數(shù)量上的加權(quán)，為了消除因量綱不同對評價結(jié)果的影響，必須運用一定的方法對其進行轉(zhuǎn)化，即進行標(biāo)準(zhǔn)化處理。

無量綱化(標(biāo)準(zhǔn)化)處理方法有很多種，最為常見的有極值化法、標(biāo)準(zhǔn)化法、均值化法等，由于本次分析數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量小，結(jié)合各方法的適用性，本文選擇極值化方法對各影響因素指標(biāo)進行無量綱化處理[20-21]。

2)計算各指標(biāo)以及指標(biāo)層權(quán)重。

依據(jù)運檢成本優(yōu)化配置評價指標(biāo)體系，收集某省電網(wǎng)公司14家地市單位2017—2019年對應(yīng)指標(biāo)的實際數(shù)據(jù)值。通過計算配電線路長度、GDP水平的信息熵得到一級影響指標(biāo)層各指標(biāo)權(quán)重，通過計算非平原地區(qū)占比、低溫低于0 ℃天數(shù)、配電線路平均掛接設(shè)備數(shù)量、低電壓占比、重過載占比、三相不平衡占比、超過15年資產(chǎn)原值占比、外包占比、單位資產(chǎn)售電量的信息熵得到二級影響指標(biāo)層各指標(biāo)權(quán)重，如表4所示。

表4 優(yōu)化配置指標(biāo)體系外生影響各指標(biāo)信息熵

從測算結(jié)果來看，一級影響因素中，GDP水平的影響比配電線路長度的影響更重要。二級影響因素中，配電線路平均掛接設(shè)備數(shù)量的影響最大，為0.293 9，其次為重過載占比、三相不平衡占比、低電壓占比，分別為0.147 8、0.138 5、0.105 1，其他指標(biāo)的影響權(quán)重分布在0.100 0以下。

3)確定內(nèi)生影響與外生影響的權(quán)重。

在指標(biāo)層權(quán)重計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，確定因素層權(quán)重。首先，將原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。然后，將標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)乘以對應(yīng)指標(biāo)權(quán)重，加權(quán)求和作為因素層指標(biāo)值。例如，一級影響因素層含有2個指標(biāo)，分別為配電線路長度、GDP水平，且指標(biāo)權(quán)重分別為0.32和0.68，將2017—2019年指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后乘以對應(yīng)的指標(biāo)權(quán)重，再求和得到一級影響指標(biāo)值。最后，通過AHP-熵權(quán)法計算一級影響因素與二級影響因素的權(quán)重值[22]。

通過AHP-熵權(quán)法計算得到因素層中一級影響因素、二級影響因素權(quán)重分別為0.717 7、0.282 3，綜上可以得到優(yōu)化配置模型權(quán)重，如表5所示。

表5 優(yōu)化配置模型權(quán)重

其中，每個指標(biāo)項對運維檢修成本的影響權(quán)重由兩部分組成。一是指標(biāo)項對因素層的影響權(quán)重；二是因素層對運維檢修成本的影響權(quán)重。例如，配電線路長度對運維檢修成本的影響權(quán)重為0.32×0.717 7=0.229 7；非平原地區(qū)占比對運維檢修成本的影響權(quán)重為0.073 8×0.282 3=0.020 8。

2 模型驗證

通過實地調(diào)研和系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取，本文共收集到某省電力公司14家單位2017—2019年配電網(wǎng)運維檢修成本類影響因素指標(biāo)值以及各單位運維檢修成本費用存在的問題，現(xiàn)以2019年指標(biāo)數(shù)據(jù)及實際運檢成本分配數(shù)據(jù)為例，開展14家單位運檢成本優(yōu)化配置。

依據(jù)優(yōu)化配置評價指標(biāo)體系及其對運維檢修成本影響的權(quán)重，結(jié)合各單位各項指標(biāo)數(shù)據(jù)情況，可計算得到各單位成本優(yōu)化配置比例。

(13)

式中：kd為d單位的運維檢修成本分配比例；zdi為d單位第i(i=1,2,…,11)個指標(biāo)數(shù)值標(biāo)準(zhǔn)化后的值；Wi為指標(biāo)i的綜合權(quán)重。

將2019年的指標(biāo)值代入測算各單位運維檢修成本分配比例，如表6所示。

表6 各單位2019年運維檢修成本分配比例

優(yōu)化配置模型在配電線路長度和GDP水平的基礎(chǔ)上，考慮到不同地市公司低溫低于0 ℃天數(shù)、配電線路平均掛接設(shè)備數(shù)量、低電壓占比、超過15年資產(chǎn)原值占比、外包占比、單位資產(chǎn)售電量、非平原地區(qū)占比、重過載占比、三相不平衡占比指標(biāo)間的差異，綜合確定運維檢修成本分配比例。其中，各地市公司指標(biāo)值變異程度越大，該項指標(biāo)權(quán)重越大，說明該指標(biāo)是造成差異的重要因素。

經(jīng)測算，與成本理論分配比例相比，有5家單位運維檢修成本實際分配比例相對偏高，分別是城市5、城市6、城市10、城市11、城市13。剩余9家單位運維檢修成本實際分配比例相對偏低，基于各影響因素與目標(biāo)需求，可適當(dāng)提高這些單位運維檢修成本分配比例，滿足其生產(chǎn)需要。

基于實地調(diào)研與數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)計得到14家單位的低溫低于0 ℃天數(shù)、配電線路平均掛接設(shè)備數(shù)量等指標(biāo)數(shù)值，各指標(biāo)值分別與該指標(biāo)14家單位的平均值進行對比，結(jié)果如表7所示，其中，“高”代表A單位b指標(biāo)的實際發(fā)生值大于b指標(biāo)14家單位發(fā)生值平均數(shù)；“低”代表A單位b指標(biāo)實際發(fā)生值小于b指標(biāo)14家地市公司發(fā)生值平均值。

表7 成本優(yōu)化配置指標(biāo)分析對比

將單位線路長度運檢成本和實際成本與理論分配差值進行對比，明確定位各單位當(dāng)前運檢成本配置存在的問題，城市2、城市3等11家單位的問題定位保持一致，即優(yōu)化配置模型的分配比例基本符合該省運維檢修實際。從2019年數(shù)據(jù)來看，總體上，各單位實際發(fā)生成本比例不太符合于基于關(guān)鍵影響因素與目標(biāo)的成本需求。可根據(jù)優(yōu)化配置模型分析結(jié)果，適當(dāng)調(diào)整各單位運維檢修成本分配比例，以更好滿足其生產(chǎn)需要。

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于AHP-熵權(quán)法的配電網(wǎng)運維檢修成本優(yōu)化配置模型。通過理論分析與算例驗證，得出如下結(jié)論：

1)從外部因素、資產(chǎn)規(guī)模、安全運行、資產(chǎn)效益、經(jīng)濟發(fā)展五個維度構(gòu)建配電網(wǎng)運檢成本優(yōu)化配置評價指標(biāo)體系，兼顧可控影響因素和不可控影響因素指標(biāo)，該評價體系能夠全面反映配電網(wǎng)運檢成本的配置差異。

2)綜合運用層次分析法和熵權(quán)法對優(yōu)化配置評價指標(biāo)體系各指標(biāo)賦權(quán)重，構(gòu)建配電網(wǎng)設(shè)備資產(chǎn)運檢成本優(yōu)化配置模型，并在算例中，依據(jù)各單位指標(biāo)實際數(shù)據(jù)，得到了各單位運檢成本優(yōu)化配置結(jié)果與實際成本的差異，該結(jié)果與實際調(diào)研得到的問題定位相符，驗證了本文方法的有效性。