基于相對熵組合賦權法的電網經濟性評估

盧 純， 周開濤

(1. 國網新源建設有限公司， 北京 100000； 2. 國網新源控股有限公司， 北京 100000)

基于相對熵組合賦權法的電網經濟性評估

盧 純1， 周開濤2

(1. 國網新源建設有限公司， 北京 100000； 2. 國網新源控股有限公司， 北京 100000)

在電網的建設階段對規(guī)劃方案進行全面評價，使得網架結構在滿足技術要求的前提下達到最經濟是十分必要的。為此，文章研究了一種基于相對熵組合賦權法的經濟性綜合評估方法，該評估方法選取項目的財務效益、電網的可靠性以及社會環(huán)境作為規(guī)劃方案的評價指標。同時，為避免單一賦權法的局限性，采用相對熵組合賦權法確定各評價指標的綜合權重，得到各規(guī)劃方案的綜合評估值，進而確定最優(yōu)方案。某地區(qū)實際案例的評估結果表明，文章所研究的方法是可行的。

電網建設； 經濟性評估； 相對熵； 組合賦權法； 綜合評估

0 引言

規(guī)劃方案的經濟性評估是選擇和評價方案時的關鍵參考。隨著我國經濟的發(fā)展，電力需求量不斷增加，電網建設項目越來越多，如何在保證網架結構安全可靠的前提下，經濟性最合理是一個值得深入研究的課題。電網規(guī)劃經濟效益評估是選擇電網規(guī)劃方案的重要依據，對電網規(guī)劃方案的決策、電網結構的優(yōu)化和資源的合理利用具有重要意義[1-2]。

傳統(tǒng)的電網規(guī)劃經濟性評估較為關注規(guī)劃方案的前期設備投資，這種評估雖說簡單方便，但是評估指標不夠全面，致使評估結果有失準確[3-5]。文獻[6]是根據當前我國智能電網的發(fā)展目標，以量化為目的，選取了包括設備利用率、經濟性和社會效益等的評估體系，引入了社會效益這個評估因素，使得建立的評估指標體系更加完整。文獻[7]面臨的是新的電壓等級——特高壓電網，這種電網在評價時對于指標體系以及評估方法要求更為嚴格。文獻建立了三級指標，層層評價，獲得更準確、全面的評估結果。文獻[8]對方案的實施成本以及經濟效益均作了探討研究，并給出了對應的數學模型，并且提出了規(guī)劃經濟效益評價的數學模型用于評估，分析的過程中借助遺傳模擬退火算法將經濟性與可靠性很好的融合到了一起。文獻[9]在研究時，結合電網自身的結構特征，建立了一套較為完整的指標體系，并且考慮了各種評價指標以及諸多需要考慮的因素之間的關系，構造了更為完整的評估模型。

文章根據電網規(guī)劃的特點，研究了一種基于相對熵組合賦權法的電網規(guī)劃方案經濟性的評估體系。該評估體系具有兼顧項目財務效益、電網可靠性、社會環(huán)境等多方面影響的優(yōu)點，而且采用組合賦權法確定綜合權重，使評估結果更加客觀合理。將該體系應用到實際電網中，評估結果表明該方法是可行的。

1 系統(tǒng)經濟性評估指標

電網規(guī)劃方案的經濟效益的評估結果是實際工作當中選擇方案的關鍵參考信息。對于最終電網建設方案的決策以及電網絡結構的優(yōu)化還有相關資源的優(yōu)化配置都具有比較重要的意義。以前的電網規(guī)劃的經濟效益評價通常只是涉及了電網建設時期的投資以及盈利收入等方面，基本都是從財務的角度出發(fā)，往往忽略了電網自身的技術特征，無法體現出電力系統(tǒng)的規(guī)劃投資與其他生產領域的不同之處。通過對影響電網經濟效益的諸多影響因子進行分析考量之后，決定從項目財務指標、系統(tǒng)可靠性指標和社會環(huán)境指標三個角度入手，構建了對電網規(guī)劃方案經濟效益開展相關評估的評價體系。

1.1 項目財務指標

項目財務效益需要估算規(guī)劃的總投資，應考慮資金的時間價值，并且需要克服傳統(tǒng)經濟評估忽視中長期成本、注重短期投資的不足。包括內部收益率、凈現值、投資回收期三部分，本文選取動態(tài)評價的相關數據作為評價體系的指標[10]。

(1)內部收益率(Internal Rate of Return, IRR)是反映資金是否合理利用的一個效率型指標。在凈現值的數值是0的時候，IRR和基準收益率的數值相同。在對規(guī)劃方案的評估過程中，內部收益率比基準收益率數值大，說明這個方案是滿足條件的，并且希望IRR數值盡可能大。該值可動態(tài)反映項目的獲利情況。

(2)凈現值(Net Present Value，簡稱NPV)描述的是在某一個利率i的情況下，將項目方案計算周期內的不同時間的現金收入和現金支出，折算到“0”時點的代數和(按照國家的相關規(guī)定，“現在”表征項目的建設初期階段，也就是計算周期時間軸的初始點0點)。若NPV的數值是大于零，說明該項目可行，并且NPV的數值越大，表明這個項目的投資收益也相應的越高。

(3)投資回收期也被叫做投入資金的返本年限，通常用項目結束后獲得的凈收益抵消投入資金數額所花費的時長來表示，其含義為資金周轉的速度。如果投資回收期是比較短的，則說明投資者能夠在較短的時間內將本金收回，進行再次投資，同時也說明該項目所承擔風險較小，收益較為樂觀。

1.2 系統(tǒng)可靠性指標

1.2.1 短路電流

電網改造或擴建過程中，網架結構發(fā)生變化，各節(jié)點的短路電流值隨之變動，因此，合理的短路電流對系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行至關重要，是評估時非常重要的評價指標。對短路電流的水平進行評價的指標有多種，如整體短路電流水平、短路電流越線情況等[11]。本文計及短路電流給整體電網所帶來的影響，所以選擇整體短路電流水平作為一項重要的評價指標。

評估系統(tǒng)的整體短路電流水平λSC的具體計算表達式為：

(1)

式中：γ為站點母線集合,ISC表示待評估系統(tǒng)的短路電流大小，I0表示母線斷路器的額定開斷電流。

1.2.2 線路負載率

線路負載率是電網安全穩(wěn)定運行時一個重要的評估指標，線路負載率過高易導致過負荷運行，線路負載率過低則又不能很好的發(fā)揮網架的作用。為科學合理的分析電網潮流分布情況，引入了潮流熵[12]的概念，用來驗證電力系統(tǒng)中潮流分布的合理性。潮流熵的求解過程如下[13]：

(2)

式中：n為總的線路數。

確定區(qū)間[a,b]使計算出來的ui全部落入其中，將[a,b]等分為n個區(qū)間(本文中區(qū)間長度為0.05)，lk代表負載率在第k個區(qū)間范圍內的所有線路總數，可以求出ui落在第k個區(qū)間的概率：

(3)

根據上述的式(2)和式(3)，可以得到電網的潮流熵的表達式為：

(4)

式中：C取ln10，若P(k)=0，則P(k)lnP(k)按0處理。

根據式(4)的表達式可以看出，當存在概率P(k)為1時，也即所有線路的負載率恰好都落在了同一個區(qū)間范圍內，那么此時的電網潮流熵數值為0，表明此時系統(tǒng)中的任意兩條線路的實際運行功率和最大的有功傳輸功率的比值都很接近，即此刻的潮流分布是最均衡的。與此相反的是若任意負載率都在不同的區(qū)間，電網的潮流熵數值將會是最大，說明此時電網的潮流非常不均勻，有些線路已經過載，而其他一些線路的功率可能遠小于額定容量?？梢?，潮流熵大小直接反映了負載率的狀況，其數值越小，那么線路的負載率也就越好。

1.2.3N-1校驗過負荷線路條數

N-1原則[14]指的是在正常運行方式下，當系統(tǒng)中的某一個元件因故障或者其他原因斷開后，整個系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定的運行狀態(tài)，持續(xù)供電，并且未出現過負荷等狀況。

1.3 社會環(huán)境指標

電網建設是一項長期服務于社會的項目，同時在建設過程中也會對農作物等造成短時的破壞，因此電網建設的社會環(huán)境指標需要從多方面進行考慮[15]。

(1)青苗賠償金額：在電網建設階段，施工和設備的運輸等過程對經濟作物進行砍伐等不同程度的破壞所進行的經濟補償。

(2)植被破壞面積：電網建設階段桿塔等所占用的當地植被面積。

(3)電網的建設還可以增加當地就業(yè)率，對生活水平的提升有一定的幫助。

(4)合理規(guī)范的規(guī)劃現有電網結構，可以降低輸電線路上的網損，從而減小能源的消耗量，間接的減少了化石能源的燃燒，降低了各種有害污染物的排放，有助于環(huán)境的美化。

所構建的指標體系如下圖1所示。

2 基于相對熵組合賦權法的電網規(guī)劃經濟性綜合評估模型

2.1 多目標評價綜合決策模型

(1)評估矩陣的構造以及標準化預處理

假設存在n個待評估的規(guī)劃方案，每個方案選擇m個評價指標，將方案i(i=1,2,…n)的第j(j=1,2,…m)個指標量化結果采用xij表征，將所有方案的評價指標結果集合到一起，可以得到一個n行m列的矩陣X。但是由于規(guī)劃方案中的每一個指標的屬性和量綱互不相同，所有無法做比較。因此考慮先對X作標準化預處理，如下所示：

對于收益型的指標，所采用的標準化公式為：

(5)

對于成本型的指標，所采用的標準化公式為：

(6)

對X標準化預處理之后可以獲得決策矩陣U=(μij)n×m,μij∈[0,1]。

(2)由于電網規(guī)劃具有離散性、不確定性等多個指標，屬于多目標屬性決策范疇，需要建立多目標評價決策模型[16]，選取Fi為最終的評價值，則有

(7)

式中：wj為第j種評價指標的權重。

Fi的數值愈大，表示這種方案的評價結果越好。由此可見，權重的計算方法是評價值獲取關鍵。權重的計算方法包括單一賦權法以及組合賦權法2類。

2.2 單一賦權法

2.2.1 主觀權重的確定

主觀權重的確定是基于層次分析法[17]。具體的確定過程如下：

(1)構造判別矩陣P，P中的元素aij=xi/xj，式中：aij為第i個和第j個評價指標的相對重要性；xi和xj的選擇參照Saaty標度。

(2)計算判別矩陣P的最大特征根的特征向量，該向量就是權重向量W1={ω1j|1≤j≤m}。

(3)一致性檢驗。隨機一致性比率CR<0.1時，認為是符合要求的，反之就要重新進行評估。

2.2.2 客觀權重的確定

熵權法[18]是利用指標的量化數值通過數理推導得到權重的一種計算方法，其結果具有較強的客觀性。本文用其進行客觀權重的計算。主要步驟如下。

(1)對指標量化值進行標準化處理：

(8)

(2)求取第j個評價指標的熵：

(9)

設當fij=0時，fijlnfij=0。

(3)求取第j個評價指標的熵權值：

(10)

2.3 基于相對熵的組合賦權法確定綜合權重

在確定指標的權重時，如果僅采用單一的權重計算法，可能造成結果的片面性，而把各種單一方法依據某種方式分配權重，然后組合得到最終權重結果。組合賦權法可以綜合各個單一權重計算方法的優(yōu)點，兼顧主觀和客觀因素。

相對熵一般是用來描述概率分布之間的相互差異[19]。相對熵可用于度量任意兩種不同賦權方法所得權重向量的距離程度，應用相對熵組合賦權法可以實現對主、客觀權重的有效組合，從而獲得更為合理的綜合權重值。相對熵組合賦權法已應用到通訊工程、貿易經濟等多領域?；谙鄬亟M合賦權法確定最終的綜合權重，其核心的思想是使綜合權重結果和用單一方法求得的權重結果兩者之間的相對熵的總和最小。

設層次分析法、熵權法求得的權重向量為vk，它們的權重分配系數為k(k=1,2)，根據相對熵原理建立數學模型

(11)

3 實例分析

已知某地區(qū)電網如圖2所示。由于近年來經濟迅猛發(fā)展，節(jié)點6負荷有較大增長，原有由支路3-6、支路1-6提供的電力已不能滿足其需求。現擬擴建一條線路給L6供電。規(guī)劃方案的設計人員分別提出了從節(jié)點1、節(jié)點2和節(jié)點3供電的甲乙丙三個供電方案。甲乙丙三個方案的指標參數詳見表1。

表1 三個方案指標參數

對表1中的指標參數按照公式(5)和(6)進行標準化預處理，可以獲得標準矩陣：

圖2 地區(qū)電網節(jié)點圖

根據2.2.1中介紹的層次分析法可以求出評價指標體系的主觀權重為：

W1=[0.092 0.148 0.039 0.132 0.176

0.098 0.018 0.131 0.130 0.037]T

根據2.2.2中介紹的熵權法可以求出客觀權重為:

W2=[0.116 0.094 0.123 0.104 0.115

0.090 0.088 0.085 0.091 0.094]T

根據W1和W2，利用公式7可得組合權重為：

W=[0.098 0.125 0.083 0.127 0.137

0.095 0.062 0.094 0.094 0.086]T

由計算結果可知，組合權重W數值介于數值W1與W2，論證了單一的權重向量計算方法有明顯的主觀性或客觀性。

由標準化矩陣中的元素值以及組合權重，利用公式7可以得出規(guī)劃方案的評估結果分別為：F=[0.333 0.558 0.740]。

由計算結果可知，從節(jié)點1、節(jié)點2和節(jié)點3供電的甲乙丙三個個供電方案中，合理性排序依次為：丙、乙、甲。此排序結果也有效的論證了基于相對熵組合賦權法對于電網進行經濟性綜合評估的合理性。

4 結論

本文構建了較為完整的用于評估電網規(guī)劃方案經濟性的評估體系，評估過程中全面計及了項目財務、電網可靠性和社會環(huán)境等指標，使評估結果更加合理。同時，本文采用基于相對熵組合賦權法確定權重值,避免單一賦權法過于主觀或客觀的缺點，使獲得的權重值最優(yōu)，評估結果更為準確。對某供電地區(qū)規(guī)劃方案開展經濟效益評估，結果表明所提方法具有可行性和實用價值。

[1]湯亞芳,王建民,程浩忠,等.配電網經濟性綜合評估體系[J].電網技術, 2007,31(s2):127-130.

[2]竺煒,王琴英,唐民,等.提高有功承載能力和輸電經濟性的電網靶向規(guī)劃方法[J].電力科學與技術學報, 2016, 31(3):42-50.

[3]孫欣,呂躍春,高軍,等.電網經濟性與安全性的精益化協調方法[J].電網技術,2009, 33(11):12-17.

[4]張巍,孫云蓮,胡雯,等.計及電網經濟性的配電網供電恢復重構尋優(yōu)算法[J].電網與清潔能源, 2013, 29(7):41-45.

[5]田梁玉,唐忠,焦婷,等.基于多目標評判法的微電網經濟性指標研究[J].電力系統(tǒng)保護與控制, 2016, 44(19):122-127.

[6]韓柳,莊博,王智冬.特高壓電網技術經濟指標與評價方法研究[J].華東電力, 2012,40(7):1099-1103.

[7]賀靜,韋鋼,張一塵,等.電網規(guī)劃方案經濟評估方法研究[J]. 華東電力, 2004, 32(7):1-4.

[8]于會萍,劉繼東,程浩忠,等.電網規(guī)劃方案的成本效益分析與評價研究[J].電網技術,2001, 25(7)：32-35.

[9]胡安泰,肖峻,羅鳳章.經濟評估在電網規(guī)劃中的應用[J].供用電, 2005, 22(3):9-11.

[10]蔣鵬,顧潔,樓曉東.電網規(guī)劃技術經濟評價方案研究[J].華東電力,2010, 38(1):24-27.

[11]劉健,林濤,同向前,等.分布式光伏電源對配電網短路電流影響的仿真分析[J].電網技術, 2013, 37(8):2080-2085.

[12]周凱,張富春.基于潮流熵的輸電線路差異化防雷改造順序研究[J].電力科學與工程, 2015,31(11):35-39.

[13]周宇峰,魏法杰.基于相對熵的多屬性決策組合賦權方法[J].運籌與管理,2006, 15(5):48-53.

[14]徐巖,郅靜,王祥暉.基于N-1原則的輸電斷面熱穩(wěn)定功率極限評估[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報, 2017, 29(1):13-17.

[15]蔣國臻,婁素華,吳耀武.基于AHP-熵權法的電網規(guī)劃經濟性綜合評估方法[C]// 中國高等學校電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)學術年會. 2008.

[16]李基康，滕歡，郭寧.采用相對熵組合賦權法的500kV電網短路電流抑制策略優(yōu)化決策[J]. 電網技術,2016,40(1):1811-1817.

[17]段巍,林怡.基于層次分析-模糊綜合評判的輸電線路狀態(tài)評估[J].電力科學與工程, 2015,31(9):33-39.

[18]楊志超,張成龍,葛樂,等.基于熵權法的絕緣子污閃狀態(tài)模糊綜合評價[J].電力自動化設備, 2014, 34(4):90-94.

[19]陳晶騰,林韓,蔡金錠,等.一種引入熵函數進行組合賦權的直流落點選擇方法[J].電力自動化設備, 2015, 35(1):146-152.

Integrated Economic Evaluation of Power Grid Based on Combinatorial Weighting Method of Relative Entropy)

LU Chun1， ZHOU Kaitao2

(1. State Grid Xinyuan Construction Co. Ltd., Beijing 100000, Cina; 2. State Grid Xinyuan Company LTD, Beijing 100000, Cina

In the power grid construction stage, the evaluation for the planning scheme in a reasonable and comprehensive way makes the grid structure more economical under the premise of advanced technology. Therefore, in this paper, the integrated economic evaluation for power grid planning based on combinatorial weighting method of relative entropy is studied. The project financial benefit, power system reliability, as well as social environment are selected as the comprehensive evaluation indexes. To avoid limitations of the single weighting method，combinatorial weighting method of relative entropy is used to determine the weight for each evaluation index, and then the comprehensive assessment values of the selection are obtained and the optimal scheme is determined. The feasibility of the method is verified by a practical case.

grid construction; economical evaluation; relative entropy; combinatorial weighting; comprehensive evaluation

2017-06-23。

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.11.004

TM73

A

1672-0792(2017)11-0018-06

盧純(1986-)，男，碩士研究生，工程師，研究方向為配電網規(guī)劃、電網狀態(tài)評估。

周開濤(1982-)，男，碩士研究生，工程師，研究方向為配電網規(guī)劃、電網狀態(tài)評估。