智能電網(wǎng)脆弱性綜合評價模型構(gòu)建及仿真

孫亮 陳洪 安琪

摘 要： 解決當前我國智能電網(wǎng)連鎖故障導致的脆弱性問題，加強對電網(wǎng)的脆弱性評估是提高電網(wǎng)運行能力的重點。對此，結(jié)合當前智能電網(wǎng)脆弱性評估方法，提出一種基于TOPSS的脆弱性綜合評估方法。為提高綜合評價的客觀性，引入熵權(quán)法—AHP層次分析法對權(quán)重計算進行優(yōu)化，然后通過TOPSS模型完成對智能電網(wǎng)脆弱性的整體性評價。最后通過某實例，驗證了上述方案的可行性，并得出我國電網(wǎng)在防御人為威脅等方面具有加強的優(yōu)勢，但是在信息安全方面存在一定的劣勢。

關(guān)鍵詞： TOPSS模型; 脆弱性; 智能電網(wǎng); 熵權(quán)法

中圖分類號： TP393 ? ? ?文獻標志碼： A

Constructon and Smulaton of Comprehensve Evaluaton

Model for Smart Grd Vulnerablty

SUN Lang， CHEN Hong， AN Q

（State Grd Zhejang Tazhou Huangyan Dstrct Power Supply Co. Ltd.， Tazhou 318020）

Abstract： n vew of the current vulnerablty problems caused by cascadng falures of smart grd n Chna， strengthenng the vulnerablty assessment of power grd s the key to mprove the operaton of power grd. n vew of ths， ths paper proposes a TOPSS-based comprehensve vulnerablty assessment method combned wth the current smart grd vulnerablty assessment methods. n order to mprove the objectvty of comprehensve evaluaton， entropy weght method—AHP s ntroduced to optmze the weght calculaton， and then TOPSS model s used to complete the overall evaluaton of smart grd vulnerablty. Fnally， through an example， the feasblty of the above scheme s verfed， and t s concluded that Chna's power grd has strengthened advantages aganst human threats， but there are certan dsadvantages n nformaton securty.

Key words： TOPSS model; Vulnerablty; Smart grd; Entropy weght method

0 引言

隨著我國電網(wǎng)建設的不斷推進，電力系統(tǒng)故障所引發(fā)的連鎖反應，成為影響電力運行的一個重要問題。由此，在這樣的背景下，使得人們開始關(guān)注電網(wǎng)故障傳播機理，以及電網(wǎng)的脆弱性問題。目前，針對電網(wǎng)脆弱性的研究中，很多學者都從不同的角度對電網(wǎng)停電原因進行了全面剖析和辨識，從而為電網(wǎng)脆弱性的深入研究奠定了大量的基礎(chǔ)。研究認為，電網(wǎng)崔拓新包括結(jié)構(gòu)脆弱性和狀態(tài)脆弱性，并且與系統(tǒng)弄的狀態(tài)量有很大的關(guān)系。在實踐中，如單一的考慮狀態(tài)脆弱性，或者是值考慮結(jié)構(gòu)脆弱性，其都不能很好的對電網(wǎng)的脆弱性進行全面評價。因此，很多學者試圖通過構(gòu)建一個更為全面、科學的評價體系和方法，從而更好的對電網(wǎng)的脆弱性進行評價。如徐行（2014）等從運行狀態(tài)和網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)節(jié)點的角度，對電網(wǎng)的脆弱性進行綜合性的評價;丁少倩（2017）則針對脆弱性權(quán)重計算的問題，引入組合賦權(quán)的計算方式，以提高權(quán)重計算的客觀性。本文則在以上研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合電網(wǎng)實際運行情況，提出一種基于TOPSS的脆弱性評價方案，并對該方案進行了驗證。

1 脆弱性評價指標體系構(gòu)建

結(jié)合智能電網(wǎng)脆弱性評價指標體系構(gòu)建原則，同時又考慮到指標體系的全面性與科學性，本文從6個層面對智能電網(wǎng)脆弱性評價指標體系進行構(gòu)建，分別為環(huán)境、管理、結(jié)構(gòu)、狀態(tài)、設備以及信息。具體智能電網(wǎng)脆弱性評價指標體系如圖1所示。

2 綜合脆弱性評估模型構(gòu)建

2.1 TOPSS綜合評價模型

2.1.1 TOPSS原理

從TOPSS 法應用原理看，該方法其實就是一種方案排序方法，能夠?qū)Χ鄠€指標及方案進行比較與排序，具備簡便、直觀等優(yōu)點，目前已成為各領(lǐng)域判斷方案之間差距的首選方法。TOPSS 法在實際應用過程中的基本思路主要分為三大

步驟：首先，對參差不齊的原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理，使其具備統(tǒng)一性;其次，確定各個評價指標值皆為正負理想解，簡單的來講就是確定各指標值皆達到候選方案中的最好值與最壞值;最后，以正負理想解為參考依據(jù)，計算正負理想解與候選方案之間的距離，以此獲取與正理想解最接近的方案，并按接近程度對各方案進行排序。

2.1.2 TOPSS應用步驟

傳統(tǒng)TOPSS 法在應用過程中的主要步驟為：

第一，形成決策矩陣。假設本次評價對象的數(shù)量為m個，決策指標為n個，那么該目標決策矩陣則為：X=x11x12…x1n

x21x22…x2n

…………

xm1xm1…xnm ?第二，數(shù)據(jù)處理。對矩陣X進行無量綱化處理，以此得出矩陣：Y=y11y12…y1n

y21y22…y2n

…………

ym1ym2…ymn ?第三，確定正負理想解。以矩陣Y中的最大值與最小值形成方案理想解與方案負理想解，并將其分別記為：Y+=[max（Y1），max（Y2），…，max（Yn）]

Y-=[mn（Y1），mn（Y2），…，mn（Yn）] ?第四，計算預選方案與理想解之間的貼近度。對第個評價方案與正負理想解之間的距離進行計算：D+=∑nj-1[wj（Ymax j-Yj）]2

D-=∑nj-1[wj（Ymn j-Yj）]2 ?第個評價方案與理想解之間的貼近度為：C=D-/（D++D-） ?在獲取到C值之后，可根據(jù)該值的大小對各預選方案進行排序，以此得出最理想的方案。C值越大，代表預選方案更加貼近理想解，與負理想解之間的距離也就越大，排序更易靠前。

2.2 數(shù)據(jù)歸一化處理

假設本次評價方案個數(shù)共有K個，評價指標數(shù)量為L個，將評價指標值矩陣極記為X=（xj）m×n。其中，xj代表第個方案及第j個方案的指標值。在數(shù)據(jù)的處理方面，本文將以比重法對其進行歸一化處理：x+j=xj∑n=1xj ?比重法在開展數(shù)據(jù)處理工作的過程中，并不會要求xj必須擁有固定的最大值與最小值，整個處理過程具備較高的穩(wěn)定性?；诖耍疚膶⒈戎胤ㄗ鳛橹悄茈娋W(wǎng)脆弱性綜合評價過程中指標數(shù)據(jù)預處理的方法。

2.3 權(quán)重計算

本文在構(gòu)建綜合脆弱性評估模型的過程中，采用了改進的AHP-熵權(quán)法對指標權(quán)重的計算機權(quán)重系統(tǒng)選取問題進行解決。其中，層次分析法主要應用至脆弱性體系各層之間權(quán)重系數(shù)的計算;熵權(quán)法主要是對層次分析法所得出的專家權(quán)重開展進一步的修正。如此，將會極大程度上建設主觀性給評價過程帶來的干擾，減少評價結(jié)果與預期結(jié)果之間的巨大差異。

2.3.1 基于層次分析法的專家權(quán)重

層次分析法在應用過程中，主要通過標度的方式對子目標的重要程度進行標定。目前，較為常用的標度法有三種，分別為9/9～9/1標度法、20/2～28/2標度法以及e0/4～e8/4標度法。本文在選取標度法時，考慮到判斷矩陣的保序性、一致性等多方面因素，將選取e0/4～e8/4標度法對判斷矩陣進行構(gòu)建，具體e0/4～e8/4標度法表示程度如表1所示。

具體層次分析法基本求解步驟如圖2所示。

本文在開展智能電網(wǎng)脆弱性評價工作的過程中，采用層次分析法進行脆弱性評價指標的目標融合，以此構(gòu)建起綜合目標函數(shù)，獲取智能電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性及狀態(tài)脆弱性的指標專家權(quán)重。權(quán)重系數(shù)的大小將由結(jié)構(gòu)脆弱性及狀態(tài)脆弱性對于評價體系重要性覺得。

2.3.2 基于改進的熵權(quán)法的權(quán)重

在評價指標權(quán)重的確定之前，本文將電網(wǎng)中所有節(jié)點視為評價對象，構(gòu)建起結(jié)構(gòu)脆弱性以及狀態(tài)脆弱性兩大評價指標，以客觀的方式對綜合脆弱性中指標的權(quán)重進行修正。具體改進熵權(quán)法的權(quán)重求解步驟如下。

（1）原始矩陣的建立

假設電網(wǎng)中節(jié)點數(shù)量為m個，評價指標數(shù)量為n個，那么該評價指標的原始矩陣則為;X=x11…x1n

………

xm1…xmn ?在該矩陣中，xj代表第j個指標中第個評價節(jié)點的指標值。xj的差異越大，代表指標j在評價過程中的作用也越大。假設某項脆弱性指標的指標值相等，則該指標對于評價工作的重要性將微乎甚微。

（2）原始矩陣的標準化

根據(jù)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)脆弱性，能夠科學有效的對系統(tǒng)中關(guān)鍵線路及節(jié)點的穩(wěn)定性進行辨識。假設節(jié)點結(jié)構(gòu)脆弱性指標較大，則說過該節(jié)點在電力系統(tǒng)中的穩(wěn)定性越差，該節(jié)點屬于效益型節(jié)點。通過對狀脆弱性的分析能夠反映出系統(tǒng)對于連鎖故障與連鎖擾動的抵抗能力。若節(jié)點屬于效益型節(jié)點，需對原始矩陣進行標準處理：rj=xjmaxj{xj}+mnj{xj} ?在該公式中，maxj{xj}代表指標xj的最大節(jié)點脆弱性指標值，mnj{xj}代表xj的最小值，其中是固定的。

（3）定義熵

假設評價節(jié)點數(shù)量為m，評價指標數(shù)量為n。那么，第j個指標的熵定義則為：Hj=-k∑m=1fjlnfj， j=1，2，3，…，n ?（4）定義熵權(quán)

對指標熵進行定義之后，還需對指標的熵權(quán)進行定義：τj=1-Hjn-∑nj=1Hj ?指標權(quán)重越大，說明指標所傳遞的信息也就越多。反之，則表示該指標所代表的信息越少。通過此方法的計算，能夠進一步保證計算過程的客觀性。

3 算例分析

為了驗證上文提出的智能電網(wǎng)脆弱性評價是否具備科學性與現(xiàn)實性，將選取我國某智能電網(wǎng)試點工程、美國某智能電網(wǎng)試點工程以及我國某地區(qū)普通電網(wǎng)工程作為研究對象，采用MATLAB仿真軟件對上述模型進行仿真計算。考慮到表述的簡潔性，以下將以分別以P1、P2、P3三個字母上述三個研究對象進行表示。具體分析過程如下。

（1）數(shù)據(jù)預處理

在收集完P(guān)1、P2、P3的指標數(shù)據(jù)之后，將采用上文中提到的比重法對數(shù)據(jù)進行預處理，以此得到試驗數(shù)據(jù)。具體試驗數(shù)據(jù)如表2所示。

（2）指標權(quán)重

在確定完實驗數(shù)據(jù)之后，本文還將采取上文中提出的改進ANP-熵權(quán)法對指標權(quán)重進行確定。具體實驗指標權(quán)重值如圖3所示。

（3）計算相對貼近度

具體P1、P2、P3各方案與正理想方案之間的相對貼近度如表3所示。

（4）評價結(jié)果分析

由于本文主要是對脆弱性指標進行計算，若指標與正理想方案約貼近，則說明該電網(wǎng)脆弱性越高，存在較大的安全威脅。從表3顯示的各方案相對貼近度來看，相較于美國智能電網(wǎng)試點工程（P2），雖然我國智能電網(wǎng)的試點工程（P1）脆弱性相對較高，但與我國普通電網(wǎng)工程（P3）相比，還是存在一定的差距。此數(shù)據(jù)足以說明我國智能電網(wǎng)比傳統(tǒng)電網(wǎng)更具可靠性，但仍舊需要在發(fā)展過程中進行進一步完善。通過筆者的深入分析后發(fā)現(xiàn)，我國智能電網(wǎng)在面對自然災害、人為威脅、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、運行狀態(tài)以及電力設備方面的脆弱性指標較低，由此說明在此方面我國智能電網(wǎng)具備較強的抵抗能力;智能電網(wǎng)脆弱性指標貼近度較高，此現(xiàn)象說明智能電網(wǎng)在信息方面的脆弱性較差。

4 總結(jié)

通過以上的分析可以看出，本文采用TOPSS對電網(wǎng)的整體脆弱性進行評價，而在評價的過程中為提高權(quán)重計算的客觀性，在傳統(tǒng)AHP權(quán)重計算的前提下，引入熵權(quán)法對AHP層次分析法進行改進，從而得到更為客觀的權(quán)重。最后通過TOPSS方法對不同電網(wǎng)的脆弱性進行評估。通過以上的方法，并結(jié)合實際的案例，得出當前我國電網(wǎng)的脆弱性上人為威脅、運行狀態(tài)等方面，要整體好于其他國家。但是在信息安全上要比其他國家要低。由此通過以上的方法，為我國電網(wǎng)脆弱性評價提供了新的方法。

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（收稿日期： 2018.12.25）

作者簡介：孫亮（1983-），男，浙江臨海，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。

陳洪（1984-），男，黃巖，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。

安琪（1984-），女，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)及其自動化。文章編號：1007-757X（2019）12-0084-04