基于改進(jìn)層次分析法的配電網(wǎng)指標(biāo)評(píng)估

何璇，高崇，曹華珍，李陽(yáng)，余濤

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心， 廣州 510080； 2.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院， 廣州 510080)

0 引 言

隨著我國(guó)配電網(wǎng)發(fā)展程度不斷提高，越來(lái)越多的分布式能源接入配電網(wǎng)[1-4]。大量分布式能源因其具有安全、清潔等特點(diǎn)，在接入配電網(wǎng)后，能帶來(lái)突出的環(huán)境效應(yīng)。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)指標(biāo)評(píng)估體系往往只考慮安全性指標(biāo)以及可靠性指標(biāo)，缺乏對(duì)配電網(wǎng)環(huán)保效應(yīng)的考量，因此，傳統(tǒng)的配電網(wǎng)指標(biāo)已不再適用于對(duì)高比例新能源接入配電網(wǎng)的分析評(píng)價(jià)。

對(duì)于配電網(wǎng)的指標(biāo)評(píng)估國(guó)內(nèi)外已有不少研究，但多針對(duì)于傳統(tǒng)配電網(wǎng)。文獻(xiàn)[5]研究了基于需求響應(yīng)的配電網(wǎng)供電能力值評(píng)估。文獻(xiàn)[6]基于改進(jìn)潮流發(fā)提出了配電網(wǎng)供電能力評(píng)估體系。針對(duì)新能源配電網(wǎng)的指標(biāo)評(píng)估也有部分研究。文獻(xiàn)[7]提出了基于層次分析的配電網(wǎng)綜合評(píng)估方法。文獻(xiàn)[8]提出了新能源集中接入配電網(wǎng)可拓層次評(píng)估方法。文獻(xiàn)[9] 利用層次分析法，模糊綜合評(píng)估和德?tīng)柗品▽?duì)配電網(wǎng)進(jìn)行指標(biāo)評(píng)估。文獻(xiàn)[10] 利用模糊隸屬度評(píng)分函數(shù)給出了配電網(wǎng)指標(biāo)的合理等級(jí)原則，并用層次分析法對(duì)配電網(wǎng)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估。但是上述方法采用層次分析法均只使用一種權(quán)重計(jì)算方式，可靠性不高。

為了解決分布式能源接入配電網(wǎng)后形成的新能源配電網(wǎng)缺乏科學(xué)全面的評(píng)價(jià)指標(biāo)這一問(wèn)題，建立了包含環(huán)保指標(biāo)的配電網(wǎng)評(píng)估體系。同時(shí)，針對(duì)傳統(tǒng)層次分析法往往只采用一種賦權(quán)計(jì)算方法導(dǎo)致賦權(quán)易失準(zhǔn)的問(wèn)題，采用了改進(jìn)的層次分析法計(jì)算配電網(wǎng)指標(biāo)權(quán)重。通過(guò)建立科學(xué)、全面的指標(biāo)體系以及對(duì)指標(biāo)的準(zhǔn)確計(jì)算賦權(quán)，實(shí)現(xiàn)對(duì)新能源配電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)的科學(xué)指導(dǎo)。

1 高比例新能源接入配電網(wǎng)指標(biāo)評(píng)估體系

為實(shí)現(xiàn)對(duì)含高比例新能源接入配電網(wǎng)的準(zhǔn)確評(píng)估，建立了三層結(jié)構(gòu)的新能源配電網(wǎng)指標(biāo)評(píng)估體系，分別從設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、供電電能質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)以及環(huán)保指標(biāo)五個(gè)角度出發(fā)對(duì)配電網(wǎng)進(jìn)行評(píng)估。整體指標(biāo)評(píng)估體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 高比例新能源接入配電網(wǎng)指標(biāo)評(píng)估體系

1.1 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

配電網(wǎng)包含許多設(shè)備，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)將影響整個(gè)配電網(wǎng)的工作狀態(tài)[11-13]。設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)主要與設(shè)備運(yùn)行年限、設(shè)備故障率等直接有關(guān)，因此從設(shè)備層次出發(fā)，制定設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)如下:

(1)設(shè)備運(yùn)行年限A1。設(shè)備的運(yùn)行年限將影響設(shè)備的性能以及設(shè)備的故障率等，當(dāng)運(yùn)行年限過(guò)長(zhǎng)時(shí)，設(shè)備的運(yùn)行效率將下降，故障率將上升。具體計(jì)算式如下：

(1)

(2)設(shè)備運(yùn)行無(wú)故障率A2。具體計(jì)算式如下：

(2)

式中Ts為設(shè)備無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間；T為設(shè)備運(yùn)行總時(shí)間。

(3)設(shè)備過(guò)載率A3。設(shè)備過(guò)載率與設(shè)備故障率有關(guān)，且設(shè)備若長(zhǎng)期處于過(guò)載，可說(shuō)明配網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)置的不合理性。具體計(jì)算式如下：

(3)

式中NG為發(fā)生過(guò)載的設(shè)備數(shù)。

1.2 可靠性指標(biāo)

可靠性是配電網(wǎng)評(píng)估的重要指標(biāo)，選取用戶平均停電時(shí)間、供電可靠率以及用戶平均停電次數(shù)作為可靠性評(píng)估指標(biāo)，具體如下：

(1)用戶平均停電時(shí)間B1。用戶平均停電時(shí)間具體計(jì)算式如下：

(4)

式中TTi為一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)每戶停電時(shí)間；N為總用戶數(shù)。

(2)供電可靠率B2。供電可靠率為定量衡量事故造成的停電對(duì)用戶的影響，具體計(jì)算式如下：

(5)

式中T為一個(gè)統(tǒng)計(jì)周期總時(shí)長(zhǎng)。

(3)用戶平均停電次數(shù)。具體計(jì)算式如下：

(6)

1.3 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

配電網(wǎng)建設(shè)運(yùn)行及維護(hù)需要大量成本，因此需要對(duì)配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行指標(biāo)評(píng)估。選取線損率，設(shè)備初始投資成本，設(shè)備年維護(hù)成本，設(shè)備折舊費(fèi)用作為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。具體指標(biāo)計(jì)算式如下。

(1)線損率C1。配電網(wǎng)中電能損耗較大會(huì)影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展，造成能源浪費(fèi)，并且存在一定的安全隱患。因此線損率是重要的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)[14-15]。具體計(jì)算式如下：

(7)

式中W1為售電量；W2為供電量。

(2)設(shè)備初始投資成本C2。設(shè)備初始投資成本定義為配電網(wǎng)設(shè)備的初始購(gòu)置成本。具體計(jì)算式如下：

C2=∑NPCP

(8)

式中NP為設(shè)備P的數(shù)量；Cp為設(shè)備P的單價(jià)。

(3)設(shè)備年維護(hù)成本C3。從全生命周期成本角度考慮，對(duì)設(shè)備使用過(guò)程中產(chǎn)生的維護(hù)成本納入考量。具體計(jì)算式如下：

(9)

式中MP為設(shè)備P的全生命周期維護(hù)總費(fèi)用；L為設(shè)計(jì)運(yùn)行年限。

(4)設(shè)備折舊費(fèi)用C4。具體計(jì)算式如下：

C4=∑NPSP

(10)

式中SP為設(shè)備P報(bào)廢后的回收價(jià)。

1.4 環(huán)保指標(biāo)

傳統(tǒng)配電網(wǎng)對(duì)環(huán)保指標(biāo)考慮較少，而大量分布式電源接入后，其清潔能源發(fā)電可替代部分傳統(tǒng)火力發(fā)電，因此新能源配電網(wǎng)較傳統(tǒng)配電網(wǎng)在環(huán)保效應(yīng)上有顯著提升。選取清潔能源發(fā)電占比、CO2、減排量、SO2減排量、氮化物減排量作為環(huán)保指標(biāo)。具體如下:

(1)清潔能源發(fā)電占比E1。分布式電源廣泛采用可再生清潔能源發(fā)電，因此較火力發(fā)電可減少污染物排放。具體計(jì)算式如下：

(11)

式中Ω為分布式電源集合；Pi為第i個(gè)分布式電源的有功功率；Ti為第i個(gè)分布式電源的并網(wǎng)時(shí)間；W為統(tǒng)計(jì)期內(nèi)總發(fā)電量。

(2)CO2減排量E2。用分布式電源替代部分火力發(fā)電，兩種發(fā)電方式之間存在排放差，這部分差值可具體量化如下：

(12)

式中a1為燃煤機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)煤耗；a2為標(biāo)準(zhǔn)煤的CO2排放量。

(3)SO2減排量E3。具體計(jì)算式如下：

(13)

式中b2為標(biāo)準(zhǔn)煤的SO2排放量。

(4)氮化物減排量E4。具體計(jì)算式如下：

(14)

式中c2為標(biāo)準(zhǔn)煤的氮化物排放量。

2 改進(jìn)的層次分析法

2.1 層次分析法的一般步驟

層次分析法一般按照四個(gè)步驟計(jì)算指標(biāo)權(quán)重。介紹如下[16-18]:

步驟一：構(gòu)造遞階層次結(jié)構(gòu)模型。通過(guò)分析整體對(duì)象，將各個(gè)影響因素按照不同屬性及其歸類分成不同層級(jí)。低層次因素影響高層次，高層次因素支配低層級(jí)；

步驟二：構(gòu)造各層次中所有判斷矩陣。對(duì)于每一層中的所有元素而言，其重要性需要具體量化。通過(guò)數(shù)字1～9來(lái)量化兩元素之間的重要程度差別。構(gòu)造判斷矩陣A=(aij)n×n；

步驟三：計(jì)算權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn)。計(jì)算判斷矩陣最大特征值，然后計(jì)算一致性指標(biāo)CI。

(15)

式中λmax為判斷矩陣的最大特征值。

通過(guò)檢驗(yàn)一致性比例來(lái)檢驗(yàn)一致性，具體如下：

(16)

步驟四：計(jì)算組合權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn)。經(jīng)過(guò)步驟三后，計(jì)算各元素對(duì)目標(biāo)的組合權(quán)重，同時(shí)通過(guò)檢驗(yàn)一致性比例來(lái)檢驗(yàn)一致性。

2.2 基于改進(jìn)方法計(jì)算權(quán)重向量

傳統(tǒng)層次分析法在計(jì)算權(quán)重時(shí)只利用單一方法計(jì)算，通常只使用特征向量法。雖然采用單一方法計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便，但由于單一方法穩(wěn)定性不足，容易造成賦權(quán)失準(zhǔn)的情況。因此采用改進(jìn)方法計(jì)算權(quán)重向量W。改進(jìn)方法為包含幾何平均法、算數(shù)平均法、特征向量法以及最小二乘法的組合算法，具體如下：

(1)幾何平均法計(jì)算權(quán)重W：

(17)

式中aij為構(gòu)造的判斷矩陣中元素。即將判斷矩陣中元素按行相乘后再開(kāi)n次方，最后將所得向量歸一化得到權(quán)重向量。

(2)算術(shù)平均法計(jì)算權(quán)重W：

(18)

算術(shù)平均法即將判斷矩陣中元素按列歸一化后各列相加，再除以判斷矩陣的列數(shù)n。

(3)特征向量法計(jì)算權(quán)重W：

AW=λmaxW

(19)

式中A為構(gòu)造的判斷矩陣；λ為判斷矩陣的最大特征值向量。

(4)最小二乘法計(jì)算權(quán)重W：

(20)

式中wi為權(quán)重向量中元素，代表各指標(biāo)權(quán)重。

在針對(duì)同一模型計(jì)算權(quán)重時(shí)，即使構(gòu)造同樣的判斷矩陣，采用不同的權(quán)重計(jì)算方法所得權(quán)重值依然可能存在很大差異，所得權(quán)重可靠性不高，且針對(duì)不同模型時(shí)計(jì)算差值可能更大，算法適用性不強(qiáng)。因此文中利用上述四種方法分別計(jì)算出權(quán)重后，對(duì)四種方法得來(lái)的權(quán)重進(jìn)行取平均值處理，將平均值作為各指標(biāo)的最終權(quán)重。采用改進(jìn)的層次分析法計(jì)算權(quán)重綜合考慮多種方法的優(yōu)點(diǎn)，可彌補(bǔ)單一方法在可靠性及適用性上的不足。

3 算例計(jì)算及分析

以廣東某地區(qū)沿海地區(qū)配電網(wǎng)兩個(gè)片區(qū)為例進(jìn)行算例分析。該地區(qū)風(fēng)力和光伏發(fā)電等新能源資源豐富，考慮風(fēng)電和光伏發(fā)電建設(shè)成本的不斷降低等因素，近年來(lái)當(dāng)?shù)胤植际叫履茉唇尤氡壤粩嗵岣?。針?duì)該地區(qū)配電網(wǎng)建立指標(biāo)評(píng)估體系。根據(jù)兩片區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，每個(gè)指標(biāo)中以表現(xiàn)較優(yōu)的片區(qū)值為基準(zhǔn)，對(duì)各指標(biāo)以百分制進(jìn)行折算，得到各指標(biāo)得分值見(jiàn)表1。同時(shí)根據(jù)第2章所提各元素計(jì)算式，由相關(guān)運(yùn)維人員組成專家組評(píng)估得出各指標(biāo)重要度。

3.1 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

基于改進(jìn)層次分析法中所提四種方法對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。準(zhǔn)則層各屬性對(duì)目標(biāo)層重要度矩陣M、準(zhǔn)則層中設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)A、電能質(zhì)量B、經(jīng)濟(jì)性C、環(huán)保性矩陣D分別如下：

表1 兩片區(qū)各指標(biāo)的分值

分別利用幾何平均法、算術(shù)平均法、特征向量法和最小二乘法求權(quán)重。以幾何平均法計(jì)算準(zhǔn)則層各屬性對(duì)目標(biāo)層重要性矩陣M的權(quán)重系數(shù)為例，根據(jù)式(17)，可得：

計(jì)算可得：W1=0.399 3。

類似的，根據(jù)式(18)～式(20)計(jì)算可得算數(shù)平均法權(quán)重計(jì)算結(jié)果，特征向量法計(jì)算結(jié)果以及最小二乘法計(jì)算結(jié)果，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2～表6。

表2 準(zhǔn)則層各屬性對(duì)目標(biāo)層重要性矩陣M的權(quán)重系數(shù)

表3 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)判斷矩陣A的權(quán)重系數(shù)

表4 供電可靠性判斷矩陣B的權(quán)重系數(shù)

表5 經(jīng)濟(jì)性判斷矩陣C的權(quán)重系數(shù)

表6 環(huán)保性判斷矩陣D的權(quán)重系數(shù)

上述指標(biāo)計(jì)算均通過(guò)一致性檢驗(yàn)。計(jì)算結(jié)果顯示，采用不同方法計(jì)算權(quán)重時(shí)各矩陣權(quán)重系數(shù)存在差異，表2中利用幾何平均法以及算數(shù)平均法計(jì)算W4時(shí)計(jì)算差值占比達(dá)29.61%。因此采用單一方法計(jì)算權(quán)重時(shí)，不同方法的計(jì)算結(jié)果差異可能很大。

3.2 各指標(biāo)合成權(quán)重計(jì)算

對(duì)上述四種方法所求權(quán)重取平均值作為層次權(quán)重值，接著計(jì)算各指標(biāo)對(duì)目標(biāo)層的綜合權(quán)重向量，并檢驗(yàn)一致性。具體計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 各指標(biāo)綜合權(quán)重系數(shù)

采用單一方法計(jì)算的權(quán)重值與利用綜合方法計(jì)算的權(quán)重值對(duì)比見(jiàn)圖2。

圖2 權(quán)重結(jié)果對(duì)比

由圖2可見(jiàn)，采用綜合方法計(jì)算的權(quán)重曲線總體介于各單一方法計(jì)算的權(quán)重曲線之間，而各單一方法計(jì)算的權(quán)重曲線在B1，C1處數(shù)值存在較大差異。反映在實(shí)際應(yīng)用中，即單一算法可靠性不強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果受所選取的算法影響較大，而采用綜合方法計(jì)算能削減因方法選取不同帶來(lái)的計(jì)算差異，算法適應(yīng)性及可靠性更高。

3.3 配電網(wǎng)綜合評(píng)估及分析

表7已得出各指標(biāo)綜合權(quán)重系數(shù)，根據(jù)下式可得出配電網(wǎng)綜合評(píng)估值：

(21)

式中S為配電網(wǎng)綜合評(píng)估值;Wi值為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù);Gi為第i個(gè)指標(biāo)的初始分值。

根據(jù)式(21)求得配電網(wǎng)片區(qū)1和片區(qū)2的綜合評(píng)估值，如表8所示。

表8 各片區(qū)綜合評(píng)估值

由表8可以看出，片區(qū)1的綜合評(píng)估值高于片區(qū)2，原因在于片區(qū)2建設(shè)較早，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)較差，且新能源接入率較片區(qū)1低，可采取擴(kuò)大新能源接入規(guī)模，更換老舊設(shè)備等措施提高評(píng)估值。

4 結(jié)束語(yǔ)

從傳統(tǒng)配電網(wǎng)以及接入大量分布式電源的配電網(wǎng)的區(qū)別入手，建立了包含設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、供電可靠性、電能質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)保性指標(biāo)的配電網(wǎng)指標(biāo)評(píng)估體系。與傳統(tǒng)配電網(wǎng)評(píng)估體系相比，本評(píng)估體系充分考慮了分布式電源接入配電網(wǎng)后的環(huán)保效應(yīng)，適用于含高比例新能源接入的配電網(wǎng)評(píng)估。在指標(biāo)賦權(quán)計(jì)算中，采用了改進(jìn)的層次分析法，以四種權(quán)重計(jì)算方法代替原有單一計(jì)算方法，削弱了因權(quán)重計(jì)算方法選擇不同而造成的權(quán)重計(jì)算差異，使得賦權(quán)結(jié)果可靠性更高。該方法可為未來(lái)含高比例新能源接入的配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)與優(yōu)化運(yùn)行提供理論參考。