基于AHP和DEA的中压电网供电模式综合评价研究

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　　摘要：中压配电网作为城市电网中的主要部分, 网络结构相对密集，又是连接高压配电和低压配电网的桥梁和纽带，其地位十分重要。中压网架结构是否合理可靠、运行是否灵活方便、投资是否经济，对一个城市的电网发展具有十分重要的影响。本文结合项目实际经验，运用层次分析法原理，建立了城市中压配电网供电模式评价体系。提出了基于AHP和DEA法的城市中压配电网供电模式综合评价方法，并通过算例验证了该方的合理性和可行性。
　　 关键词：供电模式 AHP DEA 综合评价
　　
　　
　　1 前言
　　 中压配电网络结构的合理性直接影响着系统的供电可靠性、电网的运行效益、配电自动化设施的投资效益[1]。中压网络供电模式的选择对规划全局起着决定性作用。网络的供电模式直接影响着系统的供电可靠性与用户的用电水平，采用合理有效的供电模式既可在很大程度上提高系统的供电质量，又能获得良好的社会与经济效益。因此，对中压配电网供电模式进行深入的研究建立一套综合评价体系和方法具有重大的现实意义。
　　2供电模式评价的指标体系
　　 城市中压配电网供电模式评估是一个复杂的过程，不仅要考虑建设运行的经济性和供电的可靠性，还要考虑运行维护的难易程度、配电自动化实施的难易程度以及与城市规划、周围环境的协调性。
　　 根据指标评价体系构建的方法和原则[2]，结合城市电网规划项目实际经验，运用层次分析法原理，构建了一个有序的递阶层次结构评价体系，包括目标层、准则层、指标层和方案层。
　　 本评价体系从技术性、经济性和适应性三个方面建立了评价准则，其中技术性主要反映中压供电模式技术上的特点，包括供电可靠性（ASAI）、电压偏移（ΔU%）、线损率（LR）；经济性主要指供电总投资，包括线路和设备的投资、线路走廊的投资、损耗费用、年运行费用（CA）和停电损失（CL）；适应性包括运行维护的难易程度（MD）、配电自动化实施难易程度（AD）、新负荷接入的难易程度（LD）和满足城市发展（UDC）。
　　3 AHP和DEA法综合评价模型及步骤
　　 3.1 AHP法的基本原理
　　 层次分析法的思想是首先建立清晰的层次结构分解复杂问题，其次引入测度理论，通过两两比较，用相对标度将人的判断标量化，并逐层建立判断矩阵，求解矩阵权重，最后计算出方案的综合排序权值。依次从下到上即可计算出底层因素相对于总目标的相对权值。层次分析法通过判断矩阵导出排序权值，使权值在定性的基础上得以量化,结果更加客观。但层次分析法对评价指标值的排序处理，过于简单化，难以体现指标特性和集团特征。
　　 层次分析法的解法在许多文献中都有提及, 本文不再赘述。 如读者有兴趣可参阅文献[ 3, 4 ]。
　　 3.2 DEA法的基本原理[5] [6]
　　 数据包络分析（data envelopment analysis）简称DEA，是数学、运筹学、经济学和管理学的一个新的交叉领域。它是由美国运筹学家A.Charnes等学者以“相对效率”概念为基础发展起来的一种效率评价方法。
　　 DEA方法CCR模型是DEA的一个经典模型，下面首先简要介绍其原理。
　　 设有n个同类型的企业（决策单元），对于每个企业都有m种类型的“输入”（表示该单元对“资源”的消耗）以及s种类型的“输出”（表示该单元在消耗了“资源”之后的产出）。和分别表示第j（j=1,2,…n）个决策单元的输入量和输出量；和分别为m种输入和s种输出对应的权向量，且使得决策单元j（，）的效率评价指数。
　　 效率评价指数的含义为：在权系数之下，投入为，产出为时的产出、投入之比。
　　 以j0（）决策单元的相对效率评价指数为目标，以所有决策单元的效率评价指数（包括）为约束条件，构成如下分式规划：
　　 （3-1）
　　 使用Chames-Cooper变换可将分式规划化为一个等价的线性规划形式。 应用线性规划的对偶理论，我们可以通过对偶规划来判断的有效性。分析DEA模型可以看出：DEA模型的求解完全依赖于输入输出指标的实际数据，但不能反映决策者对各指标的偏好程度。
　　 3.3 基于AHP法和DEA法评估步骤
　　 本文将AHP和DEA法综合应用，引入到城市中压电网供电模式评估这个层次性多元分析评价中来，利用AHP法来确定准则层指标权重，然后用DEA法进行指标层各种供电模式评价指标值权重的计算，通过进行最优效率指数的归一化，最终得到供电方式的最优选择。具体步骤如下所示：
　　 步骤1：构造评估指标层次结构，并计算每种方案的各个评价指标的数值。
　　 步骤2：构造准则的判断矩阵，利用层次分析法，通过Matlab 编程计算准则三个元素―技术性、经济性和适应性的权重。
　　 步骤3：按照准则层对评价指标分为技术性、经济性和适应性三组，分别选择每个组的输入输出指标。
　　 步骤4：按照分组，分别进行不同供电方案的各组元素的最优效率指数的计算。
　　 步骤5：利用下面公式（3-2）进行最优效率指数的归一化计算，确定各个方案综合最优效率指数。
　　（3-2）
　　 、、是利用AHP 法确定的准则层的权重，、、是利用DEA法计算出每个分组中各个方案的最有效率指数。
　　4算例分析
　　 本章以“某科技园区中压电网供电方案设计”为例，计算6个供电模式的的9个评价指标，通过经典DEA模型和本文提出的与AHP相结合的DEA模型的计算结果比较分析，来验证本文提出的中压配电网供电模式综合评价的方法在多指标多方案决策问题上的优越性。
　　 4.1评价指标的计算
　　表4-1 评价指标计算结果列表
　　方案名称 ASAI
　　（%） ΔU% LR CL
　　双环网 99.9969 0.93 0.82 2.61
　　开闭站
　　（三电源） 99.9936 1.35 1.28 3.98
　　开闭站
　　（两电源） 99.9939 0.96 0.91 5.06
　　“N-1”
　　主备 99.9847 1.21 1.18 13.05
　　双辐射 99.9904 0.65 0.63 9.01
　　架空分段
　　联络 99.9832 0.80 0.80 15.71
　　
　　方案名称 CA UDC MD AD LD
　　双环网 1022.01 7 5 7 2
　　开闭站
　　（三电源） 1036.62 8 2 2 2
　　开闭站
　　（两电源） 1237.70 6 2 2 2
　　“N-1”
　　主备 947.15 6 4 5 6
　　双辐射 863.09 6 3 2 3
　　架空分段
　　联络 482.22 1 5 6 3
　　 4.2 准则层权重指标计算
　　 利用AHP法，通过Matlab 编程计算准则三个元素―技术性、经济性和适应性的权重，如下表所示：
　　表4-2 准则层判断矩阵及权重
　　 技术性 经济性 适应性
　　技术性 1 1.5 1.2
　　经济性 0.667 1 0.800
　　适应性 0.833 1.250 1
　　单层权重 0.400 0.267 0.333
　　lmax=3.0055 CI=0.0000 RI=0.58 CR=0.0000
　　 4.3 利用DEP法计算最优效率指数
　　 按照准则层对评价指标分为技术性、经济性和适应性三组，分别选择每个组的输入输出指标。最后进行最优效率指数的归一化，确定各个方案综合最优效率指数，结果见表
　　表4-3CCR模型评价指标分组情况
　　评价目的 输入指标 输出指标
　　技术性 ΔU%，LR ，CL ASAI
　　经济性 CL，CA ASAI
　　适应性 MD，AD，LD UDC
　　表4-4 基于AHP和DEA的综合评价结果
　　序号 方案名称 综合得分 排序
　　1 双环网 0.238 1
　　2 开闭站（三电源） 0.189 2
　　3 开闭站（两电源） 0.154 4
　　4 “N-1”主备 0.101 6
　　5 双辐射 0.186 3
　　6 架空分段联络 0.132 5
　　 4.4 结果分析
　　 由表4-3 分组最优指数计算结果可知，双环网供电模式的技术性指标的最优效率指数排名第一，经济性和适应性指标的最优效率指数均排名第二，由表4-4可知，技术性指标权重较大，所以双环网供电模式的综合最优效率指数排名第一。所以推荐双环网供电模式作为本次科技园中压电网供电方案设计方案。
　　5.结论
　　 实例分析表明，AHP和DEA综合评价方法对于多指标综合评价和多目标决策中，能充分发挥各自优势，兼顾考虑主观因素和客观因素，缩小主观认识和客观实际的差距，将使评价方法更完善，评价结果更科学。
　　 参考文献
　　[1]牛辉,程浩忠,张焰,等.电网扩展规划的可靠性和经济性研究综述,电力系统自动化,2000 ,24(1): 51~56.
　　[2]杜栋，庞庆华.现代综合评价方法与案例精选[M].北京:清华大学出版社，2005.
　　[3]肖峻，王成山，周敏.基于区间层次分析法的城市电网规划综合评价决策[J].中国电机工程学报,2004,24(4):51~56.
　　[4] 王莲芬，许树柏.层次分析法[M]，北京：中国人民大学出版社，1990.
　　[5] 岳超源.决策理论与方法[M]，北京：科技出版社，2003.
　　[6]魏权龄.数据包络分析[M].北京:科学出版社，2006.
　　注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。

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