劉瑾，馮瑛敏，章輝，馮亮，孫瑞雪，王麗珠

(1.國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，天津市 300171；2.南開大學電子信息與光學工程學院，天津市 300071)

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基于熵值分析和層次分析法的智能電網(wǎng)電力終端接入網(wǎng)綜合效益評價

劉瑾1，馮瑛敏1，章輝2，馮亮2，孫瑞雪2，王麗珠2

(1.國網(wǎng)天津市電力公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，天津市 300171；2.南開大學電子信息與光學工程學院，天津市 300071)

針對目前智能電網(wǎng)電力終端通信接入網(wǎng)建設(shè)中技術(shù)經(jīng)濟評價體系不完善的現(xiàn)狀，從電力終端通信接入網(wǎng)建設(shè)成本、效益和費效比3個方面提出了電力終端通信接入網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟性評價指標集，借助目標評估中的層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)與熵值分析法，確定了評價指標集中的各指標權(quán)重，從而構(gòu)建了完整的電力終端通信接入網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟性評價體系。

電力終端接入網(wǎng)；經(jīng)濟性評價指標；層次分析法(AHP)；熵值分析

0 引 言

電力終端通信接入網(wǎng)是智能電網(wǎng)的重要組成部分，目前主要包含10 kV/0.4 kV通信接入網(wǎng)2部分，以EPON為代表的光纖通信占據(jù)著重要份額，此外還含有部分中壓電力線載波和無線通信方式[1]。在未來的智能電網(wǎng)中，多種不同類型的通信傳輸技術(shù)將會共同出現(xiàn)在同一系統(tǒng)中。以智能測量系統(tǒng)為例，測量端和用戶終端接口之間采用藍牙、超寬帶(ultra wideband, UWB)等傳輸技術(shù)，測量端和本地局域網(wǎng)接口之間采用IEEE 802.15.4(Zigbee)、IEEE 802.11(Wi-Fi)等傳輸技術(shù)。測量端和中央控制系統(tǒng)接口之間則采用蜂窩無線通信技術(shù)，如GPRS、通用移動通信系統(tǒng)(universal mobile telecommunications system，UMTS)、長期演進(long term evolution，LTE)等[2-3]。在不同類型通信技術(shù)的組網(wǎng)過程中，如何控制成本提高效益已成為決策中的關(guān)鍵問題[4]。

現(xiàn)行的電力終端通信接入網(wǎng)經(jīng)濟性評估通常沿用單一工程評估方法，不足之處表現(xiàn)為缺乏技術(shù)經(jīng)濟的全面統(tǒng)籌規(guī)劃，或單純從通信性能指標的技術(shù)角度論證，或單純從投資效益回報的經(jīng)濟角度評估[5-7]。未來的智能電網(wǎng)對電力終端通信接入網(wǎng)的建設(shè)、組網(wǎng)和維護提出了新的挑戰(zhàn)，需要一套客觀有效的技術(shù)經(jīng)濟評價體系，以利于及時對網(wǎng)絡(luò)狀況進行實時跟蹤、評估和反饋。

本文從智能電網(wǎng)中的電力終端接入網(wǎng)著手，結(jié)合組網(wǎng)實際成本，將其各類技術(shù)經(jīng)濟指標抽象成一類極值優(yōu)化問題加以分析，以成本、效益和費效比3方面的參量建立電力終端通信接入網(wǎng)經(jīng)濟性評價模型，提出聯(lián)合AHP與熵值分析劃分評價模型中指標權(quán)重的方法，綜合分析光纖覆蓋率、通信電路運行率、通信設(shè)備運行率、光纜線路運行率和通信業(yè)務(wù)保障率等技術(shù)經(jīng)濟評價指標，計算得到合理的經(jīng)濟評價參量,從而構(gòu)建完整的電力終端通信接入網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟性評價體系。

1 技術(shù)經(jīng)濟指標模型

為優(yōu)選電力終端通信接入網(wǎng)建設(shè)方案，選取技術(shù)經(jīng)濟評價參數(shù)至關(guān)重要。技術(shù)經(jīng)濟指標參數(shù)的合理性直接影響評價結(jié)果的準確性和有效性，其選取過程應(yīng)遵循全面性、客觀性、典型性、可獲取性等原則，力求完整準確。考慮到電力終端通信接入網(wǎng)組網(wǎng)建設(shè)特點，提出如圖1所示的電力終端通信接入網(wǎng)技術(shù)經(jīng)濟指標模型，劃分為成本、效益、費效比3類指標。

圖1 技術(shù)經(jīng)濟性評價指標體系Fig.1 Technical and economic evaluation index system

(1)成本指標：依據(jù)資產(chǎn)全壽命周期成本(life cycle cost, LCC)模型，成本可以由式(1)概括

LCC=CI+CO+CM+CF+CD

(1)

式中：CI為投資成本，包括設(shè)備購置費、安裝調(diào)試費、建筑工程費和其他費用；CO為運行成本，包括設(shè)備能耗費、日常巡視檢查費等；CM為維護成本，即在全壽命周期內(nèi)，按照檢修要求定期更換零部件等備件的費用，以及搶修、維護、實驗、巡查等人工費、交通費等；CF為故障成本，包括故障檢修所產(chǎn)生的材料費，因故障引起的設(shè)備性能及壽命損失費及可能引起的間接損失費等；CD為廢置處理成本，包括廢置處理時的人工、設(shè)備費用及運輸費和廢置處理時的環(huán)保費，并減去設(shè)備廢置時的殘值。依據(jù)以上，將成本指標劃分為投入成本比、運行成本比、維護成本比、故障成本比和廢置成本比這5個子指標來衡量在投入、運行、維護、故障以及廢置5個方面實際耗費的成本與預估成本上限之間的關(guān)系。通常情況下，其比值均介于0至1之間。

(2)效益指標：電力終端通信接入網(wǎng)為智能電網(wǎng)提供可靠的傳輸鏈路支撐，有助于提升電網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量。其中，電力通信網(wǎng)的經(jīng)濟效益與光纖覆蓋率、通信電路運行率、通信設(shè)備運行率、光纜線路運行率、通信業(yè)務(wù)保障率等技術(shù)指標密切相關(guān)。因此，將經(jīng)濟性評價指標體系中的效益指標分為光纖覆蓋率、通信電路運行率、通信設(shè)備運行率、光纜線路運行率、通信業(yè)務(wù)保障率等5類子指標。

(3)費效比指標：接入網(wǎng)建設(shè)項目實施前后電網(wǎng)的靜態(tài)投資變化與因電網(wǎng)系統(tǒng)服務(wù)質(zhì)量提升而帶來效益估值的比值。

2 指標權(quán)重劃分

技術(shù)經(jīng)濟評價體系應(yīng)具有全面有效的評價能力。在實際應(yīng)用中，多指標、多方案的評價問題需要綜合評估的指標有多項。由于評價通常處于諸多因素未知的條件，這要求對未知因素進行科學的預測和評判，將客觀數(shù)據(jù)與主觀經(jīng)驗相結(jié)合，從而得出精確的結(jié)果。目前，層次分析是使用較廣泛的綜合決策方法，但其準則層的權(quán)重僅由主觀權(quán)重決定，局限性較大，考慮到方案具體數(shù)據(jù)的影響，在權(quán)重的確定中通過熵值分析法引入客觀權(quán)重，運用AHP與熵值分析相結(jié)合的方法，綜合考慮主客觀因素的影響，得出評價體系中各指標的權(quán)重[8-9]。

2.1 AHP指標權(quán)重

AHP是一種定量與定性相結(jié)合的多目標決策分析方法，其核心思想是通過分析復雜系統(tǒng)的要素及相互關(guān)系，將系統(tǒng)簡化為有序的遞階層次，使各要素歸并為不同的層，在每一層按上一層的準則，對該層要素進行兩兩比較，建立判斷矩陣，進而計算判斷矩陣的最大特征根及對應(yīng)的正交特征向量，得出該層要素對于該準則的權(quán)重，最后運算出多層要素對于總體目標的組合權(quán)重。依此下去，得出不同方案或評價對象的權(quán)值，為決策和評選提供依據(jù)。

AHP中指標層次可劃分為目標層、準則層和方案層。目標層是最高層，即系統(tǒng)所要達到的總目標，如有多類分目標，可在其下再建不同類子目標層；準則層是中間層，表示實現(xiàn)預定總目標所要采取的各項準則；方案層是最底層，表示要選用的解決問題的各種方案、措施等。據(jù)此，可劃分電力終端通信接入網(wǎng)經(jīng)濟性評價體系的對應(yīng)層次，如圖2所示。

圖2 技術(shù)經(jīng)濟性評價指標AHP劃分Fig.2 AHP division of technical and economic evaluation index

利用層次分析法中的1～9標度法，采用專家判斷，對準則層和方案層中需要進行權(quán)重劃分的子集構(gòu)建對應(yīng)判斷矩陣JB、JC1、JC2:

根據(jù)AHP的一致性檢驗表達式：

當CR<0.10時，判斷矩陣具有較好的一致性。否則調(diào)整矩陣大小，使其滿足CR<0.10，直到具備較好的一致性。n=1～9時RI值見表1。

表1n=1～9時RI值

Table 1RIvalues whenn=1～9

對判斷矩陣JB、JC1、JC2分別進行一致性判斷，均滿足一致性要求，可得各層次的指標權(quán)重如下：B1=0.33，B2=0.44，B3=0.23，C1=C2=C3=C5=0.22，C4=0.12，C6=0.12，C7=0.25，C8=0.13，C9=0.13，C10=0.37。

2.2 熵值分析確定客觀權(quán)重

(2)

(1)各指標數(shù)據(jù)標準化。

由于各指標的量綱和類型不同，難以進行直接比較，需對決策矩陣X=YxijYm×n進行標準化處理。

數(shù)值越大越好的正向指標：

(3)

數(shù)值越小越好的逆向指標：

(4)

固定指標：

(5)

區(qū)間型指標：

(6)

(2)計算第j個指標的熵。

(7)

(8)

據(jù)熵的定義及性質(zhì)，e(yj)值越小，指標j的相對重要度就越大。

(3)確定第j個指標的評價權(quán)值。

為進行綜合評價，由e(yj)確定的評價指標j的評價權(quán)值為

(9)

在對技術(shù)經(jīng)濟體系進行評價時，有2套方案，各指標值如表2所示。

表2 技術(shù)經(jīng)濟評價方案比較案例

Table 2 Comparison of technical and economic

evaluation schemes

則標準化決策矩陣為

由此，根據(jù)式(8)可得

同理，e(y2)=0.428 86，e(y3)=0.483 29，e(y4)=0.429 12，e(y5)=0.430 12，e(y6)=0.430 58，e(y7)=0.430 70，e(y8)=0.430 70，e(y9)=0.430 70，e(y10)=0.430 70。

根據(jù)式(9)可得方案層各客觀指標權(quán)重分別為

同理，γ2=0.20，γ3=0.19，γ4=0.20，γ5=0.20，γ6=γ7=γ8=γ9=γ10=0.20。

2.3 方案層指標權(quán)重修正

結(jié)合AHP和熵值分析對方案層指標權(quán)重進行修正，如式(10)：

(10)

于是有

w1=(C1×γ1)/(C1×γ1+C2×γ2+C3×γ3+C4×γ4+C5×γ5)=(0.22×0.21)/(0.22×0.21+0.22×0.20+0.22×0.19+0.12×0.20+0.22×0.20)=0.23

同理，w2=0.22，w3=0.21，w4=0.12，w5=0.22，w6=0.12，w7=0.25，w8=0.13，w9=0.13，w10=0.37。最終，可得電力終端通信接入網(wǎng)經(jīng)濟型評價體系權(quán)重因子，如圖3所示。

圖3 技術(shù)經(jīng)濟性評價指標權(quán)重因子Fig.3 Weight factor of technical and economic evaluation index

3 結(jié) 論

本文提出了集成本指標、效益指標和費效比指標于一體的電力終端通信接入網(wǎng)經(jīng)濟性評價指標體系，利用AHP與熵值分析相結(jié)合的方法分析得出評價體系中各指標的權(quán)重因子，為電力終端通信接入網(wǎng)建設(shè)項目提供了衡量標準和參考依據(jù)。隨著未來智能電網(wǎng)三網(wǎng)融合建設(shè)中不同項目需求的變化，各技術(shù)評價指標亦可不斷更新，以更有效地對項目技術(shù)經(jīng)濟特性進行評估。

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(編輯:劉文瑩)

Comprehensive Benefit Evaluation for Power Terminal Access Network in Smart Grid Based on Analytic Hierarchy Process and Entropy Analysis

LIU Jin1, FENG Yingmin1, ZHANG Hui2, FENG Liang2, SUN Ruixue2, WANG Lizhu2

(1. State Grid Tianjin Electric Power Economic Research Institute, Tianjin 300171, China;2. College of Electronic Information and Optical Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China)

Since to the situation that the technical and economic evaluation system in the power terminal access network construction for smart grid was imperfect, this paper proposes the index set of technical and economic evaluation for power terminal access network from three aspects: cost of construction, benefit and cost-benefit ratio. By means of analytic hierarchy process (AHP) and entropy analysis in object assessment, each index weight in evaluation index set was determined. Then, the complete technical and economic evaluation system was constructed for power terminal access networks.

power terminal access network; economic evaluation index; analytic hierarchy process (AHP); entropy analysis

天津市電力公司科技項目(KJ141-59)， 國家自然科學基金項目(61101084)。

TM 73

A

1000-7229(2015)05-0136-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.022

2014-11-06

2015-01-29

劉瑾(1982)，女，工程師，從事電力通信工作；

馮瑛敏(1981)，女，高級工程師，從事電力通信工作；

章輝(1982)，男，博士，主要研究方向為新一代無線通信系統(tǒng)；

馮亮(1981)，男，碩士研究生，主要研究方向為多層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)和移動應(yīng)用開發(fā)；

孫瑞雪(1988)，女，碩士研究生，主要研究方向為多層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)和移動應(yīng)用開發(fā)；

王麗珠(1989)，女，碩士研究生，主要研究方向為多層異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)和移動應(yīng)用開發(fā)。

Project Supported by National Science Foundation of China(61101084).