孫增友，張 洋

(東北電力大學 信息工程學院，吉林 吉林 132012)

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基于改進綜合賦權的電力通信網(wǎng)風險指標確定方法

孫增友，張 洋

(東北電力大學 信息工程學院，吉林 吉林 132012)

為了適應智能電網(wǎng)的全面發(fā)展與普及，對電力通信網(wǎng)存在的風險進行綜合評價就顯得尤為重要，而在整個評價體系中，風險指標的權重將直接影響著評價結果。通常風險指標權重的確定采取主客觀權重相加或相乘的組合形式，這種形式會使最終結果不符合實際。提出了一種改進的綜合賦權法，利用博弈論思想將熵權法和層次分析法得到的方案層指標權重組合起來，再利用層次分析法思想中上層指標對下層指標的指導作用，將兩種方法的求權過程合理的綜合起來，得到最終的權重結果。經(jīng)仿真分析，該方法改進了傳統(tǒng)配用電通信網(wǎng)風險評價中在權重確定方面的不合理性，使得權重賦值的結果更符合實際。

配用電通信網(wǎng)；層次分析法；熵權法；博弈論；權重

隨著智能電網(wǎng)概念的提出與發(fā)展，電力系統(tǒng)對電網(wǎng)信息傳遞和交互的要求也越來越高，從語音、文字、圖像的傳輸?shù)竭h距離配電自動化設備的監(jiān)測與控制，都依賴于電力通信網(wǎng)來實現(xiàn)。作為電力通信網(wǎng)中承載業(yè)務最多、通信方式最復雜的配用電通信[1]部分則成為促進電網(wǎng)智能化發(fā)展的關鍵因素，因此要對配用電通信網(wǎng)的運行風險進行綜合評價[2]，評價結果精確的前提是對風險因素的權重進行科學的賦值，也就是將風險因素的重要程度有效的量化。

目前，大量的文獻對電力通信網(wǎng)風險指標賦權的方法進行研究，概括為以下三類，包括客觀的熵權法和離差法、主觀的層次分析法[3，4]以及主客觀結合的方式[5，6]。這種主客觀結合的方式固然有其合理性，可以有效地修正專家的經(jīng)驗臆斷和實測數(shù)據(jù)的突變帶來的誤差[7]，但由于其只是對主客觀兩種賦權結果的簡單組合，當出現(xiàn)兩種方法求得的權重差異較大時，這種方法求得的權重會更偏向其中一種方法的權值，致使結果失調(diào)，不能正確地體現(xiàn)風險因素的實際重要程度。本文在通常主客觀結合方法的基礎上，將兩種方法的求權過程有機的結合起來，利用博弈論的納什均衡思想優(yōu)化權值系數(shù)[8]。經(jīng)實例仿真表明，此方法確定配用電通信網(wǎng)風險因素權值的方法更符合實際、具有合理性。

1 權值確定方法

1.1 層次分析法

層次分析法(AHP，The Analytic Hierarchy Process)將配用電通信網(wǎng)的風險因素分為目標層、準則層和方案層，根據(jù)專家的意見進行排序，由排序結果賦予權值的方法。

(1)構造判斷矩陣

對配用電通信網(wǎng)及各風險因素之間的關系進行分析，對于方案層指標(Ii)，根據(jù)所屬的準則層(Vi)為基準進行兩兩比較，用1-9標度法構造判斷矩陣A。

(1)

式中：aij為同一指標層中Ii與Ij相比重要程度，具體數(shù)值由表1得出[9]。這里我們請10位專家對指標進行排序，確定判斷矩陣，求出矩陣A的最大特征值λmax及特征向量，從而求得Ii相對于對應Vi的重要程度。

表1 比例標度aij取值

(2)一致性檢驗

層次分析法求取權重的前提是判斷矩陣滿足一致性，否則求取的權重結果將不夠精確甚至違反常識[10]。因此定義隨機一致比：

(2)

其中：RI根據(jù)A的階數(shù)n的變化取相應的值。當CR≤0.1時，則所求權重可用，否則就需要變化A，使之滿足一致性條件。

1.2 熵權法

熵權法(EWM，Entropy Weight Method)在配用電通信網(wǎng)風險評估過程中，從風險因素的實測數(shù)據(jù)出發(fā)，利用標準化后數(shù)據(jù)的變異程度，依據(jù)熵值可以體現(xiàn)信息量大小的原理，從而確定風險指標的權重。

1.2.1 數(shù)據(jù)處理

由統(tǒng)計獲得各月設備、氣象等風險指標的數(shù)據(jù)，由于其單位不同會導致數(shù)據(jù)之間的數(shù)值差異較大，這就加大了權重賦值的誤差。為了增加風險評估的精度，采用公式(3)對處理數(shù)據(jù)：

(3)

其中：i為風險因素；j為獲得數(shù)據(jù)的月份。

1.2.2 確定熵權

設獲得了m個月份的數(shù)據(jù)，n個風險因素，利用歸一化后的數(shù)據(jù)計算權重。

(1)計算每個月風險指標i在對應所有月份中所占的比率：

(4)

其中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

(2)計算第i個指標的熵值：

(5)

其中：k=1/lnm；i=1，2，…，n。

(3)第i個指標的熵權為：

(6)

其中：i=1，2，…，n。

1.3 基于改進綜合賦權的權重確定方法

層次分析法充分利用了專家的經(jīng)驗以及決策者的意向和偏好，指標權重的確定通常具有較高的合理性。但由于其方法過分依賴于專家，無法克服賦權的主觀隨意性，而且在賦權過程中只考慮了準則層因素對下層因素的影響，沒有考慮到同層因素之間的相互關聯(lián)。熵權法充分利用了實測數(shù)據(jù)對系統(tǒng)的影響，在綜合評價中結果比較客觀，該方法已經(jīng)廣泛的應用于權重賦值中。但由于其方法完全依賴于實測數(shù)據(jù)之間的關系，當數(shù)據(jù)較為特殊時，得到的權重可能與實際情況不符。綜合考慮以上兩種方法的優(yōu)缺點，通常把層次分析法和熵權法得到的結果通過簡單的相乘或加權平均結合起來，這種方法雖然考慮了主客觀權重的影響，但當兩種方法求取的權重相差較大時，會使組合權重失調(diào)。

文章提出改進的綜合賦權法，在充分考慮上層因素對下層因素決定性作用的基礎上，將層次分析法和熵權法的求權過程結合起來，從而得到更加客觀合理的權重。在結合過程中引入博弈論進行權重集優(yōu)化，博弈論思想主要研究的是具有競爭性質(zhì)的多個因素，以納什均衡作為協(xié)調(diào)目標，實現(xiàn)各種評價方法協(xié)調(diào)一致的有利決策，這種方法可以有效地結合不同賦權法的優(yōu)勢來減小權重間偏差。綜合賦權法的實現(xiàn)過程如下：

(1)設有n個準則層因素，對應有m個方案層因素。

(2)運用層次分析法分別求得準則層指標權重向量為A={β1，β2，…，βn}，方案層指標權重向量為B1={α1，α2，…，αm}。運用熵權法求得方案層指標權重為B2={γ1，γ2，…，γm}。

(3)使用兩種方法對方案層指標進行賦權得到權重向量B1和B2，則兩個向量的線性組合為

p=a1·B+a2·B2，a1>0，a2>0，a1+a2=1 ，

(7)

式中：a1與a2為權值系數(shù)。為了得到較為合理的組合權值，利用博弈論集結模型對a1與a2進行優(yōu)化，目的是極小化組合權重p與主客觀兩種方法求得的權重向量B1和B2的離差，即對策模型為

(8)

式(8)的最優(yōu)化導數(shù)條件可以轉化為

(9)

式(9)轉化為下面的矩陣形式

(10)

運用MATLAB計算出a1和a2，從而得到組合權重P。

(4)將每一個準則層指標對應的方案層指標劃為一組，每組的方案層指標進行歸一化處理，準則層的主觀權重A與對應的方案層權重P相結合，得到最終的綜合權重為T={τ1，τ2，…，τm}。該方法既考慮到最優(yōu)的組合權重問題，又考慮到上層因素對下層因素的指導作用。

2 實例仿真

2.1 風險指標

智能配用電通信網(wǎng)是指電網(wǎng)用戶側的部分，其組網(wǎng)方式和承載業(yè)務多樣化，存在有線和無線共存的特點。根據(jù)已建立配用電通信網(wǎng)的風險評價指標體系[11]和收集到的分析數(shù)據(jù)，所采用的指標體系如表2所示。

表2 指標體系

各風險指標的數(shù)據(jù)由某電力通信網(wǎng)十二個月的運行狀態(tài)和氣象情況獲得[12]。由于各評價指標的單位、量綱不同將會對評價結果造成影響，因此按照公式(3)對數(shù)據(jù)進行處理，得到標準化后的數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 各風險指標標準化后的數(shù)據(jù)

2.2 計算綜合權重

在MATLAB7.0軟件中進行計算，應用層次分析法，依據(jù)公式(1)和公式(2)計算出準則層和方案層的指標權重，判斷矩陣根據(jù)專家排序得到，應用熵權法，根據(jù)公式(4)、公式(5)、公式(6)計算出方案層權重，計算結果由表4給出。

表4 AHP及熵權法權重

表4(續(xù))

將熵權法和層次分析法得到的結果對應相乘并歸一化，得到考慮主客觀的權重。應用1.3中改進的綜合賦權法求出綜合權重，其中依據(jù)公式(10)由博弈論確定的最優(yōu)權值系數(shù)為a1=0.59、a2=0.41。表5給出了傳統(tǒng)的AHP-熵權權重和改進的綜合權重。

表5 AHP-熵權法及改進的綜合賦權法權重

圖1 四種賦權法的權重

2.3 仿真數(shù)據(jù)分析

圖1為四種賦權法的權重分布圖。從圖中可以看出，層次分析法(AHP)的權重波動較大，這是由于此種方法著重強調(diào)了主要風險指標的重要程度，而忽略了一些相對次要的風險指標，因而將直接影響風險評估結果的準確性；熵權法(EWM)的權重波動較小，這是由于某一階段實測樣本數(shù)據(jù)的差別過小，使得權重差距變小，這也將造成風險評價結果與實際不符；傳統(tǒng)的熵權層次法(EW-AHP)中，某點權重值過大，其它點位的權重值過小，這是由于將兩種方法得到的權重值結果相乘歸一化后，加大了層次分析法的權重差距；改進的綜合賦權法(ICW)在強調(diào)了通信設備故障等因素對風險評價主要影響的同時，兼顧實測氣象數(shù)據(jù)等帶來的影響，考慮了風險實際發(fā)生的可能性，綜合考慮了主客觀權重的影響，避免了EW-AHP法中簡單結合導致的權重失衡問題，從而進行綜合賦權。

3 結束語

智能配用電通信網(wǎng)的風險評價一直以來都是智能電網(wǎng)研究的熱點問題，而權重賦值的合理性將直接影響評價結果的準確性。文章在傳統(tǒng)方法的基礎上，提出了一種改進的綜合賦權法來確定配用電通信網(wǎng)風險指標的權重。該方法在考慮主客觀權重的同時，將兩種方法的中間過程相結合，并引入博弈論的思想來確定最優(yōu)權值系數(shù)，充分利用了準則層風險指標對方案層指標的指導作用和實測樣本數(shù)據(jù)的客觀性。通過實例仿真，進一步證明了該方法對配用電通信網(wǎng)風險指標權重賦值的科學合理性和可操作性，對電力通信網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析具有一定的參考價值。

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A Method for Determining Risk Index of Electric Power Communication Network Based on Improved Comprehensive Weight

Sun Zengyou，Zhang Yang

(School of Information Engineering，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

In order to adapt to the overall development and popularization of smart grid，the comprehensive risk evaluation of power communication network is particularly important.In the whole evaluation system，the weight of risk index will directly affect the evaluation results.Usually，the weight of the risk index is determined by the combination of subjective and objective weight，which can make the final result inconsistent with the actual results.In this paper，an improved comprehensive weighting method is proposed.By using the game theory，the index weights of the schemes obtained by the entropy weight method and the analytic hierarchy process are combined.Then by using the analytic hierarchy process to guide the upper and lower indicators，the process of the two methods is synthesized reasonably to get the final result of the weight.By simulation analysis，the method solves the unrationality of traditional electric communication network risk evaluation in the weight-counting，it makes the weights more in line with the reality.

Electric communication network；Analytic hierarchy process；Entropy weight method；Game theory；Weight.

2017-03-12

孫增友(1963-)，男，正高級實驗師，主要研究方向：無線通信、電力系統(tǒng)通信.

1005-2992(2017)03-0097-06

TN915.853

A

電子郵箱： 805644853@qq.com(孫增友)；1033934614@qq.com(張洋)