配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目評(píng)價(jià)及決策優(yōu)化研究

馬倩，王博，胡蔚，程亮，季時(shí)宇

（1. 江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024；2. 天津大學(xué) 智能電網(wǎng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目在整個(gè)電力行業(yè)中占據(jù)重要地位，它不僅直接關(guān)系著居民正常的生產(chǎn)生活，還影響著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的進(jìn)程，對(duì)整個(gè)社會(huì)持續(xù)、健康、快速發(fā)展有著重要和深遠(yuǎn)的意義。當(dāng)前配電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目投資規(guī)模巨大[1-3]，亟需構(gòu)建一套配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目評(píng)價(jià)體系[4]，實(shí)現(xiàn)科學(xué)安排投資項(xiàng)目，合理把握投資時(shí)序，注重投入產(chǎn)出效益，穩(wěn)步提高電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。

配電網(wǎng)規(guī)模龐大，設(shè)備眾多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)受歷史發(fā)展的影響，針對(duì)配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目相關(guān)內(nèi)容的評(píng)價(jià)工作在供電企業(yè)推廣應(yīng)用的時(shí)間比較短，評(píng)價(jià)體系尚不完善。針對(duì)配電網(wǎng)項(xiàng)目評(píng)價(jià)的研究主要集中在電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目本身的風(fēng)險(xiǎn)、投資、建設(shè)規(guī)模以及經(jīng)濟(jì)評(píng)估等方面[5-9]，建設(shè)與改造項(xiàng)目的整體優(yōu)化問(wèn)題還未得到足夠重視；文獻(xiàn)[10]分析如何調(diào)整實(shí)施戰(zhàn)略使項(xiàng)目投資收益最大，得到了很好的研究論證，卻忽視了對(duì)于項(xiàng)目實(shí)施效果的研究，實(shí)用性不強(qiáng)；此外，大部分的研究均針對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象[11]在某個(gè)時(shí)間階段以及某些條件約束[12]下的狀態(tài)進(jìn)行探討論述，卻忽略了評(píng)價(jià)對(duì)象、評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)價(jià)側(cè)重點(diǎn)可能會(huì)隨著科技水平和經(jīng)濟(jì)狀況的發(fā)展而產(chǎn)生的變化。

本文首先從項(xiàng)目實(shí)施效果和項(xiàng)目施工影響2個(gè)角度對(duì)項(xiàng)目評(píng)價(jià)內(nèi)容展開(kāi)研究，建立配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目評(píng)價(jià)體系，然后建立配電網(wǎng)項(xiàng)目庫(kù)，由項(xiàng)目庫(kù)隨機(jī)生成項(xiàng)目集，以項(xiàng)目集決策值最大為目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)選模型，最后采用遺傳算法求解最優(yōu)項(xiàng)目集合，實(shí)現(xiàn)對(duì)配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目的優(yōu)化決策，為配電網(wǎng)未來(lái)建設(shè)與發(fā)展方向提供參考。

1 配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 指標(biāo)體系構(gòu)建原則與思路

為了客觀反映配電網(wǎng)工程項(xiàng)目的內(nèi)容與影響，指標(biāo)選取應(yīng)遵循全面性、層次性、實(shí)用性、可靠性、獨(dú)立性和開(kāi)放性的原則，使指標(biāo)涵義明確，計(jì)算簡(jiǎn)單，易于比較。

建立配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的過(guò)程中，首先對(duì)項(xiàng)目實(shí)施前后配電網(wǎng)各技術(shù)指標(biāo)的改善效果進(jìn)行分析，以項(xiàng)目實(shí)施前后配電網(wǎng)運(yùn)行特性指標(biāo)的提升效果為指標(biāo)，稱之為項(xiàng)目實(shí)施效果指標(biāo)；然后對(duì)項(xiàng)目特性進(jìn)行獨(dú)立分析，主要包括項(xiàng)目的施工期以及項(xiàng)目施工時(shí)的影響等因素，稱之為項(xiàng)目施工影響指標(biāo)。從以上兩方面可完整評(píng)價(jià)配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目對(duì)于電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)的影響。

1.2 項(xiàng)目實(shí)施效果指標(biāo)

建設(shè)配電網(wǎng)項(xiàng)目的目的是提升配電網(wǎng)的整體性能，改善提高現(xiàn)狀電網(wǎng)的運(yùn)行效果，而配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目的實(shí)施主要解決配電系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、容量協(xié)調(diào)以及設(shè)備配置問(wèn)題。因此，從以上3個(gè)方面分析配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目對(duì)配電網(wǎng)物理架構(gòu)以及運(yùn)行狀態(tài)的影響，從而反映對(duì)配電網(wǎng)項(xiàng)目的實(shí)施效果。

當(dāng)前電網(wǎng)企業(yè)依據(jù)項(xiàng)目的實(shí)施目的和效果不同，把配電網(wǎng)10 kV及以下工程項(xiàng)目分為八類，分別為網(wǎng)架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)工程，解決設(shè)備重載、過(guò)載工程，消除安全隱患工程，滿足新增負(fù)荷需要工程，解決低電壓臺(tái)區(qū)工程，解決“卡脖子”工程，變電站配套送出工程以及改造高損配變工程。分析8類工程項(xiàng)目建設(shè)重點(diǎn)及與配電網(wǎng)主要運(yùn)行特性指標(biāo)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。

配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中對(duì)項(xiàng)目實(shí)施效果的評(píng)價(jià)主要通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施前后配電網(wǎng)運(yùn)行特性指標(biāo)的提升效果來(lái)反映，指標(biāo)的計(jì)算方式為計(jì)算項(xiàng)目建設(shè)前后配電網(wǎng)運(yùn)行特性指標(biāo)值的差值占投資建設(shè)前配電網(wǎng)運(yùn)行特性指標(biāo)值與其理想值之差的百分比，即計(jì)算配電網(wǎng)運(yùn)行特性指標(biāo)的改善程度。

表1 工程項(xiàng)目與配電網(wǎng)主要運(yùn)行特性指標(biāo)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 The correspondence of main characteristics indexes between projects and distribution network

1.3 項(xiàng)目施工影響指標(biāo)

針對(duì)項(xiàng)目本身的評(píng)價(jià)主要從項(xiàng)目的施工影響方面展開(kāi)，這一部分的評(píng)價(jià)方法與之前通過(guò)計(jì)算電網(wǎng)運(yùn)行特性指標(biāo)改善值而間接評(píng)價(jià)項(xiàng)目存在一定差異，項(xiàng)目施工中的影響主要體現(xiàn)在對(duì)配電網(wǎng)可靠性的影響，施工中部分設(shè)備的停用可能導(dǎo)致某些用戶供電間斷，可以選用供電間斷引起的施工停電損失電量作為項(xiàng)目施工影響指標(biāo)。施工停電損失電量主要由電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)負(fù)載水平和項(xiàng)目施工期決定。計(jì)算施工停電損失電量：

式中，ENS為施工停電損失電量；L為施工設(shè)備停用時(shí)的不可轉(zhuǎn)移負(fù)荷；t為不可轉(zhuǎn)移負(fù)荷停電時(shí)間。

1.4 配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

綜合對(duì)項(xiàng)目實(shí)施效果及項(xiàng)目施工影響的分析，配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如表2所示。

表2 配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab. 2 Evaluation index system of distribution network construction and reconstruction project

1.5 指標(biāo)權(quán)重構(gòu)建

指標(biāo)體系中的每個(gè)指標(biāo)對(duì)實(shí)現(xiàn)評(píng)價(jià)目標(biāo)的重要程度各不相同，權(quán)重作為評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)輕重程度的度量，是綜合評(píng)價(jià)的重要信息。德?tīng)柗品ㄓ址Q專家打分法，是一種可充分綜合領(lǐng)域?qū)＜抑R(shí)、信息和經(jīng)驗(yàn)的方法，在系統(tǒng)決策分析領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[13]。本文通過(guò)德?tīng)柗品?，綜合給出各項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重。

本研究開(kāi)展過(guò)程中，以匿名的方式征求專家意見(jiàn)，通過(guò)多次的信息溝通與循環(huán)反饋使所有參與專家的決策意見(jiàn)趨于一致時(shí)，得到配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重結(jié)果如表2所示。

1.6 指標(biāo)判據(jù)確定

項(xiàng)目實(shí)施效果類指標(biāo)的計(jì)算使用差額指標(biāo)計(jì)算方法。差額指標(biāo)計(jì)算方法不論指標(biāo)種類統(tǒng)一反映項(xiàng)目實(shí)施前后指標(biāo)的改善情況占該指標(biāo)全部可改善空間的百分比，所以可以采用統(tǒng)一的評(píng)分方法。首先需根據(jù)相關(guān)專業(yè)技術(shù)導(dǎo)則的規(guī)定，同時(shí)結(jié)合專家的長(zhǎng)期運(yùn)行或工作經(jīng)驗(yàn)，確定反映配電運(yùn)行特性的電網(wǎng)指標(biāo)的理想取值；然后通過(guò)比較項(xiàng)目實(shí)施后該指標(biāo)向理想值或遠(yuǎn)離理想值的改善程度，對(duì)項(xiàng)目實(shí)施效果類指標(biāo)進(jìn)行評(píng)分。本文以百分制為評(píng)分原則，則電網(wǎng)指標(biāo)改善程度和分?jǐn)?shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：改善程度為0時(shí)，對(duì)應(yīng)評(píng)分為0分，改善程度為1時(shí)，對(duì)應(yīng)100分，改善程度與分?jǐn)?shù)成線性關(guān)系。

對(duì)于項(xiàng)目的施工影響評(píng)分方法，電網(wǎng)施工影響程度和分?jǐn)?shù)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為，結(jié)合專家給定不同施工停電損失電量和分值的對(duì)應(yīng)關(guān)系擬合得到評(píng)分函數(shù)。

求取綜合評(píng)分時(shí)，若項(xiàng)目為單一獨(dú)立項(xiàng)目，應(yīng)將具體指標(biāo)得分乘以相應(yīng)權(quán)重后再逐級(jí)求加權(quán)和，該項(xiàng)目評(píng)分則為上述實(shí)施效果指標(biāo)評(píng)分與項(xiàng)目施工影響指標(biāo)評(píng)分的加權(quán)和；若項(xiàng)目由若干個(gè)相關(guān)子項(xiàng)目組成，則應(yīng)考慮所有子項(xiàng)目下每項(xiàng)指標(biāo)的改善值，再應(yīng)用相應(yīng)的計(jì)算方法求得具體指標(biāo)評(píng)分，并加權(quán)求和，即可得到項(xiàng)目實(shí)施效果指標(biāo)評(píng)分；項(xiàng)目施工影響指標(biāo)評(píng)分可用各子項(xiàng)目施工影響指標(biāo)評(píng)分均值表示，則項(xiàng)目評(píng)分即為上述兩者的加權(quán)和。

2 配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目決策優(yōu)化

2.1 基于0/1規(guī)劃的項(xiàng)目?jī)?yōu)化決策方法目標(biāo)函數(shù)

2.1.1 項(xiàng)目集生成及決策值計(jì)算方法

本文按照1.2節(jié)中所述工程項(xiàng)目分類方式，分別構(gòu)建8類配電網(wǎng)建設(shè)和改造項(xiàng)目庫(kù)，然后采用隨機(jī)抽樣的方法從各類項(xiàng)目庫(kù)中隨機(jī)選擇若干個(gè)項(xiàng)目，組合生成一個(gè)項(xiàng)目集，把項(xiàng)目集中的單個(gè)項(xiàng)目定義為該項(xiàng)目集的項(xiàng)目元，單獨(dú)的項(xiàng)目集對(duì)項(xiàng)目元的個(gè)數(shù)和類別沒(méi)有限定。

項(xiàng)目集的優(yōu)化必須有量化指標(biāo)才能進(jìn)行，為此可以定義項(xiàng)目集的決策值，項(xiàng)目集的決策值通過(guò)對(duì)項(xiàng)目集進(jìn)行評(píng)分得到，評(píng)分越高的項(xiàng)目集，決策值越高，被接受的概率就越大[14]。項(xiàng)目集的整體實(shí)施會(huì)對(duì)配電網(wǎng)產(chǎn)生大范圍影響，這一影響是由項(xiàng)目集內(nèi)項(xiàng)目元的單獨(dú)影響疊加產(chǎn)生，利用前面構(gòu)建的評(píng)價(jià)體系可以對(duì)項(xiàng)目集整體進(jìn)行評(píng)價(jià)。若項(xiàng)目集i由3個(gè)項(xiàng)目組成，項(xiàng)目集i的評(píng)分方法如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目集評(píng)分流程Fig. 1 Rating process of project program

2.1.2 基于0/1規(guī)劃的目標(biāo)函數(shù)確定

一般的數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題可描述為：

式中，等式約束和不等式約束可不存在，且均包含多個(gè)表達(dá)式。當(dāng)變量xi只能取數(shù)值0或1時(shí)稱其為0/1規(guī)劃[15]，0表示淘汰該事件；1表示選中該事件。

1）事件互斥。存在g個(gè)互斥事件，如果在這些事件中最多只可以選擇一件，則約束方程可表示為：

2）依存事件。如果存在2個(gè)事件，事件k和事件l，而事件l的發(fā)生必須建立在事件k發(fā)生的情況下，則約束方程可表示為：

如果只需要滿足其中的任何一個(gè)約束，則約束方程可表示為：

式中，M為一個(gè)很大的數(shù)。

本文優(yōu)化的目的是確定一個(gè)項(xiàng)目是采用還是淘汰，所以為了定義優(yōu)化變量，可以定義0-1向量D。

式中，D的維度n為項(xiàng)目庫(kù)中項(xiàng)目的總數(shù)；di為編號(hào)為i的項(xiàng)目的選擇情況，若di為1，表示該項(xiàng)目被選用；若di為0，表示該項(xiàng)目棄用。

基于以上定義，以項(xiàng)目集中所包含項(xiàng)目元的組合為優(yōu)化變量，以項(xiàng)目集的決策值最大為目標(biāo)：

式中，S是項(xiàng)目集的決策值；函數(shù)f即為前文所述項(xiàng)目集決策值計(jì)算方法。

2.2 約束條件

本文考慮配電網(wǎng)項(xiàng)目擬投入總資金和各類項(xiàng)目投資分配比例的限制建立約束條件。

2.2.1 建設(shè)總資金約束

式中，Ti為編號(hào)為項(xiàng)目i的投資額；Tm為項(xiàng)目投資預(yù)算上限。

2.2.2 投資分配比例約束

首先，分析該地區(qū)配電網(wǎng)歷史各項(xiàng)運(yùn)行特性指標(biāo)增長(zhǎng)情況與投資數(shù)額的關(guān)系。其次，結(jié)合該地區(qū)配電網(wǎng)運(yùn)行特性指標(biāo)現(xiàn)狀值設(shè)立合理目標(biāo)值。再次，結(jié)合表1所示的項(xiàng)目類別與配電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算各類項(xiàng)目的單位投資建設(shè)效果（Wλ0）以及出各類項(xiàng)目的目標(biāo)效果（Wλ），計(jì)算出每類項(xiàng)目的投資目標(biāo)值（T′λ），計(jì)算公式如下：

最后，計(jì)算每類項(xiàng)目投資目標(biāo)值之間的比值，即為依項(xiàng)目類別的投資分配比例（δ′λ），計(jì)算公式如下：

綜上，約束條件為：

2.3 模型求解方法

由以上建立的模型可看出，若項(xiàng)目庫(kù)中項(xiàng)目數(shù)量不大，可以直接對(duì)所有可能的項(xiàng)目組合進(jìn)行列舉，對(duì)其進(jìn)行比較選擇，很容易得到最優(yōu)的配電網(wǎng)建設(shè)方案。但是隨項(xiàng)目庫(kù)規(guī)模變大，枚舉的辦法效率變得低下，比較時(shí)間漫長(zhǎng)，計(jì)算過(guò)程拖沓?？紤]優(yōu)化變量的特點(diǎn)——為固定長(zhǎng)度的0-1向量，不用進(jìn)行編碼就符合遺傳算法（GA）的輸入要求，同時(shí)模型的離散性也于GA的特性吻合。上述模型只需要建立適應(yīng)度函數(shù)，確定遺傳算子，確定收斂條件后就可以直接應(yīng)用遺傳算法求解[16]。

GA是一種并行的全局搜索的高效求解問(wèn)題的方法，其本質(zhì)上就是處理離散優(yōu)化搜索問(wèn)題的，它不要求問(wèn)題空間的連續(xù)性，不需要梯度信息，其魯棒性已經(jīng)得到了證實(shí)，在處理大型復(fù)雜優(yōu)化問(wèn)題上已經(jīng)取得了顯著的成績(jī)，所以在解決較大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃的多目標(biāo)綜合優(yōu)化問(wèn)題時(shí)，具有其他方法無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。本文利用遺傳算法求解模型的具體流程如圖2所示。

圖2 遺傳算法的流程圖Fig. 2 Process of genetic algorithm

3 算例分析

某城市投資項(xiàng)目及其對(duì)應(yīng)屬性如表3 所示。其中，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ分別依次代表網(wǎng)架結(jié)構(gòu)加強(qiáng)工程、解決設(shè)備重載、過(guò)載工程、消除安全隱患工程、滿足新增負(fù)荷需要工程、解決低電壓臺(tái)區(qū)工程、解決“卡脖子”工程、變電站配套送出工程以及改造高損配變工程。

已知該城市的項(xiàng)目預(yù)算總額不超過(guò)250 萬(wàn)元。對(duì)該城市配電網(wǎng)現(xiàn)狀分析得到，該城市設(shè)備配置環(huán)節(jié)十分薄弱，中壓配網(wǎng)架空線路絕緣化率低（0.156），配電自動(dòng)化覆蓋率低（0.130），使用時(shí)間超過(guò)10年的中壓線路比例過(guò)高（0.790）。結(jié)合該城市各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)、負(fù)荷和電網(wǎng)規(guī)模的現(xiàn)狀值和目標(biāo)值、單位投資運(yùn)行效果等歷史數(shù)據(jù)及表1所示的項(xiàng)目類別與配電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出每類項(xiàng)目的投資目標(biāo)值，得到項(xiàng)目類別的投資分配比例為：

表3 某城市部分項(xiàng)目?jī)?nèi)容Tab. 3 Content of projects of a certain city

由以上分析可知，將排除項(xiàng)目4、10、13。采用相應(yīng)的評(píng)分方法得出各項(xiàng)目集的得分，根據(jù)遺傳算法求解，得到優(yōu)化集合各項(xiàng)指標(biāo)如表4所示。

表4 最優(yōu)項(xiàng)目集Tab. 4 The best project program

該項(xiàng)目集很好地該善了城市設(shè)配配置問(wèn)題，能很好地達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，遺傳算法求解模型實(shí)用性很強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文提出了基于項(xiàng)目庫(kù)的配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目評(píng)價(jià)體系及決策優(yōu)化方法，科學(xué)的配電網(wǎng)建設(shè)與改造項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，能夠全面反映出配電網(wǎng)的項(xiàng)目投資效果，參考配電網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀求取權(quán)重增強(qiáng)了指標(biāo)體系的嚴(yán)謹(jǐn)性。項(xiàng)目決策優(yōu)化模型，在投資總金額的限制下，選用合理的投資分配比例，追求最大決策值，而非經(jīng)濟(jì)效益，使投資項(xiàng)目具有良好的實(shí)施效果，使配電網(wǎng)有良好的穩(wěn)定性。

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