孫增友，張 洋

(東北電力大學(xué) 信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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基于改進(jìn)綜合賦權(quán)的電力通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)確定方法

孫增友，張 洋

(東北電力大學(xué) 信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

為了適應(yīng)智能電網(wǎng)的全面發(fā)展與普及，對(duì)電力通信網(wǎng)存在的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)就顯得尤為重要，而在整個(gè)評(píng)價(jià)體系中，風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重將直接影響著評(píng)價(jià)結(jié)果。通常風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重的確定采取主客觀權(quán)重相加或相乘的組合形式，這種形式會(huì)使最終結(jié)果不符合實(shí)際。提出了一種改進(jìn)的綜合賦權(quán)法，利用博弈論思想將熵權(quán)法和層次分析法得到的方案層指標(biāo)權(quán)重組合起來，再利用層次分析法思想中上層指標(biāo)對(duì)下層指標(biāo)的指導(dǎo)作用，將兩種方法的求權(quán)過程合理的綜合起來，得到最終的權(quán)重結(jié)果。經(jīng)仿真分析，該方法改進(jìn)了傳統(tǒng)配用電通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中在權(quán)重確定方面的不合理性，使得權(quán)重賦值的結(jié)果更符合實(shí)際。

配用電通信網(wǎng)；層次分析法；熵權(quán)法；博弈論；權(quán)重

隨著智能電網(wǎng)概念的提出與發(fā)展，電力系統(tǒng)對(duì)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(yuǎn)距離配電自動(dòng)化設(shè)備的監(jiān)測(cè)與控制，都依賴于電力通信網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)。作為電力通信網(wǎng)中承載業(yè)務(wù)最多、通信方式最復(fù)雜的配用電通信[1]部分則成為促進(jìn)電網(wǎng)智能化發(fā)展的關(guān)鍵因素，因此要對(duì)配用電通信網(wǎng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[2]，評(píng)價(jià)結(jié)果精確的前提是對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重進(jìn)行科學(xué)的賦值，也就是將風(fēng)險(xiǎn)因素的重要程度有效的量化。

目前，大量的文獻(xiàn)對(duì)電力通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)賦權(quán)的方法進(jìn)行研究，概括為以下三類，包括客觀的熵權(quán)法和離差法、主觀的層次分析法[3，4]以及主客觀結(jié)合的方式[5，6]。這種主客觀結(jié)合的方式固然有其合理性，可以有效地修正專家的經(jīng)驗(yàn)臆斷和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的突變帶來的誤差[7]，但由于其只是對(duì)主客觀兩種賦權(quán)結(jié)果的簡單組合，當(dāng)出現(xiàn)兩種方法求得的權(quán)重差異較大時(shí)，這種方法求得的權(quán)重會(huì)更偏向其中一種方法的權(quán)值，致使結(jié)果失調(diào)，不能正確地體現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)因素的實(shí)際重要程度。本文在通常主客觀結(jié)合方法的基礎(chǔ)上，將兩種方法的求權(quán)過程有機(jī)的結(jié)合起來，利用博弈論的納什均衡思想優(yōu)化權(quán)值系數(shù)[8]。經(jīng)實(shí)例仿真表明，此方法確定配用電通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)值的方法更符合實(shí)際、具有合理性。

1 權(quán)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(fēng)險(xiǎn)因素分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層，根據(jù)專家的意見進(jìn)行排序，由排序結(jié)果賦予權(quán)值的方法。

(1)構(gòu)造判斷矩陣

對(duì)配用電通信網(wǎng)及各風(fēng)險(xiǎn)因素之間的關(guān)系進(jìn)行分析，對(duì)于方案層指標(biāo)(Ii)，根據(jù)所屬的準(zhǔn)則層(Vi)為基準(zhǔn)進(jìn)行兩兩比較，用1-9標(biāo)度法構(gòu)造判斷矩陣A。

(1)

式中：aij為同一指標(biāo)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(qǐng)10位專家對(duì)指標(biāo)進(jìn)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(duì)于對(duì)應(yīng)Vi的重要程度。

表1 比例標(biāo)度aij取值

(2)一致性檢驗(yàn)

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

(2)

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

1.2 熵權(quán)法

熵權(quán)法(EWM，Entropy Weight Method)在配用電通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程中，從風(fēng)險(xiǎn)因素的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)出發(fā)，利用標(biāo)準(zhǔn)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(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重。

1.2.1 數(shù)據(jù)處理

由統(tǒng)計(jì)獲得各月設(shè)備、氣象等風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的數(shù)據(jù)，由于其單位不同會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)之間的數(shù)值差異較大，這就加大了權(quán)重賦值的誤差。為了增加風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的精度，采用公式(3)對(duì)處理數(shù)據(jù)：

(3)

其中：i為風(fēng)險(xiǎn)因素；j為獲得數(shù)據(jù)的月份。

1.2.2 確定熵權(quán)

設(shè)獲得了m個(gè)月份的數(shù)據(jù)，n個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，利用歸一化后的數(shù)據(jù)計(jì)算權(quán)重。

(1)計(jì)算每個(gè)月風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)i在對(duì)應(yīng)所有月份中所占的比率：

(4)

其中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，m。

(2)計(jì)算第i個(gè)指標(biāo)的熵值：

(5)

其中：k=1/lnm；i=1，2，…，n。

(3)第i個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)為：

(6)

其中：i=1，2，…，n。

1.3 基于改進(jìn)綜合賦權(quán)的權(quán)重確定方法

層次分析法充分利用了專家的經(jīng)驗(yàn)以及決策者的意向和偏好，指標(biāo)權(quán)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(quán)的主觀隨意性，而且在賦權(quán)過程中只考慮了準(zhǔn)則層因素對(duì)下層因素的影響，沒有考慮到同層因素之間的相互關(guān)聯(lián)。熵權(quán)法充分利用了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)系統(tǒng)的影響，在綜合評(píng)價(jià)中結(jié)果比較客觀，該方法已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于權(quán)重賦值中。但由于其方法完全依賴于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，當(dāng)數(shù)據(jù)較為特殊時(shí)，得到的權(quán)重可能與實(shí)際情況不符。綜合考慮以上兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，通常把層次分析法和熵權(quán)法得到的結(jié)果通過簡單的相乘或加權(quán)平均結(jié)合起來，這種方法雖然考慮了主客觀權(quán)重的影響，但當(dāng)兩種方法求取的權(quán)重相差較大時(shí)，會(huì)使組合權(quán)重失調(diào)。

文章提出改進(jìn)的綜合賦權(quán)法，在充分考慮上層因素對(duì)下層因素決定性作用的基礎(chǔ)上，將層次分析法和熵權(quán)法的求權(quán)過程結(jié)合起來，從而得到更加客觀合理的權(quán)重。在結(jié)合過程中引入博弈論進(jìn)行權(quán)重集優(yōu)化，博弈論思想主要研究的是具有競(jìng)爭(zhēng)性質(zhì)的多個(gè)因素，以納什均衡作為協(xié)調(diào)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)各種評(píng)價(jià)方法協(xié)調(diào)一致的有利決策，這種方法可以有效地結(jié)合不同賦權(quán)法的優(yōu)勢(shì)來減小權(quán)重間偏差。綜合賦權(quán)法的實(shí)現(xiàn)過程如下：

(1)設(shè)有n個(gè)準(zhǔn)則層因素，對(duì)應(yīng)有m個(gè)方案層因素。

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

(3)使用兩種方法對(duì)方案層指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)得到權(quán)重向量B1和B2，則兩個(gè)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(quán)值系數(shù)。為了得到較為合理的組合權(quán)值，利用博弈論集結(jié)模型對(duì)a1與a2進(jìn)行優(yōu)化，目的是極小化組合權(quán)重p與主客觀兩種方法求得的權(quán)重向量B1和B2的離差，即對(duì)策模型為

(8)

式(8)的最優(yōu)化導(dǎo)數(shù)條件可以轉(zhuǎn)化為

(9)

式(9)轉(zhuǎn)化為下面的矩陣形式

(10)

運(yùn)用MATLAB計(jì)算出a1和a2，從而得到組合權(quán)重P。

(4)將每一個(gè)準(zhǔn)則層指標(biāo)對(duì)應(yīng)的方案層指標(biāo)劃為一組，每組的方案層指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，準(zhǔn)則層的主觀權(quán)重A與對(duì)應(yīng)的方案層權(quán)重P相結(jié)合，得到最終的綜合權(quán)重為T={τ1，τ2，…，τm}。該方法既考慮到最優(yōu)的組合權(quán)重問題，又考慮到上層因素對(duì)下層因素的指導(dǎo)作用。

2 實(shí)例仿真

2.1 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)

智能配用電通信網(wǎng)是指電網(wǎng)用戶側(cè)的部分，其組網(wǎng)方式和承載業(yè)務(wù)多樣化，存在有線和無線共存的特點(diǎn)。根據(jù)已建立配用電通信網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系[11]和收集到的分析數(shù)據(jù)，所采用的指標(biāo)體系如表2所示。

表2 指標(biāo)體系

各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的數(shù)據(jù)由某電力通信網(wǎng)十二個(gè)月的運(yùn)行狀態(tài)和氣象情況獲得[12]。由于各評(píng)價(jià)指標(biāo)的單位、量綱不同將會(huì)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果造成影響，因此按照公式(3)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)

2.2 計(jì)算綜合權(quán)重

在MATLAB7.0軟件中進(jìn)行計(jì)算，應(yīng)用層次分析法，依據(jù)公式(1)和公式(2)計(jì)算出準(zhǔn)則層和方案層的指標(biāo)權(quán)重，判斷矩陣根據(jù)專家排序得到，應(yīng)用熵權(quán)法，根據(jù)公式(4)、公式(5)、公式(6)計(jì)算出方案層權(quán)重，計(jì)算結(jié)果由表4給出。

表4 AHP及熵權(quán)法權(quán)重

表4(續(xù))

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

表5 AHP-熵權(quán)法及改進(jìn)的綜合賦權(quán)法權(quán)重

圖1 四種賦權(quán)法的權(quán)重

2.3 仿真數(shù)據(jù)分析

圖1為四種賦權(quán)法的權(quán)重分布圖。從圖中可以看出，層次分析法(AHP)的權(quán)重波動(dòng)較大，這是由于此種方法著重強(qiáng)調(diào)了主要風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的重要程度，而忽略了一些相對(duì)次要的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，因而將直接影響風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性；熵權(quán)法(EWM)的權(quán)重波動(dòng)較小，這是由于某一階段實(shí)測(cè)樣本數(shù)據(jù)的差別過小，使得權(quán)重差距變小，這也將造成風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際不符；傳統(tǒng)的熵權(quán)層次法(EW-AHP)中，某點(diǎn)權(quán)重值過大，其它點(diǎn)位的權(quán)重值過小，這是由于將兩種方法得到的權(quán)重值結(jié)果相乘歸一化后，加大了層次分析法的權(quán)重差距；改進(jìn)的綜合賦權(quán)法(ICW)在強(qiáng)調(diào)了通信設(shè)備故障等因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)主要影響的同時(shí)，兼顧實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)等帶來的影響，考慮了風(fēng)險(xiǎn)實(shí)際發(fā)生的可能性，綜合考慮了主客觀權(quán)重的影響，避免了EW-AHP法中簡單結(jié)合導(dǎo)致的權(quán)重失衡問題，從而進(jìn)行綜合賦權(quán)。

3 結(jié)束語

智能配用電通信網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)一直以來都是智能電網(wǎng)研究的熱點(diǎn)問題，而權(quán)重賦值的合理性將直接影響評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。文章在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的綜合賦權(quán)法來確定配用電通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重。該方法在考慮主客觀權(quán)重的同時(shí)，將兩種方法的中間過程相結(jié)合，并引入博弈論的思想來確定最優(yōu)權(quán)值系數(shù)，充分利用了準(zhǔn)則層風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)對(duì)方案層指標(biāo)的指導(dǎo)作用和實(shí)測(cè)樣本數(shù)據(jù)的客觀性。通過實(shí)例仿真，進(jìn)一步證明了該方法對(duì)配用電通信網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重賦值的科學(xué)合理性和可操作性，對(duì)電力通信網(wǎng)的安全穩(wěn)定分析具有一定的參考價(jià)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(jí)實(shí)驗(yàn)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)