基于熵權(quán)-云模型的配電網(wǎng)設(shè)備投資策略評(píng)價(jià)方法研究

吳佳靜，于燁，賈博，賈璐，馬國武

（1.寧夏信通網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，寧夏 銀川 750000；2.國網(wǎng)寧夏電力有限公司寧東供電公司，寧夏 靈武 750004）

0 引 言

電力產(chǎn)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平提升的基本支撐和保障，社會(huì)用電需求的擴(kuò)增促進(jìn)了電力企業(yè)投資力度的持續(xù)加大。目前，全國配電網(wǎng)投資規(guī)模不斷擴(kuò)大，但是區(qū)域間經(jīng)濟(jì)發(fā)展不均衡、配電網(wǎng)發(fā)展差異性等原因增加了配電網(wǎng)設(shè)備投資決策復(fù)雜度[1]。單個(gè)配電網(wǎng)設(shè)備投資金額不高，但配電網(wǎng)設(shè)備種類多、數(shù)量多，總體投資規(guī)模大，是電力公司經(jīng)營管理的核心之一。配電網(wǎng)重復(fù)建設(shè)，新增配電網(wǎng)投資運(yùn)營水平待提升，因資產(chǎn)盲目擴(kuò)張可能影響建設(shè)質(zhì)量等問題依舊存在，因此，對配電網(wǎng)精益化投資提出更高的要求，科學(xué)、合理的配電網(wǎng)設(shè)備投資方案有助于實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)集約化和精益化管理，是配電網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展的基礎(chǔ)保證。柴雁欣等[2]研究了基于關(guān)聯(lián)規(guī)則的配電網(wǎng)投資規(guī)劃優(yōu)選模型，分析了不同改造措施對提升配電網(wǎng)可靠性指標(biāo)的積極作用。徐斌等[3]研究了基于配電網(wǎng)評(píng)價(jià)的投資分配方法，構(gòu)建了具有投資指導(dǎo)意義的電網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系?；诂F(xiàn)有研究成果及應(yīng)用需要，提出基于熵權(quán)-云模型的配電網(wǎng)設(shè)備投資策略評(píng)價(jià)方法，利用云模型和熵值法計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，研究經(jīng)濟(jì)效益、技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)等因素對投資策略的影響，為投資策略的制定提供更加客觀、科學(xué)的依據(jù)。

1 基礎(chǔ)理論

1.1 云模型

云滴的聚集構(gòu)成了云，云中的每一個(gè)云滴都代表一個(gè)定性概念在論域空間中的具體實(shí)現(xiàn)，它是不確定的，而云模型能實(shí)現(xiàn)定性概念和定量表示之間不確定性的轉(zhuǎn)換。云模型將人類知識(shí)、事物、概念之間的隨機(jī)性與模糊性客觀反映出來，構(gòu)成定量和定性概念間的相互映射，能有效描述信息的隨機(jī)性和模糊性，為定性評(píng)價(jià)和定量計(jì)算之間建立轉(zhuǎn)化通道。

云模型的數(shù)字特征表示為( )Ex,En,He，可以用它來表征定性概念的基本特征情況。其中，Ex(expected value)表示數(shù)域空間中定性概念值，是云模型的云滴中心；En(entropy)衡量定性概念的模糊度和概率，表征模糊性與隨機(jī)性之間的關(guān)聯(lián)度；He(hyper entropy)衡量En的不確定性，表征數(shù)據(jù)空間中云滴的凝聚度。He可以直接體現(xiàn)云的離散程度和厚度，值越大，則說明云滴離散度越大。在云模型中，定性概念和定量數(shù)值之間的轉(zhuǎn)化是通過云發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的[4]。

式中：μi為云模型i對應(yīng)的確定度，i= 1,2,…,m。

云發(fā)生器用于生成云滴，正向云發(fā)生器(FCG)用于將定性概念轉(zhuǎn)換為定量的數(shù)據(jù)，逆向云發(fā)生器(BCG)用于將定量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為定性的概念[5]。圖1(a)、(b)所示分別展示了正向云發(fā)生器和逆向云發(fā)生器的輸入、輸出值。

圖1 正向云和逆向云發(fā)生器的輸入/輸出值

正向云發(fā)生器輸入(Ex,En,He)，確定需要生成的云滴總數(shù)N；生成一組正態(tài)隨機(jī)數(shù)Eni，其期望為Ex，方差為He2；生成一組正態(tài)隨機(jī)數(shù)xi，其期望值為Ex，方差為En2i；計(jì)算確定度。

逆向云發(fā)生器輸入N個(gè)云滴，表示為x（ii=1，2，…，N）；計(jì)算云滴xi的樣本均值和樣本方差，分別表示為Χˉ和S2，期望值Ex為樣本均值，計(jì)算得出

云距離反映的是不同云朵之間的距離。設(shè)云滴個(gè)數(shù)為n，兩朵云的特征值分別為E1(Ex1,En1,He1)、E2(Ex2,En2,He2)，計(jì)算兩朵云之間的距離d(E1,E2)：

1）由正向云發(fā)生器分別生成云朵E1和E2的n個(gè)云滴，并按照橫坐標(biāo)從小到大的順序?qū)Ω髯陨傻膎個(gè)云滴進(jìn)行排列。

2）按照3σ準(zhǔn)則對生成的云滴進(jìn)行篩選，保留區(qū)間[Ex-3En,Ex+ 3En]上的云滴。

3）設(shè)云朵E1的n個(gè)云滴篩選后個(gè)數(shù)為n1，云朵E2的n個(gè)云滴篩選后個(gè)數(shù)為n2，設(shè)n1≥n2。從n1個(gè)云滴中隨機(jī)選擇n2個(gè)云滴，同時(shí)按照橫坐標(biāo)從小到大進(jìn)行排序，保存在集合drop1和drop2中。

4）按照集合drop1 和drop2 對應(yīng)的次序計(jì)算各云滴(x,μ(x))之間的距離d(E1,E2)，即：

利用云距離表征兩朵云的相似度，云距離越大，則表示相似度越低，反之表征云相似度越高。

1.2 熵權(quán)法評(píng)價(jià)

熵值法[5]是計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的一種客觀賦權(quán)方法，即根據(jù)不同指標(biāo)包含的信息量來確定指標(biāo)權(quán)重。 建 立 一 個(gè) 評(píng) 價(jià) 矩 陣X=(xij)m×n,i=1,2,…,m;j= 1,2,…,n。其中m為待評(píng)價(jià)投資方案的數(shù)量，n表示評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的評(píng)價(jià)指標(biāo)用Pij表示，即：

評(píng)價(jià)指標(biāo)的熵值表示為

當(dāng)Pij=0，令PijlnPij=0，指標(biāo)的權(quán)重wj表示為

2 配電網(wǎng)設(shè)備投資策略綜合評(píng)價(jià)模型

2.1 建立熵權(quán)-云模型評(píng)價(jià)模型

根據(jù)配電網(wǎng)設(shè)備投資綜合評(píng)價(jià)應(yīng)用需求，建立熵權(quán)法與云模型相結(jié)合的綜合評(píng)價(jià)模型。

1）確定評(píng)價(jià)指標(biāo)集U和評(píng)語集V，分別表示為

4）根據(jù)熵權(quán)法，計(jì)算所有評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，形成權(quán)重集合w={ }w1,w2,L,wm，其中m為待評(píng)價(jià)投資方案的數(shù)量。

6）生成評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云和綜合評(píng)價(jià)云，計(jì)算云的相似度，相似度最大的標(biāo)準(zhǔn)云表征的評(píng)價(jià)，就是投資方案的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

2.2 配電網(wǎng)設(shè)備投資策略綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

按照目前配電網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展的規(guī)劃和需求，建立科學(xué)全面的設(shè)備投資策略評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)共四個(gè)層級(jí)，一級(jí)為綜合評(píng)價(jià)結(jié)果值，二級(jí)包含技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)三項(xiàng)，三級(jí)包括電力供應(yīng)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等9 項(xiàng)，四級(jí)包含線損率、電壓合格率等12項(xiàng)[6-9]。

2.3 投資方案綜合評(píng)價(jià)流程

選擇配電網(wǎng)投資方案為研究對象，將其表示為T，根據(jù)上述方案，每個(gè)評(píng)價(jià)方案包含三個(gè)因素集合，即T={T1,T2,T3} 。二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)集合形成準(zhǔn)則層，表示為T1={T11} ，T2={T21,T22,T23,T24} ，T3={T31,T32,T33} 。三級(jí)為詳細(xì)指標(biāo)層，表示為T21={T211,T212} 等。

圖2 配電網(wǎng)設(shè)備投資策略綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

表1 所示為不同方案等級(jí)分類及標(biāo)準(zhǔn)云模型。通過評(píng)價(jià)指標(biāo)的基本云與標(biāo)準(zhǔn)云模型的比較，獲得取值結(jié)果，并確定投資策略的優(yōu)劣等級(jí)。

表1 方案等級(jí)分類及標(biāo)準(zhǔn)云模型

3 實(shí)例分析

3.1 數(shù)據(jù)來源

為了使項(xiàng)目投資更為科學(xué)、有效，優(yōu)先的資金實(shí)現(xiàn)更高的投資精準(zhǔn)度和投資效率，結(jié)合某省電力企業(yè)的情況，共設(shè)計(jì)了自己投資自己運(yùn)維A1、租借方投資自己運(yùn)維A2、租借方投資租借方運(yùn)維三個(gè)配電網(wǎng)設(shè)備投資方案A3。采用上文提出的配電網(wǎng)設(shè)備投資評(píng)價(jià)模型，評(píng)價(jià)不同方案的優(yōu)劣情況。本文選取的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系同時(shí)包含定量指標(biāo)和定性指標(biāo)，針對環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、項(xiàng)目建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)等定性概念，邀請10位專家依次對三種方案進(jìn)行打分，分值在[0,10]之間。利用云模型將專家的定性評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換為定量數(shù)值。

3.2 結(jié)果分析

匯總10位專家對定性指標(biāo)的打分結(jié)果，如表2所示。

表2 專家對定性指標(biāo)打分

利用逆向云發(fā)生器，對上述定性指標(biāo)評(píng)分結(jié)果進(jìn)行云化處理，計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)的Ex、En和He結(jié)果，獲得不同投資策略的基本云數(shù)據(jù)，結(jié)果如表3所示。

表3 不同配電網(wǎng)設(shè)備投資策略中定性指標(biāo)的基本云

針對定量指標(biāo)，經(jīng)過歸一化處理后，參照定性指標(biāo)計(jì)算方法，利用逆向云發(fā)生器計(jì)算不同投資方案下的各個(gè)指標(biāo)基本云。表4所示為不同設(shè)備投資方案下定量指標(biāo)的基本云。

表4 不同設(shè)備投資方案下定量指標(biāo)的基本云

在確定了所有評(píng)價(jià)指標(biāo)基本云的基礎(chǔ)上，利用熵權(quán)法，確定各個(gè)設(shè)備投資評(píng)價(jià)指標(biāo)所占的權(quán)重，一級(jí)準(zhǔn)則層經(jīng)濟(jì)因素、技術(shù)因素、風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重分別為0.61，0.16 和0.23；技術(shù)因素包含的二級(jí)準(zhǔn)則層電力供應(yīng)、電能質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、安全可靠權(quán)重分別為0.33，0.25，0.16 和0.26；風(fēng)險(xiǎn)因素包含的二級(jí)準(zhǔn)則層工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)、市場風(fēng)險(xiǎn)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)的權(quán)重分別為0.23，0.18，0.37，0.22。

參照上述方法，根據(jù)指標(biāo)基本云和權(quán)重計(jì)算結(jié)果，逐層計(jì)算準(zhǔn)則層綜合云，表5所示為一級(jí)準(zhǔn)則層綜合云。

表5 一級(jí)準(zhǔn)則層綜合評(píng)價(jià)云

將表2、表3 得出的指標(biāo)基本云，按照表4 的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，得出配電網(wǎng)設(shè)備投資方案A1、A2、A3的綜合評(píng)價(jià)云結(jié)果，即TC1=(7.6,0.78,0.6)，TC2=(7.1,0.69,0.29)，TC3=(7.0,0.62,0.26)。按照2.3節(jié)中給出的方法，將綜合評(píng)價(jià)云結(jié)果與表1 給出的方案等級(jí)分類及標(biāo)準(zhǔn)云模型進(jìn)行對照，三種方案的熵值均大于7，可以看出三種投資方案的評(píng)價(jià)綜合云基本處于“較好”和“很好”之間。且方案A1的熵大于其他方案，說明從期望的角度來看，方案A1的投資策略優(yōu)于方案A2和A3。

設(shè)Ex、En和He的 權(quán) 重 取 值 為0.5、0.25 和0.25，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)云和綜合云之間的相似度，參照表1 確定三種配電網(wǎng)設(shè)備投資方案的優(yōu)劣情況，數(shù)據(jù)分析結(jié)果如表6所示。

表6 不同配電網(wǎng)設(shè)備投資策略間的綜合評(píng)價(jià)云與標(biāo)準(zhǔn)云的相似度

根據(jù)表6 的結(jié)果，可以看出方案A1的綜合評(píng)價(jià)云為“很好”等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)云相似度大于其他等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)云，參照表1 中給出的方案等級(jí)分類及標(biāo)準(zhǔn)云模型取值，得出方案A1的綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為“很好”的結(jié)論。同理可以得出方案A2和A3的綜合評(píng)價(jià)等級(jí)為“較好”。分析結(jié)論表明，按照圖1給出的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，某省應(yīng)選擇自己投資配電網(wǎng)設(shè)備并且自己運(yùn)維的投資策略。

4 結(jié)論

配電網(wǎng)項(xiàng)目投資決策科學(xué)性與否直接影響到區(qū)域用電量、區(qū)域經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)展需求，確保配電網(wǎng)項(xiàng)目投資決策的科學(xué)性有助于實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投資。針對投資方案優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)復(fù)雜、客觀評(píng)價(jià)難的問題，充分考慮當(dāng)前配電網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展的規(guī)劃需求，建立了投資策略綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用熵權(quán)-云模型實(shí)現(xiàn)定性指標(biāo)的科學(xué)量化轉(zhuǎn)換，并通過計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)云和綜合評(píng)價(jià)云的相似度，確定最佳設(shè)備投資方案。結(jié)果表明，隨著配電網(wǎng)運(yùn)行水平和設(shè)備水平的整體提升，經(jīng)濟(jì)因素是投資考慮的首要因素，其次是技術(shù)因素和風(fēng)險(xiǎn)因素。利用熵權(quán)-云模型的分析方法，能夠?qū)υO(shè)備投資方案進(jìn)行客觀數(shù)據(jù)剖析，為促進(jìn)配電網(wǎng)精益化管理和高質(zhì)量發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持和模型參考，該模型也可應(yīng)用于其他定性和定量指標(biāo)兼具的評(píng)優(yōu)、方案選擇等領(lǐng)域。