一种电网基建项目辅助决策方法

宋伶俐，杨 军，周博文，吴耀文，胡子修，李 俊，邓长虹，孙元章

（1.武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072；2.湖北省电力公司，湖北 武汉 430077）

0 引言

一直以来电网企业为社会发展提供着优质的电力供应，承担着重大的政治责任、经济责任和社会责任。电网基建项目是电网建设的重要组成部分，随着经济社会的快速发展，电网建设投入日趋加大，电网基建项目也逐渐增多。坚持可持续发展、坚持技术经济优先、坚持服务经济社会发展是合理规划电网基建项目、避免电网企业乱投资、实现国有资产保值增值的重要原则。

目前国内外专家学者已经对电网基建项目决策开展了一些研究。文献[1-4]提出了输变电项目、水电建设项目、发电机组项目、风力发电项目的决策指标，但这些指标偏于工程管理与监理方面，没有描述电网基建项目对电网安全的影响，并且指标定义模糊、不便于量化实现。文献[5]提出了以供电可靠性、电能质量、经济性为规则指标的馈线迫切度改善目标函数，以总项目投资额为约束条件，建立了配电网改造优化模型，并运用穷举法、分支定界法等求解。文献[6-7]以净现值、费用现值等为评价指标，用动态规划法求解电网建设项目投资决策模型。文献[8-9]以机组类型、投产进度和规模以及融资结构作为决策变量，分别建立了火电厂投资风险决策模型和可再生能源建设项目的投资决策模型。文献[10]提出的基于区间层次分析法和区间规划的电网规划项目综合评判决策方法，综合考虑项目效益、项目成本和资金预算与项目间的逻辑关系，在考虑可靠性、用户满意度、经济性的前提下求解最优项目组合。总体而言，上述基建项目决策方法都是以某些电网运行指标为决策目标，通过调整投资方案、融资结构、投产时间手段来实现收益最大。

从保证社会经济快速发展和促进电网协调发展大局出发，电网企业基建项目的实质是为全面提升电网运行能力服务的。因此，以全面提高电网运营效率为目标，建立科学、全面的电网基建项目决策指标体系及相应的辅助决策模型具有重要意义。本文从全面提升电网运营效率的目的出发，提出了一种电网基建项目辅助决策方法，在电网基建项目辅助决策指标体系的基础上，建立并求解项目分值排序、单位投资分值排序和综合寻优等3种电网基建项目辅助决策模型，可在有限资金约束下合理安排基建项目的次序，有效、全面提升电网运行能力。

1 电网基建项目辅助决策指标体系

以全面提升电网运营效率为目的，考虑国家电网公司文件《国家电网公司电网发展项目管理规定》和《国家电网公司电网基建储备项目评价标准细则》[11-12]，从电网安全稳定性、设备利用水平、供电可靠性、电能质量、促进电网协调发展和服务经济社会发展等6个方面出发，建立电网基建项目辅助决策指标体系（如表1所示），对电网基建项目进行科学决策。

表1 中，P111、P112、P113、P131、P151分 别对应 能够定量计算的潮流分布指标、暂态稳定指标、短路电流指标、系统可靠性指标和静态电压指标。表中所有指标均为正向指标，即取值越大越好，取值范围为0～100。

2 电网基建项目辅助决策模型

在电网基建项目辅助决策指标体系的基础上，考虑电网基建项目特性与电网企业基建项目决策实际，建立了电网基建项目辅助决策打分表。辅助决策打分表内容如下。

a.所评价项目的基本信息。包括项目编号、项目名称、电压等级、地点、投产时间和投资额。

b.评价内容、分值及权重。

评价内容除表1中所示3级指标外，还包括项目绝对优先级与否决级（又分为服务电网发展与经济社会发展方面需有限建设的项目和对电网安全可靠性影响严重致使其指标过低、外部建设环境较差的项目）。

表1 电网基建项目辅助决策指标体系Tab.1 Index system of assistant decision making for construction projects of electric power network

分值和权重包括参考值来源、参考值、计算值和范围4个部分。其中，各指标相对前一年增长时，分值的参考值为各指标相对前一年增长的百分比，将其归一化后乘以100%，转化为百分制；各指标相对前一年减少时，分值的参考值为0；但是，如果所评价的内容没有参考值来源，则其分值的参考值需要电网项目决策分析人员根据项目工程意义及项目实际情况决定。权重的参考值均已确定，无需分析人员另行计算。

下面以“评价内容，参考值来源，分值范围”的形式列出各项评价内容的分值参考值来源和分值范围。

提高电网安全稳定性方面P11：解决线路输电瓶颈问题的项目，潮流分布指标，0～100；满足线路N-1安全供电准则的项目，暂态稳定指标，0～100；解决短路电流超标问题的项目，短路电流指标，0～100；解决系统阻尼比较低问题的项目，无，0～100；满足线路N-2供电要求的项目，无，0～100；形成主干网或目标网架的新建线路工程，无，0～100；满足同一电压等级同塔双回输电线路N-2供电要求的项目，无，0～100；解决电磁环网问题的项目，无，0～100。

提高电网设备利用水平方面P12：解决线路过载问题的项目，无，0～100。

提高电网供电可靠性方面P13：解决设备运行年限长、故障率高，影响电网安全稳定性和供电可靠性的项目，系统可靠性，0～100。

提高电网电能质量方面P14：解决电网电能质量较低问题的项目，无，0～100。

促进电网发展协调性方面P15：满足负荷发展需求的新建变电项目，静态电压指标，0～100；变电站过载且无法实现负荷就近转移的扩建项目，无，0～100；满足电气化铁路、基础设施等特殊负荷供电需求的配套项目，无，0～100；电源送出线路工程项目，无，0～100；特高压及跨区直流项目，无，0～100；实现资源优化配置的220～750 kV跨区、跨省输变电项目，无，0～100。

服务经济社会发展方面P16：已列入电网规划、公司战略性布点或有特殊政策支持的项目，无，0～100；根据电网规划、结合经济发展和地方建设进度、同步预留站点或走廊的项目，无，0～100。

绝对优先级与否决级：服务电网发展与经济社会发展方面需优先建设的项目，无，0或1；对电网安全可靠性影响严重致使其指标过低、外部建设环境较差的项目，无，0或1。

下面以“评价内容，参考值来源，参考值，分值范围”的形式列出各项评价内容的权重参考值来源和权重范围。

提高电网安全稳定性方面P11：解决线路输电瓶颈问题的项目，中间值，0.9，0.8～1；满足线路 N-1安全供电准则的项目，中间值，0.9，0.8～1；解决短路电流超标问题的项目，中间值，0.9，0.8～1；解决系统阻尼比较低问题的项目，中间值，0.8，0.6～1；满足线路 N-2 供电要求的项目，中间值，0.5，0.4～0.6；形成主干网或目标网架的新建线路工程，中间值，0.9，0.8～1；满足同一电压等级同塔双回输电线路N-2 供电要求的项目，中间值，0.7，0.6～0.8；解决电磁环网问题的项目，中间值，0.9，0.8～1。

提高电网设备利用水平方面P12：解决线路过载问题的项目，中间值，0.9，0.8～1。

提高电网供电可靠性方面P13：解决设备运行年限长、故障率高，影响电网安全稳定性和供电可靠性的项目，系统可靠性，中间值，0.8，0.6～1。

提高电网电能质量方面P14：解决电网电能质量较低问题的项目，中间值，0.9，0.8～1。

促进电网发展协调性方面P15：满足负荷发展需求的新建变电项目，中间值，0.9，0.8～1；变电站过载且无法实现负荷就近转移的扩建项目，中间值，0.7，0.6～0.8；满足电气化铁路、基础设施等特殊负荷供电需求的配套项目，中间值，0.9，0.8～1；电源送出线路工程项目，中间值，0.9，0.8～1；特高压及跨区直流项目，中间值，0.9，0.8～1；实现资源优化配置的 220～750 kV 跨区、跨省输变电项目，中间值，0.9，0.8～1。

服务经济社会发展方面P16：已列入电网规划、公司战略性布点或有特殊政策支持的项目，中间值，0.9，0.8～1；根据电网规划、结合经济发展和地方建设进度、同步预留站点或走廊的项目，中间值，0.7，0.6～0.8。

绝对优先级与否决级：服务电网发展与经济社会发展方面需优先建设的项目，无，1；对电网安全可靠性影响严重致使其指标过低、外部建设环境较差的项目，无，1。

c.所评价项目的项目分值、单位投资分值和优先级与否决级信息。

从项目分值、单位投资分值及综合寻优3个方面建立电网基建项目辅助模型。以各基建项目投入后电网运营的变化为参考，对各个基建项目打分，最终确定项目决策方案以提高电网运营效率。

2.1 按项目分值排序模型

按加权和的思想，求出每个项目指标与指标对应权重乘积的和作为项目分值，考虑项目的绝对优先级与绝对否决级，按项目分值从大到小给出排序结果，其中绝对优先的项目排名最前，绝对否决的项目不参与排序。该方法可在上报国家电网公司基建项目储备库排序时或电网企业投资充裕时使用。按项目分值排序模型计算公式如式（1）所示。

其中，uj为第 j个项目，vij为第j个项目的第 i个指标，共有m个项目、n个指标；U为所有项目的集合，U*为不计绝对否决的项目集合即决策输出结果，U+、U-分别为绝对优先和绝对否决的项目集合；Pa（uj）为第 j个项目分值，Pa（vij）为第 j个项目的第 i个指标的分值，wi为第i个指标的权重，ki为第i个指标的计算系数。

计算系数ki的取值为1或0，取1时表示项目分值计算中考虑该指标，取0时表示项目分值计算中不考虑该指标。引入计算系数可以在决策模型中更为全面、多样地考察每个项目的属性。如仅将P111～P118这8个指标的计算系数取1，其他指标的计算系数取0，则得到提高电网安全稳定性方面的项目分值，排序模型给出的决策结果也是按电网安全稳定性分值的排序。

2.2 按单位投资分值排序模型

在项目分值的基础上，考虑每个项目的投资额，求出每个项目分值与投资额的商作为单位投资分值，考虑项目的绝对优先级与绝对否决级，按单位投资分值从大到小给出排序结果，其中绝对优先的项目排名最前，绝对否决的项目不参与排序。该方法可在电网企业投资能力有限时使用。按单位投资分值排序模型如式（2）所示。

其中，Pb（uj）为第 j个项目的单位投资分值，M（uj）为第j个项目的投资额。

2.3 综合寻优模型

考虑到仅用分值排序和单位分值排序有时不能得到在有限投资额情况下的最优项目组合，因此可建立项目分值和最大、总投资额最小2个目标的多目标综合寻优模型，采用现代智能算法求解模型得到决策结果。

2.3.1 寻优模型

寻优模型的目标函数同时考虑项目分值和最大以及项目总投资额最小。约束条件中，考虑项目离散特性约束、绝对优先级与绝对否决级约束及项目总投资额约束。由于电网稳态、动态及稳定等约束在综合评价指标中已考虑，此处略去。该方法可在电网企业追求项目分值最大、投资最小的多目标情况下使用。上述寻优模型如式（3）所示。

其中，Popt和Mopt分别为项目分值和与项目总投资额，M+为绝对优先的项目的总投资，M0为项目投资给定值。

引入计算系数，Popt也可表示表1中二级指标的某一个指标分值和或某几个指标分值和。此时，该模型可以实现提高电网安全稳定性方面分值和最大、总投资最小或提高电网安全稳定性方面分值和与提高电网设备利用水平方面分值和同时最大、总投资最小等多种多目标寻优组合，为电网基建项目辅助决策提供了更加灵活、多样的决策参考。

电网运营需在保证电网安全稳定的基础上追求更高的经济效益，电网基建项目辅助决策中项目本身属性的重要程度稍高于其投资额，因此采用层次分析法（AHP）中SATTY标度的方法，取kp和km分别为3和1（kp和km分别为项目分值和与项目总投资额的系数），将式（3）所示的多目标变为单目标。考虑项目分值Popt为效益型指标，项目总投资额Mopt为成本型指标，利用线性变换的方法对2个指标进行归一化，去掉量纲。效益型指标和成本型指标的线性变换方法分别如式（4）、（5）所示，寻优模型如式（6）所示。

2.3.2 求解算法

电网基建项目决策为大规模、非线性、离散整数寻优问题，而细菌趋药性[14-15]BC（Bacterial Chemotaxis）算法是利用细菌在化学引诱剂环境中的运动行为来进行优化求解，具有计算过程简单、鲁棒性强的特点[16-17]，可求解离散整数优化问题，因此综合寻优的求解算法采用BC算法。

设细菌个数为e，细菌坐标变量的位数由项目数决定记为A；随机初始化矩阵为e×A阶，元素为1或0，分别表示项目选中或未选中；由项目数表征细菌移动寻优时的空间位置，总F值为目标监视量，即细菌在A维空间上遵循上述寻优步骤；寻优过程中考虑项目离散特性和总投资约束。优化流程见图1。

3 算例分析

本文选取湖北电网“里程碑计划”中2012年投产的基建项目作为决策对象，各项目基本信息见表 2。其中，3个500 kV项目绝对优先，无绝对否决的项目。

图1 BC算法求解电网基建项目辅助决策流程Fig.1 Flowchart of BC algorithm

表2 待决策项目基本信息Tab.2 Basic information of project

根据前文所述的3种决策模型，分别对表2中的19个项目进行决策，设定2012年总投资额为150000万元（项目投资合计214973万元），各指标计算系数均为1，指标权重取权重范围的中间值，BC算法中选取细菌个数为19个，决策结果如表3所示。表中阴影部分表示未选中的项目。

由表3可知，按项目分值排序时，投产的项目数为11，总投资额为142153万元；按单位投资分值排序时，投产的项目数为13，总投资额为142023万元；综合寻优时，投产的项目数为14，总投资额为149779万元。3种决策模型的决策结果差别较大，个别项目的巨大投资额对排序结果影响明显。

在电网企业的电网基建项目辅助决策中，应充分考虑3种决策结果，结合企业实际投资能力及具体工程与电网需求，确定最终决策方案。

表3 辅助决策结果Tab.3 Results of assistant decision making

4 结论

电网基础设施建设是保证经济社会快速发展和电网协调进步的重要依托，合理决策电网基建项目对于提升电网运营效率有着重要意义。本文提出了一种电网基建项目辅助决策方法，从电网安全稳定性、设备利用水平、供电可靠性、电能质量、促进电网协调发展和服务经济社会发展等6个方面建立了电网基建项目辅助决策指标体系，以全面提升电网运营效率为目的，运用优化算法，进而得出了相应的电网基建项目辅助决策策略。在湖北电网基建项目里程碑计划管理中的应用算例表明，该方法能够为电网基建项目科学决策提供参考依据，有效服务于电网安全、高效、经济运行，为电网进一步提高运营效率奠定了坚实的基础。