基于熵值分析和层次分析法的智能电网电力终端接入网综合效益评价

刘瑾，冯瑛敏，章辉，冯亮，孙瑞雪，王丽珠

(1.国网天津市电力公司经济技术研究院，天津市 300171；2.南开大学电子信息与光学工程学院，天津市 300071)



基于熵值分析和层次分析法的智能电网电力终端接入网综合效益评价

刘瑾1，冯瑛敏1，章辉2，冯亮2，孙瑞雪2，王丽珠2

(1.国网天津市电力公司经济技术研究院，天津市 300171；2.南开大学电子信息与光学工程学院，天津市 300071)

针对目前智能电网电力终端通信接入网建设中技术经济评价体系不完善的现状，从电力终端通信接入网建设成本、效益和费效比3个方面提出了电力终端通信接入网技术经济性评价指标集，借助目标评估中的层次分析法(analytic hierarchy process, AHP)与熵值分析法，确定了评价指标集中的各指标权重，从而构建了完整的电力终端通信接入网技术经济性评价体系。

电力终端接入网；经济性评价指标；层次分析法(AHP)；熵值分析

0 引 言

电力终端通信接入网是智能电网的重要组成部分，目前主要包含10 kV/0.4 kV通信接入网2部分，以EPON为代表的光纤通信占据着重要份额，此外还含有部分中压电力线载波和无线通信方式[1]。在未来的智能电网中，多种不同类型的通信传输技术将会共同出现在同一系统中。以智能测量系统为例，测量端和用户终端接口之间采用蓝牙、超宽带(ultra wideband, UWB)等传输技术，测量端和本地局域网接口之间采用IEEE 802.15.4(Zigbee)、IEEE 802.11(Wi-Fi)等传输技术。测量端和中央控制系统接口之间则采用蜂窝无线通信技术，如GPRS、通用移动通信系统(universal mobile telecommunications system，UMTS)、长期演进(long term evolution，LTE)等[2-3]。在不同类型通信技术的组网过程中，如何控制成本提高效益已成为决策中的关键问题[4]。

现行的电力终端通信接入网经济性评估通常沿用单一工程评估方法，不足之处表现为缺乏技术经济的全面统筹规划，或单纯从通信性能指标的技术角度论证，或单纯从投资效益回报的经济角度评估[5-7]。未来的智能电网对电力终端通信接入网的建设、组网和维护提出了新的挑战，需要一套客观有效的技术经济评价体系，以利于及时对网络状况进行实时跟踪、评估和反馈。

本文从智能电网中的电力终端接入网着手，结合组网实际成本，将其各类技术经济指标抽象成一类极值优化问题加以分析，以成本、效益和费效比3方面的参量建立电力终端通信接入网经济性评价模型，提出联合AHP与熵值分析划分评价模型中指标权重的方法，综合分析光纤覆盖率、通信电路运行率、通信设备运行率、光缆线路运行率和通信业务保障率等技术经济评价指标，计算得到合理的经济评价参量,从而构建完整的电力终端通信接入网技术经济性评价体系。

1 技术经济指标模型

为优选电力终端通信接入网建设方案，选取技术经济评价参数至关重要。技术经济指标参数的合理性直接影响评价结果的准确性和有效性，其选取过程应遵循全面性、客观性、典型性、可获取性等原则，力求完整准确。考虑到电力终端通信接入网组网建设特点，提出如图1所示的电力终端通信接入网技术经济指标模型，划分为成本、效益、费效比3类指标。

图1 技术经济性评价指标体系Fig.1 Technical and economic evaluation index system

(1)成本指标：依据资产全寿命周期成本(life cycle cost, LCC)模型，成本可以由式(1)概括

LCC=CI+CO+CM+CF+CD

(1)

式中：CI为投资成本，包括设备购置费、安装调试费、建筑工程费和其他费用；CO为运行成本，包括设备能耗费、日常巡视检查费等；CM为维护成本，即在全寿命周期内，按照检修要求定期更换零部件等备件的费用，以及抢修、维护、实验、巡查等人工费、交通费等；CF为故障成本，包括故障检修所产生的材料费，因故障引起的设备性能及寿命损失费及可能引起的间接损失费等；CD为废置处理成本，包括废置处理时的人工、设备费用及运输费和废置处理时的环保费，并减去设备废置时的残值。依据以上，将成本指标划分为投入成本比、运行成本比、维护成本比、故障成本比和废置成本比这5个子指标来衡量在投入、运行、维护、故障以及废置5个方面实际耗费的成本与预估成本上限之间的关系。通常情况下，其比值均介于0至1之间。

(2)效益指标：电力终端通信接入网为智能电网提供可靠的传输链路支撑，有助于提升电网的服务质量。其中，电力通信网的经济效益与光纤覆盖率、通信电路运行率、通信设备运行率、光缆线路运行率、通信业务保障率等技术指标密切相关。因此，将经济性评价指标体系中的效益指标分为光纤覆盖率、通信电路运行率、通信设备运行率、光缆线路运行率、通信业务保障率等5类子指标。

(3)费效比指标：接入网建设项目实施前后电网的静态投资变化与因电网系统服务质量提升而带来效益估值的比值。

2 指标权重划分

技术经济评价体系应具有全面有效的评价能力。在实际应用中，多指标、多方案的评价问题需要综合评估的指标有多项。由于评价通常处于诸多因素未知的条件，这要求对未知因素进行科学的预测和评判，将客观数据与主观经验相结合，从而得出精确的结果。目前，层次分析是使用较广泛的综合决策方法，但其准则层的权重仅由主观权重决定，局限性较大，考虑到方案具体数据的影响，在权重的确定中通过熵值分析法引入客观权重，运用AHP与熵值分析相结合的方法，综合考虑主客观因素的影响，得出评价体系中各指标的权重[8-9]。

2.1 AHP指标权重

AHP是一种定量与定性相结合的多目标决策分析方法，其核心思想是通过分析复杂系统的要素及相互关系，将系统简化为有序的递阶层次，使各要素归并为不同的层，在每一层按上一层的准则，对该层要素进行两两比较，建立判断矩阵，进而计算判断矩阵的最大特征根及对应的正交特征向量，得出该层要素对于该准则的权重，最后运算出多层要素对于总体目标的组合权重。依此下去，得出不同方案或评价对象的权值，为决策和评选提供依据。

AHP中指标层次可划分为目标层、准则层和方案层。目标层是最高层，即系统所要达到的总目标，如有多类分目标，可在其下再建不同类子目标层；准则层是中间层，表示实现预定总目标所要采取的各项准则；方案层是最底层，表示要选用的解决问题的各种方案、措施等。据此，可划分电力终端通信接入网经济性评价体系的对应层次，如图2所示。

图2 技术经济性评价指标AHP划分Fig.2 AHP division of technical and economic evaluation index

利用层次分析法中的1～9标度法，采用专家判断，对准则层和方案层中需要进行权重划分的子集构建对应判断矩阵JB、JC1、JC2:

根据AHP的一致性检验表达式：

当CR<0.10时，判断矩阵具有较好的一致性。否则调整矩阵大小，使其满足CR<0.10，直到具备较好的一致性。n=1～9时RI值见表1。

表1n=1～9时RI值

Table 1RIvalues whenn=1～9

对判断矩阵JB、JC1、JC2分别进行一致性判断，均满足一致性要求，可得各层次的指标权重如下：B1=0.33，B2=0.44，B3=0.23，C1=C2=C3=C5=0.22，C4=0.12，C6=0.12，C7=0.25，C8=0.13，C9=0.13，C10=0.37。

2.2 熵值分析确定客观权重

(2)

(1)各指标数据标准化。

由于各指标的量纲和类型不同，难以进行直接比较，需对决策矩阵X=YxijYm×n进行标准化处理。

数值越大越好的正向指标：

(3)

数值越小越好的逆向指标：

(4)

固定指标：

(5)

区间型指标：

(6)

(2)计算第j个指标的熵。

(7)

(8)

据熵的定义及性质，e(yj)值越小，指标j的相对重要度就越大。

(3)确定第j个指标的评价权值。

为进行综合评价，由e(yj)确定的评价指标j的评价权值为

(9)

在对技术经济体系进行评价时，有2套方案，各指标值如表2所示。

表2 技术经济评价方案比较案例

Table 2 Comparison of technical and economic

evaluation schemes

则标准化决策矩阵为

由此，根据式(8)可得

同理，e(y2)=0.428 86，e(y3)=0.483 29，e(y4)=0.429 12，e(y5)=0.430 12，e(y6)=0.430 58，e(y7)=0.430 70，e(y8)=0.430 70，e(y9)=0.430 70，e(y10)=0.430 70。

根据式(9)可得方案层各客观指标权重分别为

同理，γ2=0.20，γ3=0.19，γ4=0.20，γ5=0.20，γ6=γ7=γ8=γ9=γ10=0.20。

2.3 方案层指标权重修正

结合AHP和熵值分析对方案层指标权重进行修正，如式(10)：

(10)

于是有

w1=(C1×γ1)/(C1×γ1+C2×γ2+C3×γ3+C4×γ4+C5×γ5)=(0.22×0.21)/(0.22×0.21+0.22×0.20+0.22×0.19+0.12×0.20+0.22×0.20)=0.23

同理，w2=0.22，w3=0.21，w4=0.12，w5=0.22，w6=0.12，w7=0.25，w8=0.13，w9=0.13，w10=0.37。最终，可得电力终端通信接入网经济型评价体系权重因子，如图3所示。

图3 技术经济性评价指标权重因子Fig.3 Weight factor of technical and economic evaluation index

3 结 论

本文提出了集成本指标、效益指标和费效比指标于一体的电力终端通信接入网经济性评价指标体系，利用AHP与熵值分析相结合的方法分析得出评价体系中各指标的权重因子，为电力终端通信接入网建设项目提供了衡量标准和参考依据。随着未来智能电网三网融合建设中不同项目需求的变化，各技术评价指标亦可不断更新，以更有效地对项目技术经济特性进行评估。

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(编辑:刘文莹)

Comprehensive Benefit Evaluation for Power Terminal Access Network in Smart Grid Based on Analytic Hierarchy Process and Entropy Analysis

LIU Jin1, FENG Yingmin1, ZHANG Hui2, FENG Liang2, SUN Ruixue2, WANG Lizhu2

(1. State Grid Tianjin Electric Power Economic Research Institute, Tianjin 300171, China;2. College of Electronic Information and Optical Engineering, Nankai University, Tianjin 300071, China)

Since to the situation that the technical and economic evaluation system in the power terminal access network construction for smart grid was imperfect, this paper proposes the index set of technical and economic evaluation for power terminal access network from three aspects: cost of construction, benefit and cost-benefit ratio. By means of analytic hierarchy process (AHP) and entropy analysis in object assessment, each index weight in evaluation index set was determined. Then, the complete technical and economic evaluation system was constructed for power terminal access networks.

power terminal access network; economic evaluation index; analytic hierarchy process (AHP); entropy analysis

天津市电力公司科技项目(KJ141-59)， 国家自然科学基金项目(61101084)。

TM 73

A

1000-7229(2015)05-0136-05

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.022

2014-11-06

2015-01-29

刘瑾(1982)，女，工程师，从事电力通信工作；

冯瑛敏(1981)，女，高级工程师，从事电力通信工作；

章辉(1982)，男，博士，主要研究方向为新一代无线通信系统；

冯亮(1981)，男，硕士研究生，主要研究方向为多层异构蜂窝网络关键技术和移动应用开发；

孙瑞雪(1988)，女，硕士研究生，主要研究方向为多层异构蜂窝网络关键技术和移动应用开发；

王丽珠(1989)，女，硕士研究生，主要研究方向为多层异构蜂窝网络关键技术和移动应用开发。

Project Supported by National Science Foundation of China(61101084).