基于数据挖掘技术的配电网精准投资策略研究

黄宏和，吴 臻，琚 军，章 斌，王雪峰，潘永贺，郑 辉，赵仲夏

（国网浙江省电力有限公司衢州供电公司,浙江 衢州 324000）

0 引言

随着社会经济的不断发展和人民生活水平的提高，日益增长的用电需求对电网企业提出了更高要求。深化落实投资精准的要求，充分发挥资产、资金、管理等优势，增强企业经营能力，对实现电网企业建立“一强三优”现代公司的发展战略具有重大意义。

近年来，电网企业配电网投资大多还处于依靠经验的投资阶段，在落实配电网精准投资方面仍缺乏有效手段，一方面由于用户用电需求的刚性增长；另一方面由于配电网投资边际效益降低，亟需形成配电网精准投资策略，提升电网企业配电网精准投资水平。在投资效益评估研究领域，投资效益评估均进行项目前评估，提出用于评价投资效益的指标体系、评分函数和得分公式，以评分的高低为导向来进行投资资金分配比例计算[1]，部分研究将全寿命周期成本管理理论应用于投资效益评估模型中[2]。在评价指标体系的构建方面，从实施过程、运营效果、财务效果、社会效益和可持续性方面提出综合指标体系[3]，或通过技术效益指标、经济效益指标和社会效益指标来提出架构评价体系[4-5]，同时通过指标赋权方法和综合评价方法的比选筛选出熵权法、遗传算法和灰色关联分析范围评价，提供具体的方法论[6-8]，部分研究根据指标体系和评价模型建立综合数据平台进行实证分析[9]。

本文在上述文献研究的基础上，以大数据应用为手段，使现在数据挖掘技术与配电网投资业务相结合，从电网运营水平角度考虑构建配电网评价指标体系，运用熵权法的指标赋权方法开展配电网精准投资策略研究，综合投资前评估评价感知投资需求和后评估模型分析产出效益，以实现电网投资效益最大化。

1 配电网精准投资策略

基于数据挖掘技术的配电网精准投资策略包括建立项目投资前评估模型和投资后评估模型2部分（见图 1）。

图1 配电网精准投资策略

建立投资前评估模型需要：

（1）预测电网未来可开放容量，检验项目实施后容量是否满足未来负荷的需求。

（2）进行现状和匹配度分析，将网格评价维度的评估指标与行业标准进行比较，判断目前什么指标处于薄弱状态。

（3）分析电网运营水平，对电网建设项目建设前和建设后预计的运行水平、转供能力、电网结构、设备水平和供电质量等进行对比分析。

（4）通过年收益率考核指标体现项目经济效益。

建立项目投资后评估模型需要完成目标实现情况评估、完成电网运营水平评估和完成经济效益评估。

1.1 项目投资前评估方法

1.1.1 预测电网未来可开放容量

电网未来可开放容量的预测，是评估项目可行性的基础，不仅能够预测项目投资的合理性，还能反映电网的供电能力。若项目实施后未来可开放容量大于0，则项目可投资；若项目实施后未来可开放容量小于等于0，则项目应停止投资。

电网中线路未来可开放容量由线路限定容量与线路最大负荷共同决定，未来可开放容量以H表示，其计算公式为：

式中：B为投资后线路容量；Imon为每月线路负荷。若H大于0，则项目实施后容量满足未来负荷需求。

1.1.2 现状和匹配度分析

对能反映电网运行水平、转供能力、电网结构、设备水平和供电质量的相关指标进行现状分析，找出薄弱点，针对配电网投资工程，采用计算项目有效投资率与重复投资率的方法，能够填补以往配电网项目投资效益预评估的空白，降低“拍脑袋决策”现象的发生率。

将现状分析及未来可开放容量预测得到的结果与项目目标进行匹配。设定未来可开放容量具有“一票否决权”，将其记为C，若未来可开放容量大于0，C为1；若未来可开放容量小于等于0，则C为0。将有效投资率记为T，针对单体项目，其有效投资率为：

式中：k1为项目可改善的薄弱指标数；k2为薄弱指标总数。

若项目建设目标与处在薄弱环节的指标不匹配，即项目有效投资率未达到100%，则计算项目重复投资率，将重复投资率记为O，计算公式为：

式中：l为与薄弱环节不匹配的项目建设目标数；n为项目目标总数。

1.1.3 电网运行水平评估

运营水平主要对电网建设项目建设前和建设后预计的运行水平、转供能力、电网结构、设备水平和供电质量等进行对比分析。运营水平评价指标应从整个电网建设项目及其所涉及的影响范围出发，凡是涉及到的方面、细节等，在前评价指标体系中均予以考虑并体现出来，同时需要有目的地选择具有意义的重要的指标作为考察重点，使前评价指标体系具有较强的目的性和针对性。

根据上述需求，预评估电网运营水平指标体系[10-11]的建立如表1所示，该指标体系同时应用于进行现状和匹配度分析的分析指标。

表1 预评估电网运营水平指标体系

把指标的原始数据输入模糊隶属度函数，得到指标的得分。指标分为经济型（正指标）、成本型（逆指标）、区间型（适度指标）3种类型，其中经济型指标越大越好，成本型指标越小越好，区间型指标为某一固定范围内为好，具体见表2。

采用梯形分布线性隶属函数来拟合，指标的隶属度确定则以指标的类型，按以下函数计算[10]。

经济型指标采用升半梯形分布函数：

表2 前评估指标属性类型

成本型指标采用降半梯形分布函数：

区间型指标采用梯形分布函数：

式（4）—（6）中： sup（f）和 inf（f）分别为这一指标的上、下界（z隶属度阀值）；[a，b]为区间型指标的适度区间[10]；x为经济型指标的每期记录值。隶属阀值可利用频数分布法对历史数据统计分析来得到，适度区间的确定按照电力行业的相关规定或专家实际经验来得到。利用模糊隶属度原理编写隶属度函数，计算二级指标的得分值，实际上这是对指标值的标准化处理。

通过德尔菲法估计指标体系一级指标的权重，运用熵权法来确定级指标层各评价指标对一级指标层的熵和熵权。熵权法是根据各指标传输给决策者的信息量的大小来确定指标权重的方法。

用熵权法确定指标权重的步骤如下。

（3）计算第 j项指标的差异系数 gj=1-ej， gj越大，越应重视该项指标的作用。

某项指标的差异越大，熵值越小，该指标包含和传输的信息越多，相应权重越大[12-13]。

1.1.4 经济效益评估

经济效益主要以年预期收益率来体现，年预期收益率通过计算项目预期年收益与项目投资金额之比来得到。配电网项目的预期投资收益主要体现在2个方面：一是通过提高电网的供电能力增加供电收益；二是通过优化电网结构降低线损，以减少供电成本。故以表3的指标作为经济效益评估的依据。

表3 年收益率考核指标

计算公式为：

式中：M1为评估期内增售电量收益；M2为评估期内降损电量收益；c为项目投入金额。

1.2 项目投资后评估方法

1.2.1 目标实现情况评估

针对电网建设项目各个目标的实现程度进行分析，并与预评估的数据进行对比，审查工程建设目标、宏观目标等的实现情况，找出未实现或实现程度较低的原因。项目目标实现情况评估公式为：

式中：m为项目实际达成的目标数。

1.2.2 电网运营水平评估

运营水平主要是对电网建设项目的目标实现情况以及项目建成前后的电网运行水平、转供能力、电网结构、设备水平和供电质量等进行分析，以评估电网建设项目自身建设目标和宏观目标的实现程度。

电网建设项目后评估的指标体系内容结构和指标权重，与项目前评估指标体系的内容结构和权重保持一致，后评估指标体系和权重与前评估的结果一致。通过收集项目建设前后各一时间段内的指标数据，计算项目建设后的指标提升值或降低值，以相应的权重对指标的提升值或降低值进行加权平均，计算得出项目实施前后运行水平的改善程度。

1.2.3 经济效益评估

根据资源合理配置原则，从整体、长远、客观的角度来分析和评价电力投资项目的经济性和合理性，使公司利益、地区利益和社会利益实现有机结合及平衡，这是配电网项目投资效益分析和评价的意义所在。评价配电网投资项目的经济效益需要科学地计算、分析和论证经济指标，将项目投资的有用成果与投资成本作比较，衡量它们的所得和费用、投入与产出之间的经济合理性，得出全面的经济结论。通过计算项目建成后实际的增供电量收益和降损收益，并且和项目投入金额相比较，以确定经济效益好的项目是较为成功的项目。

2 配电网精准投资策略应用

应用德尔菲法估计指标体系一级指标的权重向量（0.23， 0.25， 0.15， 0.17， 0.2）T， 它分别对应运行水平、转供能力、电网结构、设备水平和供电质量的权重。

根据某市电力企业的配电网运营水平指标体系和收集到的各网格的实际资料，确定网格在不同时期的指标值，将评价指标值构成的原始数据进行打分即标准化，得到的数据如表4所示（表4中仅显示了某一网格2016—2018年各季度标准化后的数据）。

表4 某网格指标标准化后的结果

根据熵权法公式计算出二级指标层各评价指标对一级指标层的熵和熵权，以供电质量和其二级指标供电可靠率和电压合格率为例，计算熵值和熵权。

供电可靠率的标准化数据比重分别是P11=

供电可靠率的熵值：

同理，电压合格率的熵值e2=0.995 2。

则供电可靠率的差异系数g1=0.008 8；电压合格率的差异系数g2=0.004 8。

供电可靠率的熵权：

电压合格率的熵权W2=0.352 94。

配电网运营水平评价指标体系以及二级指标的熵和熵权如表5所示。

用表5指标体系对某市电力企业的3个改造项目进行预评估，评估的时间点是项目开工前。这3个项目的具体情况如表6所示。

首先通过计算投资后线路未来可开放容量C：

C1=11 195×80%-7 252>0 ，

C2=12 280×80%-8 214>0 ，

C3=19 825×80%-8 540>0 ，

得到所有线路未来可开放容量均大于0。

A网格的主要薄弱点是公变超重载、局部存在低电压和局部供电可靠性较低。项目1针对所有的问题，因此有效投资率T=3/3=100%；项目2主要针对网格供电可靠性较低的问题，因此有效投资率T=1/3=33.3%。B网格的薄弱环节是公变超重载、负荷不平衡、低电压和供电可靠性较低。项目3试图补强网格的所有薄弱环节，因此有效投资率T=4/4=100%。

表5 配电网运营水平评价指标体系以及二级指标的熵和熵权

应用表5所示的指标体系和权重，通过项目完工前和项目完工后的指标值、权重的乘积结果作为评分来评估表6中的3个配电网项目。

项目1开工前的配电网运营水平评分是0.359，项目完工后的预计评分是0.415，网格运营水平预计增长0.056。项目2开工前的评分是0.664，完工后的预计评分是0.7，增长0.036。A网格的储备项目，项目1比项目2预期获得的运营水平收益更大。项目3开工前的运营水平得分是0.355，预期完工后的运营水平得分是0.429，两者差值是0.074。

从经济效益来看，预计项目1的日均增供和降损电量为1 072 kWh，每年可增供降损391 280 kWh，售电电价是0.5元/kWh，项目投资额是2 286 549元，年收益率：×100%=8.56%；预计项目2的日均增供和降损电量为1 950 kWh，项目投资额是4 399 022元，年收益率R2为8.09%；预计项目3的日增供和降损电量为2 100 kWh，项目投资额是4 792 327，年收益率R3为8.00%。

表6 用于评估的3个配电网项目

对3个项目的实现情况进行评估，方法与预评估方法一致，项目1的目标实现率是100%，项目2的目标实现率是33.3%，而项目3的目标实现率是100%。

应用表5所示的指标体系和权重作为电网运营水平后评估指标体系和权重，计算3个项目在开工前和完成后的运营水平提升度，从而比较3个项目的投资效率。项目1开工前的运营水平是0.359，项目完工后的水平是0.422，提升0.063；项目2开工前的网格运营水平是0.664，项目完工后的水平是0.698，提升0.034；项目3开工前的网格运营水平是0.355，完工后的水平是0.62，提升0.265。项目1和项目2虽然属于同一网格，但项目1带来的电网运营水平提升较大，故建议对A网格进行项目1的投资。

3 实例验证

本策略在配电网项目历史信息的基础上，创新运用数据挖掘分析方法，综合投资前评估感知投资需求和后评估模型分析产出效益，通过项目投资前决策评价和项目后的目标实现、电网运营水平提升和经济效益评估来指导配电网精准投资。

通过对试点区块进行小范围验证，基于数据挖掘技术的配电网精准投资策略，从提交的120个配电网项目清单中剔除无效、低效项目8个，同时将9个急需解决的项目纳入投资方案，通过削减投资、提高收益，比原方案增加610.6万元的经济效益。按浙江公司每年下达5 000个配电网项目计划预估，仅项目优选这一项，每年就可实现2.5亿元以上的经济效益。

4 结语

经项目投资前评估来感知公司投资需求，强化项目储备，科学测算投资能力，界定投资范围、统筹需求和投资能力，进行项目投资甄选，避免或减少配电网项目决策的失误，做好配电网项目精益化管理的起始环节；针对投运项目进行配电网投资整体评估，建立投资后评估模型，从电网规模、电网安全、运营效益和运行效率等方面构建评价指标体系，分析产出效益，可以定位电网在投入产出效率效益方面存在的不足，为未来的配电网精准投资提出指导性意见，从而实现电网效益最大化。