基于改进集对分析的农村电网投资效益综合评价方法
技术领域
本发明属于投资效益评估技术领域,具体涉及一种基于改进集对分析的农村电网投资效益综合评价方法。
背景技术
在农村电网的负荷结构从居民负荷和农业负荷逐渐向多元化负荷转化的同时,终端能源替代和新能源并网大规模发展,农村电网的管理、运行等水平也发生较大的变化。由于农村电网网架结构复杂,投资方式单一,因此要实现新形势下农村电网的精准投资,必须全面、客观的分析和评价农村电网的投资效益,找出投资薄弱环节。
目前,综合考虑新能源并网对配电网运行影响来分析配电网投资效益的研究较少,且主要集中于对电网投资效益的整体性分析,缺乏对电网投资运行效果和投资效率之间相互作用的考虑。
期刊《华东电力》2012年刊出了一份名称为“基于理想解法和灰色关联度的配电网投资效益评价”,作者为李娟,李晓辉,刘树勇,曾鸣,刘宏志和许文秀的论文,文中针对配电网投资效益评价问题,综合考虑了电网建设过程中的项目效益和管理效益,结合理想解法和灰色关联度各自的优点,构建了基于理想解法和灰色关联度的配电网投资效益评价模型。算例中,通过各分公司配网投资效益问的优劣比选,有利于决策者获知各分公司配电网投资效益的基本情况,并以此作为未来资源配置和投资优化的参考依据。文中虽然综合考虑电网建设过程中的管理效益和项目效益,对配电网的投资效益进行了综合评价,但缺乏对电网投资建设后的效益分析。
期刊《电力系统及其自动化学报》2016年刊出了一份名称为“配电网投资效果后评价及投资合理性分析”,作者为吴争,崔文婷,龙禹,胡卫利和季时宇的论文,从运行效果和投资效率两方面考虑,建立了科学的配电网投资效果后评价指标体系,能够全面反映出配电网的投资效果。根据不同层次指标的特点选择计算权重的方法,使其兼顾主观性和客观性,实用性强。所提的配电网投资合理程度分析方法可以反映出投资效果和现状电网的薄弱环节,能很好地指导配电网进一步建设发展。文中基于全寿命周期成本管理理论,对配电网全寿命周期单位容量投资收益作了评价,但仅限于经济性评估,缺乏对电网投资整体性的考虑。
期刊《电力系统保护与控制》2015年刊出了一份名称为“配电网投资效益评价与决策模型研究及应用”,作者为刘胜利,曹阳,冯跃亮,潘白浪和高英的论文,文中从配电总体投资效益,单体项目投资效益,投资决策等方面全方位地建立了35kV及以下配电网投资效益评价模型;提出“单位投资重载配电线路下降条数”、“单位投资建成时间”、“线路单位投资增供电量”、“项目投入产出比率”等19项用于评价单体项目投资效益的新指标;提出计算指标得分的评分函数和计算配电网总体投资和单体项目投资的得分公式,根据投资效益评价得分高低判断配电网总体投资效益优良和安排单体项目投资优先顺序;提出以电网规模和售电量为基础,以年度单体项目投资效益评价得分高低为导向的县级供电公司年度投资资金分配比例计算方法。实例验证,该模型科学实用,对建立以投资效益为导向的配电网评价与投资决策工作体系有重要意义。文中虽然从安全、收益和成本三个方面研究了电网投资效益指标体系的选取,但是并未对投资效益进行研究。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种基于改进集对分析的农村电网投资效益综合评价方法,解决了无法全面、合理评估新能源并网和终端能源替代背景下农村电网投资效益水平的问题,构建了农村电网投资效益层次化综合评价指标体系,改进了集对分析模型(SPA)并对此提出了一种白化权函数求解方法。
为达到上述目的,本发明采用以下技术方案:
基于改进集对分析的农村电网投资效益综合评价方法,包括以下步骤:
S1、建立农村电网的投资效率指标体系和运行效果指标体系;
S2、构建改进集对分析“同异模型”,并运用改进白化权函数对模型的系数进行求解;
S3、运用CRITIC求解指标体系中各个指标的客观权重;
S4、运用改进集对模型求解评估对象全部指标的联系度,并进行加权合成,得到评估对象的总联系度,作为评估对象的最终评估结果。
进一步地,在所述步骤S2中,构建改进集对分析“同异模型”的方法如下:
设两个集合A和B组成集对H=(A,B),对集对H的特性展开分析得到集合A和B的总特性个数p,其中具有相同特性的个数为x,对立特性的个数为z,既不为两个集合所共有,也不对立的特性的个数为y=p-x-z,集合A和B的联系度u的计算公式为
u=a+bi+ck (1)
式(1)中,u的取范围为[-1,1],a、b、c分别为同一度、差异度、对立度,有a=x/p,b=y/p,c=z/p,i为差异度系数且根据不同情况在区间[-1,1]内取值,k为对立度且其值取-1[10];
农网投资效益指标体系R和指标评价等级标准G构成集对H=(R,G),由于评估对象是投资效益的高低,因此并不存在集对分析中的对立情况,同时为了细化评估结果等级,对集对分析中的“同异模型”进行改进拓展至三级,得到改进集对分析“同异模型”如下:
u=a+b1i1+b2i2 (2)
其中,u为集合R和G的联系度,a为同一度,b1和b2为差异度,i1和i2为差异度系数;
各级界限值及对应等级如下:I级为好,其联系度为(0~0.4),其界限值为S3;级为好,其联系度为(0.4~0.7),其界限值为S2;级为好,其联系度为(0.7~1),其界限值为S1;S1为指标理想值集合(0-1标准化后全取1),S3为指标最小值集合,S2为指标最大值和最小值的二等分集合;
成本型三级联系度模型为
式(3)中,i∈n,n为评估对象个数,j∈m,m为指标个数,xij为各个评价指标的实测值。S1<S2<S3,aij、b1ij和b2ij分别为第i个评估对象的第j个指标的同一度和差异度,i1、i2为差异度系数;
效益型三级联系度模型:
式(4)中,S3<S2<S1。
进一步地,在所述步骤S2中,运用改进白化权函数对模型的系数进行求解的方法如下:
用和作为改进白化权函数表达式,其中和的计算公式分别为
式(6)和(7)中,ρ取0.5;
由式(3)、(4)和(6)、(7)可求得差异系数i1和i2分别为
进一步地,在所述步骤S3中,运用CRITIC求解指标体系中各个指标的客观权重的方法如下:
以对比强度和冲突性来衡量客观权重,对比强度表示同一指标各个评价方案取值差距的大小,用标准差进行量化的量化值δj为
其中,为第j的指标的平均值,设S为各个评价对象的指标原始矩阵,则
为了消除指标之间量纲的影响,对原始矩阵S进行标准化处理,即
式(12)和(13)分别用于效益型指标标准化和成本型指标标准化,因此得到规范矩阵Y,即
冲突性以指标之间的相关性来表征,相关性越大说明冲突性越小,第j个指标与其它指标的冲突性量化值ε为
式(15)中,rij为第i个指标yki和第j个指标ykj之间的相关系数,即
综合考虑各个指标的对比强度和冲突性,计算指标客观权重;cj表示第j个评价指标包含的信息量,其量化值为
cj越大说明该指标包含信息量越大,指标权重相对也越大,因此各个指标的客观权重为
进一步地,在所述步骤S4中,评估对象的总联系度ui的计算方法如下:
式(5)中,uij为第i个评估对象的第j个指标的联系度,wj为第j个指标的客观权重。
进一步地,在所述步骤S1中,所述投资效率指标体系和运行效果指标体系均包括一级指标和与一级指标相对应的二级指标;
所述投资效率指标体系的一级指标包括电网结构和投资经济性;
一级指标电网结构相对应的二级指标包括110kV变电站单线单变占比、高压配电网标准化结构占比、110/60kV变电站最大负载率、35kV变电站单线单变占比、35kV变电最大负荷率、10kV运行线路超20年比例、10kV配电运行超20年比例、10kV配电设备最大平均负荷率、10kV配电线路联络率、110/60kV线路电缆化率、35kV线路电缆化率、10kV线路电缆化率、380kV线路电缆化率和供电半径超标低压线路占线路总数比例;
一级指标投资经济性相对应的二级指标包括单位投资增供电量、人均配变容量、万元固定资产供电量和新增单位固定资产收益;
所述运行效果指标体系的一级指标包括可靠性、安全性和新能源协调性;
一级指标可靠性相对应的二级指标包括用户平均停电时间、10kV及以下综合线损率、110kV及以下综合线损率、供电可靠率RS-3和低压用户比例;
一级指标安全性相对应的二级指标包括110/60kV线路重过载率、110/60kV主变重过载率、35kV主变重过载率、35kV线路重过载率、10kV线路重过载率、110/60kV高压配电网线路N-1通过率、35kV高压配电网线路N-1通过率、10kV中压配电线路N-1通过率和综合电压合格率;
一级指标新能源协调性相对应的二级指标包括蓄能消纳电量能力、自发自用电量缺额占比、单位能耗碳排放量、单位能源消耗的GDP产出、交互功率峰谷差占比和储能补充发电能力。
进一步地,还包括步骤S5、运用耦合协调性分析模型对农村电网的投资效率和运行效果之间的耦合协调性进行分析。
进一步地,在所述步骤S5中,运用耦合协调性分析模型对农村电网的投资效率和运行效果之间的耦合协调性进行分析的方法如下:
利用物理学中容量耦合概念和模型,对农村电网投资后的运行效果和投资效率进行耦合协调性分析计算。定义耦合度C为
式中U(ua)和U(ub)分别为各个评价对象的运行效果和投资效率的联系度,C的取值范围为0~1,其值越大说明运行效果和投资效率之间的耦合程度越高,也即两者良好共同发展的程度越高;由于耦合度仅仅反映了运行效果和投资效率的耦合现状,因此引入协调度以分析两者的协调发展趋势,其定义为
式中,T为综合调和指数,其计算式为
T=d1×U(ua)+d2×U(ub) (21)
式中,调和系数d1和d2分别取0.6和0.4,将耦合度C和协调度D分别进行等级划分,并以列表的形式得到农网运行效果和投资效率的耦合协调分析结果。
本发明的有益效果是:
本发明针对目前农村电网投资分析时,综合考虑新能源并网对配电网运行影响来分析配电网投资效益的研究较少,且主要集中于对电网投资效益的整体性分析,缺乏对电网投资运行效果和投资效率之间相互作用的考虑的问题,提供一种基于改进集对分析的农村电网投资效益综合评价方法,首先,建立农村电网的投资效率指标体系和运行效果指标体系;之后,构建改进集对分析“同异模型”,并运用改进白化权函数对模型的系数进行求解;之后,运用CRITIC求解指标体系中各个指标的客观权重;最后,运用改进集对模型求解评估对象全部指标的联系度,并进行加权合成,得到评估对象的总联系度,作为评估对象的最终评估结果。
本发明为了更加细化评估结果,对原始模型(u=a+bi+cj(1))进行了拓展,即u=a+b1i1+b2i2+cj。同时,又根据实际研究内容对拓展后的模型进行了简化,得到改进集对模型u=a+b1i1+b2i2(2)。
用和作为改进白化权函数表达式。
运用白化权函数值,进一步求解改进集对模型系数i1和i2:
本发明确定了影响农网运行效果和投资效率的关键指标,运用集对分析法分别对农村电网投资后运行效果和投资效率进行了分析,其结果可以为制定农村电网精准投资策略提供合理、可靠的依据。采用运行效果和投资效率之间的耦合协调性分析评估农村电网的发展趋势,为提升运行效果和投资效率之间的耦合协调性提供依据。新一轮农村电网升级改造的目标是建成结构合理、技术先进、安全可靠、智能高效的现代农村电网,科学、全面的评估上一轮投资后的农村电网现状是制定农村电网精准投资策略的重要前提,因此,对农村电网进行投资效益评价是农村电网发展必不可少的环节。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述,并且,部分地从说明书中变得显而易见,或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1为本发明的流程图;
图2为传统的上测度白化权函数;
图3为5个县农网的运行效果和投资效率的同一度和差异度柱状图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例的附图,对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
以某省某市5个县农网作为评价对象,基于2014年的指标数据,对其投资效益进行分析。
如图1所示,基于改进集对分析的农村电网投资效益综合评价方法,包括以下步骤:
S1、建立农村电网的投资效率指标体系和运行效果指标体系;
S2、构建改进集对分析“同异模型”,并运用改进白化权函数对模型的系数进行求解;
S3、运用CRITIC求解指标体系中各个指标的客观权重;
S4、运用改进集对模型求解评估对象全部指标的联系度,并进行加权合成,得到评估对象的总联系度,作为评估对象的最终评估结果。
在所述步骤S1中,所述投资效率指标体系和运行效果指标体系均包括一级指标和与一级指标相对应的二级指标;
所述投资效率指标体系的一级指标包括电网结构和投资经济性;
一级指标电网结构相对应的二级指标包括110kV变电站单线单变占比、高压配电网标准化结构占比、110/60kV变电站最大负载率、35kV变电站单线单变占比、35kV变电最大负荷率、10kV运行线路超20年比例、10kV配电运行超20年比例、10kV配电设备最大平均负荷率、10kV配电线路联络率、110/60kV线路电缆化率、35kV线路电缆化率、10kV线路电缆化率、380kV线路电缆化率和供电半径超标低压线路占线路总数比例;
一级指标投资经济性相对应的二级指标包括单位投资增供电量、人均配变容量、万元固定资产供电量和新增单位固定资产收益;
所述运行效果指标体系的一级指标包括可靠性、安全性和新能源协调性;
一级指标可靠性相对应的二级指标包括用户平均停电时间、10kV及以下综合线损率、110kV及以下综合线损率、供电可靠率RS-3和低压用户比例;
一级指标安全性相对应的二级指标包括110/60kV线路重过载率、110/60kV主变重过载率、35kV主变重过载率、35kV线路重过载率、10kV线路重过载率、110/60kV高压配电网线路N-1通过率、35kV高压配电网线路N-1通过率、10kV中压配电线路N-1通过率和综合电压合格率;
一级指标新能源协调性相对应的二级指标包括蓄能消纳电量能力、自发自用电量缺额占比、单位能耗碳排放量、单位能源消耗的GDP产出、交互功率峰谷差占比和储能补充发电能力。
在所述步骤S2中,构建改进集对分析“同异模型”的方法如下:
设两个集合A和B组成集对H=(A,B),对集对H的特性展开分析得到集合A和B的总特性个数p,其中具有相同特性的个数为x,对立特性的个数为z,既不为两个集合所共有,也不对立的特性的个数为y=p-x-z,集合A和B的联系度u的计算公式为
u=a+bi+ck (1)
式(1)中,u的取范围为[-1,1],a、b、c分别为同一度、差异度、对立度,有a=x/p,b=y/p,c=z/p,i为差异度系数且根据不同情况在区间[-1,1]内取值,k为对立度且其值取-1[10];
农网投资效益指标体系R和指标评价等级标准G构成集对H=(R,G),由于评估对象是投资效益的高低,因此并不存在集对分析中的对立情况,同时为了细化评估结果等级,对集对分析中的“同异模型”进行改进拓展至三级,得到改进集对分析“同异模型”如下:
u=a+b1i1+b2i2 (2)
其中,u为集合R和G的联系度,a为同一度,b1和b2为差异度,i1和i2为差异度系数;
各级界限值及对应等级如下:I级为好,其联系度为(0~0.4),其界限值为S3;级为好,其联系度为(0.4~0.7),其界限值为S2;级为好,其联系度为(0.7~1),其界限值为S1;S1为指标理想值集合(0-1标准化后全取1),S3为指标最小值集合,S2为指标最大值和最小值的二等分集合;如表1所示,为联系度等级划分表;
成本型三级联系度模型为
式(3)中,i∈n,n为评估对象个数,j∈m,m为指标个数,xij为各个评价指标的实测值。S1<S2<S3,aij、b1ij和b2ij分别为第i个评估对象的第j个指标的同一度和差异度,i1、i2为差异度系数;
效益型三级联系度模型:
式(4)中,S3<S2<S1。
如图2所示,为传统的上测度白化权函数,采用等斜率方法得到改进后的上限测度白化权函数,在所述步骤S2中,运用改进白化权函数对模型的系数进行求解的方法如下:
用和作为改进白化权函数表达式,其中和的计算公式分别为
式(6)和(7)中,ρ取0.5;
由式(3)、(4)和(6)、(7)可求得差异系数i1和i2分别为
由式(8)和(9)求得运行效果的差异系数为i1=0.6656,i2=0.4372;投资效率的差异系数为i1=0.6189,i2=0.4737;运用改进集对分析模型,求得5个县的运行效果和投资效率的同一度和差异度如图3所示。
在所述步骤S3中,运用CRITIC求解指标体系中各个指标的客观权重的方法如下:
以对比强度和冲突性来衡量客观权重,对比强度表示同一指标各个评价方案取值差距的大小,用标准差进行量化的量化值δj为
其中,为第j的指标的平均值,设S为各个评价对象的指标原始矩阵,则
为了消除指标之间量纲的影响,对原始矩阵S进行标准化处理,即
式(12)和(13)分别用于效益型指标标准化和成本型指标标准化,因此得到规范矩阵Y,即
冲突性以指标之间的相关性来表征,相关性越大说明冲突性越小,第j个指标与其它指标的冲突性量化值ε为
式(15)中,rij为第i个指标yki和第j个指标ykj之间的相关系数,即
综合考虑各个指标的对比强度和冲突性,计算指标客观权重;cj表示第j个评价指标包含的信息量,其量化值为
cj越大说明该指标包含信息量越大,指标权重相对也越大,因此各个指标的客观权重为
在所述步骤S4中,综合考虑各个指标的客观权重,对指标联系度和指标权重进行合成可以求得第i个评价对象的总联系度ui,评估对象的总联系度ui的计算方法如下:
式(5)中,uij为第i个评估对象的第j个指标的联系度,wj为第j个指标的客观权重。
如表2所示,为5个县农网运行效果和投资效率的综合评价结果:
由表2可以得到如下结论:
(1)5个县农村电网中四个县的运行效果和投资效率等级一般,一个等级为差,并且任一县农村电网的运行效果和投资效率之间均存在差异,这说明其投资管理、网架等均需要改善和提高。
(2)林州县农村电网的数据包络(DEA)分析的规模效率结果为0.991,这说明其投资规模严重不合理,投资效益一般。
表3中给出该县农村电网运行效果下20个指标的联系度和客观权重,其中指标1、2、5、6、10、13、14、19均达到了较高指标等级,指标2、9、11、12、15、18指标等级较差,而且指标2、9、11、12占有较大的客观权重。因此要想提高整体运行效果,需要重点投资以改善这四个指标。
还包括步骤S5、运用耦合协调性分析模型对农村电网的投资效率和运行效果之间的耦合协调性进行分析,具体如下:
运行效果和投资效率之间存在着相关性和制约性,高效的投资效率可以提高运行效果,低效的投资效率则会制约运行效果,只有两者高度耦合、相互协调、相互促进才能使得农村电网得到科学、快速和稳步发展。
利用物理学中容量耦合概念和模型,对农村电网投资后的运行效果和投资效率进行耦合协调性分析计算,定义耦合度C为
式中U(ua)和U(ub)分别为各个评价对象的运行效果和投资效率的联系度,C的取值范围为0~1,其值越大说明运行效果和投资效率之间的耦合程度越高,也即两者良好共同发展的程度越高;由于耦合度仅仅反映了运行效果和投资效率的耦合现状,因此引入协调度以分析两者的协调发展趋势,其定义为
式中,T为综合调和指数,其计算式为
T=d1×U(ua)+d2×U(ub) (21)
式中,调和系数d1和d2分别取0.6和0.4,将耦合度C和协调度D分别进行等级划分,并以列表的形式得到农网运行效果和投资效率的耦合协调分析结果。如表4为耦合度和协调度取值及其对应等级划分表:
考虑到5个县农网运行效果和投资效率评估结果之间的差异性,对其进行耦合协调性分析,结果如表5所示。
由表5可知,这5个县农网运行效果和投资效率耦合等级均为拮抗,这表明运行水平受投资效率水平的制约,通过改善网架结构、加大投资经济性可以提高投资效率,进而提高这5个县农网的投资效益水平。运行效果和投资效率的协调等级为中度说明运行效果和投资效率两方面尽管在短期内可以合作发展,保证整个农网的正常运行,需要在今后的投资中注重分析运行效果和投资效率指标之间的关联性,以利于这两者的长期协调发展。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换,只要不脱离本发明技术方案的精神和范围,均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。