基于模糊層次分析法的電力安全風(fēng)險評估

鐘銀超，譚世海，楊太國

(1.重慶市巫山縣供電有限責(zé)任公司，重慶巫山404700;2.重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶400053)

0 引言

電力是國民經(jīng)濟的基礎(chǔ)，關(guān)系到國民經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步。隨著電力產(chǎn)業(yè)的不斷改革，電力安全生產(chǎn)變得越來越重要，關(guān)系到電力企業(yè)的生存與發(fā)展，為此，研究電力安全風(fēng)險評估就變得很有必要。對整個電力系統(tǒng)及其結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管理和技術(shù)等進行評估監(jiān)管，并制定相應(yīng)防范對策，對提高和保障整個電網(wǎng)的安全可靠運行來講，具有十分重要的意義［1-3］。

本文提出了一種基于模糊層次分析的綜合評判方法，針對傳統(tǒng)風(fēng)險評估中存在的很多不確定因素，比如專家意見存在偏差，難以進行明確分析，但這些不確定因素卻是正常、不可避免的。文中引入模糊層次分析法，克服了傳統(tǒng)層次分析法的局限性，并結(jié)合實例，對各風(fēng)險因素重要性排序，得到了更加合理的決策結(jié)果。

1 建立層次分析結(jié)構(gòu)

目前電力安全生產(chǎn)已經(jīng)成為一個世界性問題，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，電力系統(tǒng)造成的影響越來越大，由電網(wǎng)造成的經(jīng)濟等方面的事件在國內(nèi)外也經(jīng)常發(fā)生。人們常指的電力安全生產(chǎn)，即不發(fā)生人身傷亡事故、主要設(shè)備損壞事故;不發(fā)生火災(zāi)和系統(tǒng)大面積停電事故。我國西電東送和全國聯(lián)網(wǎng)的戰(zhàn)略實施，電力安全問題隨著電力網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日益擴大已經(jīng)上升為國家安全問題［4-5］。在20世紀90年代后期，國外電力組織就制訂了電力系統(tǒng)可靠性及風(fēng)險評估相關(guān)標(biāo)準或規(guī)范。2004年我國頒布了DL/T 861-2004《電力可靠性基本名詞術(shù)語》，但現(xiàn)有的確定性評估準則及可靠性概率評估體系存在諸多缺陷［6］。因此，電力行業(yè)目前急待解決的問題是，如何將電力系統(tǒng)的安全風(fēng)險評估體系及框架提升到政府監(jiān)管下全行業(yè)實用化的階段。根據(jù)文獻［6］提出的研究成果，在應(yīng)對災(zāi)變的電力安全風(fēng)險評估中，采用政府與企業(yè)合作的方式，構(gòu)成整個電力系統(tǒng)的安全風(fēng)險評估體系，國內(nèi)外電力系統(tǒng)風(fēng)險事故可以劃分為“因穩(wěn)定破壞引起的大面積停電事故”、“因外力破壞造成電網(wǎng)支解的大面積停電事故”以及“針對電力系統(tǒng)的恐怖襲擊”三種類型。對此三種類型的大面積停電事故進行分析，選取了結(jié)構(gòu)、設(shè)備、管理、技術(shù)四個方面利用模糊層次分析法進行評估。

美國運籌學(xué)家T.L.Saaty教授于20世紀70年代提出了層次分析法的概念。層次分析法(AHP)的主要特點是以人腦決策思維規(guī)律為基礎(chǔ)，結(jié)合了數(shù)學(xué)分析的方法，從決策者的選擇和判斷出發(fā)，通過簡單的數(shù)學(xué)運算來實現(xiàn)目標(biāo)決策。但它也存在著不可避免的缺點:判斷矩陣的一致性調(diào)整需要大量的修改和計算，這可能與人們的決策思維不能保持一致，調(diào)整一致性需要調(diào)整的元素事先并不知道，通常只能根據(jù)經(jīng)驗調(diào)整，帶有盲目性［7-9］。而模糊層次分析法可以有效解決這方面的問題，所謂模糊，主要是指客觀事物間的差異在中介過程狀態(tài)所呈現(xiàn)的亦此亦彼性，如好與壞、高與低之間都找不到明顯的界限。它是一種定性和定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法，由層次分析結(jié)構(gòu)模型和專家判斷信息，構(gòu)造各層次元素的模糊判斷矩陣，把復(fù)雜的決策問題用簡單的兩兩比較形式給出［10-12］。結(jié)合模糊層次分析法的特點，建立了電力安全風(fēng)險因素層次分析結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 電力安全風(fēng)險因素層次分析結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，目標(biāo)層是解決問題的目標(biāo)，即設(shè)定的目標(biāo)就是電力狀態(tài)安全與否;準則層是實現(xiàn)目標(biāo)所要滿足的要求和條件，即從結(jié)構(gòu)、設(shè)備、技術(shù)、管理風(fēng)險發(fā)生時，可能給電力安全帶來損失方面的風(fēng)險因素進行排序;因素層是實現(xiàn)目標(biāo)的具體方案，即電力安全中一般存在較多風(fēng)險因素。

2 基于模糊一致矩陣的權(quán)重確定

在建立好層次結(jié)構(gòu)模型之后，就確定了上下層次之間的隸屬關(guān)系，接著就可以由該結(jié)構(gòu)和專家意見構(gòu)造各個層次的元素模糊判斷矩陣。模糊層次分析法針對系統(tǒng)的不確定因素影響、1/9～9標(biāo)度差異過大等問題，引入模糊一致矩陣的概念，對層次分析法進行改進，形成基于模糊一致矩陣的模糊層次分析法。

定義 1:設(shè)矩陣 R=(rij)n×n，若滿足0≤rij≤1，(i，j=1，2，…，n)，則稱 R 是模糊矩陣。

定義2:設(shè)模糊矩陣R=(rij)n×n，若滿足rij+rji=1，(i，j=1，2，…，n)，則稱模糊矩陣 R 是模糊互補矩陣。

定義3:設(shè)模糊矩陣R=(rij)n×n，若滿足任意i，j，k ，有 rij=rik-rjk+0.5 ，則稱模糊矩陣 R 是模糊一致矩陣。

由模糊一致矩陣計算風(fēng)險因素權(quán)重的解，步驟如下，流程圖見圖2。

1)建立模糊互補矩陣R=(aij)n×n

圖2 風(fēng)險因素權(quán)重解的流程

通過元素間的兩兩比較，構(gòu)造模糊互補判斷矩陣R=(aij)n×n，表示針對上層某準則，本層與之有關(guān)元素之間的相對重要性程度。其中aij表示第i個元素ui與第j個元素uj的相對重要性程度，其中:①aij=0.5，表示ui與uj同樣重要;②aij＜ 0.5，表示uj比 ui重要，且 aij越小，uj比 ui越重要;③ aij＞ 0.5，表示ui比uj重要，且aij越大，ui比uj越重要。對于模糊判斷矩陣中兩兩元素重要性比較的定量描述有0.1～0.9九標(biāo)度定義，如表1所示。

2)求取模糊一致矩陣

根據(jù)定義3檢驗建立的模糊互補矩陣是否具有一致性，如果不具有一致性，則按下列方式求取模糊一致矩陣:

首先對模糊互補矩陣按行求和，記為ri=，并做如下數(shù)學(xué)變換 rij=，則由此建立的矩陣R=(aij)n×n是模糊一致的。

表1 模糊判斷矩陣標(biāo)度含義

3)求取結(jié)構(gòu)各層權(quán)重

根據(jù)步驟2)采用的方法，建立由專家參與評估的模糊一致矩陣為

由模糊一致矩陣(1)采用行和歸一化求得權(quán)重向量為w=(w1，w2，…，wn)T。其中權(quán)重向量滿足

wi=，具體證明見參考文獻［13］。

4)求取結(jié)構(gòu)總權(quán)重

由步驟3)得到本層次有關(guān)元素與上一層某元素之間的相對權(quán)重，通過由目標(biāo)層次到最低層次逐層進行計算，同一層次所有元素相對于目標(biāo)層相對重要性的權(quán)重來比較該層所有元素相對于目標(biāo)層的重要性。假設(shè)頂層A的下層B有m個風(fēng)險因素b1，b2，…bm，對 A 的排序權(quán)重分別為 wb1，wb2，…wbm;而B的下一層次C有n個風(fēng)險因素c1，c2，…cn，利用步驟3)求取層次C所有風(fēng)險因素，對風(fēng)險因素Bj的層次排序權(quán)重分別為 wc1，wc2，…wcn;當(dāng) Ci與 Bj沒有聯(lián)系時wcij為0;C層對A層得總權(quán)重向量WjT，可由式(2)求得:

式中，j=1，2，…，n。重復(fù)上述過程至最底層，便可以得到所有風(fēng)險因素相對于目標(biāo)層A電力安全狀態(tài)的排序權(quán)重，實現(xiàn)所有風(fēng)險因素的重要性排序。

3 算列及其分析

對于目標(biāo)層(電力安全狀態(tài)A)，假設(shè)專家根據(jù)表1對準則層的4種風(fēng)險因素(結(jié)構(gòu)風(fēng)險B1、設(shè)備風(fēng)險B2、管理風(fēng)險B3、技術(shù)風(fēng)險B4)兩兩之間對比打分，再根據(jù)第2節(jié)中步驟1)介紹方法，可獲得模糊互補矩陣A:

同理，可計算出模糊互補矩陣 B1、B2、B3、B4如下所示:

再根據(jù)第2 節(jié)中步驟2)分別求取A、B1、B2、B3、B4的模糊一致矩陣 A'、B'1、B'2、B'3、B'4，結(jié)果如下:

因此，根據(jù)第2節(jié)中步驟3)可分別求得權(quán)重向量

根據(jù)式(2)可以求得C層相對于A層得總權(quán)重向量

經(jīng)過上述綜合計算，可以得出該電力風(fēng)險評估中，風(fēng)險因素影響從高到低依次為:安全生產(chǎn)管理體制風(fēng)險、應(yīng)急管理體制風(fēng)險、防止外力破壞的安全措施風(fēng)險、關(guān)鍵一次設(shè)備風(fēng)險、電源結(jié)構(gòu)脆弱性風(fēng)險、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)脆弱性風(fēng)險、關(guān)鍵二次設(shè)備風(fēng)險、關(guān)鍵電力通信網(wǎng)絡(luò)及設(shè)備風(fēng)險、運行脆弱性風(fēng)險、繼電保護技術(shù)風(fēng)險、系統(tǒng)調(diào)度運行風(fēng)險、安全穩(wěn)定自動裝置技術(shù)風(fēng)險、電力新技術(shù)應(yīng)用風(fēng)險。

在確定以上各評價因素的基礎(chǔ)上，還可以根據(jù)本文求得的電力安全風(fēng)險因素總權(quán)重向量WjT與對應(yīng)風(fēng)險因素評分值的乘積，對電力系統(tǒng)健康狀態(tài)評估，其電力系統(tǒng)健康程度綜合總分求取公式為

式中:WjT分別為第C層對A層的風(fēng)險因素的權(quán)重;j為第C層風(fēng)險因素序號;Sj為第C層風(fēng)險因素的評分。電力系統(tǒng)健康程度等級表如表2所示。

表2 健康程度等級表

可見，權(quán)重的確定極為重要，采用模糊層次分析法求取是合理可行的。

4 結(jié)論

應(yīng)用模糊層次分析法確定電力安全風(fēng)險因素的權(quán)重，克服了傳統(tǒng)層次分析法應(yīng)用時存在的諸多不足，并對風(fēng)險因素影響重要性排序的確定更加全面和合理。由實例驗證分析可知，該風(fēng)險因素評估方法可以對電力系統(tǒng)安全風(fēng)險因素進行評估，同時還可以結(jié)合后期各風(fēng)險因素評分值得出系統(tǒng)健康狀態(tài)等級，確定風(fēng)險因素的優(yōu)先級和采取適當(dāng)管理行為，對如何采取防范風(fēng)險的控制措施有重要的指導(dǎo)意義。

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