基于模糊數(shù)相似度的電網(wǎng)自然災(zāi)害風(fēng)險評價方法

周 景，李存斌，左一惠

（華北電力大學(xué)，北京 102206）

0 引言

近年來，由于自然災(zāi)害因素的作用，電網(wǎng)安全穩(wěn)定和經(jīng)濟運行受到嚴重的損害[1]。例如2008年初，我國南方地區(qū)大面積遭受雨雪冰凍災(zāi)害，輸電線路遭受嚴重破壞，使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)受到嚴重影響，很多線路和變電站因災(zāi)停運。在世界范圍，由地震等自然災(zāi)害帶來的影響更是不容小視。2011年日本發(fā)生9.0級強震，引起福島核電站核泄漏，造成相當(dāng)大的經(jīng)濟損失和社會損失。為了有效地應(yīng)對自然災(zāi)害，最大程度的減小災(zāi)害對電網(wǎng)運行帶來的損失，國內(nèi)外不少學(xué)者針對電網(wǎng)自然災(zāi)害防御做了不少研究。文獻[2]基于對2008年雪災(zāi)所造成的影響進行分析，提出了應(yīng)當(dāng)災(zāi)害措施和南方地區(qū)電網(wǎng)的規(guī)劃方向。文獻[3]和文獻[4]提出了自然災(zāi)害對電網(wǎng)的影響及對應(yīng)的預(yù)防、預(yù)警措施。文獻[5]分析了中國電網(wǎng)自然災(zāi)害的防御現(xiàn)狀。

針對各種自然災(zāi)害的特點，建立電網(wǎng)自然災(zāi)害風(fēng)險評價指標體系，對電網(wǎng)自然災(zāi)害的積極防御顯得十分必要。本文結(jié)合電網(wǎng)現(xiàn)狀，在辨識電網(wǎng)危害因素和脆弱性分析[6]的基礎(chǔ)上、構(gòu)建電網(wǎng)自然災(zāi)害風(fēng)險評價指標體系[7]。結(jié)合模糊數(shù)相似度方法進行自然災(zāi)害風(fēng)險綜合評價，為相關(guān)部門制定自然災(zāi)害防御措施提供決策依據(jù)，具有一定的應(yīng)用價值。

1 電網(wǎng)自然災(zāi)害風(fēng)險綜合評價指標體系

電網(wǎng)自然災(zāi)害常常是以災(zāi)害群的方式出現(xiàn)，因而需要采用多災(zāi)種的風(fēng)險評估體系。災(zāi)害具有持續(xù)作用的特點，在時間和空間上產(chǎn)生的影響都會擴張，因此需要考慮的自然災(zāi)害風(fēng)險因素不能僅僅限于災(zāi)害發(fā)生本身。此外，自然災(zāi)害除了對電網(wǎng)中電力設(shè)備造成直接影響，而且會引起事故而產(chǎn)生很大的社會影響。對于電網(wǎng)自然災(zāi)害的綜合風(fēng)險分析，電網(wǎng)特性和抗災(zāi)恢復(fù)能力等也是影響風(fēng)險評估的重要因素[8]。從多層次、多角度結(jié)合定性與定量分析的評價原則，建立如表1所示的指標體系。

表1 電網(wǎng)災(zāi)害風(fēng)險評價指標體系

如表1所示，在構(gòu)成電網(wǎng)自然災(zāi)害風(fēng)險評價的指標體系中，一級指標共四項。二級指標的計算方法如下所示。

1）自然因素風(fēng)險指標計算方法

災(zāi)害風(fēng)險——災(zāi)害發(fā)生概率乘以災(zāi)害強度。

2）電網(wǎng)特性風(fēng)險指標計算方法

負載狀況—供電負荷減少量或增加量除以事故發(fā)生前供電負荷量；

電壓偏差——實際的運行電壓與系統(tǒng)額定電壓之差比上額定電壓：

3）抗災(zāi)恢復(fù)力風(fēng)險指標計算

預(yù)警處理能力——定性分析的指標，分析評價系統(tǒng)信息化水平、通信設(shè)施，進行相應(yīng)的橫向比較；

物資儲備能力——定性分析的指標，調(diào)查救援物資儲備狀況，判斷物資儲備能力；

搶修恢復(fù)能力——定性分析的指標，記錄從發(fā)生事故到電網(wǎng)恢復(fù)正常狀態(tài)所用時間，判斷搶修恢復(fù)能力。

4）社會影響風(fēng)險指標計算

死亡人數(shù)——自然災(zāi)害造成電網(wǎng)故障而導(dǎo)致的死亡人數(shù)；

重傷人數(shù)——自然災(zāi)害造成電網(wǎng)故障而導(dǎo)致的重傷人數(shù)；

居民停電用戶比例——居民停電總用戶數(shù)除以城市供電總用戶數(shù)；

直接經(jīng)濟損失——更換有自然災(zāi)害損壞的設(shè)備和配件材料，以及所需人工成本和運輸成本對應(yīng)費用。

2 梯形模糊數(shù)相似度風(fēng)險分析法

2.1 模糊風(fēng)險分析

假設(shè)A指標由n個二級指標組成，A1，A2，…，An。每個二級指標可用兩個評估術(shù)語來表示——“風(fēng)險發(fā)生的可能性（iR）”和“風(fēng)險發(fā)生帶來的損失嚴重性（iB）”，iR和iB取表2中的梯形模糊語言值。

風(fēng)險模糊分析算法步驟如下[9]：

1）對每一個子部分模糊等級iR和iB，計算模糊加權(quán)平均均值和梯形模糊數(shù)等級算子，計算公式如下：

2）用模糊語言值的梯形模糊數(shù)的相似度，計算R的梯形模糊數(shù)模糊語言值與表2中的每一個語言值之間的相似度。然后取相似度最大值所對應(yīng)的模糊語言值作為R的模糊語言值，得到模糊等級A。

表2 九級模糊語言值量表

2.2 梯形模糊數(shù)語言值的算子

假設(shè)兩個梯形模糊數(shù)等級A和B，改進型梯形模糊數(shù)等級的算子對和的運算如下[10]：

1）語言值梯形模糊數(shù)加法⊕

2）語言值梯形模糊數(shù)乘法?

3）語言值梯形模糊數(shù)除法?

2.3 相似度的相關(guān)定義和計算方法

如果A=B

如果A≤B

A和B之間的相似度 (,)S A B定義如下：

其中：

3 實例分析

以某地市電力公司為研究對象建立自然災(zāi)害風(fēng)險評價模型。利用梯形模糊相似度，通過分析近年來自然災(zāi)害狀況、特點以及影響，參照建立的模糊風(fēng)險分析結(jié)構(gòu)，先對上面描述的四個一級指標風(fēng)險進行計算，得到對應(yīng)的風(fēng)險等級[11]。再根據(jù)不同風(fēng)險之間的損失程度計算相應(yīng)的自然災(zāi)害風(fēng)險等級。

3.1 二級指標風(fēng)險模糊評定

參考模糊語言值量表，對一級指標進行風(fēng)險模糊評定，得到二級指標的評定表，如表3所示。

表3 風(fēng)險具體指標模糊評定表

3.2 一級指標的合成

采用模糊風(fēng)險分析結(jié)構(gòu)，對上述四個以及風(fēng)險指標進行合成，結(jié)果如表4所示。

表4 一級指標風(fēng)險合成模糊值

3.3 利用模糊相似度對風(fēng)險等級進行評判

在得到一級指標的風(fēng)險模糊合成值后，利用梯形模糊數(shù)相似度對其進行相似度計算。指標的風(fēng)險模糊等級可通過最大相似度原則進行判定。從表5的相似度可知，自然因素、電網(wǎng)特性和抗災(zāi)恢復(fù)力這三個指標的風(fēng)險等級為相當(dāng)高，社會影響的風(fēng)險等級為中，相對較低。

表5 一級指標相似度計算結(jié)果

3.4 自然災(zāi)害風(fēng)險綜合評價

針對一級指標進行損失的判斷，根據(jù)電網(wǎng)自然災(zāi)害評估的經(jīng)驗，給出四個一級指標風(fēng)險的損失模糊語言值，如表6所示。

表6 一級指標的損失模糊語言值

采用公式（1）進行最終的電網(wǎng)運行自然災(zāi)害風(fēng)險評價，得到總風(fēng)險模糊語言值R。

R={0.476，0.662，0.914，0.965；1}

下一步是計算總風(fēng)險模糊值R和定義的模糊語言值量表的相似度，在得到R的模糊相似度后，采用最大相似度來確定所評估電網(wǎng)的自然災(zāi)害風(fēng)險等級，如表7所示。從表7的結(jié)果上看，所評估電網(wǎng)的自然災(zāi)害風(fēng)險等級相對高的水平，相關(guān)部門應(yīng)加強風(fēng)險管理，積極進行相應(yīng)的自然災(zāi)害風(fēng)險防御，以保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

表7 自然災(zāi)害風(fēng)險相似度

4 結(jié)論

嚴重的自然災(zāi)害難以預(yù)期，但是通過風(fēng)險評估可以對自然災(zāi)害的發(fā)生進行預(yù)警，做好預(yù)防工作并及時采取應(yīng)對措施，可以將損失減少到最小，從而保證電網(wǎng)運行安全。本文根據(jù)自然災(zāi)害的特點和自然風(fēng)險對電網(wǎng)產(chǎn)生的影響特性，構(gòu)建了電網(wǎng)自然災(zāi)害風(fēng)險評價指標體系，從四個方面——自然因素、電網(wǎng)特性、抗災(zāi)恢復(fù)力、社會影響分析，對其包括的多個二級指標進行分析，提出了基于模糊相似度電網(wǎng)自然災(zāi)害綜合風(fēng)險評價方法。算例表明，該方法具有可行性，為決策部門制定災(zāi)害防御策略提供了決策依據(jù)。

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