基于灰色模糊綜合評判的10 kV配電網(wǎng)安全風險評估

施泉生, 牛　沁

(上海電力學院 經(jīng)濟與管理學院, 上?！?00090)

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基于灰色模糊綜合評判的10 kV配電網(wǎng)安全風險評估

施泉生, 牛沁

(上海電力學院 經(jīng)濟與管理學院, 上海200090)

摘要:基于配電網(wǎng)特征,建立配電網(wǎng)評估體系,通過層次分析法冪法分析權(quán)重,得到權(quán)重模部信息,采用灰點評估模部信息的不可靠度,進行權(quán)重灰部確定;利用隸屬函數(shù)來描述各評估指標與評判等級間的隸屬關(guān)系,即指標模部,結(jié)合信息充裕程度和專家經(jīng)驗,確定各評估指標的灰部,進而對配電網(wǎng)安全風險進行灰色模糊綜合評判.實例驗證表明,該方法能夠有效可靠地評估配電網(wǎng)的安全風險狀況.

關(guān)鍵詞：配電網(wǎng); 安全風險評估; 灰色; 模糊; 綜合評判

風險評估也稱安全評估,通過辨識系統(tǒng)中可能存在的風險分析其造成的嚴重程度,評估系統(tǒng)安全狀態(tài),進而為相關(guān)安全標準及措施的制定提供有效依據(jù)[1].配電網(wǎng)是電力輸送的最后環(huán)節(jié),面向廣大電力用戶,也是確保供電質(zhì)量的重要環(huán)節(jié).

目前,對配電網(wǎng)進行風險評估的方法主要有以下幾種[2-6]:一是安全檢查表法,該方法簡單、經(jīng)濟有效,但不能作定量分析,研究結(jié)果具有較強的主觀性;二是粗糙集人工神經(jīng)網(wǎng)絡法,利用計算機系統(tǒng)模擬事物間復雜交錯的聯(lián)系,適應性強,但需要大量的原始數(shù)據(jù)作為樣本,實際中難以獲得;三是概率分析法,采用概率方法評估風險因素可能造成的嚴重程度,需要有較好的數(shù)學基礎(chǔ);四是蒙特卡羅模擬法,能有效模擬實際物理過程，但在模擬過程中需要產(chǎn)生大量隨機變量,計算量較大;五是模糊綜合評判理論,其評估指標的灰度性對評估結(jié)果有影響,但該方法僅考慮了模糊性.

本文將隸屬度和灰度綜合應用于配電網(wǎng)的安全風險評估中,建立評估指標體系,在分析模糊關(guān)系的同時,用灰度來表述信息的不充分度.在此基礎(chǔ)上,對配電網(wǎng)進行安全風險評估,并用實例進行驗證.

1理論概述

1.1灰色與模糊概念

在實際工程中,某事件往往不具備完全充足的資料,即事件存在灰色性,因此在綜合評判中既要考慮事件的模糊性,又要考慮灰色性,即“灰色”與“模糊”相結(jié)合來評判問題.其中灰色是“量”的概念,而模糊指評判信息“質(zhì)”的概念.二者是對同一問題不同概念的描述[7].

1.2灰色模糊綜合評價理論

對空間X={x},假設(shè)A是其上的一個模糊子集,uA(x)為x對于A的隸屬度值,vA(x)為x對于A的灰度值,則稱A為X上的灰色模糊集合,記作：

(1)

(2)

式中:uij——評判對象i對評語集j的隸屬度;

vij——相應的點灰度.

(3)

·F,+F——模部運算廣義“與”“或”符號;

·G,+G——灰部運算采用的廣義“與”“或”符號;

° ——模糊合成符號.

2模型構(gòu)建

2.1構(gòu)模步驟

灰色模糊理論是灰色模糊綜合評判的基本數(shù)學思想,安全風險評估的結(jié)果往往根據(jù)專家、工作人員意見及運行記錄結(jié)果進行判斷,其中人的因素存在主觀性,信息不可靠度存在較大可能性,因此可將該模型用于配電網(wǎng)安全風險評估中,評判基本步驟如下:

(1) 建立10 kV配電網(wǎng)安全風險評估體系,請專家對權(quán)重調(diào)查表和指標評分表進行評估;

(2) 建立評判等級集;

(3) 通過層次分析冪法確定各層指標權(quán)重模部,將結(jié)果反饋給專家,評判權(quán)重灰部;

(4) 利用隸屬度函數(shù)來處理指標得分,將得分結(jié)果反饋給專家,根據(jù)反饋結(jié)果,建立灰色關(guān)系矩陣,以此評估各指標信息的不充分程度;

(5) 通過灰色模糊綜合評判對10 kV配電網(wǎng)安全風險進行綜合評估;

(6) 最后處理數(shù)據(jù),總結(jié)評判結(jié)果.

2.2構(gòu)建指標體系

安全性評估的主要標準有《供電企業(yè)安全性評價》和《供電企業(yè)安全性評價查評依據(jù)》.本文根據(jù)2014年版《縣供電企業(yè)安全性評價》標準,結(jié)合配電網(wǎng)特征,建立評估指標體系,進行安全風險評估[8-9].具體指標體系見表1.指標體系從電網(wǎng)規(guī)劃、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、供電可靠性、調(diào)度控制以及電力通信5個方面考量配電網(wǎng)的安全風險,包含20個子準則層.其中子準則層又可細分為多個指標.

2.3建立評價集

結(jié)合配電網(wǎng)實際情況,綜合考慮評判精度及運算復雜度,將配電網(wǎng)安全風險狀況分為4個等級,分別是“很安全”“ 較安全”“安全”“ 危險”.

2.4確定指標權(quán)重集

使用定量方式將各指標在整體指標體系中所占重要性比重表示出來.本文采用層次分析法中的冪法進行權(quán)重集模部判定[10].權(quán)重集灰部采用專家打分法,打分時，去掉最大最小值再求均值;同層次下評估指標信息可靠度相差不大,假定同父層下指標有相同灰部[11].打分標準見表2.

權(quán)重集的灰色模糊矩陣可表示為:

(4)

2.5建立指標模部和灰部

2.5.1確定各指標模部

對于表征指標集與評判集間的模糊關(guān)系,有多種形式隸屬度函數(shù)可供采用.本文采用梯形函數(shù)與三角函數(shù)來計算各指標隸屬度[12].這兩種函數(shù)形式簡單,且結(jié)果與其他復雜形式的函數(shù)所得結(jié)果相差較小,如圖1所示.圖1中,評判等級有很安全、較安全、安全、危險4個等級,分別對應區(qū)間為:[x2,+∞),[x3，x1),[x4，x2),[0，x3).

對應隸屬度函數(shù)為:

(5)

(6)

(7)

(8)

式(5)至式(8)中,x1,x2,x3,x4的取值根據(jù)指標的具體情況而定.各指標根據(jù)子準則層下的指標細則由專家和一線工作人員根據(jù)現(xiàn)場實際情況和運行日志進行評分.

2.5.2確定各指標灰部

針對收集到的信息存在不可靠問題,可將灰色理論引入模糊關(guān)系矩陣中.將模部結(jié)果反饋給評分人員,由評分人員對模部結(jié)果再次打分,評估灰部,采用與確定指標集灰部相同的方法得灰部數(shù)值.

2.6構(gòu)建判定式

(9)

wk,vk——各指標權(quán)重及對應點灰度;

ukj,vkj——各指標的隸屬度及對應的點灰度;

N——父指標i下子指標的個數(shù).

2.7決定評判等級

目前有兩種方法對綜合評判結(jié)果進行處理,即區(qū)間形式法和隸屬度最大原則.區(qū)間形式法,是將指標的模部和灰部處理轉(zhuǎn)化成區(qū)間形式,各區(qū)間按一定方式進行比較,但每個指標區(qū)間都需計算出相應的比較函數(shù),且模部和灰部均為小數(shù),這樣計算量會隨指標體系的增大而大大增加.隸屬度最大原則是指隸屬度越大,灰度越小,信息越可靠準確,可綜合以上兩因素進行評判,但當兩因素都較大時,則無法進行有效處理.因此,結(jié)合內(nèi)積法與最大隸屬度法來處理評判結(jié)果[6].

(10)

式中:[bi,bi]——向量bi的內(nèi)積.

最后，根據(jù)最大隸屬來評判配電網(wǎng)的安全風險等級.

3算例分析

選取某縣級10 kV電網(wǎng)為評估對象.該電網(wǎng)2014年最大負荷為306 MW,有110 kV變電站8座,總?cè)萘繛?75.5 MW；35 kV變電站16座,容量為242.9 MW;10 kV線路118條,長度為2 523 km;10 kV配電變壓器2 477臺,容量957.7 MW.構(gòu)成以110 kV和35 kV變電站為供應電源,10 kV線路為主干網(wǎng)的配電網(wǎng)，用本文所提方法對其安全風險狀態(tài)進行評估.由表1可知,本文主要考慮電網(wǎng)規(guī)劃、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、供電可靠性、調(diào)度控制和電力通信5大因素.具體驗證過程如下.

步驟1確定各指標的權(quán)重集,包括模部和灰部,以指標“電網(wǎng)結(jié)構(gòu)”為例進行說明,結(jié)果見表3.

步驟2確定指標的灰色模糊判別矩陣,以指標“電網(wǎng)規(guī)劃”為例進行說明.

其次,確定灰色模糊判別矩陣的灰部.以指標“電網(wǎng)規(guī)劃管理”為例.對于電網(wǎng)規(guī)劃管理隸屬度為“很安全”,評分人員根據(jù)數(shù)據(jù)的充裕程度及經(jīng)驗進行評分,{0.15,0.05,0.1,0.2,0.25,0.15,0.3,0.1,0.05,0.2},處理后得對應點灰度為0.15,同理求得各指標相應隸屬等級的點灰度值.指標電網(wǎng)規(guī)劃的灰色模糊判別矩陣見表5.

最后,確定5大指標的灰色模糊判別矩陣,結(jié)果見表6.

步驟3進行灰色模糊綜合評判.5大指標綜合評判結(jié)果構(gòu)成的灰色模糊判別矩陣為:

權(quán)重集矩陣為:

根據(jù)算例結(jié)果,綜合評估10 kV配電網(wǎng)安全風險等級為較安全,表明評估體系中,各指標均未超過規(guī)定的范圍,但有部分指標接近規(guī)定的臨界值,在日常運行中應加強監(jiān)督,適當進行檢修及改造.但若未加入灰度理論,僅根據(jù)由隸屬度函數(shù)得出的模糊關(guān)系來評估配電網(wǎng),按隸屬度最大評估結(jié)果應為很安全.而實際中,該配電網(wǎng)安全等級并非如此,這是由于在評判過程中收集到的信息不可靠度偏高導致的.由此可見,灰色模糊綜合評判方法更加實際可靠.

4結(jié)語

結(jié)合配電網(wǎng)安全風險實際運行情況與理論分析,建立了10 kV配電網(wǎng)安全風險評估指標體系.實例驗證表明,本文所提算法能夠客觀有效地評估10 kV 配電網(wǎng)的安全風險狀況,可為配電網(wǎng)的規(guī)劃、運行、維護和改造提供可靠的參考.

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(編輯胡小萍)

Security Risk Assessment for 10 kV Distribution Network Based on Gray Fuzzy Comprehensive EvaluationSHI Quansheng, NIN Qin

(SchoolofEconomicsandManagement,ShanghaiUniversityof

ElectricPower,Shanghai200090,China)

Abstract:A distribution network evaluation system is established based on the character of distribution network.AHP method is used to determine the fuzzy part of weight indicator,and gray dots are introduced to describe fuzzy part information unreliability.The membership functions are built up to describe the fuzzy relationship between the assessment indicators and evaluation rank as the fuzzy part of evaluation indicators,and the gray part of each evaluation index is determined by combining information adequacy and expertise experience.On this basis,the gray fuzzy comprehensive evaluation method is conducted to assess the distribution network.The result shows the effectiveness and reliability of the proposed method.

Key words:distribution network; security risk analysis; gray; fuzzy; comprehensive evaluation

中圖分類號：TM08; TM711

文獻標志碼：A

文章編號：1006-4729(2016)01-0046-05

通訊作者簡介：牛沁,(1989-),女,在讀碩士,安徽合肥人.主要研究方向為配電網(wǎng)安全風險評估.E-mail::934476068@qq.com.

收稿日期：2015-08-27

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.011