高壓試驗(yàn)安全模糊綜合評(píng)價(jià)方法研究

王 建，鄧 慰，李煉煉，魏 偉，秦澔澔，馬勤勇

(1 國網(wǎng)新疆電力有限公司電力科學(xué)研究院， 烏魯木齊 830011；2 南瑞集團(tuán)有限公司， 南京 211106；3 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院武漢南瑞有限責(zé)任公司，武漢 430074)

電力系統(tǒng)由眾多電氣設(shè)備構(gòu)成，其中高壓電氣設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行是保障整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵.高壓試驗(yàn)是防患于未然，保證電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要措施之一.大部分高壓試驗(yàn)針對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行破壞性試驗(yàn)驗(yàn)證，其工作較為特殊，容易造成非常惡劣的安全事故，造成人身安全以及國家財(cái)產(chǎn)損失[1,2].由于高壓試驗(yàn)的特殊性、復(fù)雜性和不確定性，量化其風(fēng)險(xiǎn)存在一定的困難，目前國內(nèi)主要采用定性分析方法對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，然后采取制度措施來加強(qiáng)安全管理，如國家電網(wǎng)公司制定了《電力安全工作規(guī)程》來加強(qiáng)高壓試驗(yàn)的安全性，而對(duì)高壓試驗(yàn)安全評(píng)價(jià)的研究較少[3].

對(duì)于安全綜合的評(píng)價(jià)方法，常用的方法主要有事故樹分析、安全檢查表、預(yù)先危險(xiǎn)性分析等[4-6].應(yīng)用較多的是層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和模糊綜合評(píng)價(jià)法 (fuzzy comprehensive evaluation method，F(xiàn)CEM)，兩者相結(jié)合可運(yùn)用于高壓試驗(yàn)的安全性定性和定量分析[7，8].

針對(duì)高壓試驗(yàn)存在模擬氣象環(huán)境的極性端、不同設(shè)備自身電壓差異性等危險(xiǎn)因素，例如圖1所示的模擬輸電線路絕緣子覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)，本文采用層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)新疆某高壓實(shí)驗(yàn)室高壓試驗(yàn)的安全狀況進(jìn)行了評(píng)估.

圖1 高壓絕緣子覆冰閃絡(luò)試驗(yàn)Fig.1 Ice flashover test of high voltage insulator

建立了包括人員素質(zhì)、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)環(huán)境、應(yīng)急與事故處理、現(xiàn)場管理等高壓試驗(yàn)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，在高壓試驗(yàn)安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了相應(yīng)的定量分析，分析了高壓試驗(yàn)的危險(xiǎn)因素，確定了該實(shí)驗(yàn)室高壓試驗(yàn)的安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí).

1 基于層次分析法的高壓試驗(yàn)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型

(1)高壓試驗(yàn)安全綜合評(píng)價(jià)體系由若干遞階層次因素構(gòu)成，遞階層次結(jié)構(gòu)通?？煞譃轫攲?、中間層和底層.頂層為安全綜合評(píng)價(jià)的結(jié)果，中間層被分解成為試驗(yàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素、試驗(yàn)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素、人員素質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)因素、現(xiàn)場管理風(fēng)險(xiǎn)因素、應(yīng)急與事故風(fēng)險(xiǎn)因素這5部分，這一層次的諸因素從屬于頂層，同時(shí)又按其屬性和關(guān)系形成底層相鄰上一層次的影響因素作為準(zhǔn)則，支配下一層次相關(guān)元素.

(2)同一層次的各影響因素基于準(zhǔn)則進(jìn)行相互比較，并定量其重要程度，最終形成判斷矩陣.判斷矩陣中各元素的取值采用1～9標(biāo)度法確定，主要基于專家評(píng)估或者歷史數(shù)據(jù)[9，10].

(1)

式(1)中的aij表示的是第i個(gè)指標(biāo)與第j個(gè)指標(biāo)進(jìn)行比較的值，參照層次分析標(biāo)度法，如表1所示：

表1 層次分析標(biāo)度法Tab.1 Analytic hierarchy process of scaling method

(3)進(jìn)行一致性檢驗(yàn).

為保證判斷矩陣的準(zhǔn)確性，判斷矩陣需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)

(2)

其中如果CI值越大，就意味著主觀判斷的一致性越大，CI值越小(接近于0)，就意味著一致性檢驗(yàn)結(jié)果越好，矩陣的構(gòu)建也就越合理.

CI值的取值范圍要求與初始判斷矩陣的階數(shù)以及人們對(duì)其判斷的一致性誤差有關(guān)，為了實(shí)現(xiàn)矩陣的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)一致性，進(jìn)行歸一化處理，選擇RI值指標(biāo)，對(duì)于n=1,2,…，9 的值，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)如表2所示：

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Tab.2 Consistency index of average random

因此，判斷矩陣的一致性指標(biāo)公式為：

(3)

當(dāng)CR<0.01時(shí)，判斷矩陣的一致性滿足，其構(gòu)建是合理的；否則，判斷矩陣是不科學(xué)的.

(4)分層指標(biāo)權(quán)重確定，運(yùn)用乘積方根的方法：

(4)

再把bi(i=1,2,…，n),進(jìn)行歸一化，

(5)

最后，最大特征值的計(jì)算為：

(6)

2 構(gòu)建高壓試驗(yàn)安全體系的綜合評(píng)價(jià)模型

高壓試驗(yàn)安全綜合評(píng)價(jià)需要定性與定量相結(jié)合，其中許多評(píng)價(jià)工作需要借助數(shù)學(xué)模型和適宜的工具.模糊綜合評(píng)價(jià)基于等級(jí)模糊子集的構(gòu)造方法，量化被評(píng)事物的模糊指標(biāo)，接著基于模糊變換原理對(duì)各類指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)模糊綜合評(píng)價(jià)法充分考慮主觀與客觀因素，是一種適用于評(píng)價(jià)包含相互聯(lián)系、相互影響的多個(gè)因素的系統(tǒng)方法.

2.1 高壓試驗(yàn)安全體系模糊綜合評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型

建立評(píng)價(jià)對(duì)象因素集合，設(shè)定評(píng)估指標(biāo)集：

U={u1,u2,…，um},

評(píng)價(jià)對(duì)象因素集合U就是m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的集合.它由第二層次子集的n個(gè)因素決定，即：U={ui1,ui2,…，uim}.

2.2 確定權(quán)重矩陣

根據(jù)每一層次中各高壓試驗(yàn)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的重要程度，利用層次分析法確定每個(gè)因素以相應(yīng)的權(quán)重?cái)?shù)，第一層次、第二層次權(quán)重集分別為：

第一層次權(quán)重集：

A=(a1,a2,…，am),

第二層次權(quán)重集：

Ai=(ai1,ai2,…，aim),

其中i=1,2,…,n.

2.3 一級(jí)模糊綜合評(píng)判

第一層次各因素均由下一層次的子因素決定，第一層次每一因素的單因素評(píng)判基于下一層次的多因素綜合評(píng)判所得.第二層次單因素評(píng)判矩陣設(shè)為Ri

(7)

Ri矩陣行數(shù)由U中第二層次的因素個(gè)數(shù)決定，加權(quán)后一級(jí)模糊綜合評(píng)判集Bi為：

Bi=Ai·Ri=[bi1,bi2,…，bip],

(8)

其中，·為模糊算子.

為了實(shí)現(xiàn)客觀評(píng)價(jià)高壓試驗(yàn)安全體系，既要考慮所有安全因素，又要保留單因素的評(píng)判信息，采用模糊算子的表達(dá)式為：

(9)

2.4 二級(jí)綜合評(píng)價(jià)

(1)每一個(gè)Ui視為一個(gè)元素,Bi作為單因素評(píng)判,又可構(gòu)成評(píng)判矩陣Ri：

(10)

(2)二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)為：

(11)

最終通過B值的取值范圍來判斷高壓試驗(yàn)安全綜合的等級(jí)，見表3.

表3 高壓試驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的評(píng)語集

Tab.3 Evaluation of comprehensive evaluation index in safety risk of high voltage test

分值程度說明(0.8,1]非常安全(0.6,0.8]安全(0.4,0.6]一般(0.2,0.4]不安全[0,0.2]很不安全

3 實(shí)例

3.1 構(gòu)建安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

構(gòu)建新疆某高壓實(shí)驗(yàn)室高壓試驗(yàn)安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)體系，如表4所示.

表4 新疆某高壓實(shí)驗(yàn)室安全綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

Tab.4 Safety comprehensive evaluation index system of a high voltage laboratory in Xinjiang

目標(biāo)層準(zhǔn)則層試驗(yàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素(B1)環(huán)境氣壓及溫、濕度(C11)、屏蔽體屏蔽效能(C12)、接地電阻(C13)、人工模擬環(huán)境(覆冰、污穢、淋雨等)(C14)、職業(yè)衛(wèi)生(C15)現(xiàn)場管理風(fēng)險(xiǎn)因素(B2)工作許可制度管理(C21)、工作票制度管理(C22)、監(jiān)護(hù)制度管理(C23)、檢查制度管理(C24)試驗(yàn)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素(B3)升壓設(shè)備(C31)、吊裝設(shè)備(C32)、試驗(yàn)試品(C33)、安全保護(hù)裝置(C34)人員素質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)因素(B4)安全教育培訓(xùn)(C41)、試驗(yàn)人員生理素質(zhì)(C42)、試驗(yàn)人員心理素質(zhì)(C43)、試驗(yàn)人員專業(yè)技能(C44)應(yīng)急與事故風(fēng)險(xiǎn)因素(B5)應(yīng)急準(zhǔn)備(C51)、事故報(bào)告(C52)、應(yīng)急響應(yīng)(C53)、應(yīng)急保障(C54)、事故調(diào)查(C55)

3.2 目標(biāo)層的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

分析各層的影響因素對(duì)上一層指標(biāo)的影響程度建立判斷矩陣，按照層次分析法的建模步驟確定每層各影響因素的權(quán)重，并檢驗(yàn)是否具有一致性.目標(biāo)層影響因素重要性比較的評(píng)判結(jié)果見表5.

表5 目標(biāo)層影響因素重要性比較的評(píng)判結(jié)果

Tab.5 Evaluation result of the comparison of the importance of the influence factors in the target layer

目標(biāo)層指標(biāo)權(quán)重值一致性檢驗(yàn)試驗(yàn)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素(B1)0.2763現(xiàn)場管理風(fēng)險(xiǎn)因素(B2)0.2414試驗(yàn)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)因素(B3)0.0896人員素質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)因素(B4)0.2452應(yīng)急與事故風(fēng)險(xiǎn)因素(B5)0.1475λmax=5.25CR=0.055

其最大特征值λmax為5.25，根據(jù)公式得出隨機(jī)一致性比值CR值為0.055，此矩陣具有滿意的一致性，即證明所確定的各因素的權(quán)重是合理的.

3.3 準(zhǔn)則層的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

同理，就準(zhǔn)則層的影響因素對(duì)于上層目標(biāo)層的影響程度建立判斷矩陣，計(jì)算結(jié)果見表6.

表6 準(zhǔn)則層影響因素重要性比較的評(píng)判結(jié)果

Tab.6 Evaluation result of the comparison of importance in factors influencing the criterion layer

準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重值一致性檢驗(yàn)環(huán)境氣壓及溫、濕度(C11)0.1225屏蔽體屏蔽效能(C12)0.2065接地電阻(C13)0.3149人工模擬環(huán)境(覆冰、污穢、淋雨等)(C14)0.2468職業(yè)衛(wèi)生(C15)0.1093λmax=5.11CR=0.0246工作許可制度管理(C21)0.2937工作票制度管理(C22)0.3894監(jiān)護(hù)制度管理(C23)0.0924檢查制度管理(C24)0.2245λmax=4.24CR=0.089升壓設(shè)備(C31)0.2654吊裝設(shè)備(C32)0.2543試驗(yàn)試品(C33)0.1846安全保護(hù)裝置(C34)0.2957λmax=4.08CR=0.029安全教育培訓(xùn)(C41)0.2568試驗(yàn)人員生理素質(zhì)(C42)0.1548試驗(yàn)人員心理素質(zhì)(C43)0.3121試驗(yàn)人員專業(yè)技能(C44)0.2763λmax=4.17CR=0.063應(yīng)急準(zhǔn)備(C51)0.1877事故報(bào)告(C52)0.2037應(yīng)急響應(yīng)(C53)0.2064應(yīng)急保障(C54)0.2065事故調(diào)查(C55)0.1957λmax=5.24CR=0.0535

根據(jù)表6中準(zhǔn)則層的最大特征值，代入式 (3) 得出隨機(jī)一致性比值 CR均小于0.1，這些指標(biāo)層的矩陣均具有滿意的一致性，即證明所確定的準(zhǔn)則層各影響因素權(quán)重是合理的.

3.4 計(jì)算指標(biāo)評(píng)分值

對(duì)新疆某高壓實(shí)驗(yàn)室安全綜合評(píng)價(jià)體系中的具體指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，主要是根據(jù)設(shè)計(jì)的調(diào)查問卷，結(jié)合試驗(yàn)安全操作規(guī)程以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，面向測(cè)試人員、安全人員、管理人員以及相關(guān)專家，采用匿名的形式，進(jìn)行打分根據(jù)公式計(jì)算各個(gè)指標(biāo)層的模糊評(píng)價(jià)結(jié)果，如環(huán)境氣壓及溫、濕度(C11)指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)結(jié)果為：

同理可得其他所有指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)結(jié)果，如表7所示.

表7 各指標(biāo)的模糊評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.7 Fuzzy evaluation results of each index

由表7可知，現(xiàn)場管理風(fēng)險(xiǎn)因素中的監(jiān)護(hù)制度管理和應(yīng)急與事故風(fēng)險(xiǎn)因素中的應(yīng)急準(zhǔn)備評(píng)分值最低，均小于0.6，說明高壓試驗(yàn)安全體系中監(jiān)管體制不夠嚴(yán)格，同時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)急準(zhǔn)備不充分，應(yīng)該加強(qiáng)這兩方面管理.

將指標(biāo)權(quán)重值與指標(biāo)評(píng)價(jià)值進(jìn)行矩陣計(jì)算，最終的綜合評(píng)價(jià)值為0.7181，由表3可知，該高壓試驗(yàn)室高壓試驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)管控處于安全狀態(tài).

4 結(jié)語

(1)為評(píng)估新疆某高壓實(shí)驗(yàn)室高壓試驗(yàn)的安全狀態(tài)，采用層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法，建立了三層評(píng)價(jià)體系，經(jīng)過一致性校驗(yàn)，CR值均小于0.1，即證明所確定的目標(biāo)層和準(zhǔn)則層各影響因素權(quán)重是合理的.

(2)通過準(zhǔn)則層的模糊評(píng)價(jià)結(jié)果知，監(jiān)護(hù)制度管理評(píng)分值為0.5121，應(yīng)急準(zhǔn)備評(píng)分值為0.5976，是所有二級(jí)指標(biāo)中最低的，說明高壓試驗(yàn)安全體系中監(jiān)管體制不夠嚴(yán)格，同時(shí)安全風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)急準(zhǔn)備不充分，應(yīng)該加強(qiáng)這兩方面管理.

(3)進(jìn)行了高壓試驗(yàn)安全綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)權(quán)重計(jì)算，最終的綜合評(píng)價(jià)值為0.7181，表明該高壓試驗(yàn)室高壓試驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)管控處于安全的狀態(tài).