基于改進(jìn)模糊層次分析法的二次設(shè)備差異化改造方案評(píng)價(jià)

崔 玉，朱東升，胡瀟月，周 玲，黃帥飛，崔建雙

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司, 江蘇 南京 210024； 2.中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211102；3.河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100)

智能電網(wǎng)作為當(dāng)前電力系統(tǒng)發(fā)展的重心，配套的智能變電站數(shù)量不斷增加[1]?！笆濉币?guī)劃期間(2016—2020年)，國家電網(wǎng)公司持續(xù)推進(jìn)智能變電站建設(shè)和傳統(tǒng)變電站的改造升級(jí)工作。伴隨著變電站建設(shè)的進(jìn)行，大量變電站接近或超過壽命預(yù)期，受制于變電站保護(hù)和測(cè)控等二次設(shè)備(通稱二次設(shè)備)種類眾多，不同電壓等級(jí)、不同二次設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的重要程度不盡相同，且存在技術(shù)改造資金有限、二次班組承載力和停電風(fēng)險(xiǎn)等因素的影響，需要對(duì)整屏更換、整機(jī)更換、插件更換3種技術(shù)改造升級(jí)方案進(jìn)行評(píng)估分析。應(yīng)重點(diǎn)從停電風(fēng)險(xiǎn)、改造工期、人力要求、資金要求等方面進(jìn)行各類方案的比較，分析明確不同變電站選擇改造方案的原則，形成系統(tǒng)的差異化技術(shù)改造評(píng)價(jià)理論。

除了易損件與電源模塊可以根據(jù)維護(hù)計(jì)劃定期更換外，傳統(tǒng)主流的二次設(shè)備運(yùn)行維護(hù)與改造均是按計(jì)劃進(jìn)行和面向故障處理的“一刀切”方案，即通過更換屏柜(含柜內(nèi)裝置及端子排)及屏柜相關(guān)對(duì)外接線實(shí)現(xiàn)二次設(shè)備的改造。這種方式改造全面，但存在項(xiàng)目周期長、工程量大、用工用時(shí)較多和電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高等缺點(diǎn)。現(xiàn)在可以選擇的還有整機(jī)更換和插件更換的改造方式。整機(jī)更換指將原有柜內(nèi)設(shè)備進(jìn)行整裝置更換。插件更換指對(duì)原有裝置全部插件進(jìn)行更換的改造方案，不影響裝置對(duì)外接口和屏柜內(nèi)外端子排接線。何時(shí)采取何種改造方案，至今沒有成熟通用的標(biāo)準(zhǔn)和理論依據(jù)。

二次設(shè)備改造方案評(píng)估具有模糊性的特點(diǎn)[2]，是一個(gè)多準(zhǔn)則決策問題(multi-criteria decision-making，MCDM)，可采用集合專家經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)的專家判斷法[3]，如層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)[4]、德爾菲法(Delphi method)或組合賦權(quán)法[5]來評(píng)估二次設(shè)備改造方案。其中，AHP適用于評(píng)價(jià)多個(gè)具有相同屬性的評(píng)價(jià)對(duì)象來獲得最佳決策方案，具有系統(tǒng)、靈活和簡(jiǎn)潔的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)模糊集理論能夠更好地處理MCDM評(píng)估過程中存在界定不清的模糊性和統(tǒng)計(jì)信息殘缺問題。將其和層次分析法這種多屬性決策方法相結(jié)合為模糊層次分析法[6]，可以將各個(gè)問題在層次化的基礎(chǔ)上對(duì)評(píng)價(jià)目標(biāo)的各種決策因素進(jìn)行定性定量分析。劉鑫等[7]將AHP與模糊綜合評(píng)價(jià)法相結(jié)合，通過實(shí)例工程驗(yàn)證了實(shí)用性和可靠性，但工程實(shí)踐時(shí)一致性檢驗(yàn)步驟繁瑣，不利于實(shí)施；張尚等[8]突出了猶豫屬性的存在，提出直覺模糊層次分析法，并用以評(píng)估電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，保證了方法的靈活性，但存在定義的分函數(shù)不夠全面的問題。為使指標(biāo)權(quán)值求取過程準(zhǔn)確反映標(biāo)度的模糊性和不確定性，多維度傳達(dá)專家評(píng)估的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)與立場(chǎng)，有研究人員引入三角直覺模糊數(shù)改進(jìn)模糊層次分析法中判斷矩陣元素的不確定性表達(dá)方式[9-10]，進(jìn)而保留有效信息，降低主觀因素的影響，形成三角直覺模糊層次分析法(triangular intuitionist fuzzy analytic hierarchy process, TIFAHP)。

本文從變電站的角度，對(duì)變電站二次設(shè)備技術(shù)升級(jí)改造可選的改造方案進(jìn)行評(píng)估。通過對(duì)變電站的運(yùn)行維護(hù)記錄和設(shè)備技術(shù)改造的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，選取二次設(shè)備改造后壽命、改造耗費(fèi)、管控級(jí)別、運(yùn)行環(huán)境和二次回路健康水平共5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。在參考多種評(píng)估決策模型的基礎(chǔ)上使用三角模糊數(shù)描述專家評(píng)估內(nèi)容，結(jié)合模糊層次分析法確定各指標(biāo)的相對(duì)權(quán)重，最終確定變電站應(yīng)采取改造方案的優(yōu)劣排序，為精準(zhǔn)的二次設(shè)備差異化技術(shù)改造提供理論支撐。結(jié)合具體案例驗(yàn)證了本文評(píng)估模型的有效性。

1 二次設(shè)備技術(shù)改造方案評(píng)估指標(biāo)

為準(zhǔn)確描述電力二次設(shè)備的劣化程度，對(duì)Q-GDW 11285—2014《繼電保護(hù)狀態(tài)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[11]評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)和DL/T587—2016《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置運(yùn)行管理規(guī)程》[12]進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合電力電子元器件特性和實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，對(duì)預(yù)防性試驗(yàn)、帶電檢測(cè)和在線監(jiān)測(cè)分值評(píng)價(jià)原則進(jìn)行提煉[13-14]，得到如下包含具體二級(jí)指標(biāo)的五維考核指標(biāo)。

1.1 二次設(shè)備改造后壽命

二次設(shè)備的故障概率是影響二次設(shè)備物質(zhì)壽命的關(guān)鍵因素，對(duì)整機(jī)和整屏2種改造方式來說，故障概率又由其組成插件的集合決定[15]。二次設(shè)備故障后會(huì)進(jìn)行保護(hù)閉鎖不再動(dòng)作或行使保護(hù)功能，在這里認(rèn)為是僅有“故障”和“正?！钡亩獱顟B(tài)模型。插件故障導(dǎo)致二次設(shè)備故障的故障率和時(shí)間關(guān)系表示為

(1)

式中：t——設(shè)備投入運(yùn)行時(shí)間；f1(t)——插件故障概率；f(t)——服從Weibull分布的概率密度函數(shù)；λ、β——調(diào)整系數(shù)，β<1、β=1、β>1分別對(duì)應(yīng)浴盆曲線時(shí)序的3個(gè)階段。

整機(jī)或整屏由插件板卡組合而成，整體故障概率受組成部件的故障率影響。

(2)

式中：f2(t)——整機(jī)或整屏故障概率；p——組成整機(jī)或整屏的插件數(shù)目；q——每種插件的數(shù)量。

從1臺(tái)二次設(shè)備投入運(yùn)行開始，組成二次設(shè)備的所有插件的故障概率開始增加(不記出廠老化測(cè)試的浴盆曲線第一階段)。進(jìn)行插件更換后僅當(dāng)前插件故障概率復(fù)位，可使設(shè)備故障率相比于故障前有所下降；進(jìn)行整機(jī)更換后，包含多個(gè)插件的整機(jī)故障概率復(fù)位，使設(shè)備故障率相比于故障前有較大下降；進(jìn)行整屏更換后，全部插件故障概率復(fù)位，也就是更新設(shè)備，并重新計(jì)算設(shè)備的故障率。

單一插件故障改造后的故障變化趨勢(shì)如圖1所示，采用3種改造方式對(duì)故障概率趨勢(shì)影響的對(duì)比結(jié)果如圖2所示。圖2中treform表示對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造的時(shí)間，tout表示設(shè)備退出運(yùn)行的時(shí)間，tout1、tout2、tout3分別表示整屏更換、插件更換、整機(jī)更換時(shí)設(shè)備退出運(yùn)行的時(shí)間。

圖1 單一插件故障改造后故障概率趨勢(shì)Fig.1 Failure probability trend after reconstruction of single fault

圖2 3種改造方式對(duì)故障概率趨勢(shì)的影響Fig.2 Effect of three transformation methods on failure probability

1.2 二次設(shè)備改造耗費(fèi)

改造方案的不同決定了運(yùn)行周期內(nèi)其壽命和故障次數(shù)的不同，進(jìn)而影響整個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的耗費(fèi)值[16]。

CFD=(aTMTTR+bCSE+cCL)NF

(3)

式中：CFD——元件改造耗費(fèi)；TMTTR——停運(yùn)改造時(shí)長；CSE——被改造設(shè)備價(jià)格；CL——人力物力花費(fèi)；NF——退出運(yùn)行前進(jìn)行改造的次數(shù)；a、b、c——調(diào)節(jié)權(quán)重。

1.3 二次設(shè)備管控級(jí)別

二次設(shè)備的管控級(jí)別由設(shè)備重要程度決定，可以按照不同電壓等級(jí)與其故障時(shí)造成影響的程度進(jìn)行區(qū)分[17]。

I=kP(t)V

(4)

式中：I——設(shè)備重要程度指標(biāo)；k——故障影響系數(shù)，即當(dāng)前故障后造成的停電負(fù)荷量占變電站總負(fù)荷量的百分比；P(t)——設(shè)備的故障概率；V——電壓等級(jí)量化值，取值可按500 kV及以上取1,220 kV取220/500,110 kV取110/500,110 kV以下取35/500。

1.4 二次設(shè)備運(yùn)行環(huán)境

二次設(shè)備含大量的電子元器件，受所處環(huán)境因素影響，即受溫度、濕度、電磁干擾、管理規(guī)范程度等環(huán)境應(yīng)力的作用。設(shè)計(jì)、運(yùn)行時(shí)綜合考慮這些因素，有利于延長裝置壽命?？梢詤⒖糛/GDW 11285—2014《繼電保護(hù)狀態(tài)評(píng)價(jià)導(dǎo)則》[11]中的運(yùn)行環(huán)境評(píng)分規(guī)則，進(jìn)行設(shè)備環(huán)境狀態(tài)評(píng)估，在此不再贅述。

當(dāng)設(shè)備因溫濕度、電磁干擾和管理不規(guī)范導(dǎo)致過熱、受磁和積塵進(jìn)水等狀況時(shí)，會(huì)使二次設(shè)備整體的故障概率上升，二次設(shè)備屏柜及電纜壽命下降，建議按整屏更換、整機(jī)更換、插件更換的先后順序進(jìn)行。

1.5 二次回路健康水平

二次回路健康水平由二次電纜壽命和二次回路接線水平?jīng)Q定。其中電纜的壽命用L這一非負(fù)隨機(jī)變量來表示[18]：

(5)

式中:F(t)——二次電纜運(yùn)行的故障概率；R(t)——t的可靠度函數(shù)，電纜的可靠壽命是指在給定可靠度情況下所對(duì)應(yīng)的時(shí)間，記作t(R)。一般情況下，可靠性隨著時(shí)間的增長而降低，即t(R)=R-1(t),R-1(t)為R(t)的反函數(shù)。

二次回路接線水平，主要包括按圖施工、接頭牢靠、標(biāo)號(hào)規(guī)范與配線規(guī)范整潔等要求的落實(shí)情況。二次電纜壽命對(duì)二次設(shè)備改造的方案選擇影響巨大，改造時(shí)涉及繁重的接線鋪埋工作，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，當(dāng)不滿足可靠性要求時(shí)應(yīng)采用整屏更換的改造方式。

2 二次設(shè)備差異化改造方案評(píng)估模型

將以上所提各類評(píng)價(jià)指標(biāo)基于層次分析法理念進(jìn)行層次化處理。針對(duì)二次設(shè)備改造方案的選擇進(jìn)行評(píng)估，將差異化改造方案評(píng)估問題分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。目標(biāo)層為二次設(shè)備差異化改造方案選擇，準(zhǔn)則層為二次設(shè)備的改造后壽命、改造耗費(fèi)、管控級(jí)別、運(yùn)行環(huán)境和二次回路健康水平5個(gè)指標(biāo)，方案層為插件改造、整機(jī)改造和整屏改造3種，由此建立二次設(shè)備差異化改造方案選擇影響因素模型(圖3)。

層次分析法原理為同層元素相比較得出相對(duì)上層元素的重要程度排序，本文中為準(zhǔn)則層5個(gè)指標(biāo)比較得出相對(duì)目標(biāo)層的重要程度；對(duì)準(zhǔn)則層每個(gè)因素來說，方案層的3個(gè)方案相比較得出相對(duì)準(zhǔn)則層改造方法的優(yōu)先性排序；同時(shí)，對(duì)準(zhǔn)則層來說還有自己對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)則子層排序。

2.1 三角直覺模糊理論

為處理不能準(zhǔn)確量化和不同屬性的指標(biāo)，在應(yīng)用層次分析法理論對(duì)兩元素相對(duì)重要性評(píng)價(jià)時(shí)，首次引入三角直覺模糊數(shù)，完成對(duì)層次分析法的改進(jìn)。直覺模糊集同時(shí)考慮隸屬度、非隸屬度和猶豫度3個(gè)方面的信息[19]，通過簡(jiǎn)要介紹三角直覺模糊理論來說明對(duì)層次分析法標(biāo)度的改進(jìn)原理。

2.1.1 三角直覺模糊數(shù)的定義

2.1.2 三角直覺模糊數(shù)的截集

(6)

(7)

2.2 改進(jìn)三角直覺模糊數(shù)排序方法

評(píng)價(jià)過程中需要借助截集思想計(jì)算矩陣中元素的綜合值，以比較三角直覺模糊數(shù)大小。借鑒Choquet積分集結(jié)算子的思想[20]，同時(shí)，考慮截集的權(quán)重函數(shù)α得到新的得分函數(shù)。

(8)

2.3 改進(jìn)直覺模糊層次分析法評(píng)估模型

在應(yīng)用傳統(tǒng)AHP時(shí)采用三角直覺模糊數(shù)將模糊判斷矩陣傳統(tǒng)9標(biāo)度相對(duì)評(píng)價(jià)值模糊化,避免信息丟失[21]。同時(shí)，在確定權(quán)重時(shí)采用層次分析法的相對(duì)權(quán)重原理，避免了求取指標(biāo)權(quán)重時(shí)反復(fù)的迭代和修正。通過創(chuàng)新形成的TIFAHP法，在處理二次設(shè)備改造方案評(píng)估等多屬性、非可加指標(biāo)時(shí)有較好的實(shí)用性,其應(yīng)用步驟如下：評(píng)價(jià)主體對(duì)被評(píng)目標(biāo)A可選的m個(gè)方案Pi(i=1,2,…,m)進(jìn)行評(píng)估，以求出當(dāng)前最適合采用的改造方案?？稍O(shè)基于上層關(guān)系的本層n個(gè)指標(biāo)集合為U={u1,u2,…,un},來自不同機(jī)構(gòu)的s名專家Ek(k=1,2,…,s)組成評(píng)價(jià)小組。

構(gòu)建TIFAHP評(píng)估模型的求解步驟如下：

a. 形成方案評(píng)估的層次結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)圖3，通過計(jì)算每個(gè)元素的三角直覺模糊數(shù)的綜合值大小，按層求取各層元素的相對(duì)權(quán)重并逐層加權(quán)遞推，元素間相互比較采用三角直覺模糊數(shù)進(jìn)行。

(9)

c. 判斷矩陣規(guī)范化。對(duì)三角直覺模糊決策矩陣去量綱規(guī)范化。

對(duì)于成本型屬性

(10)

對(duì)于效益型

(11)

那么指標(biāo)集U中當(dāng)前層各元素的得分排序：

Wk={d(u1k),d(u2k),…,d(unk)}

(12)

采用行和歸一化處理：

(13)

處理可得層元素的綜合得分排序：

(14)

圖4 二次設(shè)備差異化改造方案評(píng)估流程Fig.4 Flow chart for evaluation of differential transformation scheme of secondary equipment

(15)

按層遞歸權(quán)重得到模糊層次總權(quán)重排序：

(16)

由以上步驟得到基于TIFAHP 的二次設(shè)備改造方案評(píng)估流程(圖4)。

3 案 例 分 析

3.1 模型驗(yàn)證方法

對(duì)江蘇某220 kV變電站開展二次設(shè)備差異化改造。首先，根據(jù)該變電站存在的問題和需求選取層次分析目標(biāo)問題中所包含的要素，歸納具有支配邏輯關(guān)系的元素并將其層次化，進(jìn)而構(gòu)建差異化改造方案評(píng)價(jià)的層次模型；其次，成立三人評(píng)價(jià)專家組(分別來自變電站業(yè)主、二次設(shè)備廠家和設(shè)計(jì)院)，專家賦權(quán)分別為0.4、0.3、0.3；最后，按第2節(jié)步驟對(duì)改造方案進(jìn)行評(píng)估。為簡(jiǎn)化表述，僅給出準(zhǔn)則層各因素間的權(quán)重向量求取過程，二級(jí)指標(biāo)和方案層對(duì)準(zhǔn)則層元素的求值定權(quán)步驟相同。

3.2 構(gòu)建三角直覺模糊判斷矩陣

根據(jù)圖3所示層次結(jié)構(gòu)，由專家組按照自身經(jīng)驗(yàn)和第1節(jié)關(guān)聯(lián)目標(biāo)層的各準(zhǔn)則層構(gòu)成因素進(jìn)行評(píng)價(jià)打分，形成單層模糊判斷矩陣RA-B，見表1。

表1 單層三角直覺模糊判斷矩陣RA-BTable 1 Judgment matrix RA-B of single layer triangular intuitionistic fuzzy

對(duì)表1按式(10)～(11)進(jìn)行處理得到規(guī)范化的模糊判斷矩陣FA-B，計(jì)算得分函數(shù)轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)AHP計(jì)算并應(yīng)用式(13)～(15)處理得到準(zhǔn)則層到目標(biāo)層的權(quán)重得分排序。

(17)

同理可得方案層到準(zhǔn)則層各判斷矩陣RB-Ci,i=1，2，…，5的單層綜合模糊權(quán)重。

3.3 計(jì)算差異化改造方案評(píng)估排序結(jié)果

組合各層的模糊權(quán)重得到全局的綜合模糊權(quán)重(方案層相對(duì)權(quán)重C1、C2、C3分別為0.213、0.432、0.355)，將其和傳統(tǒng)模糊層次分析法結(jié)果對(duì)比(方案層相對(duì)權(quán)重C1、C2、C3分別為0.27、0.43、0.30)，可知前者區(qū)分度明顯好于傳統(tǒng)模糊層次分析法。

3.4 改造方案綜合評(píng)價(jià)結(jié)果分析

通過對(duì)該變電站進(jìn)行流程評(píng)估，根據(jù)方案層權(quán)重結(jié)果，得出應(yīng)優(yōu)先考慮采用整機(jī)更換的改造方式。對(duì)于該變電站來說，設(shè)備投入運(yùn)行較久，插件改造需要改造較多的插件，用工、用時(shí)、造價(jià)的耗費(fèi)高于整機(jī)改造已經(jīng)不再滿足本案例的經(jīng)濟(jì)型要求，不予考慮。同時(shí)根據(jù)評(píng)估結(jié)果，屏柜及部分二次回路狀態(tài)良好，無需采用長工期、高耗費(fèi)的整屏更換方式。整機(jī)改造不僅節(jié)省技術(shù)改造資金，提高項(xiàng)目投資精準(zhǔn)化水平，而且可降低二次班組承載壓力、保障電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性。

4 結(jié) 語

本文提出變電站二次設(shè)備差異化技術(shù)改造理念，確定二次設(shè)備差異化改造參考評(píng)價(jià)指標(biāo)，并給出評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算方法；改進(jìn)加權(quán)打分評(píng)價(jià)法，避免了趨同性，應(yīng)用易操性強(qiáng)的三角直覺模糊數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)判斷，使改造方案排序結(jié)果區(qū)分度明顯；對(duì)實(shí)際變電站進(jìn)行改造方案進(jìn)行了評(píng)價(jià)驗(yàn)證。

本文建立的按需靈活選取整屏改造、整機(jī)改造和插件改造的評(píng)估模型，可為變電站技術(shù)改造方案的選取提供參考，降低了業(yè)主配合時(shí)間，提升了人員的勞動(dòng)生產(chǎn)率，為就地化保護(hù)的應(yīng)用推廣打下運(yùn)行維護(hù)檢修基礎(chǔ)。下一步應(yīng)納入變電站壽命周期內(nèi)二次設(shè)備的全壽命周期成本，精確評(píng)估二次設(shè)備壽命，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間尺度的二次設(shè)備改造計(jì)劃，形成改造計(jì)劃安排表，方便二次設(shè)備的統(tǒng)一管理和采購，提高電網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備的維護(hù)保障和管理能力。