500 kV輸電線路運(yùn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型研究

戴北城，李 梅，姜 恒，喻紅林，蔣建紅

(三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

1 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

1.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

由500 kV輸電線路本體、線路通道以及歷年故障情況等3方面綜合考慮，將500 kV輸電線路的通道地理環(huán)境、線路里程、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)、是否聯(lián)網(wǎng)以及故障情況等5項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)作為一級(jí)因素集，某些一級(jí)因素集還有相關(guān)的二級(jí)因素集和三級(jí)因素集，如圖1所示。

圖1 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

本文將輸電線路運(yùn)行狀況分為良好、一般、注意、警告、嚴(yán)重警告5個(gè)等級(jí)，評(píng)語(yǔ)集V={良好、一般、注意、警告、嚴(yán)重警告}[1]。

1.2 隸屬度函數(shù)

一級(jí)因素集的5個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，采取不同數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)不同隸屬度函數(shù)的確定方法。采用改進(jìn)的三角梯形分布[2]，其函數(shù)表達(dá)式和圖像簡(jiǎn)單、直觀，能較好地表示某一指標(biāo)對(duì)于各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度關(guān)系，其函數(shù)表達(dá)式為

式中：f(xk)為隸屬度函數(shù)；x為狀態(tài)量評(píng)分值；xk(k=1,2,3,4,5)為狀態(tài)量的狀態(tài)級(jí)別對(duì)應(yīng)的模糊分界區(qū)間界限。隸屬度函數(shù)如圖2如示。

圖2 隸屬度函數(shù)

a.通道地理環(huán)境的隸屬度函數(shù)

按照經(jīng)驗(yàn)將線路通道地理環(huán)境分為4種典型類(lèi)型，即平原、丘陵、山地與河網(wǎng)/沼澤[3]，每種通道地理環(huán)境用各種地形所占的百分比表示，利用層次分析法確定每種地形對(duì)應(yīng)的權(quán)重，得到權(quán)重向量β1×4。當(dāng)線路通道環(huán)境為100%平原地形時(shí)，是最理想的情況，所對(duì)應(yīng)的權(quán)重ω1最大，作為基準(zhǔn)值按照式(6)進(jìn)行折算，確定每種地形初始分?jǐn)?shù)。輸電線路通道地理環(huán)境的初始分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 通道地理環(huán)境的初始分?jǐn)?shù)

線路通道地理環(huán)境的總分等于4種地形所占的百分比乘以對(duì)應(yīng)的初始分?jǐn)?shù)求和。

式中：Y為4種地形對(duì)應(yīng)的初始分?jǐn)?shù)；α為4種地形所占百分比；S為總分。模糊分界區(qū)間界線xk={10,30,50,70,90}。

b.線路里程的隸屬度函數(shù)

由運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)可知，輸電線路越長(zhǎng)，運(yùn)維檢修難度越大，模糊分界區(qū)間界限xk={50,100,150,200,250}。

c.線路運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的隸屬度函數(shù)

由每回輸電線路投運(yùn)日期開(kāi)始計(jì)算，以年為單位，模糊分界區(qū)間界限xk={5,10,15,20,25}。

d.歷年故障情況的隸屬度函數(shù)

輸電線路故障分為跳閘和停運(yùn)2種情況，通過(guò)數(shù)值分析方法確定跳閘和停運(yùn)的權(quán)重，最后得到總分。本文設(shè)定跳閘、停運(yùn)的初始分值為100分，根據(jù)線路歷年故障情況，分別計(jì)算線路最后跳閘和停運(yùn)的總分[4-5]。

式中：ti為線路跳閘初始分值；mi為跳閘次數(shù)；tj為線路停運(yùn)初始分值；mj為停運(yùn)次數(shù)；Q1為跳閘總分；Q2為停運(yùn)總分。跳閘模糊分界區(qū)間界限xk={50,60,70,80,90}；停運(yùn)模糊分界區(qū)間界限xk={60,70,80,90,100}[6]。

e.是否聯(lián)網(wǎng)的隸屬度函數(shù)

當(dāng)某條500 kV輸電線路與外省/地區(qū)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，其是否聯(lián)網(wǎng)的隸屬度向量R5=[0,0,1,0,0];當(dāng)線路沒(méi)有與外省/地區(qū)聯(lián)網(wǎng)時(shí)，R5=[1,0,0,0,0]。

2 基于層次分析法的各因素集權(quán)重

2.1 層次分析模型構(gòu)建與權(quán)值計(jì)算

a.一級(jí)因素集層次分析模型如圖3所示，構(gòu)建判斷矩陣。

圖3 一級(jí)因素集層次分析模型

b.標(biāo)度選擇

選擇{1,3,5,7,9}作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的標(biāo)度，1表示2個(gè)指標(biāo)的重要性相同；3表示2個(gè)指標(biāo)相比，ci比cj稍微重要；5表示ci比cj明顯重要；7表示ci比cj強(qiáng)烈重要；9表示ci比cj極端重要[7-9]。根據(jù)運(yùn)維檢修經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合專(zhuān)家意見(jiàn)，構(gòu)建判斷矩陣。

c.一致性檢驗(yàn)

構(gòu)建判斷矩陣過(guò)程中，需要對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

式中：CI為一致性指標(biāo)；CR為一致性比例；λmax為判斷矩陣特征值的最大值；n為指標(biāo)個(gè)數(shù)；RI為通過(guò)指標(biāo)個(gè)數(shù)查到的隨機(jī)一致性指標(biāo)。當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣符合要求，否則需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行修改。

d.權(quán)值計(jì)算。采用特征值法得出一級(jí)因素集權(quán)重θ=[0.262,0.129,0.06,0.513, 0.033]。

2.2 地理環(huán)境因素集層次分析模型

地理環(huán)境因素集層次分析模型如圖4所示，構(gòu)建判斷矩陣。

圖4 地理環(huán)境因素集層次分析模型

本文選取4種比較典型的地理環(huán)境，根據(jù)各地區(qū)地形特點(diǎn)對(duì)方案層進(jìn)行修改。

3 基于熵權(quán)法的因素集元素權(quán)重

以某地區(qū)所有500 kV輸電線路作為評(píng)價(jià)對(duì)象，分別求出跳閘和停運(yùn)的權(quán)重向量A以及7種故障分別對(duì)應(yīng)于跳閘和停運(yùn)情況的權(quán)重向量W1、W2[10-11]。熵權(quán)法模型構(gòu)建與權(quán)值計(jì)算如下。

a.原始數(shù)據(jù)矩陣處理

評(píng)價(jià)對(duì)象設(shè)為n(n為500 kV輸電線路的回?cái)?shù))，指標(biāo)數(shù)為7，將指標(biāo)正向化。

Xij=max{X1j,X2j,…,Xnj}-Xij

(15)

b.正向矩陣標(biāo)準(zhǔn)化

為消除不同指標(biāo)的量綱，需要將正向矩陣Xij進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

c.概率矩陣計(jì)算

經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理得到最終的概率矩陣：

d.熵權(quán)計(jì)算

第j個(gè)指標(biāo)信息熵為

dj=1-ej

(19)

歸一化得到每個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)：

4 案例分析

以華中某電網(wǎng)10回500 kV輸電線路作為評(píng)價(jià)對(duì)象，如表2、表3所示。

表2 輸電線路狀況 單位：%

表3 輸電線路歷年故障情況

注：逗號(hào)前的數(shù)字表示線路故障跳閘的次數(shù);逗號(hào)后的數(shù)字表示線路故障停運(yùn)的次數(shù)。

4.1 該地區(qū)各地形條件的權(quán)重

按照該地區(qū)特點(diǎn)構(gòu)建層次分析判斷矩陣：

權(quán)重向量δ=[0.56,0.26,0.12,0.06],則各地形對(duì)應(yīng)的初始分?jǐn)?shù)如表4所示,為計(jì)算方便，初始分?jǐn)?shù)四舍五入。

表4 輸電線路通道環(huán)境初始分?jǐn)?shù) 單位：%

4.2 相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度

a.地理環(huán)境的隸屬度

10回線路地理環(huán)境指標(biāo)的分?jǐn)?shù)為S=[36.68,36.12,22.55,23.25,59.06,26.70,60.27,25.55,31.28,28.45]。

b.歷年故障情況的隸屬度

統(tǒng)計(jì)該地區(qū)所有500 kV輸電線路跳閘和停運(yùn)的次數(shù)，求出該地區(qū)線路跳閘、停運(yùn)的權(quán)重向量A=[0.34,0.66]，跳閘權(quán)重向量W1=[0.1009,0.1426,0.0825,0.2545,0.2545,0.0825,0.0825]，停運(yùn)權(quán)重向量W2=[0.0638,0.0638,0.0720,0.4109,0.1293,0.1966,0.0638]。跳閘和停運(yùn)的初始分值如表5所示。

表5 跳閘和停運(yùn)的初始分值 單位:%

以線路1為例，綜上求出：

根據(jù)一級(jí)因素集對(duì)應(yīng)的權(quán)重向量，得到B=[0.033,0.0645,0.1898,0.1997,0.513]。由于“嚴(yán)重警告”的隸屬度最大為0.513，所以線路1運(yùn)行穩(wěn)定狀態(tài)評(píng)語(yǔ)為“嚴(yán)重警告”。

求出剩余9回線路2-10的隸屬度，構(gòu)成最終的隸屬度矩陣。

(23)

4.3 數(shù)據(jù)分析及應(yīng)對(duì)措施

分析發(fā)現(xiàn)線路1、3、4、9、10隸屬度最大的評(píng)價(jià)等級(jí)為“警告”及以上，在大修技改工作安排中，優(yōu)先安排上述5回線路的大修技改。對(duì)于線路1，建議優(yōu)先安裝防鳥(niǎo)裝置、在線監(jiān)測(cè)裝置以及重錘片，如有條件可進(jìn)行相應(yīng)的抗冰改造；線路3及線路4建議優(yōu)先在外破易發(fā)區(qū)段加裝在線監(jiān)測(cè)裝置，鳥(niǎo)類(lèi)活動(dòng)頻繁的區(qū)段加裝防鳥(niǎo)裝置；線路9建議優(yōu)先在山火易發(fā)區(qū)段加裝報(bào)警裝置；線路10建議優(yōu)先在地面落雷密度較大的區(qū)段加裝避雷器、避雷針。線路1、3、9、10所在的通道環(huán)境或線路運(yùn)行時(shí)間的評(píng)價(jià)等級(jí)為“警告”，特別是線路1、9，線路里程均超過(guò)110 km，給線路運(yùn)維檢修工作帶來(lái)不小的困難，故上述4回線路建議由專(zhuān)門(mén)的班組負(fù)責(zé)，并分配更多的人力、物力資源。

其他線路中,建議先對(duì)線路2、6、8進(jìn)行觀察，但上述3回線路通道地理環(huán)境評(píng)價(jià)為“警告”，且線路2、8里程較長(zhǎng)，建議分配相關(guān)責(zé)任班組更多的資源；線路5、7評(píng)價(jià)等級(jí)為“良好”，可以暫時(shí)不安排技術(shù)改造工作。

5 結(jié)語(yǔ)

該評(píng)價(jià)模型有針對(duì)性的按照輸電線路目前的運(yùn)行情況，優(yōu)先對(duì)評(píng)價(jià)等級(jí)較低的線路進(jìn)行技術(shù)改造，并對(duì)通道地理環(huán)境、線路里程等指標(biāo)評(píng)價(jià)較低的線路分配更多的人力、物力資源。在資金、人力、物力有限的情況下，盡最大可能提升線路運(yùn)行穩(wěn)定性，對(duì)500 kV輸電線路日常運(yùn)維及大修技改工作的分析、管理和決策具有較大的積極作用[12]。