基于風(fēng)險分析的配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全檢測方法

葉夏明，李 琪，馬麗軍，戚浩金

(國網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000)

配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端作為配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的關(guān)鍵組成部分，其配合配電網(wǎng)設(shè)備主站及子站進行作業(yè)，能夠提升配電線路管控合理性及供電可靠性[1]。配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端在運維管理方面仍然存在諸多問題，如配電網(wǎng)設(shè)備終端品種眾多、產(chǎn)品本身品質(zhì)存在差異；偶爾出現(xiàn)配電網(wǎng)設(shè)備與技術(shù)規(guī)范書明確的質(zhì)量不符等，這些都影響著配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端的安全，一旦發(fā)生意外狀況，輕則損毀配電設(shè)備，重則傷及無辜性命引發(fā)重大安全事故[2-3]。因此，配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全問題備受業(yè)界關(guān)注，人們需要防患于未然，研究更為精準(zhǔn)的配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全檢測方法。

風(fēng)險分析實則為識別、計算風(fēng)險的過程[4]。風(fēng)險識別意指針對可能導(dǎo)致性能變差的隱含問題進行定性分析并歸納后果，獲取風(fēng)險源頭后將其量化，以此判斷不同風(fēng)險因素的占比，評價風(fēng)險可能產(chǎn)生的影響為其核心目的。將風(fēng)險分析運用于設(shè)備終端安全檢測，可從設(shè)備終端風(fēng)險角度切入，檢測終端設(shè)備是否安全。

殷加玞等[5]提出基于全概率風(fēng)險的安全檢測方法，該方法采用全概率風(fēng)險檢測電網(wǎng)安全風(fēng)險，搭建安全風(fēng)險計算模型，能精準(zhǔn)測算出影響安全的風(fēng)險指標(biāo)權(quán)重，但其未對風(fēng)險因素進行風(fēng)險分析以及量化各風(fēng)險指標(biāo)，可能存在數(shù)據(jù)漏洞問題；陳旸羚等[6]提出一種安全評價方法，該方法通過結(jié)構(gòu)安全裕度評價輸電桿塔安全狀態(tài)，但其未對影響因素進行綜合考量，存在的諸多弊端必然影響最終安全評價結(jié)果。

針對上述問題，本文提出一種基于風(fēng)險分析的配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全檢測方法，以便實時判斷風(fēng)險影響范圍并作出合理應(yīng)急方案。

1 配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全檢測方法

1.1 配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系

在評價配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險過程中，評價結(jié)果會隨著評價指標(biāo)的變化而同步產(chǎn)生變化，評價指標(biāo)影響評價結(jié)果的程度較大。因此，評價指標(biāo)需依據(jù)實際使用場景并結(jié)合分析影響配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全的各項因素來選取。

結(jié)合歷年來配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全事故資料，通過分析并總結(jié)其安全風(fēng)險因素可以發(fā)現(xiàn)，配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端存儲了多種商業(yè)機密及隱私信息，直接影響終端使用單位及工作人員的財產(chǎn)安全。配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端任意一個機制存在漏洞都可能導(dǎo)致若干種威脅行為，這些威脅行為會產(chǎn)生更多的安全風(fēng)險問題，例如：控制機制存在漏洞可能導(dǎo)致配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端被遠程控制，從而造成隱私盜用、惡意破壞系統(tǒng)等事故；自然災(zāi)害可能直接導(dǎo)致設(shè)備終端損毀、停止工作等；工作人員操作不當(dāng)及檢修周期不穩(wěn)定等因素都會間接導(dǎo)致設(shè)備終端發(fā)生安全事故，需層層細化各項影響因素。

綜合考量后，將配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系劃分出六大類一級指標(biāo)：威脅行為、終端系統(tǒng)安全機制脆弱度、終端面臨的資產(chǎn)風(fēng)險、外力自然災(zāi)害影響度、設(shè)備歷史信息及運行維護，配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全受多重因素交叉影響。

經(jīng)上述分析可知，配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險各個要素的關(guān)系錯綜復(fù)雜，因此本文采用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)結(jié)合風(fēng)險分析來檢測配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全與否。圖1所示為配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系。

圖1 配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系

1.2 基于AHP的配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險評價

AHP是一種極為便捷且靈活、實用性強的多因素決策方法，該方法融合了定性分析及定量計算[7]。AHP的核心思想為：通過搭建清晰的層次結(jié)構(gòu)分解復(fù)雜問題，用不同層次描述各類評判指標(biāo)，并通過對比分析各層次中的元素確定指標(biāo)的相對重要度，經(jīng)決策者的全面考量后，對指標(biāo)重要度進行排序，從而求解方案的綜合權(quán)重。由于每種方案僅有一個相應(yīng)的綜合權(quán)重，因此可依據(jù)排列綜合權(quán)重來確定最佳方案。

1)搭建層次結(jié)構(gòu)。

多方向調(diào)查并深入研究歷年來配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全事故的影響因素，在分析出各個因素之間的關(guān)聯(lián)以及隸屬關(guān)系后，搭建層次結(jié)構(gòu)，為后續(xù)劃分層次結(jié)構(gòu)提供支撐，如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全評價體系的層次結(jié)構(gòu)

2)構(gòu)造判斷矩陣。

將位于配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端風(fēng)險評價指標(biāo)體系中相同層次的指標(biāo)依次兩兩拿出來進行比較，從而構(gòu)造各評價指標(biāo)重要度的判斷矩陣，如下所示：

(1)

式中：A為n×n的判斷矩陣；aij為矩陣中的元素,i,j=1,2,…,n。元素重要度賦值普遍采用1～9比例標(biāo)度法完成[8]。兩元素間，若具有相同重要度，則重要度標(biāo)度為1；若前者比后者相對重要、明顯重要、強烈重要及絕對重要，則重要度標(biāo)度依次為3、5、7、9，而2、4、6、8則代表上述判斷的中間值。

3)層次單排序。

為求解配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端風(fēng)險評價目標(biāo)體系中各評價指標(biāo)權(quán)值，用公式(2)歸一化處理矩陣A中的各個元素：

(2)

在此基礎(chǔ)上，對矩陣中每一行的元素再次進行歸一化處理，得到判斷矩陣W：

(3)

然后歸一化處理矩陣W：

(4)

4)一致性檢驗。

為保證判斷矩陣的精準(zhǔn)度，需要對其開展一致性檢驗[9]。求解一致性指標(biāo)過程如下：

①求解矩陣的最大特征根λmax：

(5)

②求解配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險一致性指標(biāo)CI：

(6)

③求解配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險一致性比例CR：

(7)

式中：RI為隨機一致性指標(biāo)。若CR小于0.1，表示該判斷矩陣一致性為合理。另外可能存在其他特殊情況，如CR=0，表示該判斷矩陣擁有絕對一致性。判斷矩陣的一致性隨CR值的增大變差，當(dāng)求解一致性結(jié)果不夠優(yōu)秀時，應(yīng)對判斷矩陣繼續(xù)優(yōu)化，直至獲取絕對一致性結(jié)果，結(jié)束優(yōu)化過程。

5)融入信息熵，以獲取更為精準(zhǔn)的評價指標(biāo)風(fēng)險值。

作為側(cè)面反映狀態(tài)不確定性的熵，其中代表配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端發(fā)生危險事件不確定性的即為信息熵。配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端風(fēng)險信息載體選取配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端風(fēng)險評價指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度屬性矩陣，所獲信息的效用依據(jù)信息熵求解，并以此確定指標(biāo)權(quán)重。

配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端風(fēng)險評價指標(biāo)中計算時間序列以及危險事件發(fā)生的時間序列二者間的相似度即為配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端風(fēng)險評價指標(biāo)的灰色關(guān)聯(lián)度，其用于闡述配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端運行風(fēng)險的狀態(tài)與歷次危險事件二者間的相關(guān)聯(lián)系[10]，故評價指標(biāo)的風(fēng)險屬性選取灰色關(guān)聯(lián)度，并設(shè)其屬性矩陣為γ=[γ1,γ2,…,γm]，其中γm為風(fēng)險屬性關(guān)聯(lián)度。

當(dāng)灰色關(guān)聯(lián)度取值差額偏高時，代表所含信息效用價值偏低，所得指標(biāo)權(quán)重隨信息熵的縮小而變大，則代表該指標(biāo)可能會產(chǎn)生的危險事件影響極大。

擬設(shè)配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險評價指標(biāo)共有m個，即h=1,2,…,m。信息熵依據(jù)第h個配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險評價指標(biāo)灰色關(guān)聯(lián)度獲取，信息熵Hh用公式(8)描述為：

(8)

式中：fh為第h個配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端運行風(fēng)險的關(guān)聯(lián)信息貢獻占比。

配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險評價體系中單個評價指標(biāo)的風(fēng)險值設(shè)為r：

(9)

則配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險綜合評價指標(biāo)風(fēng)險值R為：

(10)

式中：ri為第i個評價指標(biāo)的風(fēng)險值。

參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20984—2007并依據(jù)配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險評價要求，將本文上述各個評價要素劃分為5個評價級別：極弱/極小、弱/極小、中等、強/大、極強/極大，同時在9個取值域中依次區(qū)分其取值界限，并用表1描述配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系各評價元素級別劃分結(jié)果。

表1 評價元素級別劃分結(jié)果

2 實驗與結(jié)果分析

為驗證基于風(fēng)險分析的配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全檢測方法的可行性，設(shè)計如下實驗：

實驗對象選取位于某市偏遠山區(qū)的配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端。綜合考量實際地理環(huán)境等各項因素，分別從安全檢測、性能仿真方面開展實驗，其中性能仿真實驗分為三大方向：配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端離線次數(shù)、能耗效率及時延抖動效果。選取文獻[5]中的基于全概率風(fēng)險度量的配網(wǎng)設(shè)備終端安全檢測方法與文獻[6]中的輸電設(shè)備安全裕度評價方法為對比方法，與本文方法共同完成性能驗證。

2.1 安全檢測

利用本文方法對該市級配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端進行安全檢測，分別計算其灰色關(guān)聯(lián)度、指標(biāo)權(quán)重、指標(biāo)熵值，以此求解配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險評價體系內(nèi)各項指標(biāo)的風(fēng)險值。配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全檢測結(jié)果見表2。

表2 配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全檢測結(jié)果

依據(jù)表2中的各項數(shù)據(jù)，將獲取的配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險評價體系各項指標(biāo)風(fēng)險值排序，由大至小，風(fēng)險值最大的5個評價指標(biāo)分別為訪問控制機制、遠程控制、操作人員操作不當(dāng)、蓄電池及雷害打擊，這些評價指標(biāo)應(yīng)受到風(fēng)險管理人員重點關(guān)注。若某一風(fēng)險值隨指標(biāo)信息熵數(shù)值的增大而同步增大，則表明該指標(biāo)引發(fā)危險事故的可能性極大，即該指標(biāo)危險性極大。

總結(jié)表2可知，配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端6類安全風(fēng)險評價指標(biāo)為危險行為、終端系統(tǒng)安全機制脆弱度、終端面臨的資產(chǎn)風(fēng)險、外力自然災(zāi)害影響度、設(shè)備歷史信息及運行維護，它們的風(fēng)險值依次為0.331 57,0.508 29,0.313 96,0.350 44,0.861 81與0.659 81。依據(jù)風(fēng)險評價級別將6類指標(biāo)的風(fēng)險劃分為中等、大、中等、中等、強、大，依據(jù)公式(10)計算綜合評價指標(biāo)風(fēng)險值為0.026 58，表明該市級配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端運行的綜合風(fēng)險等級為小。而針對超過風(fēng)險等級的指標(biāo)則需實施及時監(jiān)督管理，并通過具體的風(fēng)控措施使終端風(fēng)險縮小。

2.2 性能驗證

1)實驗一。

選取配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端離線次數(shù)作為參考指標(biāo)驗證本文方法性能。設(shè)置實驗時間為180 d，分別驗證使用這3種方法后該市級配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端離線狀態(tài)情況并統(tǒng)計離線次數(shù)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 采用3種方法后配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端離線次數(shù)

由圖3可知，采用文獻[5]方法檢測時，該設(shè)備終端離線次數(shù)為2～5次，性能不佳；采用文獻[6]方法檢測時，該設(shè)備終端離線次數(shù)為2～4次，性能相對于文獻[5]方法更有優(yōu)勢；采用本文方法檢測時，安全風(fēng)險控制較為穩(wěn)妥，離線次數(shù)多數(shù)時間保持在0次，僅有2天檢測到1次離線，證明使用本文方法后能夠在較大程度上降低風(fēng)險。

2)實驗二。

從該市級偏遠山區(qū)的配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端中選取50個終端作為此次實驗對象，驗證采用3種方法后配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端處理數(shù)據(jù)的平均能耗大小，對比結(jié)果如圖4所示。

圖4 采用三種方法后配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端能耗大小對比

由圖4可知，隨著配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端數(shù)量的增加，采用文獻[5]方法后，終端的平均能耗驟升，波動范圍為60～125 mW，終端數(shù)量在50臺時平均能耗高達125 mW，可見其性能較差；采用文獻[6]方法后，終端的平均能耗隨配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端數(shù)量的增加而明顯上升，波動范圍為45～85 mW，其性能略優(yōu)于文獻[5]方法；而采用本文方法后終端的平均能耗全程穩(wěn)定在20 mW以下，未受到配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端數(shù)量增加的影響。

3)實驗三。

對比驗證隨突發(fā)業(yè)務(wù)量增大采用3種方法后終端的丟包率，對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 丟包率對比結(jié)果

由圖5可知，采用文獻[5]方法后，終端丟包率為12%～40%，當(dāng)突發(fā)性重大業(yè)務(wù)業(yè)務(wù)量達到2 000 G時其丟包率明顯變大；采用文獻[6]方法后，終端突發(fā)性重大業(yè)務(wù)業(yè)務(wù)量在800 G以內(nèi)時丟包率穩(wěn)定在5%～10%，隨著業(yè)務(wù)量增大其丟包率隨之上升至28%，比文獻[5]方法略優(yōu)秀；采用本文方法后，終端丟包率穩(wěn)定在3%左右，且全程無大幅度波動，可見其未受突發(fā)性業(yè)務(wù)量大小影響，證明本文方法性能穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文通過對配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端進行全面風(fēng)險分析，結(jié)合設(shè)備狀況、運維經(jīng)驗等完善了配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險評價指標(biāo)體系，能夠檢測出配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全風(fēng)險值，有效反映配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端的安全狀態(tài)，并針對其中風(fēng)險值較大的指標(biāo)展開重點關(guān)注。但是由于研究條件等限制，本文研究暫未針對不同類型的終端設(shè)備展開更有針對性的安全監(jiān)測，因而后續(xù)工作將盡可能細化評估指標(biāo)體系，以期進一步優(yōu)化配電網(wǎng)絡(luò)設(shè)備終端安全檢測的相關(guān)理論與技術(shù)。