基于FAHP的海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險評估

朱文生，黃揚東，盧尉，周樹彬

（1.汕尾市氣象局，廣東汕尾 516600；2.揭陽市氣象局，廣東揭陽 522000；3.普寧市氣象局，廣東普寧 515300）

風(fēng)能是一種清潔能源，同時具有可再生屬性，風(fēng)力發(fā)電已在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用［1－2］。相比陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電輸出功率更穩(wěn)定，應(yīng)用前景更廣，截止至2022年，我國海上風(fēng)電裝機總量32 500 MW。海上風(fēng)電機組在運行過程中，很容易遭受雷擊損害［3］，雷電災(zāi)害也是聯(lián)合國公認的10大最嚴重自然災(zāi)害之一，給海上風(fēng)電的正常運行造成了巨大威脅［4］。風(fēng)險評估能夠?qū)纂姙?zāi)害的風(fēng)險進行估算，風(fēng)電運維部門根據(jù)評估結(jié)果及時采取相應(yīng)措施，可有效降低雷電災(zāi)害對海上風(fēng)電發(fā)電的影響。

針對風(fēng)力發(fā)電機雷電風(fēng)險評估，許多學(xué)者對此進行了研究。夏一楠等［5］以風(fēng)電場雷擊災(zāi)害數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Java平臺開發(fā)一個雷電災(zāi)害風(fēng)險災(zāi)害評估系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)對大唐平陰風(fēng)電項目的雷電災(zāi)害進行了評估，評估結(jié)果為該風(fēng)電場防雷工作提供了重要依據(jù)；林英鑒等［6］提出了一種基于層次分析法的 雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法，建立了風(fēng)力發(fā)電機雷電災(zāi)害風(fēng)險評估系統(tǒng)，并以3臺實際運行的風(fēng)電機為評估對象，對其雷電災(zāi)害風(fēng)險進行了評估。傳統(tǒng)雷電風(fēng)險評估方法對于相對模糊的影響因素?zé)o法定量評估，導(dǎo)致上述方法難以應(yīng)用于實際場景?；诖?，本研究提出了一種基于模糊層次分析法（FAHP）的海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法，以期對提高海上風(fēng)電運行的安全性和可靠性。

1 模糊層次分析法

模糊層次分析法（fuzzy analytic hierarchy process，F(xiàn)AHP）是基于模糊綜合評價法（fuzzy comprehensive evaluation，F(xiàn)CE）和層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）提出的一種綜合評價方法［7］，其評價流程如圖1所示。

圖1 FAHP法的評價流程示意圖

1.1 層次分析法

AHP法是基于統(tǒng)計學(xué)理論提出的一種分析方法［8］，主要依據(jù)人的主觀判斷實現(xiàn)對客觀事物的評價，從而解決非定量事件的評價問題。其原理是對研究對象進行層次梳理，根據(jù)分析指標的隸屬關(guān)系，搭建層次分析結(jié)構(gòu)。常用的層次分析機構(gòu)主要有3層，具體如圖2所示。第1層是目標層，即分析對象；第2層是準則層，是指實現(xiàn)客觀分析的中間環(huán)節(jié)；第3層是指標層，是指各評價指標。專家根據(jù)經(jīng)驗按照標度對各指標的重要性進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果進行排序和決策。

圖2 層次分析結(jié)構(gòu)

1.2 模糊綜合評價法

FCE法是基于模糊數(shù)學(xué)提出的一種評價方法［9］，也是目前常用的一種評價量化事物的數(shù)學(xué)工具。FCE法通過隸屬度函數(shù)完成定性評價到定量評價的轉(zhuǎn)變，增強了評估結(jié)果的準確性，目前FCE法被廣泛應(yīng)用于工程評估、項目評價和風(fēng)險定級等多個方面。

FCE法評價策略是自下而上，其主要實施步驟如下：首先確定評價對象和指標集，然后根據(jù)評價對象確定隸屬度函數(shù)，接著根據(jù)隸屬度原則進行矩陣運算，最后得到模糊評價結(jié)果。

2 海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險評估模型

2.1 構(gòu)建評估指標體系

通過查閱相關(guān)文獻，構(gòu)建海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險評估體系，具體如表1所示，其中一級指標共4個，二級指標15個。一級指標分別是雷擊因素、高度因素、氣象因素和其他因素；雷擊因素的二級指標主要有雷擊密度、雷電流強度、雷電流陡度和雷暴天數(shù)。高度因素的二級指標主要有風(fēng)機高度、葉片高度和海平面高度；氣象因素的二級指標主要有溫度、風(fēng)速、雨量和氣壓；其他因素的二級指標主要有海水電阻率、接地引下線材料、接地引下線截面積和風(fēng)機檢修情況。

表1 海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險評估指標體系

本研究將海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險設(shè)為層次分析結(jié)構(gòu)的目標層，4個一級指標集U＝｛U1，U2，U3，U4｝設(shè)為層次分析結(jié)構(gòu)的準則層，15個二級指標集E＝｛E1，E2，…，E15｝設(shè)為層次分析結(jié)構(gòu)的指標層。由此即可自下而上建立多層次評估模型。

2.2 計算各指標權(quán)重

運用FAHP法對各級指標權(quán)重進行計算，具體步驟如下：

1）構(gòu)造判斷矩陣。

在海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險評估體系中，每一層指標在進行衡量時的占比不一定是相同的，需要根據(jù)決策者的判斷，對其賦予相應(yīng)的比例。本研究采用9標度法確定各指標占比，通過兩兩比較的方式計算指標層中各指標相對準則層中各指標的重要程度，9標度法標尺定義如表2所示。

表2 9標度法標尺定義

2）計算局部指標權(quán)重。

局部指標權(quán)重表示指標層相對于準則層的重要程度，通常采用方根法計算權(quán)重，局部指標權(quán)重的計算公式為

其中，Wi為局部指標權(quán)重；n為矩陣階數(shù)；i、j分別表示橫、縱坐標。

2.3 評估結(jié)果計算

評估結(jié)果的計算需要采用模糊綜合評價法進行計算，主要步驟如下：

1）確定海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險為評估對象，各級評價指標集已在表1中給出。

2）構(gòu)建風(fēng)險等級集合V。

在對海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險進行評估時，通常根據(jù)風(fēng)險高低將雷電災(zāi)害風(fēng)險劃分為若干個等級。本文將雷電風(fēng)險等級劃分為低風(fēng)險、中風(fēng)險、高風(fēng)險和極高風(fēng)險共4個等級，

設(shè)評價語V為雷電風(fēng)險評估等級的集合，則有V＝{v1，v2，v3，v4} ＝｛低風(fēng)險，中風(fēng)險，高風(fēng)險，極高風(fēng)險｝，表3給出了各評價語的評分范圍及含義。

表3 各評價語的評分范圍及含義

采用三角形分布法［10］對海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險評估體系的各指標隸屬度進行計算，建立4個一級指標的隸屬度函數(shù)，三角形分布函數(shù)如圖3所示。

圖3 三角隸屬函數(shù)示意圖

3）確定隸屬度矩陣。

隸屬度矩陣R為一級指標U和評價語集合V的模糊隸屬矩陣，其計算公式為

其中，rij為ui對風(fēng)險等級vj的隸屬度。

對式（2）進行歸一化處理，rij＝1滿足如下關(guān)系：

4）模糊合成運算。

將式（1）中的局部指標權(quán)重W（I）ij和式（2）隸中的屬度矩陣R進行運算，即可得到二級指標的模糊評判矩陣Bi：

根據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型，對二級模糊關(guān)系矩陣R′進行計算，具體如下：

然后根據(jù)一級指標權(quán)重矩陣W（H）i，即可確定一級指標的模糊評判矩陣B：

其中，°為模糊合成算子。

3 WPA求解ADN經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度模型

以粵東地區(qū)某海上風(fēng)電場為例進行算例分析，該風(fēng)電場裝機容量為352 MW，風(fēng)電機組共計55臺，單臺功率為6.4 MW，風(fēng)機高度為152 m，葉片高度為58 m，海水電阻率為25Ω／cm2，風(fēng)電機接地引下線截面積為125 mm2。該地區(qū)年均氣溫為25℃，全年降雨量約為1 950 mm，年平均地閃密度為38.24次／km2，平均雷電流值為48 kA，雷電流值較大，容易形成局地強對流天氣，也容易造成雷電頻發(fā)。采用FAHP法對該風(fēng)電場雷電災(zāi)害風(fēng)險進行評估，為完成該次風(fēng)險評估，邀請該領(lǐng)域10位專家根據(jù)自身經(jīng)驗對評估指標進行打分，經(jīng)過計算整理后得到一級模糊評判矩陣為

準則層和指標層中各指標權(quán)重如表4所示。

表4 指標權(quán)重

利用式（1）和式（2）計算二級指標的模糊評判矩陣Bi，則有

采用同樣的方法，可分別計算出

因此可以得到二級模糊矩陣R＇為

將評價語集合V＝(v1，v2，v3，v4) 轉(zhuǎn)化為數(shù)值集合WE＝(100，75，50，25)，利用公式U＝WE·BT進行矩陣運算即可得到該海上風(fēng)電場風(fēng)電機雷電災(zāi)害風(fēng)險分值SU為

將計算結(jié)果與標準分值比較后可以得出，該海上風(fēng)電場風(fēng)電機組遭受雷電災(zāi)害風(fēng)險為“較高風(fēng)險”，發(fā)生雷電災(zāi)害的可能性較大，經(jīng)查閱設(shè)計資料可知，本研究評價結(jié)果與設(shè)計資料，驗證了所提海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法的正確性。

本研究建立了包含4個一級指標和15個二級指標的海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險評估模型，將一級指標和二級指標分別作為準則層和指標層，運用FAHP法構(gòu)建了分層結(jié)構(gòu)模型，并采用九標度法確定各指標權(quán)重，采用某實際運行的風(fēng)電場進行評估分析，結(jié)果表明，本研究所提海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險評估方法的評價結(jié)果與設(shè)計資料一致，驗證了本研究所提方法的正確性。