基于層次分析法的帶電跨越方式選擇

黃敬堯，楊爽，郭昊，李維維

（1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北省 宜昌市 443002；2.荊州市供電公司檢修公司，湖北省 荊州市 434000）

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，在線路施工中，新建超高壓輸電線路和運(yùn)行中的高壓電力線路交叉跨越的情況越來(lái)越多。由于系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行和優(yōu)質(zhì)可靠供電的要求，安排停電跨越高壓線路施工非常困難，因此施工中采取不停電跨越方案越來(lái)越普遍。在進(jìn)行帶電跨越施工時(shí)，選擇合適的方式很關(guān)鍵。在實(shí)際工程中，通過(guò)選擇一種合適的跨越方式，可降低施工難度，優(yōu)化施工費(fèi)用，提高工程質(zhì)量，減少對(duì)環(huán)境的影響［1］。因此有必要對(duì)帶電跨越的施工方式選擇進(jìn)行研究，為實(shí)際的工程提供參考。

1 帶電跨越方式介紹

1.1 搭設(shè)跨越架跨越

跨越架跨越是在被跨越電力線路兩側(cè)安全距離以外搭設(shè)跨越架體進(jìn)行跨越施工的一種方法［2］。（1）運(yùn)行電力線路電壓為10kV，跨越高度為10m以下時(shí)，通常采取搭設(shè)單排或雙排毛竹或扣件式φ48mm鋼管跨越架。（2）運(yùn)行電力線路電壓為35110kV，高度為1015m時(shí)，通常搭設(shè)立體桁架式毛竹跨越架或扣件式鋼管跨越架。（3）運(yùn)行電力線路電壓等級(jí)為220500kV時(shí)，通常采取搭設(shè)鋁合金或鋼結(jié)構(gòu)跨越架［3］。

跨越架跨越運(yùn)輸量較大，操作簡(jiǎn)單，使用的工器具較普通，架體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，一次性投入成本較小，但搭設(shè)成本隨跨越物變化較大。搭設(shè)和拆除跨越架所需時(shí)間較長(zhǎng)，投入人力較多，運(yùn)輸量較大，對(duì)周圍環(huán)境破壞較大。

1.2 索道跨越

利用新建線路兩側(cè)的鐵塔（或組立輔助支撐架體）在被跨越帶電線路的上方架設(shè)架空索道，在索道上設(shè)置保護(hù)裝置，使被展放的導(dǎo)線在保護(hù)裝置中被牽引展放通過(guò)被跨越帶電線路的上方，保證被展放導(dǎo)線和帶電線路之間有足夠的安全距離。施工案例見(jiàn)文獻(xiàn)［4］。

索道跨越方式，適用于各種電壓等級(jí)線路跨越，所用材料少，使用條件廣，對(duì)地形要求不高，施工難度不大，施工可靠性較高，且是環(huán)保性較好的施工方法［5］。但是承力索成本較高，且跨越的檔距不能太大，設(shè)計(jì)理論暫時(shí)還不完善。

1.3 利用臨時(shí)橫擔(dān)帶電封網(wǎng)跨越

利用臨時(shí)橫擔(dān)帶電封網(wǎng)跨越即利用在新建鐵塔上固定臨時(shí)橫擔(dān)，分相搭設(shè)迪尼瑪承載索及絕緣網(wǎng)跨越帶電線路施工，包括半檔封網(wǎng)和整檔封網(wǎng)。施工案例見(jiàn)文獻(xiàn)［6－7］。

利用臨時(shí)橫擔(dān)封網(wǎng)的方式，合適的電壓等級(jí)范圍較廣，搭設(shè)速度較快，節(jié)省了人力物力的投入，工作量不會(huì)隨著電壓等級(jí)的變化而變化太大，施工難度不大，可靠性較好，也較為環(huán)保。但是臨時(shí)橫擔(dān)需要設(shè)置拉線，對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)地型有要求，施工現(xiàn)場(chǎng)最好安排在較為開(kāi)闊的地方。

在進(jìn)行帶電跨越方式選擇時(shí)，影響帶電跨越架線的影響因素眾多，要根據(jù)實(shí)際情況考慮帶電跨越方式。通過(guò)參考相關(guān)文獻(xiàn)并對(duì)相關(guān)施工人員進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查可知，選擇跨越方式的關(guān)鍵因素主要包括跨越的技術(shù)因素、經(jīng)濟(jì)因素、可靠性因素、可操作性因素和環(huán)境保護(hù)因素等。

2 層次分析法及其改進(jìn)

2.1 層次分析法簡(jiǎn)介

層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）的主要思想是通過(guò)將復(fù)雜的問(wèn)題分解為若干層次和若干因素，根據(jù)一些客觀現(xiàn)實(shí)的判斷，對(duì)兩兩指標(biāo)（或目標(biāo)、準(zhǔn)則）之間的重要程度進(jìn)行對(duì)比分析，給出相應(yīng)的比例標(biāo)度（常為1—9標(biāo)度），用數(shù)學(xué)方法表示每一層次的相對(duì)重要性的權(quán)重，得出不同方案重要性程度的權(quán)重，最后得到最佳方案。AHP的核心問(wèn)題是排序，它運(yùn)用了遞階層次結(jié)構(gòu)原理、標(biāo)度原理和排序原理［8］。

運(yùn)用AHP解決實(shí)際問(wèn)題時(shí)，大致分為如下4個(gè)步驟［9］：

（1）分析問(wèn)題并建立遞階層次結(jié)構(gòu)。通過(guò)對(duì)問(wèn)題的分析，建立目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層3個(gè)層次，把問(wèn)題條理化，層次化。

（2）構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣。通過(guò)對(duì)兩兩目標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，得到兩兩比較判斷矩陣A，利用比例標(biāo)度將決策者的判斷量化，這一步是AHP的關(guān)鍵。

（3）層次單排序及其一致性檢驗(yàn)。利用式（1）求出判斷矩陣A的最大特征值λmax及對(duì)應(yīng)的特征向量W，標(biāo)準(zhǔn)化后的W即為該層次下某元素的相對(duì)權(quán)重。

根據(jù)式（2）計(jì)算它的一致性指標(biāo)CI。

最后根據(jù)式（3）進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

式中：RI為平均一致性指標(biāo)，具體數(shù)值可參考文獻(xiàn)［9］，CR為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)。若CR＜0.1時(shí)，A具有滿意的一致性，否則要調(diào)整A，直到具有滿意的一致性。

（4）層次總排序及其一致性檢驗(yàn)。根據(jù)式（1）—（3）可得到各個(gè)方案對(duì)目標(biāo)層的合成權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，通過(guò)一致性檢驗(yàn)后，對(duì)各個(gè)方案進(jìn)行排序，為決策提供依據(jù)。

2.2 傳統(tǒng)的1—9標(biāo)度的不足

構(gòu)造判斷矩陣受人的主觀因素影響比較大，而判斷矩陣又是權(quán)重排序的基礎(chǔ)，因此構(gòu)造判斷矩陣是AHP中非常關(guān)鍵的一步。Saaty建議使用1—9標(biāo)度，如表1所示。該方法特點(diǎn)是簡(jiǎn)單明了，通俗易懂，但是級(jí)別差別較大，1—9標(biāo)度系統(tǒng)與人們頭腦中的實(shí)際標(biāo)度系統(tǒng)并非一致，往往不能如實(shí)表達(dá)人們的期望值。如當(dāng)A1稍優(yōu)于A2時(shí)，按1—9標(biāo)度，其權(quán)重比為3∶1，即前者的重要程度是后者的3倍。這與評(píng)判者的“稍優(yōu)”的實(shí)際想法不相符。據(jù)調(diào)查，通常對(duì)于“差不多”、“稍優(yōu)”、“優(yōu)”、“甚優(yōu)”、“極優(yōu)”的期望非別為1、1.30、1.77、2.40、3.36。因此，采用1—9標(biāo)度法有可能破壞最后的方案的排序選優(yōu)［10］。故應(yīng)采用改進(jìn)的層次分析法。

表1 1—9標(biāo)度比較尺度的取值方法Tab.1 Valuing of comparative scale in 1－9scale method

2.3 改進(jìn)的層次分析法

根據(jù)文獻(xiàn)［9－10］可知，改進(jìn)的層次分析法主要有3種，如表2所示，對(duì)于非數(shù)量性指標(biāo)以及與數(shù)量性指標(biāo)的混合狀態(tài)下的指標(biāo)權(quán)重，宜采用10／10—18／2標(biāo)度法或9／9—9／1標(biāo)度法。

表2 不同指標(biāo)度及其含義Tab.2 Different scales and meanings

由于本文研究的是非數(shù)量性指標(biāo)，故本文采用10／10—18／2標(biāo)度法、9／9—9／1標(biāo)度法和1—9標(biāo)度法分別對(duì)帶電跨越方式各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)度，分別得到相應(yīng)的方案權(quán)重，進(jìn)行比較分析得到一種合適的標(biāo)度方法，應(yīng)用到實(shí)際工程中進(jìn)行帶電跨越方式選擇。

2.4 標(biāo)度評(píng)估方法

文獻(xiàn)［11］給出了3種檢驗(yàn)標(biāo)度合理性的準(zhǔn)則：

式中：aij為判斷矩陣元素；λmax為判斷矩陣的最大特征值；ω為其對(duì)應(yīng)的特征向量。所得到的各種準(zhǔn)則最小的，表明其性能最好。

3 改進(jìn)AHP的工程應(yīng)用

3.1 層次結(jié)構(gòu)模型的建立

根據(jù)層次分析法的基本思想，需要構(gòu)造出一個(gè)用于評(píng)估帶電跨越方案的層次分析模型，主要包括目標(biāo)層A準(zhǔn)則層B和方案層C。（1）目標(biāo)層A，就是針對(duì)實(shí)際工程提出的合適的帶電跨越方案。（2）準(zhǔn)則層B，為評(píng)估帶電跨越架線方式是否合理的因素，主要有帶電跨越的技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)型、可靠性、操作性和環(huán)保性等。（3）方案層C，為主要研究的帶電跨越方式主要有搭設(shè)跨越架跨越、絕緣索橋跨越和利用臨時(shí)橫擔(dān)帶電封網(wǎng)跨越。構(gòu)建的層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 層次結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Hierarchy model

3.2 實(shí)例分析

山西省送變電工程公司承擔(dān)1000kV晉東南—南陽(yáng)—荊門特高壓交流試驗(yàn)示范工程山西段的施工任務(wù)。在特高壓N204—N205跨越段須同時(shí)跨越陽(yáng)—東500kV線路Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ回，經(jīng)協(xié)調(diào)無(wú)法滿足停電要求。因此，為縮短工期，減少因停電造成的經(jīng)濟(jì)損失，擬采用帶電跨越架線技術(shù)。

跨越地形為丘陵地段，且交叉跨越角較小。根據(jù)實(shí)際的工程情況及專家的意見(jiàn)并參考相關(guān)文獻(xiàn)資料，對(duì)幾種典型帶電跨越方式從技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、操作性、環(huán)保性進(jìn)行綜合比較分析，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 綜合比較分析表Tab.3 Comprehensive comparative analysis

根據(jù)層次分析法的原理，構(gòu)建出分別采用1—9標(biāo)度法、9／9—9／1標(biāo)度法和10／10—18／2標(biāo)度法時(shí)，帶電跨越準(zhǔn)則層B各因素對(duì)目標(biāo)層A的判斷矩陣，并計(jì)算其CI、s和σ，具體數(shù)值見(jiàn)表4。

?

由表4中數(shù)據(jù)可得：

（1）1—9標(biāo)度法中，CR＝0.083，滿足一致性檢驗(yàn)，其中CI＝0.0929，s＝5.1648，σ＝1.2217；

（2）9／9—9／1標(biāo)度法中，CR＝0.0035，滿足一致性檢驗(yàn)，其中CI＝0.0039，s＝0.7361，σ＝0.2271；

（3）10／10—18／2標(biāo)度法中，CR＝0，滿足一致性檢驗(yàn)，其中CI＝0，s＝0.3477，σ＝0.0997。

由上述的分析可知，3種算法均滿足一致性檢驗(yàn)，其中10／10—18／2標(biāo)度法3種準(zhǔn)則取值都是最小的，其性能最好，因此指標(biāo)權(quán)重的精度也最好。9／9—9／1標(biāo)度法次之，傳統(tǒng)的1—9標(biāo)度法最差。因此，采用10／10—18／2標(biāo)度法繼續(xù)構(gòu)造方案層C對(duì)準(zhǔn)則層B的判斷矩陣，計(jì)算權(quán)重值，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表56。

由此可得跨越架跨越方案、索道跨越方案和臨時(shí)橫擔(dān)封網(wǎng)方案對(duì)總目標(biāo)的權(quán)值，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

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表7表明層次總排序計(jì)算結(jié)果具有滿意的一致性。在本次施工過(guò)程中，優(yōu)先使用的跨越方式為索道跨越，其次是臨時(shí)橫擔(dān)跨越，最后是跨越架跨越。而在實(shí)際的施工過(guò)程中，山西省送變電工程公司所選用的也是索道跨越方式，這和本文的分析吻合。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）在仿真計(jì)算中，始終有CR＜0.1，表明所采用的層次結(jié)構(gòu)模型的跨越方式選擇具有完全的一致性和準(zhǔn)確性。

（2）在層次分析法中，10／10—18／2標(biāo)度法性能最好，指標(biāo)權(quán)重的精度也最好，9／9—9／1標(biāo)度法次之，傳統(tǒng)的1—9標(biāo)度法最差。因此，在用層次分析法進(jìn)行分析時(shí)優(yōu)先選用10／10—18／2標(biāo)度法。

（3）跨越架跨越方案、索道跨越方案和臨時(shí)橫擔(dān)封網(wǎng)方案相對(duì)于總目標(biāo)的權(quán)值分別為0.2562、0.3926和0.3512，因此，在本工程中，所應(yīng)選取的跨越施工方式為索道跨越方案。

（4）在實(shí)際的施工過(guò)程中，不是所有工程都適合使用索道跨越方式進(jìn)行不停電跨越。對(duì)于具體的工程，可以參考本文的方法，根據(jù)施工單位的技術(shù)條件和實(shí)際的工程條件選擇合適的跨越方式。

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