基于模糊層次分析的配電變壓器改造優(yōu)先級評估方法

邵志敏，張林利，李建修，樊迪，沈小迪

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟南250003；2.山東中實易通集團(tuán)有限公司，山東濟南250003）

基于模糊層次分析的配電變壓器改造優(yōu)先級評估方法

邵志敏1，張林利1，李建修1，樊迪1，沈小迪2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟南250003；2.山東中實易通集團(tuán)有限公司，山東濟南250003）

普通配電變壓器改造為經(jīng)濟型配變時，需要對多個變壓器改造優(yōu)先級進(jìn)行合理評估排序。提出一種基于模糊層次分析法的配電變壓器改造優(yōu)先級評估方法，通過建立改造優(yōu)先級評估的層次結(jié)構(gòu)模型，選取典型評價指標(biāo)，確定各層間的權(quán)重，構(gòu)建模糊一致判斷矩陣，計算各待改造配變的綜合評價值及排序。某電網(wǎng)的應(yīng)用實例證明該方法可為配變改造優(yōu)先級評估提供更科學(xué)的決策參考。

模糊層次分析；配電變壓器；優(yōu)先級評估

0 引言

變壓器是電力傳送過程中的重要設(shè)備，擔(dān)負(fù)著電壓變換和功率傳遞的任務(wù)。在配電系統(tǒng)中，配電變壓器數(shù)量眾多、總?cè)萘看?，總體運行損耗在整個配電網(wǎng)損耗中占比較高［1］。因此，降低配電變壓器運行損耗是配電網(wǎng)降損節(jié)能的重要途徑。隨著近年來配電網(wǎng)建設(shè)改造的持續(xù)投入，已經(jīng)基本完成對陳舊、高能耗變壓器的更換工作。目前，非晶合金、高過載、有載調(diào)容調(diào)壓等新型節(jié)能型配電變壓器正逐步擴大應(yīng)用范圍［2-3］，對降低配電網(wǎng)整體損耗起到了重要作用。

普通配變臺區(qū)在改造為新型配電變壓器時需要綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟、管理等多方面因素，供電部門一般采取分批投資的方式，逐步對臺區(qū)配電變壓器進(jìn)行改造。因此，綜合各方面因素制定合理的改造優(yōu)先級，不僅能提高電力系統(tǒng)運行的安全性與可靠性，更能節(jié)約財力與人力，實現(xiàn)精準(zhǔn)投資。文獻(xiàn)［4］基于全壽命周期成本理論，建立中低壓配電網(wǎng)變壓器的全壽命周期成本模型，包括初次投資成本、運行維護(hù)成本、停電損失成本和設(shè)備殘值，并以全壽命周期成本最小為原則對配電變壓器改造進(jìn)行選型指導(dǎo)。文獻(xiàn)［5］進(jìn)一步完善了全壽命周期成本模型，并對其靈敏度進(jìn)行了分析，提高了該方法的實用性。文獻(xiàn)［6］利用故障樹分析法，評估變壓器運行可靠性，識別早期故障征兆，作為變壓器維護(hù)依據(jù)?，F(xiàn)有技術(shù)多是考慮經(jīng)濟性或可靠性等單方面指標(biāo)，缺乏考慮各主要影響因素的綜合判斷。

本文應(yīng)用模糊層次分析的方法，建立改造優(yōu)先級評估的層次結(jié)構(gòu)模型，選取典型評價指標(biāo)，構(gòu)建模糊一致判斷矩陣，對配電變壓器改造優(yōu)先級進(jìn)行評估，為配電變壓器有序改造提供理論指導(dǎo)。

1 模糊層次分析

層次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）于20世紀(jì)70年代中期提出，是一種定性和定量相結(jié)合的分析方法，具有系統(tǒng)化的、層次化的特點［7］。但是，早期的層次分析法存在明顯的不足，標(biāo)度方法采用確定性的方法，不考慮評價人員評判的主觀性，往往導(dǎo)致判斷結(jié)果準(zhǔn)確性不足。模糊層次分析法（Fuzzy analytic hierarchy process，F(xiàn)AHP）結(jié)合層次分析法與模糊分析理論的優(yōu)點、充分考慮人員評判的模糊性，可最大限度減小人為因素影響［8-9］，已在電力系統(tǒng)相關(guān)分析中獲得了廣泛應(yīng)用［10-11］。

1）對問題進(jìn)行分析并建立相應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)模型。一般情況下，層次結(jié)構(gòu)可以劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。

2）構(gòu)造判斷矩陣。將各影響因素進(jìn)行兩兩相互比較，形成判斷矩陣并確定矩陣各元素的權(quán)重值。FAHP使用三角模糊數(shù)對傳統(tǒng)的1～9標(biāo)度法進(jìn)行修正，表示為

式中：p和r分別為上限和下限；q為可能的最大值。修正后的標(biāo)度如表1所示。

表1 因素重要性比較模糊標(biāo)度

所形成的模糊判斷矩陣

3）一致性檢驗。得到模糊判斷矩陣后，需要對所得結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗，一致性指標(biāo)CI定義為

式中：n為模糊判斷矩陣的階數(shù)；λmax為矩陣的最大特征根。根據(jù)表2所示的平均隨機一致性指標(biāo)RI，按下式計算一致性比例CR為

表2 平均隨機一致性指標(biāo)

當(dāng)n為1或2時，CR取值為0。當(dāng)矩陣階數(shù)為其他值時，若求得的CR＜0.1，則認(rèn)為模糊矩陣的一致性在可接受范圍內(nèi)；若求得的CR≥0.1，則需要對模糊判斷矩陣元素進(jìn)行修正，直到通過一致性檢驗。

4）進(jìn)行分析評估。首先確定下層元素對于上層準(zhǔn)則的相對權(quán)重，然后確定各層元素對系統(tǒng)目標(biāo)的權(quán)重，最后依照各元素權(quán)重值進(jìn)行評估。利用這些計算得到的權(quán)重及指標(biāo)值計算各方案的綜合評價值，按綜合評價值從大到小排序，綜合評價值最大的方案即為最優(yōu)方案。

2 配電變壓器屬性評估

2.1 建立層次模型

設(shè)備屬性優(yōu)先級評估模型的建立，必須合理選取配電變壓器改造優(yōu)先級的評價因素。根據(jù)大量統(tǒng)計分析，選取負(fù)載率變化、運行年限、配變損耗、家族缺陷、檢修記錄、運行環(huán)境作為評價因素。各評價因素的權(quán)重確定非常重要，反映了各指標(biāo)對配電變壓器狀態(tài)的影響程度，合理地確定各因素的權(quán)重，是保證結(jié)果合理性的關(guān)鍵。備屬性評估層次模型如圖1所示。

圖1 配變設(shè)備屬性評估模型

CRI.1質(zhì)量缺陷。質(zhì)量缺陷是指經(jīng)確認(rèn)具有設(shè)計、材質(zhì)、工藝等共性因素導(dǎo)致的設(shè)備缺陷。對于故障信息記錄中存在質(zhì)量缺陷的配電變壓器，改造的迫切性要更高。

CRI.2配變運行損耗。高耗能配電變壓器會增加電網(wǎng)的運行損耗，運行年限越久的變壓器運行損耗往往越大，因此配變運行損耗是設(shè)備屬性的重要參考因素。

CRI.3配變運行年限。配電變壓器的劣化程度與運行年限直接相關(guān)，對于一臺變壓器，運行年限越長絕緣老化、損耗增加等問題越嚴(yán)重。因此，配電變壓器運行年限越長，升級改造的迫切性就越大。

CRI.4配變負(fù)載率。負(fù)載率反映了變壓器工作的裕度與安全程度，負(fù)載率過高，在負(fù)荷波動時容易產(chǎn)生過載，嚴(yán)重時會導(dǎo)致配變燒毀，影響電力系統(tǒng)的安全運行。因此，存在重過載現(xiàn)象的變壓器應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行改造。

CRI.5檢修記錄。檢修記錄一定程度上反映著變壓器的故障情況，檢修記錄多的配變，其運行過程中突發(fā)故障的風(fēng)險也會更高。因此，應(yīng)將臺區(qū)配變檢修記錄作為一項考慮因素。

CRI.6運行環(huán)境。惡劣的運行環(huán)境不僅會影響配電變壓器的運行狀況，同時還會加速變壓器老化程度，因此在制定改造計劃時應(yīng)將配電變壓器的運行環(huán)境作為考慮因素。

為了保證在各準(zhǔn)則下對不同的配變進(jìn)行比較的準(zhǔn)確性，需要明確每一個準(zhǔn)則下相應(yīng)的子準(zhǔn)則。各個子準(zhǔn)則按相關(guān)專家打分為基礎(chǔ)、依據(jù)FAHP法確定相應(yīng)權(quán)重，即專家對同一準(zhǔn)則下的子準(zhǔn)則以0～10進(jìn)行打分，分?jǐn)?shù)越高代表同一準(zhǔn)則下，符合該子準(zhǔn)則的配電變壓器改造優(yōu)先級越高。最后綜合各專家意見，并歸一化后，即可獲得各子準(zhǔn)則的權(quán)重。

式中：Sij為綜合各專家意見后的第i個準(zhǔn)則下的第j個子準(zhǔn)則的得分值；Sijk為第k個專家對第i個準(zhǔn)則下的第j個子準(zhǔn)則的打分值；m為專家數(shù)量；εij為第i個準(zhǔn)則下的第j個子準(zhǔn)則的權(quán)重；ni為準(zhǔn)則i包含子準(zhǔn)則的數(shù)量。歸一化處理后各子準(zhǔn)則權(quán)重值如表3所示。

表3 各子準(zhǔn)則及權(quán)重值

2.2 矩陣構(gòu)造和評估

通過對上述6項準(zhǔn)則進(jìn)行兩兩比較，可以構(gòu)造出模糊判斷矩陣為

應(yīng)用對數(shù)最小二乘法，求得矩陣第i項準(zhǔn)則的模糊權(quán)重為

各準(zhǔn)則權(quán)重通過一致性檢驗后，該配電變壓器的設(shè)備屬性優(yōu)先級評估結(jié)果為

式中：εij為第i臺配變在準(zhǔn)則j下的得分值；wcri.i為第i臺配變的設(shè)備屬性評估值；Aj為第j個準(zhǔn)則的權(quán)重。

3 應(yīng)用實例

利用所提出的方法對某農(nóng)村地區(qū)列入配電變壓器改造計劃的6個配變臺區(qū)進(jìn)行評估，6臺區(qū)變壓器的型號分別為S9-200/10、S9-200/10、S9-200/10、S9-250/10、S11-160/10、S9-200/10，分別用編號DT.1、DT.2、DT.3、DT.4、DT.5、DT.6表示。

所選6臺配變都是S9型，常規(guī)方式下，往往是由技術(shù)負(fù)責(zé)人主要根據(jù)運行年限，結(jié)合維修記錄確定各配變的改造優(yōu)先級，所得結(jié)論主觀隨機性較強，且不能綜合各相關(guān)因素，甚至不同的人會做出不同的決策。

應(yīng)用本文所提出的方法，邀請10位專家根據(jù)各配變具體情況進(jìn)行打分，綜合10位專家對各變壓器的打分情況，即可得到評價所需的模糊判斷矩陣。然后對所得模糊判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗，對求得的權(quán)重值去模糊化并歸一化處理，所得權(quán)重如表4所示。

表4 各評價準(zhǔn)則歸一化權(quán)重

表5 配變在各評價準(zhǔn)則下得分

根據(jù)10位專家對每臺變壓器的評價分值，進(jìn)行歸一化換算后得出待評估6臺變壓器在各準(zhǔn)則下的得分值如表5所示。

結(jié)合各準(zhǔn)則權(quán)重與分值，應(yīng)用式（10）即可求得各配變的設(shè)備屬性優(yōu)劣評估結(jié)果如表6所示。

表6 設(shè)備屬性評估結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)備屬性評估結(jié)果，各配變改造優(yōu)先級排序為：DT.4、DT.6、DT.5、DT.2、DT.3、DT.1。

4 結(jié)語

提出基于模糊層次分析法的配電變壓器改造優(yōu)先級評估方法，充分考慮了傳統(tǒng)層次分析中人的主觀判斷、選擇、偏好的模糊性質(zhì)，使決策更客觀及合理。通過選取質(zhì)量缺陷、運行損耗等6個典型評價指標(biāo)，確定模型各層間的權(quán)重，構(gòu)建模糊一致判斷矩陣，計算得到各待改造配變的綜合評價值。評價分值高的配電變壓器擁有更高的改造優(yōu)先級，可據(jù)此安排配變改造順序，為在運配變升級改造決策提供理論指導(dǎo)。某農(nóng)村地區(qū)配變改造的實際應(yīng)用證明了本文方法的有效性。

［1］王彬宇.城市中低壓配電網(wǎng)損耗分析與降損技術(shù)選擇方法［D］.重慶：重慶大學(xué)，2014.

［2］楊慶福，祁穎矢，沈山林，等.一種農(nóng)網(wǎng)高過載配電變壓器［J］.變壓器，2015，52（2）：22-25.

［3］王金麗，盛萬興，向馳.非晶合金配電變壓器的應(yīng)用及其節(jié)能分析［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（18）：25-29.

［4］羅曉初，李樂，魏志連，等.全壽命周期成本理論在配電變壓器改造投資決策中的應(yīng)用［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（2）：207-211.

［5］李娜，王曉亮，李明.電力變壓器全壽命周期成本建模及其靈敏度分析［J］.山東電力技術(shù)，2015，42（11）：36-39.

［6］肖欣，周渝慧，唐鑫，等.基于全壽命周期理論的配電變壓器可靠性和節(jié)能減排綜合評估方法［J］.華東電力，2013，41（8）：1 643-1 646.

［7］TANAKA H，TSUKAO S，YAMASHITA D，et al.Multiple Criteria Assessment of Substation Conditions by Pair-Wise Comparison of Analytic Hierarchy Process［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2010，25（4）：3 017-3 023.

［8］LIAO R，ZHENG H，GRZYBOWSKI S，et al.An Integrated Decision-Making Model for Condition Assessment of Power Transformers Using Fuzzy Approach and Evidential Reasoning［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26（2）：1 111-1 118.

［9］NGUYEN TT，GORDON-BROWN L.Constrained Fuzzy Hierarchical Analysis for Portfolio Selection Under Higher Moments［J］. IEEE Transactions on Fuzzy Systems，2012，20（4）：666-682.

［10］鐘慧榮，顧雪平.基于模糊層次分析法的黑啟動方案評估及靈敏度分析［J］.電力系統(tǒng)自動化，2010，34（16）：34-37，49.

［11］盧雪峰，王增平，徐巖，等.模糊層次分析法在變壓器勵磁涌流識別中的應(yīng)用［J］.電力自動化設(shè)備，2008，28（11）：57-61.

Priority Assessment Method for Distribution Transformer Replacement Based on Fuzzy Analytical Hierarchy Process

SHAO Zhimin1，ZHANG Linli1，LI Jianxiu1，F(xiàn)AN Di1，SHEN Xiaodi2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Zhongshi Yitong Group Co.，Ltd.，Jinan 250003，China）

Priority of distribution transformers replacement should be assessed and sequenced reasonably when ordinary distribution transformers replaced by economical types.A priority assessment method for distribution transformer replacement based on fuzzy analytical hierarchy process（FAHP）is proposed in this paper.The hierarchical structure model of priority assessment is established，the typical evaluation factors are selected and the weight of each layer is determined.Fuzzy consistent judgment matrix is constructed to calculating the comprehensive evaluation value and ranking them of each distribution transformer.The actual application shows that this method can provide more scientific decision-making references for assessing replacement priority.

fuzzy analytical hierarchy process（FAHP）；distribution transformer；priority assessment

TM773

A

1007－9904（2017）05－0010－04

2016-12-11

邵志敏（1984），男，工程師，從事配電自動化相關(guān)工作。