基于AHP的供電可靠性評價及影響因素分析

王宏剛, 趙永生, 高方景, 秦 浩

(1. 國家電網(wǎng)有限公司， 北京 100000; 2. 國網(wǎng)安徽省電力有限公司， 合肥 230000)

0 引言

可靠性指標作為綜合評價電網(wǎng)運行狀況，設(shè)備資產(chǎn)管理水平和電網(wǎng)公司服務(wù)能力的重要綜合性指標，目前仍然著重于結(jié)果性評價，但影響到可靠性水平的因素眾多，過程復雜，單純依靠“知其然，而不知其所以然”的指標評價，很難真正發(fā)揮可靠性管理專業(yè)的作用與意義，因此，有必要在現(xiàn)有可靠性指標統(tǒng)計評價的基礎(chǔ)上，結(jié)合大數(shù)據(jù)的分析思路和技術(shù)手段，研究主配網(wǎng)可靠性數(shù)據(jù)在電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計、采購建設(shè)、運行檢修、設(shè)備置換等方面的深化應(yīng)用及實用化方法。

按照國網(wǎng)總部總體工作部署及《2017年電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)及可靠性管理工作》(國家電網(wǎng)安質(zhì)〔2017〕12號)安排，扎實做好電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱： 電能系統(tǒng)) 深化應(yīng)用工作，切實提升國網(wǎng)X電力公司對電能系統(tǒng)綜合應(yīng)用水平及可靠性專業(yè)管理水平，研究供電可靠性成本與經(jīng)濟效益分析，反應(yīng)配網(wǎng)規(guī)劃方案的可靠性成本與可靠性效益關(guān)系，同時提供配網(wǎng)規(guī)劃方案可靠性專業(yè)依據(jù)。[1,2]

1 供電可靠性影響因素體系構(gòu)建

1.1 影響因素分析

可靠性內(nèi)因數(shù)據(jù)一般包括四個方面，分別為網(wǎng)架、設(shè)備、技術(shù)、管理四個層面，下面分別對每個層面進行分析。[3-5]

1.1.1 網(wǎng)架層面

1) 電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)

目前,受我國經(jīng)濟環(huán)境等因素影響，單電源輻射、環(huán)式、分段聯(lián)絡(luò)以及N-1主備這四種接線模式在電網(wǎng)大部分地區(qū)被廣泛使用。[9]

2) 中性點接地方式

目前，在世界上的中性點接地方式的選擇是多樣和成熟。因此，我國應(yīng)考慮采用中性點接地方式，充分考慮基本國情，并考慮當?shù)氐闹贫葪l件。然后通過系統(tǒng)的分析和論證，經(jīng)過多方面的考慮，我們可以做出最正確的選擇。目前，我國配電網(wǎng)普遍采用中性點接地方式、小電阻接地方式和振動接地方式。

3) 電網(wǎng)供電能力

雖然我國在配電網(wǎng)的研究方面取得了令人矚目的成績，但與其他發(fā)達國家相比，差距還很大，還不夠成熟。配電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)中占有非常重要的地位，它與系統(tǒng)的可靠性密切相關(guān)。因此，隨著我國網(wǎng)架結(jié)構(gòu)投資的變化，配電系統(tǒng)的可靠性也隨之發(fā)生變化。相對于傳輸網(wǎng)絡(luò)，電網(wǎng)企業(yè)的投資是遠遠不夠的。此外，城市配電網(wǎng)往往受到城市規(guī)劃、交通環(huán)境、土地利用等諸多因素的制約，因此其發(fā)展也相應(yīng)受到限制，顯然無法跟上電力和供電建設(shè)的步伐。據(jù)統(tǒng)計，我國大部分電網(wǎng)結(jié)構(gòu)甚至達不到安全要求，一旦這些地區(qū)發(fā)生故障，將影響配電系統(tǒng)的平穩(wěn)運行。[6-8]

1.1.2 設(shè)備層面

電網(wǎng)主要由電氣設(shè)備組成。搞好電氣設(shè)備的管理，保證設(shè)備的穩(wěn)定運行，對提高供電可靠性具有重要意義。配電網(wǎng)中含有大量的配電設(shè)備，因此，在收集和整理數(shù)據(jù)時，不能忽視設(shè)備和元器件的分布情況，反映數(shù)據(jù)采集的狀態(tài)。多年來，供電企業(yè)逐步重視配電網(wǎng)的基礎(chǔ)管理，投入了大量先進設(shè)備，配電網(wǎng)設(shè)備的故障情況得到了很大改善。

1) 內(nèi)外過電壓

在配電系統(tǒng)中，有許多種類的過電壓，危及設(shè)備絕緣的可靠性和電源。為保證整個系統(tǒng)的安全，應(yīng)采取有效措施，有效地抑制系統(tǒng)的安全。

2) 絕緣配置和絕緣老化

停電次數(shù)和停電時間決定了配電網(wǎng)的可靠性。有很多原因的斷電事故，據(jù)統(tǒng)計，大部分斷電事故是由絕緣擊穿引起的。絕緣水平和工作條件，滿足設(shè)備在很大程度上保證配電網(wǎng)供電可靠性的標準，通過對設(shè)備的合理配置，提高設(shè)備的絕緣水平和系統(tǒng)的可靠性大幅度提高。設(shè)備的絕緣配置需要考慮經(jīng)濟投資，在符合各種過電壓的限壓措施，絕緣強度標準，必須保證設(shè)備基建、供電可靠性以及運行維護經(jīng)濟。

3) 外力破壞

對斷電的發(fā)生有時是由外力引起的。根據(jù)故障產(chǎn)生的原因，它可以分為兩類：人為因素、產(chǎn)品因素。在過去的幾年中，由外力引起的斷電的問題經(jīng)常發(fā)生。其中，以人身盜竊、違章建筑施工、交通事故等因素為主。

1.1.3 技術(shù)層面

1) 配網(wǎng)自動化技術(shù)

配電自動化可用于快速故障定位和隔離故障，實現(xiàn)負荷轉(zhuǎn)移，從而最大限度地減少因故障停電次數(shù)和停電時間造成的，是加強配電網(wǎng)絡(luò)的管理，確保電網(wǎng)和提高初始投資大的配電自動化建設(shè)的可靠性的有效方法，操作安全，涉及范圍廣泛的分布。操作和維護成本也是需要考慮的成本。實際配電自動化建設(shè)不一定能給電力部門帶來經(jīng)濟效益，如果用于提高供電可靠性的初始投資高于因減少故障帶來的損失，這一投資是不合理的。為保證配電網(wǎng)自動化的經(jīng)濟合理運行，必須對其成本效益進行定量分析，充分考慮其投資可行性。[9-11]

2) 故障定位技術(shù)

供電企業(yè)的一項基本任務(wù)是不斷提高供電可靠性。據(jù)統(tǒng)計，95%以上的電力用戶所遭受的停電是由配電網(wǎng)(不包括缺電因素)造成的，其中大部分是由故障造成的。因此，準確測量配電網(wǎng)故障位置，對故障的隔離和修復，提高供電可靠性具有重要意義。根據(jù)測量過程中線路是否帶電，將配電網(wǎng)故障測距技術(shù)分為在線和離線兩種方法。最實際的故障是絕緣擊穿故障，電源線絕緣電阻，故障恢復，故障電阻上升至數(shù)千歐甚至數(shù)兆歐，不是由直流電阻或注入信號跟蹤簡單測定故障定位方法，通常需要高壓設(shè)備故障檢測故障點后單擊。

3) 帶電作業(yè)技術(shù)

配電網(wǎng)帶電作業(yè)可避免因維修造成停電給用戶帶來不便，確保了配電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟可行性。帶電作業(yè)按照絕緣方式可分為間接法和直接法；按照絕緣器具可分為絕緣桿作業(yè)、絕緣平臺作業(yè)和絕緣斗臂車作業(yè)3種方法。盡管屏蔽服可以用于帶電作業(yè)的防護，但盡量不要直接下帶電體接觸。配電線路進行帶電作業(yè)的防護用品主要包括了絕緣遮蔽罩防護、絕緣作業(yè)服、絕緣手套和絕緣鞋(靴)。

4) 配網(wǎng)故障快速復電技術(shù)

配電網(wǎng)故障快速復電系統(tǒng)包含了客服支持(95598)、故障搶修、現(xiàn)場工作終端、搶修資源、停電監(jiān)測、多屏指揮、監(jiān)督考核等7個子系統(tǒng)，如所圖1示。

圖1 快速復電支持系統(tǒng)的子系統(tǒng)

其運行使用為故障監(jiān)控、故障預判、報障過濾、智能分析、移動作業(yè)、指揮調(diào)度等方面都發(fā)揮了積極的作用，因此，配網(wǎng)故障快速復電技術(shù)的建設(shè)狀況影響著配電網(wǎng)的供電可靠性[13-15]。

1.1.4 管理層面

1) 計劃停電

除了因故障檢修、限電之外導致的停電就是計劃停電，計劃停電可因?qū)€路進行改造施工、輸配電預試、線路清掃等原因引起。

2) 計劃檢修

一般來說，為避免出現(xiàn)故障，設(shè)備無論好壞，均要進行例行停電檢修。這種“一刀切”的檢修模式增加了停電時間，影響可靠供電。一般性事故帶有很大的隨機性，難以預測，如人為或外力破壞、交通事故等造成的倒桿、斷線、短路等。

3) 可靠性數(shù)據(jù)利用程度

是否深入分析供電可靠性的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對指標分析的深度是否達到相關(guān)要求， 對一些深層次的問題比如設(shè)備的潛力挖掘與管理、人員綜合素質(zhì)的提高等是否進行系統(tǒng)研究。

1.2 可靠性影響因素體系

綜上所述，建立可靠性影響因素體系如圖 2所示。

圖2 供電可靠性影響因素體系

圖2分為4個大的層面，一是網(wǎng)絡(luò)層面，二是設(shè)備層面，三是技術(shù)層面，四是管理層面。

2 基于AHP的可靠性影響因素評價方法

在建立供電可靠性影響因素體系的基礎(chǔ)上，采用層次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)進行可靠性評估。AHP是美國著名的運籌學家 T. L. Saaty 提出來的一種多目標、多準則的決策分析方法。該方法利用較少的定量信息進行數(shù)學決策，為多目標、多準則、無結(jié)構(gòu)特征的復雜決策問題提供了一種簡單的決策分析方法。這種方法被廣泛的應(yīng)用在工程、經(jīng)濟、軍事、政治和外交領(lǐng)域，解決了許多重要問題，如系統(tǒng)評價、資源配置、價格預測、項目選擇、是分析和定性定量分析的一種有效方法。用層次分析法進行決策分析，首先要分層，根據(jù)問題的性質(zhì)和實現(xiàn)問題的總體目標可以分解成不同的組件，并按照互動的因素之間聯(lián)系的因素在不同程度的聚集組合，形成一個多層次的結(jié)構(gòu)模型，最后系統(tǒng)分析降到最低水平(如決策)相對于頂(目標)的權(quán)重或訂單調(diào)度問題的相對優(yōu)點的確定的相對重要性，從而為決策方案的選擇提供了依據(jù)。

3 X區(qū)供電可靠性及影響因素分析

3.1 典型臺區(qū)改造方案經(jīng)濟效益分析

選取2015年X區(qū)10kV Y衛(wèi)生所網(wǎng)變等臺區(qū)改造工程進行經(jīng)濟效益分析，如表 1所示。

表1 Y衛(wèi)生所網(wǎng)變等臺區(qū)改造工程經(jīng)濟效益

從上表 1可以看出，對X區(qū)10 kV Y衛(wèi)生所網(wǎng)變等臺區(qū)進行改造，根據(jù)2014-2016年可靠性數(shù)據(jù)分析來看，通過改善變電站的聯(lián)絡(luò)特性可以減少變電站臺區(qū)影響的停電時戶數(shù)，提高供電可靠性，但投資成效不高。

3.2 可靠性提升措施經(jīng)濟分析

根據(jù)2015年X區(qū)供電可靠性數(shù)據(jù)，在9月份轉(zhuǎn)供電作業(yè)128 次，對每次作業(yè)進行計算然后求和可得到本月轉(zhuǎn)供電實現(xiàn)的增供電量為403.6 MWh，增供時戶數(shù)為6 063.28 h·戶。同樣可以得出通過發(fā)電車、綜合停電產(chǎn)生的增供電量及時戶數(shù)，如表2所示。

表2 增供電量及時戶數(shù)

根據(jù)表2中計算得出的數(shù)據(jù)，可以得到圖3和圖4。

從圖 3和圖 4可以看出，在3種增供措施中綜合停電管理產(chǎn)生的增供電量及時戶數(shù)均為最高，說明該項措施是最有效的增供措施，在可靠性管理中應(yīng)更加重視綜合停電管理。

圖3 可靠性措施增供電量

圖4 可靠性措施增供時戶數(shù)

3.3 供電可靠性影響因素評價

本文采用線性加權(quán)法對此多目標規(guī)劃問題進行綜合評估?；诖耍紫刃枰_定各指標的權(quán)重，并對各指標的數(shù)據(jù)進行規(guī)范化的處理，最后對這兩方面的數(shù)據(jù)進行加權(quán)，尋找整體最優(yōu)方案。本文運用YAAHP軟件建立AHP的層次結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 AHP層次結(jié)構(gòu)模型

在確定權(quán)重集的方法上，采用AHP對風險權(quán)重進行確定。首先，利用T.L.Saaty教授提出的“1～9標度”法得出比較判斷矩陣。通過YAAHP軟件最終計算各指標權(quán)重結(jié)果如表3所示。

下面為對各指標的判斷矩陣一致性進行檢驗的結(jié)果。

表3 各指標權(quán)重

1) 供電可靠率

判斷矩陣一致性比例：0.053 9；對總目標“供電可靠率”的比重為1.000；λmax=4.144 0。如表 4所示。

表4 供電可靠率一致性判斷權(quán)重

4個層面權(quán)重大小柱狀圖如圖 6所示。

圖6 四個層面指標權(quán)重大小

2) 技術(shù)層面

判斷矩陣一致性比例：0.057 4；對總目標“供電可靠率”的比重為0.172 0；λmax=4.153 2。如表 5所示。

3)管理層面

判斷矩陣一致性比例：0.005 3；對總目標“供電可靠率”的比重為0.083 5；λmax=3.005 5。如表6所示。

4) 設(shè)備層面

判斷矩陣一致性比例：0.051 6；對總目標“供電可靠率”的比重為0.243 3；λmax=3.053 6。如表7所示。

5) 網(wǎng)架層面

判斷矩陣一致性比例：0.000 0；對總目標“供電可靠率”的比重為0.501 1；λmax=3.000 0。如表 8所示。

表5 技術(shù)層面一致性判斷權(quán)重

表6 管理層面一致性判斷權(quán)重

表7 設(shè)備層面一致性判斷權(quán)重

表8 網(wǎng)絡(luò)層面一致性判斷權(quán)重

結(jié)論：對配電網(wǎng)可靠性影響因素進行研究，可以在一定程度上減少系統(tǒng)的故障率，從而提高用戶對電力系統(tǒng)的滿意程度，結(jié)合X區(qū)電網(wǎng)的具體資料，根據(jù)以上評價得出，對X區(qū)配電網(wǎng)可靠性影響因素依次為網(wǎng)架層面、設(shè)備層面、技術(shù)層面和管理層面，應(yīng)逐步優(yōu)化配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，及時維修與更換主要電力設(shè)備，加大各項可靠性措施的應(yīng)用力度，加強供電可靠性的管理工作。同時，隨著X區(qū)工業(yè)的引入，供電量的逐步增加，根據(jù)各類指標的排序，電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、電網(wǎng)供電能力、外力破壞、帶電作業(yè)技術(shù)為相對重要的因素，這些因素應(yīng)重點關(guān)注，并逐步改善，從而為提高X區(qū)電網(wǎng)供電可靠性提高措施指明了方向。

4 總結(jié)

從規(guī)劃與營銷兩個階段，網(wǎng)架、設(shè)備、技術(shù)、管理4個方面建立了適用于X區(qū)可靠性影響因素體系，并運用YAAHP軟件給出了X區(qū)電網(wǎng)的評估結(jié)果。結(jié)果表明，綜合停電產(chǎn)生的增供電量及時戶數(shù)均為最高，說明該項措施是最有效的增供措施，在管理中應(yīng)更加重視綜合停電管理；對X區(qū)配電網(wǎng)可靠性影響因素依次為網(wǎng)架層面、設(shè)備層面、技術(shù)層面和管理層面，應(yīng)逐步優(yōu)化配電網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，及時維修與更換主要電力設(shè)備，加大各項可靠性措施的應(yīng)用力度，加強供電可靠性的管理工作，為提升電網(wǎng)可靠性，決策可靠性方案做準備。