新疆風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估探究

李姜超，成 斌，李西洋

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子832000)

隨著低碳經(jīng)濟(jì)的興起，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在我國(guó)乃至全球快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，風(fēng)力機(jī)葉片覆冰問題也愈發(fā)突出，導(dǎo)致風(fēng)電事故頻發(fā)，直接影響風(fēng)力機(jī)組運(yùn)行安全和風(fēng)電產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。本文借鑒其他領(lǐng)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析方法，分析風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)中葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)因素，提出風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)模糊三維矩陣評(píng)估模型，為風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供一種新思路，也為風(fēng)電企業(yè)制定合理有效的管控措施給予一定的理論支持。

1 風(fēng)險(xiǎn)矩陣?yán)碚?/h2>

在風(fēng)電企業(yè)中，事故的發(fā)生不僅會(huì)給企業(yè)造成損失，也會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)周邊生態(tài)環(huán)境以及人員生命財(cái)產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響。因此，針對(duì)風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素分析與評(píng)估對(duì)于風(fēng)電事故的預(yù)防與管控策略的制定有著重要意義。實(shí)際研究與工作中有較多風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，學(xué)者通常采用的是實(shí)際工程中常見的風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估方法[1，2]。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣法是一種通過矩陣定量分析進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)研究的綜合評(píng)估方法。它是由可能性(P)和嚴(yán)重性(S)作為評(píng)估的兩個(gè)維度所構(gòu)建的一種風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣，并對(duì)其賦予相應(yīng)的加權(quán)值來計(jì)算系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)值大小Z[2]?，F(xiàn)有的二維風(fēng)險(xiǎn)矩陣通過風(fēng)險(xiǎn)可能性和嚴(yán)重性分別來表征風(fēng)險(xiǎn)的不確定性和危害性，并未對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的可控性做出反映，一定程度上影響了實(shí)際應(yīng)用過程中風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估的全面性和真實(shí)性[1]。因此本文將對(duì)二維風(fēng)險(xiǎn)矩陣進(jìn)行改進(jìn)，嘗試一種全新方法對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行全面分析與評(píng)估。

2 改進(jìn)的三維風(fēng)險(xiǎn)矩陣模型

2.1 三維風(fēng)險(xiǎn)矩陣設(shè)計(jì)

三維風(fēng)險(xiǎn)矩陣是在傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)矩陣原有兩種維度的基礎(chǔ)上，引入可預(yù)測(cè)性維度所構(gòu)建的評(píng)估模型[3，4]?？深A(yù)測(cè)性是指維護(hù)人員在一定時(shí)間內(nèi)采取控制措施來解決風(fēng)險(xiǎn)的能力和水平。本文增加可預(yù)測(cè)性維度(V)，從可能性、嚴(yán)重性、可預(yù)測(cè)性3個(gè)維度對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。風(fēng)險(xiǎn)值即Z=f(P，S，V)。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)因素等級(jí)

本文將以我國(guó)法律法規(guī)和風(fēng)電行業(yè)行為規(guī)范作為參考依據(jù)，確定風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)可能性、嚴(yán)重性和可預(yù)測(cè)性的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[1，5]。具體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)見表1～3。

表1 風(fēng)險(xiǎn)可能性(P)分級(jí)

表2 風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重性(S)分級(jí)

表3 風(fēng)險(xiǎn)可預(yù)測(cè)性(V)分級(jí)

2.3 風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重

為合理構(gòu)建三維風(fēng)險(xiǎn)矩陣，采用9級(jí)標(biāo)度法確定可能性、嚴(yán)重性及可預(yù)測(cè)性權(quán)重。表4為9級(jí)標(biāo)度值。

表4 9級(jí)標(biāo)度值

對(duì)于判斷矩陣，風(fēng)險(xiǎn)因素i與風(fēng)險(xiǎn)因素j的重要性之比為aij(aij>0)，aii=1且aij=1/aji(i，j=1，2，3)。根據(jù)表4提供的九級(jí)標(biāo)度值進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)檢驗(yàn)后得出風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)可能性、嚴(yán)重性和可預(yù)測(cè)性權(quán)重向量依次為w(p，s，v)= (0.323，0.533，0.144)。

3 新疆風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1 G1法和模糊綜合評(píng)判法原理

由于新疆風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系中因素較多，且具有一定的模糊性，全面對(duì)風(fēng)險(xiǎn)影響因素進(jìn)行量化分析較為困難。因此，通過G1方法分別賦予風(fēng)險(xiǎn)準(zhǔn)則層與指標(biāo)層兩級(jí)評(píng)估指標(biāo)相應(yīng)權(quán)重，然后采用模糊關(guān)系合成原理對(duì)新疆風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行多層次模糊評(píng)估[7- 10]。

3.2 G1法權(quán)重計(jì)算

郭亞軍教授改進(jìn)特征值法，提出了一種全新的權(quán)重計(jì)算方法——G1法，有效地解決了AHP方法中難以滿足一致性的問題。G1法權(quán)重計(jì)算步驟如下：

(1)確定序關(guān)系。對(duì)于給定的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，若指標(biāo)ai的重要性大于aj則將其記為：ai>aj。專家從評(píng)估指標(biāo)集{a1，a2， …，am}中依次選擇一個(gè)最重要的指標(biāo)，按照次序標(biāo)記為x1，x2，…，xm。經(jīng)過m-1次選擇，按“>”確定唯一序關(guān)系，記為x1>x2>…>xm。

表5 rk賦值參考

(3)計(jì)算權(quán)重系數(shù)。權(quán)重系數(shù)公式為

(1)

wk-1=rkwk

(2)

3.3 模糊綜合評(píng)估

模糊綜合評(píng)估法是一種運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)隸屬度理論對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行綜合分析評(píng)估的方法[9，10]。特別適用于像風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估這樣風(fēng)險(xiǎn)因素較多、難以量化且具有非確定性的問題。模糊評(píng)估模型及過程如下：

(1)結(jié)合實(shí)際工作情況，確定評(píng)估因素集為U={U1，U2，U3}，Ui={Ui1，Ui2，…，Uin}，如表6所示。

(2)根據(jù)新疆風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的實(shí)際情況并結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)因素分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，確定評(píng)語等級(jí)由低到高依次為：小、較小、一般、較大、大。確定新疆風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語集：可能性評(píng)語集為V1={V11，V12，V13，V14，V15}；嚴(yán)重性評(píng)語集為V2={V21，V22，V23，V24，V25}；可預(yù)測(cè)性評(píng)語集為V3={V31，V32，V33，V34，V35}。表7為該評(píng)語集臨界值。

(3)根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度相關(guān)理論，選取N個(gè)專家根據(jù)前一步驟中所建立的評(píng)語集V對(duì)所有評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行分類，然后對(duì)隸屬于每個(gè)評(píng)估等級(jí)的各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)Uij的頻數(shù)進(jìn)行詳盡統(tǒng)計(jì)，并記為nijl[8- 11]。指標(biāo)頻數(shù)nijl與專家數(shù)量N之間的比值記為rijl，即為該項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)于評(píng)估等級(jí)的隸屬度，計(jì)算公式為

rijl=nijlN-1

(3)

(4)根據(jù)隸屬度，確定模糊評(píng)估矩陣為

(4)

基于已獲得的權(quán)重矩陣wi和評(píng)級(jí)矩陣Ri，得到模糊評(píng)估矩陣B為

(5)

(5)分別對(duì)指標(biāo)Uij與指標(biāo)Ui進(jìn)行模糊評(píng)估，構(gòu)造模糊評(píng)估矩陣C為

C=wR=[c1c2…cm]

(6)

值得注意的是，完成模糊綜合評(píng)估矩陣的構(gòu)建后，應(yīng)參照評(píng)語集選擇合適的比較參數(shù)。根據(jù)表7中數(shù)據(jù)，選取其中值1，3，5，7，9作為等級(jí)加權(quán)向量DT，能夠更加直觀清楚表示新疆風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)E=DT。依據(jù)E值可判別新疆風(fēng)力機(jī)葉片覆冰可能性、嚴(yán)重性、可預(yù)測(cè)性三者等級(jí)。

表6 評(píng)估指標(biāo)體系

表7 評(píng)語集臨界值

4 三維風(fēng)險(xiǎn)矩陣構(gòu)建

依據(jù)表1、2、3中等級(jí)分類情況，并參考二維風(fēng)險(xiǎn)矩陣風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算方法[12- 14]，計(jì)算三維風(fēng)險(xiǎn)值矩陣

(7)

式中，wp表示可能性權(quán)重值；ws表示嚴(yán)重性權(quán)重值；wv表示可預(yù)測(cè)性權(quán)重值；pi、sj、vk分別代表三者各自相對(duì)應(yīng)等級(jí)賦值。

借鑒傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)矩陣建立方法，并依據(jù)本課題研究情況，將新疆風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)按照風(fēng)險(xiǎn)值劃分為3個(gè)等級(jí)，如表8所示。

表8 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表

在三維坐標(biāo)系中，分別以可能性、嚴(yán)重性、可預(yù)測(cè)性作為坐標(biāo)的三個(gè)維度，構(gòu)建三維風(fēng)險(xiǎn)矩陣色譜圖。其中，黑色部分表征高風(fēng)險(xiǎn)狀況，灰色部分表征中等風(fēng)險(xiǎn)狀況，白色部分表征低風(fēng)險(xiǎn)狀況。

5 三維風(fēng)險(xiǎn)矩陣示例

選取新疆地區(qū)某風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)行風(fēng)電機(jī)組進(jìn)行研究，評(píng)估該風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)的可能性、嚴(yán)重性和可預(yù)測(cè)性。基于模糊三維風(fēng)險(xiǎn)矩陣方法對(duì)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行模糊綜合評(píng)估。

表9 因素指標(biāo)權(quán)重及評(píng)估結(jié)果

5.1 指標(biāo)權(quán)重確定

采用G1法首先對(duì)準(zhǔn)則層指標(biāo)進(jìn)行重要性排序，確定序關(guān)系為U2>U3>U1>U4，記為x1>x2>x3>x4。參照表5確定重要度比值為r2=1.2，r3=1.4，r4=1.2。依據(jù)式(1)和(2)依次計(jì)算出準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重W=(0.285 0，0.203 5，0.341 9，0.169 6)。同樣，依據(jù)此方法計(jì)算準(zhǔn)則層U1、U2、U3、U4中各項(xiàng)二級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果見表9。

5.2 多層次模糊綜合評(píng)判

根據(jù)表7中的標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)估該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)可能性，計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)隸屬度，結(jié)果統(tǒng)計(jì)整理如表9所示。根據(jù)表9中的計(jì)算結(jié)果，構(gòu)建模糊矩陣Ri。以管理因素U1為例，其評(píng)估矩陣為

根據(jù)式(5)對(duì)管理因素進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算得B1=(0.178 2，0.163 6，0.174 5，0.203 7，0.280 0)

同理可得，U2、U3、U4評(píng)估向量為：B2=(0.133 7， 0.203 1， 0.202 8，0.203 1，0.257 3)；B3=(0.111 9， 0.169 1， 0.186 3， 0.270 9， 0.261 8)；B4=(0.080 0， 0.168 6， 0.250 7， 0.261 6， 0.239 1)。

由此可得準(zhǔn)則層評(píng)估指標(biāo)矩陣R為

依據(jù)式(6)進(jìn)行評(píng)估，確定風(fēng)險(xiǎn)可能性等級(jí)：Cp=WR=(0.129 8，0.174 4，0.197 2，0.236 4，0.262 2)，Ep=CDT=5.653 6。

可知該風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)可能性評(píng)估值為5.653 6，處于評(píng)估值4～6之間，即風(fēng)險(xiǎn)可能性為一般水平。同樣，根據(jù)此方法可以得到風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重性、可預(yù)測(cè)性評(píng)估值分別為5.717 4和5.606 6。

5.3 三維風(fēng)險(xiǎn)矩陣建立

結(jié)合表1、2、3的三維風(fēng)險(xiǎn)因素，按式(7)計(jì)算風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)值Z。根據(jù)上述計(jì)算得出的125組葉片風(fēng)險(xiǎn)組合可以獲得三維風(fēng)險(xiǎn)矩陣色譜圖，如圖1所示。色譜圖中的每個(gè)小方塊代表風(fēng)險(xiǎn)可能性、嚴(yán)重性和可預(yù)測(cè)性的一種組合，能夠清楚直觀的表示評(píng)估對(duì)象所對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)狀況。

圖1 三維風(fēng)險(xiǎn)矩陣色譜

6 結(jié) 論

(1)在傳統(tǒng)二維風(fēng)險(xiǎn)矩陣基礎(chǔ)上，將可預(yù)測(cè)性維度引入到新疆風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系中，基于矩陣的三個(gè)維度對(duì)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究，構(gòu)建一種全新的三維風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估模型，為風(fēng)險(xiǎn)研究提供了一種更為全面、準(zhǔn)確的評(píng)估方法。

(2)鑒于AHP法難以滿足一致性的問題，采用G1法依據(jù)模糊數(shù)學(xué)的方法對(duì)量化較為困難的指標(biāo)進(jìn)行模糊賦權(quán)，有效解決了指標(biāo)難以量化的問題。

(3)通過對(duì)新疆某風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)力機(jī)覆冰葉片風(fēng)險(xiǎn)研究，說明該模糊三維風(fēng)險(xiǎn)矩陣評(píng)估模型具備良好的應(yīng)用價(jià)值。為風(fēng)力機(jī)葉片覆冰風(fēng)險(xiǎn)管控提供理論依據(jù)，提高企業(yè)監(jiān)管的針對(duì)性，能有效降低重特大風(fēng)電事故發(fā)生概率，確保風(fēng)力機(jī)安全平穩(wěn)運(yùn)行。