基于層次分析法的電纜線路風(fēng)險(xiǎn)評估

吳明松,黃新波,朱永燦,蔣衛(wèi)濤

(西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

構(gòu)建智能堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)對國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展至關(guān)重要[1-2],而構(gòu)建智能堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)最主要的基礎(chǔ)之一就是電纜線路的穩(wěn)定可靠運(yùn)行[3]。隨著電網(wǎng)的持續(xù)快速發(fā)展,電纜線路運(yùn)維管理存在的安裝檢修人員少與檢修工作強(qiáng)度大的矛盾進(jìn)一步激化[4-5]。與此同時,電纜線路狀態(tài)檢修目前仍處于周期性檢修與狀態(tài)檢修并行的階段。周期性檢修的最大缺點(diǎn)是不能對電纜線路的各種運(yùn)行狀態(tài)做到有效、合理的評估,致使電纜線路故障進(jìn)一步擴(kuò)大,甚至損壞整條電纜線路。該辦法不僅浪費(fèi)了大量的人力、物力與財(cái)力，且工作效率低下[6]。電纜線路狀態(tài)檢修主要是按照電纜線路狀態(tài)量與閾值進(jìn)行比較,狀態(tài)檢修策略則是按照人工打分的方法來決定,因此所執(zhí)行的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)相對比較簡單[7-8]。并未考慮電纜線路狀態(tài)檢修對電網(wǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)所構(gòu)成的影響,這是目前電纜線路狀態(tài)檢修最大的缺點(diǎn)[9]。

基于此,國家電網(wǎng)公司對有效地用于安排檢修時間和檢修項(xiàng)目的狀態(tài)檢修提出了更高層次的要求[10-11]。電纜線路風(fēng)險(xiǎn)評估作為決定其檢修決策最重要的因素,綜合考慮了電纜線路資產(chǎn)損失、電纜線路資產(chǎn)及電纜線路故障發(fā)生概率等[12], 對電纜線路安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。但是現(xiàn)有的電纜線路資產(chǎn)損失模型及資產(chǎn)模型所包含的各風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重都是根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)人為固定給出的,固定給出的各因素權(quán)重不僅存在打分毫無彈性和專家主觀因素強(qiáng)的缺點(diǎn), 而且還存在不能真實(shí)反映各個地區(qū)實(shí)際電纜線路運(yùn)行情況的弊端[13-14]。本文提出的一種基于層次分析法 (AHP,analytic hierarchy process)的電纜線路風(fēng)險(xiǎn)評估改進(jìn)的新方法主要針對電纜線路風(fēng)險(xiǎn)評估存在的缺點(diǎn)與弊端做了進(jìn)一步地改進(jìn)與完善。

1 基于AHP的電纜線路風(fēng)險(xiǎn)評估

以狀態(tài)評價(jià)結(jié)果為非正常狀態(tài)的電纜線路為研究對象, 對電纜線路可能面臨的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評價(jià), 根據(jù)得出的風(fēng)險(xiǎn)值所處的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域指導(dǎo)狀態(tài)檢修決策?；趯哟畏治龇ǖ碾娎|線路風(fēng)險(xiǎn)評估流程如圖1所示。

圖1 基于層次分析法的電纜線路風(fēng)險(xiǎn)評估流程

從圖1可知,本文提出的基于層次分析法的電纜線路風(fēng)險(xiǎn)評估主要是根據(jù)電纜線路狀態(tài)評價(jià)計(jì)算出電纜線路每個組件的健康值Hi(i=1,2,…,6)與電纜線路整體健康值H,根據(jù)H得到電纜線路故障發(fā)生概率P;引入層次分析法,綜合考慮針對于電纜線路資產(chǎn)的設(shè)備價(jià)值、設(shè)備地位、用戶等級3方面風(fēng)險(xiǎn)因素以及針對于電纜線路資產(chǎn)損失的設(shè)備損壞、人身安全、供電可靠性、社會影響4方面風(fēng)險(xiǎn)因素,分別計(jì)算出符合該地區(qū)實(shí)際情況的電纜線路資產(chǎn)與資產(chǎn)損失各個風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重,根據(jù)得出的電纜線路故障發(fā)生率P、電纜線路資產(chǎn)A及資產(chǎn)損失F可計(jì)算出電纜線路資產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)R1,在文獻(xiàn)[15]引用電纜線路運(yùn)行損失風(fēng)險(xiǎn)R2的基礎(chǔ)上,提出了電纜線路綜合風(fēng)險(xiǎn)R。

1.1 基于AHP的電纜線路資產(chǎn)及資產(chǎn)損失計(jì)算

層次分析法的提出及用途等已在文獻(xiàn)[15]中提及。層次分析法進(jìn)行分析決策的4個主要步驟即構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，判斷矩陣的構(gòu)造，計(jì)算相對權(quán)重與一致性檢驗(yàn)以及具體權(quán)重計(jì)算等。

(1)層次結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建要重點(diǎn)評價(jià)分析對象。層次結(jié)構(gòu)模型一般包括目標(biāo)層(該層從上到下依次為有且僅有一個元素)、準(zhǔn)則層與方案層3個層次,而且通過框圖形式說明是層次遞階結(jié)構(gòu)與因素的從屬關(guān)系。

(1)

(3)權(quán)重向量計(jì)算。層次分析法中的和法求特征向量和特征值的具體步驟為:

1.2 電纜線路資產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

1.2.1電纜線路故障發(fā)生概率計(jì)算 在長時間運(yùn)行中,電纜線路必然會發(fā)生各種各樣的故障,故障發(fā)生率與電纜線路的狀態(tài)評價(jià)相關(guān),按照Q/GDW 456—2010《電纜線路狀態(tài)評價(jià)導(dǎo)則》可得出電纜線路組件及電纜線路整體的狀態(tài)評價(jià)值(健康值),具體的計(jì)算公式如式(2)所示:

P=Kexp(-CH)

(2)

式中:K為比例系數(shù);C為曲率系數(shù)。K和C為2個待定量,一般通過反演法計(jì)算求出,因?yàn)椴煌貐^(qū)所處實(shí)際環(huán)境差異性很大,所以求出的數(shù)值也會有所差異。

1.2.2 電纜線路資產(chǎn)及資產(chǎn)損失計(jì)算 電纜線路資產(chǎn)A綜合考慮了電纜線路價(jià)值、電纜線路地位、用戶等級3方面的因素;而電纜線路損壞、供電可靠性、社會影響和人身安全4方面因素則是電纜線路資產(chǎn)損失F的影響因素。其計(jì)算公式如式(3)～(5)所示:

(3)

式中:i=1,2,3,其中1為電纜線路價(jià)值,2為電纜線路地位，3為用戶等級;Ai為某個資產(chǎn)因素;wAi為某個資產(chǎn)對應(yīng)的權(quán)重系數(shù),該權(quán)重已通過層次分析法算出,即wA1=0.5,wA2=0.25,wA3=0.25。

(4)

(5)

式中:k=1，2,3,4,電纜線路損壞為1,人身安全為2,供電可靠性為3,社會影響為4。各損失要素的權(quán)重系數(shù)用wFk表示,該權(quán)重已通過層次分析法算出,即wF1=0.16,wF2=0.382,wF3=0.137,wF4=0.321。某一要素的資產(chǎn)損失用Fk表示, 電纜線路資產(chǎn)損失用F表示, 某個等級下的損失程度值用Dj(j=1,2,3)表示, 某個等級下的損失概率則用Pj表示[17]。

定量評價(jià)與定性評價(jià)是風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的主要方法,本文是采用量化的方法對電纜線路風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)進(jìn)行研究[18]。風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的重要指標(biāo)是由風(fēng)險(xiǎn)值體現(xiàn)出來的,綜合考慮電纜線路故障發(fā)生概率、電纜線路資產(chǎn)以及資產(chǎn)損失3方面的作用:

R1(t)=A(t)F(t)P(t)

(6)

式中，t為時間。

2 電纜線路綜合風(fēng)險(xiǎn)評估

為了更加合理、全面地反映電纜線路發(fā)生故障后對電網(wǎng)造成的嚴(yán)重影響,并且將該影響反映在風(fēng)險(xiǎn)評估中,在基于層次分析法得到電纜線路資產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)的基礎(chǔ)上[18],根據(jù)已有的文獻(xiàn),綜合考慮了電壓越限嚴(yán)重程度與線路過載嚴(yán)重程度的電纜線路運(yùn)行損失風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 電纜線路運(yùn)行損失風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

2.1.1 電壓越限嚴(yán)重程度S(V0)V0定義為額定電壓與實(shí)際電壓的偏移度,根據(jù)相關(guān)導(dǎo)則與各個地區(qū)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)電壓,電壓的偏移度在-5%～+5%以內(nèi)為正常情況,以0為標(biāo)準(zhǔn),S(V0)

隨著電壓偏移程度的增加而增加。S(V0)與V0的關(guān)系式為

(7)

2.1.2 線路過載嚴(yán)重程度S(L) 重載線路定義為線路傳輸極限容量與線路實(shí)際傳輸功率的比值,根據(jù)各個地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)及電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定裕度,當(dāng)線路負(fù)載率超過80%時就需要引起檢修人員的注意。線路負(fù)載率L與S(L)的關(guān)系為

(8)

2.1.3 運(yùn)行損失風(fēng)險(xiǎn) 電纜線路運(yùn)行損失風(fēng)險(xiǎn)反映了電纜線路對整個電力系統(tǒng)的影響水平,本文綜合考慮了電力系統(tǒng)發(fā)生電壓越限與線路過載2個方面。電纜線路運(yùn)行損失風(fēng)險(xiǎn)R2的公式為

R2=P[WLS(L)+WVS(Vo)]

(8)

式中:P為電纜線路故障概率;WL,WV為電纜線路所對應(yīng)運(yùn)行損失下的權(quán)重。

2.2 電纜線路綜合風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

電纜線路綜合風(fēng)險(xiǎn)是全面考慮電纜線路在當(dāng)前狀態(tài)下繼續(xù)運(yùn)行會對電網(wǎng)產(chǎn)生影響的可能性與嚴(yán)重性。電纜線路綜合風(fēng)險(xiǎn)為

(10)

式中:i=1，2,i=1為資產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn),i=2為運(yùn)行損失風(fēng)險(xiǎn);WR1=0.4為資產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重;WR2=0.6為運(yùn)行損失風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重。

確定電纜線路綜合風(fēng)險(xiǎn)值后,電纜線路檢修決策的制定根據(jù)電纜線路綜合風(fēng)險(xiǎn)值所處的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域作為理論依據(jù)。國內(nèi)外普遍認(rèn)可的是將電纜線路綜合風(fēng)險(xiǎn)分為3個等級即可接受區(qū)、最低合理可行區(qū)和不可接受區(qū),即綜合風(fēng)險(xiǎn)值大于0且小于0.6(包含0.6)時,風(fēng)險(xiǎn)等級處于可接收區(qū);綜合風(fēng)險(xiǎn)值大于0.6且小于3時,風(fēng)險(xiǎn)等級處于最低合理可行區(qū);綜合風(fēng)險(xiǎn)值大于或等于3時,風(fēng)險(xiǎn)等級則處于不可接收區(qū)。

電纜線路處于不同風(fēng)險(xiǎn)等級有不同的檢修方法。當(dāng)電纜線路綜合風(fēng)險(xiǎn)處于可接受區(qū)時,電纜線路風(fēng)險(xiǎn)水平較低,此時的電纜線路運(yùn)行不會對電力系統(tǒng)安全有重大的影響,考慮電纜線路狀態(tài)檢修的實(shí)際情況及經(jīng)濟(jì)性,可按正常周期檢修或延后檢修。同理,當(dāng)電纜線路綜合風(fēng)險(xiǎn)處于最低合理可行區(qū)時,此時的電纜線路故障不會立刻對電網(wǎng)安全有重大影響,可以適時安排檢修。當(dāng)電纜線路綜合風(fēng)險(xiǎn)處于不可接受區(qū)時,應(yīng)立刻采取檢修措施降低風(fēng)險(xiǎn),以避免有更大的電力事故發(fā)生[19]。

3 算例分析

以西北某城區(qū)配電網(wǎng)的8條10 kV電纜線路為主要研究對象,通過統(tǒng)計(jì)其每次發(fā)生故障時的歷史數(shù)據(jù),依據(jù)國家電網(wǎng)最新發(fā)布的Q/GDW 456—2010《電纜線路狀態(tài)評價(jià)導(dǎo)則》可分別得到電纜線路的6個組件即電纜本體、線路終端、附屬設(shè)施、中間接頭、過電壓保護(hù)器和線路通道的狀態(tài)評價(jià)值(健康值)Hi,進(jìn)而計(jì)算出整條電纜線路的健康值H[20]。表1列出了某次對8條10 kV電纜線路進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估后得出的風(fēng)險(xiǎn)值及對應(yīng)的檢修決策,從表中可看到4號線的健康值為42,根據(jù)電纜線路所處的電壓等級及采用層次分析法得出電纜線路資產(chǎn)及資產(chǎn)損失各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重,得出4號線的資產(chǎn)為1,資產(chǎn)損失為6.9,資產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)為2.772,運(yùn)行損失風(fēng)險(xiǎn)為5.614,綜合風(fēng)險(xiǎn)為4.477 2。同理可得出的其他線路的故障概率、資產(chǎn)損失風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)行損失風(fēng)險(xiǎn)和綜合風(fēng)險(xiǎn)如所表1所示。

表1 電纜線路綜合風(fēng)險(xiǎn)及檢修決策

從表1可知,4號線的綜合風(fēng)險(xiǎn)值為4.477 2,處于本文所劃分的電纜線路綜合風(fēng)險(xiǎn)等級的不可接受區(qū),應(yīng)該立刻安排檢修,避免更大的電力事故發(fā)生。2號線的綜合風(fēng)險(xiǎn)值為1.986,處于所劃分的電纜線路綜合風(fēng)險(xiǎn)等級的最低合理可行區(qū),應(yīng)該適時安排檢修,以保證電纜線路的運(yùn)行是健康安全的。其余線路的綜合風(fēng)險(xiǎn)值均處于所劃分的電纜線路綜合風(fēng)險(xiǎn)等級的可接受區(qū),可按正常周期檢修或延后檢修。

4 結(jié) 論

在綜合考慮了所處地區(qū)的地理位置、經(jīng)濟(jì)發(fā)展及電纜實(shí)際運(yùn)行的環(huán)境不同及現(xiàn)有電纜線路風(fēng)險(xiǎn)評估模型存在評價(jià)體系簡單的基礎(chǔ)上,提出的基于層次分析法的電纜線路風(fēng)險(xiǎn)評估可以有效避免電纜線路資產(chǎn)及資產(chǎn)損失各個因素權(quán)重存在打分毫無彈性且專家主觀因素強(qiáng)的弊端,同時也緩解了電纜線路故障與電纜線路狀態(tài)檢修之間的矛盾。本文得出的結(jié)論如下:

(1)通過層次分析法計(jì)算得出的電纜線路資產(chǎn)及資產(chǎn)損失各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重相比于現(xiàn)有的固定給出且專家主觀因素強(qiáng)的權(quán)重更加精確、合理。同時,也可為變壓器、斷路器等輸變電設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評估各因素的權(quán)重計(jì)算提供一種新的方法。

(2)引入的電纜線路運(yùn)行損失風(fēng)險(xiǎn)可將電纜線路發(fā)生故障后對電網(wǎng)造成的嚴(yán)重影響反映在風(fēng)險(xiǎn)評估中,為豐富、改進(jìn)現(xiàn)有的風(fēng)險(xiǎn)評估體系提供了一種新的思路。