城市軌道交通弱電不間斷供電系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)體系研究

李舜康，郭陽，黃學(xué)良

（1.蘇州軌道交通集團有限公司，江蘇蘇州 215133；2.東南大學(xué)，江蘇南京 210096）

城市軌道交通弱電系統(tǒng)主要由通信、綜合監(jiān)控、自動收費和乘客信息系統(tǒng)等部分組成，影響著乘客服務(wù)和地鐵運營安全[1-3]。當(dāng)前，城市軌道交通弱電系統(tǒng)大多采用不間斷電源提供集中供電，以保證弱電系統(tǒng)及其設(shè)備的高可靠性和安全性[4]。但在目前的實際運行中，地鐵不間斷供電系統(tǒng)普遍存在電能質(zhì)量差、三相負(fù)載不均等問題[3]，造成較大的損耗和浪費，也嚴(yán)重影響電池等設(shè)備的壽命[2]。因此，如何找到一種城市軌道交通弱電不間斷供電系統(tǒng)的優(yōu)化運行方案，以全面提高系統(tǒng)的經(jīng)濟性和可靠性，是亟需解決的難題。

實現(xiàn)UPS 的運行優(yōu)化首先需要建立有效的評價體系，合理評價其運行狀態(tài)。但當(dāng)前針對城市軌道交通及其弱電系統(tǒng)的研究大多為定性評價，缺乏客觀合理的定量標(biāo)準(zhǔn)。參考文獻(xiàn)[5]指出地鐵安全管理的評價必須考慮弱電UPS 的運行，但沒有研究UPS 的具體評價指標(biāo)。文獻(xiàn)[6]從經(jīng)濟性和安全性2 個方面對UPS 電源集成方案進行了定性分析，但尚未建立評價指標(biāo)體系。

UPS 的重要組成部分之一是儲能電池，目前對儲能電池的評價研究較多。針對電力通信的工作環(huán)境和運行方式，文獻(xiàn)[7]提出了一種判斷電池運行狀態(tài)的方法。文獻(xiàn)[8]使用短期恒流放電曲線來評估配電自動化系統(tǒng)中的電池健康狀態(tài)（SOH）指標(biāo)。文獻(xiàn)[9]采用層次分析法對影響動力電池組安全性的關(guān)鍵因素的指標(biāo)權(quán)重進行分析，結(jié)合模糊評價得到電池安全性的綜合評價結(jié)果。文獻(xiàn)[10]結(jié)合電池檢測的各種指標(biāo)，得到性價比最高的電池。但是，僅從電池來評價UPS 是比較片面的，考慮到UPS 在一定程度上與配電系統(tǒng)相似，相應(yīng)的配電系統(tǒng)評價指標(biāo)和方法可供參考。在這方面，層次分析法得到了廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[11]使用這種方法來評估分布式配電網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)濟性、服務(wù)質(zhì)量、安全性和環(huán)境影響。參考文獻(xiàn)[12]建立了線路間潮流控制器運行方案的評估結(jié)構(gòu)。然而，基于傳統(tǒng)層次分析法的權(quán)重計算具有很強的主觀性，文獻(xiàn)[13-14]采用灰色相關(guān)分析方法對它進行了改進。但是在計算相關(guān)系數(shù)時，分辨率系數(shù)的大小會在一定程度上影響最終的權(quán)重結(jié)果，顯得較為主觀。整體來看，缺乏對地鐵弱電UPS 系統(tǒng)的完整量化評價研究。

針對上述問題，本文提出了城市軌道交通弱電不間斷供電系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)體系。首先，利用層次分析法從蓄電池、電能質(zhì)量和UPS 所帶負(fù)荷3 個方面提出了不間斷供電系統(tǒng)的評價指標(biāo)體系。然后利用熵權(quán)法對原有的權(quán)重計算方法進行修改，得到指標(biāo)的綜合權(quán)重。最后以蘇州軌道交通3 號線通信系統(tǒng)不間斷供電系統(tǒng)為例，驗證了評價方法的有效性和合理性。

1 基于層次分析法的地鐵弱電UPS 綜合評價指標(biāo)體系

城市軌道交通弱電不間斷供電系統(tǒng)[15]評價指標(biāo)體系一方面能夠評估車站在某段時間內(nèi)的實際運行情況，從而能夠找出薄弱環(huán)節(jié)，為后期UPS 負(fù)荷整合規(guī)劃提供決策意見；另一方面，可以針對不同運行情況進行橫向?qū)Ρ仍u價[16]，從而發(fā)現(xiàn)各個狀況下的優(yōu)點與缺點，彌補不足。首先，蓄電池作為不間斷供電系統(tǒng)的關(guān)鍵儲能設(shè)備，其運行狀態(tài)是評價指標(biāo)體系組成不可或缺的部分。其次，UPS 所帶負(fù)荷對電能質(zhì)量的要求較高，降低諧波電流等可以減少損耗和投資，減緩元件的老化等；同時也能減小對電網(wǎng)的污染，提升系統(tǒng)整體的運行效率。最后，UPS 各項負(fù)荷實際運行功率和額定功率的比值差異較大，有必要比較實際的三相運行負(fù)載率等情況。為此，本文綜合以上3 個方面指標(biāo)，采用層次分析法（AHP）建立評估體系，如圖1所示。

圖1 城市軌道交通弱電UPS 評價體系

圖1 中的屬性間關(guān)系圍繞應(yīng)用效果評分g 這一決策目標(biāo)，呈樹狀結(jié)構(gòu)。其中，蓄電池評價指標(biāo)a、電能質(zhì)量評價指標(biāo)b 與UPS 所帶負(fù)荷評價指標(biāo)c 構(gòu)成與決策目標(biāo)直接相關(guān)的下一層子屬性。而電池溫度極差、電池電壓極差、電池電壓標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)差又構(gòu)成與蓄電池評價指標(biāo)a 相關(guān)的下一層子屬性。

評價圖中所列指標(biāo)值的優(yōu)劣，還需要針對不同的指標(biāo)建立不同的評分評價標(biāo)準(zhǔn)，以直觀地反映評價指標(biāo)的具體情況[17]。同時，考慮到各個指標(biāo)的含義和計算公式不同，維度和數(shù)量級也不同，有必要先對各個指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化處理?？紤]地鐵UPS 的實際發(fā)展和各指標(biāo)的具體實際數(shù)據(jù)，本文將指標(biāo)分為成本型和適中型，采用1～100 的尺度[18]得到指標(biāo)值與得分的對應(yīng)關(guān)系，如表1 所示。

表1 指標(biāo)類型與評分標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置

根據(jù)表中的指標(biāo)類型以及指標(biāo)分值與具體值的關(guān)系，使用函數(shù)擬合工具對指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)進行曲線擬合，得到各指標(biāo)對應(yīng)的評分函數(shù)，如表2 所示。

表2 各指標(biāo)對應(yīng)的評分函數(shù)表

2 基于改進熵權(quán)法的權(quán)重修正

需要指出的是，單純采用層次分析法進行權(quán)重計算會造成指標(biāo)權(quán)重主觀性太強，傳統(tǒng)的客觀賦權(quán)方法為熵權(quán)法，主要步驟分為構(gòu)建數(shù)據(jù)矩陣、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、計算指標(biāo)熵值、計算權(quán)重4 步。但是，針對第三步中傳統(tǒng)熵權(quán)法無法體現(xiàn)出指標(biāo)之間熵值接近、反熵權(quán)法無法體現(xiàn)出熵值差異性的缺點，有學(xué)者提出一種改進熵權(quán)法[19]，主要在第三步計算完熵值后對第四步進行改進，改進公式如下：

式中：ωi為指標(biāo)i的權(quán)重的數(shù)值；Hi為指標(biāo)i的熵值的數(shù)值；為所有不為1 的熵值平均值的數(shù)值。

本文綜合考慮指標(biāo)權(quán)重計算的客觀和主觀因素，首先利用層次分析法計算評估指標(biāo)的主權(quán)重，然后采用改進熵權(quán)法對指標(biāo)權(quán)重進行修正，最終得到合理的指標(biāo)綜合權(quán)重。假設(shè)層次分析法得到的權(quán)重向量是ωs，可以求出經(jīng)改進熵權(quán)法賦權(quán)修正后的指標(biāo)綜合權(quán)重ωi：

從以上的算法流程可以看出，該算法是以專家對各指標(biāo)的權(quán)重經(jīng)驗值為基礎(chǔ)，避免了主觀設(shè)置分辨系數(shù)所造成的干擾，因此更加客觀合理。

3 算例分析

為了驗證綜合評價指標(biāo)體系和評價模型對實際區(qū)域電網(wǎng)的評價效果，本文對蘇州市軌道交通3 號線控制中心和某一車站的通信不間斷電源系統(tǒng)進行了評價分析。對2020 年1 月至12 月的正式運營數(shù)據(jù)進行分析后，然后根據(jù)表1 中的指標(biāo)類型和評分指標(biāo)設(shè)置，擬合指標(biāo)函數(shù)，得到各指標(biāo)的評分結(jié)果，如表3 所示。

表3 不間斷供電系統(tǒng)綜合評價指標(biāo)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

3.1 指標(biāo)權(quán)重計算過程

根據(jù)上述權(quán)重計算方法，本文首先計算了主要指標(biāo)的權(quán)重。A、B 和C 分別代表3 個主要指標(biāo)：電能質(zhì)量評價指標(biāo)、UPS 負(fù)載評價指標(biāo)和蓄電池評價指標(biāo)。結(jié)合專家經(jīng)驗，確定指標(biāo)之間的相對重要性，從而建立指標(biāo)的判斷矩陣，如表4 所示。

表4 一級指標(biāo)兩兩比較結(jié)果

根據(jù)層次分析法的計算過程和公式，主觀權(quán)重可以計算為ωsi=（0.071 93，0.649 12，0.278 96），同樣，可以計算出CR 值為0.062 3＜0.1，滿足一致性檢驗。由于層次分析法得到的權(quán)重完全受決策者主觀因素的影響，本文采用改進的熵權(quán)法對指標(biāo)權(quán)重進行修正?？梢郧蟪龆壷笜?biāo)的權(quán)重向量ωgi=（0.232，0.506，0.262）。

確定的各指標(biāo)權(quán)重是一種典型的客觀權(quán)重計算方法。由于該指標(biāo)的實際數(shù)據(jù)可能存在一定的誤差和準(zhǔn)確性，本文綜合考慮各種因素，按公式以7∶3 的比例計算綜合權(quán)重。因此，根據(jù)計算指標(biāo)綜合權(quán)重的距離估計理論，可以得到修正后的指標(biāo)綜合權(quán)重ωi=（0.121，0.606，0.273）。

以上是關(guān)于主要指標(biāo)權(quán)重的計算過程，首先采用層次分析法確定指標(biāo)的主觀權(quán)重，然后采用改進的熵權(quán)法確定指標(biāo)的綜合權(quán)重，從而得到最終的指標(biāo)綜合權(quán)重。同理計算出二級指標(biāo)的權(quán)重，以電能質(zhì)量評價指標(biāo)為例，如表5 所示。

表5 電能質(zhì)量評價指標(biāo)兩兩比較

根據(jù)判斷矩陣得到電能質(zhì)量評價指標(biāo)的權(quán)重向量ωAi=（0.471，0.165，0.255，0.109），CR 值為0.017 2＜0.1，滿足一致性檢驗要求。采用層次分析法和改進的熵權(quán)法計算各級指標(biāo)的權(quán)重。具體結(jié)果如表6 所示。

表6 指標(biāo)綜合權(quán)重

3.2 指標(biāo)評分計算過程

根據(jù)控制中心和車站評價指標(biāo)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合評分指標(biāo)函數(shù)，可以計算出各指標(biāo)的得分，如表7 所示。

表7 不間斷供電系統(tǒng)綜合評估指標(biāo)評分

根據(jù)表7 中綜合評分結(jié)果，控制中心不間斷電源系統(tǒng)綜合評分較高。然而，如果僅考慮一級指標(biāo)電能質(zhì)量，控制中心的電能質(zhì)量得分為46.99，而車站的電能質(zhì)量得分為52.93，則會得出車站運行狀態(tài)與控制中心運行狀態(tài)幾乎相同的片面結(jié)論。根據(jù)本文提出的綜合評價體系，我們可以看到不同地點在各個方面的優(yōu)缺點，得出的結(jié)論比只看一個方面更全面。因此，建立不間斷電源系統(tǒng)的綜合評價體系十分必要。

根據(jù)對指標(biāo)的進一步分析，從電能質(zhì)量的角度來看，控制中心與車站的頻偏范圍相同，但其他指標(biāo)差異較大，因為控制中心的總負(fù)荷和單負(fù)荷較大，由于監(jiān)控等原因，負(fù)荷變化相對頻繁。從UPS 承載的負(fù)荷來看，車站整體明顯優(yōu)于控制中心。通過具體分析發(fā)現(xiàn)，本站AB、BC 相負(fù)荷的實際平均運行功率與額定功率之比大致相同，而綜合監(jiān)控系統(tǒng)在本站負(fù)荷運行中的功率與設(shè)計之初相差較大，因此，每個階段的負(fù)載率是非常不同的。從電池的使用來看，控制中心優(yōu)于車站，這可能是由于UPS 三相負(fù)載不平衡率低造成的。綜上所述，通過對所提出的綜合評價體系的分析，可以得出UPS 運行中存在的問題，對UPS 的優(yōu)化以及后續(xù)其他地鐵線路通信UPS 的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

4 結(jié)束語

本文建立了城市軌道交通弱電不間斷供電系統(tǒng)綜合評價體系，基于層次分析法從電能質(zhì)量、負(fù)荷和蓄電池3 個方面進行了合理有效的評價。針對層次分析法的主觀缺陷，采用改進的熵權(quán)法對權(quán)重計算進行改進。從蘇州地鐵3 號線通信弱電系統(tǒng)UPS 的計算實例來看，本文的評估結(jié)果更全面，權(quán)重設(shè)置更合理。通過對評估系統(tǒng)的分析，可以發(fā)現(xiàn)，通信系統(tǒng)中控制中心的大負(fù)荷和頻繁波動導(dǎo)致整體電能質(zhì)量下降；然而，站內(nèi)部分負(fù)荷的實際運行功率與設(shè)計之初的整定值存在較大差距，導(dǎo)致UPS 三相負(fù)荷嚴(yán)重失衡。通過對所提出的綜合評價體系的分析，可以得出UPS 運行中存在的問題，從而延長設(shè)備的使用壽命，降低運行維護成本。