基于灰色模糊综合评判的10 kV配电网安全风险评估

施泉生, 牛　沁

(上海电力学院 经济与管理学院, 上海　200090)



基于灰色模糊综合评判的10 kV配电网安全风险评估

施泉生, 牛沁

(上海电力学院 经济与管理学院, 上海200090)

摘要:基于配电网特征,建立配电网评估体系,通过层次分析法幂法分析权重,得到权重模部信息,采用灰点评估模部信息的不可靠度,进行权重灰部确定;利用隶属函数来描述各评估指标与评判等级间的隶属关系,即指标模部,结合信息充裕程度和专家经验,确定各评估指标的灰部,进而对配电网安全风险进行灰色模糊综合评判.实例验证表明,该方法能够有效可靠地评估配电网的安全风险状况.

关键词：配电网; 安全风险评估; 灰色; 模糊; 综合评判

风险评估也称安全评估,通过辨识系统中可能存在的风险分析其造成的严重程度,评估系统安全状态,进而为相关安全标准及措施的制定提供有效依据[1].配电网是电力输送的最后环节,面向广大电力用户,也是确保供电质量的重要环节.

目前,对配电网进行风险评估的方法主要有以下几种[2-6]:一是安全检查表法,该方法简单、经济有效,但不能作定量分析,研究结果具有较强的主观性;二是粗糙集人工神经网络法,利用计算机系统模拟事物间复杂交错的联系,适应性强,但需要大量的原始数据作为样本,实际中难以获得;三是概率分析法,采用概率方法评估风险因素可能造成的严重程度,需要有较好的数学基础;四是蒙特卡罗模拟法,能有效模拟实际物理过程，但在模拟过程中需要产生大量随机变量,计算量较大;五是模糊综合评判理论,其评估指标的灰度性对评估结果有影响,但该方法仅考虑了模糊性.

本文将隶属度和灰度综合应用于配电网的安全风险评估中,建立评估指标体系,在分析模糊关系的同时,用灰度来表述信息的不充分度.在此基础上,对配电网进行安全风险评估,并用实例进行验证.

1理论概述

1.1灰色与模糊概念

在实际工程中,某事件往往不具备完全充足的资料,即事件存在灰色性,因此在综合评判中既要考虑事件的模糊性,又要考虑灰色性,即“灰色”与“模糊”相结合来评判问题.其中灰色是“量”的概念,而模糊指评判信息“质”的概念.二者是对同一问题不同概念的描述[7].

1.2灰色模糊综合评价理论

对空间X={x},假设A是其上的一个模糊子集,uA(x)为x对于A的隶属度值,vA(x)为x对于A的灰度值,则称A为X上的灰色模糊集合,记作：

(1)

(2)

式中:uij——评判对象i对评语集j的隶属度;

vij——相应的点灰度.

(3)

·F,+F——模部运算广义“与”“或”符号;

·G,+G——灰部运算采用的广义“与”“或”符号;

∘ ——模糊合成符号.

2模型构建

2.1构模步骤

灰色模糊理论是灰色模糊综合评判的基本数学思想,安全风险评估的结果往往根据专家、工作人员意见及运行记录结果进行判断,其中人的因素存在主观性,信息不可靠度存在较大可能性,因此可将该模型用于配电网安全风险评估中,评判基本步骤如下:

(1) 建立10 kV配电网安全风险评估体系,请专家对权重调查表和指标评分表进行评估;

(2) 建立评判等级集;

(3) 通过层次分析幂法确定各层指标权重模部,将结果反馈给专家,评判权重灰部;

(4) 利用隶属度函数来处理指标得分,将得分结果反馈给专家,根据反馈结果,建立灰色关系矩阵,以此评估各指标信息的不充分程度;

(5) 通过灰色模糊综合评判对10 kV配电网安全风险进行综合评估;

(6) 最后处理数据,总结评判结果.

2.2构建指标体系

安全性评估的主要标准有《供电企业安全性评价》和《供电企业安全性评价查评依据》.本文根据2014年版《县供电企业安全性评价》标准,结合配电网特征,建立评估指标体系,进行安全风险评估[8-9].具体指标体系见表1.指标体系从电网规划、电网结构、供电可靠性、调度控制以及电力通信5个方面考量配电网的安全风险,包含20个子准则层.其中子准则层又可细分为多个指标.

2.3建立评价集

结合配电网实际情况,综合考虑评判精度及运算复杂度,将配电网安全风险状况分为4个等级,分别是“很安全”“ 较安全”“安全”“ 危险”.

2.4确定指标权重集

使用定量方式将各指标在整体指标体系中所占重要性比重表示出来.本文采用层次分析法中的幂法进行权重集模部判定[10].权重集灰部采用专家打分法,打分时，去掉最大最小值再求均值;同层次下评估指标信息可靠度相差不大,假定同父层下指标有相同灰部[11].打分标准见表2.

权重集的灰色模糊矩阵可表示为:

(4)

2.5建立指标模部和灰部

2.5.1确定各指标模部

对于表征指标集与评判集间的模糊关系,有多种形式隶属度函数可供采用.本文采用梯形函数与三角函数来计算各指标隶属度[12].这两种函数形式简单,且结果与其他复杂形式的函数所得结果相差较小,如图1所示.图1中,评判等级有很安全、较安全、安全、危险4个等级,分别对应区间为:[x2,+∞),[x3，x1),[x4，x2),[0，x3).

对应隶属度函数为:

(5)

(6)

(7)

(8)

式(5)至式(8)中,x1,x2,x3,x4的取值根据指标的具体情况而定.各指标根据子准则层下的指标细则由专家和一线工作人员根据现场实际情况和运行日志进行评分.

2.5.2确定各指标灰部

针对收集到的信息存在不可靠问题,可将灰色理论引入模糊关系矩阵中.将模部结果反馈给评分人员,由评分人员对模部结果再次打分,评估灰部,采用与确定指标集灰部相同的方法得灰部数值.

2.6构建判定式

(9)

wk,vk——各指标权重及对应点灰度;

ukj,vkj——各指标的隶属度及对应的点灰度;

N——父指标i下子指标的个数.

2.7决定评判等级

目前有两种方法对综合评判结果进行处理,即区间形式法和隶属度最大原则.区间形式法,是将指标的模部和灰部处理转化成区间形式,各区间按一定方式进行比较,但每个指标区间都需计算出相应的比较函数,且模部和灰部均为小数,这样计算量会随指标体系的增大而大大增加.隶属度最大原则是指隶属度越大,灰度越小,信息越可靠准确,可综合以上两因素进行评判,但当两因素都较大时,则无法进行有效处理.因此,结合内积法与最大隶属度法来处理评判结果[6].

(10)

式中:[bi,bi]——向量bi的内积.

最后，根据最大隶属来评判配电网的安全风险等级.

3算例分析

选取某县级10 kV电网为评估对象.该电网2014年最大负荷为306 MW,有110 kV变电站8座,总容量为675.5 MW；35 kV变电站16座,容量为242.9 MW;10 kV线路118条,长度为2 523 km;10 kV配电变压器2 477台,容量957.7 MW.构成以110 kV和35 kV变电站为供应电源,10 kV线路为主干网的配电网，用本文所提方法对其安全风险状态进行评估.由表1可知,本文主要考虑电网规划、电网结构、供电可靠性、调度控制和电力通信5大因素.具体验证过程如下.

步骤1确定各指标的权重集,包括模部和灰部,以指标“电网结构”为例进行说明,结果见表3.

步骤2确定指标的灰色模糊判别矩阵,以指标“电网规划”为例进行说明.

其次,确定灰色模糊判别矩阵的灰部.以指标“电网规划管理”为例.对于电网规划管理隶属度为“很安全”,评分人员根据数据的充裕程度及经验进行评分,{0.15,0.05,0.1,0.2,0.25,0.15,0.3,0.1,0.05,0.2},处理后得对应点灰度为0.15,同理求得各指标相应隶属等级的点灰度值.指标电网规划的灰色模糊判别矩阵见表5.

最后,确定5大指标的灰色模糊判别矩阵,结果见表6.

步骤3进行灰色模糊综合评判.5大指标综合评判结果构成的灰色模糊判别矩阵为:

权重集矩阵为:

根据算例结果,综合评估10 kV配电网安全风险等级为较安全,表明评估体系中,各指标均未超过规定的范围,但有部分指标接近规定的临界值,在日常运行中应加强监督,适当进行检修及改造.但若未加入灰度理论,仅根据由隶属度函数得出的模糊关系来评估配电网,按隶属度最大评估结果应为很安全.而实际中,该配电网安全等级并非如此,这是由于在评判过程中收集到的信息不可靠度偏高导致的.由此可见,灰色模糊综合评判方法更加实际可靠.

4结语

结合配电网安全风险实际运行情况与理论分析,建立了10 kV配电网安全风险评估指标体系.实例验证表明,本文所提算法能够客观有效地评估10 kV 配电网的安全风险状况,可为配电网的规划、运行、维护和改造提供可靠的参考.

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(编辑胡小萍)

Security Risk Assessment for 10 kV Distribution Network Based on Gray Fuzzy Comprehensive EvaluationSHI Quansheng, NIN Qin

(SchoolofEconomicsandManagement,ShanghaiUniversityof

ElectricPower,Shanghai200090,China)

Abstract:A distribution network evaluation system is established based on the character of distribution network.AHP method is used to determine the fuzzy part of weight indicator,and gray dots are introduced to describe fuzzy part information unreliability.The membership functions are built up to describe the fuzzy relationship between the assessment indicators and evaluation rank as the fuzzy part of evaluation indicators,and the gray part of each evaluation index is determined by combining information adequacy and expertise experience.On this basis,the gray fuzzy comprehensive evaluation method is conducted to assess the distribution network.The result shows the effectiveness and reliability of the proposed method.

Key words:distribution network; security risk analysis; gray; fuzzy; comprehensive evaluation

中图分类号：TM08; TM711

文献标志码：A

文章编号：1006-4729(2016)01-0046-05

通讯作者简介：牛沁,(1989-),女,在读硕士,安徽合肥人.主要研究方向为配电网安全风险评估.E-mail::934476068@qq.com.

收稿日期：2015-08-27

DOI：10.3969/j.issn.1006-4729.2016.01.011