基于灰色聚类和层次分析法的电网工程数字化设计质量评价

李洪江，钱富君，冉启鹏

（云南电网有限责任公司，云南 昆明 650011)

0 前言

当前，电网正向数字化转型发展，实现数字电网建设、运维与数字资产管理是电网的发展方向，公司明确提出数字电网建设要求，将数字化作为公司发展战略路径之一[1]。数字化设计是实现电网建设、移交数字化的基础及前提，做好数字化设计工作对电网的建设及发展有着重要的意义，建设数字电网可实现能源产业链上下游互联互通，具备支撑公司开展智能电网运营、能源价值链整合和能源生态服务的能力。电网工程的设计作为工程建设、移交、运行及供电各项工作的基础，是电网建设及全寿命周期过程管理的基础。以三维模型再现的集成化设计平台等信息技术的发展推动了电网数字化设计的快速发展，随着电网工程数字化设计工作的持续深入，以及系统的数字化设计交付标准的制定，使得数字化设计已从研究探索逐步发展成熟且具备推广运用的条件。

电网工程数字化设计是在现有二维设计的基础上，构建三维信息模型及数字化信息，实现电网工程全方位、全领域的数字化[2-3]。在常规设计基础上，增加工程地理信息数据、GIM三维设计模型及相关文档资料，将数字化设计贯穿于电网设计、施工、移交、运维及服务等各个方面，有利于电网提升发展及服务水平。数字化设计质量对电网工程建设及后续数字化运行维护具有重要影响，科学合理地对数字化设计质量进行评价分析，有助于提升数字化设计成果质量水平，提升电网建设、移交及运维的科学性、合理性，有利于实现全过程服务电网各项业务工作[4]。数字化设计质量评价需综合各个专业设计、项目特点、深度要求等进行总体分析评价，各因素之间存在交叉影响与关联关系，部分指标的评价难于定量化，合理选择评价方法实现对设计质量科学定性与定量的评价有着积极意义。

本文基于灰色聚类和层析分析方法，结合数字化设计特点，分析了影响数字化设计整体质量的主要指标，通过灰色聚类建立质量评估模型，以层次分析法确定指标权重，为科学评价并提升数字化设计水平提供一定参考。

1 数字化设计质量评价指标

数字化设计质量是对电网工程各个专业、子项进行具体评价后综合得出整个项目设计质量的总体评价分析。电网工程数字化设计涵盖面较广，为更好地对影响设计质量的关键因素进行逐步细化，按指标层级进行分析。数字化设计主要包括数字化模型、三维出图、属性信息集成功能，以及辅助进行系统计算、专项设计、结构计算等的能力，以及进行碰撞检查的精细化设计等。

数字化设计按照专业划分可分为“变电电气设计”、“变电土建设计”、“线路电气设计”、“线路土建设计”和“支撑服务设计”，各主要专业在数字化设计中各方面要求有较大的不同，对整体数字化设计质量影响权重也存在差异。

数字化设计在电网工程各专业下总体可划分为“地理信息设计能力”“建模能力”、“出图能力”、“计算能力”、“精细化设计能力”和“支撑服务能力”，建模能力指建立三维模型的精度质量；出图能力指将三维布置转换为二维图纸及效果图的质量情况；计算能力指三维数字化设计成果中相关计算成果质量；精细化设计能力是指三维数字化设计成果对空间的碰撞检查、距离校验、材料统计等符合性及一致性等。支撑服务设计作为数字化设计成果在电网建设及工程投运后发挥的服务支撑价值，是实现全过程数字化建设的重要指标，如效果图输出、施工动画、数字化移交，工程计量与核价等功能，具体如图1所示。

图1 数字化设计质量评价指标体系

图1 中，电网工程变电及线路主要专业数字化设计二级评价指标虽然完全一致，但对于不同专业下的二级指标值，因其数字化设计的内容不同，其对设计质量的影响不同，所占的指标权重也必然存在差异。

2 层次分析法确定权重指标

层次分析法作为一种定性与定量相结合的有效分析方法，适用于多层次、多变量、复杂结构系统的权重确定。电网工程数字化设计成果质量是由组成工程项目的各专业成果质量的综合体现，各专业指标对电网工程成果质量的影响是不同的，需要利用层次分析法对各指标权重进行客观分析确定。根据图1确定的质量分析层次结构构造判断矩阵A＝（rij）n×n，其中rij表示元素i与j的重要性的量化值,其倒数表示元素i比j的不重要程度。

为确保评价指标的一致性，需检验判断矩阵的一致性，对不满足一致性检验的应调整判断矩阵。以满足条件的判断矩阵标度值分别计算出各一级指标及其对应的二级指标权重，同时通过公式（1）可将二级指标权重折算为数字化设计质量评价组合权重。

ωi为一级指标xi对电网工程数字化设计质量的权重，ωij为一级指标xi的第j个二级评价指标xij的权重。

3 灰色聚类评估模型

根据电网数字化设计经验和质量评价分析，可将电网工程数字化设计质量分为：好、良好、一般、较差、差5种情况，对应的评价集为：V＝{差、较差、一般、良好、好｝＝｛v1、v2、v3、v4、v5}。各数字化设计评价得分越高，说明其质量越好，质量划分及其提升决策如表2。

表2 电网工程数字化设计质量划分表

在电网工程数字化设计质量评价中，为了提高质量评估的全面性和准确性，降低专家经验对指标判断的主观性，通过n个评审专家根据设计成果信息对m个评价指标进行评分，以此来评价数字化设计的总体质量水平。那么，第k(k=1,2...n)个专家对于第h个评估指标给出的评分为zkh，根据所有专家评分结果可得成果指标评价样本矩阵[5]。

建立电网工程数字化设计质量灰色聚类评价模型主要就是确定成果等级、灰数及其对应的灰色聚类函数。灰色聚类函数通常也称白化权函数，取值范围为0~1之间，其值越大，说明灰色系统白化程度越高，设计越好。

根据表1所示的数字化设计质量定义，建立如式（3）的灰数和白化权函数。

表1 判断矩阵的比例标度及含义

图2 数字化设计质量白话权函数

结合图2，可将式（3）描述为如下方程式：

对于质量评价指标rij(i=1,2...5;j=1,2...5)，评价灰类的灰色评估系数记为yij,n，各个评价灰类的总灰色评估系数记为yij，第n个评价灰类的灰色评估权记为rij,n，则：

可进一步确定出设计质量关于第n灰类的综合聚类系数为：

rn、W分别为各一级指标的评价权和指标权重，选取各指标中综合聚类最大数值对应的评价状态作为设计质量评价的最终结果。

4 案例分析

以开展电网工程数字化设计试点工作的某220 kV输变电工程为例，将其设计成果作为评价分析对象，按照层次分析法原理构建权重判断矩阵A，在通过专家形式结合试点深度要求及工程实际对成果质量进行打分，建立评价矩阵。

计算得出各一级指标的权重值为w0=（0.4035，0.2565，0.1579，0.1098，0.0723），同理，构建5个一级指标对应的二级指标权重判断矩阵，并逐一计算出各自的权重值。

W1=（0.0594，0.4316，0.2678，0.0790，0.1621）；W2=（0.1599，0.4185，0.2625，0.0618，0.0973）；W3=（0.1520，0.4234，0.2599，0.1034，0.0612）；W4=（0.0973，0.4185，0.2625，0.1599，0.0618）；W5=（0.0973，0.2625，0.1599，0.0618，0.4185）。

根据式（1）可计算得出各二级指标对数字化设计质量的各自权重值为：w=（0.0240，0.1742，0.1081，0.0319，0.0654，0.0410，0.1073，0.0673，0.0159，0.0250，0.0240，0.0669，0.0410，0.0163，0.0097，0.0107，0.0460，0.0288，0.0176，0.0068，0.0070，0.0190，0.0116，0.0045，0.0303）。

通过质量评价矩阵，按照公式（4）可依次得到25个二级指标的灰色评价权为，二级指标数量较多，计算数据量大，仅以b15指标为例进行计算分析，其评价值为（4.5，3.5，2.6，3），根据公式（4）分别计算得出其5个状态指标评估系数为：

同步计算出fν2=2.1、fν3=0.5、fν4=0、fν5=0，再以式（5）、式（6）计算出其灰色评价权为（0,0.81,0.19,0,0）。

以此计算出全部二级指标权重，采用式（8）综合计算得出工程数字化设计质量的总体评价结果为：（0.12，0.18，0.32，0.22，0.16），根据评价等级来看，该工程数字化设计成果质量总体一般偏较好。

同时计算出5个一级指标对应的评价结果值为：

变电电气（0.16，0.24，0.40，0.1，0.1）

变电土建（0.18，0.31，0.25，0.16，0.1）

线路电气（0.19，0.27，0.29，0.16，0.09）

线路结构（0.09，0.11，0.31，0.35，0.14）

支撑服务（0.28，0.21，0.26，0.14，0.11）

根据计算结果及确定的评价等级可知，变电电气设计质量为“一般”，变电土建设计质量为“较差”，线路电气设计质量为“一般”，线路结构设计质量为“较好”，支撑服务质量为“差”。以上计算得出的工程整理数字化设计质量及各个一级指标对应的评价结论与实际情况也较为吻合，验证了灰色聚类及层次分析法对数字化设计质量评价的实用性。

5 结束语

电网工程数字化设计成果内容众多，各指标均对成果质量产生一定的影响。在向数字电网转型发展的过程中，通过数字化设计作为电网数字化发展的一个重要环节，设计成果质量直接决定了其在电网全寿命周期中产生的价值作用，通过科学合理的对设计质量进行评价分析，不断提升设计质量水平具有重要意义。通过层次分析法及灰色聚类对数字化设计质量进行了客观定量分析评价，并进行了实例验证。