城市轨道交通弱电不间断供电系统综合评价指标体系研究

李舜康，郭阳，黄学良

（1.苏州轨道交通集团有限公司，江苏苏州 215133；2.东南大学，江苏南京 210096）

城市轨道交通弱电系统主要由通信、综合监控、自动收费和乘客信息系统等部分组成，影响着乘客服务和地铁运营安全[1-3]。当前，城市轨道交通弱电系统大多采用不间断电源提供集中供电，以保证弱电系统及其设备的高可靠性和安全性[4]。但在目前的实际运行中，地铁不间断供电系统普遍存在电能质量差、三相负载不均等问题[3]，造成较大的损耗和浪费，也严重影响电池等设备的寿命[2]。因此，如何找到一种城市轨道交通弱电不间断供电系统的优化运行方案，以全面提高系统的经济性和可靠性，是亟需解决的难题。

实现UPS 的运行优化首先需要建立有效的评价体系，合理评价其运行状态。但当前针对城市轨道交通及其弱电系统的研究大多为定性评价，缺乏客观合理的定量标准。参考文献[5]指出地铁安全管理的评价必须考虑弱电UPS 的运行，但没有研究UPS 的具体评价指标。文献[6]从经济性和安全性2 个方面对UPS 电源集成方案进行了定性分析，但尚未建立评价指标体系。

UPS 的重要组成部分之一是储能电池，目前对储能电池的评价研究较多。针对电力通信的工作环境和运行方式，文献[7]提出了一种判断电池运行状态的方法。文献[8]使用短期恒流放电曲线来评估配电自动化系统中的电池健康状态（SOH）指标。文献[9]采用层次分析法对影响动力电池组安全性的关键因素的指标权重进行分析，结合模糊评价得到电池安全性的综合评价结果。文献[10]结合电池检测的各种指标，得到性价比最高的电池。但是，仅从电池来评价UPS 是比较片面的，考虑到UPS 在一定程度上与配电系统相似，相应的配电系统评价指标和方法可供参考。在这方面，层次分析法得到了广泛的应用。参考文献[11]使用这种方法来评估分布式配电网络的经济性、服务质量、安全性和环境影响。参考文献[12]建立了线路间潮流控制器运行方案的评估结构。然而，基于传统层次分析法的权重计算具有很强的主观性，文献[13-14]采用灰色相关分析方法对它进行了改进。但是在计算相关系数时，分辨率系数的大小会在一定程度上影响最终的权重结果，显得较为主观。整体来看，缺乏对地铁弱电UPS 系统的完整量化评价研究。

针对上述问题，本文提出了城市轨道交通弱电不间断供电系统综合评价指标体系。首先，利用层次分析法从蓄电池、电能质量和UPS 所带负荷3 个方面提出了不间断供电系统的评价指标体系。然后利用熵权法对原有的权重计算方法进行修改，得到指标的综合权重。最后以苏州轨道交通3 号线通信系统不间断供电系统为例，验证了评价方法的有效性和合理性。

1 基于层次分析法的地铁弱电UPS 综合评价指标体系

城市轨道交通弱电不间断供电系统[15]评价指标体系一方面能够评估车站在某段时间内的实际运行情况，从而能够找出薄弱环节，为后期UPS 负荷整合规划提供决策意见；另一方面，可以针对不同运行情况进行横向对比评价[16]，从而发现各个状况下的优点与缺点，弥补不足。首先，蓄电池作为不间断供电系统的关键储能设备，其运行状态是评价指标体系组成不可或缺的部分。其次，UPS 所带负荷对电能质量的要求较高，降低谐波电流等可以减少损耗和投资，减缓元件的老化等；同时也能减小对电网的污染，提升系统整体的运行效率。最后，UPS 各项负荷实际运行功率和额定功率的比值差异较大，有必要比较实际的三相运行负载率等情况。为此，本文综合以上3 个方面指标，采用层次分析法（AHP）建立评估体系，如图1所示。

图1 城市轨道交通弱电UPS 评价体系

图1 中的属性间关系围绕应用效果评分g 这一决策目标，呈树状结构。其中，蓄电池评价指标a、电能质量评价指标b 与UPS 所带负荷评价指标c 构成与决策目标直接相关的下一层子属性。而电池温度极差、电池电压极差、电池电压标准系数差又构成与蓄电池评价指标a 相关的下一层子属性。

评价图中所列指标值的优劣，还需要针对不同的指标建立不同的评分评价标准，以直观地反映评价指标的具体情况[17]。同时，考虑到各个指标的含义和计算公式不同，维度和数量级也不同，有必要先对各个指标进行标准化处理。考虑地铁UPS 的实际发展和各指标的具体实际数据，本文将指标分为成本型和适中型，采用1～100 的尺度[18]得到指标值与得分的对应关系，如表1 所示。

表1 指标类型与评分标准设置

根据表中的指标类型以及指标分值与具体值的关系，使用函数拟合工具对指标评分标准进行曲线拟合，得到各指标对应的评分函数，如表2 所示。

表2 各指标对应的评分函数表

2 基于改进熵权法的权重修正

需要指出的是，单纯采用层次分析法进行权重计算会造成指标权重主观性太强，传统的客观赋权方法为熵权法，主要步骤分为构建数据矩阵、数据标准化、计算指标熵值、计算权重4 步。但是，针对第三步中传统熵权法无法体现出指标之间熵值接近、反熵权法无法体现出熵值差异性的缺点，有学者提出一种改进熵权法[19]，主要在第三步计算完熵值后对第四步进行改进，改进公式如下：

式中：ωi为指标i的权重的数值；Hi为指标i的熵值的数值；为所有不为1 的熵值平均值的数值。

本文综合考虑指标权重计算的客观和主观因素，首先利用层次分析法计算评估指标的主权重，然后采用改进熵权法对指标权重进行修正，最终得到合理的指标综合权重。假设层次分析法得到的权重向量是ωs，可以求出经改进熵权法赋权修正后的指标综合权重ωi：

从以上的算法流程可以看出，该算法是以专家对各指标的权重经验值为基础，避免了主观设置分辨系数所造成的干扰，因此更加客观合理。

3 算例分析

为了验证综合评价指标体系和评价模型对实际区域电网的评价效果，本文对苏州市轨道交通3 号线控制中心和某一车站的通信不间断电源系统进行了评价分析。对2020 年1 月至12 月的正式运营数据进行分析后，然后根据表1 中的指标类型和评分指标设置，拟合指标函数，得到各指标的评分结果，如表3 所示。

表3 不间断供电系统综合评价指标基础数据

3.1 指标权重计算过程

根据上述权重计算方法，本文首先计算了主要指标的权重。A、B 和C 分别代表3 个主要指标：电能质量评价指标、UPS 负载评价指标和蓄电池评价指标。结合专家经验，确定指标之间的相对重要性，从而建立指标的判断矩阵，如表4 所示。

表4 一级指标两两比较结果

根据层次分析法的计算过程和公式，主观权重可以计算为ωsi=（0.071 93，0.649 12，0.278 96），同样，可以计算出CR 值为0.062 3＜0.1，满足一致性检验。由于层次分析法得到的权重完全受决策者主观因素的影响，本文采用改进的熵权法对指标权重进行修正。可以求出二级指标的权重向量ωgi=（0.232，0.506，0.262）。

确定的各指标权重是一种典型的客观权重计算方法。由于该指标的实际数据可能存在一定的误差和准确性，本文综合考虑各种因素，按公式以7∶3 的比例计算综合权重。因此，根据计算指标综合权重的距离估计理论，可以得到修正后的指标综合权重ωi=（0.121，0.606，0.273）。

以上是关于主要指标权重的计算过程，首先采用层次分析法确定指标的主观权重，然后采用改进的熵权法确定指标的综合权重，从而得到最终的指标综合权重。同理计算出二级指标的权重，以电能质量评价指标为例，如表5 所示。

表5 电能质量评价指标两两比较

根据判断矩阵得到电能质量评价指标的权重向量ωAi=（0.471，0.165，0.255，0.109），CR 值为0.017 2＜0.1，满足一致性检验要求。采用层次分析法和改进的熵权法计算各级指标的权重。具体结果如表6 所示。

表6 指标综合权重

3.2 指标评分计算过程

根据控制中心和车站评价指标的基础数据，结合评分指标函数，可以计算出各指标的得分，如表7 所示。

表7 不间断供电系统综合评估指标评分

根据表7 中综合评分结果，控制中心不间断电源系统综合评分较高。然而，如果仅考虑一级指标电能质量，控制中心的电能质量得分为46.99，而车站的电能质量得分为52.93，则会得出车站运行状态与控制中心运行状态几乎相同的片面结论。根据本文提出的综合评价体系，我们可以看到不同地点在各个方面的优缺点，得出的结论比只看一个方面更全面。因此，建立不间断电源系统的综合评价体系十分必要。

根据对指标的进一步分析，从电能质量的角度来看，控制中心与车站的频偏范围相同，但其他指标差异较大，因为控制中心的总负荷和单负荷较大，由于监控等原因，负荷变化相对频繁。从UPS 承载的负荷来看，车站整体明显优于控制中心。通过具体分析发现，本站AB、BC 相负荷的实际平均运行功率与额定功率之比大致相同，而综合监控系统在本站负荷运行中的功率与设计之初相差较大，因此，每个阶段的负载率是非常不同的。从电池的使用来看，控制中心优于车站，这可能是由于UPS 三相负载不平衡率低造成的。综上所述，通过对所提出的综合评价体系的分析，可以得出UPS 运行中存在的问题，对UPS 的优化以及后续其他地铁线路通信UPS 的设计具有指导意义。

4 结束语

本文建立了城市轨道交通弱电不间断供电系统综合评价体系，基于层次分析法从电能质量、负荷和蓄电池3 个方面进行了合理有效的评价。针对层次分析法的主观缺陷，采用改进的熵权法对权重计算进行改进。从苏州地铁3 号线通信弱电系统UPS 的计算实例来看，本文的评估结果更全面，权重设置更合理。通过对评估系统的分析，可以发现，通信系统中控制中心的大负荷和频繁波动导致整体电能质量下降；然而，站内部分负荷的实际运行功率与设计之初的整定值存在较大差距，导致UPS 三相负荷严重失衡。通过对所提出的综合评价体系的分析，可以得出UPS 运行中存在的问题，从而延长设备的使用寿命，降低运行维护成本。