基于改进AHP 的GIS 安全状态评价

庄宏伟 ZHUANG Hong-wei；梁统健 LIANG Tong-jian；何军 HE Jun；刘廉 LIU Lian；何顺 HE Shun

（广西防城港核电有限公司，防城港 538001）

0 引言

气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS）是变电站以及其他电力运行系统中极其重要的一次设备，其是否能够正常运转关系着整个电力系统的稳定运行。截止到2018年12月，我国国内已经投运的110kV 及以上电压等级的各类GIS 设备累计超过8 万套，变电站应用GIS 成套设备覆盖率已达42.36%，根据我国国家电网公司相关部门估计，预计未来10年我国智能变电站应用GIS 成套设备的覆盖率将达到87.69%，新增GIS 设备预计可达16.8 万套。因此，针对GIS 成套设备的状态评估将是未来我国电力从业者的一项重点研究课题[1]。

现有的GIS 设备出现的各种问题中，主要表现在设备的绝缘性能及运行状态，尤其对于已经使用二十年及以上的设备，其绝缘状态往往会出现大问题，从而导致系统故障[2]。随着国家电力技术的不断创新和发展，GIS 设备的安全状态评价工作也逐渐越来越受到学者的关注。GIS 设备状态信息由不同的要素所决定，通过这些信息要素可以多层次、多角度地对GIS 的安全运行状态进行评估，因此，需要使用合理的方法来确定各种状态信息的权重。目前，对于权重的确定方法众多，主要包括有主观和客观的赋权法，主观赋权法包括层次分析法、灰色关联度法等。谢纪强[3]等人提出了基于AHP 法的极差最大化组合法用于评价地下水的状态。雷军军[1]提出了基于模糊层次分析法的GIS 设备状态评估研究。喻华平[4]和李芊[5]分别提出了主成分分析法和灰色关联度法在相关评价中的应用，综上可见，目前对于信息的权重赋权是目前设备状态评价中一个重要的发展方向。

为了能多层次多角度地评估GIS 的安全状态，本文对层次分析法进行改进，在评估之前，首先要构建GIS 安全状态的评价结构，将指标分为可定性和定量的指标，定性指标进行重要性比较分析，而定量指标需要对其进行量化，达到主客观结合的目的，从而对GIS 设备的安全状态进行评估。

1 GIS 安全状态评价体系的构建

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，简称AHP）由运筹学教授T.L.Saaty 于20 世纪70年代初首次提出。通过对所选安全状态信息因子之间的重要性比较，选择合理的标度函数，构建判断矩阵，进行矩阵的最大特征值和最大特征向量的运算，最后确定目标层即影响因子的权重[6-7]。因此，运用层次分析法的第一步即建立评价体系。

GIS 设备作为电力系统中的重要一次设备，主要由断路器、互感器、隔离开关、接地开关、母线、避雷器等众多复杂的部件构成，这些设备缺一不可，其中，断路器是用于在正常电路下和短路情况时能够接通、承载及分断电流的一种开关装置；其与接地开关与出线隔离开关、母线隔离开关共同组成了GIS 成套设备，是合理分配电能的主要元件。因此对于GIS 的安全运行状态的评估需要众多指标的共同决策，共同评估，有必要建立一套科学的指标体系对GIS 的安全性进行评价。因此，本文通过参考相关研究，建立了如表1 所示的GIS 安全状态指标体系。

表1 GIS 安全状态评估指标体系表

2 指标权重的确定

通过计算各指标的权重大小，可有效对GIS 设备状态进行准确评估。由于每个状态评价的主要元素包含不止一个分项因子，同时，在不同的运行工况下，每个因子对成套GIS 装备影响也不尽相同，因此，需要对于每个状态评估因子及其分项分别赋权，从而能够实现对成套GIS 装备运行工况的最准确评价。各指标的权重层次分析法其核心思想即将问题层次化，即将问题和总目标分解成不同层次，把复杂的目标分解成简单的单个目标，这些目标与目标之间进行分层形成多层次的结构模型，根据模型间各因子的相对重要程度确定低层相对于高层的权值。层次分析法的结构分为目标层、准则层以及指标层，每个层中间的因子是从上一层指标分化而来，又决定的下一层的指标内容，其层次结构示意图如图1 所示。

图1 层次分析法结构示意图

2.1 判断矩阵的构建

判断矩阵表示针对上一层次某单元（元素），本层次与它有关单元（元素）之间相对重要性的比较。假设Cs 为P层元素的上一层次某元素，p1、p2、…、pn为本层与其有关联的元素，把p 层关联元素相对Cs 元素的重要性两两之间比较，形成重要性比较，如表2 所示。

表2 P 层关联元素对Cs 元素的重要性比较

2.2 评价体系指标权重的计算

本文将层次分析法中的指标分为定性指标和定量指标进行改进赋值。近年来，随着学者的不断研究，相关赋值的标度法也层出不穷，例如指数标度法、A:B 的比值标度法以及9/9—9/1 标度，如表3 所示对几种标度方法的赋值进行汇总。

表3 不同标度方法的标度值及其含义

本文选用1-9 标度法对定性指标进行重要性比较，对于定量指标按公式（1）来进行计算。

设评价体系某一指标层的有A1，A2，…，An个元素，其数量值为a1，a2，…，an。以Ai/Aj表示Ai比Aj重要程度，记为bij。设Ai与Aj的数量值之比为ai/aj=kij。则标度函数bij为：

式中：k 为全部元素中最大值与最小值之比；b 为与k值对应的元素相对重要程度的标度值。

计算出判断矩阵值后，通过矩阵运算，求出各指标权重，其步骤如下。

①根据矩阵计算法则

求出矩阵的最大特征值λmax和特征向量W，在其经归一化检验后，即为这一层次中指标的权重。主要计算过程如下：

②将判断矩阵A 每一行的元素相乘，如公式（3）所示：

③对每一行的Mi开n 次方根即。

④对所得向量Wi=（W1W2，…，Wn）T，按照公式（4）进行归一化处理。

所得向量wi即为所求的各指标的权重值。

为了判断判断过程中是否合理，避免出现a 比b 重要，b 比c 重要，而c 又比a 重要的情况发生，保证各指标之间的重要性不矛盾因此需要对判断矩阵进行一致性检验，其检验公式如下：

⑤一致性指标CI

式中：λmax为判断矩阵的最大特征值，n 为矩阵的阶数，通常n 的增大会人为导致CI 值的增大，因此层次分析法对分层的要求也是有约束的，其n 的最大值一般不超过15。

⑥一致性比率

式中：RI 为随机一致性指标；CR 为随机一致性比率。

其中RI 值可以参照表4，计算所得的CR 值越小，表面判断矩阵的一致性就越好，当CR＜0.1 时，可以认为判断矩阵的差异在允许范围内，具有一致性。

表4 1-15 阶正向互换矩阵的平均随机一致性指数

3 GIS 设备的各指标主观权重计算

利用改进AHP 对构建的评价体系指标进行权重计算结果如表5 所示。

表5 准则层基于目标层判断矩阵A1

对于指标层的指标颗粒进行量化即使算的，需要按公式（1）进行定量转化赋值，根据标度函数的量化结果得到判断矩阵，进行矩阵的一致性检验，若一致性检验未通过可以调整b 的值重新赋值，直至通过检验。

重复上述操作计算指标层C1-C14 中的定性和定量共计14 个指标相对于准则层的权重。其判断矩阵均满足归一化检验结果。因此，对上述指标权重按层级和归属关机，按照权重之和为1 的原则对指标权重进行重新分配，得到各指标权重如表6 所示。

表6 GIS 设备状态评价指标权重

通过对GIS 设备的各项指标分析，影响设备安全运转比重最大的为有毒气体的释放，即检查六氟化硫气体分解成其他有毒气体的状态，其次对于设备自身的绝缘特性，内部内部绝缘材料是否出现劣化等状况。还有其他例如机械特性是否完好，例如极端天气下长时间过负荷运转、断路器频繁开断导致出现机械磨损、等原因，因此，需要从以上几点展开维护和维修，以保障GIS 设备以及整个电网的安全运行。

4 总结

基于GIS 设备的运行现状，对其安全状态进行评估，本文本着科学性原则、可测量性原则及全面覆盖性原则建立了一套完整的GIS 设备评估体系，包括绝缘性能B1、机械特性B2、运行记录B3、有毒气体B4 四个方面，逐一再对每个方面进行细化。在分析过程中将定性指标量化，即利用改进的AHP 法对各个指标进行权重的计算，使得权重的确定更具有可靠性和科学性。利用最后所求权重对GIS 的安全状态进行现场评价，发现存在问题，从而及时针对性地保护和修缮，保证GIS 设备以及整个电力系统安全稳定运行。后续研究将进一步细化指标，选取更具有代表性的指标进行评估，有效提高评估的科学性。