基于层次分析法的变电站施工决策研究

杨智钧

（江苏齐天电力建设集团有限公司）

0 引言

对电力的需求不断增加， 导致电网公司的基础设施不断扩大， 决定电网灵活性和安全性的最重要因素之一是建设新变电站或升级旧变电站。在决定是否建造或改建变电站后， 必须分析该投资的每一种可能的变体， 最终得出符合投资者要求的最合适的解决方案。

一般来说， 变电站主要考虑两种技术： AⅠS （空气绝缘变电站） 和GⅠS （气体绝缘变电站） 。大多数现有变电站为AⅠS 型， 配有室外电力设备和室内保护、 控制和辅助设备[1-3］。相比之下， GⅠS正逐渐成为更突出的电力系统要求的变电站， 在环境可持续性方面， 它是传统变电站的有竞争力的替代品。

通过前人的研究都证实了AHP 方法在电力工程部门决策过程支持主题中应用的有效性和优势[4-5］。然而， 目前还没有关于AHP在变电站工程领域应用的数据。这一事实有助于确定本文研究的目标和范围。换言之， 本文所述考虑因素的主要目的是验证基于AHP方法的有效性， 以支持变电站施工技术选择的决策， 并评估所获得结果的可靠性， 这在该领域是一个创新之处。

1 层次分析法在变电站施工的应用

通过层次分析法的应用， 可以帮助变电站施工管理团队在决策过程中更加科学、 客观、 合理地评估和选择不同的选项， 提高项目的绩效和成功的概率。次分析法在变电站施工中的应用包括， 项目范围划定，层次分析法可以帮助变电站施工管理团队确定项目的范围， 根据各个范围的重要性和优先级， 确定各个范围的权重； 项目目标确定， 层次分析法可以帮助变电站施工管理团队确定项目的目标， 根据目标的重要性和优先级， 确定各个目标的权重； 设备选择， 层次分析法可以帮助变电站施工管理团队选择合适的设备，根据设备的性能、 可靠性、 价格等因素， 确定最适合的设备； 施工方案确定， 层次分析法可以帮助变电站施工管理团队确定施工方案， 根据各个方案的可行性、 风险等因素， 确定最佳的施工方案。

1.1 标准的选择

选择变量和标准是变电站施工制定决策过程中的一个关键要素以及确定主要目标。由于变电站施工问题的特殊性， 选择标准的起点是考虑输电系统制定的标准要求。因此， 选择标准的第一步是分析变电站的施工、 重建或扩建的技术要求。在考虑中， MTS （混合技术变电站） 技术也包括在内， 包括空气绝缘杆、SF6 绝缘模块化杆和传统母线。然而， 由于这是一种中间解决方案， 将大大增加其分类和比较的难度， 因此在进一步的考虑中省略了这一点。为了比较输电系统的变量， 使用了五步量表， 该量表显示了一种技术相对另一种技术相对质量评估：

++： 技术相对于其他技术具有决定性优势； +： 技术带来了一些优势； 0： 显示中立；-： 与其他技术相比显示出缺陷；--： 显示出决定性的缺陷。

尽管气体绝缘变电站 （GⅠS） 和空气绝缘变电站（AⅠS） 解决方案针对每个单独的子标准都有优势和缺陷， 但地方法规并没有定义其在拟议评级中的相对重要性。这导致难以明确定义哪种解决方案是优选的，因此将基于AHP方法算法进一步考虑， 由于实际原因标准越多， 就越难做出相应的选择， 因此， 考虑的标准数量被缩小到了8个。

1.2 创建层次结构

确定标准重要性的第一阶段是根据调查数据对子标准进行分组， 使每个组都朝着主要目标组成。如前所述， 分类不允许定义标准的重要性顺序， 只强调一种技术相对于另一种技术的优势。因此， 创建配对比较矩阵的过程是基于调查数据， 该调查在引入分类标准后进行的。包括建造、 维护和提供GⅠS 和AⅠS 变电站验收测量。调查展示了所有可能的标准对， 在每一对标准中， 应通过在相应的标题中加上“x”来表明其中一个标准优于另一个标准。在汇总了上述调查的结果后， 制定一份偏好清单。每一位数字代表一个特定偏好的票数。在该过程的这个阶段， 应为每对分配标准量表中的数值。

由于比较的顺序是重要的， 假定“标准A”与“标准B”进行比较。根据公式进行简单的数学计算后， 可得到a=7， 该结果在量表的自然数范围内， 但由于标准A 与B 的比较假设以及评估传递性， 得到：c=1/a=1/7。

对要包括在量表中的所有考虑的成对比较的数值表示进行了类似的操作。下一步为指南中概述的质量等级分配数值。决定根据调查采用数字表示， 以给出在评估GⅠS 和AⅠS 变体时考虑的子标准的评级。假设数值将是根据量表（1、 3、 5、 7、 9） 得出的评分。接下来， 根据评级假设， 基于子标准比较， 计算每个主要标准的算术平均值。这给出了GⅠS 变量相对于AⅠS 变量的权重系数。然后， 基于应用于调查数据的评估的传递性假设， 将AⅠS 相对于GⅠS 的权重计算为该值的倒数。为了将结果调整到量表中， 决定将其向上或向下四舍五入到量表中最接近的值。

如果满足简单方程条件， 则对结果进行四舍五入：

式中，a，b为量表的两个相邻值，c为计算出的平均值。

1.3 分析计算

层次分析法 （AHP） 是一种多准则决策方法， 用于对一组选项进行排序和比较。包括层次结构的构建， 构建判断矩阵， 计算权重， 一致性检验， 综合评估和排序。根据之前研究， 有了所有标准的分层结构和所有标准对组合的权重系数， 就可以创建比较矩阵。在此基础上， 形成了矩阵A， 该矩阵在对其值进行归一化后成为矩阵B。

基于矩阵B的元素， 根据等式 （3） 计算CR系数：

式中，CI为后果指数；RI为随机索引；CI根据等式 （3） 计算

λmax为n的对比较矩阵的最大或主特征值，n表示标准的数量。

反过来， 根据大量随机生成的n×n大小矩阵的比较， 将RI制成表格。在所考虑的情况下获得的CR值等于0.23。然而， 该值高于通常接受的CR阈值，该阈值等于0.1。因此， 根据规则， 应该重复整个过程。然而， 在多数情况下，CR的低值限制性太强， 并得到矩阵的一致性应取决于两个因素： 结果指数CI，本文取矩阵的最大特征值λmax； 所需的符合性水平：0 <α≤1， 另外假设α可根据所分析的问题进行调整。

鉴于上述情况， 并由于实施AHP 方法的实验性质， 为了选择变电站的施工类型， 可以以此基础继续进行分析。在设定CR值为0.23 之后， 基于归一化评估矩阵B， 计算每个主要标准的权重系数。下一步是为每个标准的每个变体创建一个配对比较矩阵以及归一化评估矩阵。该领域中关于所选标准的示例如下矩阵C和D所示。

AHP 方法的最后一个阶段是对最终结果的评估，其计算为每个标准和变量的权重系数的乘积之和。通过计算， 取得了以下结果：

在分析获得的结果之前， 对调查数据的结果进行了计算， 具有标准权重系数并获得基于新的对比较矩阵的表1， 获得了每个标准的变体的权重系数。在计算了足够标准重量和可变重量的乘积的总和后， 获得了最终结果：

表1 基于调查的每个标准的变权系数的数值表示

2 实例分析

如上所述， 本文基于两种技术解决方案， 尝试使用AHP 方法来实现变电站施工技术选择的决策过程： 空 气 绝 缘 变 电 站 （AⅠS） 和 气 体 绝 缘 变 电 站（GⅠS） 。计算分两步进行。在第一步中， 根据调查和基于当地法规的数据进行了评估， 在第二步中， 矩阵仅包含历年变电站施工的数据。

分析并确定了主要标准的层次结构， 倾向于以下标准： 维护和服务、 设计投资阶段或执行投资阶段。所获得的结果与变电站施工活动领域重叠， 因此， 可以得出结论， 这一观察结果也适用于其他的标准： 生产支出、 对环境的影响、 扩建的可能性或投资成本。这一结果支持“投资成本”或“扩建的可能性”。从基于地方法规的每个标准的变体比较结果来看，在各个方面都存在对GⅠS 解决方案的支持， 如图1所示。

图1 分层结构的权重系数集合

这可能是输电系统公司在试图扩大所管理的电网时面临的问题的结果， 相对较高的人口密度需新建变电站和扩建现有变电站。SF6 变电站的紧凑结构在某种程度上复合要求。最终结果为： 变量GⅠS=0.78 和变量AⅠS=0.22， 证实了上述结论。在基于调查的数据中， 对地理信息系统技术的支持也很明显；然而， 并非之前的情况那样占主导地位。结果如图2所示， 对于这三个标准， 将技术等同起来， 但GⅠS 技术仍然是首选。基于调查的最终结果： 变量GⅠS=0.70， 变量AⅠS=0.30。

图2 层次结构的权重系数集合

3 结束语

所进行的研究证实了所提出的层次分析方法的新颖性， 它包括在关于所讨论的案例研究的决策过程中考虑许多客观意见。通过应用AHP方法， 可以得出以下结论：

在这两种情况下， AⅠS和GⅠS技术的比较都是基于一套地方法规以及调查中获得的数据， 最终结果显然有利于GⅠS技术。当在分析的决策过程中使用上述方法时， 其缺陷是必须实现对比较矩阵之间的内聚。因此标准数量会增加CR系数的值， 可能会使所分析的问题过于琐碎。这些研究清楚地表明， GⅠS技术比对AⅠS技术更受到支持， 相比于微积分分析， AHP 方法更容易实现。因此， AHP 可以被视为一种很好的工具， 可以用于支持变电站施工的决策过程。此外， 通过相互比较单个应用， 所提出的方法也可以应用于评估当前开发的基于其他气体作为SF6替代品的解决方案。