孫國強(qiáng),朱　超,衛(wèi)志農(nóng),孫永輝,倪　明,過　浩

(1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院,江蘇 南京　210098; 2. 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院,江蘇 南京　210003)

基于綜合集成賦權(quán)法的輸電線路動(dòng)態(tài)綜合評估

孫國強(qiáng)1,朱超1,衛(wèi)志農(nóng)1,孫永輝1,倪明2,過浩1

(1. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院,江蘇 南京210098; 2. 國網(wǎng)電力科學(xué)研究院,江蘇 南京210003)

摘要：為更好地掌握輸電線路的運(yùn)行狀態(tài),需要準(zhǔn)確地對其進(jìn)行綜合評估。創(chuàng)建一種基于綜合集成賦權(quán)法的架空輸電線路動(dòng)態(tài)綜合評估模型,模型的評估流程:首先根據(jù)評價(jià)指標(biāo)的重要性用序關(guān)系法對各指標(biāo)進(jìn)行主觀賦權(quán);然后采用拉開檔次法再次對指標(biāo)進(jìn)行客觀賦權(quán),并計(jì)算線路的綜合評價(jià)函數(shù)值;最后根據(jù)綜合評價(jià)函數(shù)值對架空輸電線路的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合評估。采用該模型對某條架空輸電線路進(jìn)行實(shí)證分析和評估,并將評估結(jié)果與實(shí)際的監(jiān)控情況進(jìn)行比較,結(jié)果表明該方法具有一定的可靠性和可行性。

關(guān)鍵詞：架空輸電線路;動(dòng)態(tài)綜合評估;綜合集成賦權(quán)法;主觀權(quán)重;客觀權(quán)重

架空輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分,其運(yùn)行狀態(tài)的好壞將會對整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性產(chǎn)生較大影響。目前,有關(guān)架空輸電線路狀態(tài)評估的研究已經(jīng)取得了一定的研究成果。文獻(xiàn)[1-4]基于線路元件可靠性模型對架空輸電線路進(jìn)行了研究,其分析過程由狀態(tài)選擇、狀態(tài)估計(jì)和指標(biāo)計(jì)算3個(gè)步驟組成。文獻(xiàn)[5-9]建立相對于線路元件可靠性的線路系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型,是一種短時(shí)間尺度的評估模型。它通過將時(shí)變的線路元件故障率模型代入線路系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估模型中得到線路系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo),以風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)值表征線路的運(yùn)行狀況好壞。然而,可靠性模型和風(fēng)險(xiǎn)評估模型都是以單一的線路元件模型代替整個(gè)評估系統(tǒng),難以完全體現(xiàn)架空輸電線路這樣的多層次多指標(biāo)的復(fù)雜系統(tǒng)的真實(shí)狀態(tài)。韓富春等[10]提出一種基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的架空輸電線路狀態(tài)評估模型,它不僅能夠得出架空輸電線路及其各部件的運(yùn)行狀態(tài)概率,而且還可以利用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的雙向推理技術(shù)方便地求解各部件對整條線路運(yùn)行狀態(tài)的影響。但是,基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的評估模型,是一種在概率統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)上的評估模型,它對原始數(shù)據(jù)的要求較高,且在模型訓(xùn)練時(shí),容易陷入局部最優(yōu)解。

基于此,本文提出了一種基于綜合集成賦權(quán)法的架空輸電線路動(dòng)態(tài)評估模型。首先將線路動(dòng)態(tài)評估轉(zhuǎn)化為靜態(tài)評估,然后利用序關(guān)系法求出各評價(jià)指標(biāo)和線路單元的主觀權(quán)重,再用拉開檔次法求出它們的客觀權(quán)重,最后采用線性評價(jià)函數(shù)計(jì)算線路綜合評價(jià)函數(shù)值并根據(jù)綜合評價(jià)函數(shù)值對線路運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估。

1架空輸電線路評估指標(biāo)體系的建立

表1架空輸電線路狀態(tài)評估指標(biāo)體系

Table 1State evaluation index system of overhead transmission line

子系統(tǒng)子系統(tǒng)指標(biāo)架空輸電線路狀態(tài)評估指標(biāo)體系基礎(chǔ)s(1)1桿塔s(1)2導(dǎo)地線s(1)3絕緣子s(1)4附屬設(shè)施s(1)5ì?í?????????????????????桿塔基礎(chǔ)表面損壞情況x1基坑護(hù)坡及防洪設(shè)施損壞情況x2金屬基礎(chǔ)銹蝕情況x3防碰撞設(shè)施情況x4ì?í????桿塔傾斜情況x5桿塔和鋼管塔構(gòu)建缺失情況x6鐵塔、鋼管桿銹蝕情況x7拉線銹蝕損傷情況x8混凝土桿裂紋x9ì?í??????腐蝕、斷股、損傷和閃絡(luò)燒傷情況x10異物懸掛情況x11異常振動(dòng)、舞動(dòng)、覆冰情況x12導(dǎo)線弧垂x13ì?í????絕緣子積污情況x14絕緣子串傾斜情況x15瓷絕緣子釉面破損情況x16{桿號牌缺損情況x17防雷設(shè)施損壞情況x18防鳥設(shè)施損壞情況x19爬梯、護(hù)欄缺損情況x20ì?í????

1.1線路狀態(tài)評估指標(biāo)體系的建立

線路狀態(tài)評估指標(biāo)體系的建立是進(jìn)行綜合評價(jià)的前提和基礎(chǔ)[11-12]。筆者根據(jù)2007年頒布實(shí)施的Q/GDW 173—2008《架空輸電線路狀態(tài)評價(jià)導(dǎo)則》[13]和DL/T 1006—2006《架空輸電線路巡檢系統(tǒng)》[14]中對架空輸電線路的相關(guān)規(guī)定,將基礎(chǔ)、桿塔、導(dǎo)地線、絕緣子、附屬設(shè)施這5個(gè)主要的線路單元納入架空輸電線路狀態(tài)評估指標(biāo)體系中,指標(biāo)體系如表1所示。

1.2數(shù)據(jù)預(yù)處理

架空輸電線路狀態(tài)評估指標(biāo)體系復(fù)雜,對各指標(biāo)的監(jiān)測主要依靠線路巡檢和在線監(jiān)測。為了將巡檢數(shù)據(jù)與在線監(jiān)測數(shù)據(jù)融合,需要對一些定性數(shù)據(jù)進(jìn)行定量化處理。

文獻(xiàn)[13-14中對線路狀態(tài)量的劣化程度進(jìn)行了0～10的扣分,扣分越多表明狀態(tài)量的劣化程度越嚴(yán)重,指標(biāo)的狀態(tài)越差。基于此,將收集到的巡檢數(shù)據(jù)與評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對比,將其量化為0～10之間的4段數(shù)值：[0,])為正常狀態(tài),[2,]4)為注意狀態(tài),[4,]8)為異常狀態(tài),[8,10]為嚴(yán)重狀態(tài)。

為了方便計(jì)算與分析,將所有指標(biāo)統(tǒng)一為極小型指標(biāo),即指標(biāo)值越小,線路的狀態(tài)越好。對于極大型指標(biāo),采用式(1)進(jìn)行指標(biāo)一致化處理。

x′=Mx-x

(1)

式中:Mx——指標(biāo)x的允許上界,為方便公式書寫,轉(zhuǎn)化為極小型后x′仍記為x。

采用線性比例法對各指標(biāo)進(jìn)行無量綱化處理:

(2)

式中:xs——指標(biāo)x的最小值、最大值或平均值等。

2評估指標(biāo)權(quán)重的確定

如何確定權(quán)重系數(shù)是綜合評價(jià)的核心問題。筆者采用能同時(shí)考慮主客觀因素的綜合集成賦權(quán)法:首先利用序關(guān)系法求取各評價(jià)指標(biāo)以及線路單元的主觀權(quán)重;然后用拉開檔次法確定它們的客觀權(quán)重。

2.1利用序關(guān)系法確定主觀權(quán)重

序關(guān)系法是一種無需一致性檢驗(yàn)的新方法,是一種先對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行定性排序,再對相鄰指標(biāo)進(jìn)行重要性判斷,最后進(jìn)行定量計(jì)算的主觀賦權(quán)法[15]。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于無需構(gòu)成判斷矩陣,也無需進(jìn)行一致性檢驗(yàn),與構(gòu)造層次分析法判斷矩陣相比計(jì)算量成倍減少,其計(jì)算過程如下:

a. 確定序關(guān)系。通過指標(biāo)的序關(guān)系分析與位置編號調(diào)整,確定對于某評價(jià)準(zhǔn)則具有的指標(biāo)序關(guān)系為x1>x2>…>xm,則稱各評估指標(biāo)之間按“>”確定了序關(guān)系，其中,m為指標(biāo)數(shù)。

b. 確定相鄰指標(biāo)之間的相對重要程度。設(shè)專家關(guān)于評價(jià)指標(biāo)xj-1與xj的重要程度之比rj的理性判斷為

(3)

表2rj賦值參考

Table 2Reference table for assignment ofrj

rj說明1.0指標(biāo)xj-1與指標(biāo)xj具有相同的重要性1.2指標(biāo)xj-1比指標(biāo)xj稍微重要1.4指標(biāo)xj-1比指標(biāo)xj明顯重要1.6指標(biāo)xj-1比指標(biāo)xj強(qiáng)烈重要1.8指標(biāo)xj-1比指標(biāo)xj極端重要

式中：wj——權(quán)重系數(shù)。其中rj的賦值可參考表2。

c. 權(quán)重系數(shù)wj的計(jì)算。若專家給出對rj理性判斷后的賦值,則:

(4)

2.2利用拉開檔次法確定客觀權(quán)重

由表1可知,每一條架空輸電線路都可以作為一個(gè)大系統(tǒng),該系統(tǒng)共有5個(gè)子系統(tǒng),且每個(gè)子系統(tǒng)又對應(yīng)著數(shù)目不等的狀態(tài)量指標(biāo)。

a. 現(xiàn)取n個(gè)大系統(tǒng):S1,S2,…,Sn,每個(gè)大系統(tǒng)均由基礎(chǔ)、桿塔、導(dǎo)地線、絕緣子、附屬設(shè)施這5個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。

(5)

式中：mt——第t個(gè)子系統(tǒng)的指標(biāo)數(shù)目,mt=1,2,…，5；wmt=(w1,w2,…,wmt)T——序關(guān)系法求得的第t個(gè)子系統(tǒng)的指標(biāo)主觀權(quán)重。

記

(6)

(7)

則有

(8)

(9)

(10)

其中

H(1,t)=X(1,t)(X(1,t))T

式中:H(1-t)——實(shí)對稱矩陣。這里限定X(1,t)(X(1,t))T=1,求式(10)的最大值,也就是選擇wmt,使得:

(11)

3架空輸電線路動(dòng)態(tài)綜合評估

3.1線路靜態(tài)綜合評估

根據(jù)表1,以某地區(qū)n條架空輸電線路為評估對象,分別記為S1,S2,…,Sn。設(shè)某段時(shí)間內(nèi),這n條架空輸電線路的指標(biāo)觀測值不再變化,分別對這n條輸電線路及其子系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)綜合評估[16]。

在建立綜合評價(jià)函數(shù)之前,首先需要對各指標(biāo)進(jìn)行權(quán)化處理[17],即令:

(12)

(13)

(14)

(15)

則式(13)可簡寫成

(16)

3.1.2大系統(tǒng)Si的綜合評價(jià)函數(shù)[18]

(17)

3.2線路動(dòng)態(tài)綜合評價(jià)

在工程實(shí)際中,架空輸電線路的指標(biāo)觀測值是隨著時(shí)間而變化的,即它是一個(gè)時(shí)序的指標(biāo)。那么對架空輸電線路進(jìn)行綜合評估就需要考慮時(shí)間因素。這種在靜態(tài)評估基礎(chǔ)上加入時(shí)間因素的電力綜合評估稱為動(dòng)態(tài)綜合評估。

如果將某段時(shí)間(t0～T)分為k個(gè)時(shí)間段:(t0～t1),(t1～t2),…,(tk-1～T),在每個(gè)時(shí)間段內(nèi),指標(biāo)數(shù)據(jù)不再變化,那么就可以將(t0～T)時(shí)間內(nèi)的線路動(dòng)態(tài)評估看成是由k個(gè)靜態(tài)評估組成的。然后在這k個(gè)時(shí)間段內(nèi),分別對架空輸電線路進(jìn)行靜態(tài)綜合評估。這樣就把動(dòng)態(tài)綜合評估轉(zhuǎn)化為靜態(tài)綜合評估問題。

3.3基于綜合評價(jià)函數(shù)值的線路狀態(tài)評估

由于架空輸電線路各指標(biāo)值均已無量綱化,且各指標(biāo)權(quán)重都是標(biāo)準(zhǔn)化權(quán)重(即每個(gè)子系統(tǒng)的指標(biāo)權(quán)重值之和為1),所以求得的綜合評價(jià)函數(shù)值也應(yīng)該是一個(gè)0～1之間的數(shù)值，并且它是一個(gè)極小型的數(shù),即數(shù)值越小,線路的總體運(yùn)行狀態(tài)越好。

Q/GDW173—2008《架空輸電線路狀態(tài)評價(jià)導(dǎo)則》[13]中將線路的運(yùn)行狀態(tài)劃分為正常、注意、異常和嚴(yán)重4種狀態(tài)。本文嘗試將綜合評價(jià)函數(shù)值與這4種運(yùn)行狀態(tài)聯(lián)系起來。參考1.2節(jié)定性數(shù)據(jù)定量化的方法,將線路綜合評價(jià)函數(shù)值在0～1之間劃分為4段:[0,]0.2)、[0.]2,0.4)、[0.]4,0.8)、[0.]8,1.0),每一段數(shù)值分別對應(yīng)線路的正常狀態(tài)、注意狀態(tài)、異常狀態(tài)和嚴(yán)重狀態(tài)。

4算 例 分 析

取某時(shí)間段(t0～T)的數(shù)據(jù),根據(jù)1.2節(jié)所述內(nèi)容對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,歸一化為極小型數(shù)據(jù),并進(jìn)行無量綱化處理。應(yīng)用式(3)、式(4)建立基于序關(guān)系法的線路評估指標(biāo)主觀權(quán)重,分別為ω1=(0.260 9，0.260 9，0.260 3，0.217 3)、ω2=(0.2，0.2，0.2，0.2，0.2)、ω3=(0.25，0.25，0.25，0.25)、ω4=(0.411 8,0.294 1，0.294 1)、ω5=(0.272 8，0.272 8，0.227 2，0.227 2)。

根據(jù)3.1.1節(jié)計(jì)算各子系統(tǒng)的綜合評價(jià)函數(shù)值,由于是動(dòng)態(tài)評估,所以每個(gè)采樣時(shí)刻的評估值都不相同。再次應(yīng)用式(3)、式(4)的序關(guān)系法建立子系統(tǒng)的主觀權(quán)重分別為:0.188 2、0.225 8、0.225 8、0.225 8和0.134 4。最后,根據(jù)3.1.2節(jié)和3.2節(jié),計(jì)算整個(gè)大系統(tǒng)在時(shí)間段(t0～T)內(nèi)的綜合評價(jià)函數(shù)值Yt。

分別采用序關(guān)系法、拉開檔次法和本文方法對上述算例中的架空輸電線路進(jìn)行動(dòng)態(tài)綜合評估,評估結(jié)果如圖1所示。

由圖1可以看出,采用序關(guān)系法和本文方法得到的綜合評價(jià)函數(shù)值處于0～0.2之間,按3.3節(jié)所述,線路處于正常運(yùn)行狀態(tài)。而采用拉開檔次法的評估結(jié)果卻表明線路處于注意狀態(tài)。根據(jù)架空輸電線路在線監(jiān)測平臺的預(yù)警系統(tǒng)可知,雖然在評估時(shí)間段內(nèi),某些指標(biāo)值出現(xiàn)了較大幅度的變化,但各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)仍處于正常范圍,所以整條架空輸電線路是正常運(yùn)行狀態(tài)。

采用拉開檔次法進(jìn)行綜合評估之所以會產(chǎn)生錯(cuò)誤的評估結(jié)果,是因?yàn)椴捎脝渭兊睦_檔次法計(jì)算綜合評價(jià)函數(shù)值時(shí),默認(rèn)所有的指標(biāo)權(quán)重是一樣的,即認(rèn)為所有的指標(biāo)一樣重要,這就造成了某些相對來說不重要,但是其變化程度比較大的指標(biāo),會對評估結(jié)果產(chǎn)生較大影響。

序關(guān)系法雖然能夠依照指標(biāo)的重要程度,人為地對其賦予權(quán)重,但是相比于本文方法,它對評價(jià)指標(biāo)僅進(jìn)行了一次賦權(quán)。從圖1的評估結(jié)果可以看出,它的評估值變化幅度不大,無法拉開被評價(jià)對象的差異,且評估結(jié)果過于保守。

筆者提出的綜合集成賦權(quán)法,既能夠根據(jù)指標(biāo)的重要性程度,對其賦予權(quán)重,避免了一些不重要的指標(biāo)對評價(jià)結(jié)果產(chǎn)生的影響,又能拉開被評價(jià)對象之間的差異,使其便于比較。通過分析微氣象在線監(jiān)測數(shù)據(jù)(圖2),發(fā)現(xiàn)由于突然的氣象條件變化,風(fēng)速突然增大,引起導(dǎo)線弧垂以及桿塔傾斜度、絕緣子風(fēng)偏角等指標(biāo)數(shù)據(jù)的變化,而這些變化綜合作用的結(jié)果都能夠在文中的線路動(dòng)態(tài)綜合評估模型中反映出來,這正是圖1中曲線尾部陡然升高的原因,從而證明了本文方法的敏感性和實(shí)用性。

圖1　對某地區(qū)架空輸電線路的綜合評估Fig. 1　Comprehensive evaluation results of overhead transmission lines in a certain area

圖2　線路微氣象在線監(jiān)測數(shù)據(jù)Fig. 2　Micrometeorological online monitoring data of lines

5結(jié)語

創(chuàng)建一種基于綜合集成賦權(quán)法的架空輸電線路動(dòng)態(tài)綜合評估模型，并對該模型進(jìn)行實(shí)例分析驗(yàn)證,結(jié)果表明該模型能有效地綜合評估各指標(biāo),既能對架空輸電線路各線路單元進(jìn)行動(dòng)態(tài)評估,又能綜合地評估整條架空輸電線路,對指標(biāo)數(shù)據(jù)是敏感的。

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Dynamic comprehensive evaluation of transmission lines based on integrated weighting method

SUN Guoqiang1, ZHU Chao1, WEI Zhinong1, SUN Yonghui1, NI Ming2, GUO Hao1

(1.CollegeofEnergyandElectricalEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;2.StateGridElectricPowerResearchInstitute,Nanjing210003,China)

Abstract:In order to obtain the operation state of transmission lines, comprehensive evaluation of the lines is needed.This paper proposes a dynamic comprehensive evaluation model for overhead transmission lines based on the integrated weighting method.The evaluation processis as follows: first, the order relation method is used to determine the subjective weight of each index according to the importance of each index; second, the scatter degree method is used to calculate the objective weight of each index and the comprehensive evaluation function value of the line; finally, the operation state of the overhead transmission line is evaluated according to the comprehensive evaluation function value. The model was applied to evaluation of an overhead transmission line, and the evaluation results are compared with the actual results. The results showthatthe model is effective and feasible.

Key words:overhead transmission line; dynamic comprehensive evaluation; integrated weighting method; subjective weight; objective weight

DOI：10.3876/j.issn.1000-1980.2016.03.014

收稿日期：2015-04-15

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(51277052,51107032,61104045)

作者簡介：孫國強(qiáng)(1978—),男,江蘇無錫人,副教授,博士,主要從事電力系統(tǒng)運(yùn)行與分析研究。E-mail:hhusunguoqiang@163.com

中圖分類號：TM715

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-1980(2016)03-0272-06