周景，王麗娟，邵作之

(華北電力大學(xué)，北京市，102206)

0 引言

隨著全球氣候變暖、極端天氣增多，近年來國(guó)內(nèi)外自然災(zāi)害事件頻繁發(fā)生。1999年土耳其Kocaeli地震，引發(fā)大范圍停電。2005年登陸美國(guó)的威爾瑪颶風(fēng)造成600萬用戶停電［1-3］。2011年3月11日日本發(fā)生9.0級(jí)強(qiáng)震，導(dǎo)致福島第一核電站1～4號(hào)機(jī)組發(fā)生核泄漏，這些自然災(zāi)害均給電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害。在我國(guó)，自然災(zāi)害同樣威脅著電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。2008年初，雨雪冰凍災(zāi)害襲擊我國(guó)南方廣大地區(qū)，造成全國(guó)范圍因?yàn)?zāi)停運(yùn)電力線路共36 740條，因?yàn)?zāi)停運(yùn)變電站共2 018座，110、500 kV線路因?yàn)?zāi)倒塔共8 381基，直接經(jīng)濟(jì)損失超過千億元。汶川地震、玉樹地震、舟曲特大泥石流、江西洪災(zāi)、海南臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害都給電網(wǎng)造成不同程度的破壞。在巨大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響下，積極建立電網(wǎng)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系以提高電網(wǎng)抵御自然災(zāi)害的能力、減少各項(xiàng)損失，有著重要的意義。

文獻(xiàn)［4］分析了2008年冰雪災(zāi)害對(duì)我國(guó)南方地區(qū)電網(wǎng)的影響，提出規(guī)劃方向。文獻(xiàn)［5］和［6］分析了自然災(zāi)害對(duì)電網(wǎng)的影響及預(yù)防措施。文獻(xiàn)［7］提出了智能電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基本思路和總體框架。文獻(xiàn)［8］提出了電力系統(tǒng)自然災(zāi)害預(yù)警指標(biāo)體系。本文在對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行危害辨識(shí)、脆弱性分析［9-10］、指標(biāo)體系建立的基礎(chǔ)上，提出了基于層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)的電網(wǎng)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。

1 評(píng)估方法

電網(wǎng)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是在危險(xiǎn)辨識(shí)的基礎(chǔ)上，分析各種自然災(zāi)害發(fā)生的概率和一旦發(fā)生后對(duì)電網(wǎng)設(shè)備、環(huán)境及人身安全、電網(wǎng)安全等造成的影響程度，確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的過程。聯(lián)合國(guó)1991年提出的關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)的分析概念模型為

式中:H為致災(zāi)因子;E為暴露于自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)下的要素;V為暴露要素的脆弱性分析。

自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估定量化，采用的計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)表達(dá)式為

式中:P為致災(zāi)因子發(fā)生概率或重現(xiàn)周期;L為致災(zāi)因子對(duì)區(qū)域可能造成的破壞、損失［11］。

針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，美國(guó)著名的安全專家弗蘭克·伯德提出了SEP評(píng)估方法，即

式中:S表示風(fēng)險(xiǎn)造成的可能后果;E表示危害事件發(fā)生的頻率;P表示一旦危害事件發(fā)生，隨著時(shí)間和因果關(guān)系產(chǎn)生完整的事故順序事件并導(dǎo)致事故后果的可能性。

由于各類災(zāi)害多以災(zāi)害鏈或?yàn)?zāi)害群的形式出現(xiàn)，應(yīng)采取多災(zāi)種的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系。災(zāi)害發(fā)生時(shí)，不僅對(duì)電網(wǎng)設(shè)備造成直接影響，而且會(huì)因事故或大面積停電引發(fā)巨大的社會(huì)影響。在應(yīng)對(duì)災(zāi)害襲擊的過程中，電網(wǎng)性能、抗災(zāi)恢復(fù)能力等也是影響風(fēng)險(xiǎn)值的重要因素。因此，在電網(wǎng)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中宜采用指標(biāo)體系法，多層次、多角度評(píng)估電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)。在綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，各指標(biāo)值對(duì)總風(fēng)險(xiǎn)的影響權(quán)重是確定綜合風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)鍵。因此，本文利用改進(jìn)的AHP法建立層次結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型并計(jì)算各指標(biāo)的權(quán)重。其中，各指標(biāo)值可以根據(jù)《電力安全事故應(yīng)急救援和調(diào)查處理?xiàng)l例》及《中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力生產(chǎn)事故調(diào)查規(guī)程》中的規(guī)定進(jìn)行標(biāo)定。

2 AHP法及其改進(jìn)

AHP法是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家Saaty教授于20世紀(jì)70年代初提出的一種定性與定量分析相結(jié)合的多目標(biāo)決策分析方法［12］。最終目的是對(duì)多層次指標(biāo)的權(quán)重按對(duì)比矩陣特征向量進(jìn)行層次收斂，其操作性強(qiáng)，模型的數(shù)理過程清晰。

AHP法的關(guān)鍵步驟是合理地構(gòu)建判斷矩陣。在傳統(tǒng)的AHP法中，多采用Saaty提出的9級(jí)標(biāo)度直接構(gòu)造判斷矩陣。盡管具有一定的科學(xué)性和合理性，但是實(shí)際應(yīng)用中也存在一定缺陷，如分類過細(xì)，難以判斷;一致性差，需多次校驗(yàn);主觀因素干擾多等。本文采用3級(jí)標(biāo)度代替?zhèn)鹘y(tǒng)的9級(jí)標(biāo)度構(gòu)造對(duì)比矩陣，利用極差法間接構(gòu)造一致性判斷矩陣。這樣既便于專家做出正確判斷，又減少了因判斷矩陣的不一致性而帶來的計(jì)算量，從而使收斂速度快、迭代次數(shù)少。

2.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的分析，為滿足評(píng)估要求，將模型分為3層:第1層是電網(wǎng)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目標(biāo)層，第2層是自然災(zāi)害影響的準(zhǔn)則層，第3層是影響因素的指標(biāo)層。電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的層次結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

2.2 構(gòu)造判斷矩陣

判斷矩陣表示針對(duì)上一層某指標(biāo)，本層次與之有關(guān)的各指標(biāo)之間相對(duì)重要性的比較［13］。

2.2.1 構(gòu)造比較矩陣

首先，對(duì)同一層次元素進(jìn)行兩兩比較，建立比較矩陣T。

圖1 電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型Fig.1 Power gird natural disaster risk assessment model

式中:設(shè) B 層次中的元素 B1，B2，B3，…，Bn與上一層次A中的元素Ak有關(guān)系，則bij表示對(duì)于Ak來說Bi比Bj的重要程度。利用3級(jí)標(biāo)度法，使各因素的相對(duì)重要性量化。其中，2表示Bi比Bj重要;1表示Bi和Bj同樣重要;0表示Bi沒有Bj重要。針對(duì)比較矩陣T，計(jì)算各元素重要性的排序指數(shù)

式中:ri為B層次中元素Bi的重要性排序指數(shù);bij為對(duì)比矩陣 T 中的元素(i，j=1，…，n)。

2.2.2 極差法構(gòu)造判斷矩陣

利用極差法將比較矩陣T轉(zhuǎn)化成判斷矩陣T'

式中:R=rmax-rmin，稱為極差，rmax=max{r1，r2，…，rn}，rmin=min{r1，r2，…，rn};tb為一常量，是按某種標(biāo)準(zhǔn)預(yù)先給定的極差元素對(duì)的相對(duì)重要程度(一般取tb=9)。由此，得到的判斷矩陣T'為一致性判斷矩陣。

2.3 計(jì)算權(quán)值

對(duì)構(gòu)造出的判斷矩陣用Matlab計(jì)算出最大特征值λmax和對(duì)應(yīng)的特征向量W，對(duì)特征向量歸一化后即為各指標(biāo)相對(duì)權(quán)重。計(jì)算某一層次各因素相對(duì)最高層的相對(duì)重要性權(quán)值，需要將底層中某指標(biāo)相對(duì)于上一層次各因素的相對(duì)權(quán)重分別乘以上一層各因素權(quán)重，再求和，直至頂層。

2.4 一致性檢驗(yàn)

3 實(shí)例分析

對(duì)某省中心城市電網(wǎng)建立自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型［8，14］，根據(jù)該城市歷史災(zāi)情記錄，選取對(duì)該市影響較多的自然因素有:降雨、覆冰、大風(fēng)。電網(wǎng)特性指標(biāo)有:減供負(fù)荷、線路狀況、電壓偏差、頻率偏差。抗災(zāi)恢復(fù)力指標(biāo)有:預(yù)警處理能力、物資儲(chǔ)備能力、搶修恢復(fù)能力。社會(huì)影響指標(biāo)有:死亡人數(shù)、重傷人數(shù)、居民停電用戶比例、直接經(jīng)濟(jì)損失。利用AHP法構(gòu)建該城市電網(wǎng)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，如圖2所示。

圖2 某城市電網(wǎng)自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型Fig.2 Power gird natural disaster risk assessment model of a city

利用3級(jí)標(biāo)度法構(gòu)造各層次的對(duì)比矩陣O、P1、P2、P3、P4，分別轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的判斷矩陣 O'、P1'、P2'、P3'、P4'。其中，

利用Matlab計(jì)算各個(gè)矩陣的最大特征值及其對(duì)應(yīng)的特征向量，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。CI均小于0.1，故判斷矩陣 O'、P1'、P2'、P3'、P4'可以接受。各指標(biāo)值的計(jì)算方法如下。

(1)自然因素中各災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn):災(zāi)害發(fā)生概率乘以災(zāi)害發(fā)生強(qiáng)度。

(2)減供負(fù)荷:供電負(fù)荷減少量除以事故發(fā)生前供電負(fù)荷量。

(3)線路狀況:輸電線路桿塔倒塌程度。

(4)電壓偏差:運(yùn)行電壓與系統(tǒng)額定電壓之差除以系統(tǒng)額定電壓。

(5)頻率偏差:系統(tǒng)頻率的實(shí)際值減標(biāo)稱值。

(6)預(yù)警處理能力:定性指標(biāo)，研究信息化水平、通信設(shè)施，橫向比較。

(7)物資儲(chǔ)備狀況:定性指標(biāo)，通過調(diào)查研究救援物資儲(chǔ)備情況。

(8)搶修恢復(fù)能力:定性指標(biāo)，考察從事故發(fā)生到電網(wǎng)恢復(fù)正常運(yùn)行所用的時(shí)間。

(9)死亡人數(shù):因電網(wǎng)故障所致的死亡人數(shù)。

(10)重傷人數(shù):因電網(wǎng)故障所致的重傷人數(shù)。

(11)居民停電用戶比例:居民停電用戶數(shù)除以城市供電總用戶數(shù)。

(12)直接經(jīng)濟(jì)損失:更換備品配件、材料、人工和運(yùn)輸所發(fā)生的費(fèi)用。

將各指標(biāo)值按照《電力安全事故應(yīng)急救援和調(diào)查處理?xiàng)l例》中的規(guī)定量化后，按5級(jí)風(fēng)險(xiǎn)值標(biāo)度，即特大(5)、重大(4)、較大(3)、一般 A類(2)、一般B類(1)，權(quán)重及風(fēng)險(xiǎn)值如表1所示。

表1 各指標(biāo)權(quán)重及風(fēng)險(xiǎn)值Tab.1 The weight and risk value of each index

由改進(jìn)的AHP法評(píng)估得到的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)值為1.375 6，介于一般A類風(fēng)險(xiǎn)與一般B類風(fēng)險(xiǎn)之間。利用傳統(tǒng)的AHP法得到的評(píng)估結(jié)果為1.365 6，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)一致，說明利用改進(jìn)的AHP法不僅可以得到準(zhǔn)確的評(píng)估結(jié)果，而且簡(jiǎn)化了運(yùn)算過程，收斂速度快、迭代次數(shù)少。同時(shí)，評(píng)估結(jié)果表明:通過綜合評(píng)定，該城市電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)低，盡管該城市多有降雨、覆冰、大風(fēng)等自然災(zāi)害的影響，但是由于較為強(qiáng)大的電網(wǎng)特性和良好的抗災(zāi)恢復(fù)力，并不會(huì)對(duì)該城市電網(wǎng)造成嚴(yán)重破壞，只要隨時(shí)維護(hù)、提前預(yù)防就可以應(yīng)對(duì)這些自然災(zāi)害的襲擊。

4 結(jié)語

嚴(yán)重的自然災(zāi)害具有不可抗性，但是通過風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，可以合理采取措施，將突如其來的自然災(zāi)害所造成的損失減至最小，保證電網(wǎng)安全。本文從自然因素、電網(wǎng)特性、抗災(zāi)恢復(fù)力、社會(huì)影響4個(gè)方面，對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，提出了利用改進(jìn)的AHP法對(duì)電網(wǎng)自然災(zāi)害進(jìn)行綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的方法。定性分析與定量分析的有機(jī)結(jié)合，使評(píng)估過程簡(jiǎn)便易行、評(píng)估結(jié)果可信度高，從而為防御災(zāi)害、緊急避險(xiǎn)提供了較為實(shí)用的理論依據(jù)。

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