摘 要： 影響電網(wǎng)安全的因素種類繁多，為了使電網(wǎng)安全評(píng)估系統(tǒng)的準(zhǔn)確性提高，人為主觀誤差減少，創(chuàng)造了一種由電網(wǎng)、調(diào)節(jié)運(yùn)行的運(yùn)行方式、繼電保護(hù)裝置、電力通信、調(diào)度自動(dòng)化及各種電器設(shè)備構(gòu)成的評(píng)估指標(biāo)體系，使用層次分析法對(duì)評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行分析，同時(shí)使繁多的安全指標(biāo)簡(jiǎn)化，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射和自學(xué)能力特性構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的安全評(píng)估模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種模型減少了安全指標(biāo)的數(shù)量，使得安全評(píng)估工作變得簡(jiǎn)單，避免了評(píng)估中人為主觀因素的影響，提高了安全評(píng)估的準(zhǔn)確性，使得評(píng)估結(jié)果更加具有科學(xué)性。

關(guān)鍵詞： 層次分析法； 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)； 評(píng)估模型； 安全評(píng)估

中圖分類號(hào)： TN711?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）21?0168?04

Power grid security assessment combining AHP with neural network

ZHAI Huaxin

（Zhangjiakou Wind and Solar Power Energy Demonstration Station Co.， Ltd.， State Grid Xin Yuan Company， Zhangjiakou 075000， China）

Abstract： The factors influencing on power grid safety are various. In order to improve the accuracy of the power grid security assessment system， and reduce the subjective human error， an assessment indicator system composed of power grid， operation mode regulating the running， relay protection device， electric power communication， scheduling automation and other electrical devices was developed. The analytic hierarchy process （AHP） is used to analyze the assessment indicator system， and simplify the manifold safety indicators. The safety evaluation model of neural network was constructed by means of the nonlinear mapping and self?learning ability of neural network. The experimental results show this model can reduce the quantity of safety indicators， simplify the security assessment， avoid the impact of subjective human factors， improve the accuracy of the safety assessment， and make the assessment result more scientific.

Keywords： analytic hierarchy process； neural network； evaluation model； safety assessment

0 引 言

如今我國(guó)電網(wǎng)已經(jīng)遍布全國(guó)各地，電網(wǎng)的安全性直接影響到了社會(huì)和國(guó)家的安全，電力企業(yè)要想長(zhǎng)期穩(wěn)定的發(fā)展下去就必須保證電網(wǎng)的安全評(píng)估準(zhǔn)確無(wú)誤[1]。在過(guò)去的那些年里，我國(guó)評(píng)價(jià)電網(wǎng)安全的方法主要是以查看安全檢測(cè)表的方式評(píng)價(jià)電網(wǎng)的安全性[2]。傳統(tǒng)的評(píng)價(jià)方法中各種評(píng)價(jià)指標(biāo)沒(méi)有明確的聯(lián)系，因此導(dǎo)致很難準(zhǔn)確地反映每個(gè)指標(biāo)間的相互關(guān)系。

輸電網(wǎng)猶如人的神經(jīng)系統(tǒng)一樣錯(cuò)綜復(fù)雜，它是由各個(gè)系統(tǒng)相互綜合而形成的一個(gè)綜合系統(tǒng)，受到的影響因素非常廣泛，因此導(dǎo)致它的安全評(píng)估很難做到準(zhǔn)確的定性分析，分析的結(jié)果也會(huì)出現(xiàn)比較大的誤差[3]。層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)安全評(píng)估主要研究如何解決電網(wǎng)安全評(píng)估中出現(xiàn)的誤差。文獻(xiàn)[4]應(yīng)用層次分析法對(duì)畜牧業(yè)的開發(fā)項(xiàng)目的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[5]采用模糊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)生成電壓穩(wěn)定性評(píng)估決策樹。文獻(xiàn)[6]提出層次分析法在火力發(fā)電廠的安全評(píng)價(jià)中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[6]結(jié)合層次分析法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)估模型對(duì)電力企業(yè)的安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。當(dāng)前，影響因素繁多、各個(gè)指標(biāo)間的聯(lián)系不明確、指標(biāo)體系不完善等都是電網(wǎng)安全評(píng)估中存在的問(wèn)題，其中在評(píng)估過(guò)程中人為因素造成的誤差也是一個(gè)很嚴(yán)重的問(wèn)題。

對(duì)于上文中電網(wǎng)安全評(píng)估中存在的問(wèn)題，本文將提出一種新的電網(wǎng)安全評(píng)估方法，將層次分析法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的綜合型安全評(píng)估方法。首先通過(guò)層次分析法對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系進(jìn)行分析，然后應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特性建立電網(wǎng)安全評(píng)估模型，最后采用樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)例驗(yàn)證。

1 電網(wǎng)安全評(píng)估體系的建立

1.1 電網(wǎng)安全評(píng)估體系建立的原則

建立電網(wǎng)安全評(píng)估體系是為了避免安全評(píng)估過(guò)程中出現(xiàn)的主觀因素帶來(lái)的誤差，使得評(píng)估結(jié)果變得準(zhǔn)確、規(guī)范。電網(wǎng)安全評(píng)估體系的科學(xué)化直接影響了評(píng)估的作用和功能。只有評(píng)估體系規(guī)范科學(xué)才能使得電網(wǎng)安全運(yùn)行，提高其輸送時(shí)間，使得大范圍停電事故得以避免或者減少。要想建立完善的電網(wǎng)安全評(píng)估體系就必須選擇合適的、簡(jiǎn)潔的評(píng)估指標(biāo)。評(píng)估指標(biāo)必須要有一定的科學(xué)性原則，能夠體現(xiàn)出輸電網(wǎng)的特點(diǎn)。評(píng)估指標(biāo)必須包括影響電網(wǎng)安全的各個(gè)因素，其概念要明確、操作方法方便簡(jiǎn)潔、收集數(shù)據(jù)要容易操作。

1.2 安全評(píng)估體系的建立步驟

電網(wǎng)與電網(wǎng)之間以及電網(wǎng)內(nèi)部的各種因素都會(huì)影響電網(wǎng)的運(yùn)行安全，因此必須針對(duì)某一特定的電網(wǎng)進(jìn)行深度的探測(cè)。本文將影響電網(wǎng)安全的評(píng)估指標(biāo)分為三個(gè)部分，即電網(wǎng)自己本身的安全、電源與接入系統(tǒng)之間的安全、電網(wǎng)與電網(wǎng)間的連接安全，其示意圖如圖1所示。

電網(wǎng)與電網(wǎng)間的連接安全

然后仔細(xì)地分析每個(gè)部分之間的影響因素，建立一個(gè)合理的安全評(píng)估系統(tǒng)。針對(duì)評(píng)估系統(tǒng)中的電網(wǎng)安全評(píng)估指標(biāo)必須要權(quán)衡它們的指標(biāo)權(quán)重，評(píng)估結(jié)果的可靠性和有效性將直接由它們的指標(biāo)權(quán)重決定。本文以層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重，對(duì)于性質(zhì)有變化的指標(biāo)則采用信息熵原理確定，進(jìn)而可以對(duì)最后的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行改正，如圖2所示。

表1給出了一定的評(píng)估指標(biāo)。

1.3 建立電網(wǎng)安全評(píng)估體系的模型

除了要認(rèn)真調(diào)查、分析電網(wǎng)的安全狀況外，還要結(jié)合電網(wǎng)自身的特點(diǎn)和安全工程系統(tǒng)確定影響電網(wǎng)安全的因素，詳細(xì)地分析出能夠包含所有電網(wǎng)安全節(jié)點(diǎn)的指標(biāo)。

2 電網(wǎng)安全評(píng)估的影響因素

電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)故障擾動(dòng)的承受能力即為電網(wǎng)安全性能，即電網(wǎng)的某個(gè)部分突然短路，某個(gè)原件突然松動(dòng)時(shí)電網(wǎng)能否自動(dòng)將干擾減到最低，大部分仍能繼續(xù)運(yùn)行。從某一種程度上來(lái)說(shuō)，電網(wǎng)承受故障擾動(dòng)的能力直接影響了電網(wǎng)的安全評(píng)估性能，電網(wǎng)承受故障擾動(dòng)的能力差則代表電網(wǎng)的安全性能差。

要想擁有安全穩(wěn)定的電網(wǎng)就必須要有合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，其電網(wǎng)結(jié)構(gòu)必須要適應(yīng)電源的容量和負(fù)荷水平，這樣才能保證在運(yùn)輸過(guò)程中擁有足夠的能量。除此之外，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)在運(yùn)行的過(guò)程中必須具備能夠應(yīng)付突發(fā)故障的能力，對(duì)于各種突發(fā)性的事故能夠做到靈活應(yīng)對(duì)，將危險(xiǎn)系數(shù)降到最低。電網(wǎng)的分層和分區(qū)是合理電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的主要體現(xiàn)，除此之外，還有電磁環(huán)網(wǎng)和電源的接入也能體現(xiàn)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的合理性。另外，電容量和電壓等因素則可以體現(xiàn)出電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的合理性程度。

電網(wǎng)的安全性除了受到電網(wǎng)自身和電網(wǎng)與電網(wǎng)之間連接的影響，還會(huì)受到環(huán)境的影響，而且環(huán)境對(duì)電網(wǎng)的影響也變得越來(lái)越重要，因此越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

電網(wǎng)在運(yùn)行過(guò)程中其安全性除了受到電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、抗擾動(dòng)能力和環(huán)境等確定因素的影響外，還會(huì)受到許多不確定性因素的影響。例如，變化的大或者小、變化的快或者慢、變化的難易程度等則是電網(wǎng)安全性不確定因素影響的主要體現(xiàn)。具體的存在環(huán)境和評(píng)估對(duì)象都會(huì)影響這些變化因素，特別是在電力變賣的交易中由于各種買賣規(guī)則的不同，導(dǎo)致不確定性因素的影響更加嚴(yán)重。

變化量、變化率、敏感系數(shù)在電網(wǎng)安全評(píng)估中起著極為重要的作用，通過(guò)對(duì)這三個(gè)變量的分析可以得出不確定性因素影響的程度。

（1） 變化量[ΔQ]。[ΔQ]代表的含義是評(píng)估考察所消耗的一段時(shí)間[（0，t）]內(nèi)電網(wǎng)安全指標(biāo)因素變化的多少。[Q0]指在電網(wǎng)的安全評(píng)估時(shí)間段中安全指標(biāo)的原始含量。[Qt]則是指電網(wǎng)的安全指標(biāo)在觀察時(shí)間結(jié)束時(shí)的含量，則有：

[ΔQ=Qt-Q0] （1）

（2） 變化率[ΔR。]變化率[ΔR]主要反映系統(tǒng)情況惡化的趨勢(shì)，是指在電網(wǎng)安全評(píng)估的過(guò)程中安全指標(biāo)因素的變化速度。

[ΔR=ΔQt=Qt-Q0t=′Fj=?Fj?Fj] （2）

（3） 敏感系數(shù)[ΔS。][ΔS]是電網(wǎng)安全評(píng)估指標(biāo)因素的變化率[ΔR]與不確定性因素的變化率[ΔD]的比值，表示變化的容易程度，[ΔS]越小電網(wǎng)抗故障的擾動(dòng)能力越弱，即：

[ΔS=ΔRΔD] （3）

式中：[ΔD]代表在安全評(píng)估的時(shí)間段內(nèi)，影響電網(wǎng)安全評(píng)估的不確定性因素的變化速度，即：

[ΔD=Dt-D0t] （4）

3 電網(wǎng)安全評(píng)估模型的結(jié)構(gòu)

電網(wǎng)安全評(píng)估極為復(fù)雜，因?yàn)槭艿接绊懙囊蛩胤N類繁多，評(píng)估指標(biāo)數(shù)量大，彼此之間還有著一定的相互作用，而每一個(gè)評(píng)估指標(biāo)對(duì)安全評(píng)估的影響力度又不一樣，因此必須要建立一個(gè)以評(píng)估指標(biāo)為基礎(chǔ)的電網(wǎng)安全評(píng)估模型。假設(shè)每一個(gè)評(píng)估指標(biāo)為[χ1，χ2，…，χn，]則有：

[y=f（χ1，χ2，…，χn）] （5）

其中[f（ ）]是一種非線性的擬合函數(shù)，從函數(shù)式可以看出評(píng)估結(jié)果[y]與[f（ ）]函數(shù)及評(píng)估指標(biāo)有關(guān)。本文在建立評(píng)估指標(biāo)體系時(shí)使用層次分析法，同時(shí)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立安全評(píng)估模型，其模型如圖3所示。

4 電網(wǎng)安全評(píng)估模型的設(shè)計(jì)

4.1 評(píng)估指標(biāo)的選擇

確定安全評(píng)估指標(biāo)是在建立電網(wǎng)安全評(píng)估模型中極為重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，評(píng)估結(jié)果的合理性和科學(xué)性將直接由評(píng)估指標(biāo)決定。但是安全評(píng)估體系的影響因素繁多，如果將每一個(gè)影響因素都納入評(píng)估指標(biāo)體系中將會(huì)使得計(jì)算工程量浩大、復(fù)雜，還容易出現(xiàn)誤差和錯(cuò)誤。為了解決以上問(wèn)題，本文以現(xiàn)有的安全評(píng)估體系為基礎(chǔ)，以專家學(xué)者的意見(jiàn)為根據(jù)，建立一種具有層次結(jié)構(gòu)的安全指標(biāo)評(píng)估體系。

4.2 用層次分析法確定指標(biāo)的權(quán)重

每一個(gè)評(píng)估指標(biāo)都會(huì)產(chǎn)生不同的評(píng)估結(jié)果，每一個(gè)指標(biāo)對(duì)評(píng)估結(jié)果產(chǎn)生的影響一般都由權(quán)值描述，本文將采用層次分析法確定指標(biāo)的權(quán)重。

4.3 建立評(píng)估指標(biāo)的判斷矩陣

構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)的判斷矩陣可以減少人為因素造成的誤差，還可以提高評(píng)估結(jié)果的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，矩陣如下所示：

[A=x1，1x1，2…x1，mx2，1x2，2…x2，m????xn，1xn，2…xn，m] （6）

4.4 計(jì)算指標(biāo)權(quán)重的方法

（1） 算出[A]中各個(gè)元素的積

[Mi=j=1naij] （7）

（2） 算出[Mi]的[n]次方的值，即：

[ωi=Min] （8）

（3） 將其值歸一化

[ωi=ωii=1nωi] （9）

則權(quán)值向量為：

[ω=ω1，ω2，…，ωnT] （10）

（4） [A]的最大值為：

[λmax=i=1nAωinωi] （11）

（5） [Bi]表示第[i]層的指標(biāo)權(quán)重：

[Bi=bi1，bi2，bi3]

5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)安全評(píng)估

[n]維到[m]維的映射都可以通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輕而易舉的完成，任意的非線性關(guān)系都可以在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模擬下變得清晰明了。一般來(lái)說(shuō)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入都是由權(quán)重較大的評(píng)估指標(biāo)完成，因此也需要建立一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)估模型。

在建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電網(wǎng)安全模型時(shí)，首先要構(gòu)建安全評(píng)估指標(biāo)體系，然后再收集安全評(píng)估指標(biāo)體系的所有數(shù)據(jù)，利用層次分析法計(jì)算所有評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重，然后按照權(quán)重值的大小決定指標(biāo)的重要等級(jí)，這樣便可以減少數(shù)據(jù)的繁雜性提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速度。之后再確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)類型，然后輸入數(shù)據(jù)使得輸入層得以激活。

[Yi=Rii=1nωijxj-RiΘjOi=gi=1nTijYj-Θj] （12）

實(shí)際輸出數(shù)據(jù)與理想數(shù)據(jù)之間的誤差便可由以下公式計(jì)算出：

[Ej=Ol（l-ol）（tl-o1）] （13）

式中：[l]為目前所在層次的安全評(píng)估值；[t]為隱含層中的安全評(píng)估值。

利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)反饋實(shí)際輸出值與理想輸出值之間的誤差，計(jì)算公式如下：

[ei=yi1-yit=1nTliEl] （14）

電網(wǎng)的安全評(píng)估公式如下：

[ΘK+1i=Θki+ηθj] （15）

通過(guò)不斷重復(fù)以上步驟，將誤差值降到規(guī)定范圍內(nèi)才可以結(jié)束。這樣一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)安全評(píng)估模型就建立成功了。最后還要認(rèn)真分析測(cè)試的樣本，使其測(cè)試結(jié)果更加準(zhǔn)確，并做好相應(yīng)的安全措施。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文在研究電網(wǎng)安全評(píng)估的過(guò)程中建立了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電網(wǎng)安全評(píng)估模型，這一模型采用層次分析法計(jì)算出評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重，確定安全指標(biāo)的重要等級(jí)，使得評(píng)估指標(biāo)的數(shù)量減少，降低了評(píng)估指標(biāo)的繁雜性，同時(shí)也解決了一些傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中存在的問(wèn)題，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更加優(yōu)化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出，該模型不僅可以擬合出各個(gè)安全指標(biāo)間的非線性關(guān)系，還減少了評(píng)估時(shí)人為主觀因素造成的誤差，提高了電網(wǎng)安全評(píng)估數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使得電網(wǎng)安全評(píng)估的結(jié)果更加具有科學(xué)性。因此，這種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)電網(wǎng)安全評(píng)估模型具有極高的理論價(jià)值和使用價(jià)值。

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