邵志敏，張林利，李建修，樊迪，沈小迪

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250003）

基于模糊層次分析的配電變壓器改造優(yōu)先級(jí)評(píng)估方法

邵志敏1，張林利1，李建修1，樊迪1，沈小迪2

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東濟(jì)南250003；2.山東中實(shí)易通集團(tuán)有限公司，山東濟(jì)南250003）

普通配電變壓器改造為經(jīng)濟(jì)型配變時(shí)，需要對(duì)多個(gè)變壓器改造優(yōu)先級(jí)進(jìn)行合理評(píng)估排序。提出一種基于模糊層次分析法的配電變壓器改造優(yōu)先級(jí)評(píng)估方法，通過(guò)建立改造優(yōu)先級(jí)評(píng)估的層次結(jié)構(gòu)模型，選取典型評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定各層間的權(quán)重，構(gòu)建模糊一致判斷矩陣，計(jì)算各待改造配變的綜合評(píng)價(jià)值及排序。某電網(wǎng)的應(yīng)用實(shí)例證明該方法可為配變改造優(yōu)先級(jí)評(píng)估提供更科學(xué)的決策參考。

模糊層次分析；配電變壓器；優(yōu)先級(jí)評(píng)估

0 引言

變壓器是電力傳送過(guò)程中的重要設(shè)備，擔(dān)負(fù)著電壓變換和功率傳遞的任務(wù)。在配電系統(tǒng)中，配電變壓器數(shù)量眾多、總?cè)萘看?，總體運(yùn)行損耗在整個(gè)配電網(wǎng)損耗中占比較高［1］。因此，降低配電變壓器運(yùn)行損耗是配電網(wǎng)降損節(jié)能的重要途徑。隨著近年來(lái)配電網(wǎng)建設(shè)改造的持續(xù)投入，已經(jīng)基本完成對(duì)陳舊、高能耗變壓器的更換工作。目前，非晶合金、高過(guò)載、有載調(diào)容調(diào)壓等新型節(jié)能型配電變壓器正逐步擴(kuò)大應(yīng)用范圍［2-3］，對(duì)降低配電網(wǎng)整體損耗起到了重要作用。

普通配變臺(tái)區(qū)在改造為新型配電變壓器時(shí)需要綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、管理等多方面因素，供電部門(mén)一般采取分批投資的方式，逐步對(duì)臺(tái)區(qū)配電變壓器進(jìn)行改造。因此，綜合各方面因素制定合理的改造優(yōu)先級(jí)，不僅能提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性與可靠性，更能節(jié)約財(cái)力與人力，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)投資。文獻(xiàn)［4］基于全壽命周期成本理論，建立中低壓配電網(wǎng)變壓器的全壽命周期成本模型，包括初次投資成本、運(yùn)行維護(hù)成本、停電損失成本和設(shè)備殘值，并以全壽命周期成本最小為原則對(duì)配電變壓器改造進(jìn)行選型指導(dǎo)。文獻(xiàn)［5］進(jìn)一步完善了全壽命周期成本模型，并對(duì)其靈敏度進(jìn)行了分析，提高了該方法的實(shí)用性。文獻(xiàn)［6］利用故障樹(shù)分析法，評(píng)估變壓器運(yùn)行可靠性，識(shí)別早期故障征兆，作為變壓器維護(hù)依據(jù)?，F(xiàn)有技術(shù)多是考慮經(jīng)濟(jì)性或可靠性等單方面指標(biāo)，缺乏考慮各主要影響因素的綜合判斷。

本文應(yīng)用模糊層次分析的方法，建立改造優(yōu)先級(jí)評(píng)估的層次結(jié)構(gòu)模型，選取典型評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建模糊一致判斷矩陣，對(duì)配電變壓器改造優(yōu)先級(jí)進(jìn)行評(píng)估，為配電變壓器有序改造提供理論指導(dǎo)。

1 模糊層次分析

層次分析法（Analytic hierarchy process，AHP）于20世紀(jì)70年代中期提出，是一種定性和定量相結(jié)合的分析方法，具有系統(tǒng)化的、層次化的特點(diǎn)［7］。但是，早期的層次分析法存在明顯的不足，標(biāo)度方法采用確定性的方法，不考慮評(píng)價(jià)人員評(píng)判的主觀性，往往導(dǎo)致判斷結(jié)果準(zhǔn)確性不足。模糊層次分析法（Fuzzy analytic hierarchy process，F(xiàn)AHP）結(jié)合層次分析法與模糊分析理論的優(yōu)點(diǎn)、充分考慮人員評(píng)判的模糊性，可最大限度減小人為因素影響［8-9］，已在電力系統(tǒng)相關(guān)分析中獲得了廣泛應(yīng)用［10-11］。

1）對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析并建立相應(yīng)的層次結(jié)構(gòu)模型。一般情況下，層次結(jié)構(gòu)可以劃分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層。

2）構(gòu)造判斷矩陣。將各影響因素進(jìn)行兩兩相互比較，形成判斷矩陣并確定矩陣各元素的權(quán)重值。FAHP使用三角模糊數(shù)對(duì)傳統(tǒng)的1～9標(biāo)度法進(jìn)行修正，表示為

式中：p和r分別為上限和下限；q為可能的最大值。修正后的標(biāo)度如表1所示。

表1 因素重要性比較模糊標(biāo)度

所形成的模糊判斷矩陣

3）一致性檢驗(yàn)。得到模糊判斷矩陣后，需要對(duì)所得結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，一致性指標(biāo)CI定義為

式中：n為模糊判斷矩陣的階數(shù)；λmax為矩陣的最大特征根。根據(jù)表2所示的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，按下式計(jì)算一致性比例CR為

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

當(dāng)n為1或2時(shí)，CR取值為0。當(dāng)矩陣階數(shù)為其他值時(shí)，若求得的CR＜0.1，則認(rèn)為模糊矩陣的一致性在可接受范圍內(nèi)；若求得的CR≥0.1，則需要對(duì)模糊判斷矩陣元素進(jìn)行修正，直到通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

4）進(jìn)行分析評(píng)估。首先確定下層元素對(duì)于上層準(zhǔn)則的相對(duì)權(quán)重，然后確定各層元素對(duì)系統(tǒng)目標(biāo)的權(quán)重，最后依照各元素權(quán)重值進(jìn)行評(píng)估。利用這些計(jì)算得到的權(quán)重及指標(biāo)值計(jì)算各方案的綜合評(píng)價(jià)值，按綜合評(píng)價(jià)值從大到小排序，綜合評(píng)價(jià)值最大的方案即為最優(yōu)方案。

2 配電變壓器屬性評(píng)估

2.1 建立層次模型

設(shè)備屬性優(yōu)先級(jí)評(píng)估模型的建立，必須合理選取配電變壓器改造優(yōu)先級(jí)的評(píng)價(jià)因素。根據(jù)大量統(tǒng)計(jì)分析，選取負(fù)載率變化、運(yùn)行年限、配變損耗、家族缺陷、檢修記錄、運(yùn)行環(huán)境作為評(píng)價(jià)因素。各評(píng)價(jià)因素的權(quán)重確定非常重要，反映了各指標(biāo)對(duì)配電變壓器狀態(tài)的影響程度，合理地確定各因素的權(quán)重，是保證結(jié)果合理性的關(guān)鍵。備屬性評(píng)估層次模型如圖1所示。

圖1 配變?cè)O(shè)備屬性評(píng)估模型

CRI.1質(zhì)量缺陷。質(zhì)量缺陷是指經(jīng)確認(rèn)具有設(shè)計(jì)、材質(zhì)、工藝等共性因素導(dǎo)致的設(shè)備缺陷。對(duì)于故障信息記錄中存在質(zhì)量缺陷的配電變壓器，改造的迫切性要更高。

CRI.2配變運(yùn)行損耗。高耗能配電變壓器會(huì)增加電網(wǎng)的運(yùn)行損耗，運(yùn)行年限越久的變壓器運(yùn)行損耗往往越大，因此配變運(yùn)行損耗是設(shè)備屬性的重要參考因素。

CRI.3配變運(yùn)行年限。配電變壓器的劣化程度與運(yùn)行年限直接相關(guān)，對(duì)于一臺(tái)變壓器，運(yùn)行年限越長(zhǎng)絕緣老化、損耗增加等問(wèn)題越嚴(yán)重。因此，配電變壓器運(yùn)行年限越長(zhǎng)，升級(jí)改造的迫切性就越大。

CRI.4配變負(fù)載率。負(fù)載率反映了變壓器工作的裕度與安全程度，負(fù)載率過(guò)高，在負(fù)荷波動(dòng)時(shí)容易產(chǎn)生過(guò)載，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致配變燒毀，影響電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。因此，存在重過(guò)載現(xiàn)象的變壓器應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行改造。

CRI.5檢修記錄。檢修記錄一定程度上反映著變壓器的故障情況，檢修記錄多的配變，其運(yùn)行過(guò)程中突發(fā)故障的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)更高。因此，應(yīng)將臺(tái)區(qū)配變檢修記錄作為一項(xiàng)考慮因素。

CRI.6運(yùn)行環(huán)境。惡劣的運(yùn)行環(huán)境不僅會(huì)影響配電變壓器的運(yùn)行狀況，同時(shí)還會(huì)加速變壓器老化程度，因此在制定改造計(jì)劃時(shí)應(yīng)將配電變壓器的運(yùn)行環(huán)境作為考慮因素。

為了保證在各準(zhǔn)則下對(duì)不同的配變進(jìn)行比較的準(zhǔn)確性，需要明確每一個(gè)準(zhǔn)則下相應(yīng)的子準(zhǔn)則。各個(gè)子準(zhǔn)則按相關(guān)專家打分為基礎(chǔ)、依據(jù)FAHP法確定相應(yīng)權(quán)重，即專家對(duì)同一準(zhǔn)則下的子準(zhǔn)則以0～10進(jìn)行打分，分?jǐn)?shù)越高代表同一準(zhǔn)則下，符合該子準(zhǔn)則的配電變壓器改造優(yōu)先級(jí)越高。最后綜合各專家意見(jiàn)，并歸一化后，即可獲得各子準(zhǔn)則的權(quán)重。

式中：Sij為綜合各專家意見(jiàn)后的第i個(gè)準(zhǔn)則下的第j個(gè)子準(zhǔn)則的得分值；Sijk為第k個(gè)專家對(duì)第i個(gè)準(zhǔn)則下的第j個(gè)子準(zhǔn)則的打分值；m為專家數(shù)量；εij為第i個(gè)準(zhǔn)則下的第j個(gè)子準(zhǔn)則的權(quán)重；ni為準(zhǔn)則i包含子準(zhǔn)則的數(shù)量。歸一化處理后各子準(zhǔn)則權(quán)重值如表3所示。

表3 各子準(zhǔn)則及權(quán)重值

2.2 矩陣構(gòu)造和評(píng)估

通過(guò)對(duì)上述6項(xiàng)準(zhǔn)則進(jìn)行兩兩比較，可以構(gòu)造出模糊判斷矩陣為

應(yīng)用對(duì)數(shù)最小二乘法，求得矩陣第i項(xiàng)準(zhǔn)則的模糊權(quán)重為

各準(zhǔn)則權(quán)重通過(guò)一致性檢驗(yàn)后，該配電變壓器的設(shè)備屬性優(yōu)先級(jí)評(píng)估結(jié)果為

式中：εij為第i臺(tái)配變?cè)跍?zhǔn)則j下的得分值；wcri.i為第i臺(tái)配變的設(shè)備屬性評(píng)估值；Aj為第j個(gè)準(zhǔn)則的權(quán)重。

3 應(yīng)用實(shí)例

利用所提出的方法對(duì)某農(nóng)村地區(qū)列入配電變壓器改造計(jì)劃的6個(gè)配變臺(tái)區(qū)進(jìn)行評(píng)估，6臺(tái)區(qū)變壓器的型號(hào)分別為S9-200/10、S9-200/10、S9-200/10、S9-250/10、S11-160/10、S9-200/10，分別用編號(hào)DT.1、DT.2、DT.3、DT.4、DT.5、DT.6表示。

所選6臺(tái)配變都是S9型，常規(guī)方式下，往往是由技術(shù)負(fù)責(zé)人主要根據(jù)運(yùn)行年限，結(jié)合維修記錄確定各配變的改造優(yōu)先級(jí)，所得結(jié)論主觀隨機(jī)性較強(qiáng)，且不能綜合各相關(guān)因素，甚至不同的人會(huì)做出不同的決策。

應(yīng)用本文所提出的方法，邀請(qǐng)10位專家根據(jù)各配變具體情況進(jìn)行打分，綜合10位專家對(duì)各變壓器的打分情況，即可得到評(píng)價(jià)所需的模糊判斷矩陣。然后對(duì)所得模糊判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，對(duì)求得的權(quán)重值去模糊化并歸一化處理，所得權(quán)重如表4所示。

表4 各評(píng)價(jià)準(zhǔn)則歸一化權(quán)重

表5 配變?cè)诟髟u(píng)價(jià)準(zhǔn)則下得分

根據(jù)10位專家對(duì)每臺(tái)變壓器的評(píng)價(jià)分值，進(jìn)行歸一化換算后得出待評(píng)估6臺(tái)變壓器在各準(zhǔn)則下的得分值如表5所示。

結(jié)合各準(zhǔn)則權(quán)重與分值，應(yīng)用式（10）即可求得各配變的設(shè)備屬性優(yōu)劣評(píng)估結(jié)果如表6所示。

表6 設(shè)備屬性評(píng)估結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)備屬性評(píng)估結(jié)果，各配變改造優(yōu)先級(jí)排序?yàn)椋篋T.4、DT.6、DT.5、DT.2、DT.3、DT.1。

4 結(jié)語(yǔ)

提出基于模糊層次分析法的配電變壓器改造優(yōu)先級(jí)評(píng)估方法，充分考慮了傳統(tǒng)層次分析中人的主觀判斷、選擇、偏好的模糊性質(zhì)，使決策更客觀及合理。通過(guò)選取質(zhì)量缺陷、運(yùn)行損耗等6個(gè)典型評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定模型各層間的權(quán)重，構(gòu)建模糊一致判斷矩陣，計(jì)算得到各待改造配變的綜合評(píng)價(jià)值。評(píng)價(jià)分值高的配電變壓器擁有更高的改造優(yōu)先級(jí)，可據(jù)此安排配變改造順序，為在運(yùn)配變升級(jí)改造決策提供理論指導(dǎo)。某農(nóng)村地區(qū)配變改造的實(shí)際應(yīng)用證明了本文方法的有效性。

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Priority Assessment Method for Distribution Transformer Replacement Based on Fuzzy Analytical Hierarchy Process

SHAO Zhimin1，ZHANG Linli1，LI Jianxiu1，F(xiàn)AN Di1，SHEN Xiaodi2
（1.State Grid Shandong Electric Power Research Institute，Jinan 250003，China；2.Shandong Zhongshi Yitong Group Co.，Ltd.，Jinan 250003，China）

Priority of distribution transformers replacement should be assessed and sequenced reasonably when ordinary distribution transformers replaced by economical types.A priority assessment method for distribution transformer replacement based on fuzzy analytical hierarchy process（FAHP）is proposed in this paper.The hierarchical structure model of priority assessment is established，the typical evaluation factors are selected and the weight of each layer is determined.Fuzzy consistent judgment matrix is constructed to calculating the comprehensive evaluation value and ranking them of each distribution transformer.The actual application shows that this method can provide more scientific decision-making references for assessing replacement priority.

fuzzy analytical hierarchy process（FAHP）；distribution transformer；priority assessment

TM773

A

1007－9904（2017）05－0010－04

2016-12-11

邵志敏（1984），男，工程師，從事配電自動(dòng)化相關(guān)工作。