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        基于改進(jìn)灰色聚類的配電網(wǎng)應(yīng)急可靠性綜合評估方法*

        2017-12-18 07:58:40王華昕徐晨鄒龍趙永熹范宏陸如
        電測與儀表 2017年18期
        關(guān)鍵詞:權(quán)函數(shù)白化電力公司

        王華昕,徐晨,鄒龍,趙永熹,范宏,陸如

        (上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院,上海200090)

        0 引 言

        配電網(wǎng)應(yīng)急可靠性是指配電網(wǎng)在電力用戶出現(xiàn)故障后最大限度恢復(fù)其供電能力的度量,是衡量配電網(wǎng)供電可靠性的重要指標(biāo)之一。隨著災(zāi)害的頻繁發(fā)生以及人民生活水平的日益提高,人們對于配電網(wǎng)應(yīng)急可靠性的要求也越來越高。但在實(shí)際中,由于缺乏完備、科學(xué)的應(yīng)急可靠性衡量標(biāo)準(zhǔn),難以了解配電網(wǎng)的應(yīng)急可靠性水平,無法根據(jù)實(shí)際情況對應(yīng)急業(yè)務(wù)進(jìn)行整改,造成各區(qū)域配電網(wǎng)的應(yīng)急可靠性往往參差不齊,資源配置缺乏科學(xué)規(guī)劃,人力資源缺乏合理統(tǒng)籌,最終導(dǎo)致配電網(wǎng)供電可靠性水平降低。因此,對現(xiàn)有應(yīng)急可靠性進(jìn)行科學(xué)評估,然后提出合理性建議,進(jìn)而提升配電網(wǎng)應(yīng)急可靠性,對提升配電網(wǎng)供電可靠性有著很大的實(shí)際意義。

        國內(nèi)外學(xué)者尚未涉足配電網(wǎng)應(yīng)急可靠性評估領(lǐng)域,因此需要借鑒國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)的理論框架和知識體系來填補(bǔ)這一空白。國外對于應(yīng)急可靠性評估的研究較早,涉及行業(yè)主要包括石油和交通等行業(yè),文獻(xiàn)[1]采用D-S證據(jù)理論方法,綜合考慮多源不確定信息,建立置信評價(jià)框架,對兵器的應(yīng)急可靠性進(jìn)行智能化評估;文獻(xiàn)[2]基于多智能博弈論理論,構(gòu)建層次化、動態(tài)化的評估體系,從輸電系統(tǒng)利益最大化的角度評估搶修能力;文獻(xiàn)[3]建立多因素、多指標(biāo)的模糊評估集合,降低主觀性和模糊性因素,對輸油管道事故應(yīng)急決策進(jìn)行研究。國內(nèi)對于應(yīng)急可靠性評估的研究主要集中在軍工、電力等行業(yè),文獻(xiàn)[4]采用主成分分析方法對發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行定性分析,結(jié)合信息熵理論對火電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行綜合評估;文獻(xiàn)[5]充分考慮信息的灰色性和負(fù)荷分布,采用GIS和灰色聚類方法對變電站的選址進(jìn)行動態(tài)評估;文獻(xiàn)[6]通過建立多層次的評估指標(biāo)體系和白化權(quán)函數(shù)組,綜合評估智能變電站的技術(shù)先進(jìn)性。以上方法均結(jié)合相關(guān)行業(yè)特點(diǎn)進(jìn)行評估,采用最能體現(xiàn)本行業(yè)特性的方法。因此,針對配電網(wǎng)應(yīng)急業(yè)務(wù)信息少、時(shí)限低、影響因素多和經(jīng)濟(jì)效益強(qiáng)的特點(diǎn),需要采用新的方法對應(yīng)急可靠性進(jìn)行科學(xué)評估。

        文章以配電網(wǎng)應(yīng)急可靠性評估為總目標(biāo),依據(jù)國家電網(wǎng)公司制定的配電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃,計(jì)及配電網(wǎng)內(nèi)外部環(huán)境,構(gòu)建基于多層級的“目標(biāo)層—指標(biāo)層”復(fù)合評估體系。在此基礎(chǔ)上,提出一種基于改進(jìn)白化權(quán)函數(shù)的灰色聚類評估方法,并采用信息熵理論確定指標(biāo)權(quán)重,對配電網(wǎng)的應(yīng)急可靠性水平進(jìn)行定性判斷和定量評價(jià),并通過算例進(jìn)行可靠性分析檢驗(yàn),最終形成了配電網(wǎng)應(yīng)急可靠性評估綜合技術(shù)方案,為科學(xué)評估配電網(wǎng)應(yīng)急可靠性水平制定了一整套完備的參考依據(jù)。

        1 設(shè)計(jì)方案

        配電網(wǎng)應(yīng)急系統(tǒng)是一個(gè)十分復(fù)雜的故障響應(yīng)系統(tǒng),整個(gè)過程受到資源、人員和環(huán)境等條件的影響。根據(jù)電力應(yīng)急業(yè)務(wù)的內(nèi)容和特點(diǎn),可以從以下2個(gè)準(zhǔn)則來評判電力公司的應(yīng)急能力:應(yīng)急人員到達(dá)故障點(diǎn)的強(qiáng)迫時(shí)間;修繕質(zhì)量滿足電力用戶的需求程度。

        根據(jù)上述分析,結(jié)合專家意見可將影響配電網(wǎng)應(yīng)急可靠性的基本要素歸納為以下4個(gè)方面:組織指揮、資源準(zhǔn)備、外界條件、內(nèi)部環(huán)境。圍繞這4方面要素,本文以配電網(wǎng)應(yīng)急可靠性為總目標(biāo),歸納整理配電網(wǎng)應(yīng)急技術(shù)特點(diǎn),采用層次分析法建立三級量化指標(biāo)層,將復(fù)雜的系統(tǒng)分解成為數(shù)學(xué)化的多層次單目標(biāo)結(jié)構(gòu)。評估指標(biāo)體系框架如表1所示。

        表1 配電網(wǎng)應(yīng)急可靠性評估指標(biāo)體系Tab.1 Index system of distribution network emergency reliability evaluation

        2 改進(jìn)灰色聚類評估模型

        2.1 改進(jìn)白化權(quán)函數(shù)

        灰色聚類評估法來源于我國鄧聚龍教授提出的“灰箱”概念[7]。該方法廣泛運(yùn)用于評估、預(yù)測和控制等領(lǐng)域。灰色聚類方法常以包含不確定信息的模糊系統(tǒng)作為研究對象,采用多層次、輕量化的方法根據(jù)已知信息求取未知信息。

        采用灰色聚類評估法進(jìn)行評估時(shí),白化權(quán)函數(shù)的構(gòu)建是其核心內(nèi)容,采用最多的是中點(diǎn)型三角白化權(quán)函數(shù)[8]。以白化數(shù)λk為中心點(diǎn)來確定表達(dá)式fkj(x),如圖1所示。其中,橫坐標(biāo)為白化數(shù)Θ,縱坐標(biāo)為Θ對灰數(shù)的隸屬度f。

        圖1 中心型白化權(quán)函數(shù)示意圖Fig.1 Schematic diagram of central pure triangular whitening weight function

        中心型函數(shù)對兩個(gè)以上灰類交叉和聚類系數(shù)之和不等于1的情況進(jìn)行了改進(jìn),且解決了多重交叉的問題,所以常運(yùn)用于灰色聚類評估方法,但是仍然不能完全保證白化權(quán)函數(shù)對于同一指標(biāo)各灰色聚類之和等于1,在定量評價(jià)上仍存在不足。根據(jù)圖1可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)樣本值大于白化數(shù)λk時(shí),隨著x的增大,f逐漸減小,與要求相悖,造成指標(biāo)值與評估值出現(xiàn)負(fù)相關(guān),降低評估結(jié)果準(zhǔn)確度。所以,為解決此問題,需要對白化權(quán)函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。

        設(shè)4種灰類分別表示為{下灰類,中灰類下,中灰類上,上灰類},其對應(yīng)默認(rèn)白化數(shù)分別為λ1、λ2、λ3、λ4,且樣本值的取值范圍為,改進(jìn)白化權(quán)函數(shù)應(yīng)該滿足以下約束條件:

        (2)改進(jìn)白化權(quán)函數(shù)一方面要保證定性分析要求,另一方面滿足定量評價(jià)的要求。

        根據(jù)上述原則,改進(jìn)白化權(quán)函數(shù)可采用分段函數(shù),如圖2所示。

        圖2 改進(jìn)分段型白化權(quán)函數(shù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of reformative piecewise whitening weight function

        圖3 改進(jìn)上灰類白化權(quán)函數(shù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of reformative whitening weight function for higher grey class

        由圖3可以看出,區(qū)間[λ3,λ4]保證了函數(shù)能夠快速上升,在默認(rèn)白化數(shù)下能夠達(dá)到滿足要求的數(shù)值,從而保障了定性分析的要求。區(qū)間[λ4、1]中函數(shù)仍然緩慢增加,從而保障了在定性分析的情況下提升定量評估能力的要求。其中,r表示默認(rèn)白化數(shù)飽和度,為滿足定性分析和定量計(jì)算的要求,r一般取為[0.5,1]。

        改進(jìn)白化權(quán)函數(shù)以中心型三角白化權(quán)函數(shù)為出發(fā)點(diǎn),保留了其能夠進(jìn)行定性分析的優(yōu)點(diǎn),并且引入默認(rèn)白化數(shù)飽和度來提升定量評價(jià)的能力。

        2.2 去量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理

        采用Delphi法收集待評價(jià)電力公司集的個(gè)底層指標(biāo)原始數(shù)據(jù)集S[9],由于各指標(biāo)的單位及量綱的不同,所以存在不可公度性。指標(biāo)分為正、負(fù)、中三種屬性指標(biāo),分別要求數(shù)值越大越好、數(shù)值越小越好和數(shù)值適中最好。所以,必須對這些指標(biāo)進(jìn)行去量綱化處理[10]。處理正、負(fù)相關(guān)屬性指標(biāo)可如式(1)所示,處理中相關(guān)屬性指標(biāo)可如式(2)所示:

        式中sij和xij分別表示第i個(gè)配電網(wǎng)的第j個(gè)指標(biāo)的實(shí)測值和去量綱值;Q,q分別為同類系統(tǒng)實(shí)測值sij的理想上限和下限。

        通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行去量綱處理,可以得到去量綱化矩陣X,其矩陣形式如式(3)所示:

        式中xij表示第i個(gè)電力公司的第j個(gè)指標(biāo)的去量綱指標(biāo)值。

        2.3 基于信息熵理論的指標(biāo)權(quán)重

        熵的概念來源于熱力學(xué),是用來表示分子狀態(tài)混亂程度的物理量。1948年,香農(nóng)為了解決對信息的量化度量的問題,提出了“信息熵”的概念,用來描述信源的不確定度。根據(jù)信息熵理論,利用模糊數(shù)學(xué)的知識衡量各指標(biāo)傳輸?shù)男畔⒘康拇笮?,以此確定指標(biāo)權(quán)重,反映各指標(biāo)在評估體系中的貢獻(xiàn)度[11]。

        采用歸一化方法對原始數(shù)據(jù)樣本集S進(jìn)行預(yù)處理,在信息熵中的元素取值為0~1,通過式(4)得到原始數(shù)據(jù)歸一化矩陣為 η=[η1,η2,…,ηm]T,其中,ηj為第j個(gè)指標(biāo)的歸一化指標(biāo)值向量:

        式中 sij和ηij分別表示第i個(gè)配電網(wǎng)的第j個(gè)指標(biāo)的實(shí)測值和歸一化指標(biāo)值。

        對于系統(tǒng)中的某個(gè)指標(biāo)j,其信息熵為:

        第j個(gè)指標(biāo)的熵權(quán)為:

        2.4 基于改進(jìn)灰色聚類方法的應(yīng)急可靠性評估流程

        采用灰色聚類法對配電網(wǎng)應(yīng)急可靠性進(jìn)行評估時(shí),為了保證數(shù)據(jù)的有效性和算法的可靠性,需要按照嚴(yán)格的流程進(jìn)行。具體如圖4所示。

        圖4 應(yīng)急可靠性評估流程Fig.4 Process of emergency reliability evaluation

        3 算例分析

        由飽和度矩陣和熵權(quán)矩陣可以得到待評價(jià)電力公司在灰類k下的評估值矩陣σ:

        式中?表示Fk與η的模糊化運(yùn)算。

        聚類評估值矩陣σ中的行元素表示待評價(jià)電力公司i在各個(gè)灰類上的評估值:

        3.1 可靠性對比分析

        算例以某特大型城市下屬的6家區(qū)域供電公司為研究對象,其中1、2、3主要負(fù)責(zé)市區(qū)等負(fù)荷集中地區(qū),面積較小,應(yīng)急駐點(diǎn)數(shù)量多,人口密度大,路況良好,道路擁擠;4、5、6主要負(fù)責(zé)市區(qū)周邊的負(fù)荷分散的地區(qū),面積較大,應(yīng)急駐點(diǎn)數(shù)量較少,人口密度小,路況較差,道路暢通。根據(jù)專家意見,定性判斷出這些電力公司的實(shí)際應(yīng)急可靠性參差不齊,具有典型的代表意義。參考《國家電網(wǎng)“十三五”規(guī)劃指導(dǎo)思想和總體目標(biāo)》,結(jié)合配電網(wǎng)應(yīng)急可靠性評估指標(biāo)系統(tǒng)和PMS、TCM系統(tǒng)的數(shù)據(jù),調(diào)研、匯總得到6個(gè)待評電力公司配網(wǎng)應(yīng)急可靠性水平相關(guān)的歷史數(shù)據(jù),如表2所示,然后根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)采用Delphi法確定各指標(biāo)的值,如表3所示。

        表2 待評估電力公司歷史數(shù)據(jù)Tab.2 Historical data of the given electric power companies

        表3 待評估電力公司指標(biāo)值Tab.3 Index data of the given electric power companies

        根據(jù)上述的評估理論分析方法,采用基于改進(jìn)灰色聚類法的評估模型對6家電力公司的應(yīng)急可靠性進(jìn)行綜合評估,得到結(jié)果如表4所示。

        表4 改進(jìn)灰色聚類評估結(jié)果Tab.4 Reformative grey clustering evaluation result

        由表4所示,電力公司1、2為優(yōu)等電力公司,電力公司6為良等電力公司,電力公司4、5為中等電力公司,電力公司3為劣等電力公司。以電力公司1和6為研究對象,結(jié)合表3可以看出,電力公司6應(yīng)該在人員的數(shù)量、技術(shù)和素質(zhì)方面加強(qiáng)建設(shè)力度,雖然在溫度和道路方面6好于1,但這是由于外界的不可抗力影響因此,僅僅作為應(yīng)急可靠性評估的指標(biāo)之一,提出建議時(shí)不作考慮。此評估方法已運(yùn)用到該特大型城市的實(shí)際應(yīng)急業(yè)務(wù)中,結(jié)合大數(shù)據(jù)和可視化軟件做出地理信息圖如圖5所示,其中顏色越深表示該電力公司應(yīng)急可靠性越高。

        圖5 地理示意圖Fig.5 Geographical sketch map

        為了檢驗(yàn)改進(jìn)法的可靠性和準(zhǔn)確度,同樣也采用常規(guī)灰色聚類法對電力公司的應(yīng)急可靠性進(jìn)行評估,得到結(jié)果如表5所示。

        對比表4和表5,可以看出改進(jìn)法與常規(guī)法得出的結(jié)果相同,但常規(guī)法中電力公司3各灰色聚類之和僅為0.98,而改進(jìn)法中各電力公司灰色聚類之和等于1,因此改進(jìn)法解決了常規(guī)法無法完全保證白化權(quán)函數(shù)對于同一指標(biāo)各灰類聚類之和等于1的缺點(diǎn),增強(qiáng)了定量評價(jià)能力。

        表5 常規(guī)灰色聚類評估結(jié)果Tab.5 Conventional grey clustering evaluation result

        為了驗(yàn)證改進(jìn)法的可靠性,使用雷達(dá)圖法對上述結(jié)果進(jìn)行可靠性分析,以電力公司1、2、3為例,分別根據(jù)表4和表5做出雷達(dá)圖[12],如圖6和圖7所示。

        圖6 改進(jìn)雷達(dá)圖Fig.6 Radar chart of reformative result

        圖7 常規(guī)法雷達(dá)圖Fig.7 Radar chart of conventional result

        由圖6和圖7可以看出,采用改進(jìn)法的電力公司1的灰色評估值分別為0.686 4,0.282 2,0.022 4和0.009,常規(guī)法中的電力公司1的灰色評估值為0.477 2,0.215 5,0.179 1和 0.128 2,改進(jìn)法中的下灰類評估值和其他灰類評估值的差值明顯大于常規(guī)法,其他電力公司亦然。由此可見,改進(jìn)法的各灰類評估值的差值較于常規(guī)法更加顯著,能夠更加突出顯示電力公司的應(yīng)急可靠性所屬灰類,增強(qiáng)電力公司應(yīng)急可靠性的區(qū)分能力。因此,改進(jìn)灰色聚類分析法不僅保留了常規(guī)灰色聚類分析法能夠定性評價(jià)的特點(diǎn),而且也增強(qiáng)了灰度的區(qū)分能力,能夠根據(jù)配電網(wǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行準(zhǔn)確評估,具有很好實(shí)用價(jià)值。

        3.2 默認(rèn)白化數(shù)飽和度影響分析

        白化權(quán)函數(shù)是灰色聚類分析法中的核心內(nèi)容,其構(gòu)造合理性直接影響結(jié)果的正確性。因此,需要對默認(rèn)白化數(shù)飽和度r進(jìn)行統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算,找出r的最優(yōu)選值區(qū)間。以6家電力公司為研究對象,使用統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件SPSS對r改變時(shí)6家電力公司的評估值平均值和標(biāo)準(zhǔn)差值[13],并作出對應(yīng)的趨勢圖,如圖 8所示。

        圖8 平均值、標(biāo)準(zhǔn)差趨勢圖Fig.8 Trend graph of average and standard deviation

        如圖8所示,平均值全部位于0.5附近,變化量很小,表明數(shù)據(jù)具有較高的繼承性,在去量綱計(jì)算和歸一化計(jì)算過程中保留了原始數(shù)據(jù)的真實(shí)性,滿足數(shù)據(jù)處理的完整性要求。而且,隨著r的逐漸增加,標(biāo)準(zhǔn)差先減小后增加,量化性能也是先降低后升高,并且考慮到r增加時(shí)會影響定性評估的可靠性,因此r應(yīng)取得適中值。綜上所述,默認(rèn)白化數(shù)飽和度r是改進(jìn)灰色聚類分析法的一個(gè)衡量指標(biāo),隨著r的升高,評估準(zhǔn)確度會先升高后降低。因此,當(dāng)評估結(jié)果具備足夠的可靠性時(shí),可以選取適中值,從而使得評估結(jié)果能夠在可靠的定性評估基礎(chǔ)上進(jìn)行更好的定量評估。

        4 結(jié)束語

        (1)以配電網(wǎng)應(yīng)急可靠性為總目標(biāo),采用層次分析法構(gòu)建了應(yīng)急可靠性三級評估體系,充分體現(xiàn)了配電網(wǎng)應(yīng)急業(yè)務(wù)的特點(diǎn),為后續(xù)的評估工作奠定了基礎(chǔ);

        (2)針對配電網(wǎng)應(yīng)急業(yè)務(wù)特點(diǎn),提出了一種基于改進(jìn)白化權(quán)函數(shù)的綜合評估方法,對配電網(wǎng)的應(yīng)急可靠性進(jìn)行充分定性分析和定量評價(jià),解決了常規(guī)方法中無法保證各灰類聚類之和等于1的問題;

        (3)通過算例驗(yàn)證了改進(jìn)法的有效性,結(jié)合實(shí)際提出了相應(yīng)的整改意見,并通過可靠性分析確定了默認(rèn)白化數(shù)飽和度r的取值范圍:當(dāng)滿足可靠性要求時(shí),r應(yīng)盡量選擇適中值,以此達(dá)到最優(yōu)的評估效能。

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