李姜超，成 斌，李西洋

(石河子大學(xué)機械電氣工程學(xué)院，新疆石河子832000)

隨著低碳經(jīng)濟的興起，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)在我國乃至全球快速發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴大，風(fēng)力機葉片覆冰問題也愈發(fā)突出，導(dǎo)致風(fēng)電事故頻發(fā)，直接影響風(fēng)力機組運行安全和風(fēng)電產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟效益。本文借鑒其他領(lǐng)域風(fēng)險評估分析方法，分析風(fēng)力機系統(tǒng)中葉片覆冰風(fēng)險因素，提出風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險模糊三維矩陣評估模型，為風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險評估提供一種新思路，也為風(fēng)電企業(yè)制定合理有效的管控措施給予一定的理論支持。

1 風(fēng)險矩陣?yán)碚?/h2>

在風(fēng)電企業(yè)中，事故的發(fā)生不僅會給企業(yè)造成損失，也會對風(fēng)電場周邊生態(tài)環(huán)境以及人員生命財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重影響。因此，針對風(fēng)力機系統(tǒng)進行風(fēng)險因素分析與評估對于風(fēng)電事故的預(yù)防與管控策略的制定有著重要意義。實際研究與工作中有較多風(fēng)險評估方法，學(xué)者通常采用的是實際工程中常見的風(fēng)險矩陣評估方法[1，2]。風(fēng)險評估矩陣法是一種通過矩陣定量分析進行風(fēng)險研究的綜合評估方法。它是由可能性(P)和嚴(yán)重性(S)作為評估的兩個維度所構(gòu)建的一種風(fēng)險評估矩陣，并對其賦予相應(yīng)的加權(quán)值來計算系統(tǒng)風(fēng)險值大小Z[2]。現(xiàn)有的二維風(fēng)險矩陣通過風(fēng)險可能性和嚴(yán)重性分別來表征風(fēng)險的不確定性和危害性，并未對風(fēng)險的可控性做出反映，一定程度上影響了實際應(yīng)用過程中風(fēng)險矩陣評估的全面性和真實性[1]。因此本文將對二維風(fēng)險矩陣進行改進，嘗試一種全新方法對風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險進行全面分析與評估。

2 改進的三維風(fēng)險矩陣模型

2.1 三維風(fēng)險矩陣設(shè)計

三維風(fēng)險矩陣是在傳統(tǒng)風(fēng)險矩陣原有兩種維度的基礎(chǔ)上，引入可預(yù)測性維度所構(gòu)建的評估模型[3，4]?？深A(yù)測性是指維護人員在一定時間內(nèi)采取控制措施來解決風(fēng)險的能力和水平。本文增加可預(yù)測性維度(V)，從可能性、嚴(yán)重性、可預(yù)測性3個維度對風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險進行評估。風(fēng)險值即Z=f(P，S，V)。

2.2 風(fēng)險因素等級

本文將以我國法律法規(guī)和風(fēng)電行業(yè)行為規(guī)范作為參考依據(jù)，確定風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險可能性、嚴(yán)重性和可預(yù)測性的分級標(biāo)準(zhǔn)[1，5]。具體分級標(biāo)準(zhǔn)見表1～3。

表1 風(fēng)險可能性(P)分級

表2 風(fēng)險嚴(yán)重性(S)分級

表3 風(fēng)險可預(yù)測性(V)分級

2.3 風(fēng)險因素權(quán)重

為合理構(gòu)建三維風(fēng)險矩陣，采用9級標(biāo)度法確定可能性、嚴(yán)重性及可預(yù)測性權(quán)重。表4為9級標(biāo)度值。

表4 9級標(biāo)度值

對于判斷矩陣，風(fēng)險因素i與風(fēng)險因素j的重要性之比為aij(aij>0)，aii=1且aij=1/aji(i，j=1，2，3)。根據(jù)表4提供的九級標(biāo)度值進行計算，經(jīng)檢驗后得出風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險可能性、嚴(yán)重性和可預(yù)測性權(quán)重向量依次為w(p，s，v)= (0.323，0.533，0.144)。

3 新疆風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險評估

3.1 G1法和模糊綜合評判法原理

由于新疆風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險評估體系中因素較多，且具有一定的模糊性，全面對風(fēng)險影響因素進行量化分析較為困難。因此，通過G1方法分別賦予風(fēng)險準(zhǔn)則層與指標(biāo)層兩級評估指標(biāo)相應(yīng)權(quán)重，然后采用模糊關(guān)系合成原理對新疆風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險進行多層次模糊評估[7- 10]。

3.2 G1法權(quán)重計算

郭亞軍教授改進特征值法，提出了一種全新的權(quán)重計算方法——G1法，有效地解決了AHP方法中難以滿足一致性的問題。G1法權(quán)重計算步驟如下：

(1)確定序關(guān)系。對于給定的評估標(biāo)準(zhǔn)，若指標(biāo)ai的重要性大于aj則將其記為：ai>aj。專家從評估指標(biāo)集{a1，a2， …，am}中依次選擇一個最重要的指標(biāo)，按照次序標(biāo)記為x1，x2，…，xm。經(jīng)過m-1次選擇，按“>”確定唯一序關(guān)系，記為x1>x2>…>xm。

表5 rk賦值參考

(3)計算權(quán)重系數(shù)。權(quán)重系數(shù)公式為

(1)

wk-1=rkwk

(2)

3.3 模糊綜合評估

模糊綜合評估法是一種運用模糊數(shù)學(xué)隸屬度理論對研究對象進行綜合分析評估的方法[9，10]。特別適用于像風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險評估這樣風(fēng)險因素較多、難以量化且具有非確定性的問題。模糊評估模型及過程如下：

(1)結(jié)合實際工作情況，確定評估因素集為U={U1，U2，U3}，Ui={Ui1，Ui2，…，Uin}，如表6所示。

(2)根據(jù)新疆風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險發(fā)生的實際情況并結(jié)合風(fēng)險因素分級標(biāo)準(zhǔn)，確定評語等級由低到高依次為：小、較小、一般、較大、大。確定新疆風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險評語集：可能性評語集為V1={V11，V12，V13，V14，V15}；嚴(yán)重性評語集為V2={V21，V22，V23，V24，V25}；可預(yù)測性評語集為V3={V31，V32，V33，V34，V35}。表7為該評語集臨界值。

(3)根據(jù)模糊數(shù)學(xué)中的隸屬度相關(guān)理論，選取N個專家根據(jù)前一步驟中所建立的評語集V對所有評價指標(biāo)進行分類，然后對隸屬于每個評估等級的各項評估指標(biāo)Uij的頻數(shù)進行詳盡統(tǒng)計，并記為nijl[8- 11]。指標(biāo)頻數(shù)nijl與專家數(shù)量N之間的比值記為rijl，即為該項指標(biāo)相對于評估等級的隸屬度，計算公式為

rijl=nijlN-1

(3)

(4)根據(jù)隸屬度，確定模糊評估矩陣為

(4)

基于已獲得的權(quán)重矩陣wi和評級矩陣Ri，得到模糊評估矩陣B為

(5)

(5)分別對指標(biāo)Uij與指標(biāo)Ui進行模糊評估，構(gòu)造模糊評估矩陣C為

C=wR=[c1c2…cm]

(6)

值得注意的是，完成模糊綜合評估矩陣的構(gòu)建后，應(yīng)參照評語集選擇合適的比較參數(shù)。根據(jù)表7中數(shù)據(jù)，選取其中值1，3，5，7，9作為等級加權(quán)向量DT，能夠更加直觀清楚表示新疆風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險E=DT。依據(jù)E值可判別新疆風(fēng)力機葉片覆冰可能性、嚴(yán)重性、可預(yù)測性三者等級。

表6 評估指標(biāo)體系

表7 評語集臨界值

4 三維風(fēng)險矩陣構(gòu)建

依據(jù)表1、2、3中等級分類情況，并參考二維風(fēng)險矩陣風(fēng)險值計算方法[12- 14]，計算三維風(fēng)險值矩陣

(7)

式中，wp表示可能性權(quán)重值；ws表示嚴(yán)重性權(quán)重值；wv表示可預(yù)測性權(quán)重值；pi、sj、vk分別代表三者各自相對應(yīng)等級賦值。

借鑒傳統(tǒng)風(fēng)險矩陣建立方法，并依據(jù)本課題研究情況，將新疆風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險等級按照風(fēng)險值劃分為3個等級，如表8所示。

表8 風(fēng)險等級表

在三維坐標(biāo)系中，分別以可能性、嚴(yán)重性、可預(yù)測性作為坐標(biāo)的三個維度，構(gòu)建三維風(fēng)險矩陣色譜圖。其中，黑色部分表征高風(fēng)險狀況，灰色部分表征中等風(fēng)險狀況，白色部分表征低風(fēng)險狀況。

5 三維風(fēng)險矩陣示例

選取新疆地區(qū)某風(fēng)電場運行風(fēng)電機組進行研究，評估該風(fēng)電場機組風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險的可能性、嚴(yán)重性和可預(yù)測性?；谀：S風(fēng)險矩陣方法對風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險進行模糊綜合評估。

表9 因素指標(biāo)權(quán)重及評估結(jié)果

5.1 指標(biāo)權(quán)重確定

采用G1法首先對準(zhǔn)則層指標(biāo)進行重要性排序，確定序關(guān)系為U2>U3>U1>U4，記為x1>x2>x3>x4。參照表5確定重要度比值為r2=1.2，r3=1.4，r4=1.2。依據(jù)式(1)和(2)依次計算出準(zhǔn)則層指標(biāo)權(quán)重W=(0.285 0，0.203 5，0.341 9，0.169 6)。同樣，依據(jù)此方法計算準(zhǔn)則層U1、U2、U3、U4中各項二級指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)果見表9。

5.2 多層次模糊綜合評判

根據(jù)表7中的標(biāo)準(zhǔn)，評估該風(fēng)電場風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險可能性，計算各項指標(biāo)隸屬度，結(jié)果統(tǒng)計整理如表9所示。根據(jù)表9中的計算結(jié)果，構(gòu)建模糊矩陣Ri。以管理因素U1為例，其評估矩陣為

根據(jù)式(5)對管理因素進行評估，計算得B1=(0.178 2，0.163 6，0.174 5，0.203 7，0.280 0)

同理可得，U2、U3、U4評估向量為：B2=(0.133 7， 0.203 1， 0.202 8，0.203 1，0.257 3)；B3=(0.111 9， 0.169 1， 0.186 3， 0.270 9， 0.261 8)；B4=(0.080 0， 0.168 6， 0.250 7， 0.261 6， 0.239 1)。

由此可得準(zhǔn)則層評估指標(biāo)矩陣R為

依據(jù)式(6)進行評估，確定風(fēng)險可能性等級：Cp=WR=(0.129 8，0.174 4，0.197 2，0.236 4，0.262 2)，Ep=CDT=5.653 6。

可知該風(fēng)電場風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險可能性評估值為5.653 6，處于評估值4～6之間，即風(fēng)險可能性為一般水平。同樣，根據(jù)此方法可以得到風(fēng)險嚴(yán)重性、可預(yù)測性評估值分別為5.717 4和5.606 6。

5.3 三維風(fēng)險矩陣建立

結(jié)合表1、2、3的三維風(fēng)險因素，按式(7)計算風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險值Z。根據(jù)上述計算得出的125組葉片風(fēng)險組合可以獲得三維風(fēng)險矩陣色譜圖，如圖1所示。色譜圖中的每個小方塊代表風(fēng)險可能性、嚴(yán)重性和可預(yù)測性的一種組合，能夠清楚直觀的表示評估對象所對應(yīng)的風(fēng)險狀況。

圖1 三維風(fēng)險矩陣色譜

6 結(jié) 論

(1)在傳統(tǒng)二維風(fēng)險矩陣基礎(chǔ)上，將可預(yù)測性維度引入到新疆風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險評估體系中，基于矩陣的三個維度對葉片覆冰風(fēng)險進行研究，構(gòu)建一種全新的三維風(fēng)險矩陣評估模型，為風(fēng)險研究提供了一種更為全面、準(zhǔn)確的評估方法。

(2)鑒于AHP法難以滿足一致性的問題，采用G1法依據(jù)模糊數(shù)學(xué)的方法對量化較為困難的指標(biāo)進行模糊賦權(quán)，有效解決了指標(biāo)難以量化的問題。

(3)通過對新疆某風(fēng)電場風(fēng)力機覆冰葉片風(fēng)險研究，說明該模糊三維風(fēng)險矩陣評估模型具備良好的應(yīng)用價值。為風(fēng)力機葉片覆冰風(fēng)險管控提供理論依據(jù)，提高企業(yè)監(jiān)管的針對性，能有效降低重特大風(fēng)電事故發(fā)生概率，確保風(fēng)力機安全平穩(wěn)運行。