朱文生，黃揚(yáng)東，盧尉，周樹(shù)彬

（1.汕尾市氣象局，廣東汕尾 516600；2.揭陽(yáng)市氣象局，廣東揭陽(yáng) 522000；3.普寧市氣象局，廣東普寧 515300）

風(fēng)能是一種清潔能源，同時(shí)具有可再生屬性，風(fēng)力發(fā)電已在全球范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用［1－2］。相比陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電輸出功率更穩(wěn)定，應(yīng)用前景更廣，截止至2022年，我國(guó)海上風(fēng)電裝機(jī)總量32 500 MW。海上風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，很容易遭受雷擊損害［3］，雷電災(zāi)害也是聯(lián)合國(guó)公認(rèn)的10大最嚴(yán)重自然災(zāi)害之一，給海上風(fēng)電的正常運(yùn)行造成了巨大威脅［4］。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估能夠?qū)纂姙?zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行估算，風(fēng)電運(yùn)維部門根據(jù)評(píng)估結(jié)果及時(shí)采取相應(yīng)措施，可有效降低雷電災(zāi)害對(duì)海上風(fēng)電發(fā)電的影響。

針對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，許多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。夏一楠等［5］以風(fēng)電場(chǎng)雷擊災(zāi)害數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用Java平臺(tái)開(kāi)發(fā)一個(gè)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)災(zāi)害評(píng)估系統(tǒng)，采用該系統(tǒng)對(duì)大唐平陰風(fēng)電項(xiàng)目的雷電災(zāi)害進(jìn)行了評(píng)估，評(píng)估結(jié)果為該風(fēng)電場(chǎng)防雷工作提供了重要依據(jù)；林英鑒等［6］提出了一種基于層次分析法的 雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，建立了風(fēng)力發(fā)電機(jī)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估系統(tǒng)，并以3臺(tái)實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)電機(jī)為評(píng)估對(duì)象，對(duì)其雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估。傳統(tǒng)雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法對(duì)于相對(duì)模糊的影響因素?zé)o法定量評(píng)估，導(dǎo)致上述方法難以應(yīng)用于實(shí)際場(chǎng)景?；诖?，本研究提出了一種基于模糊層次分析法（FAHP）的海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，以期對(duì)提高海上風(fēng)電運(yùn)行的安全性和可靠性。

1 模糊層次分析法

模糊層次分析法（fuzzy analytic hierarchy process，F(xiàn)AHP）是基于模糊綜合評(píng)價(jià)法（fuzzy comprehensive evaluation，F(xiàn)CE）和層次分析法（analytic hierarchy process，AHP）提出的一種綜合評(píng)價(jià)方法［7］，其評(píng)價(jià)流程如圖1所示。

圖1 FAHP法的評(píng)價(jià)流程示意圖

1.1 層次分析法

AHP法是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)理論提出的一種分析方法［8］，主要依據(jù)人的主觀判斷實(shí)現(xiàn)對(duì)客觀事物的評(píng)價(jià)，從而解決非定量事件的評(píng)價(jià)問(wèn)題。其原理是對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行層次梳理，根據(jù)分析指標(biāo)的隸屬關(guān)系，搭建層次分析結(jié)構(gòu)。常用的層次分析機(jī)構(gòu)主要有3層，具體如圖2所示。第1層是目標(biāo)層，即分析對(duì)象；第2層是準(zhǔn)則層，是指實(shí)現(xiàn)客觀分析的中間環(huán)節(jié)；第3層是指標(biāo)層，是指各評(píng)價(jià)指標(biāo)。專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)按照標(biāo)度對(duì)各指標(biāo)的重要性進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果進(jìn)行排序和決策。

圖2 層次分析結(jié)構(gòu)

1.2 模糊綜合評(píng)價(jià)法

FCE法是基于模糊數(shù)學(xué)提出的一種評(píng)價(jià)方法［9］，也是目前常用的一種評(píng)價(jià)量化事物的數(shù)學(xué)工具。FCE法通過(guò)隸屬度函數(shù)完成定性評(píng)價(jià)到定量評(píng)價(jià)的轉(zhuǎn)變，增強(qiáng)了評(píng)估結(jié)果的準(zhǔn)確性，目前FCE法被廣泛應(yīng)用于工程評(píng)估、項(xiàng)目評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)定級(jí)等多個(gè)方面。

FCE法評(píng)價(jià)策略是自下而上，其主要實(shí)施步驟如下：首先確定評(píng)價(jià)對(duì)象和指標(biāo)集，然后根據(jù)評(píng)價(jià)對(duì)象確定隸屬度函數(shù)，接著根據(jù)隸屬度原則進(jìn)行矩陣運(yùn)算，最后得到模糊評(píng)價(jià)結(jié)果。

2 海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

2.1 構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系

通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，構(gòu)建海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系，具體如表1所示，其中一級(jí)指標(biāo)共4個(gè)，二級(jí)指標(biāo)15個(gè)。一級(jí)指標(biāo)分別是雷擊因素、高度因素、氣象因素和其他因素；雷擊因素的二級(jí)指標(biāo)主要有雷擊密度、雷電流強(qiáng)度、雷電流陡度和雷暴天數(shù)。高度因素的二級(jí)指標(biāo)主要有風(fēng)機(jī)高度、葉片高度和海平面高度；氣象因素的二級(jí)指標(biāo)主要有溫度、風(fēng)速、雨量和氣壓；其他因素的二級(jí)指標(biāo)主要有海水電阻率、接地引下線材料、接地引下線截面積和風(fēng)機(jī)檢修情況。

表1 海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

本研究將海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)設(shè)為層次分析結(jié)構(gòu)的目標(biāo)層，4個(gè)一級(jí)指標(biāo)集U＝｛U1，U2，U3，U4｝設(shè)為層次分析結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)則層，15個(gè)二級(jí)指標(biāo)集E＝｛E1，E2，…，E15｝設(shè)為層次分析結(jié)構(gòu)的指標(biāo)層。由此即可自下而上建立多層次評(píng)估模型。

2.2 計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重

運(yùn)用FAHP法對(duì)各級(jí)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，具體步驟如下：

1）構(gòu)造判斷矩陣。

在海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系中，每一層指標(biāo)在進(jìn)行衡量時(shí)的占比不一定是相同的，需要根據(jù)決策者的判斷，對(duì)其賦予相應(yīng)的比例。本研究采用9標(biāo)度法確定各指標(biāo)占比，通過(guò)兩兩比較的方式計(jì)算指標(biāo)層中各指標(biāo)相對(duì)準(zhǔn)則層中各指標(biāo)的重要程度，9標(biāo)度法標(biāo)尺定義如表2所示。

表2 9標(biāo)度法標(biāo)尺定義

2）計(jì)算局部指標(biāo)權(quán)重。

局部指標(biāo)權(quán)重表示指標(biāo)層相對(duì)于準(zhǔn)則層的重要程度，通常采用方根法計(jì)算權(quán)重，局部指標(biāo)權(quán)重的計(jì)算公式為

其中，Wi為局部指標(biāo)權(quán)重；n為矩陣階數(shù)；i、j分別表示橫、縱坐標(biāo)。

2.3 評(píng)估結(jié)果計(jì)算

評(píng)估結(jié)果的計(jì)算需要采用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行計(jì)算，主要步驟如下：

1）確定海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)為評(píng)估對(duì)象，各級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)集已在表1中給出。

2）構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)集合V。

在對(duì)海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，通常根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)高低將雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)劃分為若干個(gè)等級(jí)。本文將雷電風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分為低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)和極高風(fēng)險(xiǎn)共4個(gè)等級(jí)，

設(shè)評(píng)價(jià)語(yǔ)V為雷電風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)的集合，則有V＝{v1，v2，v3，v4} ＝｛低風(fēng)險(xiǎn)，中風(fēng)險(xiǎn)，高風(fēng)險(xiǎn)，極高風(fēng)險(xiǎn)｝，表3給出了各評(píng)價(jià)語(yǔ)的評(píng)分范圍及含義。

表3 各評(píng)價(jià)語(yǔ)的評(píng)分范圍及含義

采用三角形分布法［10］對(duì)海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系的各指標(biāo)隸屬度進(jìn)行計(jì)算，建立4個(gè)一級(jí)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，三角形分布函數(shù)如圖3所示。

圖3 三角隸屬函數(shù)示意圖

3）確定隸屬度矩陣。

隸屬度矩陣R為一級(jí)指標(biāo)U和評(píng)價(jià)語(yǔ)集合V的模糊隸屬矩陣，其計(jì)算公式為

其中，rij為ui對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)vj的隸屬度。

對(duì)式（2）進(jìn)行歸一化處理，rij＝1滿足如下關(guān)系：

4）模糊合成運(yùn)算。

將式（1）中的局部指標(biāo)權(quán)重W（I）ij和式（2）隸中的屬度矩陣R進(jìn)行運(yùn)算，即可得到二級(jí)指標(biāo)的模糊評(píng)判矩陣Bi：

根據(jù)層次結(jié)構(gòu)模型，對(duì)二級(jí)模糊關(guān)系矩陣R′進(jìn)行計(jì)算，具體如下：

然后根據(jù)一級(jí)指標(biāo)權(quán)重矩陣W（H）i，即可確定一級(jí)指標(biāo)的模糊評(píng)判矩陣B：

其中，°為模糊合成算子。

3 WPA求解ADN經(jīng)濟(jì)優(yōu)化調(diào)度模型

以粵東地區(qū)某海上風(fēng)電場(chǎng)為例進(jìn)行算例分析，該風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量為352 MW，風(fēng)電機(jī)組共計(jì)55臺(tái)，單臺(tái)功率為6.4 MW，風(fēng)機(jī)高度為152 m，葉片高度為58 m，海水電阻率為25Ω／cm2，風(fēng)電機(jī)接地引下線截面積為125 mm2。該地區(qū)年均氣溫為25℃，全年降雨量約為1 950 mm，年平均地閃密度為38.24次／km2，平均雷電流值為48 kA，雷電流值較大，容易形成局地強(qiáng)對(duì)流天氣，也容易造成雷電頻發(fā)。采用FAHP法對(duì)該風(fēng)電場(chǎng)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，為完成該次風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，邀請(qǐng)?jiān)擃I(lǐng)域10位專家根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)對(duì)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行打分，經(jīng)過(guò)計(jì)算整理后得到一級(jí)模糊評(píng)判矩陣為

準(zhǔn)則層和指標(biāo)層中各指標(biāo)權(quán)重如表4所示。

表4 指標(biāo)權(quán)重

利用式（1）和式（2）計(jì)算二級(jí)指標(biāo)的模糊評(píng)判矩陣Bi，則有

采用同樣的方法，可分別計(jì)算出

因此可以得到二級(jí)模糊矩陣R＇為

將評(píng)價(jià)語(yǔ)集合V＝(v1，v2，v3，v4) 轉(zhuǎn)化為數(shù)值集合WE＝(100，75，50，25)，利用公式U＝WE·BT進(jìn)行矩陣運(yùn)算即可得到該海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)分值SU為

將計(jì)算結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)分值比較后可以得出，該海上風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)電機(jī)組遭受雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)為“較高風(fēng)險(xiǎn)”，發(fā)生雷電災(zāi)害的可能性較大，經(jīng)查閱設(shè)計(jì)資料可知，本研究評(píng)價(jià)結(jié)果與設(shè)計(jì)資料，驗(yàn)證了所提海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的正確性。

本研究建立了包含4個(gè)一級(jí)指標(biāo)和15個(gè)二級(jí)指標(biāo)的海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，將一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)分別作為準(zhǔn)則層和指標(biāo)層，運(yùn)用FAHP法構(gòu)建了分層結(jié)構(gòu)模型，并采用九標(biāo)度法確定各指標(biāo)權(quán)重，采用某實(shí)際運(yùn)行的風(fēng)電場(chǎng)進(jìn)行評(píng)估分析，結(jié)果表明，本研究所提海上風(fēng)電雷電災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的評(píng)價(jià)結(jié)果與設(shè)計(jì)資料一致，驗(yàn)證了本研究所提方法的正確性。