基于模糊層次分析的配電變壓器改造優(yōu)先級評估方法

邵志敏，張林利，李建修，樊迪，沈小迪

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250003；2.山東中實易通集團有限公司，山東濟南250003）

基于模糊層次分析的配電變壓器改造優(yōu)先級評估方法

邵志敏1，張林利1，李建修1，樊迪1，沈小迪2

（1.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學研究院，山東濟南250003；2.山東中實易通集團有限公司，山東濟南250003）

普通配電變壓器改造為經(jīng)濟型配變時，需要對多個變壓器改造優(yōu)先級進行合理評估排序。提出一種基于模糊層次分析法的配電變壓器改造優(yōu)先級評估方法，通過建立改造優(yōu)先級評估的層次結構模型，選取典型評價指標，確定各層間的權重，構建模糊一致判斷矩陣，計算各待改造配變的綜合評價值及排序。某電網(wǎng)的應用實例證明該方法可為配變改造優(yōu)先級評估提供更科學的決策參考。

模糊層次分析；配電變壓器；優(yōu)先級評估

0 引言

變壓器是電力傳送過程中的重要設備，擔負著電壓變換和功率傳遞的任務。在配電系統(tǒng)中，配電變壓器數(shù)量眾多、總容量大，總體運行損耗在整個配電網(wǎng)損耗中占比較高［1］。因此，降低配電變壓器運行損耗是配電網(wǎng)降損節(jié)能的重要途徑。隨著近年來配電網(wǎng)建設改造的持續(xù)投入，已經(jīng)基本完成對陳舊、高能耗變壓器的更換工作。目前，非晶合金、高過載、有載調容調壓等新型節(jié)能型配電變壓器正逐步擴大應用范圍［2-3］，對降低配電網(wǎng)整體損耗起到了重要作用。

普通配變臺區(qū)在改造為新型配電變壓器時需要綜合考慮技術、經(jīng)濟、管理等多方面因素，供電部門一般采取分批投資的方式，逐步對臺區(qū)配電變壓器進行改造。因此，綜合各方面因素制定合理的改造優(yōu)先級，不僅能提高電力系統(tǒng)運行的安全性與可靠性，更能節(jié)約財力與人力，實現(xiàn)精準投資。文獻［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、運行維護成本、停電損失成本和設備殘值，并以全壽命周期成本最小為原則對配電變壓器改造進行選型指導。文獻［5］進一步完善了全壽命周期成本模型，并對其靈敏度進行了分析，提高了該方法的實用性。文獻［6］利用故障樹分析法，評估變壓器運行可靠性，識別早期故障征兆，作為變壓器維護依據(jù)。現(xiàn)有技術多是考慮經(jīng)濟性或可靠性等單方面指標，缺乏考慮各主要影響因素的綜合判斷。

本文應用模糊層次分析的方法，建立改造優(yōu)先級評估的層次結構模型，選取典型評價指標，構建模糊一致判斷矩陣，對配電變壓器改造優(yōu)先級進行評估，為配電變壓器有序改造提供理論指導。

1 模糊層次分析

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

1）對問題進行分析并建立相應的層次結構模型。一般情況下，層次結構可以劃分為目標層、準則層和方案層。

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

式中：p和r分別為上限和下限；q為可能的最大值。修正后的標度如表1所示。

表1 因素重要性比較模糊標度

所形成的模糊判斷矩陣

3）一致性檢驗。得到模糊判斷矩陣后，需要對所得結果進行一致性檢驗，一致性指標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所示的平均隨機一致性指標RI，按下式計算一致性比例CR為

表2 平均隨機一致性指標

當n為1或2時，CR取值為0。當矩陣階數(shù)為其他值時，若求得的CR＜0.1，則認為模糊矩陣的一致性在可接受范圍內；若求得的CR≥0.1，則需要對模糊判斷矩陣元素進行修正，直到通過一致性檢驗。

4）進行分析評估。首先確定下層元素對于上層準則的相對權重，然后確定各層元素對系統(tǒng)目標的權重，最后依照各元素權重值進行評估。利用這些計算得到的權重及指標值計算各方案的綜合評價值，按綜合評價值從大到小排序，綜合評價值最大的方案即為最優(yōu)方案。

2 配電變壓器屬性評估

2.1 建立層次模型

設備屬性優(yōu)先級評估模型的建立，必須合理選取配電變壓器改造優(yōu)先級的評價因素。根據(jù)大量統(tǒng)計分析，選取負載率變化、運行年限、配變損耗、家族缺陷、檢修記錄、運行環(huán)境作為評價因素。各評價因素的權重確定非常重要，反映了各指標對配電變壓器狀態(tài)的影響程度，合理地確定各因素的權重，是保證結果合理性的關鍵。備屬性評估層次模型如圖1所示。

圖1 配變設備屬性評估模型

CRI.1質量缺陷。質量缺陷是指經(jīng)確認具有設計、材質、工藝等共性因素導致的設備缺陷。對于故障信息記錄中存在質量缺陷的配電變壓器，改造的迫切性要更高。

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

CRI.3配變運行年限。配電變壓器的劣化程度與運行年限直接相關，對于一臺變壓器，運行年限越長絕緣老化、損耗增加等問題越嚴重。因此，配電變壓器運行年限越長，升級改造的迫切性就越大。

CRI.4配變負載率。負載率反映了變壓器工作的裕度與安全程度，負載率過高，在負荷波動時容易產生過載，嚴重時會導致配變燒毀，影響電力系統(tǒng)的安全運行。因此，存在重過載現(xiàn)象的變壓器應優(yōu)先進行改造。

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，其運行過程中突發(fā)故障的風險也會更高。因此，應將臺區(qū)配變檢修記錄作為一項考慮因素。

CRI.6運行環(huán)境。惡劣的運行環(huán)境不僅會影響配電變壓器的運行狀況，同時還會加速變壓器老化程度，因此在制定改造計劃時應將配電變壓器的運行環(huán)境作為考慮因素。

為了保證在各準則下對不同的配變進行比較的準確性，需要明確每一個準則下相應的子準則。各個子準則按相關專家打分為基礎、依據(jù)FAHP法確定相應權重，即專家對同一準則下的子準則以0～10進行打分，分數(shù)越高代表同一準則下，符合該子準則的配電變壓器改造優(yōu)先級越高。最后綜合各專家意見，并歸一化后，即可獲得各子準則的權重。

式中：Sij為綜合各專家意見后的第i個準則下的第j個子準則的得分值；Sijk為第k個專家對第i個準則下的第j個子準則的打分值；m為專家數(shù)量；εij為第i個準則下的第j個子準則的權重；ni為準則i包含子準則的數(shù)量。歸一化處理后各子準則權重值如表3所示。

表3 各子準則及權重值

2.2 矩陣構造和評估

通過對上述6項準則進行兩兩比較，可以構造出模糊判斷矩陣為

應用對數(shù)最小二乘法，求得矩陣第i項準則的模糊權重為

各準則權重通過一致性檢驗后，該配電變壓器的設備屬性優(yōu)先級評估結果為

式中：εij為第i臺配變在準則j下的得分值；wcri.i為第i臺配變的設備屬性評估值；Aj為第j個準則的權重。

3 應用實例

利用所提出的方法對某農村地區(qū)列入配電變壓器改造計劃的6個配變臺區(qū)進行評估，6臺區(qū)變壓器的型號分別為S9-200/10、S9-200/10、S9-200/10、S9-250/10、S11-160/10、S9-200/10，分別用編號DT.1、DT.2、DT.3、DT.4、DT.5、DT.6表示。

所選6臺配變都是S9型，常規(guī)方式下，往往是由技術負責人主要根據(jù)運行年限，結合維修記錄確定各配變的改造優(yōu)先級，所得結論主觀隨機性較強，且不能綜合各相關因素，甚至不同的人會做出不同的決策。

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

表4 各評價準則歸一化權重

表5 配變在各評價準則下得分

根據(jù)10位專家對每臺變壓器的評價分值，進行歸一化換算后得出待評估6臺變壓器在各準則下的得分值如表5所示。

結合各準則權重與分值，應用式（10）即可求得各配變的設備屬性優(yōu)劣評估結果如表6所示。

表6 設備屬性評估結果

根據(jù)上述設備屬性評估結果，各配變改造優(yōu)先級排序為：DT.4、DT.6、DT.5、DT.2、DT.3、DT.1。

4 結語

提出基于模糊層次分析法的配電變壓器改造優(yōu)先級評估方法，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，使決策更客觀及合理。通過選取質量缺陷、運行損耗等6個典型評價指標，確定模型各層間的權重，構建模糊一致判斷矩陣，計算得到各待改造配變的綜合評價值。評價分值高的配電變壓器擁有更高的改造優(yōu)先級，可據(jù)此安排配變改造順序，為在運配變升級改造決策提供理論指導。某農村地區(qū)配變改造的實際應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，從事配電自動化相關工作。