重要用戶供電設備安全與可靠性敏感度分析

宋佳豪，張鐵峰,2，馬玉草，許正陽

（1.華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003；2.河北省電力物聯網技術重點實驗室（華北電力大學），河北 保定 071003）

0 引言

重要電力用戶（下稱，用戶）在國家或者一個地區的社會、政治、經濟生活中占有重要地位，其供電可靠性和安全性必須得到保障。

目前，供電企業并未對用戶進行敏感度評估與分類，所以其供電可靠性和電能質量難以切實保障。

從差異化滿足用戶供電敏感需求入手，可以為該問題的解決提供依據，也可為后續的分布式能源并網策略優化提供支持。

已有學者在用戶用電安全的評估方面做了相關研究[1]。但是相關文獻中，關于用戶對供電設備安全與可靠性的敏感度的研究鮮有報道。

文獻[2]對用戶在用電時存在的安全風險進行了定性的分析，進而提出風險的防范與應對策略。文獻[3]針對用戶用電安全管理構建了安全風險評價指標體系，給出了數學模型；但是，該研究存在評價指標不全面的缺點。文獻[4]使用用戶畫像技術，全方位分析了用戶的特點，構建了針對用戶提供電力服務的評估指標體系，并對用戶進行了分類。文獻[5]根據用戶用電產生的大量數據來推測用戶用電行為，實現了對用戶的分類。文獻[6]通過負荷曲線識別，實現了用戶聚類，使電網公司對用戶的管理有了參考依據。文獻[7]以用電安全關聯的數據信息為基礎，論述了用戶用電的潛在風險。文獻[8]通過考慮售電利潤、客戶忠誠度以及供電公司存在的風險等因素，實現了用戶的分類。文獻[9]以電價為基礎，根據用戶對不同收費標準的接受能力定義用戶的敏感度，進而實現分類。文獻[10]按照用戶的信用度，構建了忠實度評估指標體系。上述研究僅從用戶的經濟效益和負荷特點角度對電力用戶進行了分類。

在通過供電“放管服”改善營商環境的政策環境下，為實現用戶電能供應及設施合理配置，尚需研究一種基于用戶對供電設備安全與可靠性的敏感度評估方法，以便對用戶的重要等級進行合理劃分與量化評估。

鑒于此，本文給出用戶對供電設備安全與可靠性的敏感度定義，建立包含供電電源、配電變壓器和電纜3個方面的敏感度評價指標體系，并提出基于層次分析法的多層級模糊綜合評價算法的評價及分類方法。

1 敏感度評價指標體系

1.1 用戶敏感度

電力用戶敏感度，是指當對一個地區中某用戶中斷供電所可能造成的人身傷亡、環境污染、政治影響、經濟損失、社會公共秩序混亂等事件或情況的嚴重程度，體現的是該用戶在這個地區社會、政治、經濟生活中所處的地位。

用戶對供電設備安全與可靠性的敏感度，是指當評價供電設備安全與可靠性的指標未滿足用戶預期時，用戶對實際情況的承受能力。

例如：某用戶預期的電壓偏差為“小于額定電壓的 0.05%”；但是，實際電壓偏差為“額定電壓的0.1%”。若用戶對這種變化承受能力強，則該用戶對電壓偏差的敏感度相對較小；若用戶無法承受這種變化，則該用戶對電壓偏差的敏感度相對較高。

1.2 敏感度評價指標體系

敏感度評價指標體系構建的關鍵環節是指標的選取[11]。文獻[12]分析了70個電氣設備運行故障的案例。結果表明，電力用戶的電氣設備故障集中在供電電源、配電變壓器和電纜3個方面。

因此，根據敏感度定義，本文從供電電源、配電變壓器和電纜3個方面構建敏感度評價指標體系，如表1所示。

表1 用戶對供電設備安全與可靠性敏感度指標體系Tab.1 Index system of users’ sensitivity to safety and reliability of power supply equipment

表1中，指標體系包含3個層次：目標層、準則層和屬性層。該體系按照遞歸分析方法的規律，即按照屬性層、準則層、目標層的順序，實現了自下而上的順序分析。

屬性層敏感度指標反映了用戶相關預期。若用戶預期未滿足，則需要根據用戶的承受能力估算用戶對該指標的敏感度。

（1）用戶對供電電源的敏感度

用戶對供電電源的敏感度對應的指標包括C1、C2、C3、C4、C5。

C1是指用戶的供電電源數和回路數是否滿足用戶預期。C2是指當應急電源投入使用時，能在用戶允許斷電時間內為用戶提供所需電量的概率是否滿足用戶預期。C3是指當多路多電源用戶的某一路電源發生故障導致其供電中斷后切換到另一路電源所需的時間是否滿足用戶預期。C4是指供電中斷導致用戶突然停電的概率是否在用戶可以接受的范圍之內。若不在用戶的接受范圍，則需要根據用戶的承受能力估算用戶對該指標的敏感度。C5是指一次停電的最長時間是否在用戶可以接受的范圍之內。

（2）用戶對配電變壓器的敏感度

用戶對配電變壓器的敏感度對應的指標有C6、C7、C8、C9、C10。

C6是指由設計、材質、工藝共性因素導致的配電變壓器缺陷是否在用戶可以接受的范圍之內。C7是指配電變壓器可以使用的最長年限是否滿足用戶預期。C8是指實際電壓與系統標稱電壓之差是否在用戶可以接受的范圍之內。C9是指在電網正常工作狀態下，系統頻率與標準值之間的差異是否在用戶能承受的范圍內。C10是指變壓器過載時間占工作時間的百分比是否在用戶可以接受的范圍之內。

（3）用戶對電纜的敏感度

用戶對電纜的敏感度對應的指標有C11、C12、C13、C14。

C11是指由設計、材質、工藝共性因素導致的電纜缺陷是否在用戶可以接受的范圍之內。C12是指電纜可以使用的最長年限是否滿足用戶預期。C13是指通過配置分段開關對饋線進行的分段優化是否滿足用戶預期。C14是指在用戶所在供電網絡中，同桿架設線路和同溝鋪設線路的總長度是否滿足用戶預期。

2 敏感度評價方法

模糊綜合評價法是一種根據不同事物帶來的不同特性進行歸一化評價的方法，適合于各類定性問題轉化為定量問題的解決。

2.1 一級模糊綜合評價算法

計算過程如下。

（1）先明確評價的對象集、指標集、評語集[13]。

對象集A={A1,A2,A3,… ,Am}。

指標集C={C1,C2,C3,… ,Cm}。

評語集是一組評價準則，用以描述評價目標，即V= {V1,V2,V3,… ,Vn}。

最后的模糊評判結果是在評語中找到與被評物最相近的評價結論。

（2）給指標設定權重，記為向量W。

各指標的權重向量通過層次分析法確定。

第一步?；诂F有的評價指標，構建判斷矩陣P。P中元素pij根據九位標度法得到。判斷矩陣P的設定原理如下：

第二步。權重的設定與一致性的檢查。

一致性檢驗用來判斷判定矩陣P的容許偏差范圍。用一致性比值CR來測量一致性。

式中：CI為判斷一致性的指標。

式中：n為判定矩陣階數；λmax為最大特征值。

在一致性檢驗中引入了RI，以度量CI的大小。RI的數值準則見表2。

表2 矩陣（n階）的隨機一致性指標RITab.2 Random consistency index RI of matrix (n order)

若CR<0.1，即滿足不一致程度，求λmax相對的特征向量，視為指標的權重向量。若不滿足一致性程度，再次建立新的判斷矩陣P。

（3）按照規則，開始對單一指標進行模糊評價，最終得到評價矩陣記為R。

式中：rij表示第i個評估指標對評語集中第j個評語的隸屬度。

rij用模糊統計的方法獲取。

式中：fij表示為評估對象中第i個指標隸屬于評語集中第j個評語的數量。

（4）基于模糊轉換計算評價對象各指標最終的評價矩陣，計算方法為：

式中：“°”表示模糊合成運算；W為指標權重向量；Rj為第j個評價對象的隸屬度矩陣。

為了考慮多種因素，選用加權平均型M(·,+)算子來計算：

按照最大隸屬度原則，最大的bjk對應評語集V中的第k個評語，即為評估對象的評估結果。

2.2 多層級模糊綜合評價算法

對于一些復雜的系統，涉及指標會較多，需要考慮的因素也較多。此時，如果仍采用一級模糊綜合評判，將存在2個問題：一是因素太多，權重分布難以確定；另一方面，即使確定了權重分布，由于需要滿足規范化條件，每個因素的權重也會很小。對于這樣的系統，宜采用多級模糊綜合評價方法。

本文采用2級系統解決用戶對供電設備安全與可靠性的敏感度分析問題。

多級模糊綜合評價建立在對屬性層指標進行一級模糊綜合評價的基礎之上。將結果評價矩陣Bj歸一化后合成矩陣B，再用層次分析法確定準則層各指標的權重W向量，最后根據公式E=WB計算出最終的評估矩陣[21]。

3 算例分析

采用多級模糊綜合評價法對某科技開發區用戶進行供電設備安全可靠性的敏感度分析。

（1）評估對象為10家用戶，所以對象集為A={A1,A2,A3,… ,A10}。

根據表 1建立的指標體系，可確定指標集C={C1,C2,C3,… ,C14}。

將用戶對供電設備安全可靠性的敏感度的評語集設定為：V={V1,V2,V3,… ,V5} ={低，中低，中，中高，高}

（2）打分專家團隊由3～5位電力行業資深技術人員組成，打分結果取平均值。

準則層。首先，對指標體系同一層次的各因素相對于上一層因素的重要性進行兩兩比較，獲取各評判矩陣。準則層相對于目標層的判斷矩陣記為P1：

屬性層。供電電源各項相對于準則層供電電源的判斷矩陣記為P11。屬性層配電變壓器各項相對于準則層配電變壓器的判斷矩陣記為P12。屬性層電纜各項相對于準則層電纜的判斷矩陣記為P13。

根據獲取的各判斷矩陣，經過計算，得出各級指標權重。經驗證滿足一致性。各指標權重如表3所示。

表3 各級指標權重Tab.3 Index weight at all levels

（3）各指標相對于各評語的隸屬度由以下2種方式確定。

對于指標C1、C2、C3、C4、C5、C13和C14，隸屬度主要通過對用戶進行問卷調查獲得。

對于指標C6、C7、C8、C9、C10、C11和C12，采用如圖1和圖2所示的改進嶺形分布[20]作為隸屬函數構建模糊評價矩陣R。

對應極大型狀態值（C6、C7、C11、C12）如圖1所示。對應極小型狀態值（C8、C9、C10）如圖 2所示。圖1、圖2中的a1、a2、a3、a4、a5為隸屬函數的邊界參數。

圖1 極大型狀態值的嶺型隸屬函數分布Fig.1 Ridge type membership function distribution of extremely large state values

圖2 極小型狀態值的嶺型隸屬函數分布Fig.2 Ridge type membership function distribution of extremely small state values

用戶各屬性層指標對應敏感度等級的隸屬函數分別如式（8）～（12）所示。

結合圖1、圖2所示分布曲線，將設備狀態值代入式（8）～（12）中即可得到用戶各屬性層指標與敏感度的模糊關系。邊界參數根據各指標的特性和用戶意愿確定。

表4、表5和表6示出了前3家用戶的評分情況。

表4 用戶A1各指標與敏感度的模糊關系Tab.4 Fuzzy relationship between indexes and sensitivity of users A1

表5 用戶A2各指標與敏感度的模糊關系Tab.5 Fuzzy relationship between indexes and sensitivity of users A2

表6 用戶A3各指標與敏感度的模糊關系Tab.6 Fuzzy relationship between indexes and sensitivity of users A3

以用戶A1為例。根據表4和式（5）計算用戶A1的隸屬度矩陣R1。

（4）確定用戶的評估矩陣，最終得到用戶的敏感度等級。

根據式（6）和式（7），計算得到用戶A1的評估矩陣E1。

從最后的結果看，可確定用戶A1在屬于“中敏感”影響結果隸屬度最大，為0.648 7。所以確定用戶A1的評估結果屬于“中敏感”。

同理，對用戶A2～A10進行評估，得到評估矩陣E2～E10。

根據各個用戶的最大隸屬度，得到敏感度分析結果如表7所示。

表7 模糊綜合評價法評估結果Tab.7 Evaluation results of fuzzy comprehensive evaluation method

在表7評價結果中，有1家（A4）“低敏感”用戶，2家（A2，A8）“中低敏感”用戶，3家（A1，A3，A6）“中敏感”用戶，2家（A5，A9）“中高敏感”用戶，2家（A7，A10）“高敏感”用戶。該敏感度等級結果與電力用戶重要等級相符。該結果進一步驗證了本文敏感度評價與分類方法的正確性。

4 結論

本文在定義用戶對供電設備安全與可靠性的敏感度的基礎上，構建了敏感度評價指標體系，并提出了相應的評價方法，通過實例對方法進行了驗證。

（1）從供電電源、配電變壓器、電纜3個方面構建了評價指標體系，能比較全面地分析用戶對各單一指標的敏感度。

（2）利用問卷調查和改進的嶺型分布作為隸屬度函數構建模糊關系矩陣，其得到的結果較為準確穩定，同時又保證了評價結果的客觀性。

（3）評價結果包含豐富的信息，不僅能準確描述評價對象，還能進一步處理和獲取參考信息。

對某區10家用戶進行實例分析結果顯示，用戶的敏感度等級與《用戶供電電源及自備應急電源配置技術規范》中認定的用戶重要等級基本相符。所以，該方法具有正確性和有效性。