基于改進AHP 的GIS 安全狀態評價

莊宏偉 ZHUANG Hong-wei；梁統健 LIANG Tong-jian；何軍 HE Jun；劉廉 LIU Lian；何順 HE Shun

（廣西防城港核電有限公司，防城港 538001）

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關設備（Gas Insulated Switchgear，GIS）是變電站以及其他電力運行系統中極其重要的一次設備，其是否能夠正常運轉關系著整個電力系統的穩定運行。截止到2018年12月，我國國內已經投運的110kV 及以上電壓等級的各類GIS 設備累計超過8 萬套，變電站應用GIS 成套設備覆蓋率已達42.36%，根據我國國家電網公司相關部門估計，預計未來10年我國智能變電站應用GIS 成套設備的覆蓋率將達到87.69%，新增GIS 設備預計可達16.8 萬套。因此，針對GIS 成套設備的狀態評估將是未來我國電力從業者的一項重點研究課題[1]。

現有的GIS 設備出現的各種問題中，主要表現在設備的絕緣性能及運行狀態，尤其對于已經使用二十年及以上的設備，其絕緣狀態往往會出現大問題，從而導致系統故障[2]。隨著國家電力技術的不斷創新和發展，GIS 設備的安全狀態評價工作也逐漸越來越受到學者的關注。GIS 設備狀態信息由不同的要素所決定，通過這些信息要素可以多層次、多角度地對GIS 的安全運行狀態進行評估，因此，需要使用合理的方法來確定各種狀態信息的權重。目前，對于權重的確定方法眾多，主要包括有主觀和客觀的賦權法，主觀賦權法包括層次分析法、灰色關聯度法等。謝紀強[3]等人提出了基于AHP 法的極差最大化組合法用于評價地下水的狀態。雷軍軍[1]提出了基于模糊層次分析法的GIS 設備狀態評估研究。喻華平[4]和李芊[5]分別提出了主成分分析法和灰色關聯度法在相關評價中的應用，綜上可見，目前對于信息的權重賦權是目前設備狀態評價中一個重要的發展方向。

為了能多層次多角度地評估GIS 的安全狀態，本文對層次分析法進行改進，在評估之前，首先要構建GIS 安全狀態的評價結構，將指標分為可定性和定量的指標，定性指標進行重要性比較分析，而定量指標需要對其進行量化，達到主客觀結合的目的，從而對GIS 設備的安全狀態進行評估。

1 GIS 安全狀態評價體系的構建

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，簡稱AHP）由運籌學教授T.L.Saaty 于20 世紀70年代初首次提出。通過對所選安全狀態信息因子之間的重要性比較，選擇合理的標度函數，構建判斷矩陣，進行矩陣的最大特征值和最大特征向量的運算，最后確定目標層即影響因子的權重[6-7]。因此，運用層次分析法的第一步即建立評價體系。

GIS 設備作為電力系統中的重要一次設備，主要由斷路器、互感器、隔離開關、接地開關、母線、避雷器等眾多復雜的部件構成，這些設備缺一不可，其中，斷路器是用于在正常電路下和短路情況時能夠接通、承載及分斷電流的一種開關裝置；其與接地開關與出線隔離開關、母線隔離開關共同組成了GIS 成套設備，是合理分配電能的主要元件。因此對于GIS 的安全運行狀態的評估需要眾多指標的共同決策，共同評估，有必要建立一套科學的指標體系對GIS 的安全性進行評價。因此，本文通過參考相關研究，建立了如表1 所示的GIS 安全狀態指標體系。

表1 GIS 安全狀態評估指標體系表

2 指標權重的確定

通過計算各指標的權重大小，可有效對GIS 設備狀態進行準確評估。由于每個狀態評價的主要元素包含不止一個分項因子，同時，在不同的運行工況下，每個因子對成套GIS 裝備影響也不盡相同，因此，需要對于每個狀態評估因子及其分項分別賦權，從而能夠實現對成套GIS 裝備運行工況的最準確評價。各指標的權重層次分析法其核心思想即將問題層次化，即將問題和總目標分解成不同層次，把復雜的目標分解成簡單的單個目標，這些目標與目標之間進行分層形成多層次的結構模型，根據模型間各因子的相對重要程度確定低層相對于高層的權值。層次分析法的結構分為目標層、準則層以及指標層，每個層中間的因子是從上一層指標分化而來，又決定的下一層的指標內容，其層次結構示意圖如圖1 所示。

圖1 層次分析法結構示意圖

2.1 判斷矩陣的構建

判斷矩陣表示針對上一層次某單元（元素），本層次與它有關單元（元素）之間相對重要性的比較。假設Cs 為P層元素的上一層次某元素，p1、p2、…、pn為本層與其有關聯的元素，把p 層關聯元素相對Cs 元素的重要性兩兩之間比較，形成重要性比較，如表2 所示。

表2 P 層關聯元素對Cs 元素的重要性比較

2.2 評價體系指標權重的計算

本文將層次分析法中的指標分為定性指標和定量指標進行改進賦值。近年來，隨著學者的不斷研究，相關賦值的標度法也層出不窮，例如指數標度法、A:B 的比值標度法以及9/9—9/1 標度，如表3 所示對幾種標度方法的賦值進行匯總。

表3 不同標度方法的標度值及其含義

本文選用1-9 標度法對定性指標進行重要性比較，對于定量指標按公式（1）來進行計算。

設評價體系某一指標層的有A1，A2，…，An個元素，其數量值為a1，a2，…，an。以Ai/Aj表示Ai比Aj重要程度，記為bij。設Ai與Aj的數量值之比為ai/aj=kij。則標度函數bij為：

式中：k 為全部元素中最大值與最小值之比；b 為與k值對應的元素相對重要程度的標度值。

計算出判斷矩陣值后，通過矩陣運算，求出各指標權重，其步驟如下。

①根據矩陣計算法則

求出矩陣的最大特征值λmax和特征向量W，在其經歸一化檢驗后，即為這一層次中指標的權重。主要計算過程如下：

②將判斷矩陣A 每一行的元素相乘，如公式（3）所示：

③對每一行的Mi開n 次方根即。

④對所得向量Wi=（W1W2，…，Wn）T，按照公式（4）進行歸一化處理。

所得向量wi即為所求的各指標的權重值。

為了判斷判斷過程中是否合理，避免出現a 比b 重要，b 比c 重要，而c 又比a 重要的情況發生，保證各指標之間的重要性不矛盾因此需要對判斷矩陣進行一致性檢驗，其檢驗公式如下：

⑤一致性指標CI

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值，n 為矩陣的階數，通常n 的增大會人為導致CI 值的增大，因此層次分析法對分層的要求也是有約束的，其n 的最大值一般不超過15。

⑥一致性比率

式中：RI 為隨機一致性指標；CR 為隨機一致性比率。

其中RI 值可以參照表4，計算所得的CR 值越小，表面判斷矩陣的一致性就越好，當CR＜0.1 時，可以認為判斷矩陣的差異在允許范圍內，具有一致性。

表4 1-15 階正向互換矩陣的平均隨機一致性指數

3 GIS 設備的各指標主觀權重計算

利用改進AHP 對構建的評價體系指標進行權重計算結果如表5 所示。

表5 準則層基于目標層判斷矩陣A1

對于指標層的指標顆粒進行量化即使算的，需要按公式（1）進行定量轉化賦值，根據標度函數的量化結果得到判斷矩陣，進行矩陣的一致性檢驗，若一致性檢驗未通過可以調整b 的值重新賦值，直至通過檢驗。

重復上述操作計算指標層C1-C14 中的定性和定量共計14 個指標相對于準則層的權重。其判斷矩陣均滿足歸一化檢驗結果。因此，對上述指標權重按層級和歸屬關機，按照權重之和為1 的原則對指標權重進行重新分配，得到各指標權重如表6 所示。

表6 GIS 設備狀態評價指標權重

通過對GIS 設備的各項指標分析，影響設備安全運轉比重最大的為有毒氣體的釋放，即檢查六氟化硫氣體分解成其他有毒氣體的狀態，其次對于設備自身的絕緣特性，內部內部絕緣材料是否出現劣化等狀況。還有其他例如機械特性是否完好，例如極端天氣下長時間過負荷運轉、斷路器頻繁開斷導致出現機械磨損、等原因，因此，需要從以上幾點展開維護和維修，以保障GIS 設備以及整個電網的安全運行。

4 總結

基于GIS 設備的運行現狀，對其安全狀態進行評估，本文本著科學性原則、可測量性原則及全面覆蓋性原則建立了一套完整的GIS 設備評估體系，包括絕緣性能B1、機械特性B2、運行記錄B3、有毒氣體B4 四個方面，逐一再對每個方面進行細化。在分析過程中將定性指標量化，即利用改進的AHP 法對各個指標進行權重的計算，使得權重的確定更具有可靠性和科學性。利用最后所求權重對GIS 的安全狀態進行現場評價，發現存在問題，從而及時針對性地保護和修繕，保證GIS 設備以及整個電力系統安全穩定運行。后續研究將進一步細化指標，選取更具有代表性的指標進行評估，有效提高評估的科學性。