用電設(shè)備安全評估的改進(jìn)區(qū)間層次分析法

阿遼沙·葉，祝恩國，成 倩，章宏偉

（中國電力科學(xué)研究院國網(wǎng)計(jì)量中心，北京100192）

觸電、設(shè)備誤操作、裝置年久失修、違章等原因造成的用戶側(cè)用電人身傷亡事件常有發(fā)生。據(jù)國家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2013年電力生產(chǎn)死亡人數(shù)達(dá)57 人，電力建設(shè)死亡人數(shù)達(dá)10 人，電力安全重大事件達(dá)到26 起。用電安全傷亡事故發(fā)生的深層次原因，一方面是由于用電安全檢查和管理人員安全意識認(rèn)知程度不夠，或者對用電設(shè)備的安全要求和標(biāo)準(zhǔn)的掌握不夠；另一方面也由于不能對用電設(shè)備進(jìn)行可靠的安全隱患判斷。

區(qū)間層次分析法，相對于以確定數(shù)為計(jì)算基礎(chǔ)的層次分析法，具有充分考慮專家對于指標(biāo)比對的主觀因素判斷不確定因素，能較好地完善層次分析法主觀性太強(qiáng)的劣勢。但由于涉及區(qū)間計(jì)算，明顯增大了計(jì)算量和復(fù)雜度。在用電安全的風(fēng)險評估和區(qū)間層次分析法IAHP（interval analytic hierarchy process）方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了諸多研究，并取得了一些科研成果。文獻(xiàn)[1]為了解決專家判斷的模糊性以及決策因素的不確定性問題，提出了城網(wǎng)規(guī)劃綜合評判決策方法；文獻(xiàn)[2]從資產(chǎn)、威脅和脆弱性3 個方面提出了電網(wǎng)風(fēng)險評估的指標(biāo)體系，并對層次分析法求取指標(biāo)權(quán)重的過程進(jìn)行了詳細(xì)說明；文獻(xiàn)[3，4]對防竊電技術(shù)進(jìn)行了非常全面的分析；文獻(xiàn)[13]通過定義評價算法精度的誤差標(biāo)準(zhǔn)，定量比較了5 種不同的區(qū)間層次分析法指標(biāo)權(quán)重求解方法。但是，在用戶側(cè)用電設(shè)備安全評估方面，相關(guān)研究報道很少。

本文提出一種基于改進(jìn)區(qū)間層次分析法IIAHP（improved interval analytic hierarchy process）的用戶側(cè)用電設(shè)備安全評估方法，可以利用評估指標(biāo)權(quán)重大小的分布，對用戶用電設(shè)備安全進(jìn)行有效地評估，為防范用電安全的人身傷亡事故提供有力依據(jù)；并通過與傳統(tǒng)AHP 方法比對，驗(yàn)證了改進(jìn)的區(qū)間層次分析法的可行性，為用戶側(cè)用電安全評估的推廣應(yīng)用提供借鑒。

1 用戶用電設(shè)備安全評估指標(biāo)

1.1 用戶用電設(shè)備分類

用戶用電設(shè)備涉及工業(yè)、商業(yè)和居民等用戶，用戶不同所涉及的設(shè)備種類、隱患故障等也不同，所采用的安全防范技術(shù)手段也千差萬別，不同類型的用戶具有不同的用電設(shè)備安全需求。按照供電可靠性原則將電力負(fù)荷分為一類負(fù)荷、二類負(fù)荷和三類負(fù)荷，本文仿效電力營銷的用戶用電信息采集系統(tǒng)的用戶分類方法，對用戶用電設(shè)備分為4 類。

（1）大型專變用戶（A 類）：立約容量在100 kVA及以上的專變用戶，其范圍包括專變下的配電線路、變電站、用電設(shè)備和新能源設(shè)備等；

（2）中小型的專變用戶（B 類）：立約容量在100 kVA 以下的專變用戶，其范圍包括專變下的配電線路、變電站、用電設(shè)備和新能源設(shè)備等；

（3）工商業(yè)用戶（C 類）：包括低壓商業(yè)、小動力、辦公等用電性質(zhì)的非居民用戶，其范圍包括用戶的配電線路、大型冰蓄冷/蓄熱裝置和新能源設(shè)備等；

（4）居民用戶（D 類）：用電性質(zhì)為居民的用戶，其范圍包括用戶的配電線路、智能家居用電設(shè)備和新能源設(shè)備等。

1.2 用戶用電安全指標(biāo)體系

結(jié)合A 類、B 類、C 類、D 類4 類用戶用電設(shè)備安全指標(biāo)體系的系統(tǒng)性、科學(xué)性、完整性以及可操作性等4 大原則，綜合我國用電安全與統(tǒng)計(jì)相關(guān)法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)，全面考慮各指標(biāo)出現(xiàn)的頻率和可測性，提出用戶用電設(shè)備安全評估指標(biāo)體系，包括4個標(biāo)準(zhǔn)層指標(biāo)和24 個指標(biāo)層指標(biāo)，如表1 所示。指標(biāo)體系中的幾個重要指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

式中：U 為用電設(shè)備使用年限；N 為用電設(shè)備的設(shè)計(jì)壽命。

式中：M 為維修設(shè)備的臺數(shù)；X 為設(shè)備的總臺數(shù)。

式中：Ts為事故停運(yùn)時間；Tg為帶病運(yùn)行時間；Tr為安全運(yùn)行時間。

指標(biāo)體系中的其他相關(guān)指標(biāo)，如用電設(shè)備使用年限、用電設(shè)備質(zhì)量等級、用電設(shè)備故障次數(shù)、用電設(shè)備保護(hù)接地狀態(tài)和用電設(shè)備絕緣狀態(tài)等，一般從設(shè)備運(yùn)行維護(hù)記錄中進(jìn)行讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)。

表1 用戶用電設(shè)備安全評估指標(biāo)體系Tab.1 User electrical equipment safety evaluation index system

在確定指標(biāo)體系以后，下一個重要環(huán)節(jié)就是各個指標(biāo)權(quán)重的賦值，指標(biāo)權(quán)重值的大小是各個指標(biāo)在評價過程中不同重要程度的體現(xiàn)，是其重要程度的一種客觀反映以及主觀評價綜合度量的具體展現(xiàn)。一般來說，指標(biāo)的權(quán)重值越大，指標(biāo)越重要。下面詳細(xì)闡述采用改進(jìn)的層次分析法求解指標(biāo)權(quán)重的過程以及評估流程。

2 改進(jìn)的區(qū)間層次分析法

20 世紀(jì)70年代沙旦（Saaty）提出的層次分析法AHP（analytic hierarchy process）是一種解決多層次、多準(zhǔn)則問題的方法，已在電力、環(huán)境工程、金融管理等多個行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1-10]。區(qū)間層次分析法是一種為解決層級指標(biāo)兩兩比對存在不確定和變異的問題，將區(qū)間算法與層次分析法相結(jié)合的研究方法，也已經(jīng)在電力、管理等行業(yè)有較多的應(yīng)用[1-15]；本文針對區(qū)間算法的保守性，以及區(qū)間計(jì)算的復(fù)雜性，提出了改進(jìn)的區(qū)間層次分析法，通過引入權(quán)重因子θ 將區(qū)間不確定性計(jì)算轉(zhuǎn)換成為確定性的計(jì)算，其主要計(jì)算過程如下：

（1）建立指標(biāo)的層次 根據(jù)不同分布層次的指標(biāo)構(gòu)建的指標(biāo)體系分為3 層：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層以及方案層，選擇專家對層次的指標(biāo)進(jìn)行比較打分。

（2）區(qū)間比例標(biāo)度表 區(qū)間標(biāo)度一般由區(qū)間中點(diǎn)aij和寬度μ 組成，其中，區(qū)間中點(diǎn)aij的取值與傳統(tǒng)Satty1～9 標(biāo)度法一樣，是判斷的一個基數(shù)，或隨機(jī)變量在判斷區(qū)間標(biāo)度內(nèi)的均值。專家則根據(jù)判斷的不確定性以及模糊性來給出此判斷在基數(shù)aij的區(qū)間寬度μ，即

表2 區(qū)間比例標(biāo)度表Tab.2 Interval proportional scale table

當(dāng)指標(biāo)j 比指標(biāo)i 重要時，即1/aij≥1，j≠i 時

（3）改進(jìn)的比例標(biāo)度法 由于區(qū)間算法存在的相關(guān)性問題和包裹效應(yīng)，所以，引入權(quán)重因子θ 把區(qū)間不確定數(shù)轉(zhuǎn)換成為確定數(shù)。

式中：θ=k1/n2，k1為專家打分中區(qū)間寬度μ 值小于1/2 的個數(shù)。

（4）構(gòu)造區(qū)間判斷矩陣Am依據(jù)專家打分對同層各指標(biāo)相對于上一層指標(biāo)重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣Am，并根據(jù)改進(jìn)的比例標(biāo)度法對其元素a″ij進(jìn)行取值。

式中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，n；n 為指單層指標(biāo)的個數(shù)總數(shù)。

（5）利用幕法，計(jì)算判斷矩陣Am的最大特征值λmax及特征向量ξ。

（6）一致性檢驗(yàn) 若判斷矩陣Am的相對一致性CR 小于0.1，通常CR 值越小越好，則認(rèn)為判斷矩陣Am可行，通過一致性檢驗(yàn)；若判斷矩陣Am的CR 不滿足小于0.1，沒有通過一致性檢驗(yàn)，則退回步驟（2）重新兩兩比較，重新構(gòu)造合格的判斷矩陣Am。CR 可表示為

式中：CI=（λmax-n）/（n-1）；RI 為自由度指標(biāo)，取值如表3 所示。

表3 自由度指標(biāo)RITab.3 Freedom index RI

（7）由Amξ=λmaxWIIAHPm確定層次結(jié)構(gòu)模型中各指標(biāo)的權(quán)重WIIAHPm。

（8）綜合得到評估結(jié)果。

3 案例分析

為了說明改進(jìn)的層次分析法的可行性，選取居民用戶進(jìn)行用電設(shè)備安全評估。首先構(gòu)建居民用戶用電設(shè)備安全評估指標(biāo)的層次分布，即目標(biāo)層為M4，準(zhǔn)則層為M41、M42、M43、M44。

3.1 專家打分情況

選取1 名專家，依據(jù)區(qū)間比例標(biāo)度法，對居民用電設(shè)備安全指標(biāo)的重要性進(jìn)行兩兩比較打分，專家的打分表如表4 所示。

3.2 改進(jìn)的區(qū)間層次分析法與層次分析法評估對比

根據(jù)表4 形成IIAHP 的判斷矩陣AIIAHP，用IIAHP 法依據(jù)2 中的計(jì)算過程，對居民用戶用電設(shè)備安全評估指標(biāo)進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重計(jì)算，即

表4 專家打分Tab.4 Expert scoring

利用專家打分表的區(qū)間中點(diǎn)值作為傳統(tǒng)層次分析法的專家打分值，構(gòu)建判斷矩陣AAHP，依據(jù)傳統(tǒng)的AHP 計(jì)算流程，計(jì)算居民用戶用電設(shè)備的各個指標(biāo)的權(quán)重值，即

將改進(jìn)的區(qū)間層次分析法IIAHP 指標(biāo)權(quán)重值，與傳統(tǒng)的層析分析法AHP 指標(biāo)權(quán)重值進(jìn)行比對，如表5 所示。

表5 IIAHP 與AHP 指標(biāo)權(quán)重分布對比Tab.5 Comparison between IIAHP and AHP index weight distribution

3.3 小結(jié)

從表5 中可知：（1）改進(jìn)的IIAHP 和傳統(tǒng)的AHP 計(jì)算所得指標(biāo)權(quán)重大體保持一致，偏差非常小，說明改進(jìn)的IIAHP 方法可行性好；（2）改進(jìn)的IIAHP 充分考慮專家對指標(biāo)比對評價的不確定性，指標(biāo)的區(qū)間寬帶取值范圍從0 到1，該寬度正好是傳統(tǒng)Satty1～9 標(biāo)度法兩個級別的跨度，可以詳細(xì)描述指標(biāo)比對之間的細(xì)分差別；（3）通過引入權(quán)重因子θ，將區(qū)間的不確定性計(jì)算問題轉(zhuǎn)換成為確定數(shù)計(jì)算問題，不僅大大節(jié)省計(jì)算時間，簡化計(jì)算過程，有效解決了區(qū)間算法保守性問題。

4 結(jié)語

本文提出一種用戶用電設(shè)備安全評估的改進(jìn)區(qū)間層次分析IIAHP 方法，充分考慮專家對指標(biāo)的評價不確定性，有利于詳細(xì)描述指標(biāo)比對之間的細(xì)分差別；同時其評估指標(biāo)權(quán)重大小分布結(jié)論，可以對用戶用電設(shè)備安全進(jìn)行有效評估，為防范用電設(shè)備安全的人身傷亡事故提供有力依據(jù)。

通過與傳統(tǒng)AHP 方法對比，驗(yàn)證了改進(jìn)的區(qū)間層次分析法的可行性；同時，為了解決區(qū)間算法固有的保守性和計(jì)算復(fù)雜性，引入權(quán)重因子θ，將區(qū)間的不確定性計(jì)算問題轉(zhuǎn)換成為確定數(shù)計(jì)算問題，不僅簡化了計(jì)算過程，大大節(jié)省了計(jì)算時間，還有效解決了區(qū)間算法保守性問題。

主觀賦值方法中的改進(jìn)區(qū)間層次分析法，由于是從專家主觀判斷作為評判的出發(fā)點(diǎn)，與客觀賦值方法如熵權(quán)法、主成分分析法、多目標(biāo)規(guī)范法等的比較，依然存在主觀因素太多的缺陷，并且客觀賦權(quán)法又缺少主觀參與的因素，因此主客觀混合賦權(quán)法將會是進(jìn)一步深入研究的課題。

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