基于灰色聚類和層次分析法的電網工程數字化設計質量評價

李洪江，錢富君，冉啟鵬

（云南電網有限責任公司，云南 昆明 650011)

0 前言

當前，電網正向數字化轉型發展，實現數字電網建設、運維與數字資產管理是電網的發展方向，公司明確提出數字電網建設要求，將數字化作為公司發展戰略路徑之一[1]。數字化設計是實現電網建設、移交數字化的基礎及前提，做好數字化設計工作對電網的建設及發展有著重要的意義，建設數字電網可實現能源產業鏈上下游互聯互通，具備支撐公司開展智能電網運營、能源價值鏈整合和能源生態服務的能力。電網工程的設計作為工程建設、移交、運行及供電各項工作的基礎，是電網建設及全壽命周期過程管理的基礎。以三維模型再現的集成化設計平臺等信息技術的發展推動了電網數字化設計的快速發展，隨著電網工程數字化設計工作的持續深入，以及系統的數字化設計交付標準的制定，使得數字化設計已從研究探索逐步發展成熟且具備推廣運用的條件。

電網工程數字化設計是在現有二維設計的基礎上，構建三維信息模型及數字化信息，實現電網工程全方位、全領域的數字化[2-3]。在常規設計基礎上，增加工程地理信息數據、GIM三維設計模型及相關文檔資料，將數字化設計貫穿于電網設計、施工、移交、運維及服務等各個方面，有利于電網提升發展及服務水平。數字化設計質量對電網工程建設及后續數字化運行維護具有重要影響，科學合理地對數字化設計質量進行評價分析，有助于提升數字化設計成果質量水平，提升電網建設、移交及運維的科學性、合理性，有利于實現全過程服務電網各項業務工作[4]。數字化設計質量評價需綜合各個專業設計、項目特點、深度要求等進行總體分析評價，各因素之間存在交叉影響與關聯關系，部分指標的評價難于定量化，合理選擇評價方法實現對設計質量科學定性與定量的評價有著積極意義。

本文基于灰色聚類和層析分析方法，結合數字化設計特點，分析了影響數字化設計整體質量的主要指標，通過灰色聚類建立質量評估模型，以層次分析法確定指標權重，為科學評價并提升數字化設計水平提供一定參考。

1 數字化設計質量評價指標

數字化設計質量是對電網工程各個專業、子項進行具體評價后綜合得出整個項目設計質量的總體評價分析。電網工程數字化設計涵蓋面較廣，為更好地對影響設計質量的關鍵因素進行逐步細化，按指標層級進行分析。數字化設計主要包括數字化模型、三維出圖、屬性信息集成功能，以及輔助進行系統計算、專項設計、結構計算等的能力，以及進行碰撞檢查的精細化設計等。

數字化設計按照專業劃分可分為“變電電氣設計”、“變電土建設計”、“線路電氣設計”、“線路土建設計”和“支撐服務設計”，各主要專業在數字化設計中各方面要求有較大的不同，對整體數字化設計質量影響權重也存在差異。

數字化設計在電網工程各專業下總體可劃分為“地理信息設計能力”“建模能力”、“出圖能力”、“計算能力”、“精細化設計能力”和“支撐服務能力”，建模能力指建立三維模型的精度質量；出圖能力指將三維布置轉換為二維圖紙及效果圖的質量情況；計算能力指三維數字化設計成果中相關計算成果質量；精細化設計能力是指三維數字化設計成果對空間的碰撞檢查、距離校驗、材料統計等符合性及一致性等。支撐服務設計作為數字化設計成果在電網建設及工程投運后發揮的服務支撐價值，是實現全過程數字化建設的重要指標，如效果圖輸出、施工動畫、數字化移交，工程計量與核價等功能，具體如圖1所示。

圖1 數字化設計質量評價指標體系

圖1 中，電網工程變電及線路主要專業數字化設計二級評價指標雖然完全一致，但對于不同專業下的二級指標值，因其數字化設計的內容不同，其對設計質量的影響不同，所占的指標權重也必然存在差異。

2 層次分析法確定權重指標

層次分析法作為一種定性與定量相結合的有效分析方法，適用于多層次、多變量、復雜結構系統的權重確定。電網工程數字化設計成果質量是由組成工程項目的各專業成果質量的綜合體現，各專業指標對電網工程成果質量的影響是不同的，需要利用層次分析法對各指標權重進行客觀分析確定。根據圖1確定的質量分析層次結構構造判斷矩陣A＝（rij）n×n，其中rij表示元素i與j的重要性的量化值,其倒數表示元素i比j的不重要程度。

為確保評價指標的一致性，需檢驗判斷矩陣的一致性，對不滿足一致性檢驗的應調整判斷矩陣。以滿足條件的判斷矩陣標度值分別計算出各一級指標及其對應的二級指標權重，同時通過公式（1）可將二級指標權重折算為數字化設計質量評價組合權重。

ωi為一級指標xi對電網工程數字化設計質量的權重，ωij為一級指標xi的第j個二級評價指標xij的權重。

3 灰色聚類評估模型

根據電網數字化設計經驗和質量評價分析，可將電網工程數字化設計質量分為：好、良好、一般、較差、差5種情況，對應的評價集為：V＝{差、較差、一般、良好、好｝＝｛v1、v2、v3、v4、v5}。各數字化設計評價得分越高，說明其質量越好，質量劃分及其提升決策如表2。

表2 電網工程數字化設計質量劃分表

在電網工程數字化設計質量評價中，為了提高質量評估的全面性和準確性，降低專家經驗對指標判斷的主觀性，通過n個評審專家根據設計成果信息對m個評價指標進行評分，以此來評價數字化設計的總體質量水平。那么，第k(k=1,2...n)個專家對于第h個評估指標給出的評分為zkh，根據所有專家評分結果可得成果指標評價樣本矩陣[5]。

建立電網工程數字化設計質量灰色聚類評價模型主要就是確定成果等級、灰數及其對應的灰色聚類函數。灰色聚類函數通常也稱白化權函數，取值范圍為0~1之間，其值越大，說明灰色系統白化程度越高，設計越好。

根據表1所示的數字化設計質量定義，建立如式（3）的灰數和白化權函數。

表1 判斷矩陣的比例標度及含義

圖2 數字化設計質量白話權函數

結合圖2，可將式（3）描述為如下方程式：

對于質量評價指標rij(i=1,2...5;j=1,2...5)，評價灰類的灰色評估系數記為yij,n，各個評價灰類的總灰色評估系數記為yij，第n個評價灰類的灰色評估權記為rij,n，則：

可進一步確定出設計質量關于第n灰類的綜合聚類系數為：

rn、W分別為各一級指標的評價權和指標權重，選取各指標中綜合聚類最大數值對應的評價狀態作為設計質量評價的最終結果。

4 案例分析

以開展電網工程數字化設計試點工作的某220 kV輸變電工程為例，將其設計成果作為評價分析對象，按照層次分析法原理構建權重判斷矩陣A，在通過專家形式結合試點深度要求及工程實際對成果質量進行打分，建立評價矩陣。

計算得出各一級指標的權重值為w0=（0.4035，0.2565，0.1579，0.1098，0.0723），同理，構建5個一級指標對應的二級指標權重判斷矩陣，并逐一計算出各自的權重值。

W1=（0.0594，0.4316，0.2678，0.0790，0.1621）；W2=（0.1599，0.4185，0.2625，0.0618，0.0973）；W3=（0.1520，0.4234，0.2599，0.1034，0.0612）；W4=（0.0973，0.4185，0.2625，0.1599，0.0618）；W5=（0.0973，0.2625，0.1599，0.0618，0.4185）。

根據式（1）可計算得出各二級指標對數字化設計質量的各自權重值為：w=（0.0240，0.1742，0.1081，0.0319，0.0654，0.0410，0.1073，0.0673，0.0159，0.0250，0.0240，0.0669，0.0410，0.0163，0.0097，0.0107，0.0460，0.0288，0.0176，0.0068，0.0070，0.0190，0.0116，0.0045，0.0303）。

通過質量評價矩陣，按照公式（4）可依次得到25個二級指標的灰色評價權為，二級指標數量較多，計算數據量大，僅以b15指標為例進行計算分析，其評價值為（4.5，3.5，2.6，3），根據公式（4）分別計算得出其5個狀態指標評估系數為：

同步計算出fν2=2.1、fν3=0.5、fν4=0、fν5=0，再以式（5）、式（6）計算出其灰色評價權為（0,0.81,0.19,0,0）。

以此計算出全部二級指標權重，采用式（8）綜合計算得出工程數字化設計質量的總體評價結果為：（0.12，0.18，0.32，0.22，0.16），根據評價等級來看，該工程數字化設計成果質量總體一般偏較好。

同時計算出5個一級指標對應的評價結果值為：

變電電氣（0.16，0.24，0.40，0.1，0.1）

變電土建（0.18，0.31，0.25，0.16，0.1）

線路電氣（0.19，0.27，0.29，0.16，0.09）

線路結構（0.09，0.11，0.31，0.35，0.14）

支撐服務（0.28，0.21，0.26，0.14，0.11）

根據計算結果及確定的評價等級可知，變電電氣設計質量為“一般”，變電土建設計質量為“較差”，線路電氣設計質量為“一般”，線路結構設計質量為“較好”，支撐服務質量為“差”。以上計算得出的工程整理數字化設計質量及各個一級指標對應的評價結論與實際情況也較為吻合，驗證了灰色聚類及層次分析法對數字化設計質量評價的實用性。

5 結束語

電網工程數字化設計成果內容眾多，各指標均對成果質量產生一定的影響。在向數字電網轉型發展的過程中，通過數字化設計作為電網數字化發展的一個重要環節，設計成果質量直接決定了其在電網全壽命周期中產生的價值作用，通過科學合理的對設計質量進行評價分析，不斷提升設計質量水平具有重要意義。通過層次分析法及灰色聚類對數字化設計質量進行了客觀定量分析評價，并進行了實例驗證。