重要用戶供電設(shè)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(yáng)

（1.華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.河北省電力物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華北電力大學(xué)），河北 保定 071003）

0 引言

重要電力用戶（下稱，用戶）在國(guó)家或者一個(gè)地區(qū)的社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)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(yè)并未對(duì)用戶進(jìn)行敏感度評(píng)估與分類，所以其供電可靠性和電能質(zhì)量難以切實(shí)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(jù)，也可為后續(xù)的分布式能源并網(wǎng)策略優(yōu)化提供支持。

已有學(xué)者在用戶用電安全的評(píng)估方面做了相關(guān)研究[1]。但是相關(guān)文獻(xiàn)中，關(guān)于用戶對(duì)供電設(shè)備安全與可靠性的敏感度的研究鮮有報(bào)道。

文獻(xiàn)[2]對(duì)用戶在用電時(shí)存在的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了定性的分析，進(jìn)而提出風(fēng)險(xiǎn)的防范與應(yīng)對(duì)策略。文獻(xiàn)[3]針對(duì)用戶用電安全管理構(gòu)建了安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，給出了數(shù)學(xué)模型；但是，該研究存在評(píng)價(jià)指標(biāo)不全面的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[4]使用用戶畫像技術(shù)，全方位分析了用戶的特點(diǎn)，構(gòu)建了針對(duì)用戶提供電力服務(wù)的評(píng)估指標(biāo)體系，并對(duì)用戶進(jìn)行了分類。文獻(xiàn)[5]根據(jù)用戶用電產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)來推測(cè)用戶用電行為，實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶的分類。文獻(xiàn)[6]通過負(fù)荷曲線識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了用戶聚類，使電網(wǎng)公司對(duì)用戶的管理有了參考依據(jù)。文獻(xiàn)[7]以用電安全關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，論述了用戶用電的潛在風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[8]通過考慮售電利潤(rùn)、客戶忠誠(chéng)度以及供電公司存在的風(fēng)險(xiǎn)等因素，實(shí)現(xiàn)了用戶的分類。文獻(xiàn)[9]以電價(jià)為基礎(chǔ)，根據(jù)用戶對(duì)不同收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)的接受能力定義用戶的敏感度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分類。文獻(xiàn)[10]按照用戶的信用度，構(gòu)建了忠實(shí)度評(píng)估指標(biāo)體系。上述研究?jī)H從用戶的經(jīng)濟(jì)效益和負(fù)荷特點(diǎn)角度對(duì)電力用戶進(jìn)行了分類。

在通過供電“放管服”改善營(yíng)商環(huán)境的政策環(huán)境下，為實(shí)現(xiàn)用戶電能供應(yīng)及設(shè)施合理配置，尚需研究一種基于用戶對(duì)供電設(shè)備安全與可靠性的敏感度評(píng)估方法，以便對(duì)用戶的重要等級(jí)進(jìn)行合理劃分與量化評(píng)估。

鑒于此，本文給出用戶對(duì)供電設(shè)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(gè)方面的敏感度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并提出基于層次分析法的多層級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)算法的評(píng)價(jià)及分類方法。

1 敏感度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

1.1 用戶敏感度

電力用戶敏感度，是指當(dāng)對(duì)一個(gè)地區(qū)中某用戶中斷供電所可能造成的人身傷亡、環(huán)境污染、政治影響、經(jīng)濟(jì)損失、社會(huì)公共秩序混亂等事件或情況的嚴(yán)重程度，體現(xiàn)的是該用戶在這個(gè)地區(qū)社會(huì)、政治、經(jīng)濟(jì)生活中所處的地位。

用戶對(duì)供電設(shè)備安全與可靠性的敏感度，是指當(dāng)評(píng)價(jià)供電設(shè)備安全與可靠性的指標(biāo)未滿足用戶預(yù)期時(shí)，用戶對(duì)實(shí)際情況的承受能力。

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

1.2 敏感度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

敏感度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是指標(biāo)的選取[11]。文獻(xiàn)[12]分析了70個(gè)電氣設(shè)備運(yùn)行故障的案例。結(jié)果表明，電力用戶的電氣設(shè)備故障集中在供電電源、配電變壓器和電纜3個(gè)方面。

因此，根據(jù)敏感度定義，本文從供電電源、配電變壓器和電纜3個(gè)方面構(gòu)建敏感度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如表1所示。

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

表1中，指標(biāo)體系包含3個(gè)層次：目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和屬性層。該體系按照遞歸分析方法的規(guī)律，即按照屬性層、準(zhǔn)則層、目標(biāo)層的順序，實(shí)現(xiàn)了自下而上的順序分析。

屬性層敏感度指標(biāo)反映了用戶相關(guān)預(yù)期。若用戶預(yù)期未滿足，則需要根據(jù)用戶的承受能力估算用戶對(duì)該指標(biāo)的敏感度。

（1）用戶對(duì)供電電源的敏感度

用戶對(duì)供電電源的敏感度對(duì)應(yīng)的指標(biāo)包括C1、C2、C3、C4、C5。

C1是指用戶的供電電源數(shù)和回路數(shù)是否滿足用戶預(yù)期。C2是指當(dāng)應(yīng)急電源投入使用時(shí)，能在用戶允許斷電時(shí)間內(nèi)為用戶提供所需電量的概率是否滿足用戶預(yù)期。C3是指當(dāng)多路多電源用戶的某一路電源發(fā)生故障導(dǎo)致其供電中斷后切換到另一路電源所需的時(shí)間是否滿足用戶預(yù)期。C4是指供電中斷導(dǎo)致用戶突然停電的概率是否在用戶可以接受的范圍之內(nèi)。若不在用戶的接受范圍，則需要根據(jù)用戶的承受能力估算用戶對(duì)該指標(biāo)的敏感度。C5是指一次停電的最長(zhǎng)時(shí)間是否在用戶可以接受的范圍之內(nèi)。

（2）用戶對(duì)配電變壓器的敏感度

用戶對(duì)配電變壓器的敏感度對(duì)應(yīng)的指標(biāo)有C6、C7、C8、C9、C10。

C6是指由設(shè)計(jì)、材質(zhì)、工藝共性因素導(dǎo)致的配電變壓器缺陷是否在用戶可以接受的范圍之內(nèi)。C7是指配電變壓器可以使用的最長(zhǎng)年限是否滿足用戶預(yù)期。C8是指實(shí)際電壓與系統(tǒng)標(biāo)稱電壓之差是否在用戶可以接受的范圍之內(nèi)。C9是指在電網(wǎng)正常工作狀態(tài)下，系統(tǒng)頻率與標(biāo)準(zhǔn)值之間的差異是否在用戶能承受的范圍內(nèi)。C10是指變壓器過載時(shí)間占工作時(shí)間的百分比是否在用戶可以接受的范圍之內(nèi)。

（3）用戶對(duì)電纜的敏感度

用戶對(duì)電纜的敏感度對(duì)應(yīng)的指標(biāo)有C11、C12、C13、C14。

C11是指由設(shè)計(jì)、材質(zhì)、工藝共性因素導(dǎo)致的電纜缺陷是否在用戶可以接受的范圍之內(nèi)。C12是指電纜可以使用的最長(zhǎng)年限是否滿足用戶預(yù)期。C13是指通過配置分段開關(guān)對(duì)饋線進(jìn)行的分段優(yōu)化是否滿足用戶預(yù)期。C14是指在用戶所在供電網(wǎng)絡(luò)中，同桿架設(shè)線路和同溝鋪設(shè)線路的總長(zhǎng)度是否滿足用戶預(yù)期。

2 敏感度評(píng)價(jià)方法

模糊綜合評(píng)價(jià)法是一種根據(jù)不同事物帶來的不同特性進(jìn)行歸一化評(píng)價(jià)的方法，適合于各類定性問題轉(zhuǎn)化為定量問題的解決。

2.1 一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)算法

計(jì)算過程如下。

（1）先明確評(píng)價(jià)的對(duì)象集、指標(biāo)集、評(píng)語(yǔ)集[13]。

對(duì)象集A={A1,A2,A3,… ,Am}。

指標(biāo)集C={C1,C2,C3,… ,Cm}。

評(píng)語(yǔ)集是一組評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，用以描述評(píng)價(jià)目標(biāo)，即V= {V1,V2,V3,… ,Vn}。

最后的模糊評(píng)判結(jié)果是在評(píng)語(yǔ)中找到與被評(píng)物最相近的評(píng)價(jià)結(jié)論。

（2）給指標(biāo)設(shè)定權(quán)重，記為向量W。

各指標(biāo)的權(quán)重向量通過層次分析法確定。

第一步。基于現(xiàn)有的評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建判斷矩陣P。P中元素pij根據(jù)九位標(biāo)度法得到。判斷矩陣P的設(shè)定原理如下：

第二步。權(quán)重的設(shè)定與一致性的檢查。

一致性檢驗(yàn)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(cè)量一致性。

式中：CI為判斷一致性的指標(biāo)。

式中：n為判定矩陣階數(shù)；λmax為最大特征值。

在一致性檢驗(yàn)中引入了RI，以度量CI的大小。RI的數(shù)值準(zhǔn)則見表2。

表2 矩陣（n階）的隨機(jī)一致性指標(biāo)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(duì)的特征向量，視為指標(biāo)的權(quán)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(guī)則，開始對(duì)單一指標(biāo)進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)，最終得到評(píng)價(jià)矩陣記為R。

式中：rij表示第i個(gè)評(píng)估指標(biāo)對(duì)評(píng)語(yǔ)集中第j個(gè)評(píng)語(yǔ)的隸屬度。

rij用模糊統(tǒng)計(jì)的方法獲取。

式中：fij表示為評(píng)估對(duì)象中第i個(gè)指標(biāo)隸屬于評(píng)語(yǔ)集中第j個(gè)評(píng)語(yǔ)的數(shù)量。

（4）基于模糊轉(zhuǎn)換計(jì)算評(píng)價(jià)對(duì)象各指標(biāo)最終的評(píng)價(jià)矩陣，計(jì)算方法為：

式中：“°”表示模糊合成運(yùn)算；W為指標(biāo)權(quán)重向量；Rj為第j個(gè)評(píng)價(jià)對(duì)象的隸屬度矩陣。

為了考慮多種因素，選用加權(quán)平均型M(·,+)算子來計(jì)算：

按照最大隸屬度原則，最大的bjk對(duì)應(yīng)評(píng)語(yǔ)集V中的第k個(gè)評(píng)語(yǔ)，即為評(píng)估對(duì)象的評(píng)估結(jié)果。

2.2 多層級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)算法

對(duì)于一些復(fù)雜的系統(tǒng)，涉及指標(biāo)會(huì)較多，需要考慮的因素也較多。此時(shí)，如果仍采用一級(jí)模糊綜合評(píng)判，將存在2個(gè)問題：一是因素太多，權(quán)重分布難以確定；另一方面，即使確定了權(quán)重分布，由于需要滿足規(guī)范化條件，每個(gè)因素的權(quán)重也會(huì)很小。對(duì)于這樣的系統(tǒng)，宜采用多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)方法。

本文采用2級(jí)系統(tǒng)解決用戶對(duì)供電設(shè)備安全與可靠性的敏感度分析問題。

多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)建立在對(duì)屬性層指標(biāo)進(jìn)行一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)之上。將結(jié)果評(píng)價(jià)矩陣Bj歸一化后合成矩陣B，再用層次分析法確定準(zhǔn)則層各指標(biāo)的權(quán)重W向量，最后根據(jù)公式E=WB計(jì)算出最終的評(píng)估矩陣[21]。

3 算例分析

采用多級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)某科技開發(fā)區(qū)用戶進(jìn)行供電設(shè)備安全可靠性的敏感度分析。

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

根據(jù)表 1建立的指標(biāo)體系，可確定指標(biāo)集C={C1,C2,C3,… ,C14}。

將用戶對(duì)供電設(shè)備安全可靠性的敏感度的評(píng)語(yǔ)集設(shè)定為：V={V1,V2,V3,… ,V5} ={低，中低，中，中高，高}

（2）打分專家團(tuán)隊(duì)由3～5位電力行業(yè)資深技術(shù)人員組成，打分結(jié)果取平均值。

準(zhǔn)則層。首先，對(duì)指標(biāo)體系同一層次的各因素相對(duì)于上一層因素的重要性進(jìn)行兩兩比較，獲取各評(píng)判矩陣。準(zhǔn)則層相對(duì)于目標(biāo)層的判斷矩陣記為P1：

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

根據(jù)獲取的各判斷矩陣，經(jīng)過計(jì)算，得出各級(jí)指標(biāo)權(quán)重。經(jīng)驗(yàn)證滿足一致性。各指標(biāo)權(quán)重如表3所示。

表3 各級(jí)指標(biāo)權(quán)重Tab.3 Index weight at all levels

（3）各指標(biāo)相對(duì)于各評(píng)語(yǔ)的隸屬度由以下2種方式確定。

對(duì)于指標(biāo)C1、C2、C3、C4、C5、C13和C14，隸屬度主要通過對(duì)用戶進(jìn)行問卷調(diào)查獲得。

對(duì)于指標(biāo)C6、C7、C8、C9、C10、C11和C12，采用如圖1和圖2所示的改進(jìn)嶺形分布[20]作為隸屬函數(shù)構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)矩陣R。

對(duì)應(yīng)極大型狀態(tài)值（C6、C7、C11、C12）如圖1所示。對(duì)應(yīng)極小型狀態(tài)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(shù)的邊界參數(shù)。

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

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

用戶各屬性層指標(biāo)對(duì)應(yīng)敏感度等級(jí)的隸屬函數(shù)分別如式（8）～（12）所示。

結(jié)合圖1、圖2所示分布曲線，將設(shè)備狀態(tài)值代入式（8）～（12）中即可得到用戶各屬性層指標(biāo)與敏感度的模糊關(guān)系。邊界參數(shù)根據(jù)各指標(biāo)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(píng)分情況。

表4 用戶A1各指標(biāo)與敏感度的模糊關(guān)系Tab.4 Fuzzy relationship between indexes and sensitivity of users A1

表5 用戶A2各指標(biāo)與敏感度的模糊關(guān)系Tab.5 Fuzzy relationship between indexes and sensitivity of users A2

表6 用戶A3各指標(biāo)與敏感度的模糊關(guān)系Tab.6 Fuzzy relationship between indexes and sensitivity of users A3

以用戶A1為例。根據(jù)表4和式（5）計(jì)算用戶A1的隸屬度矩陣R1。

（4）確定用戶的評(píng)估矩陣，最終得到用戶的敏感度等級(jí)。

根據(jù)式（6）和式（7），計(jì)算得到用戶A1的評(píng)估矩陣E1。

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

同理，對(duì)用戶A2～A10進(jìn)行評(píng)估，得到評(píng)估矩陣E2～E10。

根據(jù)各個(gè)用戶的最大隸屬度，得到敏感度分析結(jié)果如表7所示。

表7 模糊綜合評(píng)價(jià)法評(píng)估結(jié)果Tab.7 Evaluation results of fuzzy comprehensive evaluation method

在表7評(píng)價(jià)結(jié)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(jí)結(jié)果與電力用戶重要等級(jí)相符。該結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了本文敏感度評(píng)價(jià)與分類方法的正確性。

4 結(jié)論

本文在定義用戶對(duì)供電設(shè)備安全與可靠性的敏感度的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了敏感度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并提出了相應(yīng)的評(píng)價(jià)方法，通過實(shí)例對(duì)方法進(jìn)行了驗(yàn)證。

（1）從供電電源、配電變壓器、電纜3個(gè)方面構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，能比較全面地分析用戶對(duì)各單一指標(biāo)的敏感度。

（2）利用問卷調(diào)查和改進(jìn)的嶺型分布作為隸屬度函數(shù)構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣，其得到的結(jié)果較為準(zhǔn)確穩(wěn)定，同時(shí)又保證了評(píng)價(jià)結(jié)果的客觀性。

（3）評(píng)價(jià)結(jié)果包含豐富的信息，不僅能準(zhǔn)確描述評(píng)價(jià)對(duì)象，還能進(jìn)一步處理和獲取參考信息。

對(duì)某區(qū)10家用戶進(jìn)行實(shí)例分析結(jié)果顯示，用戶的敏感度等級(jí)與《用戶供電電源及自備應(yīng)急電源配置技術(shù)規(guī)范》中認(rèn)定的用戶重要等級(jí)基本相符。所以，該方法具有正確性和有效性。