基于AHP-模糊综合评价法的配电开关一二次融合关键因素分析*

张 凯 冯 光 徐铭铭 葛国伟

(1. 国网河南省电力公司 郑州 450052； 2. 国网河南省电力公司电力科学研究院 郑州 450052； 3. 郑州大学电气工程学院 郑州 450001)

1 引言

配电开关一二次深度融合是智能配电网发展的必然趋势[1]，现阶段电网的一二次设备相对基本独立，将一次智能电气设备与二次智能控制单元设备成套融合安装在一起，即将二次设备置于高压设备内，使得电力一二次设备之间没有明显的界限，对FTU馈线终端的运行可靠性提出更高要求，将改变现有一二次电力设备生产厂家的市场格局与模式。于传统行业二次电力设备企业而言，既是机遇，亦是挑战。配电开关一二次设备分开设计、加工与制造的模式不但导致一二次设备组装后需要进行大量的接口匹配与接线工作，而且很多功能因未进行一体化设计而最终无法实现，甚至出现相互干扰的现象，大大降低了配电开关的可靠性与运行稳定性[2-7]。因此，一二次融合配电开关入网检测迫切需要明确影响一二次融合配电开关设备的关键因素。

近年来国内外学者采用层次分析、神经网络等智能算法对开关设备运行状态进行评估。文献[8]采用灰关联度思想得到主观权重，基于数据变异度的熵权法得到客观权值，将组合赋权思想引入断路器状态评估体系中，评估结果为断路器的进一步维修与制造提供指导。文献[9]以高压断路器为研究对象，通过物元可拓理论和证据融合理论改进评估模型。文献[10]中作者构建了模糊层次分析法，适用于配电开关一二次融合设备关键因素分析的评价。另外，针对电网安全、运行状态以及收支效益的评价体系已有大量研究[11-16]。上述研究主要针对传统高压断路器的状态评估分析，对一二次融合配电 开关衍生的关键因素分析尚缺乏系统、深入的 研究。

本文针对影响配电开关一二次设备融合性能和寿命的关键因素，采用多种评估决策模型，分析了影响其性能的关键性因素，建立了配电开关一二次融合关键因素综合评价模型，将组合赋权法和模糊综合评判理论应用到配电开关一二次融合综合评价模型中，实现对配电开关一二次融合的综合评价。

2 配电开关一二次融合设备关键因素评价指标体系的构建

为有效构建配电开关一二次融合关键因素评价指标体系，参考相关研究成果[2-6]，结合配电开关发展现状，筛选出比较贴近配电开关一二次融合关键因素实际的评价标准。初步确定了温度、压力、电磁干扰、局部放电的准则层，筛选出11项适合配电开关一二次融合关键因素的评价指标。温度准则层主要考虑温度对二次设备电子元件、采集单元以及馈线终端差分放大电路的影响；压力准则层主要考虑不同海拔对一二次融合设备以及开关内部压力对一二次融设备的影响。同样，配电开关一二次融合设备准则层电磁干扰因素分为内部干扰、人为干扰与自然干扰[15]；准则层局部放电因素包含内部放电、表面放电与电晕放电。配电开关一二次融合设备关键因素评价体系从3个层面选取指标量，包含1个目标层，4个要素层，11个指标层(图1)。

图1 配电开关一二次融合关键因素评价指标体系

3 评价方法的确定

根据确定权重的不同，常用评价体系方法可分为两类。一类是主观赋权，包括层次分析法(Analytic hierarchy process，AHP)、综合指数法以及功能系数法等；另一类则是包含主成分分析法、因子分析法、熵权法等的客观赋权方法。而采用单一方法时，存在一定弊端，如主观赋权法过度依赖评分专家意见，无法反映客观评分意见；客观赋权法又忽视了评价指标的主观定性分析。因此，科学地选择权重确定方法，采用组合赋权的方式是进行评价体系构建的重要选择。模糊综合评价法是依靠模糊数学中的隶属度来将定性评价变成定量评价。其优点是结果清晰、系统性较强，适用于本配电开关一二次融合设备关键因素问题的评价流程，且此方法能更好地处理配电开关一二次融合影响因素界定模糊、不易量化等问题。

3.1 AHP-熵权法

结合AHP与熵权法的组合赋权，计算步骤如下。

(1) 第一步，层次分析法的计算。

1) 建立配电开关一二次融合关键因素层次分析结构。

2) 构建判断矩阵。采用1～9及其倒数标度法构建判断矩阵表示同级别指标相对上层元素的重要性，用表Saaty1～9标度法定义判断矩阵，如表1所示。

3) 将判断矩阵代入已经编好的Matlab程序中，可计算出该配电开关一二次融合设备关键因素判断矩阵的最大特征值λmax和特征向量，进而确定配电开关一二次融合设备关键因素各层所对应的权重。

4) 对计算结果进行一致性检验。若CR＜0.1，则该配电开关一二次融合设备关键因素判断矩阵通过一致性检验，否则重新构建，直至一致性检验通过。

5) 计算公式为

式中，RI为随机性指标，根据矩阵阶数n进行取值。

表1 判断矩阵标度及含义

(2) 第二步，熵权法计算。

1) 根据初始测量数据和评分集进行对比，形成原始矩阵C′。

式中，m表示配电开关一二次融合设备方案层评估对象的个数；n表示配电开关一二次融合设备方案层评估对象对应的评估指标数；Cij表示第i个评估对象对第j个指标的评估结果。

2) 客观权重的计算。首先得到第j个指标下的第i个评估对象的比重Pij。

3) 计算得到熵值ej

4) 得到客观权重

3.2 模糊综合评价分析

配电开关一二次融合设备性能复杂，受干扰因素多，且运行状态易发生改变。为获得准确的评估效果，本文所用方案评估流程如图2所示。

图2 本文所用方案评估流程图

本文模糊评估的基本方案如下所示。

(1) 评语级的确立与指标权重的确定。根据配电开关一二次融合设备关键因素的影响程度，其评语集集合可以描述为{重，较重，一般，较轻，轻}；收集配电开关一二次融合设备关键因素问卷整理资料，按照各因素得分比重进行数据处理，进而对各因素权重进行确定。

(2) 评估集的确定R。将原始测量数据统一标准化处理后代入隶属度数后，即可得到所需的评语集R为

(3) 模糊综合运算。经过前两步的计算得到综合权重W糊评估集R，利用公式B=W×R进行配电开关一二次融合设备关键因素各层对应的模糊计算。计算得出准则层指标的模糊综合评价向量Bj，然后运用同样的方式计算出配电开关一二次融合设备关键因素的模糊综合评价结果向量B0。

4 案例分析

文中采用将层次分析法和熵权法结合，用于对能够反映配电开关一二次融合关键因素的指标进行组合赋权，并以温度因素为例，运用模糊综合分析法进行分析。

4.1 指标权重的计算

(1) 对于准则层的主观权重利用层次分析法构建的判断矩阵为

对于配电开关一二次融合设备准则层的判断矩阵进行一致性检验，结果显示，CR=0.089 89＜0.1，则该判断矩阵满足一致性检验。对配电开关一二次融合设备准则层所计算的主观权重结果如表2 所示。

对于准则层的客观权重的计算按照专家打分及定量处理的方式构建断路器的原始矩阵，并依据所述的熵权法进行客观权重的计算，对应准则层的客观权重的计算结果如表2所示。

表2 在配电开关一二次融合设备关键因素 准则层权重处理结果

对于准则层的综合权重，按照组合权重的计算方法，对每项指标的组合权重计算采用选取主观权重和客观权重算术平均值的方式计算出每项指标的综合权重。

(2) 对于配电开关一二次融合设备关键因素方案层温度因素的主观权重利用层次分析法构建的判断矩阵为

对于配电开关一二次融合设备方案层温度因素的判断矩阵进行一致性校验，结果显示CR=0.081＜0.1，则该矩阵满足一致性检验。对于配电开关一二次融合设备方案层温度因素所计算的主观权重结果如表3所示。

对于配电开关一二次融合设备关键因素方案层温度因素的客观权重的计算按照专家打分及定量处理的方式构建断路器的原始矩阵，并依据所述的熵权法进行客观权重的计算，对应配电开关一二次融合设备关键因素方案层温度因素的客观权重的计算结果如表3所示。

对于配电开关一二次融合设备关键因素方案层温度因素的综合权重，按照组合权重的计算方法，对每项指标的组合权重计算采用选取主观权重和客观权重算术平均值的方式计算出每项指标的综合 权重。

表3 温度因素权重处理结果

(3) 对于配电开关一二次融合设备关键因素方案层压力因素的主观权重利用层次分析法构建的判断矩阵为

对于配电开关一二次融合设备方案层压力因素的判断矩阵进行一致性检验，结果显示CR=0＜0.1，则该矩阵满足一致性。对于配电开关一二次融合设备方案层压力因素的主观权重结果如表4所示。

对于配电开关一二次融合设备关键因素方案层压力因素的客观权重的计算按照专家打分及定量处理的方式构建断路器的原始矩阵，并依据所述的熵权法进行客观权重的计算，对应配电开关一二次融合设备关键因素方案层压力因素的客观权重的计算结果如表4所示。

表4 压力因素权重处理结果

对于配电开关一二次融合设备关键因素方案层压力因素的综合权重，按照组合权重的计算方法，对每项指标的组合权重计算采用选取主观权重和客观权重算术平均值的方式计算出每项指标的综合 权重。

(4) 对于配电开关一二次融合设备关键因素方案层电磁干扰因素的主观权重利用层次分析法构建的判断矩阵为

对于配电开关一二次融合设备方案层电磁干扰因素的判断矩阵进行一致性检验，结果显示CR=0.092 9＜0.1，则该矩阵满足一致性。对于配电开关一二次融合设备方案层电磁干扰因素的主观权重结果如表5所示。对于配电开关一二次融合设备关键因素方案层电磁干扰因素的客观权重的计算按照专家打分及定量处理的方式构建断路器的原始矩阵，并依据所述的熵权法进行客观权重的计算得到电磁干扰因素的客观权重。

表5 电磁干扰因素权重处理结果

对于配电开关一二次融合设备关键因素方案层电磁干扰因素的综合权重，按照组合权重的计算方法，对每项指标的组合权重计算采用选取主观权重和客观权重算术平均值的方式计算出每项指标的综合权重。

(5) 对于配电开关一二次融合设备关键因素方案层局部放电因素的主观权重利用层次分析法构建的判断矩阵为

对于配电开关一二次融合设备方案层局部放电因素的判断矩阵进行一致性检验，结果显示CR=0.012 24＜0.1，则该矩阵满足一致性检验。对于配电开关一二次融合设备方案层局部放电因素的主观权重结果如表6所示。对于配电开关一二次融合设备方案层局部放电因素的客观权重的计算按照专家打分及定量处理的方式构建断路器的原始矩阵，并依据所述的熵权法进行客观权重的计算，得到配电开关一二次融合设备方案层局部放电因素的客观权重对于配电开关一二次融合设备方案层局部放电因素的综合权重，按照组合权重的计算方法，对每项指标的组合权重计算采用选取主观权重和客观权重算术平均值的方式计算出每项指标的综合权重。

表6 局部放电因素权重处理结果

4.2 配电开关一二次融合关键因素综合评估

根据专家组打分结果对配电开关一二次融合进行状态评估。依据模糊综合评判理论，需要将测评结果代入分段函数模型中确立其评语集，模糊列向量矩阵对应的配电开关一二次融合影响程度依次为重、较重、一般、较轻、轻。

对于配电开关一二次融合设备方案层温度因素根据其测试评分结果代入分段函数后的评判矩阵R1为

进一步通过模糊综合评估理论对配电开关一二次融合关键因素的温度因素的模糊合成运算向量进行计算得到B1=(0.147 5 0.056 3 0.756 2 0.04 0)。

同理得到配电开关一二次融合设备方案层的压力，电磁干扰和局部放电的模糊合成运算向量B2=(0.16 0.04 0.153 5 0.646 5 0)、B3=(0.168 9 0.640 1 0.159 9 0.031 14 0) 和B4=(0.149 2 0.122 1 0.581 5 0.142 8 0)。同时根据模糊运算理论将B1、B2、B3和B4进行组合形成对配电开关一二次融合关键因素分析的整体评判矩阵R0，对配电开关一二次融合的关键因素进行多层次模糊综合运算，可得配电开关一二次融合关键因素的模糊运算合成向量B0=(0.162 1 0.409 1 0.311 1 0.117 7 0)。

从初步大的模糊运算结果可以看出，状态“较重”的隶属度最大，依据最大隶属度原则，初步判断配电开关一二次融合关键因素影响程度为“较重”。其中，电磁干扰在影响配电开关一二次融合的关键因素中处于“较重”的程度，局部放电和温度处于“一般”的程度，压力处于“较轻”的程度。

5 结论

配电开关一二次融合影响因素分析以及状态评估对于配电开关入网检测具有重要意义。文中以配电开关一二次融合设备为研究对象，提出了一种配电开关一二次融合关键因素的综合评价方法，由综合评价方法可得到以下结论。

(1) 建立了配电开关一二次融合综合评价模型，采用组合赋权法有效避免了单一权重赋予方法的弊端，根据模糊合评估方法，实现了对影响配电开关一二次融合关键因素的综合评价。

(2) 分析结果表明，电磁干扰在配电开关一二次设备融合关键因素中影响较大，局部放电与温度次之，压力影响较小，结果对配电开关一二次融合设备的运行与检测提供一定的工程指导意义。