CN107742040A - 一种基于topsis和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统风险评估技术领域，更具体地，涉及一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法,克服现有技术的缺点和不足，完善输电线路综合风险评估方法。提供了一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法。

Description

一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估 方法

技术领域

本发明涉及电力系统风险评估技术领域，更具体地，涉及一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法。

背景技术

随着全球气候的变化，使得极端恶劣的自然灾害对电力系统的影响更加频繁，据统计，电网架空输电线路遭遇雷击、强风、覆冰、鸟害、污秽、山火、泥石流、滑坡沉陷等恶劣自然灾害而发生故障的频率正在逐年升高。目前来看，对于输电线路在恶劣自然灾害下能够安全稳定运行的形势显得越来越严峻，虽然国内外有很多机构开展了在不同气象灾害下输电线路的风险评估方法研究，但研究内容大多是针对单个气象灾害对线路运行进行风险评估，而架空输电线路往往延绵数百上千公里，在多数情况下，线路沿线可能会同时遭受到多种气象灾害的威胁。面对这些灾害发生的不确定性、不相互独立性以及线路之间遭遇灾害的差异性等，电网运行维护部门将无法快速准确把握各线路之间的风险高低，继而无法有针对性的对风险最高的线路进行重点防护。

据有关文献介绍，对于考虑多种自然灾害的输电线路综合风险评估，目前主要有两种方法。文献(熊小伏，王尉军，于洋，沈智健，程韧俐，戴志勇.多气象因素组合的输电线路风险分析[J].电力系统及其自动化学报，2011，23(06):11-15+28.)建立了计及不同气象等级和不同气象因素的输电线路故障率模型，提出一种基于灰色模糊理论的多气象因素组合的输电线路风险分析方法。以气象条件作为评判因素，建立输电线路等级评价体系，通过隶属度函数所描述的评判因素与风险等级间的模糊关系以及描述模糊关系不可信程度的点灰度来评判输电线路风险结果。该方法存在的不足之处是，模型结构复杂，不便于具体实施，采用模糊关系来确定线路风险等级，无法准确的反映各输电线路之间的综合风险强弱。文献(邓红雷，戴栋，李述文.基于层次分析-熵权组合法的架空输电线路综合运行风险评估[J].电力系统保护与控制，2017，45(01):28-34.)提出了一种基于层次分析-熵权组合的输电线路综合运行风险评估方法，通过层次分析法确定主观权重，熵权法确定客观权重，并利用最小二乘法将主客观权重进行组合优化，确定各自然灾害的风险权重，最后建立了采用风险权重、风险概率以及风险后果来表征线路综合运行风险的评估模型。该方法存在的不足之处是，仅以历史跳闸次数与线路总跳闸次数之比作为风险概率，对于评估线路综合风险误差较大，且风险后果量化时需要人为设定的影响系数较多，相比于风险概率的变化更大，对于所求的综合风险值会因主观设定的量化值而有较大的变化，不能准确的辨识出输电线路之间的风险差异。

发明内容

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法，克服现有技术的缺点和不足，完善输电线路综合风险评估方法。提供了一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法，包括以下步骤：

S1：获取近几年来各线路跳闸统计资料，分别计算每条线路在雷击、大风、覆冰、鸟害、山火和外力破坏情况下的平均跳闸率；

S2：将各输电线路作为评价方案，步骤S1中六种自然灾害类型作为评价指标，建立用于评估输电线路综合风险的原始决策矩阵；

S3：利用改进层次分析法计算六种自然灾害类型的主观权重向量，利用G1法计算六种自然灾害类型的主观权重向量；

S4：利用熵权法计算六种自然灾害类型的客观权重向量，利用标准差和平均差极大化法计算六种自然灾害类型的客观权重向量；

S5：根据矩估计理论，将主观权重与客观权重集成得到最优组合权重向量；

S6：对步骤S2中的原始决策矩阵作无量纲化处理，并与步骤S5中的最优组合权重相乘得到加权决策矩阵；

S7：根据已构建的加权决策矩阵，确定各方案的理想解和负理想解，采用欧氏距离计算与理想解和负理想解的距离；

S8：计算各方案与理想解的相对贴近度，通过贴近度来分析各输电线路综合风险评估结果。

进一步的，在步骤S1中，获取近几年来各线路跳闸统计资料，分别计算每条线路在雷击、大风、覆冰、鸟害、山火和外力破坏(包括泥石流、滑坡)情况下的平均跳闸率；

平均跳闸率＝跳闸次数/(线路长度*100*年数)(次*(100km*a)^-1)。

进一步的，在步骤S2中，原始决策矩阵形式如下：

式中，n为自然灾害类型个数，m为输电线路条数，r_ij为第i条线路第j种自然灾害下的平均跳闸率。

进一步的，在步骤S3中，将各自然灾害给线路带来的危害相对性大小排序为：雷击>覆冰>山火>外力破坏>大风>鸟害，利用改进层次分析计算程序与G1法计算程序计算主观权重向量。

进一步的，在步骤S4中，利用步骤S2中的原始决策矩阵，通过熵权法计算程序与标准差和平均差极大化法计算程序计算客观权重向量。

进一步的，在步骤S5中，取主观权重和客观权重的相对重要程度系数为α和β，则集成组合权重的优化模型为：

式中，w_k、w_ik和w_jk分别为权重向量W、W_i和W_j的第k个权重系数，且满足0≤w_k≤1，

根据矩估计理论的基本思想分别计算主客观权重下不同指标权重系数期望值：

计算主观权重下不同评价指标的重要系数α_k：

继续采用矩估计理论的基本思想，确定主客观权重的相对重要程度系数分别为α和β：

将上式α和β代入集成组合权重的优化模型中，联立约束条件利用MATLAB计算程序计算出最优组合权重向量W。

进一步的，在步骤S6中，对原始决策矩阵作无量纲化处理建立标准化决策矩阵V＝(v_ij)_m×n时，取越大越优型指标：

式中，v_ij为指标特征值归一化值，r_max(j)、r_min(j)分别为第j个指标的最大值和最小值。

在构建加权决策矩阵X＝(x_ij)_m×n时，将最优组合权重与标准化决策矩阵元素相乘，形式如下：

x_ij＝w_j·v_ij

式中，w_i为最优组合权重向量W中第j种自然灾害类型的权重。

进一步的，在步骤S7中，确定各方案的理想解S⁺和负理想解S^-时，取越大越优型指标：

在计算与理想解与负理想解的距离时，采用如下公式：

进一步的，在步骤S8中，计算各方案与理想解的相对贴近度公式如下：

式中，β_i值越大，表示第i个方案越接近理想值，即第i条输电线路综合风险越高。

与现有技术相比，有益效果是：综合考虑了雷击、大风、覆冰、鸟害、山火和外力破坏六种恶劣自然灾害情况对架空输电线路的影响，结合主客观权重赋值方法，对多个评价指标进行组合优化赋权，基于TOPSIS模型，通过计算各方案与理想解的相对贴近度来评估各线路的综合风险情况，确定线路间的风险差异。相比于现有的考虑多种自然灾害的输电线路综合风险评估方法，本发明结合了多种主观赋权与客观赋权方法，并通过矩估计理论确定最终权重，兼顾了专家经验知识与被评方案各指标间的内在联系，且TOPSIS模型的应用使各线路综合风险的计算过程变得更加简单，通过客观数据与最优组合权重计算得出的评估结果更为科学、更为准确。本发明构思新颖、方法合理、实施方便、效果显著，能够明显的区分输电线路在多种自然灾害下的综合风险差异，为电网运行维护部门提供有效的参考。

附图说明

图1是本发明在一个实施例中的流程步骤图；

图2是本发明在一个实施例中输电线路综合风险评估流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法，包括以下步骤：

S1：获取近几年来各线路跳闸统计资料，分别计算每条线路在雷击、大风、覆冰、鸟害、山火和外力破坏情况下的平均跳闸率；

S2：将各输电线路作为评价方案，步骤S1中六种自然灾害类型作为评价指标，建立用于评估输电线路综合风险的原始决策矩阵；

S3：利用改进层次分析法计算六种自然灾害类型的主观权重向量，利用G1法计算六种自然灾害类型的主观权重向量；

S4：利用熵权法计算六种自然灾害类型的客观权重向量，利用标准差和平均差极大化法计算六种自然灾害类型的客观权重向量；

S5：根据矩估计理论，将主观权重与客观权重集成得到最优组合权重向量；

S6：对步骤S2中的原始决策矩阵作无量纲化处理，并与步骤S5中的最优组合权重相乘得到加权决策矩阵；

S7：根据已构建的加权决策矩阵，确定各方案的理想解和负理想解，采用欧氏距离计算与理想解和负理想解的距离；

S8：计算各方案与理想解的相对贴近度，通过贴近度来分析各输电线路综合风险评估结果。

在本实施例中，在步骤S1中，获取近几年来各线路跳闸统计资料，分别计算每条线路在雷击、大风、覆冰、鸟害、山火和外力破坏(包括泥石流、滑坡)情况下的平均跳闸率；

平均跳闸率＝跳闸次数/(线路长度*100*年数)(次*(100km*a)^-1)。

在本实施例中，在步骤S2中，原始决策矩阵形式如下：

式中，n为自然灾害类型个数，m为输电线路条数，r_ij为第i条线路第j种自然灾害下的平均跳闸率。

在本实施例中，在步骤S3中，将各自然灾害给线路带来的危害相对性大小排序为：雷击>覆冰>山火>外力破坏>大风>鸟害，利用改进层次分析计算程序与G1法计算程序计算主观权重向量。

在本实施例中，在步骤S4中，利用步骤S2中的原始决策矩阵，通过熵权法计算程序与标准差和平均差极大化法计算程序计算客观权重向量。

在本实施例中，在步骤S5中，取主观权重和客观权重的相对重要程度系数为α和β，则集成组合权重的优化模型为：

式中，w_k、w_ik和w_jk分别为权重向量W、W_i和W_j的第k个权重系数，且满足0≤w_k≤1，

根据矩估计理论的基本思想分别计算主客观权重下不同指标权重系数期望值：

计算主观权重下不同评价指标的重要系数α_k：

继续采用矩估计理论的基本思想，确定主客观权重的相对重要程度系数分别为α和β：

将上式α和β代入集成组合权重的优化模型中，联立约束条件利用MATLAB计算程序计算出最优组合权重向量W。

在本实施例中，在步骤S6中，对原始决策矩阵作无量纲化处理建立标准化决策矩阵V＝(v_ij)_m×n时，取越大越优型指标：

式中，v_ij为指标特征值归一化值，r_max(j)、r_min(j)分别为第j个指标的最大值和最小值。

在构建加权决策矩阵X＝(x_ij)_m×n时，将最优组合权重与标准化决策矩阵元素相乘，形式如下：

x_ij＝w_j·v_ij

式中，w_i为最优组合权重向量W中第j种自然灾害类型的权重。

在本实施例中，在步骤S7中，确定各方案的理想解S⁺和负理想解S^-时，取越大越优型指标：

在计算与理想解与负理想解的距离时，采用如下公式：

在本实施例中，在步骤S8中，计算各方案与理想解的相对贴近度公式如下：

式中，β_i值越大，表示第i个方案越接近理想值，即第i条输电线路综合风险越高。

下面，结合10条电压等级为220kV的架空输电线路对本发明的实施例作进一步的描述。

输电线路综合风险评估流程图如图2所示，本发明综合考虑雷击、大风、覆冰、鸟害、山火和外力破坏这六种恶劣自然灾害对架空输电线路的影响，根据历史跳闸数据计算各输电线路在不同自然灾害条件下的平均跳闸率，以各输电线路作为评价方案，自然灾害类型作为评价指标，建立用于评估输电线路综合风险的原始决策矩阵，分别利用改进层次分析法、G1法计算主观权重，再利用熵权法、标准差和平均差最大化法计算客观权重，根据矩估计理论将主客观权重进行集成获得最优组合权重，基于TOPSIS模型，构建加权决策矩阵，并计算各方案的理想解和负理想解，最后根据各方案与理想解的相对贴近程度来实现输电线路的综合风险评估。具体步骤如下：

(1)获取近5年来这10条线路跳闸统计资料，分别计算每条线路在雷击、大风、覆冰、鸟害、山火和外力破坏(包括泥石流、滑坡)情况下的平均跳闸率，按下式计算：

平均跳闸率＝跳闸次数/(线路长度*100*年数)(次*(100km*a)^-1)

(2)将这10条输电线路作为评价方案，步骤(1)中六种自然灾害类型作为评价指标，建立用于评估输电线路综合风险的原始决策矩阵R；

(3)利用改进层次分析法计算六种自然灾害类型的主观权重向量W₁，利用G1法计算六种自然灾害类型的主观权重向量W₂；

W₁＝[0.4679 0.0384 0.2613 0.0214 0.1385 0.0724]

W₂＝[0.3237 0.1095 0.2023 0.0995 0.1446 0.1204]

(4)利用熵权法计算六种自然灾害类型的客观权重向量W₃，利用标准差和平均差极大化法计算六种自然灾害类型的客观权重向量W₄；

W₃＝[0.0848 0.0466 0.2741 0.1355 0.2001 0.2589]

W₄＝[0.1048 0.1865 0.1784 0.2252 0.1840 0.1212]

(5)根据矩估计理论，将主观权重与客观权重集成得到最优组合权重向量W；

W＝[0.2324 0.0981 0.2297 0.1268 0.1700 0.1430]

(6)对步骤(2)中的原始决策矩阵作无量纲化处理，并与步骤(5)中的最优组合权重相乘得到加权决策矩阵X；

(7)根据已构建的加权决策矩阵，确定各方案的理想解和负理想解，采用欧氏距离计算与理想解和负理想解的距离S_d ⁺和S_d ^-；

S_d ⁺＝[0.4520 1.5217 1.2448 0.1903 1.5518 0.2500 0.6566 1.7968 1.80561.0230]^T

S_d ^-＝[1.3772 0.3556 0.6004 1.7942 0.2829 1.5904 1.1933 0.1132 0.15730.8018]^T

(8)最后计算各方案与理想解的相对贴近度向量β，通过贴近度来分析各输电线路综合风险评估结果。

表1 10条220kV线路综合风险评估结果

表1是10条220kV线路综合风险评估结果。考虑近5年的历史跳闸数据，分雷击、大风、覆冰、鸟害、山火和外力破坏这六种风险指标，对10条220kV线路进行综合风险评估，通过相对贴近度的大小可以确定线路4为风险最高的线路，线路8的综合风险最低。风险排序依次为线路4＞线路6＞线路1＞线路7＞线路10＞线路3＞线路2＞线路5＞线路9＞线路8。因此，运行人员应该加强对线路4、线路6、线路1、线路7和线路10的重点防范。从表1中还可看出，线路综合风险排序结果与线路5年来线路总跳闸率具有一致性，说明本发明所描述的综合风险评估模型具有合理性。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：获取近几年来各线路跳闸统计资料，分别计算每条线路在雷击、大风、覆冰、鸟害、山火和外力破坏情况下的平均跳闸率；

S2：将各输电线路作为评价方案，步骤S1中六种自然灾害类型作为评价指标，建立用于评估输电线路综合风险的原始决策矩阵；

S3：利用改进层次分析法计算六种自然灾害类型的主观权重向量，利用G1法计算六种自然灾害类型的主观权重向量；

S4：利用熵权法计算六种自然灾害类型的客观权重向量，利用标准差和平均差极大化法计算六种自然灾害类型的客观权重向量；

S5：根据矩估计理论，将主观权重与客观权重集成得到最优组合权重向量；

S6：对步骤S2中的原始决策矩阵作无量纲化处理，并与步骤S5中的最优组合权重相乘得到加权决策矩阵；

S7：根据已构建的加权决策矩阵，确定各方案的理想解和负理想解，采用欧氏距离计算与理想解和负理想解的距离；

S8：计算各方案与理想解的相对贴近度，通过贴近度来分析各输电线路综合风险评估结果。

2.根据权利要求1所述的一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法，其特征在于，在步骤S1中，获取近几年来各线路跳闸统计资料，分别计算每条线路在雷击、大风、覆冰、鸟害、山火和外力破坏情况下的平均跳闸率；

平均跳闸率＝跳闸次数/(线路长度*100*年数)(次*(100km*a)^-1)。

3.根据权利要求1所述的一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法，其特征在于，在步骤S2中，原始决策矩阵形式如下：

式中，n为自然灾害类型个数，m为输电线路条数，r_ij为第i条线路第j种自然灾害下的平均跳闸率。

4.根据权利要求1所述的一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法，其特征在于，在步骤S3中，将各自然灾害给线路带来的危害相对性大小排序为：雷击>覆冰>山火>外力破坏>大风>鸟害，利用改进层次分析计算程序与G1法计算程序计算主观权重向量。

5.根据权利要求1所述的一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法，其特征在于，在步骤S4中，利用步骤S2中的原始决策矩阵，通过熵权法计算程序与标准差和平均差极大化法计算程序计算客观权重向量。

6.根据权利要求1所述的一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法，其特征在于，在步骤S5中，取主观权重和客观权重的相对重要程度系数为α和β，则集成组合权重的优化模型为：

式中，w_k、w_ik和w_jk分别为权重向量W、W_i和W_j的第k个权重系数，且满足0≤w_k≤1，

根据矩估计理论的基本思想分别计算主客观权重下不同指标权重系数期望值：

计算主观权重下不同评价指标的重要系数α_k：

继续采用矩估计理论的基本思想，确定主客观权重的相对重要程度系数分别为α和β：

将上式α和β代入集成组合权重的优化模型中，联立约束条件利用MATLAB计算程序计算出最优组合权重向量W。

7.根据权利要求1所述的一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法，其特征在于，对原始决策矩阵作无量纲化处理建立标准化决策矩阵V＝(v_ij)_m×n时，取越大越优型指标：

式中，v_ij为指标特征值归一化值，r_max(j)、r_min(j)分别为第j个指标的最大值和最小值。

在构建加权决策矩阵X＝(x_ij)_m×n时，将最优组合权重与标准化决策矩阵元素相乘，形式如下：

x_ij＝w_j·v_ij

式中，w_i为最优组合权重向量W中第j种自然灾害类型的权重。

8.根据权利要求1所述的一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法，其特征在于，在步骤S7中，确定各方案的理想解S⁺和负理想解S^-时，取越大越优型指标：

在计算与理想解与负理想解的距离时，采用如下公式：

9.根据权利要求1所述的一种基于TOPSIS和最优组合权重的输电线路综合风险评估方法，其特征在于，步骤S8中，计算各方案与理想解的相对贴近度公式如下：

式中，β_i值越大，表示第i个方案越接近理想值，即第i条输电线路综合风险越高。