CN107844918A

CN107844918A - 基于可拓学理论的水电厂安全性评价方法

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Publication number: CN107844918A
Application number: CN201711292298.8A
Authority: CN
Inventors: 王延廷; 刘钧迪; 于洋; 姜家旭; 王平; 王一平
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2017-12-08
Filing date: 2017-12-08
Publication date: 2018-03-27

Abstract

本发明涉及一种基于可拓学理论的水电厂安全性评价方法，属于水电厂安全评价技术应用领域。本发明首先建立水电厂安全性评价的综合指标体系，其中主要分为生产设备、电厂建筑、金属结构及安全措施与管理四个准则层；建立水电厂水电厂安全性评价的可拓物元模型，将水电厂的安全性分为优秀、良好、注意和严重四个等级，以此建立评价系统的经典域和节域模型，利用层次分析法确定各因素的权重系数，采用加权求和的方式，计算待评估物元对于不同等级的关联度，根据关联度的最大值判断水电厂安全性所属的等级，本发明对水电厂安全性作出科学客观的评估，能够为水电厂合理安排检修提供依据，保证水电厂的运行可靠性。

Description

基于可拓学理论的水电厂安全性评价方法

技术领域

本发明属于水电厂安全评价技术应用领域，具体涉及一种基于可拓学理论的水电厂安全性评价方法。

背景技术

水电资源是一种可再生资源，采用这种资源发电成本低、效率高、供电性能稳定，是发展能源中一种较好的资源。当前，我国水电企业快速发展，是我国能源资源的有力补充，水电站的建成为社会的安全建设和可持续发展提供了重要的支持，但是，由于水力发电的建造地点有很大的特殊性，其涉及防洪、施工等，若处理不当，也可能是导致重大灾害的危险源。因此在建设及运行时需要加强水电厂安全监管，以一套切实可行的评价标准对其进行评价，便于及时发现问题并及早采取措施。

水电站安全评估是一个复杂的概念，它的评估值不只是受到几个指标的影响，而是受一系列指标的影响，而且各个指标之间并非平级关系，是一个分层的综合体系，传统的评价方法无法处理各类不确定因素和主观因素，无法的得到满意的评价结果。

现有技术中对于水电厂安全性的评价尚未存在可行的方法，缺乏一个较为全面、统一的安全评价指标体系，这对于水电厂长期稳定运行较为不利，给水电厂安全性评价增加了一定的难度。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的不足，而提供一种基于可拓学理论的水电厂安全性评价方法，对水电厂安全性作出科学客观的评估，能够为水电厂合理安排检修提供依据，保证水电厂的运行可靠性。

为达成上述目的，本发明首先建立水电厂安全性评价的综合指标体系，其中主要分为生产设备、电厂建筑、金属结构及安全措施与管理四个准则层；建立水电厂安全性评价的可拓物元模型，将水电厂的安全性分为优秀、良好、注意和严重四个等级，以此建立评价系统的经典域和节域模型，利用层次分析法确定各因素的权重系数，采用加权求和的方式，计算待评估物元对于不同等级的关联度，根据关联度的最大值判断水电厂安全性所属的等级。

本发明具体通过以下方案来实现：

基于可拓学理论的水电厂安全性评价方法，包括如下步骤：

步骤一：建立水电厂安全性评价指标体系；

步骤二：建立水电厂安全性评价的可拓物元模型；

步骤三：运用层次分析法确定权重系数；

步骤四：根据步骤三中所得权重，求得水电厂安全性与各个等级之间的可拓关联度；

步骤五：确定待评价水电厂的安全性等级。

更进一步地，步骤一中所述指标体系采用双层结构，包括准则层和指标层，每个准则层分别包括指标层中的三个指标因素。

更进一步地，步骤一中所述准则层包括生产设备、电厂建筑、金属结构、安全措施与管理四部分，所述指标层包括以下指标因素：水轮机、发电机及其附属设备、变压器；拦污栅、启闭机、闸门；厂房及输变电建筑物、蓄水池、大坝；应急措施、作业环境、劳动安全；其中，所述水轮机含水泵、水轮机、蓄能泵，所述变压器含电抗器。

更进一步地，步骤一中所述生产设备包括以下三个指标因素：水轮机、发电机及其附属设备、变压器；所述金属结构包括以下三个指标因素：拦污栅、启闭机、闸门；所述电厂建筑包括以下三个指标因素：厂房及输变电建筑物、蓄水池、大坝；所述安全措施与管理包括以下三个指标因素：应急措施、作业环境、劳动安全。

更进一步地，步骤二中所述的可拓物元模型是利用可拓学理论对评价指标进行等级划分，并以此建立评价系统的经典域和节域模型。

更进一步地，在步骤二中将事物P、特征C和量值V的有序三元组作为描述事物的基本元，记为R＝[P,C,V]，水电厂则描述水电厂安全性的物元表达式为

将水电厂安全性分为优秀、良好、注意和严重四个等级，则水电厂安全性评价的经典域物元为

所述节域物元为

更进一步地，步骤三中所述运用层次分析法确定权重系数具体为：

1)根据上下级指标间的隶属关系和同级指标的相对关系，构造判断矩阵，即以上一层次某因素为准则，它对下一层次诸因素有支配关系，通过两两比较下一层次诸因素对上一层次某因素的相对重要性，并赋予一定的分值；判断矩阵比较标度，将所有指标列出来，组成一个N×N的方阵，然后对各指标两两比较并打分，得出判断矩阵c＝(c ij)n×n，最后对各指标的得分求和，并作规范化处理；

2)计算单一准则层下各指标的相对权重：由模糊判断矩阵c求各指标的归一化权重集W＝(W_i)，根据模糊判断矩阵c计算各要素相对于该准则的相对权重，计算方法为方根法，利用公式得到对应指标的相对权重，其中W＝(W 1,W 2,W3…W n)是判断矩阵的特征向量，即对应指标的相对权重；

3)评价判断矩阵的可靠性

首先，利用公式计算随机一致性指标，其中λ_max是判断矩阵最大特征向量根；n是指对应矩阵的阶数；

其次，利用公式CR＝CI/RI计算一致性比率，其中RI为平均随机一致性指标。

更进一步地，步骤四中所述可拓关联度的公式为其中j为等级，P₀为待评价方案，a_i为具体指标的权重，v_i为具体指标的量值大小。

本发明与现有技术相比，其有益效果为：

本发明根据可拓学在工程领域中的实用经验，将可拓学理论的物元理论和可拓集合理论引入水电厂经济性能评价体系中，建立相应经典域物元模型和节域物元模型，将水电厂的安全性等级分为优秀、良好、注意和较差四个等级，然后根据每个水电厂的安全指标得分情况以及评价等级，为以后的维护整改提供参考。采用层次分析法确定安全性评价中各指标的权重，所需定量数据较少，决策方法简洁实用，分析方法具有系统性。能够避免人为主观因素的影响，确保整个评价过程的客观性。该方法简单可靠，对于水电厂的安全评价具有重要意义。

附图说明

图1为水电厂安全性评价指标体系。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。

本发明体通过以下方案来实现：

第一步：建立水电厂安全性评价指标体系。

本指标体系采用了双层结构，其中第一层准则层包括生产设备、电厂建筑、金属结构以及安全措施与管理四部分，分别用c1、c2、c3、c4表示，每个一级指标都分别包括三个指标因素，分别为：水轮机(含水泵、水轮机、蓄能泵)、发电机及其附属设备、变压器(含电抗器)；厂房及输变电建筑物、水库、大坝；拦污栅、启闭机、闸门；应急措施、作业环境、劳动安全。用cij(j＝1,2,…,n)表示。各个指标都综合考虑了相应的影响因子，结构清晰明了，详见附图1。

第二步：建立水电厂安全性评价的可拓物元模型。

1)将事物P、特征C和量值V的有序三元组作为描述事物的基本元，记为R＝[P,C,V]。水电厂则描述水电厂安全性的物元表达式为

2)将水电厂安全性分为优秀、良好、注意和严重四个等级，则水电厂安全性评价的经典域物元为

节域物元为

第三步：运用层次分析法确定权重系数。

(1)构造判断矩阵

建立水电厂安全评价体系，根据上下级指标间的隶属关系和同级指标的相对关系，构造判断矩阵，即以上一层次某因素为准则，它对下一层次诸因素有支配关系，通过两两比较下一层次诸因素对上一层次某因素的相对重要性，并赋予一定的分值。下表判断矩阵比较标度(见表1)，将所有指标列出来，组成一个N×N的方阵，然后对各指标两两比较并打分，得出判断矩阵c＝(c ij)n×n，最后对各指标的得分求和，并作规范化处理。

表1判断矩阵比较标度

(2)计算单一准则层下各指标的相对权重

由模糊判断矩阵c求各指标的归一化权重集W＝(W_i)。根据模糊判断矩阵c计算各要素相对于该准则的相对权重,计算方法为方根法。

1)计算判断矩阵每一行因素的乘积：

2)计算Mi的n次方根：

3)对向量w＝(w 1,w 2,w 3,…,w i…w n)作归一化处理：

W＝(W 1,W 2,W 3…W n)则是判断矩阵的特征向量，也就是对应指标的相对权重。

(3)一致性检验

由于判断矩阵是人为赋予的，故需进行一致性检验，即评价判断矩阵的可靠性，从而验证水电站运行安全状况评价各指标权重的准确性。计算步骤如下。

1)计算随机一致性指标：

表2平均随机一致性指标

式中，λ_max是判断矩阵最大特征向量根；n是指对应矩阵的阶数。

2)计算一致性比率：

CR＝CI/RI (8)

式中RI为平均随机一致性指标，可由表3查出。当CR<0.1时，认为判断矩阵的一致性可以接受；当CR≥0.1时，应对判断矩阵作适当的修正。

第四步：计算关联度。

令v_0ij＝＜a_0ij,b_0ij＞、v_pi＝＜a_pi,b_pi＞，则v_i关于v_0ij和v_pi的初等关联函数为

其中

待评价水电厂安全性关于等级j的关联度为

第五步：确定待评价水电厂的安全性等级。

若K_j0＝maxK_j(P₀)，则待评价方案P₀的安全性属于等级j0。

实施例

下面以太平湾水电站为例，给出了详细的实施方式和具体的操作流程，需要说明的是本发明的保护内容不局限于该评价案列。本发明中所述第一层即为准则层，第二层即为指标层。

太平湾水电站为中华人民共和国与朝鲜民主主义人民共和国合营的电站，位于鸭绿江下游与蒲石河交汇处，电站的西部中国侧为辽宁省丹东市振安区太平湾镇，东部朝鲜侧为平安北道朔州郡方山里。中国负责设计和施工，建成后由中方管理运行。

对于该水电厂安全性评价具体的操作过程如下：

第一步：建立水电厂安全性评价指标体系；

表3

将上表交由有关方面的专家，对其各类安全性能进行评估和打分，具体结果如表4，同时，确定该安全性能的等级，即优秀、良好、一般和较差。

表4

第二步：权重的确定

构造判断矩阵

在咨询建设、管理、施工、监理等有关专家的基础上，根据标度法(见表1)，将各元素的重要性进行两两比较后构造各层判断矩阵。这里以安全措施与管理第二层指标层对第一层准则层判断矩阵的构建为例。

表5

根据表5，可建立指标安全状况第二层对第一层的判断矩阵：

同理，第一层对指标体系、各第二层对第一层的判断矩阵分别为：

2)计算各因素的权重

根据上述判断矩阵和公式(4)(5)(6)计算准则层对目标层的权重W、指标层c₁₁～c₁₃对准则层c₁、指标层c₂₁～c₂₃对准则层c₂……的权重分别为：

W＝(0.17，0.33，0.33，0.17)

W₁＝(0.54，0.30，0.16)

W₂＝(0.54，0.30，0.16)

W₃＝(0.4，0.4，0.2)

W₄＝(0.62，0.24，0.14)

3)一致性检验

因为判断矩阵是人为构造的，带有一定的主观性，难免存在认识的偏差，这就需要对判断矩阵进行一致性检验。以W2为例进行检验计算。

求出判断矩阵的最大特征值

根据公式(7)得

根据公式(8)得

CR＝CI/RI＝0.009/0.58＝0.015

同理，可计算出其它判断矩阵的一致性指标CR分别为0、0.005、0、0.005，可见所有CR均小于0.1，可认为上述判断矩阵具有满意的一致性，由此可认为通过判断矩阵计算得出的权重是可接受的。

第三步：

根据第二步中所得权重，分别求得各指标与各个等级之间的可拓关联度K_ji

表6

第四步：

由第二层的评价结果组成第一层次的关联度矩阵，再用各一级指标的权重，最终求得水电厂的可拓综合评价结果，实现水电厂的安全性的可拓评价。

表7

由表中数据可以得，0.0786>-0.2434>-0.2867>-0.5643根据最大关联度准则可知，该水电站的安全等级完成达到良好，满足安全标准。

本发明根据可拓学在工程领域实用经验，将可拓学理论的物元理论和可拓集合理论引入水电厂安全性能评价体系中，建立相应经典域物元模型和节域物元模型，将水电厂的安全性等级分为优秀、良好、注意和较差四个等级，然后根据每个水电厂的安全指标得分情况以及评价等级，为以后的维护整改提供参考。采用层次分析法确定安全性评价中各指标的权重，所需定量数据较少，决策方法简洁实用，分析方法具有系统性。能够避免人为主观因素的影响，确保整个评价过程的客观性。该方法简单可靠，对于水电厂的安全评价具有重要意义。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.基于可拓学理论的水电厂安全性评价方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：建立水电厂安全性评价指标体系；

步骤二：建立水电厂安全性评价的可拓物元模型；

步骤三：运用层次分析法确定权重系数；

步骤五：确定待评价水电厂的安全性等级。

2.根据权利要求1所述的基于可拓学理论的水电厂安全性评价方法，其特征在于，步骤一中所述指标体系采用双层结构，包括准则层和指标层，每个准则层分别包括指标层中的三个指标因素。

3.根据权利要求2所述的基于可拓学理论的水电厂安全性评价方法，其特征在于，步骤一中所述准则层包括生产设备、电厂建筑、金属结构、安全措施与管理四部分，所述指标层包括以下指标因素：水轮机、发电机及其附属设备、变压器；拦污栅、启闭机、闸门；厂房及输变电建筑物、蓄水池、大坝；应急措施、作业环境、劳动安全；其中，所述水轮机含水泵、水轮机、蓄能泵，所述变压器含电抗器。

4.根据权利要求3所述的基于可拓学理论的水电厂安全性评价方法，其特征在于，步骤一中所述生产设备包括以下三个指标因素：水轮机、发电机及其附属设备、变压器；所述金属结构包括以下三个指标因素：拦污栅、启闭机、闸门；所述电厂建筑包括以下三个指标因素：厂房及输变电建筑物、蓄水池、大坝；所述安全措施与管理包括以下三个指标因素：应急措施、作业环境、劳动安全。

5.根据权利要求1所述的基于可拓学理论的水电厂安全性评价方法，其特征在于，步骤二中所述的可拓物元模型是利用可拓学理论对评价指标进行等级划分，并以此建立评价系统的经典域和节域模型。

6.根据权利要求5所述的基于可拓学理论的水电厂安全性评价方法，其特征在于，在步骤二中将事物P、特征C和量值V的有序三元组作为描述事物的基本元，记为R＝[P,C,V]，水电厂则描述水电厂安全性的物元表达式为

所述节域物元为

7.根据权利要求1所述的基于可拓学理论的水电厂安全性评价方法，其特征在于，步骤三中所述运用层次分析法确定权重系数具体为：

2)计算单一准则层下各指标的相对权重：由模糊判断矩阵c求各指标的归一化权重集W＝(W_i)，根据模糊判断矩阵c计算各要素相对于该准则的相对权重，计算方法为方根法，利用公式(i＝1,2,…，n)得到对应指标的相对权重，其中W＝(W1,W2,W3…Wn)是判断矩阵的特征向量，即对应指标的相对权重；

3)评价判断矩阵的可靠性

8.根据权利要求1所述的基于可拓学理论的水电厂安全性评价方法，其特征在于，步骤四中所述可拓关联度的公式为其中j为等级，P₀为待评价方案，a_i为具体指标的权重，v_i为具体指标的量值大小。

9.根据权利要求1所述的基于可拓学理论的水电厂安全性评价方法，其特征在于，步骤五中所述确定待评价水电厂的安全性等级具体为由指标层的评价结果组成准则层的关联度矩阵，再用各一级指标的权重，最终求得水电厂的可拓综合评价结果。