CN112633665A - 一种基于层次分析法的配电网防雷决策方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于层次分析法的配电网防雷决策方法，根据配电网线路防雷措施的特点以及线路改造的要求，确定最优的改造措施。提取出最能反映配电网防雷影响因素的指标变量，构建层次分析评估指标体系；采用德尔菲法和1～9标度法计算指标层单项指标权重值；计算出各个指标层的指标综合权重值；根据权重的大小确定选用合适的防雷措施。本发明能够为配电网防雷决策提供有效的技术支持和参考意见。

Description

一种基于层次分析法的配电网防雷决策方法

技术领域

本发明涉及配电网防雷技术领域，具体涉及一种基于层次分析法的配电网防雷决策方法。

背景技术

电力系统是由发电、变电、输电和配电四个部分组成，而配电网作为电力系统的最后一部分，将电能供给用户或工厂使用，与用户关系密切。随着人们对电能的质量、可靠性及经济性有更高的要求，配电网的安全性和可靠性也越来越得到重视。我国配电网线路电压等级为6～35kV，网络结构复杂、绝缘水平低、部分地区运行环境恶劣、易受自然环境的影响。自然灾害对配电网安全运行造成的威胁居高不下，而雷电又是自然灾害里影响配电网安全稳定性的最大危害。据统计，配电线路遭受直击雷的概率小，约占雷害事故的25％，而由感应雷所引起的故障和跳闸概率超过75％。雷害事故的频繁发生，极大地影响了配电网的供电可靠性，影响了配电网的安全稳定运行。因此，对配电网的防护现状进行认真分析和研究是很有必要的。

电力部门通过对雷击故障点的杆塔接地、地形地貌、雷电定位信息的收集分析，为线路防雷改造提供数据支持。以长期的运行经验和科学的分析方法，来降低线路运行和防雷维护的经济成本和社会影响性。比如在配电线路主要防雷措施有：装设避雷线、安装线路避雷器、降低杆塔接地电阻、采用并联间隙、有选择性地投运自动重合闸装置等。尽管电力运行在配电网投入大量的人力和物力来提高线路的耐雷水平，但配电网的雷击跳闸事故还是居高不下，对配电线路制定的各项防雷措施未能达到良好的防护效果。因此，研究配网并建立合理的配网防雷措施评估体系，设计适合配网的防雷措施及提高配电网供电可靠性具有重要意义。

现有技术中涉及配电网防雷决策存在的弊端有：一个地区的配电线路在架设初期往往采用的防雷措施都是一致的，缺少针对性；在后期的运行维护中可能会增加其它的防雷措施，而增加的防雷措施的依据一般是靠防雷专家的防雷经验，考虑的方面比较少，不能对合理的防雷措施从技术经济等多方面来进行评估选择。配电网面向电力用户、点多面广、管理设备庞大并且复杂，加上配电网改造资金短缺。这些严峻的问题只能要求供电部门把有限的资金用在有用的地方，必须针对性的选取防雷区域，然后针对性的选择合适的防雷措施，最终达到经济可行的防雷效果。

发明内容

本发明提供一种基于层次分析法的配电网防雷决策方法，其从经济性、可靠性、优质性多方面对配电网防雷进行各方面的综合决策，能够为配电网防雷决策提供有效的技术支持和参考意见。

为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于层次分析法的配电网防雷决策方法，包括步骤如下：

步骤1：根据配电网线路进行分析调研，统计其线路参数、雷害情况以及防雷过程中存在的问题，确定相关线路的雷击风险等级；

步骤2、根据已有的经验，在众多影响防雷效果的因素中选择出代表性的影响因素作为层次分析法中的准则层；依据现有的防雷措施，选出代表性的防雷措施作为层次分析法中的方案层；

步骤3、对准则层和方案层中的指标进行两两比较重要性建立判断矩阵，并利用相对重要度和专家打分相结合的方法对判断矩阵进行赋值；其中判断矩阵包括1个相对于目标层中的防雷决策方案，准则层中各个影响因素相对重要性比较的目标层对准则层的判断矩阵A-B，以及n个相对于准则层中各个影响因素，方案层中各个防雷措施相对重要性比较的准则层对方案层的判断矩阵B_i-C；

步骤4、利用层次单排序法计算每个判断矩阵的最大特征值及其对应的归一化权向量；

步骤5、基于判断矩阵的最大特征值对各个判断矩阵进行一致性校验：若不满足一致性条件，则返回步骤3重新构造该判断矩阵；若满足一致性条件，则转至步骤6计算组合权向量；

步骤6、利用判断矩阵的归一化权向量计算组合权向量，得到方案层的不同防雷措施对于目标层的防雷决策方案的重要性权重，其中组合权向量W为：

步骤7、基于组合权向量，将方案层的不同防雷措施对于目标层的防雷决策方案的重要性权重进行排序，得出防雷措施改造顺序，从而确定最佳防雷措施；

上述：

为目标层对准则层的判断矩阵A-B的归一化权向量，

为准则层对方案层的判断矩阵B_i-C的归一化权向量，i＝1,2,…,n，n为准则层中影响因素的个数，j＝1,2,…,m，m为方案层中防雷措施的个数。

上述步骤2中，准则层B＝(B₁,B₂,B₃,B₄,B₅)，其中B₁表示降低雷击跳闸率，B₂表示工程费用，B₃表示应用效果，B₄表示维护难易程度，B₅表示设备运行寿命；方案层C＝(C₁,C₂,C₃,C₄,C₅)，其中C₁表示安装避雷线，C₂表示安装避雷器，C₃表示降低接地电阻，C₄表示提高绝缘水平，C₅表示安装防雷间隙。

上述步骤3中，判断矩阵中的相对重要度采用1～9标度法。

上述步骤5中，当判断矩阵的一致性比例CR≤0.1时，认为当前判断矩阵具有一致性；否则，认为当前判断矩阵不具备一致性；其中：

式中，CR为一致性比例，λ_max为当前判断矩阵的最大特征值，l为当前判断矩阵的阶数，RI为平均随机一致性指标。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

1、本发明方法采用一种层次分析法来评估决策配电网的防雷措施，在配电网实际情况中，选择合适的防雷措施时必须考虑诸多因素，必须要一个切实可行的选择方法进行决策，运用层次分析法能够构建一个简单明了的配网防雷评估系统，对配网防雷措施进行快速有效的选择。

2、本发明方法能够提出具体的防雷改造依据，并从技术经济的角度考虑最佳防雷方案，同时省去了计算具体防雷措施的实际费用，很直观地把最合理的防雷措施显示出来，避免了在选择防雷措施时出现的盲目性，提高了配电线路防雷的经济和技术效益。

3、本发明方法能够为中低压配电网防雷措施的选择提供有效的技术支持和参考意见。

附图说明

图1为一种基于层次分析法的配电网防雷决策方法的流程图。

图2为本发明提出的层次分析法原理图。

图3为配电网防雷评估模型。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明进一步详细说明。

一种基于层次分析法的配电网防雷决策方法，如图1和2所示，其包括步骤如下：

步骤1：根据配电网线路进行分析调研，统计其线路参数、雷害情况以及防雷过程中存在的问题，确定相关线路的雷击风险等级。

对配电线路进行分析调研，确定雷击风险等级，通过对雷击风险进行分析预测，可以有针对的对配电线路进行保护。根据国内外学者的研究，大部分把雷击跳闸率作为参考指标进行风险评估，确定线路雷击风险等级，从而对雷击风险等级大的地区进行防雷改造。

步骤2：通过多年运行经验及防雷措施的不断研究，提取出防雷过程中应注意的相关因素，确定层次分析法中的准则层；同时依据现有防雷措施，提出相关的备用防雷措施，从而确定层分析法中的方案层。

根据已有的经验，在众多影响防雷效果的因素中选择出最具代表性的影响因素作为层次分析法中的准则层；选取配电网防雷效果的指标参量，构建层次分析法中的准则层B＝(B₁,B₂,……,B_i)。其中：B_i表示相对于决策方案需要考虑防雷措施中的影响因素。人们对电力系统供电可靠性越来越高的要求，对电力系统防雷保护的重视程度也越来越高，更多的防雷措施应用在配电网中，依据现有的防雷措施，选出代表性的备选防雷措施作为层次分析法中的方案层；选取配电网防雷措施的指标参量，构建层次分析法中的方案层C＝(C₁,C₂,……,C_i)；其中：C_i表示配电网的相关防雷措施。本发明采用层次分析法在配网防雷措施进行评估，根据已确定准则层和方案层，根据上述建立配电网防雷评估模型。

步骤3：分别对准则层和方案层内的指标两两建立判断矩阵，并利用相对重要度和专家打分相结合的方法对判断矩阵进行赋值，采用判断矩阵来反映各因素之间的关系。

对层次分析法中的因子进行两两比较建立两两判断矩阵，对准则层和方案层分别列写相关矩阵。此方法中相对重要度有不同的标度，其中标度的选取直接影响到防雷评估的精确性，本发明采用1～9标度对配网防雷措施进行评估。在确定判断矩阵中的权重时，采用专家打分法(也称为德尔菲法)进行计算权重。

判断矩阵是层次分析法中最基本的信息，也是进行权重计算最重要的依据。对于每一层，分别建立两个比较判断矩阵，将主观判断进行标量化，其中判断矩阵A＝(a_ij)

其中，a_ij是a_i相对于a_j的重要性。本发明对于其相对重要度采用1-9标度法来确定，每个标度值的意义如表1所示：

表1标度值及其含义

专家打分法是结合同一领域多个专家的经验、知识、意见对某一事物进行评价的方法。需要进行多次征询专家意见，计算意见集中度，并求打分的平均值，其中a_i为各个专家的评估数值。

对于判断矩阵，由m名专家确定m个矩阵，并剔除离散度大的判断矩阵，其离散度δ为：

其中E表示认可程度，δ表示意见分歧程度。在计算过程中剔除离散度大的判断矩阵，对剩下的矩阵进行平均化处理，从而确定各个权重值。

步骤4：利用层次单排序法计算每个判断矩阵的最大特征值及其对应的归一化权向量。

层次单排序法就是把本层的所有要素针对上一层某一要素，排出评比的次序，这种次序以相对的数值大小来表示，以用于计算各判断矩阵的最大特征值和归一化权向量(使向量中各元素之和等于1)

步骤5：基于判断矩阵的最大特征值对各个判断矩阵进行一致性校验。

采用计算出各个判断矩阵的特征值，对判断矩阵进行一致性校验，若不满足一致性条件，则重新构造判断矩阵；若满足一致性条件，则计算出最终权重。

(l为阶数)

其中，通过查阅数据可得RI与矩阵阶数之间的关系值，具体数据如下表2所示：

表2的值

其中当CR≤0.1，则认为判断矩阵具有一致性，将其进行组合权重的计算，并分析比较。

步骤6：计算组合权向量。

根据下面的式子，求出各防雷措施相对于准则层某一因素的重要性与该因素相对于目标层重要性的乘积的和，即可得到该防雷措施对于目标层的重要性。

式中：

为各个方案层对准则层的归一化权向量，

为准则层对于目标层归一化的权向量。

步骤7：通过最终计算出来的总权重值，按照权重大小进行排序，得出防雷措施改造顺序，从而确定最佳防雷措施。

采用加权和的方法，确定备选方案对总目标的最终权重，最终权重最大者即为最有效的防雷方法，从而确定配电网的防雷方案。

本发明基于层次分析法的配电网防雷决策方法，根据配电网线路防雷措施的特点以及线路改造的要求，确定最优的改造措施。提取出最能反映配电网防雷影响因素的指标变量，构建层次分析评估指标体系；采用德尔菲法和1～9标度法计算指标层单项指标权重值；计算出各个指标层的指标综合权重值；根据权重的大小确定选用合适的防雷措施。本发明能够为配电网防雷决策提供有效的技术支持和参考意见。

下面通过一个具体实例，对本发明进行说明：

(1)构建配网防雷措施评估模型

选取配电网防雷效果的指标参量，构建层次分析法中的准则层，即：B＝(B₁,B₂,B₃,B₄,B₅)。其中：B表示相对于决策方案需要考虑防雷措施中的影响因素；B₁表示降低雷击跳闸率；B₂表示工程费用；B₃表示应用效果；B₄表示维护难易程度；B₅表示设备运行寿命。

选取配电网防雷措施的指标参量，构建层次分析法中的方案层，即：C＝(C₁,C₂,C₃,C₄,C₅)；其中：C表示层次分析法中的方案层，即配电网的相关防雷措施；C₁表示安装避雷线；C₂表示安装避雷器；C₃表示降低接地电阻；C₄表示提高绝缘水平；C₅表示安装防雷间隙。

由此所得到的配网防雷措施评估模型如图3所示，包括：目标层(配电网防雷决策)，准则层(降低雷击跳闸率、工程费用、应用效果、维护难易程度、设备运行寿命)和方案层(安装避雷线、安装避雷器、降低接地电阻、提高绝缘水平、安装防雷间隙)。

(2)列写判断矩阵

根据工程要求及多年运行经验，按照层次分析法中1～9标度法，结合专家打分法对配网防雷措施评估模型中各层重要性进行取值。

判断矩阵A-B表示相对于防雷决策方案，准则层中各因素相对重要性比较，如下表3所示：

表3判断矩阵A-B

判断矩阵B₁-C表示相对于降低跳闸率，各防雷方案相对重要性比较，如下表4所示：

表4判断矩阵B₁-C

判断矩阵B₂-C，表示相对于工程费用方案，各防雷方案相对重要性比较，如下表5所示：

表5判断矩阵B₂-C

判断矩阵B₃-C，表示相对于应用效果，各防雷方案相对重要性比较，如下表6所示：

表6判断矩阵B₃-C

判断矩阵B₄-C表示相对于维护难易程度方案，准则层中各因素相对重要性比较，如下表7所示：

表7判断矩阵B₄-C

判断矩阵B₅-C，表示相对于运行寿命，各防雷方案相对重要比较，如下表8所示：

表8判断矩阵B₅-C

(3)计算每个判断矩阵的最大特征值及其对应的归一化权向量

通过上述的表3～表8对应的判断矩阵A-B、B₁-C、B₂-C、B₃-C、B₄-C、B₅-C求其最大特征值及其对应的归一化的特征向量，具体结果如下：

对于判断矩阵A-B，准则层相对于目标层其最大特征值为λ(A)_max＝5.410，得到的归一化的权向量为w⁽⁰⁾＝(0.567、0.043、0.179、0.129、0.081)^T；

对于判断矩阵B₁-C，方案层相对于准则层其最大特征值为λ(B₁)_max＝5.486，得到的归一化的权向量为

对于判断矩阵B₂-C，方案层相对于准则层其最大特征值为λ(B₂)_max＝5.382，得到的归一化的权向量为

对于判断矩阵B₃-C，方案层相对于准则层其最大特征值为λ(B₃)_max＝5.329，得到的归一化的权向量为

对于判断矩阵B₄-C，方案层相对于准则层其最大特征值为λ(B₄)_max＝5.437，得到的归一化的权向量为

对于判断矩阵B₅-C，方案层相对于准则层其最大特征值为λ(B₅)_max＝5.271，得到的归一化的权向量为

(4)计算组合权重

上述所求的特征值均符合一致性指标，且对应的特征向量都已进行归一化处理，因此可进行组合权重的计算。

由上述结果可求得w⁽⁰⁾,

其中：

由公式

可得出方案层相对于目标层的权重值即：

W＝(0.239,0.412,0.160,0.088,0.098)^T

(5)结论

通过上述求解的权重值，可得到配电网线路防雷措施方案的优先顺序为：安装避雷器、架设避雷线、降低接地电阻、安装防雷间隙、提高绝缘水平。本发明方法采用层次分析法来评估决策配电网的防雷措施，构建一个简单明了的配网防雷评估系统，避免了在选择防雷措施时出现的盲目性，提高了配电线路防雷的经济和技术效益，对配网防雷措施进行快速有效的选择；为配电网防雷决策提供有效的技术支持和参考意见。

需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

Claims (4)

1.一种基于层次分析法的配电网防雷决策方法，其特征是，包括步骤如下：

步骤1：根据配电网线路进行分析调研，统计其线路参数、雷害情况以及防雷过程中存在的问题，确定相关线路的雷击风险等级；

步骤2、根据已有的经验，在众多影响防雷效果的因素中选择出代表性的影响因素作为层次分析法中的准则层；依据现有的防雷措施，选出代表性的防雷措施作为层次分析法中的方案层；

步骤3、对准则层和方案层中的指标进行两两比较重要性建立判断矩阵，并利用相对重要度和专家打分相结合的方法对判断矩阵进行赋值；其中判断矩阵包括1个相对于目标层中的防雷决策方案，准则层中各个影响因素相对重要性比较的目标层对准则层的判断矩阵A-B，以及n个相对于准则层中各个影响因素，方案层中各个防雷措施相对重要性比较的准则层对方案层的判断矩阵B_i-C；

步骤4、利用层次单排序法计算每个判断矩阵的最大特征值及其对应的归一化权向量；

步骤5、基于判断矩阵的最大特征值对各个判断矩阵进行一致性校验：若不满足一致性条件，则返回步骤3重新构造该判断矩阵；若满足一致性条件，则转至步骤6计算组合权向量；

步骤6、利用判断矩阵的归一化权向量计算组合权向量，得到方案层的不同防雷措施对于目标层的防雷决策方案的重要性权重，其中组合权向量W为：

步骤7、基于组合权向量，将方案层的不同防雷措施对于目标层的防雷决策方案的重要性权重进行排序，得出防雷措施改造顺序，从而确定最佳防雷措施；

上述：

为目标层对准则层的判断矩阵A-B的归一化权向量，

为准则层对方案层的判断矩阵B_i-C的归一化权向量，i＝1,2,…,n，n为准则层中影响因素的个数，j＝1,2,…,m，m为方案层中防雷措施的个数。

2.根据权利要求1所述的一种基于层次分析法的配电网防雷决策方法，其特征是，步骤2中，准则层B＝(B₁,B₂,B₃,B₄,B₅)，其中B₁表示降低雷击跳闸率，B₂表示工程费用，B₃表示应用效果，B₄表示维护难易程度，B₅表示设备运行寿命；方案层C＝(C₁,C₂,C₃,C₄,C₅)，其中C₁表示安装避雷线，C₂表示安装避雷器，C₃表示降低接地电阻，C₄表示提高绝缘水平，C₅表示安装防雷间隙。

3.根据权利要求1所述的一种基于层次分析法的配电网防雷决策方法，其特征是，步骤3中，判断矩阵中的相对重要度采用1～9标度法。

4.根据权利要求1所述的一种基于层次分析法的配电网防雷决策方法，其特征是，步骤5中，当判断矩阵的一致性比例CR≤0.1时，认为当前判断矩阵具有一致性；否则，认为当前判断矩阵不具备一致性；其中：

式中，CR为一致性比例，λ_max为当前判断矩阵的最大特征值，l为当前判断矩阵的阶数，RI为平均随机一致性指标。

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