采用質(zhì)量功能展開理論的新一代智能變電站技術(shù)先進性評價

徐　巖,劉沅昆,張友強,王洪彬,谷松林

(1.華北電力大學(xué) 電力工程系,河北 保定 071000;2.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院,重慶 404100;3.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院,北京 100052)

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·電力系統(tǒng)及其自動化·

采用質(zhì)量功能展開理論的新一代智能變電站技術(shù)先進性評價

徐巖1,劉沅昆1,張友強2,王洪彬2,谷松林3

(1.華北電力大學(xué) 電力工程系,河北 保定 071000;2.國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院,重慶 404100;3.國網(wǎng)北京經(jīng)濟技術(shù)研究院,北京 100052)

為了客觀反映新一代智能變電站技術(shù)的先進性,提出了一種基于質(zhì)量功能展開理論的技術(shù)評價方法，系統(tǒng)性地研究了工程需求與關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)系,考察了關(guān)鍵技術(shù)在變電站的實際應(yīng)用情況,即搭建了轉(zhuǎn)化矩陣,構(gòu)建了符合質(zhì)量功能展開理論的質(zhì)量屋,以此結(jié)構(gòu)為框架,采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法進行相關(guān)計算,從而得到變電站技術(shù)先進性的評價結(jié)果。同時,通過實際算例分析驗證了該評價方法的可信性與先進性。

質(zhì)量功能展開;評價方法;新一代智能變電站;灰色系統(tǒng)理論

智能電網(wǎng)承載和推動第三次工業(yè)革命已逐步成為全球共識,轉(zhuǎn)變電網(wǎng)發(fā)展方式,推動能源生產(chǎn)和轉(zhuǎn)變消費方式,是智能電網(wǎng)建設(shè)的必經(jīng)階段[1]。新一代智能變電站是智能電網(wǎng)運行參量采集點與管控執(zhí)行點。對于建設(shè)信息化、自動化、互動化堅強智能電網(wǎng)具有關(guān)鍵性作用。社會經(jīng)濟發(fā)展要求變電站實現(xiàn)更加安全、可靠、優(yōu)質(zhì)的電力傳輸。資源與環(huán)境約束要求變電站更高效、更節(jié)約、更環(huán)保。清潔能源和可再生能源發(fā)展要求變電站更加靈活可控。多元化客戶和優(yōu)質(zhì)服務(wù)的目標要求變電站更加友好互動。因此,發(fā)展智能變電站具有重要的意義。

為了從實際工程的建設(shè)中汲取經(jīng)驗,反饋指導(dǎo)后續(xù)建設(shè)工作的開展,需要從全局的角度檢驗在實際工程建設(shè)中嘗試的新技術(shù)、新應(yīng)用是否合理有效。智能變電站工程建設(shè)發(fā)展階段多、覆蓋地域廣,開展研究智能變電站技術(shù)評價方法,是客觀反映示范工程建設(shè)成果的有效途徑。而且通過開展評價工作,發(fā)現(xiàn)存在問題，衡量推廣價值，指導(dǎo)持續(xù)改進,可為智能變電站擴大建設(shè)奠定理論基礎(chǔ)。因此研究新一代智能變電站技術(shù)評價方法,對于從理論歸納的角度完善建設(shè)成果,具有重要理論意義,與實踐結(jié)合,更具有現(xiàn)實意義。

現(xiàn)階段,關(guān)于智能變電站的評價方法已經(jīng)有了相對成功的指標體系和評價方法的應(yīng)用,文獻[2-4]研究了智能電網(wǎng)的評估指標體系;文獻[5-6]分別從不同的角度提出了對于智能電網(wǎng)兩種評價方法;文獻[7-8]分別從智能變電站某一個方面進行了評估。但這些方法都缺乏對智能變電站整體的技術(shù)情況的評估研究。因此,本文以新一代智能變電站的示范工程為研究對象,從技術(shù)性方面對智能站進行全面的評估。提出了一種質(zhì)量功能展開理論的技術(shù)性的評價方法,運用灰色系統(tǒng)理論對數(shù)據(jù)進行了處理與分析,對新一代智能變電站示范工程進行了定量分析,以為今后新一代智能變電站建設(shè)提供依據(jù)。

1　質(zhì)量功能展開理論

質(zhì)量功能展開(Quality Function Deployment,QFD)是質(zhì)量工程的一種計劃過程與關(guān)鍵技術(shù)。其基本思想是以顧客的期望為驅(qū)動,通過把顧客的需求設(shè)計到產(chǎn)品和過程中去,從而滿足顧客的期望。QFD是設(shè)計方式從傳統(tǒng)到現(xiàn)代的一種轉(zhuǎn)變,是系統(tǒng)工程思想的具體應(yīng)用。近幾年，QFD技術(shù)被許多公司在不同領(lǐng)域予以應(yīng)用[9]。

QFD的核心思想就是需求的轉(zhuǎn)換,而質(zhì)量屋是一種直觀的矩陣框架表達形式,它提供了具體實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的工具。質(zhì)量屋技術(shù)是QFD方法的精髓。QFD展開過程實際也就是質(zhì)量屋的構(gòu)建過程。

以美國供應(yīng)商協(xié)會(ASI)的產(chǎn)品開發(fā)QFD分析模型為例,在總結(jié)顧客需求的基礎(chǔ)上,采用系統(tǒng)工程方法,將用戶需求層層分解,展開過程及方法如圖1所示。

圖1　美國供應(yīng)商協(xié)會(ASI)的產(chǎn)品開發(fā)QFD分析模型

變電站本身也是一種特殊產(chǎn)品,智能變電站強調(diào)以工程需求為導(dǎo)向,符合QFD的決策理念。將QFD方法進行延伸,以工程需求代替用戶或市場要求,以具體的新技術(shù)作為第一級展開,以示范工程變電站對于具體的新技術(shù)的實現(xiàn)率作為第二級展開,將其用于智能變電站的技術(shù)先進性評價當(dāng)中,形成以社會、工程需求驅(qū)動的變電站工程質(zhì)量評估方法。

2采用質(zhì)量功能展開理論的智能變電站技術(shù)先進性評價方法

2.1方法整體構(gòu)建思路

構(gòu)建符合質(zhì)量功能展開理論的兩級質(zhì)量屋,第一級為工程需求與關(guān)鍵性技術(shù)的關(guān)系矩陣,第二級為關(guān)鍵性技術(shù)與變電站關(guān)鍵性技術(shù)使用率的關(guān)系矩陣。

提出工程需求指標并計算其權(quán)重,將其權(quán)重代入第一級質(zhì)量屋中進行權(quán)重轉(zhuǎn)換,得到關(guān)鍵性技術(shù)權(quán)重。再以此作為輸入項代入第二級質(zhì)量屋中,以變電站對于關(guān)鍵性技術(shù)的使用率為數(shù)據(jù)進行計算,得到技術(shù)先進性程度的結(jié)果。

整個計算過程運用灰色關(guān)聯(lián)分析計算方法,充分發(fā)揮灰色系統(tǒng)理論處理信息不完全、模糊信息方面的優(yōu)勢,排除主觀隨意性,系統(tǒng)性地改進了質(zhì)量屋的各要素,使得結(jié)果更加數(shù)字化、科學(xué)化。其具體實施方法如圖2所示。

圖2　變電站技術(shù)先進性評價質(zhì)量功能展開圖

2.2灰色關(guān)聯(lián)度分析計算方法

中國學(xué)者鄧聚龍教授在20世紀80年代初首次提出的灰色系統(tǒng)理論?；疑到y(tǒng)理論以“部分信息已知,部分信息未知”的“小樣本”、“貧信息”不確定性系統(tǒng)為研究對象,主要通過對“部分”已知信息的生成、開發(fā)、提取有價值的信息,實現(xiàn)對系統(tǒng)運行行為、演化規(guī)律的正確描述和有效監(jiān)控[10]。

灰色關(guān)聯(lián)度分析是灰色系統(tǒng)理論的重要分支。一般抽象系統(tǒng)包含有多種不同的因素,多種因素共同作用決定了系統(tǒng)的發(fā)展態(tài)勢?；疑P(guān)聯(lián)度分析的作用就是可以確定每個元素具體的“貢獻度”,為進行系統(tǒng)分析打下基礎(chǔ)，具體步驟如下:

第一步:確定比較數(shù)列(評價對象)和參考序列(評價標準),設(shè)評價對象為m個,評價指標為n個。

比較數(shù)列Xi={xi(k)；k=1,2…,n},(i=1,2,…,m);

參考序列X0={x0(k)；k=1,2…,n}。

第二步:確定各指標值對應(yīng)的權(quán)重。確定權(quán)重方法很多,在這里采用專家賦權(quán)與層次分析相結(jié)合的方法,得到Wk。Wk表示為第k個評價指標對應(yīng)的權(quán)重。

第三步:求X0與Xi的對應(yīng)分量之差的絕對值序列,記作:

Δi(k)=|x0(k)-xi(k)|(k=1,2,…n;i=1,2,…,m)。

第五步:計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

2.3智能變電站工程需求指標

根據(jù)國家行業(yè)的技術(shù)規(guī)范和國家電網(wǎng)公司的相關(guān)的技術(shù)導(dǎo)則,綜合多位專家的意見,將新一代智能變電站的工程需求概括為系統(tǒng)高度集成、結(jié)構(gòu)布局合理、裝備先進適用、經(jīng)濟節(jié)能環(huán)保和支撐調(diào)控一體五個方面[11]。

系統(tǒng)高度集成:包括設(shè)備和系統(tǒng)兩個層面,其中設(shè)備側(cè)重于設(shè)備實體,而系統(tǒng)則包括對測控與保護、相關(guān)計量等二次系統(tǒng)的一體化集成和故障錄波、輔助控制等系統(tǒng)的融合;功能上包括變電站與上一級調(diào)度控制的密切配合。

結(jié)構(gòu)布局合理:包括對內(nèi)、對外兩個層面,對內(nèi)合理包括設(shè)備層面的集成優(yōu)化、通信保護優(yōu)化；對外包括主接線與運行方式的優(yōu)化,充分考慮電源與用戶接入的優(yōu)化。

裝備先進適用:在設(shè)備、通信系統(tǒng)和系統(tǒng)調(diào)試等不同層面要體現(xiàn)技術(shù)的先進,也要實現(xiàn)安全可靠與靈活實際。

經(jīng)濟節(jié)能環(huán)保:在全壽命周期內(nèi),節(jié)省資源,提高效力,保護環(huán)境。

支撐調(diào)控一體:實現(xiàn)與調(diào)控中心的信息交換,為實現(xiàn)調(diào)控一體多種功能提供可靠與準確的數(shù)據(jù)。

3　算例

3.1工程需求權(quán)重的的灰色關(guān)聯(lián)度計算模塊

工程需求權(quán)重是質(zhì)量屋的重要信息,它一方面關(guān)系到對工程需求的判斷,另一方面先進技術(shù)的重要程度在一定程度取決于需求度的數(shù)值,并將繼續(xù)影響整個QFD的質(zhì)量,所以要求準確計算。

根據(jù)灰色系統(tǒng)理論的特點,利用灰色系統(tǒng)理論里的灰色關(guān)聯(lián)度分析,來計算需求的重要度。以相關(guān)領(lǐng)域5位專家意見為參考,在5個需求項中按重要程度得到需求調(diào)查矩陣原始數(shù)據(jù),如表1所示。

表1　工程需求調(diào)查表

根據(jù)表1數(shù)據(jù),運用鄧氏灰色公理進行計算。計算過程中,灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)取ξ=0.5,參考序列取數(shù)值為最高的序列,按上文提及的灰色關(guān)聯(lián)度分析的六個步驟,能得到工程需求權(quán)重計算表,如表2所示。

表2　工程需求權(quán)重計算表

表3　需求相對權(quán)重計算表

從上述分析結(jié)果中可以看出,在工程需求中,裝備先進適用和系統(tǒng)高度集成最為重要,這與實際智能變電站的技術(shù)發(fā)展方向完全一致。

3.2工程需求與關(guān)鍵技術(shù)轉(zhuǎn)換模塊

根據(jù)工程需求和關(guān)鍵技術(shù)(crux technique,CT)的相互關(guān)系,可以將工程需求權(quán)重轉(zhuǎn)換成關(guān)鍵技術(shù)權(quán)重,重要度的轉(zhuǎn)換有多種方法,本例以比例分配法來進行說明。

在質(zhì)量屋中,◎表示強相關(guān),○表示相關(guān),△表示弱相關(guān),對◎、○、符號進行數(shù)值化,本算例中對◎、○、△符號按5∶3∶1的分值進行分配。得到初始數(shù)據(jù)如表4所示。

表4　關(guān)鍵技術(shù)權(quán)重初始數(shù)據(jù)表

根據(jù)表4,仿照工程需求權(quán)重計算方法求得關(guān)鍵技術(shù)權(quán)重如表5所示。

表5　關(guān)鍵技術(shù)權(quán)重計算表

表6　關(guān)鍵技術(shù)相對權(quán)重計算表

由表6可知,在關(guān)鍵技術(shù)中,集中式保護控制裝置與一體化業(yè)務(wù)系統(tǒng)最為重要,這與智能變電站最為重要的創(chuàng)新點與技術(shù)難點相一致。

3.3質(zhì)量屋二級展開變電站評價模型。

根據(jù)工程實際,實地調(diào)研,梳理關(guān)鍵技術(shù)與技術(shù)實現(xiàn)率之間的相互關(guān)系,得到原始數(shù)據(jù)。這里需要詳細說明一下算例所提到的技術(shù)實現(xiàn)率的概念。這一概念是具體量化的指標,經(jīng)過實地調(diào)研所得,舉例說明:變電站a所用變壓器完全采用了集成智能化技術(shù),則數(shù)據(jù)為100%,變電站b有一半變壓器采用了集成智能化技術(shù),則為50%。最終關(guān)鍵技術(shù)權(quán)重與變電站評價關(guān)系如表7所示。

根據(jù)表7,仿照工程需求權(quán)重計算方法求得最終的評價結(jié)果,如表8所示。

表7　關(guān)鍵技術(shù)權(quán)重與變電站評價關(guān)系轉(zhuǎn)換表Table 7　Conversion table between of key technologyweight and substation evaluation relationship

表8　變電站評價計算表Table 8　Evaluation calculation table of substation

由表8可知,對于5個示范站的評價,變電站b評分過低,分析主要原因,在于其一體化業(yè)務(wù)系統(tǒng)實現(xiàn)率過低。變電站d與變電站e評分最高,分析原因,可知變電站d是唯一實現(xiàn)集成無功設(shè)備的變電站,而變電站e的高分在于其充分使用了電子互感器。

4　結(jié)　論

1) 本文研究了質(zhì)量功能展開理論挖掘和提煉了各種需求與技術(shù)指標,為整體評價理清了思路,構(gòu)造了框架。采用灰色關(guān)聯(lián)度分析處理數(shù)據(jù),發(fā)揮了灰色理論在處理信息不完全、模糊信息方面的優(yōu)勢。

2) 采用的評價方法對各種關(guān)鍵性新技術(shù)進行了定量評價,為新一代智能變電站下一步的技術(shù)發(fā)展方向提供了有益參考。

3) 提出的評價方法能夠定量評價出新一代智能變電站的技術(shù)先進程度,為具體智能變電站了解自身定位、規(guī)劃未來的改進與發(fā)展提供了一定的參考。

4) 變電站技術(shù)評價是復(fù)雜的系統(tǒng)工程,本方法基于電力行業(yè)的技術(shù)密集型特點,對涉及的多個指標進行了綜合處理,可以為后續(xù)的類似評估工作提供參考。

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Quality function deployment theory based evaluation on technical advancement of new generation smart substation

XU Yan1, LIU Yuankun1, ZHANG Youqiang2, WANG Hongbin2, GU Songlin3

(1.Department of Electric Power Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071000, China;2. Electric Power Research Institute, State Grid Chongqing Electric Power Company, Chongqing 404100, China;3. State Grid Beijing Economic Research Institute, Beijing 100052, China)

To objectively reflect the technical advancement of the new generation smart substation, this paper proposed the method based on quality function deployment (QFD) theory. It is a method that systematically studies the relation between engineering requirements and the key technology, and investigates the key technology in the practical application of substation. By structuring the transformation matrix, the quality house based on the theory of quality function deployment (QFD) was formulated. According to the framework, using the grey correlation analysis method, it made relevant calculation so as to obtain the result of substation’s technical advanced evaluation. At the same time, the analysis of examples prove the reliability and the advancement of the method.

quality function deployment; evaluation methods; new generation smart substation; grey system theory

2016-01-04;

2016-03-01。

徐巖(1976—),男,副教授,主要從事電力系統(tǒng)保護與安全控制、新能源發(fā)電和智能電網(wǎng)方面的研究工作。

TM711.1

A

2095-6843(2016)03-0195-05