宋麗,李鵬,許文韜,喬明明,周洵,饒果
(1.新疆大學(xué),烏魯木齊 830046;2.國網(wǎng)湖南省電力有限公司超高壓輸電公司,湖南 衡陽 421002;3.湖南省電網(wǎng)建設(shè)有限公司,湖南 衡陽 421002)
電力安全可靠供應(yīng)對社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大,“十三五”期間我國建成一大批“西電東送”“北電南供”電力能源大動(dòng)脈,打造了世界上電壓等級最高、安全運(yùn)行紀(jì)錄最長的特大型電網(wǎng),預(yù)計(jì)“十四五”期間全社會(huì)用電量將達(dá)9.85萬億kWh,成為名副其實(shí)的電力強(qiáng)國[1]。以華中某省級電網(wǎng)為例,該省作為華中地區(qū)能源資源匱乏省份和能源輸送的末端,能源供應(yīng)長期存在壓力,隨著1 000 kV南陽-荊門-長沙特高壓線路的投運(yùn),進(jìn)一步完善了華中電網(wǎng)“日”字型主網(wǎng)架,顯著提升了省間電力交換能力,保障華中電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行,為該地區(qū)地區(qū)增加200萬~300萬kW供電能力,結(jié)合2017年投運(yùn)的祁韶±800 kV特高壓直流工程,組成“一交一直”特高壓網(wǎng)架,電網(wǎng)進(jìn)入交直流混聯(lián)電網(wǎng)新階段[2]。
超/特高壓輸電線路在能源大范圍跨區(qū)域配置中作用顯著,一般跨越短則數(shù)百公里、長則數(shù)千公里的地域進(jìn)行電能輸送,需要途徑高原、森林、丘陵等不同地貌,長年累月經(jīng)受風(fēng)霜雨雪和雷暴山火的考驗(yàn)[3]。為了確保輸電線路安全可靠運(yùn)行,大量的電力工人工作在輸電線路運(yùn)維檢修一線,時(shí)刻關(guān)注線路運(yùn)行安全。隨著華中某地區(qū)現(xiàn)階段超/特高壓輸電線路密集投運(yùn),輸電線路運(yùn)行維護(hù)檢修的電網(wǎng)、設(shè)備、人員各類安全風(fēng)險(xiǎn)逐年攀升,有必要對該地區(qū)輸電線路運(yùn)維檢修過程中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估,提出有效的風(fēng)險(xiǎn)管控措施[4-5]。
目前,國內(nèi)外學(xué)者針對輸電線路運(yùn)維檢修過程中的風(fēng)險(xiǎn)從不同角度進(jìn)行了研究?;谘芯繉ο蟛煌?,風(fēng)險(xiǎn)評估方法可大致分為輸電線路在線監(jiān)測法[6]、氣象環(huán)境分析法[7]、層次分析法[8]等。文獻(xiàn)[9]構(gòu)建了輸電線路覆冰在線監(jiān)測實(shí)時(shí)預(yù)警及趨勢預(yù)警的雙動(dòng)態(tài)預(yù)警模型,為輸電線路覆冰預(yù)警監(jiān)測提供了良好的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[10]研究了祁韶直流特高壓輸電線路線夾組件概率疲勞脆性曲線,為輸電線路金具的易損位置及破壞機(jī)理分析提供了參考。部分學(xué)者針對雷擊、山火、覆冰和臺(tái)風(fēng)等不同氣象條件下的輸電線路災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)展開研究,建立相關(guān)事故預(yù)警模型,提出了一系列不同地理氣象條件下風(fēng)險(xiǎn)評估控制方法[11-14]。上述文獻(xiàn)從不同專業(yè)角度對輸電線路進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估,并提出了專業(yè)性的控制策略。然而輸電線路運(yùn)維檢修是一項(xiàng)涉及電網(wǎng)、設(shè)備、人員多方面安全風(fēng)險(xiǎn)管理的綜合工作,因此考慮輸電線路運(yùn)維檢修全生命周期風(fēng)險(xiǎn)控制管理,降低線路運(yùn)維檢修風(fēng)險(xiǎn)概率變得十分重要。
云模型風(fēng)險(xiǎn)評估方法[15]是一類應(yīng)用廣泛的風(fēng)險(xiǎn)評估算法,具有風(fēng)險(xiǎn)分布云圖直觀可視以及風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度量化評估的雙重優(yōu)勢。為了進(jìn)一步提高當(dāng)前華中某地區(qū)超/特高壓輸電線路運(yùn)維檢修過程中的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別能力,本文提出一種基于云模型的輸電線路運(yùn)維檢修風(fēng)險(xiǎn)評估策略,梳理目前超/特高壓輸電線路運(yùn)維檢修中的關(guān)鍵安全風(fēng)險(xiǎn)因素,進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素組合權(quán)重賦權(quán),基于云模型繪制關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素云圖進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。
工作風(fēng)險(xiǎn)結(jié)構(gòu)分解法常用于工程項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別[16]。本文對華中某地區(qū)輸電線路從投運(yùn)到正式運(yùn)維檢修的各類工作任務(wù)進(jìn)行分解,包括日常運(yùn)維“六防”、專項(xiàng)停電檢修、應(yīng)急帶電作業(yè)三部分。
基于上述風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別范圍,對華中某地區(qū)輸電線路運(yùn)維檢修項(xiàng)目進(jìn)行分解,將“項(xiàng)目”作為第一層,將日常運(yùn)維“六防”、專項(xiàng)停電檢修、應(yīng)急帶電作業(yè)作為第二層,再根據(jù)各部分涉及的工作流程、施工工藝逐步劃分第三層。輸電線路運(yùn)維檢修項(xiàng)目工作任務(wù)分解如圖1所示。
圖1 輸電線路運(yùn)維檢修項(xiàng)目工作任務(wù)分解Fig.1 Tasks breakdown for a transmission line operation and maintenance project
對該地區(qū)輸電線路運(yùn)維檢修工作的各類風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分解,涉及組織與管理風(fēng)險(xiǎn)、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)三個(gè)專業(yè)領(lǐng)域,再按照各專業(yè)領(lǐng)域的內(nèi)容和特征,依次劃分出第三層風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)分解如圖2所示。
圖2 輸電線路運(yùn)維檢修項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)分解Fig.2 Risk breakdown of a transmission line operation and maintenance project
輸電運(yùn)維檢修項(xiàng)目全部工作過程涉及的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)十分龐雜,為保證風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)的有效性,利用模糊拓展集[17]計(jì)算專家投票得到的風(fēng)險(xiǎn)因素排序值。
式中:tA(xi)為贊成第i個(gè)指標(biāo)納入關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素的專家人數(shù)占專家總?cè)藬?shù)的比值;fA(xi)為反對第i個(gè)指標(biāo)納入關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素的專家人數(shù)占專家總?cè)藬?shù)的比值;πA(xi)為猶豫度函數(shù),表示投棄權(quán)票的人數(shù)占比。
式中:SA(xi)為計(jì)算得到的風(fēng)險(xiǎn)因素排序值。
本文選取SA(xi)≥0.4作為篩選標(biāo)準(zhǔn),表示贊成減去反對的票數(shù)占總樣本人數(shù)四成以上則認(rèn)定該風(fēng)險(xiǎn)因素為關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素,得到16項(xiàng)輸電線路關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素排序如表1所示。
表1 關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素排序Table 1 Ranking of key risk factors
篩選出的16項(xiàng)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素排序是一類偏主觀的定性排序,客觀性體現(xiàn)不足,需要另外計(jì)算其客觀權(quán)重,用以得到關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素組合權(quán)重,使得后續(xù)風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)與風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對策略更加科學(xué)。
本文采用熵權(quán)法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素組合賦權(quán)權(quán)重計(jì)算。
步驟1:計(jì)算主觀權(quán)重ωAi。
以“運(yùn)維管理制度風(fēng)險(xiǎn)”為例,可得該風(fēng)險(xiǎn)因素主觀權(quán)重為0.086。同理,計(jì)算剩余評價(jià)指標(biāo)的主觀權(quán)重,得到16項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素主觀權(quán)重如表2所示。
表2 關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素主觀權(quán)重Table 2 Subjective weights of key risk factors
步驟2:再次邀請專家學(xué)者對16項(xiàng)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級打分,收集評分結(jié)果形成風(fēng)險(xiǎn)因素打分表,對應(yīng)的評分分值區(qū)間如表3所示[18]。
表3 風(fēng)險(xiǎn)評分分值Table 3 Risk score
步驟3:計(jì)算各關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素在專家打分所形成的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)值比重rij。
式中:rij為專家打分所形成的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)值比重;Qij為各個(gè)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素專家打分值。根據(jù)專家打分得到“運(yùn)維管理制度風(fēng)險(xiǎn)”分值比重為0.078。
步驟4:計(jì)算評分信息熵值Hij。
根據(jù)專家打分可得“運(yùn)維管理制度風(fēng)險(xiǎn)”信息熵值為0.998。
步驟5:計(jì)算客觀權(quán)重ωBi。
“運(yùn)維管理制度風(fēng)險(xiǎn)”客觀權(quán)重計(jì)算算例如式(7)所示。
同理可得其他關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素的客觀權(quán)重如表4所示。
表4 關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素客觀權(quán)重Table 4 Objective weight of key risk factors
步驟6:通過對比表2和表4,可以看出16項(xiàng)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素的主、客觀權(quán)重差異較大。線性加權(quán)法[20]側(cè)重于對多類權(quán)重差異較大的指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重組合,因此本文選用線性加權(quán)法計(jì)算組合權(quán)重。
式中:γ和σ分別為主、客觀賦權(quán)的賦值加權(quán)系數(shù);ωCi為組合權(quán)重。
考慮到風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別對象是電力特種行業(yè),主觀權(quán)重重點(diǎn)體現(xiàn)人身和設(shè)備安全效益,客觀權(quán)重更多體現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,主觀權(quán)重的重要性應(yīng)大于客觀權(quán)重,因此設(shè)定賦值加權(quán)系數(shù)γ≥σ,這也更符合本文研究對象的實(shí)際情況。定義主、客觀權(quán)重值差異函數(shù)為d(ωAi,ωBi),與賦值加權(quán)系數(shù)滿足如下關(guān)系式[18]:
計(jì)算可得各個(gè)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素組合權(quán)重,以二級風(fēng)險(xiǎn)因素“運(yùn)維管理制度風(fēng)險(xiǎn)”為例,其組合權(quán)重風(fēng)險(xiǎn)值為:
對應(yīng)的一級風(fēng)險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)因素“管理風(fēng)險(xiǎn)”的組合權(quán)重風(fēng)險(xiǎn)值為:
同理可計(jì)算出全部16項(xiàng)關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素的組合權(quán)重,結(jié)果如表5所示。
表5 關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素組合權(quán)重Table 5 Portfolio weights of key risk factors
在進(jìn)行輸電線路運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)評估之前,首先要建立風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云,計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云參數(shù)(Ex1,En1,He1)。以表3中的“低風(fēng)險(xiǎn)”標(biāo)準(zhǔn)云模型參數(shù)B∈[0,2)為例,可得標(biāo)準(zhǔn)云參數(shù)如下:
式中:Ex1為云模型期望;En1為熵;He1為超熵,一般取值0.15[15]。同理可得標(biāo)準(zhǔn)云模型參數(shù)如表6所示,風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖如圖3所示。
表6 標(biāo)準(zhǔn)云模型參數(shù)Table 6 Standard cloud model parameters
圖3 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云圖Fig.3 Cloud chart of risk assessment criteria
求解二級風(fēng)險(xiǎn)因素和一級風(fēng)險(xiǎn)因素的云模型參數(shù),而后進(jìn)一步求解得到研究對象綜合整體風(fēng)險(xiǎn)云模型參數(shù)。以二級風(fēng)險(xiǎn)因素“運(yùn)維管理制度風(fēng)險(xiǎn)”為例,根據(jù)式(13)可求解得到其樣本均值和樣本方差S211:
該二級風(fēng)險(xiǎn)因素的云參數(shù)為:
因此二級風(fēng)險(xiǎn)因素“運(yùn)維管理制度風(fēng)險(xiǎn)”的評價(jià)云參數(shù)為(6.9,0.68,0.3)。
再以一級風(fēng)險(xiǎn)因素“管理風(fēng)險(xiǎn)”為例,已知其組合權(quán)重為0.507,則對應(yīng)的一級風(fēng)險(xiǎn)因素“管理風(fēng)險(xiǎn)”云參數(shù)計(jì)算如下:
同理可以求得所有風(fēng)險(xiǎn)因素的整體云模型參數(shù)如表7所示。
表7 整體云模型參數(shù)Table 7 Overall cloud model parameters
根據(jù)計(jì)算得到的16類關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素的云參數(shù)計(jì)算結(jié)果,分別對3類風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行云圖風(fēng)險(xiǎn)評估。
1)“管理風(fēng)險(xiǎn)”云圖參數(shù)為(2.75,0.71,0.34),在標(biāo)準(zhǔn)云圖中的對比如圖4所示,分析可知“管理風(fēng)險(xiǎn)”云圖大部分處于較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間,為較低風(fēng)險(xiǎn)水平。
圖4 管理風(fēng)險(xiǎn)對比云圖Fig.4 Cloud chart of management risk comparison
2)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)云圖參數(shù)為(4.72,0.73,0.31),在標(biāo)準(zhǔn)云圖中的對比如圖5所示,分析可知設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)云圖大部分處于標(biāo)準(zhǔn)云圖的中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間,為中度風(fēng)險(xiǎn)水平。
圖5 設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)對比云圖Fig.5 Cloud chart of equipment risk comparison
3)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)云圖參數(shù)為(4.9,0.8,0.23),在標(biāo)準(zhǔn)云圖中的對比如圖6所示,分析可知環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)云圖大部分處于標(biāo)準(zhǔn)云圖的中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間,為中度風(fēng)險(xiǎn)水平。
圖6 環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)對比云圖Fig.6 Cloud chart of environment risk comparison
4)總體風(fēng)險(xiǎn)云圖參數(shù)為(3.79,0.74,0.31),在標(biāo)準(zhǔn)云圖中的對比如圖7所示,分析可知總體風(fēng)險(xiǎn)云圖處于標(biāo)準(zhǔn)云圖的較低風(fēng)險(xiǎn)與中度風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間。
風(fēng)險(xiǎn)云圖可對研究對象風(fēng)險(xiǎn)屬性進(jìn)行較為直觀的定性分析,但是各種風(fēng)險(xiǎn)因素在不同風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間的符合程度需要?dú)w一化為相似度百分比,從而定量評估安全風(fēng)險(xiǎn)。在云圖對比分析的基礎(chǔ)上,計(jì)算得出評價(jià)風(fēng)險(xiǎn)云與標(biāo)準(zhǔn)云的量化相似度,實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)云圖量化評價(jià)。
3.3.1 云相似度計(jì)算
云相似度δi計(jì)算方法如下:
1)計(jì)算評價(jià)云正態(tài)分布數(shù)xk。
式中:Enk表示以En為期望、H2e為方差的隨機(jī)正態(tài)分布數(shù);xk表示以Ex為期望、E2nk為方差的隨機(jī)正態(tài)分布數(shù)。
2)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)云正態(tài)分布數(shù)E'nk。
式中:E'nk表示以Enq為期望、H2eq為方差的隨機(jī)正態(tài)分布數(shù)。
3)計(jì)算xk在E'nk中的隸屬度μkq。
式中:Exq為不同風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間標(biāo)準(zhǔn)云的期望值。
4)評價(jià)云與標(biāo)準(zhǔn)云相似度計(jì)算。
式中:N為歸一化計(jì)算程序循環(huán)計(jì)算符合評估精度的次數(shù)。
3.3.2 風(fēng)險(xiǎn)相似度結(jié)果分析
由于歸一化計(jì)算量較大,本文采用MATLAB仿真軟件進(jìn)行計(jì)算,單輪歸一化循環(huán)次數(shù)為5 000,歸一化計(jì)算得到華中某地區(qū)輸電線路運(yùn)維檢修總體風(fēng)險(xiǎn)和一級風(fēng)險(xiǎn)相似度百分比如表8所示,二級風(fēng)險(xiǎn)相似度百分比如表9所示。
表8 總體風(fēng)險(xiǎn)和一類風(fēng)險(xiǎn)相似度百分比Table 8 Percentage of similarity of overall risk and class-1 risk
表9 二類風(fēng)險(xiǎn)相似度百分比Table 9 Percentage of similarity of class-2 risk
由表8、表9可知,通過云模型評估得到華中某地區(qū)輸電線路運(yùn)維檢修總體風(fēng)險(xiǎn)為較低風(fēng)險(xiǎn)。
1)一級風(fēng)險(xiǎn)因素“管理風(fēng)險(xiǎn)”為較低風(fēng)險(xiǎn)。其中,“運(yùn)維管理制度風(fēng)險(xiǎn)”二級風(fēng)險(xiǎn)因素為較高風(fēng)險(xiǎn),“高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)”二級風(fēng)險(xiǎn)因素為中度風(fēng)險(xiǎn),均需要采取有效風(fēng)險(xiǎn)控制措施。
2)一級風(fēng)險(xiǎn)因素“設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)”為中度風(fēng)險(xiǎn)。其中,“施工材料質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)”為較高風(fēng)險(xiǎn),“線路桿塔施工工藝風(fēng)險(xiǎn)”“金具銹蝕斷裂風(fēng)險(xiǎn)”和“桿塔基礎(chǔ)損傷風(fēng)險(xiǎn)”均為中度風(fēng)險(xiǎn),需要采取有效風(fēng)險(xiǎn)控制措施。
3)一級風(fēng)險(xiǎn)因素“環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)”為中度風(fēng)險(xiǎn)。其中,“線路通道速生樹竹跳閘風(fēng)險(xiǎn)”為較高風(fēng)險(xiǎn),“運(yùn)維項(xiàng)目資金安全風(fēng)險(xiǎn)”“輸電線路導(dǎo)地線覆冰跳閘風(fēng)險(xiǎn)”和“線路雷擊跳閘風(fēng)險(xiǎn)”和“線路保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)山火風(fēng)險(xiǎn)”均為中度風(fēng)險(xiǎn),需要采取相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)控制措施。
為了更好地評估風(fēng)險(xiǎn)控制效果,對施加控制決策后的各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行云模型參數(shù)調(diào)整,調(diào)整規(guī)則如下:內(nèi)部重要風(fēng)險(xiǎn)因素在采取一系列有效控制措施后,各風(fēng)險(xiǎn)因素云模型參數(shù)期望值減少2;外部重要風(fēng)險(xiǎn)因素在采取有效控制措施后,各風(fēng)險(xiǎn)因素云模型參數(shù)期望值減少1[18-20]。
施加控制措施后的華中某地區(qū)輸電線路運(yùn)維檢修總體風(fēng)險(xiǎn)因素對比云圖如圖8所示,可以看出,采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施后,風(fēng)險(xiǎn)云圖由原先的中度風(fēng)險(xiǎn)向較低風(fēng)險(xiǎn)移動(dòng)明顯,穩(wěn)定在較低風(fēng)險(xiǎn)左側(cè),總體風(fēng)險(xiǎn)云圖基本落在標(biāo)準(zhǔn)云圖的較低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)間,風(fēng)險(xiǎn)控制效果較為理想。
圖8 施加控制措施后總體風(fēng)險(xiǎn)對比云圖Fig.8 Cloud chart of overall risk after control measures applied
此外,對施加控制措施后的總體風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)云參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)云參數(shù)進(jìn)行相似度百分比計(jì)算,結(jié)果顯示該地區(qū)某輸電線路運(yùn)維檢修的總體風(fēng)險(xiǎn)呈現(xiàn)較低風(fēng)險(xiǎn)的概率由原先的73.7%提升至98.2%,中度風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率由原先的26%降至0.9%。
本文基于云模型對華中某地區(qū)輸電線路運(yùn)維檢修關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估,得到了3類一級風(fēng)險(xiǎn)因素和16類關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)的云模型參數(shù),通過繪制風(fēng)險(xiǎn)因素云圖并與標(biāo)準(zhǔn)云圖進(jìn)行比對,識(shí)別出重點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)因素11項(xiàng),采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施后,對各風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行再評估,結(jié)果顯示中度風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率由原來的26%降至0.9%。研究成果為華中某地區(qū)輸電線路運(yùn)維檢修風(fēng)險(xiǎn)控制提供了可行思路。