基于FAHP的物元可拓电力通信网光缆段风险评估模型_林金强.pdf

电 力 信 息 与 通 信 技 术Electric Power Information and Communication TechnologyVol.21 No.2Feb.2023第 21 卷 第 2 期2023 年 2 月基于FAHP的物元可拓电力通信网光缆段风险评估模型林金强1，李珍珍2，吴强1，盛丹红1，王政1（1.国网湖北省电力有限公司襄阳供电公司 数字化工作部，湖北省 襄阳市 441200；2.国网湖北省电力有限公司襄阳供电公司 枣阳供电公司，湖北省 襄阳市 441200）FAHP-based Matter-element Extension Risk Assessment Model for Optical Cable Section of Power Communication NetworkLIN Jinqiang1,LI Zhenzhen2,WU Qiang1,SHENG Danhong1,WANG Zheng1(1.Xiangyang Power Supply Company,State Grid Hubei Electric Power Co.,Ltd.,Xiangyang 441200,Hubei Province,China;2.Zaoyang Power Supply Company,State Grid Hubei Electric Power Co.,Ltd.,Xiangyang 441200,Hubei Province,China)摘要：为有效掌握电力通信网光缆段的风险状况，通过系统性分析电力光缆的风险致因机理，从电力光缆的运行指标、物理指标和环境指标3个方面建立了评估指标体系。基于模糊层次分析法和物元可拓理论构建了电力通信网光缆段的风险评估模型。以某供电公司的电力通信光缆为实例进行风险评估，结果表明：该模型能够定性和定量的分析每条光缆的风险等级，精准定位光缆段的薄弱环节，科学指导运维人员开展工作，为促进电网稳定运行具有重要的指导意义。关键词：电力通信网光缆段；模糊层次分析法；物元可拓理论；风险评估ABSTRACT:To learn the risk status of power communication optical cable effectively,an evaluation index system is established from three aspects:the operation index,the physical index and the environmental index of the power optical cable by systematically analyzing the risk factors of power optical cables.Based on fuzzy analytic hierarchy process and matter-element extension theory,the risk assessment model for optical cable section of power communication network is constructed.Taking the power communication optical cable of a power supply company as an example to carry risk assessment,the results show that the model can qualitatively and quantitatively analyze the risk level of each optical cable,accurately locate the weak links of the optical cable section,and scientifically guide the operation and maintenance personnel to carry out work,and has important guiding significance to promote the stable operation of power grid.KEY WORDS:power communication optical cable section;fuzzy analytic hierarchy process;matter-element extension theory;risk assessment0引言随着电网建设的推进，光缆作为电力通信网的重要组成设备，能否安全、可靠的传输业务，直接影响电网运行的稳定。电力通信光缆敷设区间跨度大，营运时间长，影响因素多，极易存在安全隐患。因此，制定科学合理的风险评估模型，确保电力通信光缆低风险运行具有重要的现实意义。目前，针对电力通信网光缆段风险评估的研究成果相对较少，学者主要集中在电力通信网的风险评估，包含2个方面，一方面是分析电力通信网中各项风险指标的重要度，筛选出影响电力通信网风险的关键指标并进行指导维护，如文献1利用博弈论思想将熵权法和层次分析法的指标权重组合，使权重赋值的结果更符合实际；文献2通过Apriori筛选影响电力通信网业务可靠性的关键指标，利用层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)建立风险评估模型，以历史运维数据验证其准确性和有效性；另一方面是分析电力通信网整体的风险等级，如文献3将对数最小二乘法和限位系数法应用到模糊 层 次 分 析 法(fuzzy analytic hierarchy process，FAHP)模型中，构建了电力通信网可靠性评估方法；文献4采用多属性决策的方法将层次分析法和熵权法计算出的指标权重结合起来，评价电力通信中图分类号：TN913.7 文献标志码：A 文章编号：2095-641X(2023)02-091-07 DOI：10.16543/j.2095-641x.electric.power.ict.2023.02.12著录格式：林金强，李珍珍，吴强，等基于FAHP的物元可拓电力通信网光缆段风险评估模型J 电力信息与通信技术，2023，21（2）：91-97林金强等：基于FAHP的物元可拓电力通信网光缆段风险评估模型Vol.21 N网的可靠性。然而，较少有文献系统性地分析电力通信光缆的健康状态、风险等级，缺少有效的方式对其进行故障预警和隐患排查。层次分析法5能够将专家的主观知识通过对比量化为各指标的权值；物元可拓论6分析事物的特征和量值，通过关联函数反映对象的量与质变化。层次分析法和物元可拓论的结合，已经广泛应用在大型系统的风险评估中，如航天、铁路和电网等领域。文献7建立了电力通信网的三级递阶评估指标体系，运用物元可拓理论构建了电力通信网的风险评估模型，能够全面标识电力通信网运行过程中的脆弱环节；文献8将熵权法和层次分析法进行线性组合，建立了基于变权物元可拓的接触网健康状态综合评价模型。但是，层次分析法易受主观意识的影响，导致指标权重分配不合理；而物元可拓论的关联函数受评估指标方向性的约束，在指标量化中存在一定的缺陷。鉴于此，本文基于模糊层次分析法和物元可拓论，构建了一种电力通信网光缆段的风险评估模型，其关键点在于研究电力通信光缆复杂的风险致因机理，建立三层评估指标体系、采用FAHP分析法弱化主观意识以及对物元可拓模型的关联函数进行合理化约束。1电力通信网光缆段风险评估体系电力通信网光缆段的服役环境复杂，风险的影响因素众多，且尚未有统一的指标规范，导致其指标不易量化、体系难以全面覆盖。本文通过查阅大量的文献资料9-12、光缆段敷设要求13-14和咨询专家意见，从运行指标、物理指标和环境指标3个方面提取电力通信网光缆段的风险因素，评估体系如图1所示。1.1光缆段运行指标分析1）光缆纤芯占用率光缆中已使用的纤芯数越多，越不利于光路的拓建和故障纤芯的调换，其风险等级越高。令u(ei)和w(ei)分别为光缆ei上已使用的纤芯数和纤芯总数，则纤芯占用率p(ei)表示为：p(ei)=u(ei)w(ei)(1)2）业务负载比重率电力通信网中光纤承载着各种业务，包含生产运营的继电保护业务、安稳控制类业务；也包含管理信息业务、办公数据等应用业务。因此，每条光缆上承载的业务不同，其风险等级也不一样。令G表示电力通信网承载的业务类型总数，则负载容量l(ei)为：l(ei)=j=1G(Ojj)(2)式中：j是第j类业务对应的重要度权值，通过查阅文献15获取；Oj是光缆ei上所承载的j类业务的数量；l(ei)0,是指标评估值，对l(ei)进行归一化处理，即：l(ei)=1-exp(-l(ei)(3)式中，a的取值根据通信网业务承载相关要求得到。3）光缆故障间隔率光缆段在服役期内发生故障的频次和故障持续的时间是衡量业务稳定传输的重要指标。令h表示光缆ei的纤芯数；Teik表示光缆ei第k芯服役时长；Tmeik表示光缆ei第k芯例行维护停运时长；TDeik表示光缆ei第k芯故障持续时长；NDeik表示光缆ei第k芯故障发生次数，则光缆故障间隔率Fei：Fei=1-1hk=1h(1-Teik-Tmeik-TDeik(1+NDeik)(Teik-Tmeik)2(4)1.2光缆段物理指标分析1）光缆可靠性电力通信网主要使用OPGW、ADSS和普缆，光缆类型和敷设长度是影响光缆物理可靠性的重要因素。在相同的服役环境中，单位长度的OPGW可靠性最好，ADSS次之，普缆最差。实际光缆铺设的长度可以等效为单位长度光缆级联而成，光缆的物理可靠性随长度的增加而降低，单位长度光缆物理可靠性r(ei)为：r(ei)=TMTTF-TMTTRTMTTF(5)式中：TMTTF指失效前平均工作时间；TMTTR指故障修c1c2c3c4c5c6c7c8光缆段风险评估运行指标物理指标环境指标光缆纤芯占用率业务负载比重率光缆故障间隔率光缆可靠性光缆传输损耗周围温度变化周围气象变化其他外部因素一级指标二级指标目标层 图1电力通信光缆段风险评估体系Fig.1Risk Assessment system for power communication optical cable sections92第 21 卷 第 2 期电 力 信 息 与 通 信 技 术复平均时间。令d(ei)为光缆段ei的长度，则其物理可靠性R(ei)为：R(ei)=r(ei)d(ei)(6)2）光缆传输损耗光缆传输中的损耗主要有本征损耗、安装损耗和接续点损耗。本征损耗是光纤材料和杂质对光能的吸收而引起的，不同材质、生产工艺都会引起损耗的变化；安装损耗和接续点损耗是施工中操作不一致及光纤的接续点次数不同产生的，令k为光缆ei第k芯的实测衰耗，则传输损耗s(ei)有：s(ei)=1hk=1hkd(ei)(7)1.3光缆段环境指标分析1）光缆周围气象变化光缆周围的自然灾害常给光缆带来严重的损伤，主要有雷击和强风。光纤虽然不受电磁干扰，但光缆内金属加强芯等导电金属，在强电流的雷击下会发生感应耦合现象，当电压大于光缆的耐压系数时，会对光缆产生一定的损坏。令ng为单位面积遭遇雷击次数(次/km2 d)；为土壤电阻率(k m)；X为年平均雷击天数(d/a)；d(ei)为光缆段ei的长度(km)；ud为光缆外护套击穿电压(kV)；为雷击次数常数(I/kA)，则光缆遭受雷击的次数NG为：NG=ngXd(ei)ud10-3(8)对于架空线路，强风造成的光缆产生双折射现象会对架空光缆的偏振膜色散(polarization mode dispersion，PMD)产生影响，同时强风的能量也会对架空光缆线路(杆路、光缆)的结构参数造成显著影响，从而影响传输的性能。2）光缆周围温度变化温度变化会导致光纤中的石英与涂覆层塑料的线膨胀系数相差很大，影响光缆传输的稳定性。在低温下，覆层塑料的收缩远大于纤丝的收缩，纤丝发生纵向的应变，纤丝微弯而增加衰耗；在高温下，由于覆层内存在应力，使松弛的纤丝受到限制而微弯，增加衰耗。3）其他外部因素光缆的周围环境、施工情况都会影响业务传输的稳定性，主要有“三跨隐患”和“区段施工情况”。三跨多为交通要塞，杆塔档距大，光缆张力强，常年负荷较重，部分光缆容易受电腐蚀危害，存在断线等风险。在光缆敷设区段频繁施工，存在操作不当、沟通不到位问题，造成挖断光缆、车辆挂断光缆，以及计划性的光缆迁改等现象，都会影响业务传输的稳定性。2电力通信网光缆段风险评估的FAHP物元可拓模型物元可拓论是以物元理论和可拓集合为基础，将待研究对象进行量化分析，根据指标的实际值计算出对象与评语等级之间的隶属度，得到对象的评语等级，FAHP通过先验知识对风险指标的重要度、权值进行评估。电力通信光缆风险评估建模流程如图2所示。2.1物元模型以对象N为电力通信网光缆段的风险，该物元拥有n个风险指标，用C=c1,c2,cn表示，其对应的量值为V=v1,v2,vn，则电力通信网光缆段风险物元定义为：R=(N,C,V)=N c1 v1c2 vn(9)2.2经典域和节域用Nj表示电力通信网光缆段风险物元的多个评语等级，每个风险指标ci(i=1,2,n)在各评语等级都有相应的量值vji，则经典域Rj为：Rj=(Nj,C,Vj)=Nj c1 (10)式中：aj1和bj1为量值vji的边界值。电力通信网光缆段风险物元评价中，每个风险构造经典域、结点域物元矩阵建立综合风险评估体系构建三角模糊评判矩阵计算指标权值一致性校验计算指标全局权重并输出修正评判矩阵确定待评物元的风险等级计算指标关联度并输出定义关联度函数约束条件构建待评估物元矩阵满足不满足得出结论 图2电力通信网风险评估建模流程Fig.2Risk assessment modeling process of power communication network93林金强等：基于FAHP的物元可拓电力通信网光缆段风险评估模型Vol.21 N指标都有对应的取值空间，用于评估对象在各评语等级下风险指标的优劣，称为节域的物元Rp：Rp=(Np,C,Vp)=Np c1 (11)2.3基于改进的模糊AHP权值确定基于模糊三角函数的层次分析法能够将不确定性的信息包含在内16-17，一定程度上消除主观失误，构建的判断矩阵更符合客观逻辑性。其因素评价尺度可通过查阅文献18获取。1）构建模糊判断矩阵依据专家经验对同层的因素进行两两比较，得到三角模糊判断矩阵A?，记为：A?=(l11,m11,u11)(l12,m12,u12).(l1n,m1n,u1n)(l21,m21,u21)(l22,m22,u22).(l2n,m2n,u2n).(ln1,mn1,un1)(ln2,mn2,un2).(lnn,mnn,unn)(12)式中：(lij,mij,uij)表示因素i和j之间的模糊量化关系，矩阵A?中(lij,mij,uij)与(lji,mji,uji)互为倒数。2）权值计算采用求和平均法计算模糊判断矩阵各因素的比重，得到因素权重矩阵Hi如下：Hi=j=1nliji=1nj=1nlij,j=1nmiji=1nj=1nmij,j=1nuiji=1nj=1nuij(13)为消除专家主观意识对判断矩阵的影响，引入调节系数，取0.5表明评判人具有悲观的性格或在评判时带有负面的情绪；0.5则表明评判人是积极的。计算期望值E(Hi)，归一化后，生成权向量为：E(Hi)=EL(Hi)+(1-)ER(Hi)EL(Hi)=li+mi2、ER(Hi)=mi+ui2li=j=1nlij/i=1nj=1nlijmi=j=1nmij/i=1nj=1nmijui=j=1nuij/i=1nj=1nuij(14)wi=E(Hi)i=1nE(Hi)(15)3）一致性校验判断矩阵A?的对角元素即i=j时，必有lij=lji、mij=mji和uij=uji；当ij时，有ljimjiuji。A?各因素权重必然满足条件：lji(wi/wj)uji；引入矩阵A?中的中间量mji，计算权重的比率函数Gji(wi/wj)，定义矩阵A?的一致性校验指标：=exp-maxGij(wiwj),i,j=1,2,.n,ijGij(wiwj)=mij-wiwjmij-lij,0wiwjmmij(16)式中：当e1=0.3679，表明因素的权重满足一致性校验；=1则表明评判矩阵完全一致。的值越大，对应的一致性越好。4）因素全局权重各因素层的判断矩阵满足一致性校验时，计算子因素的全局权重，设wFi为一级准则层对目标层的权重；wfij为一级准则层对其子准则层的权重；则全局权重w fij为：w fij=wFiwfij(17)2.4关联函数确定关联函数用以反映事物具有某种性质的程度，通过距和位值描述待评估对象与评语等级之间的契合度，从而区分不同的评语等级，其表达式为：Kj(vi)=-(vi,vji)|vji|,vivji(vi,vji)D(vi,vji,vpi),vivji(18)式中，Kj(vi)表示指标值vi在评语等级Nj中关于经典域vji的隶属值；|vji|=|bjiji|；(vi,vji)表示其可拓距离，即：(vi,vji)=|vi-aji+bji2|-(bji-aji)2(19)D(vi,vji,vpi)表示指标值vi在经典域vji和节域vpi之间的位关系，即：D(vi,vji,vpi)=(vi,vpi)-(vi,vji)(20)根据电力通信网光纤段的基本特性，其风险指标只包含正向指标和逆向指标，因此对等式(18)约束如下：vivji且viaji,bji的充要条件为Kj(vi)(0,1)；对正向指标，当vi=aji或vi=bji的充要条件为Kj(vi)=0或Kj(vi)=1；对逆向指标，当vi=aji或vi=bji的充要条件为Kj(vi)=1或Kj(vi)=0；当vivji且vivpi 的充要条件为Kj(vi)0.460.58355050560表2电力通信光缆段待评物元基础数据Table 2Matter-element basic data for power communication optical cable segment to be evaluated光缆电力通信架空光缆段e01电力通信直埋光缆段e02指标名称纤芯占用率s1负载比重率s2故障间隔率s3光缆可靠性s4传输损耗s5纤芯占用率s1负载比重率s2故障间隔率s3光缆可靠性s4参数0.66670.80710.45170.96320.21070.250.40990.81250.977指标名称气象变化s61气象变化s62温度变化s7外部因素s81外部因素s82传输损耗s51气象变化s61温度变化s7外部因素s82参数1.83.64.314.20.29961.22.620表3第一级指标层对目标层的模糊判断矩阵Table 3The fuzzy judgment matrix of the first-level index layer to the target layer目标层运行指标物理指标环境指标运行指标(1,1,1)(1/6,1/5.5,1/5)(1/4,1/3,1/2)物理指标(5,5.5,6)(1,1,1)(1,2,3)环境指标(2,3,4)(1/3,1/2,1)(1,1,1)表4第二级指标层对第一级指标层的判断矩阵Table 4The judgment matrix of the second-level indicator layer to the first-level indicator layer运行指标s1s2s3物理指标s4s5环境指标s6s7s8s1(1,1,1)(4,5,6)(2,3,4)s4(1,1,1)(1/6,1/5,1/4)s6(1,1,1)(1/3,1/2.5,1/2)(3,4,5)s2(1/6,1/5,1/4)(1,1,1)(1/3,1/2,1)s7(2,2.5,3)(1,1,1)(6,7,8)s3(1/4,1/3,1/2)(1,2,3)(1,1,1)s5(4,5,6)(1,1,1)s8(1/5,1/4,1/3)(1/8,1/7,1/6)(1,1,1)95林金强等：基于FAHP的物元可拓电力通信网光缆段风险评估模型Vol.21 N根据 2.3 节的计算方法得到各个指标的权重(见表5)。其中，一级指标的一致性校验值为=0.8167；二级指标的一致性校验值分别为：=0.7819、=0.9365、=0.4443，所以0.3679，得到的权重满足一致性校验。3.4计算指标关联度和综合关联度利用式(18)(20)计算得到物元e01和e02的风险指标与风险等级关联表见表6所列。将指标的权重和表6的数据代入式(25)，得到光缆段风险等级(见表7)，e01为稍有风险，e02为一般风险。3.5结果分析与评价在电力通信光缆风险状态评估中，各指标与风险等级的关联度Kj(vi)的数值大小满足标准范围19：1）当0Kj(vi)1时，表示vi符合风险等级j，其值越大，表明指标隶属度越高；2）当1Kj(vi)0时，表示vi不符合风险等级j，其值越大，表明指标偏移越远。分析表6可知，电力通信光缆e01风险评估为“稍有风险”。其中，光缆可靠性与温度变化的指标评估结果为“无风险”，负债比重率评估结果为“显著风险”，因此，降低光缆e01的风险等级主要考虑改善其传输的业务配比。电力通信光缆e02风险评估为“无风险”。其中，外部因素评估为“稍有风险”，传输损耗评估结果为“一般风险”，应重点关注光缆的传输损耗，对光缆的接续点、线路进行盘查，杜绝隐患。4结语本文结合FAHP和物元可拓模型构建了电力通信光缆段的风险评估模型。通过系统性的分析影响电力通信光缆的风险因素，选取相关指标建立评估体系，并采用模糊层次分析法得到指标权重；建立了光缆段的物元模型，并根据指标的特性约束关联函数；本模型既体现了电力光缆风险因素的模糊性，也确保了风险评估的客观性和准确性。以某供电公司的通信光缆为例，结果表明，本文模型具有较好的可行性，在得到电力光缆段综合风险等级的同时，也将各风险指标的具体值反映出来，能够精准定位光缆段的薄弱环节，高效指导运维人员维护、调整业务路由方式，提高电力通信网可靠性。参考文献1孙增友，张洋基于改进综合赋权的电力通信网风险指标确定方法J东北电力大学学报，2017，37(3)：97-102SUN Zengyou，ZHANG YangA method for determining risk index of electric power communication network based on improved comprehensive 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network光缆电力通信架空光缆段e01电力通信直埋光缆段e02指标s1s2s3s4s5s6s7s8s1s2s3s4s5s6s7s8f10.16670.51780.09660.2640.04830.10380.140.050.41670.31680.3750.460.24950.40.480.3939f20.3330.3570.4830.2640.15290.08330.140.30.58330.31680.6250.540.08990.40.480.07143f30.0910.03550.10270.6320.21960.70.71330.40.64290.41440.68750.770.42290.90.82670.0476f40.28570.0710.25140.75470.38030.8740.85670.78670.68750.48760.73210.84670.11880.9520.91330.5556f50.41180.32510.35780.8160.5420.93830.9140.8650.72220.54460.76560.8850.34870.96570.9480.666796第 21 卷 第 2 期电 力 信 息 与 通 信 技 术LV Shunli，YANG Jihai，DENG Wei，et alResearch and application of business risk assessment of electric power communication Network based on Apriori-AHP analysisJ Computer&Digital Engineering，2018，46(4)：667-671(in Chinese)3施健，王世文，徐士元基于改进FAHP的电力通信网可靠性评估方法研究J计算机与数字工程，2015，43(4)：613-617，625SHI Jian，WANG Shiwen，XU Shiyuan Power communication network reliability evaluation method based on improved FAHPJComputer and Digital Engineering，2015，43(4)：613-617，625(in 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张乐平，金鑫，万路基于模糊层次分析法的本地通信技术适用性评估J电力信息与通信技术，2018，16(7)：57-63ZHANG Leping，JIN Xin，WAN Lu Applicability evaluation of local communication technology based on fuzzy analytic hierarchy processJ Electric Power Information and Communication Technology，2018，16(7)：57-63(in Chinese)18 YU X D，ZHANG Q，ZHU M Q，et alThe improved fuzzy analytic hierarchy processJApplied Mechanics and Materials，2014，543-547：1901-190419 MA Lihua，CHEN Hong，YAN Huizhe，et al Post evaluation of distributed energy generation combining the attribute hierarchical model and matter-element extension theoryJ Journal of Cleaner Production，2018，184：503-510 收稿日期：2022-03-14。作者简介：林金强(1993)，男，硕士研究生，通信作者，从事电力通信安全运营风险管控方面的研究工作，；李珍珍(1995)，女，硕士研究生，从事电网通信技术应用研究方面工作；吴强(1989)，男，工程师，从事电力通信运维检修方面的研究工作；盛丹红(1971)，女，高级工程师，从事电力通信运维检修方面的研究工作；王政(1971)，男，高级工程师，从事电力通信网安全管理方面研究工作。（责任编辑 张京娜）林金强 97