基于復(fù)合權(quán)重的多指標(biāo)場(chǎng)站級(jí)綜合性能評(píng)估

【摘要】通過建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化體系，借助大數(shù)據(jù)平臺(tái)對(duì)海量數(shù)據(jù)實(shí)施云計(jì)算，獲取PBA、MTBF、UTH、MTTR、度電維修成本等關(guān)鍵性指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)特定區(qū)域環(huán)境下的場(chǎng)站開展綜合評(píng)估能有效反應(yīng)其健康性狀況，為場(chǎng)站對(duì)標(biāo)提供數(shù)據(jù)支撐。本文在保證數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提下，結(jié)合多項(xiàng)KPI指標(biāo)，將層次分析法與熵值法相結(jié)合，確定復(fù)合指標(biāo)權(quán)重，降低專家在評(píng)估過程中主觀因素和熵值法對(duì)指標(biāo)權(quán)重不敏感的影響，得出場(chǎng)站級(jí)的綜合評(píng)價(jià)得分。并重點(diǎn)針對(duì)評(píng)分較低場(chǎng)站進(jìn)一步實(shí)施風(fēng)電機(jī)組根因分析，進(jìn)而轉(zhuǎn)變管理模式和運(yùn)維思路?！娟P(guān)鍵詞】層次分析法熵值法綜合性評(píng)估KPI指標(biāo)風(fēng)力發(fā)電引言我國(guó)風(fēng)電行業(yè)大規(guī)模發(fā)展已有約十多年時(shí)間，在快速增長(zhǎng)的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，風(fēng)電投資者將主要精力放在了追求眼前市場(chǎng)及規(guī)模擴(kuò)大上。隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組數(shù)量的增加，陸續(xù)暴露出關(guān)鍵部件早期故障、風(fēng)機(jī)故障率高、故障持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)等問題[1]。在這種環(huán)境下，為提高風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量水平，減少運(yùn)行故障，消除事故隱患，提升投資效益，促進(jìn)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)進(jìn)步和風(fēng)電行業(yè)的健康、持續(xù)發(fā)展，眾多專家學(xué)者開始投身制定風(fēng)電行業(yè)可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的體系建設(shè)中，《風(fēng)力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)辦法》（試行）中的基本評(píng)價(jià)指標(biāo)（發(fā)電性能、可利用率、可靠性、運(yùn)維經(jīng)濟(jì)性）是在分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)的風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量和可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合全行業(yè)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量綜合評(píng)價(jià)的特點(diǎn)，本著“面向問題、易于操作、橫向可比、結(jié)果有用”的原則選定[2]。通過建立數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化、指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化體系，結(jié)合大數(shù)據(jù)平臺(tái)的計(jì)算能力獲得相應(yīng)KPI指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組級(jí)別的單一指標(biāo)橫向?qū)?biāo)。上篇論文通過層次分析法結(jié)合多指標(biāo)對(duì)風(fēng)電機(jī)組健康度進(jìn)行了評(píng)估，但是該方法對(duì)指標(biāo)的評(píng)判受主觀因素影響較大。實(shí)踐表明，場(chǎng)站健康度表現(xiàn)在可利用率、可靠性、發(fā)電性能、運(yùn)維能力、運(yùn)維經(jīng)濟(jì)性等方面，按照以往的時(shí)間可利用率TBA或能量可利用率PBA等單一指標(biāo)開展評(píng)判，往往太過片面。本文將層次分析法與熵值法相結(jié)合，PBA、MTBF、UTH、MTTR、度電維修成本等多指標(biāo)參與計(jì)算，一方面摒棄了層次分析法中專家主觀因素的影響，另一方面解決了熵值法對(duì)指標(biāo)權(quán)重缺乏敏感性的影響，從而確定各項(xiàng)指標(biāo)的復(fù)合權(quán)重，給出最合理的場(chǎng)站評(píng)價(jià)得分。1.綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)建立場(chǎng)站級(jí)綜合評(píng)價(jià)體系初期指標(biāo)包括PBA、MTBF、UTH、MTTR、度電維修成本等指標(biāo)，以上指標(biāo)是基于投運(yùn)時(shí)間較長(zhǎng)、數(shù)據(jù)樣本較大的風(fēng)電場(chǎng)為模型建立的。評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)據(jù)來源基于風(fēng)電場(chǎng)SCADA系統(tǒng)、運(yùn)行維護(hù)記錄、經(jīng)營(yíng)記錄、測(cè)風(fēng)塔數(shù)據(jù)等，本文列舉的風(fēng)機(jī)指標(biāo)是通過原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理得到的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。（1）PBA—能量可利用率：PBA=[實(shí)際發(fā)電量/（實(shí)際發(fā)電量+所有損失）]×100%（2）MTBF—平均無故障運(yùn)行時(shí)間：MTBF=(統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)小時(shí)數(shù)×機(jī)組數(shù)量-SCADA系統(tǒng)無連接時(shí)間-故障停機(jī)小時(shí)數(shù)）/總故障次（3）UTH—等效利用小時(shí)：UTH=統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)發(fā)電量/裝機(jī)容量（4）MTTR—平均故障修復(fù)時(shí)間：MTTR=統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi)故障造成的統(tǒng)計(jì)時(shí)間總和/故障次數(shù)（5）度電維修成本（O&MCOE）：O&MCOE=（年均運(yùn)維成本+年均備件成本）/年均實(shí)際上網(wǎng)電量2.層次分析法評(píng)價(jià)體系風(fēng)電機(jī)組的可靠性水平是反映機(jī)組性能的重要指標(biāo)之一，以往通常采用機(jī)組的時(shí)間可利用率來評(píng)價(jià)機(jī)組的可靠性，這種單一評(píng)判方法很多時(shí)候無法準(zhǔn)確反映機(jī)組的健康水平。指標(biāo)權(quán)重是指標(biāo)在評(píng)價(jià)過程中不同重要程度的反應(yīng)，是評(píng)估問題中指標(biāo)相對(duì)重要程度的一種主觀評(píng)價(jià)和客觀反映的綜合度量。權(quán)重的賦值合理性與否，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的科學(xué)合理性起著至關(guān)重要的作用；若某一因素的權(quán)重發(fā)生變化，將會(huì)影響整個(gè)評(píng)判結(jié)果。因此，權(quán)重的賦值必須做到科學(xué)和客觀。而層次分析法AHP是對(duì)一些較為復(fù)雜的，較為模糊的問題作出決策的簡(jiǎn)易方法，它特別適用于那些難以完全定量分析的問題。它是美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家于上世紀(jì)70年代初期提出的一種簡(jiǎn)便、靈活而又實(shí)用的多準(zhǔn)則決策方法。其基本原理大體上可分為下面四個(gè)步驟：

（1）建立遞階層次結(jié)構(gòu)模型；

（2）構(gòu)造出各層次中的所有判斷矩陣；

（3）層次單排序及一致性檢驗(yàn)；

（4）層次總排序及一致性檢驗(yàn)。3.熵值法評(píng)價(jià)體系在信息論中，熵是對(duì)不確定性的一種度量。信息量越大，不確定性就越小，熵也就越小；信息量越小，不確定性越大，熵也越大。根據(jù)熵的特性，可通過計(jì)算熵值來判斷某事件的隨機(jī)性及無序程度，也可以用熵值來判斷某個(gè)指標(biāo)的離散程度，指標(biāo)的離散程度越大，該指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)價(jià)的影響（權(quán)重）越大[6]。（1）指標(biāo)歸一化由于正向指標(biāo)和負(fù)向指標(biāo)數(shù)值代表的含義不同（正向指標(biāo)數(shù)值越高越好，負(fù)向指標(biāo)數(shù)值越低越好）。因此，對(duì)于高低指標(biāo)用不同的算法進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理。其具體方法如下:正向指標(biāo)：負(fù)向指標(biāo)：指標(biāo)量綱標(biāo)準(zhǔn)化(0,1)區(qū)間：（2）指標(biāo)熵值設(shè)有組待評(píng)狀態(tài)，個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的系統(tǒng)，原始評(píng)價(jià)指標(biāo)矩陣Y=，對(duì)于某個(gè)指標(biāo)的信息熵值為：如果，則定義第項(xiàng)指標(biāo)的信息效用值為：第項(xiàng)指標(biāo)的熵值為：可得熵值矩陣為：。4.復(fù)合權(quán)重分析法實(shí)現(xiàn)選擇張家口壩上區(qū)域所屬5個(gè)場(chǎng)站，考慮現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維實(shí)際情況，這里將層次分析法和熵值分析法相結(jié)合，相關(guān)指標(biāo)見表1：4.1標(biāo)準(zhǔn)化處理基礎(chǔ)指標(biāo)數(shù)據(jù)中PBA、MTBF、UTH均屬于正向指標(biāo)，數(shù)據(jù)越大越好；MTTR、度電維修成本屬于負(fù)向指標(biāo)，數(shù)據(jù)越小越好。按照下述計(jì)算模型對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行量綱標(biāo)準(zhǔn)化處理。按照指標(biāo)歸一化公式，將表格數(shù)據(jù)歸一化成5×5矩陣形式，再指標(biāo)量綱標(biāo)準(zhǔn)化為（0,1）區(qū)間的矩陣Y：4.2層次分析法計(jì)算（1）根據(jù)三位專家的打分矩陣構(gòu)造判斷矩陣，參照表2對(duì)上述五項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行定性化重要性比較，構(gòu)造得到5×5判斷矩陣A。（2）指標(biāo)權(quán)重分配計(jì)算要想得到最終的指標(biāo)權(quán)重值，判斷矩陣A需要滿足兩個(gè)條件：是否為正互反矩陣和一致性矩陣。正互反矩陣定義：若矩陣滿足（i）（ii）則稱之為正互反矩陣。明顯判斷矩陣A屬于正互反矩陣。一致性矩陣定義：，i,j,k=1,2……,n。一致性矩陣可以按照如下方式進(jìn)行判斷：（i）計(jì)算一致性指標(biāo)CI當(dāng)CI=0時(shí)，判斷矩陣具有完全一致性；反之，CI越大，判斷矩陣的一致性就越差。（ii）查找相應(yīng)的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI，如下表4所示：（iii）計(jì)算一致性比例CR當(dāng)CR<0.10時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣的一致性是可以接受的。一致性矩陣可以算出不同因素的比例，即一致性矩陣的最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量。即：若A的最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量為，則有：這里的W即為指標(biāo)權(quán)重，然后在進(jìn)行歸一化處理即可得到最終的權(quán)重值[7]。經(jīng)過MATLAB編程計(jì)算得到最終的一致性比例CR=0.0585<0.10，所以滿足一致性矩陣的要求。繼而求得最終的指標(biāo)權(quán)重WE=[0.613,0.145,0.012,0.133,0.0985]。4.3熵值分析法計(jì)算按照4.1對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)歸一化處理，得到標(biāo)準(zhǔn)矩陣Y；然后按照公式（4）計(jì)算各指標(biāo)的熵值矩陣H：按照公式（5）（6）計(jì)算各項(xiàng)熵值矩陣WH：4.4復(fù)合分析法計(jì)算健康度評(píng)分按照層次分析法和熵值法分別計(jì)算四項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重矩陣，構(gòu)造復(fù)合權(quán)重計(jì)算公式得到最終指標(biāo)權(quán)重：層次分析法權(quán)重矩陣：熵值分析法權(quán)重矩陣：復(fù)合權(quán)重構(gòu)造：其中：設(shè)備健康度評(píng)價(jià)需要將指標(biāo)量綱標(biāo)準(zhǔn)化矩陣和最終的指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行乘積運(yùn)算，得到最終的設(shè)備健康度分值。即5.結(jié)論分析通過上表5可以看出，綜合評(píng)價(jià)得分最低的場(chǎng)站為C風(fēng)場(chǎng)，A風(fēng)場(chǎng)和E風(fēng)場(chǎng)屬于同一梯隊(duì)，相對(duì)較好；B風(fēng)場(chǎng)和D風(fēng)場(chǎng)屬于綜合評(píng)價(jià)最好的場(chǎng)站。與現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)后，發(fā)現(xiàn)C風(fēng)場(chǎng)屬于并網(wǎng)時(shí)間最早的場(chǎng)站，并且2019年實(shí)施多項(xiàng)技改工作，停機(jī)時(shí)長(zhǎng)相對(duì)較多。而B和D屬于近兩年并網(wǎng)場(chǎng)