基于TOPSIS多目标决策分析方法的输电线路绝缘子选型应用研究

基于TOPSIS多目标决策分析方法的输电线路绝缘子选型应用研究

高波

身份证：130125198602257013

摘要：作为电网的主要构成，输电线路担负着输送电能的主要任务，保证运行安全的同时要合理降低损耗。合理的设备选用对电网建设、安全可靠、环境保护、经济运行具有重要意义。进入“十四五”时期，碳达峰、碳中和已经列为下一阶段中央经济工作会议重点任务之一，合理控制碳排放，构建低碳经济、生态和谐发展的工作日趋紧迫，输电线路作为国家命脉，建设规模和能耗占有很重的比例，因此节能减排至关重要。作为线路安全运行的重要构件，绝缘子有着用量大，易损坏难维护的特点，其突出表现是其一次建设成本所占比重不大，但后续维护损耗严重。因此，概括考虑相关要素进行选优尤为重要。在输电线路绝缘子选型时引入TOPSIS多目标决策方法来分析探讨。

关键词：输电线路；TOPSIS多目标决策方法；绝缘子选型

1. 绝缘子通用类型

绝缘子按采用的绝缘材料划分，可以分为瓷、玻璃和复合绝缘子三类。盘形瓷绝缘子被各国电网广泛使用，尤以亚洲、北美使用最为普遍，质量最好的产品出自日本NGK公司，其年劣化率约为十万分之一。钢化玻璃绝缘子更多的用于欧洲特别是英、法、意大利以及南美地区，其中法国SEDEER公司的产品占有玻璃绝缘子市场的最大份额，其产品年自爆率约为万分之二或略多一些。复合绝缘子则以美国和中国使用量最大，而且呈快速增长趋势，目前国际上对硅橡胶复合绝缘子的损坏率还没有一个确切统计，我国的损坏率约在十万分之五左右。

2. 输电线路中绝缘子选型问题

国内架空送电线路通常采用下列三种形式的绝缘子，即瓷制盘型绝缘子、钢化玻璃盘型绝缘子、棒式复合绝缘子。输电线路工程中绝缘子的选型主要受电压等级、污秽等级、机械强度、气象环境（风速、覆冰、雷击等）、耐污性等诸多因素影响，在进行技术指标分析时，不同形式绝缘子各有利弊，满足技术选择条件下均可在不同区域运用。在同一项目不同形式绝缘子均可满足技术条件时，决策者就有多种选择，不同的选型结果对工程投资、运营及整体社会效益就会产出多种结果。若是选择不当就会造成工程不必要的资源浪费进而增加相关产业碳排放，不利于碳达峰、碳中和任务实施。此时，就要考虑引入其他指标来进行整体综合分析、比较，做出最有利的选型。

3. TOPSIS多目标决策方法

3.1 TOPSIS多目标决策方法概念

　TOPSIS(Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution)称为逼近于理想解的排序方法，又称为优劣解距离法、理想解法、理想点法，由C.L.Hwang和K.Yoon于1981年首次提出 。是一种理想目标相似性的顺序选优技术,在多目标决策分析中是一种非常有效的方法。它通过归一化后的数据规范化矩阵,找出多个目标中最优目标和最劣目标(分别用理想解和反理想解表示) ,分别计算各评价目标与理想解和反理想解的距离,获得各目标与理想解的贴近度,按理想解贴近度的大小排序,以此作为评价目标优劣的依据。输电线路绝缘子选型中引入TOPSIS多目标决策方法，是根据有限个评价对象与理想化目标的接近程度进行排序的方法，是在现有的对象中进行优劣的评估。

3.2 基本原理

其基本原理，是通过检测评价对象与最优解、最劣解的距离来进行排序，若评价对象最靠近最优解同时又最远离最劣解，则为最好；否则为最差。其中最优解的各指标值都达到各评价指标的最优值。最劣解的各指标值都达到各评价指标的最差值。

TOPSIS法中“理想解”和“负理想解”是TOPSIS法的两个基本概念。所谓理想解是一设想的最优的解（方案），它的各个属性值都达到各备选方案中的最好的值；而负理想解是一设想的最劣的解（方案），它的各个属性值都达到各备选方案中的最坏的值。方案排序的规则是把各备选方案与理想解和负理想解做比较，若其中有一个方案最接近理想解，而同时又远离负理想解，则该方案是备选方案中最好的方案。

3.3 TOPSIS法的数学模型

设有不同的n个目标方案，每个目标方案有m个属性，由此，得出多属性决策方案问题的模型，如式(1)所示：

Z=max／min{| s=l，2，…n，q=l，2，….m}                    (1)

一般解题步骤:

．设有n个目标方案(有限个数)，m个属性,评审专家把其中第s个目标的第q个属性的评价值为,则初始判断矩阵V为：

                                       (2)

．现实中不同指标的量纲有所差异，因此须要对决策方案矩阵进行归一化的处理：

                                            (3)

其中:                 

 =/,s=1,2…n; q=1,2…m.                          （4）

．由德尔菲法（Delphi）法取得的专家对属性的信息权重矩阵D，以下加权判断矩阵：

 =                              （5）

．通过以上加权判断矩阵来获得评价方案的正、负理想解：

正理想解：   

                               (6)

负理想解：   

                                 (7)

其中，为效益型指标，为成本型指标.

．测算各目标方案值与理想值之间的欧氏距离：

                                        (8)

                                   (9)

 ．测算各个目标方案间的贴近度：

                             (10)             

．依照其贴近度的大小对目标方案进行排序，为方案决策提供依据.

4. TOPSIS法在输电线路绝缘子选型的应用

4.1 工程概况

通过对沿线气象调查收资，并进行分析论证，本工程杆塔设计气象条件：基本风速23.5m/s，设计覆冰15mm，新建段导线采用2×JL4X/G1A—495/50钢芯高导电率成型铝绞线。地线一根为JLB40—100型铝包钢绞线，另一根为24芯OPGW光缆，海拔高度在400m以下。

4.2 基本分析步骤

本工程可研提供4种绝缘子型号进行比选。影响输电线线路绝缘子选型因素有多种，本研究仅选取较为重要的因素进行分析，其中经济评级，均折合为年费用系数，以达到经济性最优。分为方案A、方案B、方案C、方案D。本研究选取对线路项目影响较重的指标进行分析，各个方案的评估标准选取以下6项内容：Kl(污秽等级)、K2(折合年费用经济成本)、K3(绝缘子强度)、K4(爬电比距)、K5(机械强度)、K6(相关政策影响)。以四个方案为4个目标，6个评价标准为6个属性。 其中，K2作为成本型指标，该指标综合考虑年费用法；K1、K3、K4、K5作为技术性指标，K6为社会效益性指标。本项目每个方案所对应的属性数值都由4名评审专家予以评出，表l列出了去模糊化后4位专家评判值的数集结成果，我们把它用于多属性方案决策的初始矩阵中，各个属性在评估结果中的占比(W)根据德尔菲法来获取，本项目研究方案决策的方法分析步骤如下：

表1  专家评审结果表

．初始条件：根据以上表的专家评估决策成果生成的初始判断矩阵V

通过德尔菲法（Delphi）则，测出集结后的群体的偏好矩阵：

.

．正、负理想解如下：

．结果(计算贴近度)：

= （0.7621，0.5666，0.7106，0.6851），依据由小到大按次对决策目标方案予以排序，可得出〈〈〈，通过数据统计测算得出本项目中，方案A相对更佳，因此本工程绝缘子选型可优先选择A类。

5. 结论

本研究运用TOPSIS多目标决策方法，在输电线路绝缘子选型过程中，综合考虑不同因素重要性，对方案优选起到客观依据支持

TOPSIS多目标决策方法在输电线路绝缘子选型中应用加以探讨，充分考虑输电线路项目中的重要因素环节，不仅考虑技术和经济性，还把项目实施过程中的外在环境因素及政策考虑到线路工程项目的规划、设计和建设阶段。力求输电线路在方案选择初期就能获得最佳方案。此方法可以推广应用输电线路类似的项目方案决策中，致力于提高项目整体效益，进而提高输电线路工程运营的稳定和安全及整体长远的经济效益。

参考文献：

[1] 中国电力企业联合会.110kV-750kV架空输电线路设计规范[M]. 北京：中国计划出版社，2010.

[2] 周鹏程. 基于层次分析评价线路输电路径优化设计应用研究[J]. 工程科技Ⅱ辑,2018,10.

[3] 杨振国、韩彬、陈光、高培国. 多属性决策理论在高压输电线路路径方案选择中的应用[J]. 工程科技Ⅱ辑,2018,10.

[4] 乔永辉. 一种基于TOPSIS的多属性决策方法研究.企业技术开发2006,25(9)：89-91.

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