徐　岩,刘沅昆,张友强,王洪彬,谷松林

(1.华北电力大学 电力工程系,河北 保定 071000;2.国网重庆市电力公司电力科学研究院,重庆 404100;3.国网北京经济技术研究院,北京 100052)



·电力系统及其自动化·

采用质量功能展开理论的新一代智能变电站技术先进性评价

徐岩1,刘沅昆1,张友强2,王洪彬2,谷松林3

(1.华北电力大学 电力工程系,河北 保定 071000;2.国网重庆市电力公司电力科学研究院,重庆 404100;3.国网北京经济技术研究院,北京 100052)

为了客观反映新一代智能变电站技术的先进性,提出了一种基于质量功能展开理论的技术评价方法，系统性地研究了工程需求与关键技术的关系,考察了关键技术在变电站的实际应用情况,即搭建了转化矩阵,构建了符合质量功能展开理论的质量屋,以此结构为框架,采用灰色关联分析方法进行相关计算,从而得到变电站技术先进性的评价结果。同时,通过实际算例分析验证了该评价方法的可信性与先进性。

质量功能展开;评价方法;新一代智能变电站;灰色系统理论

智能电网承载和推动第三次工业革命已逐步成为全球共识,转变电网发展方式,推动能源生产和转变消费方式,是智能电网建设的必经阶段[1]。新一代智能变电站是智能电网运行参量采集点与管控执行点。对于建设信息化、自动化、互动化坚强智能电网具有关键性作用。社会经济发展要求变电站实现更加安全、可靠、优质的电力传输。资源与环境约束要求变电站更高效、更节约、更环保。清洁能源和可再生能源发展要求变电站更加灵活可控。多元化客户和优质服务的目标要求变电站更加友好互动。因此,发展智能变电站具有重要的意义。

为了从实际工程的建设中汲取经验,反馈指导后续建设工作的开展,需要从全局的角度检验在实际工程建设中尝试的新技术、新应用是否合理有效。智能变电站工程建设发展阶段多、覆盖地域广,开展研究智能变电站技术评价方法,是客观反映示范工程建设成果的有效途径。而且通过开展评价工作,发现存在问题，衡量推广价值，指导持续改进,可为智能变电站扩大建设奠定理论基础。因此研究新一代智能变电站技术评价方法,对于从理论归纳的角度完善建设成果,具有重要理论意义,与实践结合,更具有现实意义。

现阶段,关于智能变电站的评价方法已经有了相对成功的指标体系和评价方法的应用,文献[2-4]研究了智能电网的评估指标体系;文献[5-6]分别从不同的角度提出了对于智能电网两种评价方法;文献[7-8]分别从智能变电站某一个方面进行了评估。但这些方法都缺乏对智能变电站整体的技术情况的评估研究。因此,本文以新一代智能变电站的示范工程为研究对象,从技术性方面对智能站进行全面的评估。提出了一种质量功能展开理论的技术性的评价方法,运用灰色系统理论对数据进行了处理与分析,对新一代智能变电站示范工程进行了定量分析,以为今后新一代智能变电站建设提供依据。

1　质量功能展开理论

质量功能展开(Quality Function Deployment,QFD)是质量工程的一种计划过程与关键技术。其基本思想是以顾客的期望为驱动,通过把顾客的需求设计到产品和过程中去,从而满足顾客的期望。QFD是设计方式从传统到现代的一种转变,是系统工程思想的具体应用。近几年，QFD技术被许多公司在不同领域予以应用[9]。

QFD的核心思想就是需求的转换,而质量屋是一种直观的矩阵框架表达形式,它提供了具体实现这种转换的工具。质量屋技术是QFD方法的精髓。QFD展开过程实际也就是质量屋的构建过程。

以美国供应商协会(ASI)的产品开发QFD分析模型为例,在总结顾客需求的基础上,采用系统工程方法,将用户需求层层分解,展开过程及方法如图1所示。

图1　美国供应商协会(ASI)的产品开发QFD分析模型

变电站本身也是一种特殊产品,智能变电站强调以工程需求为导向,符合QFD的决策理念。将QFD方法进行延伸,以工程需求代替用户或市场要求,以具体的新技术作为第一级展开,以示范工程变电站对于具体的新技术的实现率作为第二级展开,将其用于智能变电站的技术先进性评价当中,形成以社会、工程需求驱动的变电站工程质量评估方法。

2采用质量功能展开理论的智能变电站技术先进性评价方法

2.1方法整体构建思路

构建符合质量功能展开理论的两级质量屋,第一级为工程需求与关键性技术的关系矩阵,第二级为关键性技术与变电站关键性技术使用率的关系矩阵。

提出工程需求指标并计算其权重,将其权重代入第一级质量屋中进行权重转换,得到关键性技术权重。再以此作为输入项代入第二级质量屋中,以变电站对于关键性技术的使用率为数据进行计算,得到技术先进性程度的结果。

整个计算过程运用灰色关联分析计算方法,充分发挥灰色系统理论处理信息不完全、模糊信息方面的优势,排除主观随意性,系统性地改进了质量屋的各要素,使得结果更加数字化、科学化。其具体实施方法如图2所示。

图2　变电站技术先进性评价质量功能展开图

2.2灰色关联度分析计算方法

中国学者邓聚龙教授在20世纪80年代初首次提出的灰色系统理论。灰色系统理论以“部分信息已知,部分信息未知”的“小样本”、“贫信息”不确定性系统为研究对象,主要通过对“部分”已知信息的生成、开发、提取有价值的信息,实现对系统运行行为、演化规律的正确描述和有效监控[10]。

灰色关联度分析是灰色系统理论的重要分支。一般抽象系统包含有多种不同的因素,多种因素共同作用决定了系统的发展态势。灰色关联度分析的作用就是可以确定每个元素具体的“贡献度”,为进行系统分析打下基础，具体步骤如下:

第一步:确定比较数列(评价对象)和参考序列(评价标准),设评价对象为m个,评价指标为n个。

比较数列Xi={xi(k)；k=1,2…,n},(i=1,2,…,m);

参考序列X0={x0(k)；k=1,2…,n}。

第二步:确定各指标值对应的权重。确定权重方法很多,在这里采用专家赋权与层次分析相结合的方法,得到Wk。Wk表示为第k个评价指标对应的权重。

第三步:求X0与Xi的对应分量之差的绝对值序列,记作:

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

第五步:计算关联系数

2.3智能变电站工程需求指标

根据国家行业的技术规范和国家电网公司的相关的技术导则,综合多位专家的意见,将新一代智能变电站的工程需求概括为系统高度集成、结构布局合理、装备先进适用、经济节能环保和支撑调控一体五个方面[11]。

系统高度集成:包括设备和系统两个层面,其中设备侧重于设备实体,而系统则包括对测控与保护、相关计量等二次系统的一体化集成和故障录波、辅助控制等系统的融合;功能上包括变电站与上一级调度控制的密切配合。

结构布局合理:包括对内、对外两个层面,对内合理包括设备层面的集成优化、通信保护优化；对外包括主接线与运行方式的优化,充分考虑电源与用户接入的优化。

装备先进适用:在设备、通信系统和系统调试等不同层面要体现技术的先进,也要实现安全可靠与灵活实际。

经济节能环保:在全寿命周期内,节省资源,提高效力,保护环境。

支撑调控一体:实现与调控中心的信息交换,为实现调控一体多种功能提供可靠与准确的数据。

3　算例

3.1工程需求权重的的灰色关联度计算模块

工程需求权重是质量屋的重要信息,它一方面关系到对工程需求的判断,另一方面先进技术的重要程度在一定程度取决于需求度的数值,并将继续影响整个QFD的质量,所以要求准确计算。

根据灰色系统理论的特点,利用灰色系统理论里的灰色关联度分析,来计算需求的重要度。以相关领域5位专家意见为参考,在5个需求项中按重要程度得到需求调查矩阵原始数据,如表1所示。

表1　工程需求调查表

根据表1数据,运用邓氏灰色公理进行计算。计算过程中,灰色关联系数取ξ=0.5,参考序列取数值为最高的序列,按上文提及的灰色关联度分析的六个步骤,能得到工程需求权重计算表,如表2所示。

表2　工程需求权重计算表

表3　需求相对权重计算表

从上述分析结果中可以看出,在工程需求中,装备先进适用和系统高度集成最为重要,这与实际智能变电站的技术发展方向完全一致。

3.2工程需求与关键技术转换模块

根据工程需求和关键技术(crux technique,CT)的相互关系,可以将工程需求权重转换成关键技术权重,重要度的转换有多种方法,本例以比例分配法来进行说明。

在质量屋中,◎表示强相关,○表示相关,△表示弱相关,对◎、○、符号进行数值化,本算例中对◎、○、△符号按5∶3∶1的分值进行分配。得到初始数据如表4所示。

表4　关键技术权重初始数据表

根据表4,仿照工程需求权重计算方法求得关键技术权重如表5所示。

表5　关键技术权重计算表

表6　关键技术相对权重计算表

由表6可知,在关键技术中,集中式保护控制装置与一体化业务系统最为重要,这与智能变电站最为重要的创新点与技术难点相一致。

3.3质量屋二级展开变电站评价模型。

根据工程实际,实地调研,梳理关键技术与技术实现率之间的相互关系,得到原始数据。这里需要详细说明一下算例所提到的技术实现率的概念。这一概念是具体量化的指标,经过实地调研所得,举例说明:变电站a所用变压器完全采用了集成智能化技术,则数据为100%,变电站b有一半变压器采用了集成智能化技术,则为50%。最终关键技术权重与变电站评价关系如表7所示。

根据表7,仿照工程需求权重计算方法求得最终的评价结果,如表8所示。

表7　关键技术权重与变电站评价关系转换表Table 7　Conversion table between of key technologyweight and substation evaluation relationship

表8　变电站评价计算表Table 8　Evaluation calculation table of substation

由表8可知,对于5个示范站的评价,变电站b评分过低,分析主要原因,在于其一体化业务系统实现率过低。变电站d与变电站e评分最高,分析原因,可知变电站d是唯一实现集成无功设备的变电站,而变电站e的高分在于其充分使用了电子互感器。

4　结　论

1) 本文研究了质量功能展开理论挖掘和提炼了各种需求与技术指标,为整体评价理清了思路,构造了框架。采用灰色关联度分析处理数据,发挥了灰色理论在处理信息不完全、模糊信息方面的优势。

2) 采用的评价方法对各种关键性新技术进行了定量评价,为新一代智能变电站下一步的技术发展方向提供了有益参考。

3) 提出的评价方法能够定量评价出新一代智能变电站的技术先进程度,为具体智能变电站了解自身定位、规划未来的改进与发展提供了一定的参考。

4) 变电站技术评价是复杂的系统工程,本方法基于电力行业的技术密集型特点,对涉及的多个指标进行了综合处理,可以为后续的类似评估工作提供参考。

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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。

徐岩(1976—),男,副教授,主要从事电力系统保护与安全控制、新能源发电和智能电网方面的研究工作。

TM711.1

A

2095-6843(2016)03-0195-05