基于GIS网格化管理输电线路的运维难度评估

电力系统及其自动化学报ProceedingsoftheCSU-EPSA

Vol.28Suppl.Dec.

2016

基于GIS网格化管理输电线路的运维难度评估

沈平1，虢韬1，杨恒1，伍思睿2

（1.贵州电网公司输电运行检修分公司，贵阳550002；2.贵州电力设计研究院，贵阳550002）

摘要：输电线路作为电网运行的基本组成部分，对于供电设施的正常运行有着至关重要的作用，大部分输电线路运维模式标准不一，且较难被空间量化，对于建立运维难度评估体系造成了影响。本文以网格化模式作为管理依据，选用贵州省范围内地形高差、坡度、杆塔运维数量、典型灾害风险个数等数据作为运维难度评估因子，结合层次分析法、熵权法及头尾间隔分割法，建立针对网格化的输电线路运维难度评估方法。该方法对于电网运维有一定的参考价值，为电网部门提供了一种新的辅助管理办法。关键词：网格化管理；难度评估；层次分析；熵权法中图分类号：TM715；TM73

文献标志码：A

（2016）增刊-0094-05文章编号：1003-8930

DOI：10.3969/j.issn.1003-8930.2016.增刊.019

EvaluationonOperationDifficultyofTransmissionLinesBasedon

GISandGriddingManagement

SHENPing1，GUOTao1，YANGHeng1，WUSirui2

（1.TransmissionOperationandMaintenanceBranch，GuizhouPowerGridCo.，Ltd，Guiyang550002，

China；2.GuizhouElectricPowerDesign&ResearchInstitute，Guiyang550002，China）

Asthebasiccomponentsofpowernetwork，transmissionlinesaresignificantforthepowersupplyfacilities．DuetotheAbstract：

factthattheevaluationstandardsonpoweroperationarenotunifiedandtheyaredifficulttobequantifiedfromthespatialaspect，theevaluationsystemofoperationdifficultycannottobeeasilyestablished．Combinedwithanalytichierarchyprocessmethod，entropymethodandHead/Tailbreaksdivisionrule，anevaluationmethodisproposedtoquantifytheoperationdifficultyoftrans-missionlinesinGuizhouProvince.Theevaluationfactorsofoperationdifficultyconsistofdatasuchastopographicaltitudediffer-slope，thenumberofpolesandtowersunderoperation，andthenumberofrisksintypicaldisasters，whicharefurtherusedtoence，

formulatetheevaluationmethodwithagriddingmodeasmanagementcriteria.Theproposedmethodisvaluabletotheoperationofpowernetwork，whichprovidesanewassistantmanagementmethodfortheadministrations.

Keywords：griddingmanagement；difficultyevaluation；analytichierarchyprocessmethod；entropymethod

输电线路作为电网运行的基本组成部分，对于

供电设施的正常运行有着决定性的影响。电网设备，尤其是输电线路的地域分布极广、管理要素复杂，是电网运行维护部门一直以来的重点关切，直接涉及到电网的经济支出和人力资源调配等。传统的输电线路运维管理模式存在问题较多，既有工作职能不匹配、职责设置有误等人力资源协调问题，也有运维成本较高、运维区域针对性差及运维管理精细化程度不达标等实际运维管理问题。其中，某些地区运维管理方式以各地方供电局提供的标准为依据，而某些地区则以个人为标准，运维分配较随意，时常会出现“人选线”，造成的线路运维分配落实不均等问题。

修回日期：2016-11-25收稿日期：2016-11-03；

这些运维管理问题不仅会带来运维区域边界纠纷及

人力资源浪费等问题，也不利于客观对输电线路进行标准化量化评估。

网格化管理模式的提出很好地解决了传统运维方式不易于统一标准、对重点区域较难进行针对性管理的问题。网格化管理通过将对象按照一定的标准划分成若干的地理网格单元，避免由于区域划分不明确所造成的资源分配问题。其次，由于网格化管理是针对每一个地理网格单元进行的独立评估，且网格的制定参照相对规范的标准，从而可对重点区域进行针对性的分析，大大提高管理效率[1-3]。因此，基于网格化管理这一思想，建立统一标准的输电线

增刊沈平等：基于GIS网格化管理输电线路的运维难度评估

·95·

路地理网格，

不仅有利于数据管理，还可以实现对网格内数据的空间量化分析，并通过最终计算出的基于输电线路的地理网格运维难度，对输电线路运维管理优先级提供一定的辅助参考。

地理信息系统GIS（geographicinformationsystem）作为21世纪的热门信息科学，为水文、地质、气象、交通、环境及智慧城市管理等多方面提供了强有力的技术支撑。GIS提供的分析手段不仅涉及到数学模型的评估，还能够对空间地理要素进行综合考量。通过结合输电线路网格化管理模式，GIS可以对网格区域内及其周围的灾害情况进行统计评估，计算出网格内的灾害统计分布情况；通过对地形高差及坡度进行分析，可以对网格区域内的地形复杂程度进行量化评估；通过借助空间叠加分析，可以得出每一个网格内需要维护的杆塔数量。最终，将这些空间数据进行量化处理，得到每一个网格内的各类不同参考指标，并通过数学决策模型对其权重进行计算，建立运维难度的评估值。

1数据处理方法

1.1

数据处理

本文以贵州省行政区域作为实验区域，共计选

取涉及到覆盖全省范围内的80条500kV输电线路

数据以及266条220kV的输电线路数据。通过地理信息系统软件将输电线路数据进行矢量化并制作出以1km为单位大小的输电线路运维地理网格。贵州省地质条件复杂，自然气候多变，从运维的角度而言，户外工作环境十分恶劣，雷电、暴雨、洪涝、冰雹、大风、强降温、降雪、凝冻等几乎所有的气象灾害都会对输电设备的安全运行构成影响。本文主要选取地形、坡度以及典型灾害分布统计数据作为主要运维难度因子。考虑到杆塔运维数量（即单位网格内的杆塔密度）也是造成运维难度加大的主要原因，也被列为评价因子之一。

本文中地形高差数据通过全贵州省30m分辨率的数字化高程模型数据提取；坡度数据通过将数字化高程模型进行投影及坡度分析计算获取；杆塔运维数量数据通过计算贵州省输电线路网格化空间相关关系获取；贵州地区典型灾害类型统计数据主要以收集到的贵州全省范围内雷区、冰区、污区、风区以及地质灾害分布图数据作为基础，通过对重点灾害区域进行分类提取后依照网格获得。本文工作流程如图1所示。主要步骤包含网格化数据获取及分类、权重计算以及运维难度分级。

输电线路网格数据

网格坡度值网格地形高差网格杆塔数量网格灾害数量

数据获取分类

层次分析法

熵权法

综合权重运维难度值

图1

运维难度值计算流程

Fig.1

Flowchartforcalculatingtheoperationdifficulty

1.2权重计算

1.2.1

层次分析法

层次分析法AHP（analysishierarchyprocess）是由美国运筹学家、匹兹堡大学萨蒂教授提出的一种通过专家打分主观判断的多准则决策方法。AHP首先将各类对比因素分组，形成递阶层次结构，通过两个因素之间的相互对比确定层次中因素的相对重要性排列，建立判断矩阵。其次，通过计算该矩阵的最大特征值和相应的特征向量，得到下一层各要素与上一层次要因素的重要性次序，依次类推，建立各因素的权重[4-6]。

本文通过对4类运维难度因素之间的相对重要性进行打分和综合对比，得出各因素之间的重要性排列（见表1）。

表1

基于运维难度因子的AHP排列

Tab.1RankofAHPbasedonoperationdifficultyfactors

运维杆塔/个

地形高差/m

坡度（/°）灾害/类1.003.02.004.000.331.00.500.670.502.01.001.000.251.5

0.25

1.00

排序

运维杆塔＞灾害＞坡度＞地形高差

1.2.2

熵权法

熵是热力学中的重要概念，表示一个信息源发出信号状态不确定的程度。当指标值所计算的熵值越小的时候，则该指标在综合评价中的相对重要程度也越大，有效信息多，权重也大。反之，当指标值熵值较大时，则说明指标提供的有效信息较小，权重也相应较小[7-9]。本文数据处理中熵权法的计算包括以下步骤。

步骤1指标的标准化处理。考虑到各项指标的计量单位并不统一，因此在用它们计算综合指标前，

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第28卷

对数据进行标准化处理，从而解决各项不同质指标值的同质化问题。由于本文数据为负向指标数值，即数值越小越好，因此主要采用负向指标算法。为避免0和1值，本文对计算的指标值（即运维难度因子）进行标准化处理。为方便起见，其他公式算法中仍记非负化处理后的数据为Xij，

且有X′

ij

=max（X1jmax（X，X2j，…，Xnj）-1j，X2j，…，Xnj）-min（XXij

X×

1j，2j，…，Xnj）0.9+0.1i=1，

2，…，n；j=1，2，…，m（1）步骤2计算第j项指标下第i个样本占该指标的比重pij，即

pij=

Xij

Σni=1，2，…，n；j=1，2，…，m（2）

X

ij

i=1

步骤3计算第j项指标的熵值ej为n

ej=-kΣpijlnpij

（3）

i=1

式中，k为常数，k>0，

k=1/ln（n），ej≥0步骤4计算第j项指标的差异系数。对第j项指标，

指标值的差异越大，对方案评价的左右就越大，熵值就越小，定义差异系数gj为

gj=1-ejm-E（4）

e

m

m

式中：Ee=Σej；0≤gi≤1；j=1

jΣgj=1，m为样本类型=1

数量。

步骤5权值wj为wj=

gj≤m（5）

Σm

1≤jg

j

j=1步骤6计算各样本的综合得分si为m

si=Σwjpiji=1，

2，…，n（6）

j=1

1.2.3权重优化计算

考虑到层次分析法是通过主观打分方式进行、

权重的评估，虽然具有所需数据信息少、计算简单等优点，但很容易造成主观性误差；熵权法相比较层次分析法客观，但由于其计算的方式主要是由原始数据来推倒，一旦原始数据出现较大误差会影响数据权重的计算，因此本文对层次分析法和熵权法进行求优化均值处理，从而弥补两种算法相互之间的误差，优化的权重计算方法（以下简称优化法）为

W=（层次分析法计算权重2+熵权法计算权重）（7）1.2.4

计算最终运维难度值

计算出每一类运维难度因子的权重之后，依次与网格内的样本数据进行相乘，并将所有的数据进行叠加，计算出基于每一个网格单元的最终运维难度值Q为

n

n

n

n

Q=ΣS1Xij+ΣS2Xij＋ΣS3Xij＋…ΣSnXij（8

）i=1

i=1

i=1

i=1

式中：

Sn为运维难度因子指标的权重；Xij为每一个样本的值。

1.2.5运维难度值分级

对于数组的自然分级，Jiang[10-11]提出了一种科学有效的方法，名为头尾间隔分割法（head/tailbreaksdivisionrule），该方法已经被用于数据分类、地图可视化分级等相关地理信息系统领域。

该方法的处理方式是先对最终运维难度值Q进

行平均值计算，并基于平均值（如首次计算的平均值

记为m）1将数据分为头部H（数据数量少但数值大1

的部分）和尾部T（数据数量多单数值小的部分1

），通过计算尾部数值之和所占整体的T1%，来判断尾部比例是否大于50%。如大于50%，则将尾部数据T1作

为一个整体，

再次求均值m2，并依据m2划分出新的头部H2和尾部T2。重复这一过程直到数据求出的平均值mn没有出现重尾分布现象（即头部数据所占

Hn%基本等于尾部数据所占Tn%

）。最终，将该过程中所计算的所有平均值记录下来，并依次作为分级的阈值[10-13]。

2计算结果

本文分别采用层次分析法、熵权法和优化权重

对各运维难度因子权重进行了计算（见表2），并基于优化权重，计算每一个网格的最终运维难度值。通过头尾间隔分割法进行分级处理（见表3），得出最终运维难度值（Q）的分级阈值，并根据此阈值划分出贵州地区输电线路运维难度评估等级（见表4）。

本报告共划分出8个等级，分别为Ⅰ级非常困难、Ⅱ级困难、Ⅲ级较困难、Ⅳ级中等、Ⅴ级普通、Ⅵ级较容易、Ⅶ级容易、Ⅷ很容易，相应的运维难度区域可通过表4查询。

不同网格的最终运维难度值可以对应不同的难度运维等级，通过查询网格的编号得到相应的地理空间位置。从图2可知，运维难度在Ⅲ级及以上的区域，主要集中在贵州的西南部地区。贵州西南部地区地形地貌复杂，自然灾害频发，且部分地区石漠化情况严重，这些都不利于地区线路运维工作的开展。因

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表2各运维因子权重计算结果Tab.2

Calculationresultsofweightforeachoperationdifficultyfactor

方法运维杆塔/个地形高差/m灾害/类坡度（/°）AHP0.4803000.09270.1201000.3069熵权0.0235510.06840.6008580.3072优化

0.251900

0.1876

0.360500

0.2000

表3头尾间隔分类结果

Tab.3Classificationresultusinghead/tailbreaks

总和/

头部个头部占尾部个尾部占均值/个数/个比/%数/个比/%数值11844195816988684017.88195834543111357051.068453454050060068.093451313721463081.4413153407860093.865318333567104.66185271373116.435

2

40

3

60

138.53

表4运维难度值等级划分

Tab.4Classificationofoperationdifficulties

序号运维难度区间/数值

等级1Q≥138.53Ⅰ级-非常困难2138.53>Q≥116.43Ⅱ级-困难3116.43>Q≥93.86Ⅲ级-较困难493.86>Q≥81.44Ⅳ级-中等581.44>Q≥68.09Ⅴ级-普通668.09>Q≥51.06Ⅵ级-较容易751.06>Q≥17.88Ⅶ级-容易8

Q≤17.88

Ⅷ级-很容易

长顺

晴隆关岭

镇宁

盘县

普安

紫云

兴仁

贞丰

安龙

望谟

兴义

册亨

图2贵州地区运维难点分布（三角形为分布位置）

Fig.2Distributionmapofoperationdifficultylocationsin

Guizhouarea（withdistributionlocationslabeledastriangles）

此，该运维难度评估结果也一定程度上符合该地区

线路运维困难的实际情况。

3讨论

结合网格化管理方式及地理信息系统，本文建立了一套对输电线路运维数据的量化和评估方法。由于输电线路的运维难度因子难以避免人为选择的主观性，因此对于如何选择、怎样选择运维难度因子不能一概而论，需要根据实际情况做出调整。例如贵州地区地形地貌复杂，运维因子的选择会较多参考地形因素；而平原地区或者沿海地区的地形相对平缓，对地形地貌的考量相对较少，则可能需要考虑其他影响因子，如气象气候、交通、人文因素等。

通过表5可以看出，使用AHP、熵权法以及两者优化权重对最终运维难度值进行计算得出得平均值分级阈值各有差异，其中使用AHP和优化法计算的迭代均值个数相当（均为8次），熵权法次之（7次）。从数值上来说，AHP与熵权法得出的平均值差异性

并不是很大，而使用两者结合的优化法计算出来的平均值差异性很大，且最高值明显高于AHP和熵权法各自的平均值最高值。Jiang等[10-13]认为，当头尾间隔分割法的迭代次数（即平均值计算的次数）越多时，则表明数据的复杂性越大。由于AHP是一种人为主观打分的方法，使用AHP或包含AHP算法的优化法计算的迭代次数均比熵权法高，也从侧面反映了人为干预对于数据成果的影响是存在的。

表5

头尾分割法迭代计算

Tab.5Iterativecalculationusinghead/tail

breaksdivisionrule

平均值计算次数/次

AHP熵权法优化法118.6518.83017.88229.2226.04051.06340.0134.68068.09447.7040.67081.445

54.4350.64093.86660.8555.17104.66766.4962.46116.43876.10—138.539———10

—

—

—

另一方面，从表2可以看出，使用AHP计算的各因子权重与使用熵权法计算的权重不仅在数值上存在较大差异，其重要性排序也各不相同。AHP得

出的结论表明杆塔运维数量是最重要的运维因子，而熵权法得出的结论表明典型灾害数量为最优先运维因子。不仅如此，熵权法计算中，各因子之间的

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权重差异性也十分明显，以典型灾害数量因子权重0.60058为最高，杆塔运维数量因子权重0.023551为最低。这也说明了各个因子之间的数据熵、以及差异性明显，表明熵权法界定数据的有效信息存在较大差异，数据的波动性较大。

因此，若单方面使用某一种方法来计算权重，则会存在较大的主观性。这种主观性不仅体现在专家打分的差异性上，也会体现在数据自身的信息有效性上。为了能够更好地增加评估体系的准确性和严谨性，未来还需对权重的优化、数据获取的精度等方面进行深入研究。

4结语

本文提出的运维难度评估方法，对电网运维部门在运维难度评估体系研究方面提供了新的思路。通过这种空间量化评估方法，运维部门可灵活选择符合实际运维情况的难度评估因子，结合人工外业考察报告或相关历史参考数据等，对输电线路的运维难度进行更加全面的评估，大大提高电网行业在输电线路运行维护上的工作效率和准确率，减少人力物力的浪费。

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沈平

（1989—），女，硕士，助理工程师，研究方向为输电线路运行维护管理。Email：1054669614@qq.com

虢韬（1983—），男，硕士，高级工程师，研究方向为输电线路运行维护和电网防灾减灾研究。Email：79169957@qq.com杨恒（1977—），男，本科，高级工程师，研究方向为输电线路运行维护管理。Email：yanghen1977@126.com