秦梁棟，宋 靜，徐海東，李 卉，張育朋，林 榕，程 鵬

（1.河北省電力公司，石家莊 050021；2.石家莊供電公司，石家莊 050051；3.天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司，天津 300384；4.天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津 300072）

高壓電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的確定作為高壓電網(wǎng)規(guī)劃的主體與很多因素密切相關(guān)，應(yīng)根據(jù)供電安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、供電質(zhì)量和電網(wǎng)適應(yīng)性等綜合因素合理選擇并具體確定。然而目前我國高壓電網(wǎng)規(guī)劃中網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的實際規(guī)劃設(shè)計中，對供電各相關(guān)因素以定性分析為主，個人偏好因素影響較大，同時難以分析各因素對網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的影響程度。主要原因是目前高壓電網(wǎng)網(wǎng)架的確定缺少合理且具有較強(qiáng)實用性的綜合評價體系，導(dǎo)致網(wǎng)架的確定無法實現(xiàn)定量計算，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇隨意性較大。

本文基于河北南網(wǎng)高壓電網(wǎng)網(wǎng)架的規(guī)劃，通過層次分析法［1～5］建立供電安全性、供電可靠性、供電經(jīng)濟(jì)性、供電質(zhì)量和電網(wǎng)適應(yīng)性等各種因素間的相互關(guān)聯(lián)影響以及隸屬關(guān)系，將各個因素按不同層次聚集組合，結(jié)合德爾菲法［6～9］確定各指標(biāo)權(quán)重，并采用模糊隸屬度方法［10～13］確定指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)，形成一個多層次的電網(wǎng)網(wǎng)架綜合評價方法。該方法不僅可以將復(fù)雜問題條理化，較好處理眾多影響因素之間的關(guān)系，同時也能對網(wǎng)架的非定量事件做定量分析，對主觀判斷做客觀分析。

1 河北南網(wǎng)的基本情況

河北南網(wǎng)是華北電網(wǎng)的重要組成部分，其供電區(qū)域包括河北省南部的保定、石家莊、邢臺、邯鄲、衡水、滄州6個地區(qū)。河北南網(wǎng)目前以500 k V和220 k V電網(wǎng)為主網(wǎng)架，北部通過500 k V房保線和保霸線與京津唐電網(wǎng)相連，南部通過500 k V辛嘉線與華中電網(wǎng)相連。

邯鄲、石家莊兩地發(fā)電裝機(jī)容量大于本地最大負(fù)荷，邢臺發(fā)電裝機(jī)容量與本地負(fù)荷基本相當(dāng)，保定、滄州、衡水三地發(fā)電裝機(jī)容量不能滿足本地負(fù)荷需求，造成河北南網(wǎng)總體潮流分布為南電北送、西電東送。這種送電格局造成電網(wǎng)部分送電斷面潮流較重，如石保北送斷面線路、東送斷面線路、邯邢北送斷面線路等。在電網(wǎng)正常運行方式時，東送斷面、石保北送斷面、廉保線潮流受暫穩(wěn)極限控制，在檢修方式下，邯邢北送斷面潮流受暫穩(wěn)極限控制。此外由于保北主變、滄西主變均為各自區(qū)域電網(wǎng)主要電壓支撐點，一旦停電，該區(qū)域網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)破壞較重，潮流轉(zhuǎn)移、系統(tǒng)電壓波動較大，因此高壓網(wǎng)架的規(guī)劃和設(shè)計需要從經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性等多方面考慮。合理的電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)是保證電網(wǎng)安全運行的基礎(chǔ)，有必要構(gòu)建一套合理、實用的高壓網(wǎng)架綜合評價方法，對河北南網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃提供支持。

2 高壓電網(wǎng)網(wǎng)架綜合評價方法

2.1 綜合評價方法考慮因素

河北南網(wǎng)高壓電網(wǎng)網(wǎng)架評價方法的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1評價指標(biāo)體系中，包括供電安全性、供電可靠性、供電經(jīng)濟(jì)性、供電質(zhì)量和電網(wǎng)適應(yīng)性五個一級指標(biāo)，同時每個指標(biāo)包含多項量化下屬指標(biāo)。這五項一級指標(biāo)構(gòu)成一個整體，既可有效評價電網(wǎng)規(guī)劃方案的優(yōu)劣，也可用于現(xiàn)狀電網(wǎng)的評價。

圖1 高壓電網(wǎng)網(wǎng)架評價方法體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of evaluation approach of high－voltage power grid frame

2.1.1 供電安全性

電網(wǎng)供電安全性因素，需要考慮部分設(shè)備停運時“N－1”校驗情況，和電網(wǎng)的抗大面積停電能力兩方面因素。

（1）“N－1”校驗情況

（2）抗大面積停電能力

該指標(biāo)是反映電網(wǎng)抵抗大面積停電事故發(fā)生的能力。重特大突發(fā)電力事件，常會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)多個電力元件退出運行，相對于“N－1”故障，“N－2”故障發(fā)生的幾率極低但后果極為嚴(yán)重，可能導(dǎo)致大面積停電事故的發(fā)生。而無論何種原因所引起的大面積停電，均可等同于電網(wǎng)中某個電壓等級的變電站失去電源。

2.1.2 供電可靠性

供電可靠性是指電力系統(tǒng)按可接受的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和所需數(shù)量不間斷的向電力用戶提供電力和電量的能力，通常采用概率量來描述。該指標(biāo)通過計算不同規(guī)劃方案的供電可靠率對高壓電網(wǎng)的供電可靠性進(jìn)行評價。

2.1.3 供電經(jīng)濟(jì)性

包括電網(wǎng)的建設(shè)經(jīng)濟(jì)性和運行經(jīng)濟(jì)性兩部分。

（1）建設(shè)經(jīng)濟(jì)性

從供電能力與負(fù)荷匹配度、邊際供電能力和邊際電量等角度分析。其中供電能力與負(fù)荷匹配度Appd可用電網(wǎng)供電能力S（是指電網(wǎng)在滿足N－1條件下所能供的最大負(fù)荷）與電網(wǎng)所帶負(fù)荷Pt的比值來描述，如式（2）所示。

邊際供電能力等于供電能力增量除以投資增量，邊際電量等于電網(wǎng)供電量增量除以投資增量。

（2）運行經(jīng)濟(jì)性

從單位負(fù)荷運行費用和平均線損率角度進(jìn)行分析。

1）單位負(fù)荷運行費用

主要包括高壓電網(wǎng)損耗費用、檢修維護(hù)費用和站用電費用等，計算如式（3）所示。

式中，Ayxfy為單位負(fù)荷運行費用，ΔQ為高壓電網(wǎng)損耗，α為購電價，Pmax為電網(wǎng)最大負(fù)荷，F(xiàn)1為站用電費用，F(xiàn)2為檢修維護(hù)費用。

2）平均線損率

從功率線損整體情況進(jìn)行分析，主要考慮線路和變壓器的功率損耗，若電網(wǎng)中變電站座數(shù)為n，主干線條數(shù)為Apjxsl，則平均線損率可通過式（4）計算得到。

其中P為高壓電網(wǎng)總的注入有功；ΔPTi為變電站i的功率損耗；ΔPLj為線路j的功率損耗。

2.1.4 供電質(zhì)量

主要通過電壓水平（電壓偏差合格率）來衡量，電壓偏差合格率指標(biāo)Adypc如式（5）所示。

2.1.5 供電適應(yīng)性

電網(wǎng)規(guī)劃要求電網(wǎng)應(yīng)該為后續(xù)發(fā)展留有余地，因此需要對電網(wǎng)適應(yīng)負(fù)荷發(fā)展的能力進(jìn)行評價。電網(wǎng)適應(yīng)性指標(biāo)包括資源裕度和電網(wǎng)擴(kuò)展裕度。

（1）資源裕度

資源裕度是從電網(wǎng)將來是否具備擴(kuò)建空間和現(xiàn)有資源利用剩余量的角度考慮的，包括變電容量裕度和出線間隔裕度兩個指標(biāo)。

變電容量裕度Arlyd反映是在不增加站點的基礎(chǔ)上，對變電站擴(kuò)建改造，計算式如下：

其中N為變電站總數(shù)，ΔRi為每座變電站可擴(kuò)建容量增加量，R為電網(wǎng)現(xiàn)有供電變壓器總?cè)萘俊?/p>

出線間隔裕度Acxyd是指變電站未使用的出線數(shù)占變電站現(xiàn)有的出線總數(shù)的比例，計算式為

其中Lp為電網(wǎng)中已經(jīng)使用的出線數(shù)，LN為未使用的出線數(shù)，LF為將來可擴(kuò)展的出線數(shù)。

（2）電網(wǎng)擴(kuò)展裕度

電網(wǎng)擴(kuò)展裕度用于評價電網(wǎng)結(jié)構(gòu)能否根據(jù)未來電網(wǎng)發(fā)展的需要作靈活變化?？捎镁W(wǎng)絡(luò)中可擴(kuò)展的接線模式數(shù)占接線模式總數(shù)的比例來反映該指標(biāo)，計算式如式（8）所示。

2.2 同級指標(biāo)權(quán)重和指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)確定

高壓電網(wǎng)的綜合評分體系采用層次分析法。如式（9）所示，利用公式逐層向上計算，直至計算得出整個高壓電網(wǎng)的綜合評分。

其中S表示結(jié)構(gòu)中任一非底層指標(biāo)的評分，n（n≥1）表示指標(biāo)S的下層指標(biāo)個數(shù)，Sj表示下層指標(biāo)j（1≤j≤n）的評分，Wj表示下層指標(biāo)j的權(quán)重。

2.2.1 權(quán)重的確定

權(quán)重是綜合評價中一個重要的指標(biāo)體系，權(quán)重的大小反映了相對于其他指標(biāo)其重要性的高低，一般采用歸一化向量表示。該綜合評價方法在層次分析法的基礎(chǔ)上結(jié)合德爾菲法專家評價方法進(jìn)行權(quán)重確定。具體步驟如下：

（1）根據(jù)表1中1－9互反性標(biāo)度理論，將同層指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，得到量化的判斷矩陣。

設(shè)要比較n個因素S＝｛S1，S2，…，Sn｝對目標(biāo)的影響，從而確定它們所占的比重，每次取兩個因素Si和Sj用aij表示Si和Sj對目標(biāo)的影響程度之比，按1～9的比例標(biāo)度來度量aij，n個被比較的指標(biāo)構(gòu)成一個兩兩比較（成對比較）的判斷矩陣

其中aij＞0，aji＝1／aij，aii＝1（i，j＝1，2，…，n）。所以又稱判斷矩陣為正互反矩陣。aij的取值用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為標(biāo)度，見表1。

表1 1－9互反性標(biāo)度表Tab.1 1－9 reciprocal scale table

如表1所示，若有3個待比較指標(biāo)。若專家認(rèn)為指標(biāo)2比指標(biāo)1“好得多”，則通過查閱1－9標(biāo)度表，可將專家的語言描述標(biāo)量化為7；相反，指標(biāo)1相對指標(biāo)2的比較結(jié)果是7的倒數(shù)即1／7。這3個指標(biāo)兩兩比較后建立的量化判斷矩陣如表2所示。

表2 互反性判斷矩陣Tab.2 Reciprocal judgment matrix

（2）在兩兩比較判斷的過程中，若比較量超過兩個，就可能出現(xiàn)不一致的判斷，可通過隨機(jī)一致性指標(biāo)（CR）衡量判斷矩陣一致性程度［1～5］。

表3 RI參數(shù)表Tab.3 RI parameter table

若CR＜0.1，則認(rèn)為有滿意的一致性，否則需要調(diào)整A的元素取值。1階和2階判斷矩陣具有完全一致性，RI值為0，不需計算。

（3）判斷矩陣一致性校驗合格后，既可求解判斷矩陣的權(quán)重。對于1－9標(biāo)度互反性判斷矩陣，其權(quán)重向量等于矩陣的最大特征根對應(yīng)的特征向量。此外，也可采用幾何平均法計算權(quán)重向量。

（4）在上述權(quán)重計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，若仍存在指標(biāo)權(quán)重明顯與實際情況存在出入的情況，可由專家干預(yù)對部分指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行直接修正，以符合實際情況的要求。

2.2.2 指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)

由于底層的指標(biāo)具有不同的含義和描述方法，因此，對指標(biāo)的定性描述必須通過標(biāo)量化手段轉(zhuǎn)換為規(guī)范化的定量數(shù)據(jù)，而已量化的指標(biāo)由于其量綱和數(shù)量級的差別也需要進(jìn)行規(guī)范化后才能進(jìn)行綜合比較。目前確定指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)主要采用模糊隸屬度方法，該方法因其對無法精確觀測或難以進(jìn)行明確劃分的數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的處理能力，比較適用于高壓電網(wǎng)網(wǎng)架的評估。

模糊隸屬度方法的核心是隸屬度函數(shù)的確定，即建立一個從論域到［0，1］上的映射來反映某對象具有某種模糊性質(zhì)或?qū)儆谀硞€模糊概念的程度。實際工程應(yīng)用中，將評價指標(biāo)的隸屬度函數(shù)分為成本型、效益型和適中型三種，并用區(qū)間［0，100］代替區(qū)間［0，1］，具體函數(shù)曲線如圖2所示。

圖2 模糊隸屬度函數(shù)類型Fig.2 Types of fuzzy membership method

圖中di為被考慮的因素，si表示di在［0，100］中的位置，即di對某決策評語的隸屬度。

3 高壓電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架綜合評價分析

以河北南網(wǎng)某地區(qū)高壓電網(wǎng)為例，對該地區(qū)提出的110 k V目標(biāo)網(wǎng)架的三種規(guī)劃設(shè)計方案（方案一：主要以T接加直供接線；方案二：為T型接線；方案三：為鏈?zhǔn)胶蚑鏈混合接線）進(jìn)行綜合評價，通過與現(xiàn)狀電網(wǎng)的對比及三種方案之間的比較，最終確定該地區(qū)最優(yōu)的目標(biāo)網(wǎng)架方案。

3.1 評價體系建立

本次研究對象是目標(biāo)網(wǎng)架，主要對設(shè)計的三種目標(biāo)網(wǎng)架規(guī)劃方案進(jìn)行評價，供電可靠性、供電質(zhì)量在方案設(shè)計時就能夠滿足供電需求，且電網(wǎng)適應(yīng)性對目標(biāo)網(wǎng)架也意義不大，因此僅對供電安全性和供電經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評價。具體評價體系見圖3。

圖3 高壓電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架評價指標(biāo)體系Fig.3 Evaluation index system of high－voltage power grid target frame

3.2 同級指標(biāo)權(quán)重分析

高壓電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架評價指標(biāo)體系權(quán)重確定結(jié)果見表4，括號內(nèi)數(shù)值為相應(yīng)指標(biāo)的權(quán)重值。

表4 高壓電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架評價指標(biāo)體系權(quán)重確定結(jié)果Tab.4 Weigh results of evaluation index system of high－voltage power grid target frame

3.3 指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)

（1）供電安全性評分標(biāo)準(zhǔn)

在供電安全性的基層評價指標(biāo)中，均以負(fù)荷損失率來表征各個指標(biāo)。負(fù)荷損失率指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)見表5所示。

表5 負(fù)荷損失率指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)Tab.5 Scoring standards of load loss rate index

首先，根據(jù)圖2可以確定該指標(biāo)的基本形狀。其次，在研究該指標(biāo)對供電安全性不同層次、不同影響范圍的基礎(chǔ)上由專家進(jìn)行群體決策，確定三個典型評分點（d1，s1）、（d2，s2）和（d3，s3），例如可?。╠1，40）、（d2，60）和（d3，80），即該指標(biāo)值分別為d1、d2和d3時該指標(biāo)評分為40分、60分和80分。然后，以曲線的首末點作為評分等于100分和0分的點，即該指標(biāo)值分別位于圖2中的0和d4時，指標(biāo)評分為0分和100分。最后，依據(jù)這五個典型點，應(yīng)用五點法即可確定對應(yīng)于該指標(biāo)的隸屬度函數(shù)。

（2）供電經(jīng)濟(jì)性評分標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合專家群體決策，利用模糊隸屬度函數(shù)法確定供電能力與負(fù)荷匹配度、邊際供電能力、邊際電量、單位負(fù)荷運行費用、平均線損率指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)。具體評分過程與負(fù)荷損失率指標(biāo)的評分過程類似，供電經(jīng)濟(jì)性各指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)見表6所示。

表6 供電經(jīng)濟(jì)性各指標(biāo)評分標(biāo)準(zhǔn)Tab.6 Scoring standards of each index in power supply economy

3.4 高壓網(wǎng)架綜合評分

根據(jù)供電安全性及供電經(jīng)濟(jì)性的各項評價指標(biāo)數(shù)據(jù)值，依據(jù)各個指標(biāo)所占的權(quán)重及評分標(biāo)準(zhǔn)對該地區(qū)中心城區(qū)的三種目標(biāo)網(wǎng)架規(guī)劃方案進(jìn)行了綜合評分，為了體現(xiàn)與現(xiàn)狀電網(wǎng)的對比同時給出了現(xiàn)狀高壓網(wǎng)架的評分，如表7所示。

表7 現(xiàn)狀與目標(biāo)網(wǎng)架方案的評分結(jié)果Tab.7 Results of actual and objective power grid frame

現(xiàn)狀電網(wǎng)中供電經(jīng)濟(jì)性得分較低，其原因是運行經(jīng)濟(jì)性水平較低，僅為48.56；目標(biāo)網(wǎng)架三種方案與現(xiàn)狀電網(wǎng)相比，其供電安全性及供電經(jīng)濟(jì)性均有較大提升。以方案1為例，運行經(jīng)濟(jì)性得分為73.88，說明目標(biāo)網(wǎng)架對現(xiàn)狀電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)有了較大改進(jìn)。對比目標(biāo)電網(wǎng)三種方案得分可知，方案1（T接加直供）綜合評分略高于其它兩種方案，因此可將方案1作為該地區(qū)目標(biāo)網(wǎng)架的推薦方案。

在對該地區(qū)目標(biāo)網(wǎng)架專家咨詢會上，與會專家一致認(rèn)為方案1是科學(xué)合理的網(wǎng)架方案，驗證了本文提出的指標(biāo)體系實用性和有效性。

4 結(jié)論

本文將層次分析法、模糊隸屬度法和德爾菲法引入到高壓電網(wǎng)網(wǎng)架的評價當(dāng)中，構(gòu)建了一套通用的高壓輸配電網(wǎng)評價指標(biāo)方法，從而可全面深入的挖掘現(xiàn)狀高壓電網(wǎng)在網(wǎng)架方面的薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而為目標(biāo)網(wǎng)架的規(guī)劃設(shè)計提供依據(jù)和參考。以河北南網(wǎng)某地區(qū)應(yīng)用情況為案例進(jìn)行分析計算，通過對該地區(qū)現(xiàn)狀及三種不同目標(biāo)網(wǎng)架的規(guī)劃方案綜合評分的比較分析，最終提出符合該區(qū)域的最優(yōu)電網(wǎng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。

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