基于層次分析法的鄭州新區(qū)電壓等級(jí)序列優(yōu)化研究

陳根永，孫 栗，彭 勇，王發(fā)義，?？「Γ钴妭?/p>

(1.鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河南 鄭州450001;2.信陽(yáng)供電公司，河南信陽(yáng)464000;3.禹州供電公司，河南禹州461670)

0 引言

近年來(lái)鄭州經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，2009年初河南省委、省政府作出規(guī)劃建設(shè)鄭汴新區(qū)的重大戰(zhàn)略決策，鄭州新區(qū)在未來(lái)二十年的時(shí)間內(nèi)面臨重大發(fā)展機(jī)遇.根據(jù)政府規(guī)劃，新區(qū)負(fù)荷及密度將會(huì)由目前的較低水平增長(zhǎng)至相當(dāng)高的水平，在此前提下迫切需要對(duì)鄭州新區(qū)采用的配電網(wǎng)電壓等級(jí)組合方式進(jìn)行綜合評(píng)估，確定優(yōu)化的電壓等級(jí)序列.

城市電網(wǎng)采用10 kV配電電壓作為標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)已沿用近半個(gè)世紀(jì)，隨著負(fù)荷密度不斷增大，20 kV中壓配電網(wǎng)在國(guó)際上普遍采用，也列入我國(guó)電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)電壓等級(jí)，考慮到鄭州新區(qū)建設(shè)的特殊性，引入20 kV電壓等級(jí)對(duì)各種電壓等級(jí)組合的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合評(píng)估.

筆者重點(diǎn)對(duì)鄭州新區(qū)劉集、官渡組團(tuán)中(牟)北新城兩大組團(tuán)，2035年規(guī)劃建成區(qū)面積120平方公里區(qū)域的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，并根據(jù)負(fù)荷密度法建立預(yù)測(cè)模型，運(yùn)用層次分析法對(duì)不同電壓等級(jí)序列進(jìn)行綜合性評(píng)估，得出最優(yōu)的電壓等級(jí)序列.

1 規(guī)劃區(qū)近期概況

鄭汴一體化區(qū)域規(guī)劃面積約為800 km2，其中鄭州新區(qū)近期規(guī)劃范圍：西起京珠高速，東至鄭州和開(kāi)封邊界，北至鄭州市北環(huán)，南至隴海鐵路，面積約120 km2.目前規(guī)劃區(qū)內(nèi)只有35 kV變電站，及少量10 kV線(xiàn)路供區(qū)內(nèi)負(fù)荷，2010年負(fù)荷密度不足0.15 MW/km2.初期規(guī)劃按2.5 MW/km2進(jìn)行投資建設(shè)，隨著大量工業(yè)的不斷遷入，特別是大型工業(yè)集聚區(qū)的建設(shè)，預(yù)測(cè)遠(yuǎn)景年區(qū)內(nèi)(2035年)平均負(fù)荷密度將達(dá)到30 MW/km2.

2 評(píng)估方案設(shè)計(jì)

對(duì)城區(qū)配電電壓的優(yōu)劣，取目前華中電網(wǎng)采用較多的5種電壓等級(jí)序列進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，引入20 kV配網(wǎng)電壓等級(jí)，對(duì)新建區(qū)供電區(qū)域的純架空和純電纜布線(xiàn)方案建立模型，根據(jù)估算模型，對(duì)供電區(qū)域的案例進(jìn)行分析，給出不同類(lèi)型區(qū)域采用新中壓配電電壓供電的綜合性評(píng)估結(jié)論.

5種電壓等級(jí)序列方案指從現(xiàn)有的和中壓配電電壓升壓后可行的電壓等級(jí)序列中除去含有110/35 kV的電壓等級(jí)序列(若110 kV和35 kV同時(shí)作為高壓配電電壓，電壓階差小，增加了變電層次，而且鄭州城區(qū)目前已經(jīng)取消了35 kV配電電壓等級(jí))后得到的電壓等級(jí)序列，即：①500/220/20/0.4 kV;②500/220/35/0.4 kV;③500/220/110/20/0.4 kV;④500/220/110/10/0.4 kV;⑤500/220/35/10/0.4 kV.

2.1 不同負(fù)荷密度的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模

根據(jù)負(fù)荷密度法，設(shè) D1，D2，D3，D4，D5分別對(duì)應(yīng)上述5種電壓等級(jí)序列.下面詳細(xì)分析負(fù)荷密度從2.5 MW/km2增加到30 MW/km2(2035)時(shí)，不同電壓等級(jí)序列方案的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，見(jiàn)表1.

表1 負(fù)荷密度為2.5，30 MW/km2時(shí)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模Tab.1 The network scale for the load density of 2.5，30 MW/km2

2.2 層次分析法(AHP)確定權(quán)重

應(yīng)用多層次、多指標(biāo)的體系對(duì)配電網(wǎng)電壓等級(jí)序列進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題和難點(diǎn)是如何確定同層各指標(biāo)相互間的定量關(guān)系和下一層次對(duì)上一層次的隸屬度.在以往評(píng)價(jià)體系中單純依靠專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)確定權(quán)重的方式，主觀性偏大，并且缺乏科學(xué)理論依據(jù)，最后各專(zhuān)家對(duì)同一問(wèn)題的認(rèn)識(shí)程度不同，協(xié)調(diào)統(tǒng)一繁瑣困難.筆者采用層次分析法通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)電壓等級(jí)序列評(píng)估問(wèn)題進(jìn)行權(quán)重的設(shè)置，很好地解決了上述問(wèn)題.

2.2.1 層次分析法簡(jiǎn)介

AHP法能夠把復(fù)雜系統(tǒng)的決策思維條理化、層次化，通過(guò)判斷矩陣的建立、排序，將評(píng)估體系中定性和定量的因素有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，求出特征向量，經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)化得出各因子的權(quán)重，比較適合于電網(wǎng)建設(shè)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重的確定;同時(shí)，將人的主觀性數(shù)字化、科學(xué)化、層次化，直觀地解決了決策者和決策分析者的溝通困難，避免了個(gè)人偏好導(dǎo)致權(quán)重預(yù)測(cè)與實(shí)際相左情況的產(chǎn)生，提升了綜合評(píng)估體系的有效性，特別適合于多目標(biāo)、多層次、多因素和多方案的復(fù)雜系統(tǒng)的分析決策.

2.2.2 明確評(píng)估系統(tǒng)的目的、層次和指標(biāo)

評(píng)估指標(biāo)體系通常可分為3個(gè)層次，第1層目的層為綜合效益，第2層為系統(tǒng)層，可分為經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性和社會(huì)性，第3層指標(biāo)層為對(duì)應(yīng)第2層的各種具體因素或決策方案.如果有必要，也可以在第2層系統(tǒng)層與第3層指標(biāo)層之間再設(shè)置一狀態(tài)層，變成4層評(píng)估體系.筆者對(duì)鄭州新區(qū)電壓等級(jí)序列的評(píng)估體系分為3層，具體情況見(jiàn)圖1.

圖1 指標(biāo)體系層次結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The hierarchical structure diagram of indices system

2.2.3 建立層次結(jié)構(gòu)

現(xiàn)以A，B，C表示鄭州新區(qū)電壓等級(jí)序列方案的3個(gè)層次，即目的層、系統(tǒng)層、指標(biāo)層.D為評(píng)估方案，D1，D2，D3，D4，D5分別為 500/220/20/0.4 kV，500/220/35/0.4 kV，500/220/110/20/0.4 kV，500/220/110/10/0.4 kV，500/220/35/10/0.4 kV電壓等級(jí)序列.

2.2.4 構(gòu)造判斷矩陣和一致性檢驗(yàn)

將同一層次指標(biāo)因素的相對(duì)重要性進(jìn)行兩兩比較，采用1-9標(biāo)度法表示：

aij的值也可取以上各數(shù)的中間值 2，4，6，8.此外，如指標(biāo)i與指標(biāo)j比較得aij則即為指標(biāo)，反之指標(biāo)j與指標(biāo)i相比較可得aji=最后必須強(qiáng)調(diào)的是，一般作次兩兩判斷是非常必要的.

判斷矩陣建立后，將求出的特征向量歸一化，歸一化后的特征向量即可認(rèn)為是同一層次各因素間的輕重定量程度，即權(quán)重.并通過(guò)一致性檢驗(yàn)檢查各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重之間是否存在矛盾.基于矩陣?yán)碚摰囊恢滦詸z驗(yàn)步驟如下：(1)計(jì)算判斷矩陣的最大特征根λmax;(2)計(jì)算一致性指標(biāo)CI，CI=(λmax-n)/(n-1)，其中，n為判斷矩陣的行數(shù)，也即層次子系統(tǒng)中的指標(biāo)個(gè)數(shù).(3)計(jì)算隨機(jī)一致性比率CR，CR=CI/RI，RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，見(jiàn)表2.

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)值Tab.2 The value of mean random consistency index

當(dāng)CI＜0.10時(shí)，判斷矩陣被認(rèn)為一致性相當(dāng)滿(mǎn)意.否則，應(yīng)對(duì)判斷矩陣予以適當(dāng)調(diào)整.

2.3 指標(biāo)體系層次排序

筆者運(yùn)用層次分析法將鄭州新區(qū)電壓等級(jí)分為目的層、系統(tǒng)層和指標(biāo)層，在電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃中，按照經(jīng)濟(jì)性比技術(shù)性稍微重要，比社會(huì)性明顯重要的原則，建立系統(tǒng)層對(duì)目的層的隸屬關(guān)系，如表3所示.

表3 系統(tǒng)層各因子與目的層的隸屬關(guān)系Tab.3 Relation of each factor of system layer with objective layer

將上述系統(tǒng)層矩陣帶入MATLAB得特征向量 WA=(0.637，0.258，0.105)T，且 CR=0.033判斷矩陣符合一致性要求.

按照電網(wǎng)規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)原則確定參與評(píng)價(jià)的指標(biāo)和權(quán)重，建立系統(tǒng)層與指標(biāo)層的支配關(guān)系如表4所示.其中經(jīng)濟(jì)性中初期靜態(tài)投資權(quán)重高于運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、后期擴(kuò)建費(fèi)用、電能損耗費(fèi)用;技術(shù)性中取供電能力相對(duì)重要性略?xún)?yōu)于供電可靠性，明顯比中壓線(xiàn)路末端電壓質(zhì)量重要;社會(huì)性中主要表現(xiàn)為線(xiàn)路占地和變電站占地兩個(gè)方面，考慮電網(wǎng)規(guī)劃中選取電力線(xiàn)路走廊出線(xiàn)比變電站選址更加困難，線(xiàn)路占地相比變電站占地重要度取2.

表4 指標(biāo)層各因子與系統(tǒng)層的隸屬關(guān)系Tab.4 Relation of each factor of index layer with system layer

將上述指標(biāo)層矩陣帶入MATLAB并歸一化后得特征向量為：

通過(guò)計(jì)算B1～C、B2～C、B3～C這3個(gè)判斷矩陣，可得3個(gè)判斷矩陣的CR分別等于0.016 8，0.033和0，因此，上述3例判斷矩陣一致性滿(mǎn)意，層次單排序結(jié)果有效可靠.

根據(jù)層次總排序，可定量得出對(duì)于目的層A而言，指標(biāo)層各相關(guān)分指標(biāo)的權(quán)重向量(P1，P2，P3，P4，P5，P6，P7，P8，P9)=(0.252，0.148，0.089，0.148，0.164，0.067，0.027，0.07，0.037).

由此可見(jiàn)，上述中相互關(guān)聯(lián)、相互制約、難以比較的眾多因素構(gòu)成的復(fù)雜評(píng)估系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)層次分析法結(jié)合MATLAB編程的應(yīng)用，把定性思維定量化，得出以權(quán)重表示其各自影響力程度的定量關(guān)系，這對(duì)于優(yōu)化方案提供了簡(jiǎn)潔而實(shí)用的建模方法.

3 5種電壓等級(jí)序列綜合評(píng)估方案分析

現(xiàn)結(jié)合鄭州新區(qū)5種電壓序列方案的分析結(jié)果，考察其綜合效益.

首先，將5種方案的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)性和社會(huì)性的具體指標(biāo)分析結(jié)果列于表7和表8.其中投資總費(fèi)用包括 C1、C2、C3、C4，年折現(xiàn)率 λ 取92%，運(yùn)行維護(hù)系數(shù)α取0.03，年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)T取5 000 h，變壓器負(fù)載率β取0.8，pi電價(jià)取值按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)i為每次擴(kuò)建投資的費(fèi)用，F(xiàn)si為折現(xiàn)后上次投資擴(kuò)建的費(fèi)用，功率損耗.

表7 5種評(píng)估方案的分析表(架空)Tab.7 The analysis table of the five schemes

對(duì)表7和表8具體指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱化處理，并根據(jù)指標(biāo)層次總排序確定的權(quán)重，可計(jì)算得出5種方案的評(píng)價(jià)綜合指數(shù)，詳見(jiàn)表9和表10.

表8 5種評(píng)估方案的分析表(電纜)Tab.8 Five program analysis sheet(cable)

由表9和表10可見(jiàn)，無(wú)論架空還是電纜方案，鄭州新區(qū)采用D1方案綜合效益都遠(yuǎn)優(yōu)于其他方案，中壓配電網(wǎng)采用20 kV電壓等級(jí)D3方案優(yōu)于采用10 kV電壓等級(jí)的D4方案.對(duì)上表整理還可得出簡(jiǎn)化電壓序列的重要性，雖然D1方案和D3方案都采用20 kV配電網(wǎng)，由于D1方案減少了一個(gè)電壓等級(jí)，綜合效益遠(yuǎn)優(yōu)于D3方案，甚至在純電纜布線(xiàn)方案中四級(jí)電壓等級(jí)的D2方案也稍?xún)?yōu)于D3方案.

表9 5種方案的權(quán)重評(píng)價(jià)指數(shù)表(架空)Tab.9 The evaluation index table of five schemes(overhead)

表10 5種方案的權(quán)重評(píng)價(jià)指數(shù)表(電纜)Tab.10 The evaluation index table of five schemes(cable)

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述鄭州新區(qū)采用五種電壓序列等級(jí)的對(duì)比，可知簡(jiǎn)化電壓序列、提高電壓等級(jí)的優(yōu)越性，鄭州新區(qū)中壓配電網(wǎng)宜采用20 kV電壓等級(jí)，原有的35 kV變電站可就地升壓或者改造為110 kV變電站，逐漸建設(shè)過(guò)渡到500/220/20/0.4 kV四級(jí)電壓序列.由以上鄭州新區(qū)電壓等級(jí)序列綜合性評(píng)估及示例可見(jiàn)，層次分析的應(yīng)用能較好地優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，處理關(guān)于綜合評(píng)估系統(tǒng)的多指標(biāo)、多方案的綜合決策分析，能在電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中起到重要作用.

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