基于層次分析的網(wǎng)絡(luò)備自投方案評(píng)估

鄒德虎，張穎，張沈琪，張樂(lè)，傅靖

（1.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061；2.江蘇省電力公司南通供電公司，江蘇南通226006）

電網(wǎng)技術(shù)

基于層次分析的網(wǎng)絡(luò)備自投方案評(píng)估

鄒德虎1，張穎2，張沈琪2，張樂(lè)2，傅靖2

（1.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061；2.江蘇省電力公司南通供電公司，江蘇南通226006）

適用于鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)備自投系統(tǒng)存在不同的實(shí)現(xiàn)方案。提出一種針對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)備自投方案進(jìn)行綜合評(píng)估的方法。該方法首先針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立層次化結(jié)構(gòu)，然后確定權(quán)重系數(shù)，最后得到總體評(píng)估結(jié)果。針對(duì)南通地區(qū)電網(wǎng)的實(shí)例分析，說(shuō)明了該方法可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)備自投的方案進(jìn)行綜合評(píng)估，可以為企業(yè)管理人員提供網(wǎng)絡(luò)備自投技術(shù)方案選擇方面的決策支持。

網(wǎng)絡(luò)備自投；層次分析法；評(píng)估

按照可靠性的要求，配電網(wǎng)應(yīng)滿(mǎn)足“閉環(huán)設(shè)計(jì)、開(kāi)環(huán)運(yùn)行”，當(dāng)出現(xiàn)失電時(shí)，可以由站內(nèi)備自投迅速投入備用電源。但受資金、輸電走廊等客觀因素限制，有可能出現(xiàn)變電站鏈?zhǔn)焦╇姷碾娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)，在這種情況下，處于鏈中的變電站如果失電，站內(nèi)不存在備用電源，無(wú)法通過(guò)站內(nèi)備自投恢復(fù)供電。且可以通過(guò)具有遠(yuǎn)方采集控制功能的網(wǎng)絡(luò)備自投系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恢復(fù)供電。目前，網(wǎng)絡(luò)備自投的實(shí)現(xiàn)方式有3種：（1）對(duì)傳統(tǒng)的站內(nèi)就地備自投進(jìn)行改造，增加站間通訊；（2）在變電站后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)備自投功能，同時(shí)采集周邊相關(guān)站的信息；（3）在調(diào)度主站實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)備自投功能；本文首先簡(jiǎn)要介紹這3種備自投方案的原理，然后給出對(duì)不同備自投方案的綜合評(píng)估方法。最后針對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)的一個(gè)例子，給出了具體評(píng)估結(jié)果。本文的目的是對(duì)網(wǎng)絡(luò)備自投裝置設(shè)計(jì)、招投標(biāo)、管理等提出技術(shù)性的決策評(píng)估方法。

1　技術(shù)方案簡(jiǎn)介

以圖1所示的簡(jiǎn)單鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)作為例子。

圖1　簡(jiǎn)單鏈?zhǔn)酱╇娋W(wǎng)

由圖1中看到，當(dāng)線路L1故障導(dǎo)致B站全站失電后，無(wú)法通過(guò)站內(nèi)備自投恢復(fù)供電。網(wǎng)絡(luò)備自投可以解決該問(wèn)題。通過(guò)分開(kāi)2DL，合上4DL，即可恢復(fù)B站的供電。

1.1就地備自投

就地備自投實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化功能，必須進(jìn)行改造，增加變電站之間的信息傳遞，實(shí)現(xiàn)備自投的站間相互配合。有學(xué)者建議通過(guò)縱聯(lián)保護(hù)的光纖通道傳遞信息［1，2］。針對(duì)圖1的例子，假定線路L2已經(jīng)有縱聯(lián)光纖通道，則可實(shí)現(xiàn)變電站B和變電站C的信息傳遞。如果線路L2沒(méi)有光纖通道，則需要尋求另外的通道。實(shí)現(xiàn)信息的站間傳遞后，需要對(duì)變電站B和變電站C的站內(nèi)備自投進(jìn)行技術(shù)改造。假定變電站B的站內(nèi)備自投判斷本站失電，同時(shí)通過(guò)遠(yuǎn)方通道獲知L2處于熱備用狀態(tài)、變電站C有壓，經(jīng)延時(shí)后跳2DL，并通過(guò)遠(yuǎn)方通道合上4DL。

1.2變電站后臺(tái)監(jiān)控備自投

可以利用變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)區(qū)域備自投功能。例如可以在變電站A的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中建立網(wǎng)絡(luò)備自投。同時(shí)需要采集變電站B、變電站C的部分信息。發(fā)生故障后，進(jìn)行邏輯判斷，并通過(guò)遠(yuǎn)方遙控開(kāi)關(guān)的方式完成恢復(fù)過(guò)程。這相當(dāng)于建立了一個(gè)小型的集控系統(tǒng)。

1.3調(diào)度主站備自投

隨著電網(wǎng)自動(dòng)化水平的提高，調(diào)度主站的功能也逐漸增強(qiáng)。許多電網(wǎng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)調(diào)控一體化。可以在調(diào)度主站能量管理系統(tǒng)（EMS）中建立網(wǎng)絡(luò)備自投［3］。這種方案需要在EMS系統(tǒng)中建立備自投模型、進(jìn)行邏輯判斷。故障后采用開(kāi)關(guān)遙控的方式實(shí)現(xiàn)供電恢復(fù)。

2　基于層次分析法的網(wǎng)絡(luò)備自投方案評(píng)估

層次分析法（AHP）是一種定性與定量相結(jié)合、層次化的決策分析方法［4，5］。AHP的基本步驟如下：

（1）建立層次結(jié)構(gòu)模型。將實(shí)際問(wèn)題各個(gè)相關(guān)因素分解為不同層次。

（2）構(gòu)造成對(duì)比較矩陣。

（3）計(jì)算權(quán)向量并做一致性檢驗(yàn)。

（4）計(jì)算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗(yàn)，如果檢驗(yàn)通過(guò)，則可按照組合權(quán)向量進(jìn)行決策。

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)備自投方案評(píng)估問(wèn)題，將網(wǎng)絡(luò)備自投經(jīng)濟(jì)可靠加權(quán)指標(biāo)作為總目標(biāo)，選擇3個(gè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則作為中間層，分別為：經(jīng)濟(jì)效益、建設(shè)成本、系統(tǒng)可靠性。每一個(gè)中間層均選取評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1經(jīng)濟(jì)效益

（1）直接經(jīng)濟(jì)效益：如果沒(méi)有安裝網(wǎng)絡(luò)備自投，鏈?zhǔn)酱┙泳€故障后長(zhǎng)時(shí)間停電帶來(lái)的直接損失，可以采用少售電量來(lái)估算。

（2）間接經(jīng)濟(jì)效益：如果沒(méi)有安裝網(wǎng)絡(luò)備自投，鏈?zhǔn)酱┙泳€故障后長(zhǎng)時(shí)間停電帶來(lái)的間接損失，可按照一定的比例系數(shù)來(lái)進(jìn)行估算。

2.2建設(shè)成本

（1）硬件成本：網(wǎng)絡(luò)備自投安裝運(yùn)行所需要的硬件成本。

（2）軟件成本：網(wǎng)絡(luò)備自投涉及到的軟件成本。

（3）人力資源成本：主要指的是網(wǎng)絡(luò)備自投安裝、維護(hù)過(guò)程中的機(jī)會(huì)成本。包括施工難易程度、施工耗費(fèi)的人力和時(shí)間、日常維護(hù)工作的多少。

2.3系統(tǒng)可靠性

（1）安全性：在未發(fā)生預(yù)想故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)備自投不發(fā)生誤動(dòng)作的性能。

（2）信賴(lài)性：發(fā)生預(yù)想故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)備自投發(fā)揮作用、不發(fā)生拒動(dòng)的性能。

（3）動(dòng)作合理性：網(wǎng)絡(luò)備自投動(dòng)作應(yīng)當(dāng)合理，盡可能恢復(fù)無(wú)故障的失電設(shè)備；同時(shí)應(yīng)可以考慮特殊情況，例如避免動(dòng)作后設(shè)備過(guò)載、存在小電源時(shí)的合理處理。

（4）速動(dòng)性：網(wǎng)絡(luò)備自投動(dòng)作速度性能，盡可能減少用戶(hù)停電時(shí)間。

網(wǎng)絡(luò)備自投評(píng)價(jià)指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　網(wǎng)絡(luò)備自投評(píng)價(jià)指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)

3　實(shí)際算例與討論

3.1指標(biāo)權(quán)重設(shè)置

以南通地區(qū)電網(wǎng)作為實(shí)際算例。南通電網(wǎng)共有6串鏈?zhǔn)诫娋W(wǎng)接線可以裝設(shè)網(wǎng)絡(luò)備自投，全部為110 kV電壓等級(jí)。

網(wǎng)絡(luò)備自投屬于安全自動(dòng)裝置的一種，目的是為了增加地區(qū)電網(wǎng)供電可靠性，并不是直接為了獲取經(jīng)濟(jì)效益。雖然可以通過(guò)歷史記錄估算出電網(wǎng)故障的概率，并進(jìn)而估算出直接和間接經(jīng)濟(jì)效益，但結(jié)果具有一定的不確定性。因此在經(jīng)濟(jì)效益、建設(shè)成本、系統(tǒng)可靠性3個(gè)中間指標(biāo)中，經(jīng)濟(jì)效益所占的權(quán)重應(yīng)稍小。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)備自投系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其自身的系統(tǒng)可靠性無(wú)疑是最重要的，因?yàn)樯婕暗介_(kāi)關(guān)直接控制，具有很高的安全級(jí)別。綜合考慮3種中間指標(biāo)（準(zhǔn)則層B）的成對(duì)比較矩陣設(shè)置為：

計(jì)算出最大特征值為3.009 2，計(jì)算出的特征向量為［0.256 5，0.466 0，0.846 8］，歸一化后得到權(quán)向量為［0.163 5，0.296 9，0.539 6］。

一致性指標(biāo)為0.004 6，一致性比率為0.007 9< 0.1，通過(guò)一致性校驗(yàn)。

經(jīng)濟(jì)效益、建設(shè)成本，均可以轉(zhuǎn)換為同樣的單位（人民幣值）。因此，對(duì)于準(zhǔn)則層C指標(biāo)中的經(jīng)濟(jì)效益、建設(shè)成本，不再設(shè)定成對(duì)比較矩陣，而是直接根據(jù)人民幣值進(jìn)行比較。

3.2系統(tǒng)可靠性分析

對(duì)于系統(tǒng)可靠性，準(zhǔn)則層C指標(biāo)中有：安全性、信賴(lài)性、動(dòng)作合理性、速動(dòng)性。相比較而言，如果網(wǎng)絡(luò)備自投系統(tǒng)誤動(dòng)，可能導(dǎo)致110 kV變電站全站失壓，后果非常嚴(yán)重。而故障后，網(wǎng)絡(luò)備自投如果拒動(dòng)，雖然損失也很可觀，但仍然是可以接受的，因?yàn)楣收媳厝皇怯善渌蛩貙?dǎo)致的（天氣、外力破壞、人為操作失誤等）。由此造成損失，網(wǎng)絡(luò)備自投顯然不應(yīng)該承擔(dān)主要責(zé)任。因此比較起來(lái)，安全性的權(quán)重應(yīng)該大于信賴(lài)性。動(dòng)作合理性也是一個(gè)較為重要的指標(biāo)，無(wú)論是動(dòng)作后造成過(guò)載、還是小水電非同期合閘，都是不希望發(fā)生的，其指標(biāo)權(quán)重應(yīng)與信賴(lài)性相當(dāng)。對(duì)于速動(dòng)性，雖然加快速度可以減少停電損失，但速度過(guò)快，也可能對(duì)安全性產(chǎn)生不利影響，因此速動(dòng)性的權(quán)重可以較低。

對(duì)于安全性指標(biāo)，南通電網(wǎng)110 kV線路普遍沒(méi)有裝設(shè)光纖差動(dòng)保護(hù)，需要另外構(gòu)建通道。受變電站間通道傳輸?shù)耐ǖ佬畔⑾拗?，就地備自投采集的站間信息有限，難以構(gòu)造非常全面的邏輯判據(jù)。而變電站后臺(tái)需要采集其他變電站的信息，同樣存在類(lèi)似的問(wèn)題。作為全國(guó)首個(gè)實(shí)現(xiàn)地縣一體化調(diào)度的地區(qū)電網(wǎng)，南通調(diào)度主站的性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大，采集的信息全面準(zhǔn)確，可以獲取備自投所需要的全面信息，例如失電時(shí)多個(gè)相關(guān)變電站的母線電壓、線路電流等，增加安全性，因此調(diào)度主站網(wǎng)絡(luò)備自投的安全性指標(biāo)較高。

對(duì)于信賴(lài)性指標(biāo)，涉及到開(kāi)關(guān)控制的可靠性，就地備自投直接接入其二次回路，具有很高的控制成功率。而變電站后臺(tái)的控制則依賴(lài)于變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性。主站備自投的控制則依賴(lài)于調(diào)度EMS的可靠性和通道的可靠性。因此，就地備自投的信賴(lài)性指標(biāo)較高。

對(duì)于動(dòng)作合理性指標(biāo)方面，建立在主站的網(wǎng)絡(luò)備自投可從全網(wǎng)角度看問(wèn)題，遇到特殊情況可以采取補(bǔ)充控制措施，因此主站備自投的動(dòng)作合理性指標(biāo)較高。

對(duì)于速動(dòng)性方面，就地備自投的指標(biāo)較高，主站備自投的指標(biāo)較低。

準(zhǔn)則層C成對(duì)比較矩陣的建立過(guò)程和組合權(quán)向量的求解過(guò)程不詳細(xì)列出，直接將系統(tǒng)可靠性B3的計(jì)算結(jié)果列出：［0.333 8，0.283 9，0.382 3］

分別對(duì)應(yīng)就地網(wǎng)絡(luò)備自投、變電站后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)備自投、主站網(wǎng)絡(luò)備自投在系統(tǒng)可靠性中的權(quán)重。

3.3經(jīng)濟(jì)效益分析

計(jì)算經(jīng)濟(jì)效益B1的權(quán)重?？紤]因沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)備自投，造成相關(guān)110 kV變電站全站失電后，由調(diào)度員人工操作，這段時(shí)間丟失的電量。潮流大小以年度平均潮流為準(zhǔn)。然后計(jì)算網(wǎng)絡(luò)備自投動(dòng)作時(shí)，丟失的電量?？紤]到網(wǎng)絡(luò)備自投平均動(dòng)作時(shí)間不同、動(dòng)作可靠性不同，權(quán)重也會(huì)不同。兩者相減，即為直接經(jīng)濟(jì)效益。間接經(jīng)濟(jì)效益需要乘上適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)，并考慮網(wǎng)絡(luò)備自投恢復(fù)過(guò)程中的短時(shí)停電損失［6］。經(jīng)濟(jì)效益B1的權(quán)重計(jì)算結(jié)果為：［0.392 3，0.273 1，0.334 6］

3.4建設(shè)成本分析

計(jì)算建設(shè)成本B2的權(quán)重。對(duì)于就地網(wǎng)絡(luò)備自投建設(shè)，通過(guò)對(duì)相關(guān)備自投廠家的調(diào)研獲取相關(guān)資料，并估計(jì)硬件和軟件成本。

對(duì)于變電站后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)備自投建設(shè)，通過(guò)對(duì)相關(guān)變電站監(jiān)控廠家調(diào)研獲取相關(guān)資料，并估計(jì)硬件和軟件成本。由于部分型號(hào)的變電站后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)廠家已停止了升級(jí)支持，需要整體更換變電站監(jiān)控系統(tǒng)，這會(huì)增加較多的成本。

對(duì)于主站網(wǎng)絡(luò)備自投建設(shè)，通過(guò)對(duì)調(diào)度自動(dòng)化廠家調(diào)研獲取相關(guān)資料，主站網(wǎng)絡(luò)備自投只存在軟件成本，沒(méi)有硬件成本，且只需要建設(shè)一套，就可滿(mǎn)足任意多串的網(wǎng)絡(luò)備自投需求。

對(duì)于人力資源成本，按照投入的人數(shù)和時(shí)間估計(jì)建設(shè)時(shí)期和后期維護(hù)工作量，并按照供電公司平均人力成本估計(jì)總體的人力資源成本。

上述成本統(tǒng)計(jì)后，計(jì)算建設(shè)成本B2的權(quán)重。權(quán)值與總體成本成反比，建設(shè)成本B2的權(quán)重結(jié)果為：［0.292 6，0.210 8，0.496 7］

3.5綜合評(píng)估

分別求出準(zhǔn)則層B的組合權(quán)向量之后，就可求出綜合指標(biāo)A的組合權(quán)向量了，計(jì)算結(jié)果為：［0.331 1，0.260 4，0.408 5］

由計(jì)算結(jié)果可知，建立在調(diào)度主站的網(wǎng)絡(luò)備自投是首選，其次是增加通道改造的就地網(wǎng)絡(luò)備自投。

上述計(jì)算結(jié)果不是惟一的，因?yàn)闄?quán)值的制定需要考慮當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的實(shí)際情況。例如某地區(qū)調(diào)度主站可靠性不足，計(jì)算結(jié)果就可能偏向另外的方案。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文提出了對(duì)網(wǎng)絡(luò)備自投方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的層次分析方法。評(píng)價(jià)指標(biāo)分為經(jīng)濟(jì)效益、建設(shè)成本、系統(tǒng)可靠性，并建立層次型結(jié)構(gòu)。針對(duì)南通地區(qū)電網(wǎng)的實(shí)際情況分析了就地網(wǎng)絡(luò)備自投、變電站后臺(tái)網(wǎng)絡(luò)備自投、調(diào)度主站網(wǎng)絡(luò)備自投方案的優(yōu)缺點(diǎn)，得到了明確的評(píng)價(jià)結(jié)果。即針對(duì)南通電網(wǎng)的實(shí)際情況，調(diào)度主站網(wǎng)絡(luò)備自投的方案相對(duì)更有優(yōu)勢(shì)。本文的分析結(jié)論可以幫助南通供電公司的管理人員進(jìn)行決策，其分析方法具有簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)，同時(shí)具有一定的通用性，可以推廣至其他電網(wǎng)。

［1］唐海軍.基于光纖通訊的遠(yuǎn)方備自投設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.繼電器，2006，34（4）：80-82.

［2］楊合民，路小俊，王軍，等.一種適用于串聯(lián)電網(wǎng)接線的遠(yuǎn)方備自投裝置［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（20）：94-97.

［3］周伊琳，孫建偉，陳炯聰.區(qū)域網(wǎng)絡(luò)備自投及其測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36（23）：109-113.

［4］周明，趙煒，王鵬，等.供電企業(yè)運(yùn)營(yíng)績(jī)效評(píng)估的層次化標(biāo)尺競(jìng)爭(zhēng)模型及方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（4）：20-24.

［5］姜啟源，謝金星，葉俊.數(shù)學(xué)模型［M］.4版.北京：高等教育出版社，2011：249-269.

［6］李天友，趙會(huì)茹，歐大昌，等.短時(shí)停電及其經(jīng)濟(jì)損失的估算［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2012，36（20）：59-62.

Evaluation on Power Network Automatic Switchover System Based on Analytic Hierarchy Process

ZOU Dehu1，ZHANG Ying2，ZHANG Shenqi2，ZHANG Le2，F(xiàn)U Jing2
（1.NARI Technology Development Limited Company，Nanjing 210061，China；2.Jiangsu Nantong Power Supply Company，Nantong 226006，China）

Different implementations are possible for the automatic switchover system of the power network with a chain structure.This paper proposes a method for comprehensively evaluating different solutions of power network automatic switchover system.Firstly，hierarchical structure of the evaluation index is build.Then，the weight coefficient are determined. Finally，the overall evaluation results are obtained.Analysis on the Nantong regional power grid shows that the comprehensive evaluation method is effective.This evaluation method provides a power network automatic switchover system selection decision support for enterprise.

automatic switchover system；analytic hierarchy process；evaluation

TM773

A

1009-0665（2015）02-0024-03

2014-10-12；

2014-11-27

江蘇省電力公司科技項(xiàng)目（J2013069）

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）項(xiàng)目（2011AA05A118）

鄒德虎（1986），男，安徽肥東人，工程師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化、分析仿真及備自投控制；

張穎（1982），女，江蘇如皋人，工程師，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)；

張沈琪（1981），女，江蘇南通人，工程師，研究方向?yàn)槔^電保護(hù)；

張樂(lè)（1973），女，江蘇南通人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)行；

傅靖（1970），男，江蘇昆山人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)行。