基于模糊物元法的電壓等級(jí)優(yōu)選

顏京忠 ，孫明信 ，王 磊 ，王 巖 ，季翠娜

（1.國(guó)網(wǎng)山東蓬萊市供電公司，山東 蓬萊 265600；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

基于模糊物元法的電壓等級(jí)優(yōu)選

顏京忠1，孫明信2，王 磊1，王 巖1，季翠娜1

（1.國(guó)網(wǎng)山東蓬萊市供電公司，山東 蓬萊 265600；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

為在配電網(wǎng)規(guī)劃中合理選擇電壓等級(jí)，提出模糊物元法進(jìn)行電壓等級(jí)優(yōu)選。通過(guò)層次分析法對(duì)電壓等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重排序，并從電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)、可靠3個(gè)一級(jí)指標(biāo)體系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，全面分析不同電網(wǎng)分布模式下的電壓等級(jí)優(yōu)選，并對(duì)蓬萊市電壓等級(jí)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，研究結(jié)果對(duì)電網(wǎng)電壓等級(jí)選擇具有一定指導(dǎo)意義。

指標(biāo)體系；層次分析；模糊物元；電壓等級(jí)優(yōu)選

0 引言

在配電網(wǎng)規(guī)劃中，電壓等級(jí)優(yōu)選能夠使供電可靠性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和投資達(dá)到綜合最優(yōu)。近年來(lái)，隨著電力負(fù)荷的增長(zhǎng)和電力設(shè)施的建設(shè)，很多地方電網(wǎng)逐漸形成以110 kV和35 kV兩個(gè)高壓配電網(wǎng)電壓等級(jí)同步發(fā)展的局面，即 220kV／110 kV／10 kV，220 kV／35 kV／10 kV。面對(duì)這種局面，綜合比較配置技術(shù)經(jīng)濟(jì)性更優(yōu)的電壓等級(jí)，為未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展提供借鑒，是當(dāng)前面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)已有一些學(xué)者對(duì)電壓層級(jí)優(yōu)選做了一定工作。姜祥生［1］闡述了中壓10 kV升高為20 kV的必要性、可行性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)的合理性；蘇衛(wèi)華和施偉國(guó)［2］針對(duì)上海市南地區(qū)電網(wǎng)，提出了一種基于變電站分布模型的電壓等級(jí)優(yōu)化方法；馮景［3］構(gòu)建了配電網(wǎng)電壓層級(jí)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，以年綜合費(fèi)用最小為目標(biāo)，分別構(gòu)建了經(jīng)濟(jì)評(píng)估體系和技術(shù)評(píng)估體系進(jìn)行電壓等級(jí)的評(píng)估和選取。

雖然學(xué)者已對(duì)電壓層級(jí)優(yōu)選開(kāi)展了一定工作，但鮮有針對(duì) 220 kV／110 kV／10 kV，220 kV／35 kV／10 kV兩種電壓等級(jí)的研究。因此對(duì)上述兩種電壓等級(jí)優(yōu)選展開(kāi)研究，其關(guān)鍵點(diǎn)主要包括評(píng)價(jià)體系的構(gòu)建，指標(biāo)權(quán)重的確定，模糊物元法的應(yīng)用以及電壓等級(jí)的優(yōu)化配置。

1 層次分析法確定權(quán)重

層次分析法（AHP）［4］根據(jù)需求確定相應(yīng)的因素，并按照各因素間的關(guān)系進(jìn)行層級(jí)分級(jí)，形成一個(gè)包含多層次的模型，最終轉(zhuǎn)化為各層級(jí)對(duì)上一層級(jí)相對(duì)權(quán)重的問(wèn)題。

1）構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)模型。

根據(jù)其關(guān)系將需求目標(biāo)、原則和方案劃分為最高層、中層和最低層，并制定層次結(jié)構(gòu)圖。

2）構(gòu)造判斷矩陣A。

判斷矩陣表示各指標(biāo)體系相互間權(quán)重關(guān)系。判斷矩陣的元素用1～9標(biāo)度方法［5］給出，成對(duì)比較的因素不宜超過(guò)9個(gè)。

圖1 AHP實(shí)施流程圖

3）層次單排序及其一致性檢驗(yàn)。

對(duì)判斷矩陣進(jìn)行歸一化處理后，各橫行求和后再進(jìn)行歸一化處理即得本層對(duì)上一層各因素的權(quán)重值。該值能否適用需要進(jìn)行一致性驗(yàn)證。一致性指標(biāo)為

式中：λ為最大特征根；n為矩陣階數(shù)；CR為一致性比率；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)（RI可查）。判斷矩陣符合一致性要求，否則進(jìn)行調(diào)整或重構(gòu)。

4）層次總排序及其一致性檢驗(yàn)。

總排序一致性檢驗(yàn)：

在RI≤0.1時(shí)，就認(rèn)為B層內(nèi)總的排序結(jié)果能得到滿意的一致性。

2 模糊物元評(píng)價(jià)模型

假設(shè)有n個(gè)評(píng)價(jià)，那么則有m個(gè)選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過(guò)變換能夠?qū)傩灾缔D(zhuǎn)變成從優(yōu)隸屬度。

效益型指標(biāo)（越大越好）

對(duì)于成本型指標(biāo)（越小越好）

模型構(gòu)建過(guò)程。

1）構(gòu)建復(fù)合模糊物元。

2）確認(rèn)矩陣Rmn從優(yōu)隸屬的最大值。

3）假如 Δij=［u（x0）－u（xij）］2，i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n，那么構(gòu)成差平方復(fù)合模糊物元

重要度Rk＝wRh，其中w為排序指標(biāo)的權(quán)重值向量，其值大小代表優(yōu)先推選的排列順序。

3 電壓等級(jí)評(píng)價(jià)體系

電壓等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)如表1所示。

建設(shè)費(fèi)用。包括變電站的綜合費(fèi)用、高壓線路的綜合費(fèi)用、中壓線路的綜合費(fèi)用。

表1 電壓等級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)

短路電流。配電網(wǎng)中壓配電電壓的確定，受到各種條件的制約，其中要考慮到與上下級(jí)電網(wǎng)電壓的協(xié)調(diào)發(fā)展。該系統(tǒng)采用典型變壓器容量，根據(jù)主變壓器兩側(cè)短路容量選擇主變壓器，計(jì)算變壓器兩側(cè)三相短路電流為

式中：SN為額定容量；I1為原邊短路電流；U1為原邊電壓；U2為變壓器副邊電壓。

電壓偏差。為確保不同供電方式下對(duì)用戶供電的質(zhì)量，還需對(duì)電壓偏差進(jìn)行分析。各級(jí)線路電壓降和電壓損失百分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式為

式中：θ為線路功率因數(shù)角；r為單位長(zhǎng)度線路電阻；x為單位長(zhǎng)度線路電抗。

4 基于模糊物元分析的電壓等級(jí)決策模型

綜合考慮電網(wǎng)實(shí)際負(fù)荷各有差異，220 kV變電站分布位置不同，提出在不同模式下［13］進(jìn)行電壓等級(jí)優(yōu)化配置。

表2 電壓等級(jí)配置的3種模式

4.1 高壓變電站規(guī)模

模型符號(hào)定義：P為該區(qū)域供電負(fù)荷，MW；n為每個(gè)變電站變壓器臺(tái)數(shù)；C為變壓器容量；k為變電站負(fù)載率；A為整個(gè)供電面積；nh為變電站座數(shù)。

單座變電站供電面積

平均站間距

變電站高壓進(jìn)線總長(zhǎng)度

4.2 中壓規(guī)模

λ配電變壓器平均負(fù)載率，Cb變壓器容量，則該區(qū)域變壓器臺(tái)數(shù)nb為

中壓線路采用近似等效方法進(jìn)行核算，近似為高壓變電站中壓饋線出線數(shù)與變電站供電半徑的乘積。

4.3 電網(wǎng)損耗計(jì)算

4.3.1 變損計(jì)算

對(duì)變壓器損耗作近似處理，計(jì)算公式為

式中：P0為變壓器空載損耗；Pk為短路損耗；β為變壓器損耗負(fù)載率。

4.3.2 線損計(jì)算

線損計(jì)算公式為

式中：r為線路電阻；l為線路長(zhǎng)度；U為運(yùn)行電壓；S為視在功率。

4.3 電壓等級(jí)優(yōu)化配置

根據(jù)模糊物元理論優(yōu)化配置方案如表3所示。

表3 電壓等級(jí)優(yōu)選

5 電壓等級(jí)優(yōu)選實(shí)證研究

5.1 項(xiàng)目基本概況

蓬萊市位于膠東半島北端，區(qū)域面積為1 128.6 km2。截至2016年底蓬萊市共有220 kV變電站3座，主變6臺(tái)，變電容量960 MVA。共有110 kV及以下變電站23座，其中110 kV變電站11座，主變20臺(tái)，總?cè)萘?65.5 MVA，35 kV變電站12座，主變24臺(tái)，總?cè)萘?65.1 MVA。

根據(jù)產(chǎn)值單耗法、時(shí)間序列回歸法等預(yù)測(cè)方法得到遠(yuǎn)景年負(fù)荷為956.4 MW，蓬萊電網(wǎng)供電面積1 051.85 km2，平均負(fù)荷密度為 0.91 MW ／km2，進(jìn)行遠(yuǎn)景年規(guī)模估算。輸電和變電部分的建設(shè)費(fèi)用，根據(jù)國(guó)網(wǎng)近幾年的工程概算來(lái)進(jìn)行測(cè)算，比較接近于實(shí)際情況，如表4～5所示。

5.2 實(shí)證項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)體系構(gòu)建

蓬萊市電壓等級(jí)優(yōu)選項(xiàng)目評(píng)價(jià)指標(biāo)體系考慮安全、經(jīng)濟(jì)、可靠3方面指標(biāo)，并作為一級(jí)指標(biāo)，下設(shè)7個(gè)二級(jí)指標(biāo)，分別為變損電量、線損電量、建設(shè)費(fèi)用、短路電流、N-1通過(guò)率、平均停電時(shí)間和電壓偏差。

表4 電網(wǎng)規(guī)模估算

表5 各電壓等級(jí)指標(biāo)

5.2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

1）構(gòu)造層次結(jié)構(gòu)模型。

將目標(biāo)（選擇電壓等級(jí)）、考慮因素（變損電量、線損電量、建設(shè)費(fèi)用、短路電流、N-1通過(guò)率、平均停電時(shí)間、電壓偏差）和方案按其關(guān)系繪制層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 層次結(jié)構(gòu)模型

2）構(gòu)造判斷矩陣A以及權(quán)重確定。

判斷矩陣用1～9標(biāo)度方法和德?tīng)柗品ㄍㄟ^(guò)三輪征詢對(duì)一級(jí)、二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重分配。

判斷矩陣A表示經(jīng)濟(jì)、安全、可靠元素對(duì)選擇電壓等級(jí)重要性的比較，B1、B2、B3為各二級(jí)指標(biāo)分別對(duì)經(jīng)濟(jì)、安全和可靠重要性的比較。

同理，矩陣 B1的特征向量 w1=（0.25，0.25，0.5）T，最大特征值 λmax=3；矩陣 B2的特征向量 w2=（0.75，0.25）T，最大特征值 λmax=2；矩陣 B3的特征向量w3=（0.75，0.25）T，最大特征值 λmax=2；三者 CR=0＜0.1，均滿足一致性檢查。則各二級(jí)指標(biāo)權(quán)重大小為（0.02655，0.02655，0.0532，0.4752，0.158，0.1955，0.065）T

5.2.2 模糊物元評(píng)價(jià)模型

1）構(gòu)建復(fù)合模糊物元矩陣。

2）構(gòu)造差平方復(fù)合模糊物元。

利用關(guān)系度和各個(gè)指標(biāo)權(quán)重代入Rk=wRh，結(jié)果為：Rk=（0.053 1，0.946 9）最終得出電壓等級(jí)優(yōu)選排名見(jiàn)表6，經(jīng)對(duì)蓬萊現(xiàn)狀電網(wǎng)進(jìn)行分析，遠(yuǎn)景年負(fù)荷密度較小，除北部城區(qū)為B類供電區(qū)外，其他地區(qū)均為C、D類供電區(qū)域，負(fù)荷分布相對(duì)分散，可近似為點(diǎn)負(fù)荷，符合模式3場(chǎng)景。根據(jù)模糊物元法得出110 kV和35 kV電壓等級(jí)分別排名為第2、第1名次，依據(jù)排名結(jié)果推薦發(fā)展35 kV電壓等級(jí)。

表6 電壓等級(jí)優(yōu)選排名

6 結(jié)語(yǔ)

提出基于模糊物元法進(jìn)行電壓等級(jí)優(yōu)選，結(jié)合220 kV電源定位、負(fù)荷分布等特征，提出了3種不同計(jì)算模式，選取包括經(jīng)濟(jì)、可靠、安全在內(nèi)的7種評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。依據(jù)負(fù)荷密度不同，得出在各種情況下電壓等級(jí)優(yōu)化配置結(jié)論，并結(jié)合蓬萊市實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)蓬萊電網(wǎng)實(shí)際情況，若統(tǒng)一電壓等級(jí)，運(yùn)用模糊物元分析法推薦35 kV電壓等級(jí)，該結(jié)論對(duì)高壓配網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)具有一定指導(dǎo)意義。

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The Optimization of Voltage Grade Based on Fuzzy Matter Element Method

YAN Jingzhong1，SUN Mingxin2，WANG Lei1，WANG Yan1，JI Cuina1
（1.State Grid Penglai Power Supply Company，Penglai 265600，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

In this paper，the fuzzy matter-element method of the voltage grade choice is proposed in the construction of distribution network.By hierarchical analysis，the index weight of voltage grade evaluation is determined，and comprehensive evaluation considering of the grid security，economic and reliable analyze comprehensive optimization under different distribution patterns of grid，and the corresponding conclusion is concluded by analyzing the voltage grade of Penglai city，which has a certain guiding significance for grid construction.

Index system；hierarchical analysis；fuzzy physical element；voltage grade optimization

TM727

B

1007-9904（2017）12-0028-05

2017-11-08

顏京忠（1970），男，高級(jí)工程師，從事企業(yè)管理工作。