包曉暉

(福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 永安 366000)

1 前 言

水電站電氣主接線設(shè)計(jì)是水電站電氣設(shè)計(jì)的首要部分,也是構(gòu)成電力系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。主接線的確定與電力系統(tǒng)整體及水電站本身的運(yùn)行可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性密切相關(guān),并且對(duì)電氣設(shè)備選擇、配電裝置布置、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置和控制方式以及今后的運(yùn)行管理等有較大影響,從這個(gè)意義上講它同時(shí)也是一個(gè)復(fù)雜問(wèn)題,直接由原始資料來(lái)確定最佳方案相當(dāng)困難。方案評(píng)價(jià)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中起著重要作用,是方案調(diào)整與最佳方案確定的基礎(chǔ)。長(zhǎng)期以來(lái),主接線設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)主要依據(jù)設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)的簡(jiǎn)單比較給出定性的評(píng)價(jià),人的主觀因素影響較大。由于設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)因素很多,很難保證評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性和客觀性,因此需要建立一個(gè)完整的評(píng)價(jià)模型來(lái)刻劃設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)過(guò)程。

主接線設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)因素涉及面很寬,且因素之間存在一定的層次關(guān)系,一般按主接線的基本要求分為可靠性、靈活性、發(fā)展性、經(jīng)濟(jì)性等。人們對(duì)每個(gè)因素的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是不同的,且這些因素對(duì)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣的影響程度也不同,很難用單一模式來(lái)評(píng)價(jià)。整個(gè)方案評(píng)價(jià)應(yīng)是各個(gè)評(píng)價(jià)因素的綜合。這些因素的評(píng)價(jià)與綜合通常應(yīng)用以經(jīng)典集合論為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)方法進(jìn)行描述,但是存在著方法本身固有的局限性。本文應(yīng)用以模糊集合論為基礎(chǔ)的模糊數(shù)學(xué)方法建立設(shè)計(jì)方案的多級(jí)模糊綜合評(píng)判模型。

2 多級(jí)模糊評(píng)判建模及模型分析

多級(jí)模糊評(píng)判模型由評(píng)價(jià)因素集、因素權(quán)重集、評(píng)價(jià)集、隸屬函數(shù)及單因素評(píng)價(jià)矩陣、模糊操作算子等幾部分組成。

2.1 評(píng)價(jià)因素集

決定水電站電氣主接線設(shè)計(jì)方案質(zhì)量的因素主要有供電可靠性、運(yùn)行靈活性、工程發(fā)展性、投資經(jīng)濟(jì)性,因此評(píng)價(jià)因素集為:

式中 V1——供電可靠性;

V2—— 運(yùn)行靈活性;

V3—— 發(fā)展性;

V4—— 經(jīng)濟(jì)性。

其中每個(gè)因素 Vi(i=1,2,3,4)中又由一些子因素 Vij、Vijk(j,k=1,2,3,4)構(gòu)成。表1詳細(xì)給出了主接線方案評(píng)價(jià)因素集及其層次關(guān)系。由此可以看出,本文采用的是三級(jí)模糊綜合評(píng)判。

2.2 因素權(quán)重集

為了反映各個(gè)因素對(duì)主接線設(shè)計(jì)方案的重要程度應(yīng)建立因素權(quán)重集。各個(gè)因素的權(quán)重可視為它們對(duì)“重要”的隸屬度,因此因素權(quán)重集可視為因素集上的模糊子集,表示為:

評(píng)價(jià)因素權(quán)重的確定是設(shè)計(jì)者對(duì)該領(lǐng)域問(wèn)題理解的一個(gè)重要方面,是設(shè)計(jì)者經(jīng)驗(yàn)和用戶意志的體現(xiàn)。它們相當(dāng)程度上決定了多級(jí)模糊綜合評(píng)判的可信度和正確性。因此有必要采取適當(dāng)?shù)姆椒▽⑦@種理解程度、經(jīng)驗(yàn)、用戶意志量化。確定權(quán)重值的方法有:層次分析法(AHP)、專家評(píng)判和直接給出法等。

但是,一般對(duì)部分因素間重要程度的認(rèn)識(shí)存在有限性和主觀性,而直接給出所有因素間權(quán)重有困難。再者,因素子集中的各項(xiàng)性能指標(biāo)的重要性是相對(duì)的,例如:可靠性與經(jīng)濟(jì)性,可靠性較為重要,但是如果某一個(gè)設(shè)計(jì)方案的經(jīng)濟(jì)性低到可允許的標(biāo)準(zhǔn)之下,盡管可靠性很高,這個(gè)方案還是很差的。這表明當(dāng)一個(gè)因素(如可靠性)低于某一閾值或者高于某一閾值時(shí),可能導(dǎo)致另一因素(如經(jīng)濟(jì)性)的權(quán)重不足,則應(yīng)適當(dāng)提高該權(quán)重值。所以,由于實(shí)際問(wèn)題的復(fù)雜性,權(quán)重集的確定常先由經(jīng)驗(yàn)確定出初始值,再通過(guò)一致性或者合理性的檢驗(yàn),然后進(jìn)行局部調(diào)整,進(jìn)而確定權(quán)重值。設(shè)計(jì)者在決策過(guò)程中對(duì)每一個(gè)因素的權(quán)衡都要隨具體進(jìn)程的不同空間位置和時(shí)間停留而不斷修改調(diào)整,甚至發(fā)生大的跳躍。因此,因素權(quán)重是時(shí)間和空間狀態(tài)的函數(shù),條件許可則應(yīng)建立該模型函數(shù),以便合理確定權(quán)重值。

表1 某水電站主接線方案評(píng)價(jià)因素及評(píng)價(jià)

2.3 單因素評(píng)價(jià)矩陣與模糊綜合

電氣主接線設(shè)計(jì)方案的因素評(píng)價(jià)一般分為好、中、差三個(gè)等級(jí),因此評(píng)價(jià)集為:

式中 K1=好;

K2=中;

K3=差。

上式可量化為 K=[80,60,30]。方案評(píng)價(jià)首先進(jìn)行單因素評(píng)價(jià),然后根據(jù)各個(gè)因素的重要程度運(yùn)用模糊運(yùn)算法則作模糊綜合,形成主接線設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)判。單因素評(píng)價(jià),即根據(jù)各個(gè)因素的特征值建立因素集 V對(duì)評(píng)價(jià)集 K的隸屬關(guān)系(隸屬函數(shù))。模糊綜合,即在選擇恰當(dāng)?shù)哪：僮魉阕拥幕A(chǔ)上分級(jí)合成對(duì)各因素的評(píng)價(jià)。

單獨(dú)從一個(gè)因素出發(fā)進(jìn)行評(píng)判,以確定因素集元素對(duì)評(píng)價(jià)集元素的隸屬程度,構(gòu)成單因素評(píng)判矩陣。設(shè)因素集 V中第 i個(gè)因素 Vi對(duì)評(píng)價(jià)集 K中第 j個(gè)元素 Kj的隸屬度為 Rij,則第 i個(gè)因素的評(píng)價(jià)結(jié)果可用模糊集合表述為 ri=ri1/v1+ri2/v2+ri3/v3。將因素集 V中各元素的單因素評(píng)判集按照它們的層次關(guān)系組成單因素評(píng)判矩陣 R1、R2、R3、R4。

通過(guò)建立主接線設(shè)計(jì)方案的因素權(quán)重集和單因素評(píng)判矩陣,可進(jìn)一步選取恰當(dāng)?shù)哪：僮魉阕臃旨?jí)合成因素權(quán)重集和單因素評(píng)判矩陣,從而得到設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)價(jià)值。由評(píng)價(jià)因素集可知方案合成分為三級(jí),組成了三級(jí)模糊綜合評(píng)判模型。

3 程序設(shè)計(jì)

電氣主接線設(shè)計(jì)方案的模糊綜合評(píng)判程序由方案輸入及預(yù)處理、模糊綜合評(píng)判、結(jié)果分析三部分組成。方案輸入及預(yù)處理包括:輸入主接線設(shè)計(jì)方案并作數(shù)據(jù)化處理和確定隸屬函數(shù)的相關(guān)參數(shù);模糊綜合評(píng)判包括:在層次分析法的基礎(chǔ)上采用交互的方式確定各級(jí)評(píng)價(jià)因素的權(quán)重、計(jì)算各因素對(duì)評(píng)價(jià)集的隸屬度形成單因素評(píng)價(jià)矩陣、利用模糊算子作模糊綜合評(píng)判等;結(jié)果分析環(huán)節(jié)包括:分析綜合評(píng)價(jià)結(jié)果及局部評(píng)價(jià)信息、選擇方案調(diào)整的策略、最終確定設(shè)計(jì)方案等。具體程序從略。

4 實(shí)例分析

4.1 系統(tǒng)聯(lián)接情況

某水電站裝機(jī) 2×8MW,是地方電網(wǎng)的骨干電站,擬采用一回 110kV與電力系統(tǒng)相連,二回 35kV線路,其中一回與附近一變電站相連,另一回向工廠供電,電站無(wú)近區(qū)負(fù)荷。

4.2 初擬方案

方案 A:擬采用 2臺(tái)三繞組變壓器,與發(fā)電機(jī)組成單元接線,110kV線路采用單母線接線,35kV側(cè)接線也采用單母線接線(見(jiàn)圖1(a))。

方案 B:擬采用 1臺(tái)三繞組變壓器,發(fā)電機(jī)電壓側(cè)采用擴(kuò)大單元接線,110kV出線變壓器—線路單元接線,兩回 35kV出線采用單母線接線(見(jiàn)圖1(b))。

圖1 某水電站主接線方案

方案 C:擬選擇 2臺(tái)主變可并聯(lián)運(yùn)行的接線方式,110kV側(cè)采用單母線接線,35kV側(cè)采用外橋接線,發(fā)電機(jī)電壓側(cè)采用正常運(yùn)行不并列的單母線分段—變壓器組接線,即單母線分段接線中省略主變低壓側(cè)斷路器的接線,相當(dāng)于橋形接線(見(jiàn)圖1(c))。

4.3 評(píng) 價(jià)

劃分主接線方案的 4個(gè)評(píng)價(jià)主因素及評(píng)價(jià)子因素,并確定相應(yīng)的權(quán)重,再經(jīng)專家對(duì)評(píng)價(jià)子集中的各因素進(jìn)行評(píng)價(jià),結(jié)果見(jiàn)表1。

4.4 根據(jù)單因素模糊集合組成評(píng)價(jià)子集的單因素評(píng)判矩陣(見(jiàn)表2)

表2 某水電站主接線方案評(píng)價(jià)子集的評(píng)價(jià)矩陣

4.5 綜合評(píng)價(jià)

進(jìn)一步選取加權(quán)平均型的模糊操作算子合成因素權(quán)重集和單因素評(píng)判矩陣,從而得到設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)價(jià)值(見(jiàn)表3)。

4.6 分 析

由上述結(jié)果可比較三個(gè)方案二級(jí)、三級(jí)綜合評(píng)判的模糊分布和設(shè)計(jì)方案的綜合評(píng)價(jià)值 W。

方案 B為最差方案(綜合評(píng)價(jià)值 51.8分)。從評(píng)判矩陣V可知,B方案雖然在經(jīng)濟(jì)上最節(jié)省,但在最重要的指標(biāo)——可靠性方面呈明顯劣勢(shì),且該方案的靈活性較差;方案 A、方案 C在各項(xiàng)性能指標(biāo)方面基本合格,但從綜合指標(biāo)來(lái)看,方案 C為最佳方案。一般認(rèn)為,若綜合評(píng)價(jià)值 W＜60,設(shè)計(jì)方案不合格,必須進(jìn)行方案調(diào)整;若 W＞60,設(shè)計(jì)方案基本合格,可以進(jìn)行下一步優(yōu)化設(shè)計(jì);若 W＞80,則設(shè)計(jì)方案已達(dá)到優(yōu)良水平。

表3 某水電站主接線方案綜合評(píng)價(jià)值

5 結(jié) 論

主接線設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)是水電站電氣設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),方案評(píng)價(jià)的模型化和量化是實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)計(jì)智能化的組成部分。實(shí)例分析表明:本文建立的電氣主接線方案的多級(jí)模糊綜合評(píng)判模型是有效的,評(píng)價(jià)結(jié)果是正確、可信的。設(shè)計(jì)者可根據(jù)該模糊評(píng)判結(jié)果,確定方案調(diào)整的策略與調(diào)整幅度,逐步實(shí)現(xiàn)水電站設(shè)計(jì)過(guò)程的智能化。

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