馮 景，周步祥，林 楠

(1.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川成都 610065;2.四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川成都 610072)

0 引言

目前中國(guó)電網(wǎng)已基本形成了220 kV及以上電壓等級(jí)作為輸電電壓和以110 kV、35 kV、10 kV作為配電電壓的電壓等級(jí)序列。少數(shù)地區(qū)已采用20 kV作為中壓配電電壓等級(jí)，例如蘇州工業(yè)園區(qū)［1］和遼寧本溪供電公司的南芬二次變電所。目前中國(guó)其他省市也紛紛進(jìn)行20 kV的試點(diǎn)研究工作，并初見成效。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，為解決中國(guó)城市中心區(qū)及高負(fù)荷密度地區(qū)供電能力不足、農(nóng)村低負(fù)荷密度地區(qū)壓降過(guò)大的問題，提高配電網(wǎng)智能化水平，進(jìn)行電壓層級(jí)優(yōu)化的研究是十分必要的。從而增強(qiáng)電網(wǎng)的輸電能力，為配電網(wǎng)的智能化夯實(shí)基礎(chǔ)。

1 配電網(wǎng)電壓層級(jí)優(yōu)化的總體目標(biāo)

配電網(wǎng)電壓層級(jí)優(yōu)化是在已確定配電網(wǎng)變電站布點(diǎn)及供電范圍、負(fù)荷分布的情況下，合理確定電壓等級(jí)。使配電網(wǎng)在保證安全可靠供電的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)化［2］。因此，配電網(wǎng)電壓等級(jí)優(yōu)化的模型中需要考慮的因素包括工程建設(shè)的總投資、運(yùn)行費(fèi)用、網(wǎng)損費(fèi)用以及其他一些技術(shù)性約束條件。

以年綜合費(fèi)用F(包括工程建設(shè)的總投資ZN、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用YN、電能損耗費(fèi)用CL)最小為目標(biāo)，配電網(wǎng)電壓層級(jí)優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為

且滿足以下約束條件。

(1)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)約束

(2)滿足可靠性要求

式中，Rmin為可靠性指標(biāo)下限。

(3)電壓降落限制

式中，Ui為各負(fù)荷節(jié)點(diǎn)電壓;Umin和Umax為節(jié)點(diǎn)電壓

上下限;m為負(fù)荷節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)。

(4)線路功率限制

式中，Pk為線路k中流過(guò)的功率;Pk，max為線路k的最大允許傳輸有功功率;l為線路的總根數(shù)。

(5)短路電流約束

式中，Ilimit為短路電流上限。

2 電壓等級(jí)評(píng)估模型

中壓配電網(wǎng)電壓等級(jí)序列合理配置的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系非常龐大，通過(guò)分析，建立指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)，確定經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性評(píng)價(jià)的核心指標(biāo)和計(jì)算模型。圖1即為電壓等級(jí)優(yōu)化的一般流程。

圖1 電壓等級(jí)優(yōu)化流程圖

2.1 技術(shù)性評(píng)估模型

為確保供電方案的可行性，需要對(duì)不同供電方式下配網(wǎng)規(guī)劃方案的技術(shù)指標(biāo)加以分析計(jì)算，并將技術(shù)指標(biāo)分析計(jì)算的結(jié)果作為評(píng)判供電方式優(yōu)劣的指標(biāo)之一，主要比較的技術(shù)指標(biāo)有供電可靠性、電壓降落和短路電流等。

2.1.1 可靠性評(píng)估模型

供電可靠性是評(píng)價(jià)配電網(wǎng)電壓等級(jí)優(yōu)化方案的重要指標(biāo)之一。一般可以從系統(tǒng)停電持續(xù)時(shí)間(SAIDI，system average interruption duration index)和系統(tǒng)平均供電可用率(ASAI，average service availability index)兩個(gè)指標(biāo)對(duì)不同方案進(jìn)行分析比較［3］。

(1)系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)SAIDI。系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo) SAIDI是指每個(gè)由系統(tǒng)供電的用戶在一年中所遭受的平均停電持續(xù)時(shí)間，可以通過(guò)一年中用戶遭受的停電持續(xù)時(shí)間總和除以該年中由系統(tǒng)供電的用戶總數(shù)來(lái)估計(jì)

式中，Ni為負(fù)荷點(diǎn)i的用戶數(shù);Ui為年停電時(shí)間。

(2)系統(tǒng)平均供電可用率指標(biāo) ASAI。系統(tǒng)平均供電可用率指標(biāo) ASAI是指一年中用戶經(jīng)受的不停電時(shí)間總數(shù)與用戶要求的總供電時(shí)間之比，可按下式計(jì)算。

顯然有

式中，Ni為負(fù)荷點(diǎn)i的用戶數(shù);Ui為年停電時(shí)間。

2.1.2 電壓偏差評(píng)估模型

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)線路電壓降落的計(jì)算公式為

式中，△U%為線路電壓損失百分?jǐn)?shù);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。

根據(jù)上式可知，在負(fù)荷不變的情況下:△U20%/△U10%=1/4。當(dāng)中壓電壓等級(jí)提高至20 kV時(shí)，電壓損失是10 kV的25%。由《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》(GB/T 12325)，10 kV配電線路電壓降不應(yīng)超過(guò)7%;35 kV配電線路供電電壓正負(fù)偏差之和不應(yīng)超過(guò)10%。

2.1.3 短路電流評(píng)估模型

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。采用系統(tǒng)中通用的典型變壓器容量，依據(jù)主變壓器二次側(cè)短路容量選取主變壓器，變壓器二次側(cè)三相短路電流的計(jì)算公式為

式中，SN為變壓器的額定容量;I1為變壓器一次側(cè)短路電流;U1為變壓器一次側(cè)電壓;U2為變壓器二次側(cè)電壓;Uk為變壓器阻抗百分比。

表1 不同電壓等級(jí)下變壓器短路電流的比較

由表1可知，如高壓配電電壓為110 kV，低壓側(cè)電壓由10 kV升壓為20 kV，低壓側(cè)短路電流將大約減少一半，這意味著可以采用較低遮斷容量的斷路器，大大減少設(shè)備費(fèi)用投資和占地空間。或者可以通過(guò)增加主變壓器的容量以最大限度地利用低壓側(cè)開關(guān)遮斷容量以提高變電站的輸配電能力。

2.2 經(jīng)濟(jì)性評(píng)估模型

與技術(shù)性相比，經(jīng)濟(jì)分析要復(fù)雜的多。涉及到現(xiàn)有電網(wǎng)的升壓改造時(shí)，需要考慮現(xiàn)存資產(chǎn)規(guī)模、運(yùn)行年限、改造折舊費(fèi)等。經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)主要采用年費(fèi)用法。年費(fèi)用法是目前電力工程項(xiàng)目中常用的一種動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)方法，適用于比較效益或功能基本相同的不同方案的投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用。進(jìn)行方案比較時(shí)，年總費(fèi)用的最低方案，其經(jīng)濟(jì)效益為最大，年費(fèi)用的計(jì)算公式為

式中，Nf為折算到工程建設(shè)年的年費(fèi)用;Z為折算到工程建設(shè)的總投資;YN為運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，YN可以按照固定資產(chǎn)原值(近似為工程投資)乘以運(yùn)行維護(hù)率α來(lái)實(shí)現(xiàn);r0為電力工業(yè)基準(zhǔn)收益率或折現(xiàn)率(r0取0.1);CL為電能損耗費(fèi)用;n為計(jì)算期。系統(tǒng)運(yùn)行n年的電能損耗費(fèi)用為

式中，△Pi為年度最大負(fù)荷下的功率損耗;T為年利用小時(shí)數(shù);f為電價(jià)。電能損耗費(fèi)用隨著負(fù)荷的增長(zhǎng)而逐年提高。

3 基于模糊理論的配電網(wǎng)電壓層級(jí)優(yōu)化模型的建立

傳統(tǒng)對(duì)單一電網(wǎng)的評(píng)估主要應(yīng)用解析法、模擬法等一些經(jīng)典算法［4］，這些方法側(cè)重于分析電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性或者可靠性等單一屬性，沒有對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行全面的綜合評(píng)估。文獻(xiàn)［5－7］采用綜合評(píng)判決策理論，層次分析法可以對(duì)人為判斷標(biāo)量化，通過(guò)權(quán)重矩陣得出方案權(quán)重，評(píng)價(jià)供電模式的綜合特性。這里應(yīng)用模糊理論建立單一電網(wǎng)的評(píng)估體系，合理選擇模糊變量，結(jié)合專家判斷對(duì)指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行量化和完整排序，從而建立配網(wǎng)電壓層級(jí)優(yōu)化的評(píng)價(jià)體系。

3.1 模糊評(píng)價(jià)的基本模型

模糊評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型可以表示為

式中，B為模糊評(píng)價(jià)決策的一個(gè)子集;A為模糊權(quán)重相量;R=［rij］m×n為模糊評(píng)價(jià)矩陣;f為模糊變換算子。對(duì)此運(yùn)算符號(hào)的不同定義，對(duì)應(yīng)著不同的模糊評(píng)價(jià)模型。目前主要有4種不同的模糊評(píng)價(jià)模型［8］:主因素決定型、主因素突出Ⅰ型、主因素突出Ⅱ型和加權(quán)平均型。在進(jìn)行實(shí)際問題的模糊評(píng)價(jià)時(shí)，可根據(jù)實(shí)際評(píng)價(jià)目標(biāo)的需要選用模糊變換算子。

3.2 建立等級(jí)論域和指標(biāo)論域

確定評(píng)價(jià)基準(zhǔn)及相應(yīng)的價(jià)值量(即評(píng)價(jià)等級(jí)論域):E={E1，E2，…，En}，選取 E={優(yōu)秀，較好，好，一般，差}，對(duì)其賦值則 E={0.9，0.7，0.5，0.3，0.1}。并且依據(jù)評(píng)定者給出的評(píng)定等級(jí)建立隸屬度。

評(píng)價(jià)指標(biāo)論域:U={U1，U2，…，Um}。主要選取的中壓配電網(wǎng)電壓等級(jí)序列合理配置的評(píng)價(jià)指標(biāo)有:U1系統(tǒng)平均停電持續(xù)時(shí)間指標(biāo)SAIDI;U2系統(tǒng)平均供電可用率指標(biāo)ASAI;U3電壓偏差評(píng)估指標(biāo);U4短路電流評(píng)估指標(biāo);U5經(jīng)濟(jì)性評(píng)估指標(biāo)。

3.3 建立評(píng)判隸屬度矩陣R

式中，Rij(i=1，2，…，m;j=1，2，…，k)為第 i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)于第j個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度，它反映了評(píng)價(jià)指標(biāo)與評(píng)價(jià)等級(jí)之間用隸屬度表示的模糊關(guān)系;m表示評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)目;k表示評(píng)語(yǔ)集中評(píng)價(jià)等級(jí)的數(shù)目。

3.4 權(quán)重的確定

權(quán)重的確定是在專家知識(shí)和主觀經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用具有嚴(yán)密邏輯性的數(shù)學(xué)方法，根據(jù)判斷矩陣是否具有滿意的一致性來(lái)檢驗(yàn)權(quán)值的合理性［9］。

3.4.1 構(gòu)造模糊判斷矩陣

設(shè)X={x1x2…xn}是全部因素的集，對(duì)全部因素作兩兩之間的對(duì)比，構(gòu)造矩陣 c=［cij］n×n，其中 cij=f(xi，xj)，記 c為判斷矩陣，即為

3.4.2 計(jì)算權(quán)值

根據(jù)判斷矩陣C，計(jì)算其最大特征根λmax，并且矩陣 C 關(guān)于 λmax的特征向量 X={x1，x2，x3，…，xn}，經(jīng)過(guò)歸一化處理后的xi就是各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，即A={a1，a2，a3，…，an}。

至此，上述定型的評(píng)價(jià)指標(biāo)就實(shí)現(xiàn)了定量化，還可根據(jù)權(quán)重的大小對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序。

3.4.3 驗(yàn)證判斷矩陣的一致性

按照下式進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

CR為判斷矩陣的隨機(jī)一致性比率;CI為判斷矩陣的一般一致性指標(biāo)，C1=(λmax－n)/(n－1);RI為判斷矩陣的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，當(dāng)CR＜0.1時(shí)，即認(rèn)為判斷矩陣具有滿意的一致性，說(shuō)明權(quán)數(shù)分配合理;否則需要調(diào)整判斷矩陣到取得滿意一致性為止［10］。

3.5 確定因素集對(duì)評(píng)價(jià)集的隸屬向量Si

根據(jù)上述方法計(jì)算出的指標(biāo)權(quán)重A和已經(jīng)建立的評(píng)價(jià)隸屬矩陣R，運(yùn)用模糊運(yùn)算法則，進(jìn)行綜合運(yùn)算，并作歸一化處理，得到因素集對(duì)評(píng)價(jià)集的隸屬向量Si。

3.6 計(jì)算各方案的可行度

根據(jù)式(11)可依次計(jì)算出各方案的可行度Ni，并可按照可行度的大小排除各個(gè)備選方案的優(yōu)先次序。

4 實(shí)際案例分析

4.1 規(guī)劃區(qū)產(chǎn)業(yè)概況和電網(wǎng)現(xiàn)狀

以一實(shí)際的高新區(qū)A為研究對(duì)象，根據(jù)《高新區(qū)A“十二五”電網(wǎng)規(guī)劃》，驗(yàn)證對(duì)配電電壓等級(jí)的評(píng)價(jià)方法和評(píng)估模型的合理性。高新區(qū)A地理位置優(yōu)越，有豐富的油氣資源，獨(dú)特的政策優(yōu)勢(shì)和雄厚的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，具有建設(shè)大型臨海資源型工業(yè)基地的諸多優(yōu)勢(shì)。截至2009年年底，規(guī)劃區(qū)內(nèi)電源裝機(jī)容量約為860 MW(包括火電廠Y裝機(jī)容量440 MW，企業(yè)自備電廠J裝機(jī)容量420 MW)?，F(xiàn)有220 kV變電站3座，主變壓器5臺(tái)，總?cè)萘?20 MVA。擁有110 kV變電站兩座，主變壓器3臺(tái)，總?cè)萘?20 MVA，電源引自火電廠Y。

該高新區(qū)A的規(guī)劃面積為97 km2，根據(jù)某省國(guó)民經(jīng)濟(jì)和高新區(qū)A的經(jīng)濟(jì)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，結(jié)合經(jīng)濟(jì)發(fā)展和用電歷史情況，采用產(chǎn)值單耗法、負(fù)荷密度法和大用戶法等多種負(fù)荷預(yù)測(cè)方法，經(jīng)綜合比較，得出高新區(qū)A遠(yuǎn)景飽和年的負(fù)荷約為2 064.64 MW，負(fù)荷密度約為21.27 MW/km2。

4.2 電壓等級(jí)序列備選方案

以高新區(qū)A目前現(xiàn)有的電壓等級(jí)序列220/110/10 kV作為方案1;新電壓等級(jí)序列220/110/20 kV作為方案2;220/20 kV作為方案3。對(duì)這3種方案進(jìn)行綜合比較。3種備選方案建設(shè)規(guī)模估算見表2。

表2 3種方案電網(wǎng)規(guī)模估算

4.3 計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重

通過(guò)對(duì)南方電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)參考專家經(jīng)驗(yàn)，構(gòu)造判斷矩陣C，并求出矩陣C關(guān)于最大特征值λmax的特征向量，進(jìn)一步得出各評(píng)價(jià)因素的重要性權(quán)重集合為:A={a1，a2，a3，…，an}={0.126，0.126，0.077，0.162，0.104}。對(duì)權(quán)重因子進(jìn)行歸一化，。各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的最終權(quán)重因子見表3。

4.4 模糊綜合評(píng)判

表3 各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重因子

分別對(duì)3個(gè)方案的技術(shù)評(píng)價(jià)指標(biāo)(供電可靠性、電壓降落和短路電流等)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)Nf進(jìn)行比較，結(jié)果見表4。不同電壓等級(jí)下變壓器短路電流的比較見表1。

表4 各方案的評(píng)價(jià)指標(biāo)

利用對(duì)上述模糊評(píng)價(jià)指標(biāo)的分析結(jié)果，計(jì)算各評(píng)價(jià)系統(tǒng)的模糊綜合評(píng)價(jià)矩陣Ri。方案1的模糊評(píng)價(jià)矩陣R1為

對(duì)模糊評(píng)價(jià)矩陣進(jìn)行加權(quán)，得出各電壓等級(jí)備選方案模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。由Si=Ai·Ri得

由Ni=SiET得方案1的可行度N1為

根據(jù)上述結(jié)論，得到3種電壓等級(jí)方案可行度排序?yàn)?N2＞N3＞N1。

5 結(jié)論

提出了一種基于模糊綜合評(píng)價(jià)法配電網(wǎng)電壓等級(jí)序列選擇方法。分別構(gòu)建經(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。得到某省高新區(qū)A的合理電壓等級(jí)序列。在3種建設(shè)方案中，方案220/110/20 kV的可行度最高。將中壓配電電壓等級(jí)提高到20 kV可以達(dá)到簡(jiǎn)化電壓等級(jí)序列、節(jié)省電網(wǎng)投資、降低損耗、提高輸送能力和輸送距離的目的。由于各地的實(shí)際情況不同，在進(jìn)行配電電壓選取時(shí)，還需根據(jù)城市的具體情況進(jìn)行深入的可行性研究，擇優(yōu)選取。

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