夏俊麗，毛 荀，柯德平，劉建琴，高 藝，孫元章

（1.武漢大學(xué) 電氣工程學(xué)院，湖北 武漢 430072；2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽 合肥 230601；3.國(guó)網(wǎng)北京經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，北京 100761）

0 引言

我國(guó)能源資源與能源需求呈逆向分布，客觀上需要能源在大范圍內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化配置。我國(guó)已經(jīng)成功建設(shè)和投運(yùn)了特高壓交流和直流輸電工程，高壓輸電網(wǎng)中主要形成了1000 kV／500 kV超特高壓交流輸電電壓序列和 ±500 kV、±660 kV、±800 kV、±1100 kV直流輸電電壓序列。交流輸電和直流輸電在技術(shù)特點(diǎn)上存在不同：交流輸電具有網(wǎng)絡(luò)功能，可以靈活地匯集、輸送和分配電力，需要各電壓等級(jí)協(xié)調(diào)配合，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越堅(jiān)強(qiáng)，則輸送能力越大；直流輸電是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)送電方式，需要依據(jù)送電容量和距離合理地選擇電壓等級(jí)，必須依托堅(jiān)強(qiáng)交流網(wǎng)架才能發(fā)揮作用。另外，兩者在工程投資、環(huán)境影響、安全穩(wěn)定等多方面均存在差異性。因此，在電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)中，從經(jīng)濟(jì)技術(shù)特性的角度分析和探討交直流輸電方式的合理適用范圍具有重要意義[1]。

文獻(xiàn)[2-5]對(duì)交直流輸電技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行比較，定性分析了特高壓交、直流輸電方式的適用場(chǎng)合，并總結(jié)得出，輸電方式的選取可以由某些特殊技術(shù)需求來(lái)確定。例如，在輸電工程建設(shè)時(shí)要求其具有網(wǎng)絡(luò)功能，線路中間需要能量下網(wǎng)，則輸電方式必須選取交流，錫盟—南京輸變電工程即屬于這類，另外，各大區(qū)同步電網(wǎng)互聯(lián)時(shí)，也可選取特高壓交流輸電方式以增強(qiáng)系統(tǒng)強(qiáng)度；而非同步運(yùn)行交流系統(tǒng)之間進(jìn)行互聯(lián)或需要電纜輸電的場(chǎng)合，則需要選取直流輸電方式。然而，在能源基地外送這種點(diǎn)對(duì)網(wǎng)方式送電且線路中間不要求能量下網(wǎng)的情況下，交、直流輸電方式均適用，本文即是針對(duì)該種情況下交、直流輸電方式的具體輸電適用范圍展開(kāi)研究。

文獻(xiàn)[6-7]對(duì)交流輸電系統(tǒng)的模型進(jìn)行數(shù)學(xué)等值，提出了交流輸電線路輸電能力曲線的計(jì)算方法，為交流輸電方案的建立提供了參考依據(jù)。文獻(xiàn)[8-11]從經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的角度，確定了我國(guó)直流輸電電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)序列及其典型配置方案，研究了各電壓等級(jí)直流輸電系統(tǒng)的輸電容量和經(jīng)濟(jì)輸電距離，對(duì)直流輸電方案的建立具有重要的指導(dǎo)意義。目前，在交流和直流的輸電能力及經(jīng)濟(jì)性方面的研究較多，而對(duì)于如何從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)層面綜合評(píng)價(jià)交、直流輸電適用范圍方面的研究很少。

本文基于交流輸電與直流輸電兩者在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)特性方面的差異，針對(duì)能源基地輸送需求下輸電方式的選擇問(wèn)題，提出了一種綜合考慮經(jīng)濟(jì)、技術(shù)因素的方法，用以評(píng)估交、直流輸電方式所適用的輸電容量和輸電距離的范圍。首先，基于單回交流輸電線路的輸電能力的研究方法，并且考慮受端電網(wǎng)強(qiáng)度等因素，研究了多回輸電線路以及加裝不同串補(bǔ)裝置時(shí)的交流輸電能力，設(shè)計(jì)了給定輸電需求下交流輸電方案的建立方法；同時(shí)，綜合考慮直流輸電的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)因素，總結(jié)了給定輸電需求下直流輸電配置方案的選取方法；在此基礎(chǔ)上，考慮功率傳輸特性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境影響等多方面因素，建立適宜于交、直流輸電適用范圍研究的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和綜合優(yōu)選模型，對(duì)所建立的經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)交、直流輸電方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析；給出了多組輸電情景下的仿真結(jié)果，證明了本文所提出的綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)于評(píng)估交、直流輸電適用范圍方面的有效性。

1 經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)交、直流輸電方案的建立

1.1 年費(fèi)用法

本文采用年費(fèi)用法對(duì)滿足給定輸電需求的交流或直流各電壓等級(jí)輸電方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性優(yōu)選，從而得到給定輸電需求下，最經(jīng)濟(jì)的交流和直流輸電方案。

年費(fèi)用法是在電力系統(tǒng)規(guī)劃經(jīng)濟(jì)分析中應(yīng)用較普遍的方法，它是將參加比較的諸方案計(jì)算期內(nèi)的全部支出費(fèi)用折算成等額年費(fèi)用后進(jìn)行比較[12]。本文中，年費(fèi)用主要考慮投資年值、年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用和輸電損耗費(fèi)用[11]，如式（1）所示，相應(yīng)的各項(xiàng)費(fèi)用計(jì)算如式（2）—（4）所示。

其中，固定資產(chǎn)原值近似為工程投資；損耗電量=功率損耗×能量利用小時(shí)數(shù)；T為運(yùn)營(yíng)期。另外，參考文獻(xiàn)[11]，式中涉及的經(jīng)濟(jì)計(jì)算參數(shù)取值如下：能量利用小時(shí)數(shù)為4000 h，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率為1.80%，運(yùn)營(yíng)期為30a，折現(xiàn)率為8%，上網(wǎng)電價(jià)為0.3元／（kW·h）。

1.2 經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)交流輸電方案的建立

參考文獻(xiàn)[6-7，13]，將交流輸電系統(tǒng)等值為圖1的數(shù)學(xué)模型，送端系統(tǒng)、受端系統(tǒng)和輸電線路均采用穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的工頻正序參數(shù)模型。圖中，ZC為線路波阻抗；β為相位常數(shù)；l為線路長(zhǎng)度；Z和Y分別為線路П形等值電路的阻抗和導(dǎo)納，且Z=R+jX；Es、Er和Us、Ur分別為送端和受端的等值機(jī)端電壓和線路母線電壓；δsr為 Es和 Er之間的相位差；Xs和 Xr分別為送端系統(tǒng)和受端系統(tǒng)的等值電抗；Pr、Qr為受端線路輸送的功率；QC1、QC2為線路等效電容產(chǎn)生的無(wú)功功率。選取額定電壓UN為系統(tǒng)基準(zhǔn)電壓Un，ZC為基準(zhǔn)阻抗Zn，則基準(zhǔn)電流。

圖1 交流輸電系統(tǒng)等值數(shù)學(xué)模型Fig.1 Equivalent mathematical model of AC power transmission system

基于圖1的交流輸電系統(tǒng)的等值模型，設(shè)計(jì)了經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)交流輸電方案的建立流程?？紤]到增加串補(bǔ)比增加線路回?cái)?shù)更經(jīng)濟(jì)，在給定輸電容量P和輸電距離l時(shí)，按流程逐步增加串補(bǔ)以提高輸電能力，仍不滿足功率輸送需求時(shí)，再增加線路回?cái)?shù)，如此循環(huán)，可建立滿足功率輸送目標(biāo)以及熱穩(wěn)定極限限制、穩(wěn)定性約束、電壓降落限制等限制條件的500kV和1000kV交流輸電方案，并采用年費(fèi)用法從中選出經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的交流輸電方案。該流程具體步驟如下。

步驟1 給定功率輸送目標(biāo)，即輸電容量P和輸電距離l，并輸入程序；輸入已知的系統(tǒng)參數(shù)，即額定電壓UN，導(dǎo)線持續(xù)容許電流Imax，送、受端系統(tǒng)短路電流 Is、Ir，單位長(zhǎng)度線路電抗和電納 x1、b1。

步驟3 初始化線路回?cái)?shù)n=1。

步驟4 初始化串補(bǔ)度Kse=0。

步驟5 初始化送、受端系統(tǒng)相位差δsr=5°。

步驟6 按式（5）、（6）計(jì)算線路參數(shù)；對(duì)圖1進(jìn)行有源網(wǎng)絡(luò)等值變換，可得 Us和 Ur按式（7）、（8）進(jìn)行計(jì)算；并判斷Us和Ur是否滿足電壓降落限制，若滿足，則繼續(xù)步驟7，否則繼續(xù)步驟8。

步驟7 判斷是否滿足穩(wěn)定性約束δsr<44°，若滿足，則修改 δsr=δsr+Δδ，返回步驟 6；否則轉(zhuǎn)步驟 8。

步驟8 按式（9）計(jì)算系統(tǒng)輸送能力p，判斷其是否滿足p≤Wmax，若不滿足，則修改p=Wmax。

步驟9 判斷是否滿足p≥P，若滿足，則繼續(xù)步驟10；否則判斷是否滿足Kse<45%，若滿足，則修改Kse=Kse+ΔKse，返回步驟 5，若不滿足，則修改 n=n+1，返回步驟4。

步驟10 輸出額定電壓為UN時(shí)所建輸電方案的線路回?cái)?shù)和串補(bǔ)度。分別計(jì)算UN取500 kV、1000 kV兩電壓等級(jí)時(shí)輸電方案的年費(fèi)用，并進(jìn)行比較，優(yōu)選輸出最經(jīng)濟(jì)輸電方案的電壓等級(jí)、線路回?cái)?shù)和串補(bǔ)度。程序運(yùn)行結(jié)束。

1.3 經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)直流輸電方案的建立

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，國(guó)家電網(wǎng)形成了±500kV、±660kV、±800 kV、±1100 kV直流輸電電壓等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)序列。

參考文獻(xiàn)[9-11]的研究及近幾年我國(guó)直流輸電工程的建設(shè)發(fā)展，我國(guó)已制造出5英寸和6英寸換流閥，其通流能力是決定額定直流電流大小的關(guān)鍵因素；導(dǎo)線截面則一般按經(jīng)濟(jì)電流密度進(jìn)行選取，根據(jù)電暈、電磁環(huán)境和可聽(tīng)噪聲等約束條件進(jìn)行校核，并考慮節(jié)能降耗的因素；另外，換流變的接線方式直接決定了換流變尺寸及其運(yùn)輸問(wèn)題，以及換流閥或換流變故障時(shí)，損失的輸電容量對(duì)兩端交流系統(tǒng)的沖擊和影響。綜合這些因素，形成了較合理和經(jīng)濟(jì)的各電壓等級(jí)直流輸電配置方案及其輸電范圍[8-11]，見(jiàn)表1。

表1 直流輸電系統(tǒng)配置方案Table 1 Configuration schemes of DC transmission system

在給定輸電距離和輸電容量下，從表1中選擇滿足輸電需求輸送的直流輸電配置方案?；诮趯?shí)際工程造價(jià)數(shù)據(jù)對(duì)各配置方案進(jìn)行投資估算，輸電損耗則考慮兩端換流站的損耗（約為換流站額定功率的1%～2%）以及線路損耗，對(duì)滿足要求的幾種配置方案進(jìn)行年費(fèi)用分析，得到最經(jīng)濟(jì)的配置方案及選定的導(dǎo)線截面。

2 交、直流綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1 指標(biāo)體系框架結(jié)構(gòu)

前文已優(yōu)選出滿足功率輸送的交流輸電方案和直流輸電方案，兩者不僅在經(jīng)濟(jì)上，還在功率傳輸特性、安全穩(wěn)定性等特性[2-5，13]上存在較大差異。 這些特性在對(duì)交、直流輸電方案進(jìn)行決策時(shí)起著重要的影響作用，因此，需從這些方面選擇合適的指標(biāo)，獲取2種輸電方案的指標(biāo)值，對(duì)2種輸電方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選取最優(yōu)。所以，建立一套完善合理的交、直流輸電適用范圍的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系對(duì)備選輸電方案的決策具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

通過(guò)分析交、直流輸電在經(jīng)濟(jì)技術(shù)特點(diǎn)上的共異性，本文從功率傳輸特性、經(jīng)濟(jì)性、安全穩(wěn)定性能等幾方面選取了最大傳輸功率、年費(fèi)用、強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間、輸電走廊、無(wú)功損耗、故障損失功率6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)交、直流輸電方案的特性進(jìn)行較為系統(tǒng)而科學(xué)的比較，所構(gòu)建的交、直流輸電綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖2所示。

圖2 交、直流輸電綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 Comprehensive evaluation index system of AC and DC power transmission scheme

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)的定義

2.2.1 最大傳輸功率

最大傳輸功率是反映所確定的各輸電方案輸電能力的指標(biāo)，體現(xiàn)了所確定交、直流輸電方案的功率傳輸裕度，對(duì)遠(yuǎn)期輸電規(guī)劃起著重要作用。

2.2.2 年費(fèi)用

經(jīng)濟(jì)性是工程建設(shè)中主要考慮的因素，本文采用年費(fèi)用指標(biāo)來(lái)衡量輸電方案的經(jīng)濟(jì)性，主要涉及建設(shè)經(jīng)濟(jì)性和電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。如前文所述，其主要由投資成本（年值）、輸電損耗費(fèi)用、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用3個(gè)部分組成。

2.2.3 強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間

新建輸電工程的可靠性影響著電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和對(duì)用戶的正常供電，本文采用強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間指標(biāo)反映輸電系統(tǒng)的可靠性。調(diào)研分析中電聯(lián)2009—2012年各電網(wǎng)運(yùn)行可靠性數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)出各電壓等級(jí)交、直流輸電在一年內(nèi)由于輸電系統(tǒng)或輸電設(shè)備故障引起的輸變電設(shè)施發(fā)生強(qiáng)迫停運(yùn)的小時(shí)數(shù)的平均值，即交、直流輸電方案的強(qiáng)迫停運(yùn)時(shí)間。

2.2.4 輸電走廊

輸電走廊指標(biāo)用于反映各輸電方案對(duì)土地資源的占用以及對(duì)環(huán)境的影響，隨著輸電走廊資源緊缺矛盾越來(lái)越突出，該指標(biāo)在輸電方案選取中也有較大影響力。其值的確定方法為分別計(jì)算工頻電場(chǎng)、工頻磁場(chǎng)和無(wú)線電干擾場(chǎng)強(qiáng)中超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)限值部分所對(duì)應(yīng)的線路寬度并取最大值。對(duì)于本文中交流單回或同塔多回輸電方案以及直流輸電方案，其值主要根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行取值。

2.2.5 無(wú)功損耗

無(wú)功功率在輸送過(guò)程中會(huì)引起有功功率的損耗，造成電力資源的巨大浪費(fèi)，并且無(wú)功是否平衡直接關(guān)系到系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。直流輸電中，換流站的無(wú)功損耗很大，約占輸送功率的40%～60%，這不僅增加了無(wú)功補(bǔ)償?shù)耐顿Y，并且在交流電網(wǎng)故障或直流輸電系統(tǒng)故障時(shí)都可能引起較大的電壓穩(wěn)定問(wèn)題。特高壓交流輸電線路也產(chǎn)生較大的充電功率，約為500 kV線路的4.4倍；同時(shí)根據(jù)傳輸功率的不同，線路上會(huì)相應(yīng)消耗部分無(wú)功功率。因此，無(wú)功損耗問(wèn)題在輸電方案的決策中應(yīng)當(dāng)予以考慮。

2.2.6 故障損失功率

故障損失功率是反映輸電線路故障時(shí)，系統(tǒng)中損失的功率對(duì)電網(wǎng)造成的影響，威脅著系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性，因此在方案選取中應(yīng)綜合考慮。在直流輸電線路中，各極是獨(dú)立調(diào)節(jié)和工作的，彼此沒(méi)有影響。所以，當(dāng)一極發(fā)生故障時(shí)，只需停運(yùn)故障極，另一極仍可輸送不少于一半功率的電能。而在交流輸電線路中，某一相發(fā)生永久性故障，則該段線路必須全線停電。故障所引起的功率損失將造成電網(wǎng)功率失衡，對(duì)系統(tǒng)造成危害。

3 基于矩估計(jì)理論賦權(quán)的綜合優(yōu)選方法

交、直流輸電方案在6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)上各有優(yōu)劣，因此，需選取一種綜合優(yōu)選方法，對(duì)6個(gè)指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重的合理分配，然后采用綜合優(yōu)選模型將6個(gè)指標(biāo)值合成1個(gè)比較值，對(duì)交、直流輸電方案進(jìn)行優(yōu)選。

由于主觀賦權(quán)法根據(jù)參與人的不同存在著很大的主觀性和隨意性，而客觀賦權(quán)法僅從數(shù)值上分析，存在與實(shí)際相悖的可能，因此本文采用多種主觀賦權(quán)法和客觀賦權(quán)法對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行權(quán)重分析，并基于矩估計(jì)理論得到最優(yōu)組合權(quán)重，讓結(jié)果更為科學(xué)可信。

3.1 主觀賦權(quán)法

主觀賦權(quán)法主要采用了改進(jìn)G1法和改進(jìn)層次分析法（AHP）。

改進(jìn)G1法是引入排序一致性原理對(duì)方案關(guān)于評(píng)價(jià)指標(biāo)的二元比較的定性排序矩陣進(jìn)行修正，確定評(píng)價(jià)指標(biāo)的序關(guān)系，并建立評(píng)價(jià)指標(biāo)的定量標(biāo)度與語(yǔ)氣算子之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而確定各指標(biāo)權(quán)重。

設(shè)m個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)構(gòu)成評(píng)價(jià)指標(biāo)集：

其中，dj（j=1，2，…，m）為評(píng)價(jià)指標(biāo)集中的評(píng)價(jià)指標(biāo)，m為評(píng)價(jià)指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

對(duì)于評(píng)價(jià)指標(biāo)集D進(jìn)行二元比較，若dk比dl重要，取 fkl=1，flk=0；反之，取 fkl=0，flk=1。 若 dk與 dl同樣重要，取 fkl=flk=0.5。 其中，fkl（k=1，2，…，m；l=1，2，…，m）表示重要性定性排序標(biāo)度。則得到因素集的重要性二元對(duì)比矩陣：

再由排序一致性定理對(duì)F進(jìn)行修正。指標(biāo)間重要性程度之比根據(jù)9個(gè)標(biāo)度的語(yǔ)氣算子在1～9之間進(jìn)行取值。

改進(jìn)AHP則是建立一種新的指數(shù)標(biāo)度，避免傳統(tǒng)AHP因采用對(duì)應(yīng)9個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的標(biāo)度所可能導(dǎo)致的評(píng)價(jià)結(jié)論錯(cuò)誤或一致性檢驗(yàn)錯(cuò)誤的問(wèn)題[14]。該方法將判斷等級(jí)分為6個(gè)等級(jí)，考慮比較傳遞性，兩指標(biāo)E和G之間的語(yǔ)氣算子標(biāo)度定義如表2所示。

表2 比例標(biāo)度及含義Table 2 Importance ratio and corresponding meaning

以表2為依據(jù)，m個(gè)指標(biāo)間進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)建判斷矩陣 A=（aij）m×m，求出特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量，歸一化后即為權(quán)重向量。

3.2 客觀賦權(quán)法

客觀賦權(quán)法主要采用了熵權(quán)法以及標(biāo)準(zhǔn)差和平均差賦權(quán)法。

熵權(quán)法主要是根據(jù)各評(píng)價(jià)指標(biāo)傳輸給決策者的信息量大小來(lái)確定指標(biāo)權(quán)重，指標(biāo)的熵值越大，表明各方案在該指標(biāo)上的差異越小，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響也越小，則其權(quán)值也越小[15]。

設(shè)方案 B=（B1，B2，…，Bn），方案 B 對(duì)指標(biāo)集 D 的標(biāo)準(zhǔn)化后的決策矩陣為：

其中，i=1，2，…，m；j=1，2，…，n；rij表示方案 Bj對(duì)指標(biāo)di屬性值的標(biāo)準(zhǔn)化值。

按如下公式計(jì)算各評(píng)價(jià)指標(biāo)的信息熵：

則可得第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重為：

標(biāo)準(zhǔn)差和平均差賦權(quán)法[16]根據(jù)加權(quán)向量W的選擇應(yīng)使所有評(píng)價(jià)指標(biāo)的總標(biāo)準(zhǔn)差和總平均差最大，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)：

其中，σj和μj分別為不考慮加權(quán)系數(shù)W時(shí)指標(biāo)j的標(biāo)準(zhǔn)差和平均差；α+β=1，α>0，β>0。

求解該最優(yōu)化問(wèn)題，可得到唯一極大值點(diǎn)：

歸一化后即得各指標(biāo)權(quán)重。

3.3 基于矩估計(jì)理論賦權(quán)的綜合優(yōu)選模型

基于主客觀賦權(quán)法得到的4個(gè)指標(biāo)權(quán)重樣本，采用基于矩估計(jì)理論的賦權(quán)方法得到最優(yōu)組合權(quán)重。即，對(duì)于第j個(gè)指標(biāo)，最終構(gòu)建的權(quán)重wj，需要滿足wj與該指標(biāo)的4個(gè)主客觀權(quán)重的偏差越小越好[17]。采用等權(quán)的線性加權(quán)方法，將m個(gè)指標(biāo)的目標(biāo)最優(yōu)模型轉(zhuǎn)化為式（16）所示的單目標(biāo)最優(yōu)化模型。

其中，α和β為由矩估計(jì)的基本思想計(jì)算得到的主觀權(quán)重與客觀權(quán)重的相對(duì)重要程度[18]，限于篇幅，此處不再贅述；wsj和wbj分別為第j個(gè)指標(biāo)的主觀和客觀權(quán)重。

通過(guò)對(duì)式（16）進(jìn)行求解，即可求得評(píng)價(jià)指標(biāo)基于多個(gè)主客觀權(quán)重的最優(yōu)組合權(quán)向量。

對(duì)指標(biāo)值進(jìn)行歸一化，并按以上得到的最優(yōu)組合權(quán)重，即可對(duì)各備選方案進(jìn)行多指標(biāo)綜合優(yōu)選。所謂多指標(biāo)綜合優(yōu)選，就是通過(guò)一定的數(shù)學(xué)模型將多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)值“合成”為1個(gè)整體性的綜合評(píng)價(jià)值。

本文所選用的交、直流綜合優(yōu)選模型為：

其中，Xi為歸一化后的第i個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)值；wi為最優(yōu)組合權(quán)向量中第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；m為指標(biāo)的個(gè)數(shù)。

4 交、直流輸電適用范圍的仿真分析

本文在點(diǎn)對(duì)500 kV電網(wǎng)送電方式下，采用窮舉法分析交、直流輸電適用范圍，因此需指定若干種典型輸電情景，即在各輸電容量和輸電距離情景下，分別從交流1000 kV和500 kV，直流±500 kV、±660 kV、±800 kV與±1100 kV中優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的交流和直流輸電方案，進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，從而歸納出交、直流輸電適用范圍。

輸電容量情景的選擇考慮以下3個(gè)因素：每臺(tái)特高壓變壓器容量、超／特高壓輸電線路的輸電能力以及直流各電壓等級(jí)的額定容量，使輸電方案能夠充分發(fā)揮其輸電能力。綜合這些因素，輸電容量選取2800 MW、3500 MW、4600 MW、5600 MW、7000 MW、8000 MW、8400 MW、10000 MW 共計(jì) 8種情況；結(jié)合工程實(shí)際中交、直流輸電距離的范圍及文獻(xiàn)[14-17]中得到的直流各電壓等級(jí)經(jīng)濟(jì)輸電距離的結(jié)論，本文在研究中選取的輸電情景如表3所示。

表3 多組典型輸電情景Table 3 Some typical power transmission scenarios

以下對(duì)表3中各輸電情景進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)交、直流輸電方案的建立，其中1000 kV交流輸電方案采用8×630 mm2導(dǎo)線，考慮每350 km建立一個(gè)開(kāi)關(guān)站，500 kV交流采用緊湊型6×300 mm2導(dǎo)線，考慮每250 km建立一個(gè)開(kāi)關(guān)站；最高可加裝45%的串補(bǔ)；受端電網(wǎng)短路電流取63 kA。以輸電容量為3 500 MW、輸電距離為500～700 km的輸電情景為例，建立的輸電方案如表4和表5所示。

表4 交流輸電方案（3500 MW）Table 4 AC transmission schemes（3500 MW）

表5 直流輸電方案（3500 MW）Table 5 DC transmission scheme（3500 MW）

計(jì)算出各情景下交、直流輸電的6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的屬性值并進(jìn)行歸一化，同樣以輸電容量為3500 MW、輸電距離為500～700 km的輸電情景為例，其結(jié)果如表6和表7所示。

分別采用改進(jìn)G1法、改進(jìn)AHP、熵權(quán)法、標(biāo)準(zhǔn)差和平均差賦權(quán)法對(duì)各輸電情景下的各指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，并采用基于矩估計(jì)理論的最優(yōu)組合賦權(quán)法得到各指標(biāo)的最優(yōu)組合權(quán)重，以輸電容量為3500 MW、輸電距離為700 km的輸電情景為例，其各指標(biāo)的最優(yōu)組合權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表8所示。

表6 各輸電情景下評(píng)價(jià)指標(biāo)的屬性值Table 6 Values of evaluation indexes for different power transmission scenarios

表7 各輸電情景下評(píng)價(jià)指標(biāo)屬性值的歸一化值Table 7 Normalized values of evaluation indexes for different power transmission scenarios

表8 各指標(biāo)的最優(yōu)組合權(quán)重Table 8 Optimal combination weight for different indexes

在多組典型輸電情景下，基于已求得的指標(biāo)歸一化值及指標(biāo)權(quán)重，采用綜合優(yōu)選模型，對(duì)各輸電情景下所建立的交、直流輸電方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，得到各輸電情景下交、直流輸電方案在經(jīng)濟(jì)性、功率傳輸特性、可靠性等幾個(gè)特性上的綜合評(píng)價(jià)值。為了更好地說(shuō)明交、直流輸電方案的優(yōu)劣，將交流輸電方案的綜合評(píng)價(jià)值減去直流輸電方案的評(píng)價(jià)值，得到兩者評(píng)價(jià)差值，如表9所示。表中，數(shù)值為正表示交流輸電方案綜合評(píng)價(jià)優(yōu)于直流，數(shù)值為負(fù)則表示直流更優(yōu)。絕對(duì)值越大，優(yōu)劣性越明顯。

表9中灰色區(qū)域表示在這些輸電情景下，滿足輸電需求的交流輸電方案在經(jīng)濟(jì)技術(shù)上比直流輸電方案具有更好的綜合應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。即在點(diǎn)對(duì)網(wǎng)送電方式下，交流輸電的適用范圍為：輸電容量為2800 MW時(shí)，輸電距離不大于500 km；輸電容量為3 500～5 600 MW時(shí)，輸電距離不大于600 km；輸電容量為7000 MW時(shí)，輸電距離不大于700 km；輸電容量為8000～8400 MW時(shí)，輸電距離不大于800 km；輸電容量為10000 MW時(shí)，輸電距離不大于1000 km。

進(jìn)一步對(duì)表9中各輸電情景下交、直流輸電方案的綜合評(píng)價(jià)差值隨輸電容量和輸電距離變化的關(guān)系進(jìn)行擬合，建立橫坐標(biāo)為輸電距離、縱坐標(biāo)為輸電容量的二維坐標(biāo)圖，得到交流和直流輸電方式的適用范圍如圖3所示。

圖3 交、直流輸電適用范圍Fig.3 Applicable scope of AC and DC power transmission

基于本文提出的交、直流輸電適用范圍的研究方法，得到如圖3所示的結(jié)論，隨著輸電容量增大，所需交流和直流輸電電壓等級(jí)增大，2種輸電方式的輸電距離臨界線也由500 km增大到1000 km。該變化趨勢(shì)及結(jié)論比較符合實(shí)際情況，因此證明了本文所提出方法的有效性。

表9 各輸電容量和距離下交、直流輸電方案的綜合評(píng)價(jià)差值Table 9 Difference of comprehensive evaluation between AC and DC power transmission schemes for different transmission capacities and distances

5 結(jié)論

在能源基地外送需求下，交、直流輸電方式適用范圍的研究具有重要的意義。本文考慮電網(wǎng)強(qiáng)度等因素，提出了一種給定輸電需求下，交、直流輸電方案的快速建立方法。從經(jīng)濟(jì)技術(shù)性的角度，建立了交、直流輸電方式的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并提出了適宜于交、直流輸電適用范圍研究的綜合評(píng)價(jià)方法。利用所提出的評(píng)價(jià)方法，在多組典型輸電情景下，針對(duì)點(diǎn)對(duì)500kV電網(wǎng)送電方式建立了交、直流輸電方案，并進(jìn)行綜合優(yōu)選，仿真結(jié)果證實(shí)了本文所提出的交、直流輸電適用范圍的研究方法的合理性和有效性。

值得注意的是，在電網(wǎng)規(guī)劃的過(guò)程中，交、直流輸電方式的選擇除了受本文所考慮的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)因素的影響以外，還受其他多種因素的影響，如電網(wǎng)的布局、規(guī)劃者的側(cè)重點(diǎn)等，這些因素在本文中并未考慮，還有待在涉及實(shí)際工程的研究中進(jìn)一步完善。另外，本文所建立的輸電模型并不適用于線路中間考慮能量下網(wǎng)的情況，該情況增大了模型建立和比較的復(fù)雜性，值得進(jìn)一步深入探究。本文針對(duì)線路中間不考慮能量下網(wǎng)的情況，從基于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)層面所提出的綜合評(píng)價(jià)方法，對(duì)未來(lái)電網(wǎng)規(guī)劃以及各大能源基地外送需求下輸電方式的選擇，具有較好的參考價(jià)值。