鄒德虎，張穎，張沈琪，張樂，傅靖

（1.國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)備自投方案評估

鄒德虎1，張穎2，張沈琪2，張樂2，傅靖2

（1.國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)存在不同的實現(xiàn)方案。提出一種針對不同網(wǎng)絡(luò)備自投方案進行綜合評估的方法。該方法首先針對評價指標(biāo)建立層次化結(jié)構(gòu)，然后確定權(quán)重系數(shù)，最后得到總體評估結(jié)果。針對南通地區(qū)電網(wǎng)的實例分析，說明了該方法可以對網(wǎng)絡(luò)備自投的方案進行綜合評估，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；評估

按照可靠性的要求，配電網(wǎng)應(yīng)滿足“閉環(huán)設(shè)計、開環(huán)運行”，當(dāng)出現(xiàn)失電時，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，無法通過站內(nèi)備自投恢復(fù)供電。且可以通過具有遠(yuǎn)方采集控制功能的網(wǎng)絡(luò)備自投系統(tǒng)實現(xiàn)恢復(fù)供電。目前，網(wǎng)絡(luò)備自投的實現(xiàn)方式有3種：（1）對傳統(tǒng)的站內(nèi)就地備自投進行改造，增加站間通訊；（2）在變電站后臺監(jiān)控系統(tǒng)中實現(xiàn)備自投功能，同時采集周邊相關(guān)站的信息；（3）在調(diào)度主站實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)備自投功能；本文首先簡要介紹這3種備自投方案的原理，然后給出對不同備自投方案的綜合評估方法。最后針對實際電力系統(tǒng)的一個例子，給出了具體評估結(jié)果。本文的目的是對網(wǎng)絡(luò)備自投裝置設(shè)計、招投標(biāo)、管理等提出技術(shù)性的決策評估方法。

1　技術(shù)方案簡介

以圖1所示的簡單鏈?zhǔn)焦╇娊Y(jié)構(gòu)作為例子。

圖1　簡單鏈?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，無法通過站內(nèi)備自投恢復(fù)供電。網(wǎng)絡(luò)備自投可以解決該問題。通過分開2DL，合上4DL，即可恢復(fù)B站的供電。

1.1就地備自投

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

1.2變電站后臺監(jiān)控備自投

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

1.3調(diào)度主站備自投

隨著電網(wǎng)自動化水平的提高，調(diào)度主站的功能也逐漸增強。許多電網(wǎng)已經(jīng)實現(xiàn)調(diào)控一體化?？梢栽谡{(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、進行邏輯判斷。故障后采用開關(guān)遙控的方式實現(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。將實際問題各個相關(guān)因素分解為不同層次。

（2）構(gòu)造成對比較矩陣。

（3）計算權(quán)向量并做一致性檢驗。

（4）計算組合權(quán)向量并做組合一致性檢驗，如果檢驗通過，則可按照組合權(quán)向量進行決策。

針對網(wǎng)絡(luò)備自投方案評估問題，將網(wǎng)絡(luò)備自投經(jīng)濟可靠加權(quán)指標(biāo)作為總目標(biāo)，選擇3個評價準(zhǔn)則作為中間層，分別為：經(jīng)濟效益、建設(shè)成本、系統(tǒng)可靠性。每一個中間層均選取評價指標(biāo)。

2.1經(jīng)濟效益

（1）直接經(jīng)濟效益：如果沒有安裝網(wǎng)絡(luò)備自投，鏈?zhǔn)酱┙泳€故障后長時間停電帶來的直接損失，可以采用少售電量來估算。

（2）間接經(jīng)濟效益：如果沒有安裝網(wǎng)絡(luò)備自投，鏈?zhǔn)酱┙泳€故障后長時間停電帶來的間接損失，可按照一定的比例系數(shù)來進行估算。

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、維護過程中的機會成本。包括施工難易程度、施工耗費的人力和時間、日常維護工作的多少。

2.3系統(tǒng)可靠性

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

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

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

（4）速動性：網(wǎng)絡(luò)備自投動作速度性能，盡可能減少用戶停電時間。

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

圖2　網(wǎng)絡(luò)備自投評價指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)

3　實際算例與討論

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。

網(wǎng)絡(luò)備自投屬于安全自動裝置的一種，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)濟效益。雖然可以通過歷史記錄估算出電網(wǎng)故障的概率，并進而估算出直接和間接經(jīng)濟效益，但結(jié)果具有一定的不確定性。因此在經(jīng)濟效益、建設(shè)成本、系統(tǒng)可靠性3個中間指標(biāo)中，經(jīng)濟效益所占的權(quán)重應(yīng)稍小。對于網(wǎng)絡(luò)備自投系統(tǒng)來說，其自身的系統(tǒng)可靠性無疑是最重要的，因為涉及到開關(guān)直接控制，具有很高的安全級別。綜合考慮3種中間指標(biāo)（準(zhǔn)則層B）的成對比較矩陣設(shè)置為：

計算出最大特征值為3.009 2，計算出的特征向量為［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，通過一致性校驗。

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

3.2系統(tǒng)可靠性分析

對于系統(tǒng)可靠性，準(zhǔn)則層C指標(biāo)中有：安全性、信賴性、動作合理性、速動性。相比較而言，如果網(wǎng)絡(luò)備自投系統(tǒng)誤動，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，雖然損失也很可觀，但仍然是可以接受的，因為故障必然是由其他因素導(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，安全性的權(quán)重應(yīng)該大于信賴性。動作合理性也是一個較為重要的指標(biāo)，無論是動作后造成過載、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)與信賴性相當(dāng)。對于速動性，雖然加快速度可以減少停電損失，但速度過快，也可能對安全性產(chǎn)生不利影響，因此速動性的權(quán)重可以較低。

對于安全性指標(biāo)，南通電網(wǎng)110 kV線路普遍沒有裝設(shè)光纖差動保護，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)。而變電站后臺需要采集其他變電站的信息，同樣存在類似的問題。作為全國首個實現(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，例如失電時多個相關(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。

對于信賴性指標(biāo)，涉及到開關(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。而變電站后臺的控制則依賴于變電站綜合自動化系統(tǒng)的可靠性。主站備自投的控制則依賴于調(diào)度EMS的可靠性和通道的可靠性。因此，就地備自投的信賴性指標(biāo)較高。

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

對于速動性方面，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成對比較矩陣的建立過程和組合權(quán)向量的求解過程不詳細(xì)列出，直接將系統(tǒng)可靠性B3的計算結(jié)果列出：［0.333 8，0.283 9，0.382 3］

分別對應(yīng)就地網(wǎng)絡(luò)備自投、變電站后臺網(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)濟效益分析

計算經(jīng)濟效益B1的權(quán)重?？紤]因沒有網(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，這段時間丟失的電量。潮流大小以年度平均潮流為準(zhǔn)。然后計算網(wǎng)絡(luò)備自投動作時，丟失的電量?？紤]到網(wǎng)絡(luò)備自投平均動作時間不同、動作可靠性不同，權(quán)重也會不同。兩者相減，即為直接經(jīng)濟效益。間接經(jīng)濟效益需要乘上適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)，并考慮網(wǎng)絡(luò)備自投恢復(fù)過程中的短時停電損失［6］。經(jīng)濟效益B1的權(quán)重計算結(jié)果為：［0.392 3，0.273 1，0.334 6］

3.4建設(shè)成本分析

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

對于變電站后臺網(wǎng)絡(luò)備自投建設(shè)，通過對相關(guān)變電站監(jiān)控廠家調(diào)研獲取相關(guān)資料，并估計硬件和軟件成本。由于部分型號的變電站后臺監(jiān)控系統(tǒng)廠家已停止了升級支持，需要整體更換變電站監(jiān)控系統(tǒng)，這會增加較多的成本。

對于主站網(wǎng)絡(luò)備自投建設(shè)，通過對調(diào)度自動化廠家調(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，沒有硬件成本，且只需要建設(shè)一套，就可滿足任意多串的網(wǎng)絡(luò)備自投需求。

對于人力資源成本，按照投入的人數(shù)和時間估計建設(shè)時期和后期維護工作量，并按照供電公司平均人力成本估計總體的人力資源成本。

上述成本統(tǒng)計后，計算建設(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，計算結(jié)果為：［0.331 1，0.260 4，0.408 5］

由計算結(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。

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

4　結(jié)束語

本文提出了對網(wǎng)絡(luò)備自投方案進行綜合評價的層次分析方法。評價指標(biāo)分為經(jīng)濟效益、建設(shè)成本、系統(tǒng)可靠性，并建立層次型結(jié)構(gòu)。針對南通地區(qū)電網(wǎng)的實際情況分析了就地網(wǎng)絡(luò)備自投、變電站后臺網(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，得到了明確的評價結(jié)果。即針對南通電網(wǎng)的實際情況，調(diào)度主站網(wǎng)絡(luò)備自投的方案相對更有優(yōu)勢。本文的分析結(jié)論可以幫助南通供電公司的管理人員進行決策，其分析方法具有簡單實用的特點，同時具有一定的通用性，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)計與實現(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)備自投及其測試關(guān)鍵技術(shù)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2012，36（23）：109-113.

［4］周明，趙煒，王鵬，等.供電企業(yè)運營績效評估的層次化標(biāo)尺競爭模型及方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，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，趙會茹，歐大昌，等.短時停電及其經(jīng)濟損失的估算［J］.電力系統(tǒng)自動化，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目（J2013069）

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目（2011AA05A118）

鄒德虎（1986），男，安徽肥東人，工程師，研究方向為電力系統(tǒng)自動化、分析仿真及備自投控制；

張穎（1982），女，江蘇如皋人，工程師，研究方向為繼電保護；

張沈琪（1981），女，江蘇南通人，工程師，研究方向為繼電保護；

張樂（1973），女，江蘇南通人，高級工程師，研究方向為電網(wǎng)運行；

傅靖（1970），男，江蘇昆山人，高級工程師，研究方向為電網(wǎng)運行。