蔡佳銘，王賽一，顧辰方，閭文浩，吳正驊

(1. 上海電力設(shè)計院有限公司 能源(電網(wǎng))規(guī)劃中心，上海 200001；2. 國網(wǎng)上海市電力公司浦東供電公司，上海 201202)

超導電纜具有損耗低、傳輸容量大、節(jié)省材料和低污染的特征[1-4]。開展超導電纜示范工程應用，探索其替代傳統(tǒng)電纜的運行，乃至全壽命周期運行經(jīng)驗，具有必然性和必要性。實施超導電纜示范工程首先需要在規(guī)劃層面解決方案比選的問題，這包括兩個方面：一是提出理論可行的超導電纜應用場景；二是在各個應用場景下結(jié)合實際情況比選各實施點的工程方案。

現(xiàn)有的超導電纜研究集中在超導電纜系統(tǒng)本身的技術(shù)問題層面[5-12]，關(guān)于超導電纜文獻主要研究下述問題。一是研究超導電纜系統(tǒng)材料和系統(tǒng)構(gòu)建的先進工藝。文獻[5]提出了構(gòu)建低溫超導電纜系統(tǒng)的一般方法和流程。文獻[6]說明了低溫超導帶材特性的測試試驗結(jié)果。文獻[7]提出了三相高溫超導電纜的研制工藝。二是研究超導電纜應用場景的設(shè)備選型和保護配置方案。文獻[8]提出高溫超導電纜在多種運行狀態(tài)下的特性和保護配置方案。文獻[9]研究超導電纜的失超保護配置方法。文獻[10]提出高溫超導電纜的過電流配置方案。文獻[11]介紹高溫超導電纜的監(jiān)測和保護裝置研制經(jīng)驗。文獻[12]介紹高溫超導電纜監(jiān)測與保護系統(tǒng)管理軟件的開發(fā)經(jīng)驗。關(guān)于在實際應用中如何選取超導電纜工程應用場景，如何比選超導電纜規(guī)劃方案的研究較少。超導電纜規(guī)劃方案的比選需結(jié)合工程投資、投運效益、實施條件、可靠性、安全性、節(jié)能減排等多方面因素綜合考慮。科學、合理的超導電纜規(guī)劃方案比選模型可為示范工程選點提供參考和依據(jù)。

本文主要結(jié)合超導電纜的基本特性和城市電網(wǎng)實際，提出城市電網(wǎng)超導電纜理論可行的應用場景，以及量化成本和效益多方面因素的超導電纜規(guī)劃方案比選模型，用以指導實際示范工程選點。本文提出的方案比選模型在實際工程規(guī)劃選點中已有應用，結(jié)合實際工程的改編算例驗證模型的有效性。

1 超導電纜在城市電網(wǎng)中的應用場景

利用超導電纜替代常規(guī)電纜的電壓等級不同，首先提出并論證超導電纜在不同電壓等級(220，110，35 kV)場景中應用的可行性。

(1)替代多回220 kV常規(guī)電纜。220 kV常規(guī)電纜的輸送容量一般在250 MVA以上，遠超現(xiàn)階段超導電纜的最大輸送容量，并且220 kV線路對安全穩(wěn)定運行的要求很高，采用超導電纜不具有可行性。

(2)替代多回110 kV常規(guī)電纜。城市電網(wǎng)中110 kV電網(wǎng)多采用鏈式接線結(jié)構(gòu)，考慮利用超導電纜構(gòu)建鏈式接線形式。

(3)替代多回35 kV常規(guī)電纜。該場景可進一步細分為下述場景。

1)為變電站35 kV側(cè)擴建母線供電。對于城網(wǎng)內(nèi)不具備擴建主變條件的站點(通常為已建兩臺主變的220 kV變電站無法擴建第三臺主變)，可由超導電纜實現(xiàn)對變電站需擴建主變的35 kV側(cè)母線段供電，以此達到滿足檢修方式下“N-1”的可靠性要求。

2)作站間互饋線。利用超導電纜作為站間(通常為220 kV變電站35 kV側(cè))的互饋線，滿足故障情況下負荷轉(zhuǎn)供的需要，提高站點可靠性。

3)作35 kV開關(guān)站進線。利用超導電纜傳輸容量大的特點，將其作開關(guān)站進線較傳統(tǒng)電纜可增強開關(guān)站帶負荷能力。

4)作用戶接入線路。利用超導電纜為用戶變電站、以可再生能源機組為代表的小電源用戶以及重要用戶等供電，代替常規(guī)電纜作電源進線，由于超導電纜的電壓等級更低、傳輸容量更大，能夠起到節(jié)省站點間隔、節(jié)省供電線路、緩解通道緊張問題的作用。

這些應用場景均在技術(shù)上理論可行，超導電纜方案要求接入的站點(電壓等級、數(shù)量、占地)和線路通道需求等一系列實施條件、特點和投運效益均與常規(guī)電纜方案存在差異，應用場景的主要優(yōu)缺點匯總?cè)绫?所示。

表1 不同超導電纜應用方案的優(yōu)劣對比匯總

由表1可見，超導電纜能否在這些場景中應用需通過與常規(guī)電纜實施方案的綜合比選分析其可行性。對于某類應用場景，存在多處備選項目實施地點和方案的，也宜結(jié)合明確的比選模型選定示范工程的實施方案。

2 基于模糊期望值優(yōu)化的成本—效益比選模型

本文提出的方案比選模型綜合考慮成本和效益兩方面的因素，建模重點是量化其中的定性考慮因素，以及處理專家評分結(jié)果的不確定性。

2.1 成本要素建模

超導電纜通常分為室溫絕緣(Warm Dielectric, 簡稱WD)和冷絕緣(Cold Dielectric, 簡稱CD)[2]，實際工程應用中多采用CD超導電纜，研究對象為CD超導電纜。本文主要考慮超導電纜投資成本和供電方案資源需求兩類成本要素。

2.1.1 超導電纜投資成本

超導電纜的投資成本包括初始建設(shè)成本和運行維護成本。初始建設(shè)成本包括設(shè)備購置費、建筑工程費、安裝工程費和其他費用。區(qū)別于傳統(tǒng)電纜設(shè)備，超導電纜方案的設(shè)備購置費由構(gòu)成超導電纜系統(tǒng)的三部分組成：本體線路系統(tǒng)、低溫制冷系統(tǒng)和監(jiān)測控制系統(tǒng)[5]。對于本體線路系統(tǒng)，認為其購置費用等于超導電纜本體線路、超導電纜終端和附件的總和。工程費和其他費用可按照等效折算的單位長度電纜建設(shè)費用，結(jié)合工程量計算。超導電纜的初始建設(shè)成本構(gòu)成示意見圖1。

圖1 超導電纜系統(tǒng)初始建設(shè)成本構(gòu)成示意

2.1.2 供電方案資源需求

建設(shè)超導電纜示范工程需評估整套供電方案要求的各類實施條件是否充分，即供電方案資源需求，包括站點資源、配套通道和敷設(shè)條件三方面。

(1)站點資源需求。因電壓等級不同，同一供電場景采用超導電纜引起的間隔需求區(qū)別于傳統(tǒng)電纜。實施方案時，若現(xiàn)狀無可利用間隔且需改造的，將間隔改造、擴建或新建站點的總成本記為Cz?，F(xiàn)狀站點不具備間隔擴建條件、需要新建站點的，不同供電方案所需的站點等級和數(shù)量不同，土地資源需求不同。記新建站點總占地面積為Ps。

(2)配套通道。超導電纜線路傳輸容量大，單回線路可替代多回傳統(tǒng)電纜線路，因而降低了對通道、孔位數(shù)量的需求。將供電方案單回首段線路所需要的有效孔位數(shù)作為通道資源的評估指標，記為Nk。同時，超導電纜需求的配套通道孔徑(180 mm)大于常規(guī)孔徑[5]，無現(xiàn)狀可利用通道時需全線新建，記新建通道、折算至階段的成本為Cp。供電方案實施需占用通道資源，在城網(wǎng)中通道資源尤顯緊張，將實施該方案后的通道資源裕量納入評估。對于利用現(xiàn)狀通道的方案，未來電纜接入的通道資源減少；新建通道雖然增加了成本，但是可為進一步接入電纜、后續(xù)選點提供便利。這一評估內(nèi)容難以用指標量化，考慮采用專家打分的方式，分析當前通道所允許進一步接入的電纜回路數(shù)、剩余通道比例等，將評估結(jié)果記為Jp。

(3)敷設(shè)條件。敷設(shè)條件是對超導電纜在實際復雜環(huán)境下的施工適應性作綜合評估，用專家打分的方式量化，將評估結(jié)果記為JF。評估內(nèi)容包括：①地理位置，與附近電源點的距離，是能否就近接入系統(tǒng)、敷設(shè)距離等技術(shù)經(jīng)濟實施條件；②自然條件，考慮地形地貌、氣候溫度、土壤特性、地質(zhì)條件等多方面因素對施工和投運后運行壽命的影響；③現(xiàn)場監(jiān)控條件、運維成本、備用安排等條件是否完備，是否存在人員、設(shè)備或費用上的困難；④建設(shè)地點的經(jīng)濟基礎(chǔ)、技術(shù)積累、人才儲備、科技水平、政策環(huán)境、創(chuàng)新意識等，評估建設(shè)場景能否最大程度地利用超導電纜成果，是否有利于超導電纜的規(guī)?；?、實際化應用等。

2.2 效益要素建模

本文主要考慮超導電纜投資收益和運行效益兩類效益因素。

(1)超導電纜投資收益。超導電纜投資收益主要由網(wǎng)損減少等效收益、科技創(chuàng)新補貼、折舊費構(gòu)成。這些收益均折算至項目建設(shè)完成階段。超導電纜實施方案按無網(wǎng)損考慮，將備選(常規(guī)電纜等)方案理論計算的網(wǎng)損結(jié)合電價等效估算網(wǎng)損減少等效收益。

(2)超導電纜運行效益。運行效益包括可靠性效益、安全性水平、電纜利用效率、節(jié)能和環(huán)保效益以及技術(shù)引領(lǐng)價值等評估內(nèi)容，均為定性因素，采用專家打分的方式評估。本文提出如表2所示的打分參照標準。

表2 超導電纜方案評估主要標準和依據(jù)

2.3 成本—效益比選模型

確定這個方案比選依賴的成本類和效益類要素后，由于各項指標的量綱不同，需要進行歸一化處理。依據(jù)要素的指標結(jié)果與方案決策結(jié)果為正相關(guān)、負相關(guān)。對于電纜利用效率這一指標，做歸一化處理；各項指標經(jīng)過歸一化處理后，利用層次分析法確定要素指標的重要性和評估權(quán)重；將計算各比選方案后得到的指標結(jié)果陣和權(quán)重陣計算各方案的綜合評估指標結(jié)果，指標評估結(jié)果數(shù)值最高的為最推薦方案。

2.4 定性因素評分結(jié)果不確定性處理

定性因素由若干位專家依據(jù)評估標準給出評分結(jié)果。對于每一項考慮因素，按照實際工程狀況的評估結(jié)果，參照如表3所示的打分規(guī)則給出指標結(jié)果。

表3 定性因素專家打分規(guī)則示意表

由于這類因素難以量化，不同的個體評分時的角度和方面不同，對于評估標準中有關(guān)“很好”、“較好”等反映水平高低程度的理解存在差異，因排中律缺失[13]造成評分結(jié)果具有不確定性，為了減少或消除不確定性對比選結(jié)果客觀性的影響，利用模糊期望值模型[14]處理定性因素的評估結(jié)果。通過抽樣和優(yōu)化過程，利用經(jīng)驗模型處理定性因素中的不確定性成分，保留了原始信息的特征和不確定性裕度，提升定性因素評分結(jié)果的客觀性。

2.5 方案比選流程

本文建立的量化成本-效益不確定性因素的超導電纜規(guī)劃方案比選模糊期望值模型方案比選流程如下。

步驟一：結(jié)合實地調(diào)研和現(xiàn)場收資，收取方案比選依賴的成本類和效益類要素的實際數(shù)據(jù)資料。將要素指標分為可量化指標和不可量化指標兩類；

步驟二：利用層次分析法確定各類要素對應的評估權(quán)重；

步驟三：對于不可量化類要素指標，采用多位專家打分的方式，按照打分規(guī)則給出評估結(jié)果；

步驟四：利用模糊期望值模型處理專家打分結(jié)果的不確定性，輸出要素的綜合評估結(jié)果；

步驟五：對各類要素的指標結(jié)果做歸一化處理；

步驟五：按照要素權(quán)重和要素指標計算各方案對應的綜合指標評估結(jié)果。取指標值最大的方案為推薦方案。

3 算例

3.1 算例參數(shù)

選用實際工程參數(shù)分析超導電纜的應用場景并比選規(guī)劃方案。首先評估推薦應用于工程實際的超導電纜應用場景，其次在該場景下比選規(guī)劃方案，輸出推薦的實施方案；最后結(jié)合影響超導電纜成本的關(guān)鍵因素作敏感性分析，展望超導電纜的應用前景。

在本算例中，新建3臺50 MVA容量主變的110 kV變電站站點占地面積取2 400 m2，3臺31.5 MVA容量主變的35 kV變電站站點占地面積取755 m2；超導電纜孔徑取180 mm，常規(guī)電纜最大孔徑取175 mm；殘值率取5%，貼現(xiàn)率取7%；超導電纜本體系統(tǒng)的建設(shè)成本按內(nèi)支撐單價20 000元/kA·m，超導電纜導體帶材單價20 000元/kA·m，電氣絕緣層10 000元/kA·m，絕熱管10 000元/kA·m，外護套20 000元/kA·m，電纜終端1 000 000元/個，電纜附件10 000 000元/套，監(jiān)控系統(tǒng)10 000 000元/套計算；超導電纜建設(shè)長度不能超過2 km。

用于評估和比選方案的要素包括：初始建設(shè)成本、運行維護成本、站點資源需求、土地資源需求、有效孔位數(shù)、新建通道成本、通道資源裕度、敷設(shè)條件、網(wǎng)損減少等效收益、科創(chuàng)類補貼、折舊費、可靠性、安全性、利用率、節(jié)能環(huán)保方面的效益以及技術(shù)引領(lǐng)方面的效益，共16項評估要素，并按照要素1至16的順序編號。在評估推薦應用場景部分，考慮評估超導電纜替代多回110 kV常規(guī)電纜鏈式接線、為需擴建主變的低壓側(cè)母線段供電、作站間互饋線、作開關(guān)站進線和滿足用戶接入五類應用場景的可行性，結(jié)合本文提出的方案比選模型輸出推薦應用場景。在該應用場景下，比選并計算三項規(guī)劃方案的綜合評估結(jié)果，取計算結(jié)果最大項為推薦方案。

3.2 模糊期望值模型計算結(jié)果

本文共有3位專家對不可量化的要素進行評估。評估分值滿分為5分，最低為0分，結(jié)合實際情況和評估標準由專家給出評分結(jié)果，可按出現(xiàn)一項不滿足評分標準扣1分進行操作。得到專家的評分結(jié)果后，利用模糊期望值模型處理評分過程的不確定性并得到對應要素的綜合評估指標值。

以某方案評估的敷設(shè)條件要素為例，設(shè)三位專家給出的評分結(jié)果分別為3.5,4.0和5.0分。根據(jù)模糊期望值模型構(gòu)建的評分隸屬度函數(shù)和打分抽樣結(jié)果如圖2所示。

圖2 模糊期望值評分隸屬度函數(shù)和打分結(jié)果抽樣示意圖

以抽樣結(jié)果為訓練樣本，訓練所得的描述專家評分不確定性關(guān)系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入—輸出關(guān)系如圖3所示。

圖3 專家打分訓練網(wǎng)絡(luò)關(guān)系示意圖

將不確定性函數(shù)輸入值按照步長0.1進行迭代，取值在2.5至4.5之間的模糊期望值模型優(yōu)化過程如圖4所示。對于示例模型，取值為3.5時對應的模糊優(yōu)化偏差最小。

圖4 模糊期望值優(yōu)化過程計算示意圖

對于訓練所得的專家評分不確定函數(shù)，每一個輸入值對應一個模糊期望值。如圖5所示，將優(yōu)化解x取值為3.5時對應的模糊期望值3.72作為處理模糊不確定性后的因素評分結(jié)果。

圖5 不確定性要素綜合量化指標計算結(jié)果示意圖

3.3 超導電纜應用場景評估

本文主要評估超導電纜替代多回110 kV常規(guī)電纜鏈式接線、為需擴建主變的低壓側(cè)母線段供電、作站間互饋線、作開關(guān)站進線和滿足用戶接入五類應用場景(依次編號為場景1至場景5)，通過與該場景下應用常規(guī)電纜的方案對比，輸出推薦應用超導電纜的場景。

利用層次分析法計算各評估要素對應的評估權(quán)重。經(jīng)計算，判斷矩陣的一致性校驗結(jié)果為0.055 1，能夠通過一致性校驗。權(quán)重計算結(jié)果如表4所示。應用場景評估結(jié)果示意圖如圖6所示。

表4 評估要素權(quán)重計算結(jié)果

圖6 應用場景評估結(jié)果示意圖圖

由圖6可見，僅有方案2選用超導電纜的綜合評估結(jié)果略高于常規(guī)電纜，方案3中的綜合評價結(jié)果也比較接近。主要受制于當前技術(shù)條件下超導電纜的敷設(shè)長度不宜過長，目前在城市電網(wǎng)中推薦在為需擴建主變的低壓側(cè)母線段供電的場合或作站間互饋線的場景下應用超導電纜，本文研究的其余場景下應用常規(guī)電纜的優(yōu)勢依然遠高于超導電纜。超導電纜方案比選計算結(jié)果示意圖如圖7所示。備選方案如表5所示。

表5 備選方案

圖7 超導電纜方案比選計算結(jié)果示意圖

3.4 超導電纜方案比選

本文考慮三項應用于為需擴建主變的低壓側(cè)母線段供電場景下的備選方案，利用模糊期望值比選模型輸出推薦方案。備選方案如表5所示，將三項方案分別記為方案A，方案B，方案C。利用本文提出的評估模型的計算結(jié)果如圖8所示。經(jīng)計算，方案A的綜合指標為0.485，方案B的綜合指標為0.266，方案C的綜合指標為0.442。故算例計算結(jié)果推薦實施方案A。

4 結(jié)語

本文建立起用于比選超導電纜應用場景和實施方案的模糊期望值模型。

(1)隨著超導電纜的制造工藝和技術(shù)水平提升，超導電纜示范工程得到越來越多的實際應用。本文首先說明了利用超導電纜替代多回110 kV常規(guī)電纜鏈式接線、為需擴建主變的低壓側(cè)母線段供電、作站間互饋線、作開關(guān)站進線和滿足用戶接入等多種應用場景的可行性和特點。

(2)本文建立起量化-效益不確定性因素的超導電纜規(guī)劃方案比選模糊期望值模型。將比選方案依賴的要素分為可量化和不可量化兩類，對不可量化的要素采用專家打分的方式得到評估分值，利用模糊期望值模型計算綜合評估結(jié)果。綜合評估結(jié)果計及了評分過程中因主觀性引入的不確定性，使方案比選結(jié)果更加合理和準確。

(3)經(jīng)過實際算例計算，推薦在為需擴建主變的低壓側(cè)母線段供電的場合或作站間互饋線的場景下應用超導電纜，本文涉及的其余場景下應用常規(guī)電纜的優(yōu)勢依然遠高于超導電纜。由計算結(jié)果可見，超導電纜目前仍適用于線路長度相對短、通道條件好、實施難度小的城市電網(wǎng)局部場景中。盡管挑選滿足要求的站址存在一定的難度，但在對應場景下能夠滿足可靠性和安全性的要求，且能充分發(fā)揮超導電纜大容量輸電的特性。