羅 勛，劉新剛，郭文斌

(1. 新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830047；2. 中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)新疆電力設(shè)計(jì)院有限公司，新疆 烏魯木齊 830001；3. 國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830063)

0 引言

變電站選址是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工作：從宏觀層面上需要考慮與城鄉(xiāng)規(guī)劃的適應(yīng)性、建設(shè)用地性質(zhì)和規(guī)模、壓覆礦、文物、環(huán)評(píng)、水保等基本因素；微觀層面上需要與電網(wǎng)規(guī)劃相適應(yīng)，有利于提升電網(wǎng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性和電能質(zhì)量[1-3]。從系統(tǒng)一次規(guī)劃的角度比選站址，需要綜合考慮負(fù)荷潮流分布[4]、地質(zhì)地形、運(yùn)行穩(wěn)定性和城市規(guī)劃等多方面的因素，通常很難選到符合各方面條件的站址，因此，需要使用科學(xué)的分析方法對(duì)變電站選址問題進(jìn)行量化研究。

到目前為止，專家學(xué)者就變電站站址比選取得了許多研究成果。文獻(xiàn)[5]使用地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)和可拓綜合優(yōu)度評(píng)價(jià)方法，結(jié)合實(shí)際工程問題，從中選出變電站選址的影響因子，建立指標(biāo)體系并且將影響因子量化得到相應(yīng)的權(quán)重，利用GIS建立模型并求解，得到最優(yōu)選址方案，此方法提高了選址的合理性和工作效率。文獻(xiàn)[6]利用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和熵權(quán)法對(duì)變電站選址進(jìn)行分析，將層次分析法得出的權(quán)重與熵權(quán)法得出的權(quán)重相結(jié)合考慮，使得變電站選址方案更合理。文獻(xiàn)[7]和文獻(xiàn)[8]分別針對(duì)城市變電站選址和需求側(cè)響應(yīng)資源的價(jià)值特性，運(yùn)用層次分析法[9]計(jì)算得到各個(gè)影響因子的權(quán)重，最后得出最佳選中方案和最佳需求側(cè)響應(yīng)項(xiàng)目的實(shí)施效果。這些都是對(duì)于電壓等級(jí)較低、供電半徑較小、電網(wǎng)問題少、僅從負(fù)荷供電和供電可靠性角度開展的選址研究。

本文針對(duì)750 kV變電站規(guī)劃站址比選進(jìn)行研究，基于六個(gè)主要因素建立評(píng)價(jià)體系模型，運(yùn)用層次分析法確定最佳站址。

1 影響變電站選址的因素

根據(jù)DL/T 5218—2012《220 kV～750 kV變電站設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[10]，變電站站址選擇在系統(tǒng)一次方面的影響因素包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷分布、發(fā)展規(guī)劃和進(jìn)出線條件等。本文針對(duì)新疆特殊的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷分布特點(diǎn)，從變電站運(yùn)行的安全可靠性、經(jīng)濟(jì)性、周圍環(huán)境等多角度要求分析，得到影響750 kV變電站選址的六個(gè)主要因素：抑制短路電流、供電能力、進(jìn)出線條件、送出投資、電源接入和地形地質(zhì)。對(duì)這些因素進(jìn)行詳細(xì)分析如下：

1)抑制短路電流：隨著新疆電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，電壓等級(jí)不斷提高，短路電流超標(biāo)問題顯得愈發(fā)嚴(yán)重，即使替換為具有更高開斷能力的斷路器，也無法滿足要求。為了使電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，文獻(xiàn)[11]經(jīng)過理論分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使高低壓電磁環(huán)網(wǎng)打開實(shí)現(xiàn)分區(qū)域供電可以有效抑制短路電流，這對(duì)變電站的選址提出了更高要求。

2)供電能力：作為變電站選址的一個(gè)影響因素，深刻影響變電站規(guī)劃設(shè)計(jì)、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和設(shè)備的利用率。供電能力與變電站負(fù)載率、負(fù)荷密度、供電半徑密切相關(guān)，因此，需要進(jìn)行詳細(xì)分析。

3)進(jìn)出線條件：變電站選址規(guī)劃時(shí)，結(jié)合城市規(guī)劃，滿足本地長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，規(guī)劃時(shí)注意對(duì)進(jìn)出線留有一定的空間，不能出現(xiàn)線路之間的相互交叉跨越，統(tǒng)一安排終端塔建位置，選擇最適合的進(jìn)出線方案。

4)送出投資：變電站將電能通過線路輸送分配到各個(gè)電網(wǎng)，這部分所需的投資費(fèi)用為送出投資。送出線路規(guī)劃是電網(wǎng)規(guī)劃重要一部分，變電站的選址直接影響投資費(fèi)用的大小，需要經(jīng)過詳細(xì)分析才能保證經(jīng)濟(jì)性。

5)電源接入：變電站選址時(shí)，要考慮周圍新能源場(chǎng)站的接入條件，利于新能源的建設(shè)。

6)地形地質(zhì)：變電站選址應(yīng)選在地形地質(zhì)好的地方，能滿足長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。不可建在地震帶、泥石流、滑坡等不良地質(zhì)構(gòu)造上，避開礦洞、溶洞等地區(qū)，在有利于施工條件的同時(shí)還要注意保護(hù)自然環(huán)境。

2 層次分析法選址思路

層次分析法是將一個(gè)復(fù)雜問題分解為不同的層次與若干影響因素，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行分析和決策。常規(guī)的定量分析方法是對(duì)數(shù)量特征、數(shù)量關(guān)系與數(shù)量變化進(jìn)行分析，而層次分析法主要是從評(píng)價(jià)者對(duì)評(píng)價(jià)問題的本質(zhì)、要素的理解出發(fā)，比一般的定量方法更講求定性的分析和判斷。

層次分析法把這些影響因素分成目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層等。通過比較每?jī)蓚€(gè)影響因素的重要程度構(gòu)造判斷矩陣A，從而建立多層次的結(jié)構(gòu)模型；然后通過計(jì)算分析得到方案層對(duì)與目標(biāo)層的相對(duì)重要權(quán)值或優(yōu)劣排序，最終選擇出最合適的方案。

2.1 構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)模型

將實(shí)際問題進(jìn)行深入分析，找出不同的影響因素，將這些影響因素自上而下進(jìn)行分層，在同一層的若干因素共同影響上一層的某一因素，同時(shí)也會(huì)受到來自下一層若干因素的影響。按目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和方案層，構(gòu)建遞階層次結(jié)構(gòu)模型，見圖1。

圖1 遞階層次結(jié)構(gòu)模型

2.2 構(gòu)建判斷矩陣

對(duì)處于同一層的若干影響因素進(jìn)行兩兩對(duì)比，比較影響因素的重要程度，并參照判斷矩陣標(biāo)度表(表1)進(jìn)行量化，由量化數(shù)值構(gòu)建判斷矩陣A：

表1 判斷矩陣標(biāo)度表

式中：aij為因素i與因素j的重要程度比較。

2.3 層次單排序和一致性檢驗(yàn)

對(duì)上節(jié)中提到的判斷矩陣A進(jìn)行列歸一化與求和行歸一化后得到最大特征向量W，再通過計(jì)算得到最大特征值λmax，該計(jì)算方法為簡(jiǎn)化計(jì)算，因?yàn)橐恢玛嚨牧邢蛄慷际翘卣飨蛄?，可以取某種意義下的平均。

W為層次單排序。需要按式(2)和式(3)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)才能確認(rèn)層次單排序：

式中：CI為一致性指標(biāo)，數(shù)值越接近0，則一致性越好；n為同一層元素個(gè)數(shù)，也是矩陣A的階數(shù)；λmax為最大特征值，根據(jù)正互反矩陣性質(zhì)，應(yīng)滿足λmax≥n。

式中：CR為一致性比率；RI為隨機(jī)一致性指標(biāo)，通過查表2得到其數(shù)值；CR＜0.1則表明通過一致性檢驗(yàn)，否則需要修改判斷矩陣A，直至通過驗(yàn)證。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI數(shù)值表

2.4 層次總排序和一致性檢驗(yàn)

層次總排序?yàn)榉桨笇又心硞€(gè)因素對(duì)目標(biāo)層的相對(duì)重要程度的權(quán)重。準(zhǔn)則層B有n個(gè)因素：B1，B2，…，Bn，對(duì)目標(biāo)層Z重要程度的權(quán)重分別為a1，a2，…，an。方案層F對(duì)準(zhǔn)則層B中某個(gè)因素Bi重要程度的權(quán)重分別為b1i，b2i，…，bni。方案層F中的m個(gè)因素對(duì)目標(biāo)層Z重要程度的權(quán)重可以表示為：F1，F(xiàn)2，…，F(xiàn)m。方案層F中j因素對(duì)目標(biāo)層重要程度的權(quán)重可由式(4)得到：

根據(jù)式(5)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

式中：CIi、CRi表示準(zhǔn)則層B第i個(gè)因素對(duì)目標(biāo)層Z權(quán)重的一致性指標(biāo)和一致性比率。只有滿足CR＜0.1才可以表明通過層次總排序一致性檢驗(yàn)，反之則需要調(diào)整修改。

2.5 構(gòu)建變電站選址層次結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于新疆特殊的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在750 kV變電站站址選擇時(shí)可以將幾個(gè)因素分成幾層相關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)并構(gòu)造一個(gè)層次關(guān)系，對(duì)層次關(guān)系進(jìn)行分析研究。該研究旨在通過將變電站選址因素進(jìn)行層次分析，目標(biāo)層為變電站選址，準(zhǔn)則層根據(jù)新疆電網(wǎng)特點(diǎn)分為抑制短路電流、供電能力、進(jìn)出線條件、送出投資、電源接入、地形地質(zhì)因素，層次結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 變電站選址層次結(jié)構(gòu)圖

3 工程算例

本文以新疆某擬建750 kV變電站A(以下簡(jiǎn)稱“A變電站”)的規(guī)劃站址選擇為例，秉著優(yōu)化梳理網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、降低短路電流、就近負(fù)荷中心、節(jié)省廊道資源和節(jié)省工程投資等目的，站址選擇考慮三個(gè)區(qū)域，即：區(qū)域一、區(qū)域二和區(qū)域三，見圖3。

圖3 新疆某擬建750 kV變電站擬選區(qū)域示意圖

3.1 配套送出方案

依托擬建的750 kV變電站，從梳理網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和提高送電能力等方面考慮220 kV配套送出方案的合理性，盡可能形成雙回路環(huán)網(wǎng)供電或直接由750 kV變電站雙回輻射供電，避免多站串供模式，從而提高供電的可靠性。三個(gè)區(qū)域的220 kV配套送出方案見圖4～圖6。

圖4 區(qū)域一220 kV配套送出方案示意圖

圖5 區(qū)域二220 kV配套送出方案示意圖

圖6 區(qū)域三220 kV配套送出方案示意圖

3.2 短路電流水平

A變電站建成后，將和周邊的B變電站、C變電站實(shí)現(xiàn)分區(qū)供電，該區(qū)域電網(wǎng)主要由A變電站供電。在750 kV/220 kV電磁解環(huán)的基礎(chǔ)上，三個(gè)區(qū)域送出方案中相關(guān)變電站的短路電流水平計(jì)算結(jié)果見表3。從表3可以看出，有三個(gè)變電站的短路電流較高，其中區(qū)域二和區(qū)域三中，a變電站220 kV母線和b變電站220 kV母線短路電流超過已有斷路器的遮斷容量50 kA；而三個(gè)區(qū)域中A變電站220 kV母線短路電流均接近目前設(shè)備制造能力的限值短路容量63 kA，需重點(diǎn)考慮。

表3 短路電流計(jì)算結(jié)果 kA

3.3 綜合比較

區(qū)域一、區(qū)域二和區(qū)域三選址方案的比較情況見表4，各區(qū)域的線路投資比較見表5。從宏觀角度看，上述三個(gè)區(qū)域站址都能夠起到梳理網(wǎng)架、保證負(fù)荷供電和提升電網(wǎng)供電能力的作用。從微觀角度分析，三個(gè)區(qū)域具有不同的優(yōu)缺點(diǎn)：區(qū)域一能較好兼顧負(fù)荷發(fā)展和提高供電可靠性，但是短路電流抑制效果差；區(qū)域二可兼顧新能源開發(fā)送出，線路投資費(fèi)用較少，但是遠(yuǎn)離負(fù)荷中心；區(qū)域三雖然可以降低短路電流，但是投資較高，電網(wǎng)梳理困難。

表4 各方案優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)比較情況

表5 采用深度節(jié)水方案(第二檔次)耗水指標(biāo)及取水定額 m3/(s·GW)

表5 各方案線路投資比較

3.4 判斷矩陣的構(gòu)建和計(jì)算

根據(jù)新疆電網(wǎng)特點(diǎn)，對(duì)上述三個(gè)區(qū)域站址進(jìn)一步從抑制短路電流、提升供電能力、優(yōu)化進(jìn)出線條件、節(jié)約送出投資、利于電源接入、符合地形地質(zhì)這六個(gè)因素進(jìn)行相互比較，并對(duì)之間的重要程度進(jìn)行量化，構(gòu)建判斷矩陣A：

將矩陣A進(jìn)行列歸一化與求和行歸一化計(jì)算后得到：最大特征值λmax= 6.189 4，對(duì)應(yīng)的特征向量為W1= [0.355 7 0.287 8 0.171 3 0.095 9 0.050 1 0.039 2]T。矩陣A為6階矩陣，根據(jù)式(2)得出一致性指標(biāo)CI= 0.037 9。

查表得出隨機(jī)一致性指標(biāo)RI= 1.36，根據(jù)式(3)得出一致性比率CR= 0.027 8，CR＜0.1，一致性檢驗(yàn)通過。

選址區(qū)域一、區(qū)域二和區(qū)域三關(guān)于抑制短路電流(B1)、提升供電能力(B2)、優(yōu)化進(jìn)出線條件(B3)、節(jié)約送出投資(B4)、利于電源接入(B5)、符合地形地質(zhì)(B6)這六項(xiàng)指標(biāo)的判斷矩陣分別為：

根據(jù)式(2)得到上述若干矩陣的最大特征值λmax，根據(jù)式(3)和式(4)計(jì)算得出一致性指標(biāo)，并通過一致性檢驗(yàn)。各矩陣計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 各矩陣計(jì)算結(jié)果

計(jì)算方案層對(duì)準(zhǔn)則層的權(quán)重為W2：

根據(jù)式(4)計(jì)算得到層次總排序，即方案層對(duì)目標(biāo)層的總權(quán)重為W= [0.429 7 0.356 9 0.213 4]T。

根據(jù)式(5)得到CR= 0.033 8＜0.1，一致性檢驗(yàn)通過。

3.5 站址比選

從定量分析可知，運(yùn)用層次分析法得出方案層中區(qū)域一、區(qū)域二和區(qū)域三對(duì)目標(biāo)層的總權(quán)重分別為0.429 7、0.356 9和0.213 4，區(qū)域一較其他兩個(gè)區(qū)域優(yōu)先。從定性分析可知，區(qū)域一相較于區(qū)域二、區(qū)域三，能夠更好兼顧周邊新增負(fù)荷的發(fā)展和梳理網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，且實(shí)施方便，有利于提高該區(qū)域供電可靠性。定量分析與定性分析的結(jié)果一致，經(jīng)綜合分析，認(rèn)為區(qū)域一為變電站選址的最佳區(qū)域。

4 結(jié)語

本文運(yùn)用層次分析法構(gòu)建判斷矩陣A，通過量化計(jì)算、分析和評(píng)判，有效避免了主觀因素的影響。通過計(jì)算得出各個(gè)影響因素的重要程度，得出權(quán)重排序，從而選出最佳站址區(qū)域。

層次分析法把研究對(duì)象作為一個(gè)系統(tǒng)，按照分解、比較判斷、綜合的思維方式進(jìn)行決策，比一般的定量方法更講求定性的分析和判斷，能處理許多用傳統(tǒng)的最優(yōu)化技術(shù)無法著手的實(shí)際問題；但也存在著指標(biāo)過多時(shí)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量大、權(quán)重難以確定、一致性檢驗(yàn)困難等不足。對(duì)于區(qū)域性變電站，例如750 kV變電站、1 000 kV變電站、換流站等規(guī)模較大的變電站(換流站)站址的選擇，運(yùn)用層次分析法能夠更加全面、系統(tǒng)地反映客觀情況；而對(duì)于電壓等級(jí)較低的變電站，如220 kV變電站、110 kV變電站或城市變電站等，運(yùn)用此方法將會(huì)增加選址難度，未必能夠反應(yīng)實(shí)際情況。