500/220 kV 電磁環(huán)網(wǎng)解合環(huán)方式評價方法研究

劉建坤，趙靜波，周 前，李 群

(江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京 211103)

電力系統(tǒng)的電磁環(huán)網(wǎng)是指兩組不同電壓等級的輸電線路通過變壓器或電磁耦合構(gòu)成的環(huán)形電網(wǎng)[1]。電磁環(huán)網(wǎng)的形成是電網(wǎng)發(fā)展過程中的產(chǎn)物，在電磁環(huán)網(wǎng)存在的早期，環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式一定程度上使電網(wǎng)的輸電能力得到加強(qiáng)，提高了電網(wǎng)的供電可靠性和系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。但隨著高低電壓等級電網(wǎng)的不斷增強(qiáng)，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行可能會對電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來一定影響，如短路電流超限、高壓線路故障后向低壓線路潮流轉(zhuǎn)移等[2-6]。隨著特高壓和新能源快速發(fā)展，電網(wǎng)運(yùn)行更趨復(fù)雜，研究合理的電磁環(huán)網(wǎng)解合環(huán)評價方法更加重要[7，8]。

在電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，電磁環(huán)網(wǎng)的解合環(huán)應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行實(shí)際具體分析，并非排斥一切電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式，在有些情況下，電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行在充分利用資源、提高輸電可靠性、降低輸電損失等方面比開環(huán)運(yùn)行更利大于弊[1]。因此，電磁環(huán)網(wǎng)的解合環(huán)方案，需進(jìn)行詳細(xì)的運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性分析，進(jìn)而選擇最佳的解合環(huán)運(yùn)行方式。目前，在電磁環(huán)網(wǎng)解合環(huán)評價方面，以滿足約束條件為目標(biāo)的電網(wǎng)運(yùn)行方式對比研究較多，但對滿足約束條件的不同運(yùn)行方式優(yōu)劣往往缺乏定量對比。文獻(xiàn)[9-12]提出了電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)研究的原則和可行性等，但未給出具體的定量評價指標(biāo)及方法；文獻(xiàn)[13]等提出了電磁環(huán)網(wǎng)開環(huán)方案的模糊綜合評價方法，但對各行為指標(biāo)的計(jì)算未考慮指標(biāo)在不同范圍的分段特性。文中根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，對500/220 kV 電磁環(huán)網(wǎng)的解合環(huán)方式建立了指標(biāo)評價體系，并且結(jié)合具體電網(wǎng)實(shí)例驗(yàn)證了該評價體系的有效性。

1 電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)評價公式

1.1 電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行評價指標(biāo)

對電磁環(huán)網(wǎng)的不同解合環(huán)運(yùn)行方式，可以從運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性兩方面進(jìn)行評價，具有可靠性和經(jīng)濟(jì)性綜合最優(yōu)的運(yùn)行方式應(yīng)當(dāng)是最佳的運(yùn)行方式。

根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對于電網(wǎng)的不同解合環(huán)方案而言，電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性主要反映在短路電流水平、設(shè)備負(fù)載情況、靜態(tài)安全性、系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面；經(jīng)濟(jì)性主要反映在不同方式的網(wǎng)損方面。對于500/220 kV 電磁環(huán)網(wǎng)，文中確定了以下幾個電網(wǎng)運(yùn)行的評價指標(biāo)：（1）母線短路電流水平；（2）線路負(fù)載率；（3）變壓器負(fù)載率；（4）電網(wǎng)靜態(tài)安全性；（5）電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性；（6）網(wǎng)損。

1.2 電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行評價指標(biāo)的屬性

在決策理論中，指標(biāo)屬性類型一般可以分為效益型、成本型、固定型、偏離型、區(qū)間型和偏離區(qū)間型等[14]。根據(jù)電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行評價指標(biāo)的特點(diǎn)，文中對各評價指標(biāo)的屬性均采用成本型，即在評價得分中，得分越少越好。此種屬性選擇符合一般的電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，例如網(wǎng)損越小則經(jīng)濟(jì)性越優(yōu)、線路（變壓器）負(fù)載率越低則供電裕度越大等。

1.3 運(yùn)行指標(biāo)評價公式

1.3.1 短路電流指標(biāo)評價公式

對應(yīng)短路電流指標(biāo)的成本型屬性，根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對單條母線短路電流指標(biāo)所得分值的期望值如圖1 所示。

圖1 母線短路電流評分期望值曲線

圖1 中，橫坐標(biāo)IS為單條母線短路電流同開關(guān)額定開斷電流的比值，其中γS為短路電流影響度閾值。根據(jù)以上期望值曲線，當(dāng)IS大于1，也即母線短路電流超過開關(guān)額定開斷容量時，期望值為無窮大，當(dāng)IS小于某一閾值γS時，可認(rèn)為對電網(wǎng)負(fù)面影響可忽略，即期望值為0，當(dāng)IS位于1 和γS之間時，期望值隨IS的增大而增大，且IS越接近于1，變化趨勢越陡峭。根據(jù)以上期望值曲線，單條母線短路電流指標(biāo)評分公式為：

式中：βS為大于1的正實(shí)數(shù)。對于電磁環(huán)網(wǎng)解合環(huán)方式中的整體短路電流指標(biāo)，評分公式則如下式所示：

式中：ΦS500為500 kV 母線集合；ΦS220為220 kV 母線集合；λS500為500 kV 母線短路電流權(quán)重；λS220為220 kV 母線短路電流權(quán)重。

1.3.2 線路運(yùn)行狀態(tài)評價公式

與短路電流指標(biāo)評價公式類似，單條線路運(yùn)行狀態(tài)評分公式為：

式中：IL為線路負(fù)載率；γL為線路負(fù)載率閾值；βL為大于1的正實(shí)數(shù)。電磁環(huán)網(wǎng)解合環(huán)方式中的線路運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)評分，如下式所示：

式中：ΦL500為500 kV 線路集合；ΦL220為220 kV 線路集合；λL500為500 kV 線路運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)權(quán)重；λL220為220 kV 線路運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)權(quán)重。

1.3.3 變電站運(yùn)行狀態(tài)評價公式

與線路運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)評價公式類似，單座變電站運(yùn)行狀態(tài)評價公式為：

式中：IT為單座變電站的越限率，即變電站輸送功率同主變穩(wěn)定限額的比值；γT為變電站越限率閾值；βT為大于1的正實(shí)數(shù)。電磁環(huán)網(wǎng)解合環(huán)方式中的變電站運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)評分，如下式所示：

式中：ΦT為500 kV 變電站集合；λT為變電站運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)權(quán)重。

1.3.4 靜態(tài)安全分析指標(biāo)評價公式

對電磁環(huán)網(wǎng)不同解合環(huán)方式下的靜態(tài)安全性，主要是分析電網(wǎng)發(fā)生N-1 后的設(shè)備過載率，基于指標(biāo)的成本型屬性，不滿足N-1的情形越多，令得分越高。對于系統(tǒng)發(fā)生單個元件故障時靜態(tài)安全分析指標(biāo)的評分公式為：

其中nN為系統(tǒng)發(fā)生單個元件故障N-1時其余設(shè)備過載的個數(shù)。則具體電磁環(huán)網(wǎng)解合環(huán)方式中靜態(tài)安全指標(biāo)得分為：

式中：ΦN為系統(tǒng)發(fā)生單個元件故障（N-1）的集合；λN為靜態(tài)安全評價指標(biāo)權(quán)重。

1.3.5 電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性指標(biāo)評價公式

對電磁環(huán)網(wǎng)不同解合環(huán)方式下的暫態(tài)穩(wěn)定性，文中通過比較發(fā)生相同故障時的故障極限切除時間來進(jìn)行評價。對發(fā)生單個故障時電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性得分的期望值可如圖2 所示。

圖2 電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性評分期望值曲線

圖中：橫坐標(biāo)tC為故障極限切除時間；TC為故障時保護(hù)動作時間；γC為故障極限切除時間閾值。對于圖2 中期望值曲線有如下解釋：當(dāng)發(fā)生電網(wǎng)故障時，當(dāng)故障極限切除時間tC大于γC時，可認(rèn)為電網(wǎng)具有較強(qiáng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，此時期望值恒定為0；如tC小于TC，此時系統(tǒng)會失穩(wěn)，則電網(wǎng)穩(wěn)定性指標(biāo)期望值為無窮大；當(dāng)tC大于TC而小于γC時，期望值隨著tC的增大而減小，此時tC越接近TC，期望值曲線越陡峭。根據(jù)以上期望值曲線，對于單個故障時電網(wǎng)穩(wěn)定性指標(biāo)評分公式為：

式中：βC為大于1的正實(shí)數(shù)。電磁環(huán)網(wǎng)解合環(huán)方式中的暫態(tài)穩(wěn)定性指標(biāo)評分，如下式所示：

式中：ΦC為設(shè)定的故障集合；λC為暫態(tài)穩(wěn)定性指標(biāo)權(quán)重。

1.3.6 網(wǎng)損指標(biāo)評價公式

在網(wǎng)損指標(biāo)評價中，以電磁環(huán)網(wǎng)的不同解合環(huán)方式中的最小網(wǎng)損為基準(zhǔn)值，其他解合環(huán)方式以最小網(wǎng)損值作為參考進(jìn)行評分。對于某種解合環(huán)方式，網(wǎng)損相對值為：

式中：Si為某解合環(huán)方式下網(wǎng)損；ΔSi為同比最小網(wǎng)損S0對應(yīng)的網(wǎng)損水平增量。由于網(wǎng)損越小，運(yùn)行方式越優(yōu)，則基于指標(biāo)的成本型屬性，相應(yīng)得分則越低。對此電網(wǎng)網(wǎng)損指標(biāo)評分公式為：

式中：λE為電網(wǎng)網(wǎng)損評價指標(biāo)權(quán)重。

1.3.7 評價指標(biāo)公式中參數(shù)的確定

上文中給出了電磁環(huán)網(wǎng)解合環(huán)方式的指標(biāo)評價公式，根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，對評分公式中包含的參數(shù)確定可參考表1。

表1 電磁環(huán)網(wǎng)評價指標(biāo)評分公式相關(guān)參數(shù)

以γL為例對上表參數(shù)的確定進(jìn)行說明，γL是指線路運(yùn)行狀態(tài)閾值，在線路負(fù)載率分析中，往往對負(fù)載率在75%以上的線路給予較多關(guān)注，認(rèn)為屬于重載線路，而負(fù)載率在75%以下，可認(rèn)為對電網(wǎng)的可靠性影響程度較低,因此在上表中，令γL＝0.75。同理，γS，γT，γC分別確定為0.8,0.8，0.3。

βs，βl，βT，βc均屬于指數(shù)參數(shù)，在文中統(tǒng)一確定為2，經(jīng)檢驗(yàn)指數(shù)為2時可滿足節(jié)中各評分公式期望值曲線的趨勢。值得指出的是，以上評分公式中的各參數(shù)，均可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行另行設(shè)定。

對于各指標(biāo)中的權(quán)重參數(shù)λ，將在下文中對確定方法進(jìn)行敘述。

2 基于群組多屬性決策的電磁環(huán)網(wǎng)指標(biāo)權(quán)重確定方法

上文中提出的各個具體指標(biāo)評價公式中，包括了每個指標(biāo)的權(quán)重參數(shù)λ，這是因?yàn)椴煌闹笜?biāo)對電網(wǎng)影響的重要程度是存在差異的，因此需要對各評價指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，建立了一套基于群組多屬性決策的電磁環(huán)網(wǎng)指標(biāo)權(quán)重確定方法。

2.1 群組多屬性決策權(quán)重確定方法

對于電磁環(huán)網(wǎng)各具體評價指標(biāo)重要程度的判定，需由具有豐富電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的專家完成。而在判定過程中，由單一專家形成的確定意見往往偏于片面，應(yīng)當(dāng)由許多專家分別給出確定意見，從而形成集體決策，此類問題即為群組決策問題[15]。

最終的權(quán)重向量需要綜合每位專家的賦權(quán)信息，所以對群組專家賦權(quán)信息的合成，是整個權(quán)重求解的關(guān)鍵。針對這一問題，采用了一種群組多屬性決策權(quán)重確定方法，其主要思想為：每位專家在多屬性決策中的決策權(quán)力，應(yīng)該體現(xiàn)在決策活動中，該專家與專家組的決策結(jié)果一致性程度上，當(dāng)一名專家與大多數(shù)專家的決策結(jié)果一致時，該專家就應(yīng)該擁有較大的決策權(quán)力；與此相反，當(dāng)該專家與大多數(shù)專家的決策結(jié)果一致性較差時，其決策權(quán)力就應(yīng)該較小[16]。

假設(shè)對某個多屬性決策問題，有n 名專家對m 種屬性給出權(quán)重系數(shù)，得出的權(quán)重向量值為：

式中：wjk≥0，且j∈{1，2，…n},k∈{1，2，…m}

專家決策權(quán)力賦權(quán)問題的核心在于選擇反映大小的最佳統(tǒng)計(jì)量。這里記為：

?。?/p>

其中ai+bi=1，ai≥0，bi≥0，0≤i≤n，這里，用1/Ai來度量專家權(quán)重的大小，令：

把W*歸一化，即得到賦權(quán)專家的權(quán)重向量：

根據(jù)加權(quán)和法，該決策問題各屬性的權(quán)重向量為：

2.2 電磁環(huán)網(wǎng)評價各指標(biāo)權(quán)重的確定

對于已確定的電磁環(huán)網(wǎng)解合環(huán)評價可靠性和經(jīng)濟(jì)性的具體指標(biāo)權(quán)重向量：

利用層次分析法中判斷矩陣的形式向若干位具有豐富電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)專家發(fā)放調(diào)查問卷，獲得了每位專家對各指標(biāo)的重要性判斷信息，并利用層次分析法（AHP）的原理獲得了每位專家的賦權(quán)：

對于利用層次分析法判斷矩陣的方式獲取每位專家對具體指標(biāo)的權(quán)重判斷，具體過程可以參見相關(guān)文獻(xiàn)[17]，文中不再贅述。

根據(jù)上節(jié)中的群組多屬性決策方法，取ai=bi=0.5，可獲得最終的權(quán)重向量為：

3 計(jì)算實(shí)例

以某年度南京南部電網(wǎng)為例，對文中所提出的電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行方式評價指標(biāo)體系進(jìn)行了驗(yàn)證。

南京南部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。廻峰山變電站2臺500 kV 主變建成之后，受短路電流增大等因素影響，東善橋-廻峰山之間面臨電磁環(huán)網(wǎng)解環(huán)，根據(jù)東善橋變電站和廻峰山變電站之間的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，以下述2 種解環(huán)方式作為研究對象。

方案1：開斷東善橋-龍山、東善橋-華科、殷巷-溧水、殷巷-蘇莊線路；

方案2：開斷東善橋-龍山、東善橋-華科、東善橋-殷巷線路。

對于以上2 種解環(huán)方式，解環(huán)后網(wǎng)架結(jié)構(gòu)仍然基本保持環(huán)形，不存在大范圍串供情況，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)合理。對東善橋-廻峰山電磁環(huán)網(wǎng)2 種解環(huán)方式進(jìn)行了計(jì)算對比，結(jié)果見表2。

對2 種解環(huán)方案下不同的運(yùn)行指標(biāo)進(jìn)行了量化評分，定量對比結(jié)果見表3。

圖3 南京南部電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

表2 東善橋-廻峰山電磁環(huán)網(wǎng)不同解環(huán)方式下電網(wǎng)運(yùn)行情況定性對比

表3 東善橋-廻峰山電磁環(huán)網(wǎng)不同解環(huán)方式電網(wǎng)運(yùn)行情況定量對比

由表3，可以對2 種解環(huán)方式下的運(yùn)行指標(biāo)情況進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，如：短路電流方面方? 優(yōu)于方式2、系統(tǒng)穩(wěn)定性方面方式2 略優(yōu)于方式1 等。而從總評分中可看出，解環(huán)方式1 比解環(huán)方式2 總評分更少，基于評價的成本型屬性，即運(yùn)行方式更優(yōu)，因此，通過定量分析可判斷出解環(huán)方式1 優(yōu)于解環(huán)方式2，在運(yùn)行中可采取此種解環(huán)方式，這同實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中采用的解環(huán)方式相一致。

4 結(jié)束語

提出了一種新的500/220 kV 電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行評價方法，此方法基于電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，提出了考慮指標(biāo)閾值的電網(wǎng)運(yùn)行方式評價指標(biāo)公式，并采用群組多屬性決策理論提出了確定各評價指標(biāo)權(quán)重的方法，從而可以對電磁環(huán)網(wǎng)的不同解合環(huán)方式的優(yōu)劣進(jìn)行定量的對比。此種方法具有較好的擴(kuò)展性，不同電網(wǎng)可根據(jù)實(shí)際情況和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)對其中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，從而更適用于不同電網(wǎng)的需求。根據(jù)計(jì)算實(shí)例分析，對于確定的500/220 kV 電磁環(huán)網(wǎng)，通過此運(yùn)行評價方法，可以對不同解合環(huán)方式下的運(yùn)行指標(biāo)情況進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，而且通過對比不同解合環(huán)方式的總評分，可以確定最優(yōu)的解合環(huán)方式，從而為電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行提供參考。

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