基于層次分析模型的智能變電站組網(wǎng)設(shè)計探究

摘 要：本文基于層次分析模型（AHP），對220 kV智能變電站組網(wǎng)設(shè)計進行了優(yōu)化。深入分析了現(xiàn)有變電站結(jié)構(gòu)和功能需求，解決了變電站布局、設(shè)備配置等優(yōu)化問題。研究結(jié)果表明，優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)施布局和主要設(shè)備配置，可顯著提升運行效率與安全性，符合相關(guān)技術(shù)標準與經(jīng)濟指標。并結(jié)合AHP模型定量分析變電站不同因素的重要性，為智能變電站的設(shè)計提供了科學依據(jù)和優(yōu)化路徑。本文方法不僅提升了變電站的整體性能，還為未來智能電網(wǎng)的建設(shè)提供了有益經(jīng)驗與參考，對電力系統(tǒng)的可靠運行與節(jié)能減排具有重要意義。

關(guān)鍵詞：層次分析模型；220 kV智能變電站；組網(wǎng)設(shè)計

中圖分類號：TM 631" " 文獻標志碼：A

220 kV智能變電站是電力系統(tǒng)中不可或缺的輸電樞紐，其設(shè)計與優(yōu)化直接影響電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行和能源資源的高效利用。鑒于信息技術(shù)的飛速發(fā)展和電力系統(tǒng)復雜性日益增加，傳統(tǒng)變電站的結(jié)構(gòu)與管理模式已難以適應現(xiàn)代電網(wǎng)的運作需求。本文旨在借助層次分析模型（AHP），進行系統(tǒng)性分析與比較，為220 kV智能變電站的組網(wǎng)設(shè)計提供科學的決策依據(jù)。作為一種針對多因素、多層次和多目標的決策分析工具，AHP能夠有效應對電力系統(tǒng)中變電站設(shè)計與優(yōu)化過程中的復雜問題。本文深入研究220 kV變電站的結(jié)構(gòu)與功能需求，并結(jié)合智能化技術(shù)的最新進展，提出了切實可行的組網(wǎng)方案，并通過優(yōu)化與仿真分析，驗證其在提升系統(tǒng)效率、降低運營成本以及提高安全性方面的顯著成效。

1 層次分析模型（AHP）原理

在AHP中，需要將決策問題清晰地分解為一個有層次的結(jié)構(gòu)。通常情況下，該結(jié)構(gòu)為3層結(jié)構(gòu)，即最高層的目標、中間層的準則和最低層的方案（如圖1所示）。

本文針對智能變電站的特點和日常運行情況，將目標層設(shè)為“最優(yōu)化的變電站設(shè)計”，中間的標準層設(shè)為“設(shè)備布局”“功能模塊配置”和“通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計”，最低的方案層則是具體的設(shè)備選擇和設(shè)備布局方案[1]。清晰的層次結(jié)構(gòu)有助于更好地分析問題，將大問題分解為更小、更易于處理的小問題。

2 220 kV變電站結(jié)構(gòu)與功能需求分析

層次分析模型（AHP）是一種多準則決策分析方法，在220 kV變電站的設(shè)計中，該模型能夠理清各種需求的優(yōu)先級和相互關(guān)系，有助于制定出最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)與功能布局。AHP能將復雜的決策問題分解成層次結(jié)構(gòu)，并使用專家判斷與定量分析確定每個層次的權(quán)重，從而提供系統(tǒng)化的決策支持。在變電站結(jié)構(gòu)分析中，AHP有助于確定不同功能需求的重要性，例如電力傳輸效率、設(shè)備安全性和維護便捷性等，以及它們之間的相互影響和權(quán)衡。220 kV變電站設(shè)計涉及電力工程、土地利用和環(huán)境影響等多方面因素，AHP能夠?qū)⑦@些因素納入考量，并根據(jù)各自的重要性和優(yōu)先級確定最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

2.1 220 kV變電站結(jié)構(gòu)

220 kV變電站結(jié)構(gòu)包括6個主要組成部分。1） 主變壓器，用于變電站與輸電網(wǎng)間的電壓轉(zhuǎn)換，將高壓電能轉(zhuǎn)換為適合輸送到用戶的電壓等級。2） 開關(guān)設(shè)備，包括斷路器、隔離開關(guān)等，用于控制并保護電網(wǎng)中的電氣設(shè)備，以應對電力系統(tǒng)的異常情況。3） 電容器與電抗器，可補償電網(wǎng)中的無功功率，穩(wěn)定電壓，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。4） 保護與控制系統(tǒng)，可保護繼電器、自動化控制等設(shè)備，并保障變電站設(shè)備和電力系統(tǒng)的安全運行。5） 輔助電源與電池組，可提供控制電路、保護電路以及應急電源，保證變電站在停電或緊急情況下仍能正常運行。6） 建筑物和輔助設(shè)施，包括變電站的建筑結(jié)構(gòu)、通道和消防設(shè)施，可為操作和運維人員提供安全的工作環(huán)境。

2.2 功能需求分析

從微觀層面來看，220 kV變電站的功能需求主要為電能轉(zhuǎn)換分配和保證電網(wǎng)穩(wěn)定性。前者的主要目的是將輸送到變電站的高壓電能轉(zhuǎn)換為適合城市或工業(yè)用戶使用的低壓電能，并按照需求進行分配。后者則是通過合理的設(shè)備配置和控制策略，保證電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，避免因電力設(shè)備故障引起大面積停電[2]。此外，與傳統(tǒng)變電站相比，智能變電站的功能需求中還新增了智能化需求，引入了遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和自動化控制等先進的智能化技術(shù)，提升了變電站的運行效率以及響應速度。

3 220kV智能變電站組網(wǎng)設(shè)計

220 kV智能變電站是復雜的電力系統(tǒng)工程，其組網(wǎng)設(shè)計需要綜合考慮安全性、可靠性、經(jīng)濟性和環(huán)境影響等因素。AHP有助于系統(tǒng)性地分析、權(quán)衡這些因素，采用層次結(jié)構(gòu)化的方式，準確評估不同決策選項對各項因素的影響。這種方法不僅能使決策過程更透明，還能減少決策中的主觀性，保證設(shè)計方案更客觀、可靠。此外，在設(shè)計階段需要面臨基礎(chǔ)設(shè)施布局、設(shè)備配置/布置和系統(tǒng)集成等多個方面的決策，這些決策通常受各種約束條件的影響。AHP有助于分析各個決策因素間的相對重要性與優(yōu)先級，幫助設(shè)計團隊在多個設(shè)計方案間做出理性選擇，從而使整體設(shè)計方案的效益最大化。

3.1 基礎(chǔ)設(shè)施布局設(shè)計

3.1.1 場地選址與布局

對于220 kV智能變電站的選址，一方面要考慮變電站需要接入大容量的輸電線路，選址通常位于電網(wǎng)節(jié)點附近，以便有效連接不同的電力系統(tǒng)。另一方面還要考慮地形地貌、氣候等因素，需要具備穩(wěn)定的地質(zhì)和水文條件，以保障變電站安全運行。在布局設(shè)計方面，要保證場地足夠大，便于進行主變壓器、開關(guān)設(shè)備、電容器和電抗器等大型設(shè)備的安裝與維護。布局設(shè)計要合理規(guī)劃各個設(shè)備的位置，以保證設(shè)備間的安全距離，還需要具備獨立的操作通道，以便進行日常維護和緊急情況處理。

3.1.2 接地系統(tǒng)設(shè)計

在變電站安全運行過程中，接地系統(tǒng)不僅用于保護設(shè)備和人員免受電氣故障影響，還有助于降低電氣設(shè)備的電磁輻射。設(shè)計接地系統(tǒng)過程中，需要考慮接地電阻的分布，保證系統(tǒng)的有效性。接地電阻如公式（1）所示。

（1）

式中：Rg為接地電阻；ρ為土壤的電阻率；r1與r2分別為地電極的位置向量；V為地電極所在的體積；dV1與dV2為位于位置r1、r2處的微小體積元素。

在具體實踐中，本文先確定每個接地電極的位置ri，再根據(jù)地層的電性質(zhì)和土壤類型，并進行地質(zhì)勘探或者實地測量確定土壤的電阻率。進而根據(jù)電極的形狀和尺寸計算出單個地電極的體積V，一般為幾何體積的近似[3]。使用有限元法對上述積分進行離散化計算，以便有效計算復雜的積分。得到接地電阻后，需要評估其是否滿足設(shè)計要求，如果接地電阻高于預期，需要調(diào)整接地電極的布置，或者增加接地電極的數(shù)量，以保證接地系統(tǒng)的有效性，并保障其安全性（見表1）。

表1 接地電阻計算示例

地電極

編號 地電極位置

ri（坐標） 土壤電阻率

ρ/Ω·m 地電極

體積V/m3 計算得到的

接地電阻Rg/Ω

1 （10，5，0） 100 1.0 0.8

2 （-5，8，0） 120 0.5 1.2

3 （0，-3，0） 90 0.8 0.9

4 （12，-7，0） 110 1.2 1.0

5 （-8，-5，0） 95 0.7 0.7

此外，接地網(wǎng)格的布置必須符合國家和地方要求的安全標準，采用耐腐蝕、導電性能良好的材料。接地系統(tǒng)的連接方式通常采用螺栓連接或焊接，保證接地電阻達到設(shè)計要求，并進行定期檢測與維護。

3.2 主要設(shè)備配置與布置

3.2.1 主變壓器配置與布置

主變壓器是電網(wǎng)系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其核心功能在于將高電壓輸電線路中的電能轉(zhuǎn)換為適用于終端用戶的低電壓電能。特別是在220kV級別的變電站中，主變壓器的選擇對整個電網(wǎng)的功率傳輸能力和整體運行效率具有決定性影響。關(guān)于主變壓器的容量和選型，通常其容量為50MVA～500MVA。具體容量確定需要根據(jù)電網(wǎng)的負荷需求、系統(tǒng)設(shè)計容量以及預留的備用率進行綜合考慮。當選擇主變壓器時，必須全面考量電網(wǎng)的負荷特性、未來可能的擴展需求以及設(shè)備的經(jīng)濟性，以保證選擇的合理性和高效性。在安裝位置和環(huán)境方面，主變壓器通常被安置于變電站的中心區(qū)域或靠近主要輸電線路的地點，旨在最大限度地減少輸電過程中的能量損耗。戶外安裝是一種常見選擇，但是在此過程中，必須充分考慮相應的防護措施，例如完善的防雷系統(tǒng)、嚴格的防火措施以及合理的通風和冷卻系統(tǒng)，以保證設(shè)備能夠在安全、穩(wěn)定的環(huán)境中長期運行。

3.2.2 開關(guān)設(shè)備配置與布置

開關(guān)設(shè)備在電力系統(tǒng)中具有至關(guān)重要的地位，其核心功能在于執(zhí)行電路的開閉操作并提供故障保護機制。在220 kV變電站中，斷路器與隔離開關(guān)是2種常見的關(guān)鍵設(shè)備。斷路器的主要職責是當電路出現(xiàn)故障時，迅速切斷電流流動，以避免設(shè)備受損，發(fā)生電網(wǎng)擴展性事故[4]。在選型過程中，需要根據(jù)電網(wǎng)的短路電流計算和設(shè)備保護要求選擇SF6氣體斷路器，其額定電流范圍通常為數(shù)千安至數(shù)十千安。隔離開關(guān)主要用于進行電路隔離和安全維護，其布置通常位于主變壓器與其他設(shè)備間，保證在設(shè)備維護與檢修過程中能夠安全有效地隔離相關(guān)電路，保障作業(yè)人員的安全。

3.2.3 電容器組與電抗器配置

電容器組與電抗器在220 kV變電站中具有至關(guān)重要的作用，主要集中于無功功率補償與電力質(zhì)量的優(yōu)化。具體而言，電容器組旨在調(diào)節(jié)系統(tǒng)功率因數(shù)，進而提升電網(wǎng)的整體運行效率與能源的有效利用率。在實際應用中，本文根據(jù)系統(tǒng)的功率因數(shù)需求和負荷特性，精確選擇電容器組的容量與類型，保證電網(wǎng)穩(wěn)定、高效運行。而電抗器則側(cè)重于穩(wěn)定電壓、減少電力波動，特別是在高壓電網(wǎng)環(huán)境中，電抗器的合理配置對維持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性具有不可或缺的作用，所需電容器組的總?cè)萘咳绻剑?）所示。

（2）

式中：Ctotal為所需電容器組的總?cè)萘?；Q為系統(tǒng)中的無功功率；ω為電網(wǎng)的角頻率；cos（θ）為系統(tǒng)的功率因數(shù)。

在具體實踐中，采用系統(tǒng)分析與測量，確定系統(tǒng)中的無功功率Q和功率因數(shù)cos（θ），并將上述數(shù)據(jù)代入公式（2），根據(jù)計算結(jié)果選擇合適容量的電容器組，以滿足系統(tǒng)功率因數(shù)的要求（見表2）。

4 設(shè)計方案優(yōu)化

本文深入剖析了變電站結(jié)構(gòu)與功能需求，明確了基礎(chǔ)設(shè)施布局、核心設(shè)備配置及其精確布置策略。在此基礎(chǔ)上，嘗試對設(shè)計方面進行優(yōu)化，全面審視前期分析成果，精準平衡各項需求與約束條件，保證設(shè)計方案在付諸實施后能夠長期穩(wěn)定運行，并契合既定的技術(shù)與經(jīng)濟指標。

對每個層次構(gòu)建一個判斷矩陣。例如對于準則層，判斷矩陣C（1） 的元素c（1） ij為準則i 相對于準則j 的重要性比較（i，j=1，2，…，m）。對于備選方案層，判斷矩陣C（2） 的元素c（2） ij為備選方案i 相對于備選方案j 的重要性比較（i，j=1，2，…，k）。

當計算一致性指標和一致性比率時，先計算每個判斷矩陣的一致性指標CI 和一致性比率CR，以確定判斷矩陣是否足夠一致。如果通過一致性檢驗，就判斷矩陣可用于權(quán)重計算。再計算通過一致性檢驗的判斷矩陣的特征向量。特征向量對應每個層次的權(quán)重向量。對于準則層與備選方案層，分別計算其特征向量，其中準則層權(quán)重向量為w（1）=（w（1） 1，w（1） 2，…，w（1） m）T，w（1） i表示準則i的權(quán)重，而備選方案層權(quán)重向量為w（2）=（w（2） 1，w（2） 2，…，wk（2））T，wi（2）表示備選方案i 的權(quán)重。這些權(quán)重向量經(jīng)過歸一化處理后，可直接用于計算最終設(shè)計方案的綜合得分，以輔助決策過程。

例如，在某220 kV智能變電站組網(wǎng)設(shè)計中，λ（1）與λ（2）分別表示通過一致性檢驗后的準則層與備選方案層判斷矩陣的最大特征值，v（1）與v（2）分別表示對應的特征向量，則權(quán)重向量可以用公式（3）、公式（4）表示。

（3）

（4）

式中：v（1）=（v（1） 1，v（1） 2，…，v（1） m）T為準則層判斷矩陣的特征向量；v（2）=（v（2） 1，v（2） 2，…，v（2） k）T為備選方案層判斷矩陣的特征向量。

將具體的判斷矩陣輸入上述公式中，通過一致性檢驗驗證判斷矩陣的合理性[5]。如果通過檢驗，就需要計算特征向量，并根據(jù)上述公式計算權(quán)重向量。這些權(quán)重向量可以幫助評估不同的變電站組網(wǎng)設(shè)計方案在各個層次的重要性，從而輔助決策過程，選擇最優(yōu)的設(shè)計方案（見表3）。

根據(jù)表3計算出權(quán)重向量，權(quán)重向量越高，表示在整體目標實現(xiàn)中具有越大的貢獻度和重要性。綜合考慮4個方面的權(quán)重，本文得出以下4個結(jié)論。方案E的權(quán)重向量（0.39，0.14，0.10，0.37）在技術(shù)成熟度、成本效益、環(huán)境影響和可維護性上的分布相對均衡，特別是在技術(shù)成熟度和可維護性方面表現(xiàn)出色。2） 方案A在技術(shù)成熟度和可維護性上也有較高權(quán)重，但是成本效益略低，環(huán)境影響較高。3） 方案B和方案C在技術(shù)成熟度和成本效益上表現(xiàn)較好，但是在環(huán)境影響和可維護性上的權(quán)重分布較低。4） 方案D在環(huán)境影響上的權(quán)重較高，但是在技術(shù)成熟度和可維護性上較弱。

根據(jù)權(quán)重向量的分析，方案E是最優(yōu)設(shè)計方案，其原因在于該方案在多個重要方面均有較高的評分，特別是在技術(shù)成熟度和可維護性方面表現(xiàn)突出，同時在成本效益和環(huán)境影響方面也達到了平衡。

5 結(jié)語

基于層次分析模型，本文對220 kV智能變電站的組網(wǎng)設(shè)計及其優(yōu)化問題進行了深入探討，并進行系統(tǒng)的層次化分析和精確的權(quán)重計算，精準評估不同設(shè)計方案在技術(shù)成熟度、成本效益、環(huán)境影響和可維護性等多維度上的優(yōu)劣，為智能電網(wǎng)的建設(shè)提供了有益經(jīng)驗與參考。

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