基于層次分析法的某750 kV變電站規(guī)劃站址比選研究

羅 勛，劉新剛，郭文斌

(1. 新疆大學，新疆 烏魯木齊 830047；2. 中國能源建設集團新疆電力設計院有限公司，新疆 烏魯木齊 830001；3. 國網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830063)

0 引言

變電站選址是一項復雜的系統(tǒng)工作：從宏觀層面上需要考慮與城鄉(xiāng)規(guī)劃的適應性、建設用地性質(zhì)和規(guī)模、壓覆礦、文物、環(huán)評、水保等基本因素；微觀層面上需要與電網(wǎng)規(guī)劃相適應，有利于提升電網(wǎng)運行的安全穩(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，需要綜合考慮負荷潮流分布[4]、地質(zhì)地形、運行穩(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，需要使用科學的分析方法對變電站選址問題進行量化研究。

到目前為止，專家學者就變電站站址比選取得了許多研究成果。文獻[5]使用地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)和可拓綜合優(yōu)度評價方法，結(jié)合實際工程問題，從中選出變電站選址的影響因子，建立指標體系并且將影響因子量化得到相應的權(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[6]利用層次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和熵權(quán)法對變電站選址進行分析，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[7]和文獻[8]分別針對城市變電站選址和需求側(cè)響應資源的價值特性，運用層次分析法[9]計算得到各個影響因子的權(quán)重，最后得出最佳選中方案和最佳需求側(cè)響應項目的實施效果。這些都是對于電壓等級較低、供電半徑較小、電網(wǎng)問題少、僅從負荷供電和供電可靠性角度開展的選址研究。

本文針對750 kV變電站規(guī)劃站址比選進行研究，基于六個主要因素建立評價體系模型，運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變電站設計技術(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)絡結(jié)構(gòu)、負荷分布、發(fā)展規(guī)劃和進出線條件等。本文針對新疆特殊的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和負荷分布特點，從變電站運行的安全可靠性、經(jīng)濟性、周圍環(huán)境等多角度要求分析，得到影響750 kV變電站選址的六個主要因素：抑制短路電流、供電能力、進出線條件、送出投資、電源接入和地形地質(zhì)。對這些因素進行詳細分析如下：

1)抑制短路電流：隨著新疆電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，電壓等級不斷提高，短路電流超標問題顯得愈發(fā)嚴重，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)定運行，文獻[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)打開實現(xiàn)分區(qū)域供電可以有效抑制短路電流，這對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影響因素，深刻影響變電站規(guī)劃設計、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和設備的利用率。供電能力與變電站負載率、負荷密度、供電半徑密切相關，因此，需要進行詳細分析。

3)進出線條件：變電站選址規(guī)劃時，結(jié)合城市規(guī)劃，滿足本地長遠規(guī)劃，規(guī)劃時注意對進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電網(wǎng)，這部分所需的投資費用為送出投資。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用的大小，需要經(jīng)過詳細分析才能保證經(jīng)濟性。

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

6)地形地質(zhì)：變電站選址應選在地形地質(zhì)好的地方，能滿足長期安全穩(wěn)定運行。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還要注意保護自然環(huán)境。

2 層次分析法選址思路

層次分析法是將一個復雜問題分解為不同的層次與若干影響因素，以此為基礎進行分析和決策。常規(guī)的定量分析方法是對數(shù)量特征、數(shù)量關系與數(shù)量變化進行分析，而層次分析法主要是從評價者對評價問題的本質(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層、準則層和方案層等。通過比較每兩個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；然后通過計算分析得到方案層對與目標層的相對重要權(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

將實際問題進行深入分析，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，同時也會受到來自下一層若干因素的影響。按目標層、準則層和方案層，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

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

表1 判斷矩陣標度表

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

對上節(jié)中提到的判斷矩陣A進行列歸一化與求和行歸一化后得到最大特征向量W，再通過計算得到最大特征值λmax，該計算方法為簡化計算，因為一致陣的列向量都是特征向量，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)進行一致性檢驗才能確認層次單排序：

式中：CI為一致性指標，數(shù)值越接近0，則一致性越好；n為同一層元素個數(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)，應滿足λmax≥n。

式中：CR為一致性比率；RI為隨機一致性指標，通過查表2得到其數(shù)值；CR＜0.1則表明通過一致性檢驗，否則需要修改判斷矩陣A，直至通過驗證。

表2 隨機一致性指標RI數(shù)值表

2.4 層次總排序和一致性檢驗

層次總排序為方案層中某個因素對目標層的相對重要程度的權(quán)重。準則層B有n個因素：B1，B2，…，Bn，對目標層Z重要程度的權(quán)重分別為a1，a2，…，an。方案層F對準則層B中某個因素Bi重要程度的權(quán)重分別為b1i，b2i，…，bni。方案層F中的m個因素對目標層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因素對目標層重要程度的權(quán)重可由式(4)得到：

根據(jù)式(5)進行一致性檢驗：

式中：CIi、CRi表示準則層B第i個因素對目標層Z權(quán)重的一致性指標和一致性比率。只有滿足CR＜0.1才可以表明通過層次總排序一致性檢驗，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

對于新疆特殊的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，在750 kV變電站站址選擇時可以將幾個因素分成幾層相關聯(lián)的結(jié)構(gòu)并構(gòu)造一個層次關系，對層次關系進行分析研究。該研究旨在通過將變電站選址因素進行層次分析，目標層為變電站選址，準則層根據(jù)新疆電網(wǎng)特點分為抑制短路電流、供電能力、進出線條件、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)的基礎上，三個區(qū)域送出方案中相關變電站的短路電流水平計算結(jié)果見表3。從表3可以看出，有三個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；而三個區(qū)域中A變電站220 kV母線短路電流均接近目前設備制造能力的限值短路容量63 kA，需重點考慮。

表3 短路電流計算結(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，上述三個區(qū)域站址都能夠起到梳理網(wǎng)架、保證負荷供電和提升電網(wǎng)供電能力的作用。從微觀角度分析，三個區(qū)域具有不同的優(yōu)缺點：區(qū)域一能較好兼顧負荷發(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，線路投資費用較少，但是遠離負荷中心；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)點和缺點比較情況

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

表5 各方案線路投資比較

3.4 判斷矩陣的構(gòu)建和計算

根據(jù)新疆電網(wǎng)特點，對上述三個區(qū)域站址進一步從抑制短路電流、提升供電能力、優(yōu)化進出線條件、節(jié)約送出投資、利于電源接入、符合地形地質(zhì)這六個因素進行相互比較，并對之間的重要程度進行量化，構(gòu)建判斷矩陣A：

將矩陣A進行列歸一化與求和行歸一化計算后得到：最大特征值λmax= 6.189 4，對應的特征向量為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CI= 0.037 9。

查表得出隨機一致性指標RI= 1.36，根據(jù)式(3)得出一致性比率CR= 0.027 8，CR＜0.1，一致性檢驗通過。

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

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)計算得出一致性指標，并通過一致性檢驗。各矩陣計算結(jié)果見表6。

表6 各矩陣計算結(jié)果

計算方案層對準則層的權(quán)重為W2：

根據(jù)式(4)計算得到層次總排序，即方案層對目標層的總權(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＜0.1，一致性檢驗通過。

3.5 站址比選

從定量分析可知，運用層次分析法得出方案層中區(qū)域一、區(qū)域二和區(qū)域三對目標層的總權(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荷的發(fā)展和梳理網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，且實施方便，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，認為區(qū)域一為變電站選址的最佳區(qū)域。

4 結(jié)語

本文運用層次分析法構(gòu)建判斷矩陣A，通過量化計算、分析和評判，有效避免了主觀因素的影響。通過計算得出各個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象作為一個系統(tǒng)，按照分解、比較判斷、綜合的思維方式進行決策，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)無法著手的實際問題；但也存在著指標過多時數(shù)據(jù)統(tǒng)計量大、權(quán)重難以確定、一致性檢驗困難等不足。對于區(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，運用層次分析法能夠更加全面、系統(tǒng)地反映客觀情況；而對于電壓等級較低的變電站，如220 kV變電站、110 kV變電站或城市變電站等，運用此方法將會增加選址難度，未必能夠反應實際情況。