河北南網高壓電網網架綜合評價方法探討①

秦梁棟，宋 靜，徐海東，李 卉，張育朋，林 榕，程 鵬

（1.河北省電力公司，石家莊 050021；2.石家莊供電公司，石家莊 050051；3.天津天大求實電力新技術股份有限公司，天津 300384；4.天津大學電氣與自動化工程學院，天津 300072）

高壓電網網架結構的確定作為高壓電網規劃的主體與很多因素密切相關，應根據供電安全性、可靠性、經濟性、供電質量和電網適應性等綜合因素合理選擇并具體確定。然而目前我國高壓電網規劃中網架結構的實際規劃設計中，對供電各相關因素以定性分析為主，個人偏好因素影響較大，同時難以分析各因素對網架結構的影響程度。主要原因是目前高壓電網網架的確定缺少合理且具有較強實用性的綜合評價體系，導致網架的確定無法實現定量計算，網絡結構的選擇隨意性較大。

本文基于河北南網高壓電網網架的規劃，通過層次分析法［1～5］建立供電安全性、供電可靠性、供電經濟性、供電質量和電網適應性等各種因素間的相互關聯影響以及隸屬關系，將各個因素按不同層次聚集組合，結合德爾菲法［6～9］確定各指標權重，并采用模糊隸屬度方法［10～13］確定指標評分標準，形成一個多層次的電網網架綜合評價方法。該方法不僅可以將復雜問題條理化，較好處理眾多影響因素之間的關系，同時也能對網架的非定量事件做定量分析，對主觀判斷做客觀分析。

1 河北南網的基本情況

河北南網是華北電網的重要組成部分，其供電區域包括河北省南部的保定、石家莊、邢臺、邯鄲、衡水、滄州6個地區。河北南網目前以500 k V和220 k V電網為主網架，北部通過500 k V房保線和保霸線與京津唐電網相連，南部通過500 k V辛嘉線與華中電網相連。

邯鄲、石家莊兩地發電裝機容量大于本地最大負荷，邢臺發電裝機容量與本地負荷基本相當，保定、滄州、衡水三地發電裝機容量不能滿足本地負荷需求，造成河北南網總體潮流分布為南電北送、西電東送。這種送電格局造成電網部分送電斷面潮流較重，如石保北送斷面線路、東送斷面線路、邯邢北送斷面線路等。在電網正常運行方式時，東送斷面、石保北送斷面、廉保線潮流受暫穩極限控制，在檢修方式下，邯邢北送斷面潮流受暫穩極限控制。此外由于保北主變、滄西主變均為各自區域電網主要電壓支撐點，一旦停電，該區域網絡結構破壞較重，潮流轉移、系統電壓波動較大，因此高壓網架的規劃和設計需要從經濟性和穩定性等多方面考慮。合理的電網網架結構是保證電網安全運行的基礎，有必要構建一套合理、實用的高壓網架綜合評價方法，對河北南網的發展規劃提供支持。

2 高壓電網網架綜合評價方法

2.1 綜合評價方法考慮因素

河北南網高壓電網網架評價方法的體系結構如圖1所示。

圖1評價指標體系中，包括供電安全性、供電可靠性、供電經濟性、供電質量和電網適應性五個一級指標，同時每個指標包含多項量化下屬指標。這五項一級指標構成一個整體，既可有效評價電網規劃方案的優劣，也可用于現狀電網的評價。

圖1 高壓電網網架評價方法體系結構Fig.1 Structure of evaluation approach of high－voltage power grid frame

2.1.1 供電安全性

電網供電安全性因素，需要考慮部分設備停運時“N－1”校驗情況，和電網的抗大面積停電能力兩方面因素。

（1）“N－1”校驗情況

（2）抗大面積停電能力

該指標是反映電網抵抗大面積停電事故發生的能力。重特大突發電力事件，常會導致系統內多個電力元件退出運行，相對于“N－1”故障，“N－2”故障發生的幾率極低但后果極為嚴重，可能導致大面積停電事故的發生。而無論何種原因所引起的大面積停電，均可等同于電網中某個電壓等級的變電站失去電源。

2.1.2 供電可靠性

供電可靠性是指電力系統按可接受的質量標準和所需數量不間斷的向電力用戶提供電力和電量的能力，通常采用概率量來描述。該指標通過計算不同規劃方案的供電可靠率對高壓電網的供電可靠性進行評價。

2.1.3 供電經濟性

包括電網的建設經濟性和運行經濟性兩部分。

（1）建設經濟性

從供電能力與負荷匹配度、邊際供電能力和邊際電量等角度分析。其中供電能力與負荷匹配度Appd可用電網供電能力S（是指電網在滿足N－1條件下所能供的最大負荷）與電網所帶負荷Pt的比值來描述，如式（2）所示。

邊際供電能力等于供電能力增量除以投資增量，邊際電量等于電網供電量增量除以投資增量。

（2）運行經濟性

從單位負荷運行費用和平均線損率角度進行分析。

1）單位負荷運行費用

主要包括高壓電網損耗費用、檢修維護費用和站用電費用等，計算如式（3）所示。

式中，Ayxfy為單位負荷運行費用，ΔQ為高壓電網損耗，α為購電價，Pmax為電網最大負荷，F1為站用電費用，F2為檢修維護費用。

2）平均線損率

從功率線損整體情況進行分析，主要考慮線路和變壓器的功率損耗，若電網中變電站座數為n，主干線條數為Apjxsl，則平均線損率可通過式（4）計算得到。

其中P為高壓電網總的注入有功；ΔPTi為變電站i的功率損耗；ΔPLj為線路j的功率損耗。

2.1.4 供電質量

主要通過電壓水平（電壓偏差合格率）來衡量，電壓偏差合格率指標Adypc如式（5）所示。

2.1.5 供電適應性

電網規劃要求電網應該為后續發展留有余地，因此需要對電網適應負荷發展的能力進行評價。電網適應性指標包括資源裕度和電網擴展裕度。

（1）資源裕度

資源裕度是從電網將來是否具備擴建空間和現有資源利用剩余量的角度考慮的，包括變電容量裕度和出線間隔裕度兩個指標。

變電容量裕度Arlyd反映是在不增加站點的基礎上，對變電站擴建改造，計算式如下：

其中N為變電站總數，ΔRi為每座變電站可擴建容量增加量，R為電網現有供電變壓器總容量。

出線間隔裕度Acxyd是指變電站未使用的出線數占變電站現有的出線總數的比例，計算式為

其中Lp為電網中已經使用的出線數，LN為未使用的出線數，LF為將來可擴展的出線數。

（2）電網擴展裕度

電網擴展裕度用于評價電網結構能否根據未來電網發展的需要作靈活變化。可用網絡中可擴展的接線模式數占接線模式總數的比例來反映該指標，計算式如式（8）所示。

2.2 同級指標權重和指標評分標準確定

高壓電網的綜合評分體系采用層次分析法。如式（9）所示，利用公式逐層向上計算，直至計算得出整個高壓電網的綜合評分。

其中S表示結構中任一非底層指標的評分，n（n≥1）表示指標S的下層指標個數，Sj表示下層指標j（1≤j≤n）的評分，Wj表示下層指標j的權重。

2.2.1 權重的確定

權重是綜合評價中一個重要的指標體系，權重的大小反映了相對于其他指標其重要性的高低，一般采用歸一化向量表示。該綜合評價方法在層次分析法的基礎上結合德爾菲法專家評價方法進行權重確定。具體步驟如下：

（1）根據表1中1－9互反性標度理論，將同層指標進行兩兩比較，得到量化的判斷矩陣。

設要比較n個因素S＝｛S1，S2，…，Sn｝對目標的影響，從而確定它們所占的比重，每次取兩個因素Si和Sj用aij表示Si和Sj對目標的影響程度之比，按1～9的比例標度來度量aij，n個被比較的指標構成一個兩兩比較（成對比較）的判斷矩陣

其中aij＞0，aji＝1／aij，aii＝1（i，j＝1，2，…，n）。所以又稱判斷矩陣為正互反矩陣。aij的取值用數字1～9及其倒數作為標度，見表1。

表1 1－9互反性標度表Tab.1 1－9 reciprocal scale table

如表1所示，若有3個待比較指標。若專家認為指標2比指標1“好得多”，則通過查閱1－9標度表，可將專家的語言描述標量化為7；相反，指標1相對指標2的比較結果是7的倒數即1／7。這3個指標兩兩比較后建立的量化判斷矩陣如表2所示。

表2 互反性判斷矩陣Tab.2 Reciprocal judgment matrix

（2）在兩兩比較判斷的過程中，若比較量超過兩個，就可能出現不一致的判斷，可通過隨機一致性指標（CR）衡量判斷矩陣一致性程度［1～5］。

表3 RI參數表Tab.3 RI parameter table

若CR＜0.1，則認為有滿意的一致性，否則需要調整A的元素取值。1階和2階判斷矩陣具有完全一致性，RI值為0，不需計算。

（3）判斷矩陣一致性校驗合格后，既可求解判斷矩陣的權重。對于1－9標度互反性判斷矩陣，其權重向量等于矩陣的最大特征根對應的特征向量。此外，也可采用幾何平均法計算權重向量。

（4）在上述權重計算結果的基礎上，若仍存在指標權重明顯與實際情況存在出入的情況，可由專家干預對部分指標的權重進行直接修正，以符合實際情況的要求。

2.2.2 指標評分標準

由于底層的指標具有不同的含義和描述方法，因此，對指標的定性描述必須通過標量化手段轉換為規范化的定量數據，而已量化的指標由于其量綱和數量級的差別也需要進行規范化后才能進行綜合比較。目前確定指標評分標準主要采用模糊隸屬度方法，該方法因其對無法精確觀測或難以進行明確劃分的數據具有很強的處理能力，比較適用于高壓電網網架的評估。

模糊隸屬度方法的核心是隸屬度函數的確定，即建立一個從論域到［0，1］上的映射來反映某對象具有某種模糊性質或屬于某個模糊概念的程度。實際工程應用中，將評價指標的隸屬度函數分為成本型、效益型和適中型三種，并用區間［0，100］代替區間［0，1］，具體函數曲線如圖2所示。

圖2 模糊隸屬度函數類型Fig.2 Types of fuzzy membership method

圖中di為被考慮的因素，si表示di在［0，100］中的位置，即di對某決策評語的隸屬度。

3 高壓電網目標網架綜合評價分析

以河北南網某地區高壓電網為例，對該地區提出的110 k V目標網架的三種規劃設計方案（方案一：主要以T接加直供接線；方案二：為T型接線；方案三：為鏈式和T鏈混合接線）進行綜合評價，通過與現狀電網的對比及三種方案之間的比較，最終確定該地區最優的目標網架方案。

3.1 評價體系建立

本次研究對象是目標網架，主要對設計的三種目標網架規劃方案進行評價，供電可靠性、供電質量在方案設計時就能夠滿足供電需求，且電網適應性對目標網架也意義不大，因此僅對供電安全性和供電經濟性進行評價。具體評價體系見圖3。

圖3 高壓電網目標網架評價指標體系Fig.3 Evaluation index system of high－voltage power grid target frame

3.2 同級指標權重分析

高壓電網目標網架評價指標體系權重確定結果見表4，括號內數值為相應指標的權重值。

表4 高壓電網目標網架評價指標體系權重確定結果Tab.4 Weigh results of evaluation index system of high－voltage power grid target frame

3.3 指標評價標準

（1）供電安全性評分標準

在供電安全性的基層評價指標中，均以負荷損失率來表征各個指標。負荷損失率指標評分標準見表5所示。

表5 負荷損失率指標評分標準Tab.5 Scoring standards of load loss rate index

首先，根據圖2可以確定該指標的基本形狀。其次，在研究該指標對供電安全性不同層次、不同影響范圍的基礎上由專家進行群體決策，確定三個典型評分點（d1，s1）、（d2，s2）和（d3，s3），例如可取（d1，40）、（d2，60）和（d3，80），即該指標值分別為d1、d2和d3時該指標評分為40分、60分和80分。然后，以曲線的首末點作為評分等于100分和0分的點，即該指標值分別位于圖2中的0和d4時，指標評分為0分和100分。最后，依據這五個典型點，應用五點法即可確定對應于該指標的隸屬度函數。

（2）供電經濟性評分標準

結合專家群體決策，利用模糊隸屬度函數法確定供電能力與負荷匹配度、邊際供電能力、邊際電量、單位負荷運行費用、平均線損率指標的評分標準。具體評分過程與負荷損失率指標的評分過程類似，供電經濟性各指標評分標準見表6所示。

表6 供電經濟性各指標評分標準Tab.6 Scoring standards of each index in power supply economy

3.4 高壓網架綜合評分

根據供電安全性及供電經濟性的各項評價指標數據值，依據各個指標所占的權重及評分標準對該地區中心城區的三種目標網架規劃方案進行了綜合評分，為了體現與現狀電網的對比同時給出了現狀高壓網架的評分，如表7所示。

表7 現狀與目標網架方案的評分結果Tab.7 Results of actual and objective power grid frame

現狀電網中供電經濟性得分較低，其原因是運行經濟性水平較低，僅為48.56；目標網架三種方案與現狀電網相比，其供電安全性及供電經濟性均有較大提升。以方案1為例，運行經濟性得分為73.88，說明目標網架對現狀電網的薄弱環節有了較大改進。對比目標電網三種方案得分可知，方案1（T接加直供）綜合評分略高于其它兩種方案，因此可將方案1作為該地區目標網架的推薦方案。

在對該地區目標網架專家咨詢會上，與會專家一致認為方案1是科學合理的網架方案，驗證了本文提出的指標體系實用性和有效性。

4 結論

本文將層次分析法、模糊隸屬度法和德爾菲法引入到高壓電網網架的評價當中，構建了一套通用的高壓輸配電網評價指標方法，從而可全面深入的挖掘現狀高壓電網在網架方面的薄弱環節，進而為目標網架的規劃設計提供依據和參考。以河北南網某地區應用情況為案例進行分析計算，通過對該地區現狀及三種不同目標網架的規劃方案綜合評分的比較分析，最終提出符合該區域的最優電網網架結構。

［1］ 肖峻，王成山，周敏（Xiao Jun，Wang Chengshan，Zhou Min）.基于區間層次分析法的城市電網規劃綜合評判決策（An IAHP－based MADM method in urban power system planning）［J］.中國電機工程學報（Proceedings of the CSEE），2004，24（4）：50－57.

［2］ 董智，韓明光，許長青，等（Dong Zhi，Han Mingguang，Xu Changqing，et al）.層次分析法在城市電網入地改造中的應用（Application of the analytic hierarchy process in buried rebuilding of urban electrical network）［J］.繼電器（Relay），2006，34（22）：64－68.

［3］ 陳大宇，肖峻，王成山（Chen Dayu，Xiao Jun，Wang Chengshan）.基于模糊層次分析法的城市電網規劃決策綜合評判（A FAHP－based MADM method in urban power system planning）［J］.電力系統及其自動化學報（Proceeding of the CSU－EPSA），2003，15（4）：83－88.

［4］ Frionius R，Gratton M.Rural electrication planning software（LAPER）［C］∥16th International Conference and Exhibition on Electricity Distribution，Amsterdam，Netherlands：2001.

［5］ Yu Chian－Son，Li Chien－Kuo.A group decision making fuzzy AHP model and its application to plant location selection problem［C］∥Annual Conference of the North American Fuzzy Information Processing Society，Vancouver，Canada：2001.

［6］ 陳衛，方廷健，馬永軍，等（Chen Wei，Fang Tingjian，Ma Yongjun，et al）.基于Delphi法和AHP法的群體決策研究及應用（Research on group decision based on Delphi and AHP）［J］.計算機工程（Computer Engineering），2003，29（5）：18－20.

［7］ 周傳和（Zhou Chuanhe）.電力企業績效評價體系的構建及其實證研究（The Establishment of Electric Enterprise＇s Performance Measurement System with Case Study）［D］.武漢：武漢大學管理科學與工程學院（Wuhan：College of Management Science and Engineering of Wuhan University），2004.

［8］ 李寧（Li Ning）.電力企業績效考核體系的構建（The Establishment of Electric Enterprise＇s Performance Measurement System）［D］.天津：天津大學管理學院（Tianjin：College of Management of Tianjin University），2006.

［9］ 楊淑賢，張乾業，許強，等（Yan Shuxian，Zhang Qianye，Xu Qiang，et al）.基于低碳理論SE－DEA模型的電網評判指標研究（Evaluation index system of power grid based on SE－DEA model of low－carbon theory）［J］.水電能源科學（Water Resources and Power），2010，28（11）：169－171.

［10］Keller James M，Hunt Douglas J.Incorporating fuzzy membership functions into the perceptron algorithm［J］.IEEE Trans on Pattern Analysis and Machine Intelligence，1985，7（6）：693－699.

［11］魏興萍（Wei Xingping）.城市生態安全多種評價模型及應用（Several assessment models and application analysis of urban ecological security）［J］.信陽師范學院學報（自然科學版）（Journal of Xinyang Normal University（Natural Science Edition）），2010，23（3）：410－414.

［12］彭國榮（Peng Guorong）.地區電網建設規模的模糊綜合評估方法研究（Fuzzy Synthetic Evaluation Method for Planning Size of Distribution Grid）［D］.長沙：湖南大學電氣與信息工程學院（Changsha：College of Electrical ＆Information Engineering of Hunan University），2008.

［13］李欣然，彭國榮，朱湘有，等（Li Xinran，Peng Guorong，Zhu Xiangyou，et al）.地區配電網建設規模的模糊綜合評估方法（Fuzzy synthetic evaluation method of planning size of distribution grid）［J］.電力系統及其自動化學報（Proceeding of the CSU－EPSA），2008，20（6）：70－77.