500/220 kV 電磁環網解合環方式評價方法研究

劉建坤，趙靜波，周 前，李 群

(江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京 211103)

電力系統的電磁環網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成的環形電網[1]。電磁環網的形成是電網發展過程中的產物，在電磁環網存在的早期，環網運行方式一定程度上使電網的輸電能力得到加強，提高了電網的供電可靠性和系統的暫態穩定性。但隨著高低電壓等級電網的不斷增強，電網結構日趨復雜，電磁環網運行可能會對電網的安全運行帶來一定影響，如短路電流超限、高壓線路故障后向低壓線路潮流轉移等[2-6]。隨著特高壓和新能源快速發展，電網運行更趨復雜，研究合理的電磁環網解合環評價方法更加重要[7，8]。

在電力系統實際運行中，電磁環網的解合環應根據電網運行實際具體分析，并非排斥一切電磁環網運行方式，在有些情況下，電磁環網運行在充分利用資源、提高輸電可靠性、降低輸電損失等方面比開環運行更利大于弊[1]。因此，電磁環網的解合環方案，需進行詳細的運行可靠性和經濟性分析，進而選擇最佳的解合環運行方式。目前，在電磁環網解合環評價方面，以滿足約束條件為目標的電網運行方式對比研究較多，但對滿足約束條件的不同運行方式優劣往往缺乏定量對比。文獻[9-12]提出了電磁環網解環研究的原則和可行性等，但未給出具體的定量評價指標及方法；文獻[13]等提出了電磁環網開環方案的模糊綜合評價方法，但對各行為指標的計算未考慮指標在不同范圍的分段特性。文中根據電網實際運行的經驗，對500/220 kV 電磁環網的解合環方式建立了指標評價體系，并且結合具體電網實例驗證了該評價體系的有效性。

1 電磁環網運行指標評價公式

1.1 電磁環網運行評價指標

對電磁環網的不同解合環運行方式，可以從運行可靠性和經濟性兩方面進行評價，具有可靠性和經濟性綜合最優的運行方式應當是最佳的運行方式。

根據電網運行經驗，對于電網的不同解合環方案而言，電網運行的可靠性主要反映在短路電流水平、設備負載情況、靜態安全性、系統穩定性等方面；經濟性主要反映在不同方式的網損方面。對于500/220 kV 電磁環網，文中確定了以下幾個電網運行的評價指標：（1）母線短路電流水平；（2）線路負載率；（3）變壓器負載率；（4）電網靜態安全性；（5）電網暫態穩定性；（6）網損。

1.2 電磁環網運行評價指標的屬性

在決策理論中，指標屬性類型一般可以分為效益型、成本型、固定型、偏離型、區間型和偏離區間型等[14]。根據電磁環網運行評價指標的特點，文中對各評價指標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運行經驗，例如網損越小則經濟性越優、線路（變壓器）負載率越低則供電裕度越大等。

1.3 運行指標評價公式

1.3.1 短路電流指標評價公式

對應短路電流指標的成本型屬性，根據電網實際運行經驗，對單條母線短路電流指標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IS為單條母線短路電流同開關額定開斷電流的比值，其中γS為短路電流影響度閾值。根據以上期望值曲線，當IS大于1，也即母線短路電流超過開關額定開斷容量時，期望值為無窮大，當IS小于某一閾值γS時，可認為對電網負面影響可忽略，即期望值為0，當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。根據以上期望值曲線，單條母線短路電流指標評分公式為：

式中：βS為大于1的正實數。對于電磁環網解合環方式中的整體短路電流指標，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 母線短路電流權重；λS220為220 kV 母線短路電流權重。

1.3.2 線路運行狀態評價公式

與短路電流指標評價公式類似，單條線路運行狀態評分公式為：

式中：IL為線路負載率；γL為線路負載率閾值；βL為大于1的正實數。電磁環網解合環方式中的線路運行狀態指標評分，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 線路運行狀態指標權重；λL220為220 kV 線路運行狀態指標權重。

1.3.3 變電站運行狀態評價公式

與線路運行狀態指標評價公式類似，單座變電站運行狀態評價公式為：

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定限額的比值；γT為變電站越限率閾值；βT為大于1的正實數。電磁環網解合環方式中的變電站運行狀態指標評分，如下式所示：

式中：ΦT為500 kV 變電站集合；λT為變電站運行狀態指標權重。

1.3.4 靜態安全分析指標評價公式

對電磁環網不同解合環方式下的靜態安全性，主要是分析電網發生N-1 后的設備過載率，基于指標的成本型屬性，不滿足N-1的情形越多，令得分越高。對于系統發生單個元件故障時靜態安全分析指標的評分公式為：

其中nN為系統發生單個元件故障N-1時其余設備過載的個數。則具體電磁環網解合環方式中靜態安全指標得分為：

式中：ΦN為系統發生單個元件故障（N-1）的集合；λN為靜態安全評價指標權重。

1.3.5 電網暫態穩定性指標評價公式

對電磁環網不同解合環方式下的暫態穩定性，文中通過比較發生相同故障時的故障極限切除時間來進行評價。對發生單個故障時電網暫態穩定性得分的期望值可如圖2 所示。

圖2 電網暫態穩定性評分期望值曲線

圖中：橫坐標tC為故障極限切除時間；TC為故障時保護動作時間；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：當發生電網故障時，當故障極限切除時間tC大于γC時，可認為電網具有較強的暫態穩定性，此時期望值恒定為0；如tC小于TC，此時系統會失穩，則電網穩定性指標期望值為無窮大；當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。根據以上期望值曲線，對于單個故障時電網穩定性指標評分公式為：

式中：βC為大于1的正實數。電磁環網解合環方式中的暫態穩定性指標評分，如下式所示：

式中：ΦC為設定的故障集合；λC為暫態穩定性指標權重。

1.3.6 網損指標評價公式

在網損指標評價中，以電磁環網的不同解合環方式中的最小網損為基準值，其他解合環方式以最小網損值作為參考進行評分。對于某種解合環方式，網損相對值為：

式中：Si為某解合環方式下網損；ΔSi為同比最小網損S0對應的網損水平增量。由于網損越小，運行方式越優，則基于指標的成本型屬性，相應得分則越低。對此電網網損指標評分公式為：

式中：λE為電網網損評價指標權重。

1.3.7 評價指標公式中參數的確定

上文中給出了電磁環網解合環方式的指標評價公式，根據電網實際運行經驗，對評分公式中包含的參數確定可參考表1。

表1 電磁環網評價指標評分公式相關參數

以γL為例對上表參數的確定進行說明，γL是指線路運行狀態閾值，在線路負載率分析中，往往對負載率在75%以上的線路給予較多關注，認為屬于重載線路，而負載率在75%以下，可認為對電網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均屬于指數參數，在文中統一確定為2，經檢驗指數為2時可滿足節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，均可根據實際需要進行另行設定。

對于各指標中的權重參數λ，將在下文中對確定方法進行敘述。

2 基于群組多屬性決策的電磁環網指標權重確定方法

上文中提出的各個具體指標評價公式中，包括了每個指標的權重參數λ，這是因為不同的指標對電網影響的重要程度是存在差異的，因此需要對各評價指標進行賦權。根據統計學理論，建立了一套基于群組多屬性決策的電磁環網指標權重確定方法。

2.1 群組多屬性決策權重確定方法

對于電磁環網各具體評價指標重要程度的判定，需由具有豐富電網運行經驗的專家完成。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，應當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]。

最終的權重向量需要綜合每位專家的賦權信息，所以對群組專家賦權信息的合成，是整個權重求解的關鍵。針對這一問題，采用了一種群組多屬性決策權重確定方法，其主要思想為：每位專家在多屬性決策中的決策權力，應該體現在決策活動中，該專家與專家組的決策結果一致性程度上，當一名專家與大多數專家的決策結果一致時，該專家就應該擁有較大的決策權力；與此相反，當該專家與大多數專家的決策結果一致性較差時，其決策權力就應該較小[16]。

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

式中：wjk≥0，且j∈{1，2，…n},k∈{1，2，…m}

專家決策權力賦權問題的核心在于選擇反映大小的最佳統計量。這里記為：

取：

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

把W*歸一化，即得到賦權專家的權重向量：

根據加權和法，該決策問題各屬性的權重向量為：

2.2 電磁環網評價各指標權重的確定

對于已確定的電磁環網解合環評價可靠性和經濟性的具體指標權重向量：

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運行經驗專家發放調查問卷，獲得了每位專家對各指標的重要性判斷信息，并利用層次分析法（AHP）的原理獲得了每位專家的賦權：

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的權重判斷，具體過程可以參見相關文獻[17]，文中不再贅述。

根據上節中的群組多屬性決策方法，取ai=bi=0.5，可獲得最終的權重向量為：

3 計算實例

以某年度南京南部電網為例，對文中所提出的電磁環網運行方式評價指標體系進行了驗證。

南京南部電網結構如圖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網解環，根據東善橋變電站和廻峰山變電站之間的電網結構，以下述2 種解環方式作為研究對象。

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 種解環方式，解環后網架結構仍然基本保持環形，不存在大范圍串供情況，網架結構合理。對東善橋-廻峰山電磁環網2 種解環方式進行了計算對比，結果見表2。

對2 種解環方案下不同的運行指標進行了量化評分，定量對比結果見表3。

圖3 南京南部電網結構

表2 東善橋-廻峰山電磁環網不同解環方式下電網運行情況定性對比

表3 東善橋-廻峰山電磁環網不同解環方式電網運行情況定量對比

由表3，可以對2 種解環方式下的運行指標情況進行橫向對比，如：短路電流方面方式1 優于方式2、系統穩定性方面方式2 略優于方式1 等。而從總評分中可看出，解環方式1 比解環方式2 總評分更少，基于評價的成本型屬性，即運行方式更優，因此，通過定量分析可判斷出解環方式1 優于解環方式2，在運行中可采取此種解環方式，這同實際電網運行中采用的解環方式相一致。

4 結束語

提出了一種新的500/220 kV 電磁環網運行評價方法，此方法基于電網實際運行經驗，提出了考慮指標閾值的電網運行方式評價指標公式，并采用群組多屬性決策理論提出了確定各評價指標權重的方法，從而可以對電磁環網的不同解合環方式的優劣進行定量的對比。此種方法具有較好的擴展性，不同電網可根據實際情況和運行經驗對其中的參數進行設定，從而更適用于不同電網的需求。根據計算實例分析，對于確定的500/220 kV 電磁環網，通過此運行評價方法，可以對不同解合環方式下的運行指標情況進行橫向對比，而且通過對比不同解合環方式的總評分，可以確定最優的解合環方式，從而為電網的安全可靠運行提供參考。

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