基于層次分析的網絡備自投方案評估

鄒德虎，張穎，張沈琪，張樂，傅靖

（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061；2.江蘇省電力公司南通供電公司，江蘇南通226006）

電網技術

基于層次分析的網絡備自投方案評估

鄒德虎1，張穎2，張沈琪2，張樂2，傅靖2

（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京210061；2.江蘇省電力公司南通供電公司，江蘇南通226006）

適用于鏈式結構電網的網絡備自投系統存在不同的實現方案。提出一種針對不同網絡備自投方案進行綜合評估的方法。該方法首先針對評價指標建立層次化結構，然后確定權重系數，最后得到總體評估結果。針對南通地區電網的實例分析，說明了該方法可以對網絡備自投的方案進行綜合評估，可以為企業管理人員提供網絡備自投技術方案選擇方面的決策支持。

網絡備自投；層次分析法；評估

按照可靠性的要求，配電網應滿足“閉環設計、開環運行”，當出現失電時，可以由站內備自投迅速投入備用電源。但受資金、輸電走廊等客觀因素限制，有可能出現變電站鏈式供電的電網結構，在這種情況下，處于鏈中的變電站如果失電，站內不存在備用電源，無法通過站內備自投恢復供電。且可以通過具有遠方采集控制功能的網絡備自投系統實現恢復供電。目前，網絡備自投的實現方式有3種：（1）對傳統的站內就地備自投進行改造，增加站間通訊；（2）在變電站后臺監控系統中實現備自投功能，同時采集周邊相關站的信息；（3）在調度主站實現網絡備自投功能；本文首先簡要介紹這3種備自投方案的原理，然后給出對不同備自投方案的綜合評估方法。最后針對實際電力系統的一個例子，給出了具體評估結果。本文的目的是對網絡備自投裝置設計、招投標、管理等提出技術性的決策評估方法。

1　技術方案簡介

以圖1所示的簡單鏈式供電結構作為例子。

圖1　簡單鏈式串供電網

由圖1中看到，當線路L1故障導致B站全站失電后，無法通過站內備自投恢復供電。網絡備自投可以解決該問題。通過分開2DL，合上4DL，即可恢復B站的供電。

1.1就地備自投

就地備自投實現網絡化功能，必須進行改造，增加變電站之間的信息傳遞，實現備自投的站間相互配合。有學者建議通過縱聯保護的光纖通道傳遞信息［1，2］。針對圖1的例子，假定線路L2已經有縱聯光纖通道，則可實現變電站B和變電站C的信息傳遞。如果線路L2沒有光纖通道，則需要尋求另外的通道。實現信息的站間傳遞后，需要對變電站B和變電站C的站內備自投進行技術改造。假定變電站B的站內備自投判斷本站失電，同時通過遠方通道獲知L2處于熱備用狀態、變電站C有壓，經延時后跳2DL，并通過遠方通道合上4DL。

1.2變電站后臺監控備自投

可以利用變電站綜合自動化系統實現區域備自投功能。例如可以在變電站A的綜合自動化系統中建立網絡備自投。同時需要采集變電站B、變電站C的部分信息。發生故障后，進行邏輯判斷，并通過遠方遙控開關的方式完成恢復過程。這相當于建立了一個小型的集控系統。

1.3調度主站備自投

隨著電網自動化水平的提高，調度主站的功能也逐漸增強。許多電網已經實現調控一體化。可以在調度主站能量管理系統（EMS）中建立網絡備自投［3］。這種方案需要在EMS系統中建立備自投模型、進行邏輯判斷。故障后采用開關遙控的方式實現供電恢復。

2　基于層次分析法的網絡備自投方案評估

層次分析法（AHP）是一種定性與定量相結合、層次化的決策分析方法［4，5］。AHP的基本步驟如下：

（1）建立層次結構模型。將實際問題各個相關因素分解為不同層次。

（2）構造成對比較矩陣。

（3）計算權向量并做一致性檢驗。

（4）計算組合權向量并做組合一致性檢驗，如果檢驗通過，則可按照組合權向量進行決策。

針對網絡備自投方案評估問題，將網絡備自投經濟可靠加權指標作為總目標，選擇3個評價準則作為中間層，分別為：經濟效益、建設成本、系統可靠性。每一個中間層均選取評價指標。

2.1經濟效益

（1）直接經濟效益：如果沒有安裝網絡備自投，鏈式串供接線故障后長時間停電帶來的直接損失，可以采用少售電量來估算。

（2）間接經濟效益：如果沒有安裝網絡備自投，鏈式串供接線故障后長時間停電帶來的間接損失，可按照一定的比例系數來進行估算。

2.2建設成本

（1）硬件成本：網絡備自投安裝運行所需要的硬件成本。

（2）軟件成本：網絡備自投涉及到的軟件成本。

（3）人力資源成本：主要指的是網絡備自投安裝、維護過程中的機會成本。包括施工難易程度、施工耗費的人力和時間、日常維護工作的多少。

2.3系統可靠性

（1）安全性：在未發生預想故障時，網絡備自投不發生誤動作的性能。

（2）信賴性：發生預想故障時，網絡備自投發揮作用、不發生拒動的性能。

（3）動作合理性：網絡備自投動作應當合理，盡可能恢復無故障的失電設備；同時應可以考慮特殊情況，例如避免動作后設備過載、存在小電源時的合理處理。

（4）速動性：網絡備自投動作速度性能，盡可能減少用戶停電時間。

網絡備自投評價指標的層次結構如圖2所示。

圖2　網絡備自投評價指標的層次結構

3　實際算例與討論

3.1指標權重設置

以南通地區電網作為實際算例。南通電網共有6串鏈式電網接線可以裝設網絡備自投，全部為110 kV電壓等級。

網絡備自投屬于安全自動裝置的一種，目的是為了增加地區電網供電可靠性，并不是直接為了獲取經濟效益。雖然可以通過歷史記錄估算出電網故障的概率，并進而估算出直接和間接經濟效益，但結果具有一定的不確定性。因此在經濟效益、建設成本、系統可靠性3個中間指標中，經濟效益所占的權重應稍小。對于網絡備自投系統來說，其自身的系統可靠性無疑是最重要的，因為涉及到開關直接控制，具有很高的安全級別。綜合考慮3種中間指標（準則層B）的成對比較矩陣設置為：

計算出最大特征值為3.009 2，計算出的特征向量為［0.256 5，0.466 0，0.846 8］，歸一化后得到權向量為［0.163 5，0.296 9，0.539 6］。

一致性指標為0.004 6，一致性比率為0.007 9< 0.1，通過一致性校驗。

經濟效益、建設成本，均可以轉換為同樣的單位（人民幣值）。因此，對于準則層C指標中的經濟效益、建設成本，不再設定成對比較矩陣，而是直接根據人民幣值進行比較。

3.2系統可靠性分析

對于系統可靠性，準則層C指標中有：安全性、信賴性、動作合理性、速動性。相比較而言，如果網絡備自投系統誤動，可能導致110 kV變電站全站失壓，后果非常嚴重。而故障后，網絡備自投如果拒動，雖然損失也很可觀，但仍然是可以接受的，因為故障必然是由其他因素導致的（天氣、外力破壞、人為操作失誤等）。由此造成損失，網絡備自投顯然不應該承擔主要責任。因此比較起來，安全性的權重應該大于信賴性。動作合理性也是一個較為重要的指標，無論是動作后造成過載、還是小水電非同期合閘，都是不希望發生的，其指標權重應與信賴性相當。對于速動性，雖然加快速度可以減少停電損失，但速度過快，也可能對安全性產生不利影響，因此速動性的權重可以較低。

對于安全性指標，南通電網110 kV線路普遍沒有裝設光纖差動保護，需要另外構建通道。受變電站間通道傳輸的通道信息限制，就地備自投采集的站間信息有限，難以構造非常全面的邏輯判據。而變電站后臺需要采集其他變電站的信息，同樣存在類似的問題。作為全國首個實現地縣一體化調度的地區電網，南通調度主站的性能穩定、功能強大，采集的信息全面準確，可以獲取備自投所需要的全面信息，例如失電時多個相關變電站的母線電壓、線路電流等，增加安全性，因此調度主站網絡備自投的安全性指標較高。

對于信賴性指標，涉及到開關控制的可靠性，就地備自投直接接入其二次回路，具有很高的控制成功率。而變電站后臺的控制則依賴于變電站綜合自動化系統的可靠性。主站備自投的控制則依賴于調度EMS的可靠性和通道的可靠性。因此，就地備自投的信賴性指標較高。

對于動作合理性指標方面，建立在主站的網絡備自投可從全網角度看問題，遇到特殊情況可以采取補充控制措施，因此主站備自投的動作合理性指標較高。

對于速動性方面，就地備自投的指標較高，主站備自投的指標較低。

準則層C成對比較矩陣的建立過程和組合權向量的求解過程不詳細列出，直接將系統可靠性B3的計算結果列出：［0.333 8，0.283 9，0.382 3］

分別對應就地網絡備自投、變電站后臺網絡備自投、主站網絡備自投在系統可靠性中的權重。

3.3經濟效益分析

計算經濟效益B1的權重。考慮因沒有網絡備自投，造成相關110 kV變電站全站失電后，由調度員人工操作，這段時間丟失的電量。潮流大小以年度平均潮流為準。然后計算網絡備自投動作時，丟失的電量。考慮到網絡備自投平均動作時間不同、動作可靠性不同，權重也會不同。兩者相減，即為直接經濟效益。間接經濟效益需要乘上適當的比例系數，并考慮網絡備自投恢復過程中的短時停電損失［6］。經濟效益B1的權重計算結果為：［0.392 3，0.273 1，0.334 6］

3.4建設成本分析

計算建設成本B2的權重。對于就地網絡備自投建設，通過對相關備自投廠家的調研獲取相關資料，并估計硬件和軟件成本。

對于變電站后臺網絡備自投建設，通過對相關變電站監控廠家調研獲取相關資料，并估計硬件和軟件成本。由于部分型號的變電站后臺監控系統廠家已停止了升級支持，需要整體更換變電站監控系統，這會增加較多的成本。

對于主站網絡備自投建設，通過對調度自動化廠家調研獲取相關資料，主站網絡備自投只存在軟件成本，沒有硬件成本，且只需要建設一套，就可滿足任意多串的網絡備自投需求。

對于人力資源成本，按照投入的人數和時間估計建設時期和后期維護工作量，并按照供電公司平均人力成本估計總體的人力資源成本。

上述成本統計后，計算建設成本B2的權重。權值與總體成本成反比，建設成本B2的權重結果為：［0.292 6，0.210 8，0.496 7］

3.5綜合評估

分別求出準則層B的組合權向量之后，就可求出綜合指標A的組合權向量了，計算結果為：［0.331 1，0.260 4，0.408 5］

由計算結果可知，建立在調度主站的網絡備自投是首選，其次是增加通道改造的就地網絡備自投。

上述計算結果不是惟一的，因為權值的制定需要考慮當地電網的實際情況。例如某地區調度主站可靠性不足，計算結果就可能偏向另外的方案。

4　結束語

本文提出了對網絡備自投方案進行綜合評價的層次分析方法。評價指標分為經濟效益、建設成本、系統可靠性，并建立層次型結構。針對南通地區電網的實際情況分析了就地網絡備自投、變電站后臺網絡備自投、調度主站網絡備自投方案的優缺點，得到了明確的評價結果。即針對南通電網的實際情況，調度主站網絡備自投的方案相對更有優勢。本文的分析結論可以幫助南通供電公司的管理人員進行決策，其分析方法具有簡單實用的特點，同時具有一定的通用性，可以推廣至其他電網。

［1］唐海軍.基于光纖通訊的遠方備自投設計與實現［J］.繼電器，2006，34（4）：80-82.

［2］楊合民，路小俊，王軍，等.一種適用于串聯電網接線的遠方備自投裝置［J］.電力系統自動化，2011，35（20）：94-97.

［3］周伊琳，孫建偉，陳炯聰.區域網絡備自投及其測試關鍵技術［J］.電力系統自動化，2012，36（23）：109-113.

［4］周明，趙煒，王鵬，等.供電企業運營績效評估的層次化標尺競爭模型及方法［J］.電力系統自動化，2008，32（4）：20-24.

［5］姜啟源，謝金星，葉俊.數學模型［M］.4版.北京：高等教育出版社，2011：249-269.

［6］李天友，趙會茹，歐大昌，等.短時停電及其經濟損失的估算［J］.電力系統自動化，2012，36（20）：59-62.

Evaluation on Power Network Automatic Switchover System Based on Analytic Hierarchy Process

ZOU Dehu1，ZHANG Ying2，ZHANG Shenqi2，ZHANG Le2，FU Jing2
（1.NARI Technology Development Limited Company，Nanjing 210061，China；2.Jiangsu Nantong Power Supply Company，Nantong 226006，China）

Different implementations are possible for the automatic switchover system of the power network with a chain structure.This paper proposes a method for comprehensively evaluating different solutions of power network automatic switchover system.Firstly，hierarchical structure of the evaluation index is build.Then，the weight coefficient are determined. Finally，the overall evaluation results are obtained.Analysis on the Nantong regional power grid shows that the comprehensive evaluation method is effective.This evaluation method provides a power network automatic switchover system selection decision support for enterprise.

automatic switchover system；analytic hierarchy process；evaluation

TM773

A

1009-0665（2015）02-0024-03

2014-10-12；

2014-11-27

江蘇省電力公司科技項目（J2013069）

國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目（2011AA05A118）

鄒德虎（1986），男，安徽肥東人，工程師，研究方向為電力系統自動化、分析仿真及備自投控制；

張穎（1982），女，江蘇如皋人，工程師，研究方向為繼電保護；

張沈琪（1981），女，江蘇南通人，工程師，研究方向為繼電保護；

張樂（1973），女，江蘇南通人，高級工程師，研究方向為電網運行；

傅靖（1970），男，江蘇昆山人，高級工程師，研究方向為電網運行。