基于模糊優(yōu)選法的UHVDC雷擊主動(dòng)防護(hù)方案綜合性能評(píng)估

毛 濤

（武漢東湖學(xué)院 湖北·武漢 430074）

0 引言

特高壓直流輸電(UHVDC)具有輸送容量大、調(diào)節(jié)速度快等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，特別適用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、大功率、遠(yuǎn)距離直接將電力輸送至負(fù)荷中心的場(chǎng)合，在我國(guó)電力系統(tǒng)中發(fā)揮了重要的作用。

包括反擊和繞擊在內(nèi)的雷擊是導(dǎo)致高壓輸電線路發(fā)送故障的重要原因之一，尤其在山區(qū)，大部分高壓輸電線路故障源自于雷擊線路而導(dǎo)致的跳閘。到目前為止，世界各國(guó)已基本形成一套行之有效的輸電線路常規(guī)防雷方法和措施，對(duì)提高高壓輸電系統(tǒng)運(yùn)行可靠性起到了很明顯作用。文獻(xiàn)[6,7]根據(jù)雷電定位系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)某特高壓直流線路雷害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)估計(jì)算，并提出了針對(duì)性的繞擊防范措施。文獻(xiàn)[8]分析了特高壓輸電繞擊防雷保護(hù)措施，對(duì)防雷保護(hù)角進(jìn)行了計(jì)算和比較。上述所采用的雷擊防護(hù)方法均屬于被動(dòng)方式。

為減小被動(dòng)雷擊防護(hù)手段失效時(shí)UHVDC線路雷擊跳閘對(duì)系統(tǒng)的影響，可考慮采用主動(dòng)性的雷擊防護(hù)技術(shù)，例如降壓運(yùn)行和直流功率支援，應(yīng)用這些方案時(shí)，需要綜合考慮方案的經(jīng)濟(jì)性、靜暫態(tài)安全穩(wěn)定性、輸電可靠性等指標(biāo)，目前工程領(lǐng)域應(yīng)用較多的綜合性能評(píng)估方法主要包括改進(jìn)層次分析法和模糊綜合分析方法。

本文對(duì)特高壓直流輸電線路的主動(dòng)雷擊防護(hù)方案的性能進(jìn)行了綜合評(píng)估。首先介紹了基于降壓運(yùn)行和緊急功率支援的防護(hù)技術(shù)的原理和實(shí)現(xiàn)步驟。設(shè)計(jì)了考慮方案經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性的綜合評(píng)估指標(biāo)體系，給出了各指標(biāo)的計(jì)算方法。采用改進(jìn)層次分析法和模糊優(yōu)選方法進(jìn)行了可行方案的綜合性能評(píng)估。給出了本文方法在四川電網(wǎng)中應(yīng)用的算例。

1 主動(dòng)防護(hù)技術(shù)及評(píng)估指標(biāo)體系

1.1 主動(dòng)雷擊防護(hù)技術(shù)

本文考慮了兩種適用于UHVDC系統(tǒng)的主動(dòng)雷擊防護(hù)技術(shù)，即降壓運(yùn)行和緊急功率支援。以下簡(jiǎn)要介紹兩種技術(shù)的原理和實(shí)現(xiàn)步驟。

當(dāng)雷電預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出某直流輸電通道可能遭受雷擊的警告時(shí)，從規(guī)避可能的雷擊閉鎖對(duì)電網(wǎng)造成沖擊的角度出發(fā)，可以將直流電壓降低至額定的70%，但保持直流電流為額定值的運(yùn)行方式，即降壓主動(dòng)防護(hù)技術(shù)。

直流緊急功率支援技術(shù)是指當(dāng)某特高壓直流輸電通道遭雷擊而閉鎖后，將無法繼續(xù)通過該通道送出的功率轉(zhuǎn)移為由其它并行的交/直流線路輸送，具體原理如圖1所示。

圖1：緊急功率支援技術(shù)原理

當(dāng)某條直流通道發(fā)生雷擊閉鎖故障導(dǎo)致其直流功率無法送出時(shí)，送端系統(tǒng)內(nèi)原動(dòng)機(jī)機(jī)械功率PM與線路輸送功率Pd的差值PT將增大，不采取相應(yīng)措施時(shí)最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)子加速，系統(tǒng)可能失去穩(wěn)定。緊急直流功率支援即通過繼續(xù)保持一定的外送功率來減小功率差值PT，以增大減速面積。

圖2表明，通過功率調(diào)整可將該直流通道輸送功率由初始的P0調(diào)整至Pmod。功率調(diào)整率k(MW/s)、調(diào)整起始時(shí)刻T_start以及調(diào)整持續(xù)時(shí)間T_con(T_end-T_start)都將影響調(diào)整效果。一般而言調(diào)整率越大，調(diào)整時(shí)刻越早，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，將越有利于增加減速面積，也越有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

圖2：直流功率調(diào)整曲線

1.2 主動(dòng)雷擊防護(hù)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

圖3為本文提出的UHVDC雷擊主動(dòng)防護(hù)方案的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。1級(jí)指標(biāo)包括經(jīng)濟(jì)性、安全穩(wěn)定性和可靠性，其中安全穩(wěn)定性又包括靜態(tài)和暫態(tài)安全穩(wěn)定性兩個(gè)2級(jí)評(píng)估指標(biāo)，共計(jì)細(xì)分為13個(gè)3級(jí)評(píng)估指標(biāo)。

圖3：雷擊主動(dòng)防護(hù)方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)

2 基于模糊優(yōu)選的綜合評(píng)估

本文綜合評(píng)估方法首先應(yīng)用改進(jìn)層次分析法確定各指標(biāo)的權(quán)重，然后建立模糊優(yōu)選模型對(duì)各種雷擊主動(dòng)防護(hù)方案的綜合性能進(jìn)行評(píng)估。

2.1 主動(dòng)雷擊防護(hù)方案評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

特高壓直流輸電線路雷擊主動(dòng)防護(hù)方案的優(yōu)選實(shí)質(zhì)是綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、安全穩(wěn)定性和可靠性的多目標(biāo)評(píng)價(jià)問題。本文采用改進(jìn)層次分析法(IAHP)來進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重的確定，在此過程中用三標(biāo)度法取代九標(biāo)度法，以下給出詳細(xì)實(shí)現(xiàn)步驟：

（1）利用三標(biāo)度法求出比較矩陣；

（2）計(jì)算Aij的重要性排序指數(shù)；

（3）構(gòu)造判斷矩陣Bij；

（4）求判斷矩陣Bij的擬優(yōu)一致矩陣B'ij；

（5）求擬優(yōu)一致矩陣B'ij的特征向量W。

2.2 模糊優(yōu)選模型

設(shè)評(píng)估對(duì)象集合包括n個(gè)方案和m個(gè)指標(biāo)，若方案樣本指標(biāo)i等權(quán)重，則W可表示為W=(1,2,...,m)。

定義目標(biāo)對(duì)指標(biāo)優(yōu)值的相對(duì)隸屬度為相對(duì)優(yōu)屬度，根據(jù)不同指標(biāo)的特點(diǎn)分別采用固定型、區(qū)間型、成本型、效益型目標(biāo)數(shù)學(xué)模型，來確定理論的最大相對(duì)優(yōu)屬度和最小相對(duì)優(yōu)屬度，分別表示為：

式中rij為決策方案j指標(biāo)i的相對(duì)優(yōu)屬度。

方案j與優(yōu)等方案、劣等方案的差異可用廣義權(quán)距離表示為距優(yōu)距離djg與距劣距離djb，分別為：

式中：z為廣義距離；gi/bi分別為指標(biāo)i的最大/小相對(duì)優(yōu)屬度。

以u(píng)j/1-uj分布表示方案j對(duì)優(yōu)/劣等方案的隸屬度分，以方案j的加權(quán)距優(yōu)距離的平方與加權(quán)距劣距離平方的總和最小為目標(biāo)函數(shù)，即：

對(duì)式(5)進(jìn)行求導(dǎo)，并令：

取廣義距離z=2，得到最優(yōu)值為：

將式（7）記為模糊優(yōu)選模型，據(jù)此可求得所有方案對(duì)于優(yōu)等方案的最佳相對(duì)隸屬度向量U={u1,u2,...,un}，則最大隸屬度umax=(u1,u2,...,un)所對(duì)應(yīng)的決策方案即為最優(yōu)方案。

3 算例分析

3.1 系統(tǒng)模型及參數(shù)

四川電網(wǎng)主要供區(qū)包括21個(gè)地級(jí)市，與重慶電網(wǎng)的川渝斷面包含四回500kV交流線路和兩回1000kV特高壓交流線路，與陜西、華東電網(wǎng)異步互聯(lián)的4回常規(guī)/特高壓直流通道分別為德寶±500 kV通道送電1500MW，向上±800kV特高壓通道送電6400 MW，溪浙±800 kV特高壓通道送電8000 MW，錦蘇±800kV特高壓通道送電7200 MW。本文選取評(píng)估對(duì)象為浙西±800kV特高壓直流輸電線路。

本文基于PSASP 6.282建立四川電網(wǎng)豐大方式下的仿真計(jì)算模型，基準(zhǔn)容量選取為100MW。發(fā)電機(jī)模型計(jì)及勵(lì)磁、PSS和調(diào)速系統(tǒng)。負(fù)荷模型的構(gòu)成比例為40%的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷+60%恒阻抗負(fù)荷。分別在浙西±800kV直流輸電線路單極和雙極閉鎖運(yùn)行情況下，對(duì)降壓運(yùn)行和緊急功率支援兩種雷擊主動(dòng)防護(hù)方案進(jìn)行評(píng)估。

3.2 仿真及計(jì)算結(jié)果

單極和雙極閉鎖情況下，由仿真得出的各種可行的降壓運(yùn)行和緊急功率支援方案如表1所示。

表1：降壓運(yùn)行和緊急功率支援具體方案

選取送端電網(wǎng)即四川電網(wǎng)為參考區(qū)域，川渝斷面為參考斷面，川沐川、川月城和川敘府變電站500 kV母線為參考母線。得到單極和雙極閉鎖時(shí)主動(dòng)防雷方案各指標(biāo)計(jì)算結(jié)果分別如表2和表3所示。

表2：?jiǎn)螛O閉鎖時(shí)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

表3：雙極閉鎖時(shí)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果

采用改進(jìn)層次分析法（IAHP）求得各指標(biāo)權(quán)重如表4所示。

表4：指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

利用模糊優(yōu)選算法，得到各種防護(hù)方案的隸屬度如表5所示。

表5：防護(hù)方案的隸屬度

可以看出，單極閉鎖時(shí)降壓運(yùn)行和緊急功率支援方案的隸屬度分別為0.8444和0.7227；而雙極閉鎖時(shí)方案的隸屬度分別為0.8166和0.7577。結(jié)果表明：基于降壓運(yùn)行的主動(dòng)防雷措施的綜合性能要優(yōu)于緊急功率支援方案。這是由于降壓運(yùn)行在切機(jī)量和暫態(tài)功角穩(wěn)定這兩個(gè)重要指標(biāo)上明顯優(yōu)于緊急功率支援，而可靠性指標(biāo)等兩者大致持平，因此降壓運(yùn)行方案的綜合性更優(yōu)。此外，與雙極閉鎖相比，單極閉鎖方式下降壓運(yùn)行方案優(yōu)勢(shì)更明顯，這是因?yàn)閱螛O閉鎖運(yùn)行狀況下潮流分布指標(biāo)降壓運(yùn)行方式更佳，而且兩個(gè)方案在功角穩(wěn)定性指標(biāo)上差別更明顯。

4 結(jié)束語

本文提出了進(jìn)行特高壓直流輸電通道雷擊主動(dòng)的方案，并對(duì)各種方案的綜合性能評(píng)估方法進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)了由13個(gè)三級(jí)指標(biāo)構(gòu)成的綜合考慮方案經(jīng)濟(jì)性、安全性和可靠性的評(píng)估指標(biāo)體系，為全面客觀評(píng)估雷擊主動(dòng)防護(hù)方案的性能提供了基礎(chǔ)。采用可降低人為主觀性對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果影響的改進(jìn)層次分析法進(jìn)行指標(biāo)權(quán)重求解，并應(yīng)用評(píng)估結(jié)果直觀可靠的模糊優(yōu)選法進(jìn)行方案綜合性能評(píng)估。本文方法為優(yōu)選特高壓直流輸電線路主動(dòng)雷擊防護(hù)方案提供了決策依據(jù)，對(duì)設(shè)計(jì)提高含特高壓直流輸電系統(tǒng)電網(wǎng)運(yùn)行安全穩(wěn)定性的技術(shù)具有參考價(jià)值。