基于層次分析法的某750 kV變電站規劃站址比選研究

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工作：從宏觀層面上需要考慮與城鄉規劃的適應性、建設用地性質和規模、壓覆礦、文物、環評、水保等基本因素；微觀層面上需要與電網規劃相適應，有利于提升電網運行的安全穩定性和電能質量[1-3]。從系統一次規劃的角度比選站址，需要綜合考慮負荷潮流分布[4]、地質地形、運行穩定性和城市規劃等多方面的因素，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(geographic information system，GIS)和可拓綜合優度評價方法，結合實際工程問題，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重，利用GIS建立模型并求解，得到最優選址方案，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)和熵權法對變電站選址進行分析，將層次分析法得出的權重與熵權法得出的權重相結合考慮，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重，最后得出最佳選中方案和最佳需求側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DL/T 5218—2012《220 kV～750 kV變電站設計技術規程》[10]，變電站站址選擇在系統一次方面的影響因素包括網絡結構、負荷分布、發展規劃和進出線條件等。本文針對新疆特殊的電網結構和負荷分布特點，從變電站運行的安全可靠性、經濟性、周圍環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。對這些因素進行詳細分析如下：

1)抑制短路電流：隨著新疆電網規模的不斷擴大，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。為了使電網安全穩定運行，文獻[11]經過理論分析，發現優化電網結構，使高低壓電磁環網打開實現分區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，深刻影響變電站規劃設計、電網結構的優化和設備的利用率。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：變電站選址規劃時，結合城市規劃，滿足本地長遠規劃，規劃時注意對進出線留有一定的空間，不能出現線路之間的相互交叉跨越，統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，這部分所需的投資費用為送出投資。送出線路規劃是電網規劃重要一部分，變電站的選址直接影響投資費用的大小，需要經過詳細分析才能保證經濟性。

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：變電站選址應選在地形地質好的地方，能滿足長期安全穩定運行。不可建在地震帶、泥石流、滑坡等不良地質構造上，避開礦洞、溶洞等地區，在有利于施工條件的同時還要注意保護自然環境。

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。常規的定量分析方法是對數量特征、數量關系與數量變化進行分析，而層次分析法主要是從評價者對評價問題的本質、要素的理解出發，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造判斷矩陣A，從而建立多層次的結構模型；然后通過計算分析得到方案層對與目標層的相對重要權值或優劣排序，最終選擇出最合適的方案。

2.1 構建遞階層次結構模型

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，構建遞階層次結構模型，見圖1。

圖1 遞階層次結構模型

2.2 構建判斷矩陣

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，由量化數值構建判斷矩陣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，數值越接近0，則一致性越好；n為同一層元素個數，也是矩陣A的階數；λmax為最大特征值，根據正互反矩陣性質，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重。準則層B有n個因素：B1，B2，…，Bn，對目標層Z重要程度的權重分別為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重要程度的權重可以表示為：F1，F2，…，Fm。方案層F中j因素對目標層重要程度的權重可由式(4)得到：

根據式(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，反之則需要調整修改。

2.5 構建變電站選址層次結構圖

對于新疆特殊的網架結構，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的結構并構造一個層次關系，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，準則層根據新疆電網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、地形地質因素，層次結構圖如圖2所示。

圖2 變電站選址層次結構圖

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”)的規劃站址選擇為例，秉著優化梳理網架結構、降低短路電流、就近負荷中心、節省廊道資源和節省工程投資等目的，站址選擇考慮三個區域，即：區域一、區域二和區域三，見圖3。

圖3 新疆某擬建750 kV變電站擬選區域示意圖

3.1 配套送出方案

依托擬建的750 kV變電站，從梳理網架結構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網供電或直接由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。三個區域的220 kV配套送出方案見圖4～圖6。

圖4 區域一220 kV配套送出方案示意圖

圖5 區域二220 kV配套送出方案示意圖

圖6 區域三220 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變電站實現分區供電，該區域電網主要由A變電站供電。在750 kV/220 kV電磁解環的基礎上，三個區域送出方案中相關變電站的短路電流水平計算結果見表3。從表3可以看出，有三個變電站的短路電流較高，其中區域二和區域三中，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 短路電流計算結果 kA

3.3 綜合比較

區域一、區域二和區域三選址方案的比較情況見表4，各區域的線路投資比較見表5。從宏觀角度看，上述三個區域站址都能夠起到梳理網架、保證負荷供電和提升電網供電能力的作用。從微觀角度分析，三個區域具有不同的優缺點：區域一能較好兼顧負荷發展和提高供電可靠性，但是短路電流抑制效果差；區域二可兼顧新能源開發送出，線路投資費用較少，但是遠離負荷中心；區域三雖然可以降低短路電流，但是投資較高，電網梳理困難。

表4 各方案優點和缺點比較情況

表5 采用深度節水方案(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 判斷矩陣的構建和計算

根據新疆電網特點，對上述三個區域站址進一步從抑制短路電流、提升供電能力、優化進出線條件、節約送出投資、利于電源接入、符合地形地質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。

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

根據式(2)得到上述若干矩陣的最大特征值λmax，根據式(3)和式(4)計算得出一致性指標，并通過一致性檢驗。各矩陣計算結果見表6。

表6 各矩陣計算結果

計算方案層對準則層的權重為W2：

根據式(4)計算得到層次總排序，即方案層對目標層的總權重為W= [0.429 7 0.356 9 0.213 4]T。

根據式(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域一、區域二和區域三對目標層的總權重分別為0.429 7、0.356 9和0.213 4，區域一較其他兩個區域優先。從定性分析可知，區域一相較于區域二、區域三，能夠更好兼顧周邊新增負荷的發展和梳理網架結構，且實施方便，有利于提高該區域供電可靠性。定量分析與定性分析的結果一致，經綜合分析，認為區域一為變電站選址的最佳區域。

4 結語

本文運用層次分析法構建判斷矩陣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，得出權重排序，從而選出最佳站址區域。

層次分析法把研究對象作為一個系統，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，能處理許多用傳統的最優化技術無法著手的實際問題；但也存在著指標過多時數據統計量大、權重難以確定、一致性檢驗困難等不足。對于區域性變電站，例如750 kV變電站、1 000 kV變電站、換流站等規模較大的變電站(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。