水電站電氣主接線方案的多級模糊綜合評判

包曉暉

(福建水利電力職業技術學院,福建 永安 366000)

1 前 言

水電站電氣主接線設計是水電站電氣設計的首要部分,也是構成電力系統的重要環節。主接線的確定與電力系統整體及水電站本身的運行可靠性、靈活性和經濟性密切相關,并且對電氣設備選擇、配電裝置布置、繼電保護、自動裝置和控制方式以及今后的運行管理等有較大影響,從這個意義上講它同時也是一個復雜問題,直接由原始資料來確定最佳方案相當困難。方案評價在整個設計過程中起著重要作用,是方案調整與最佳方案確定的基礎。長期以來,主接線設計方案的評價主要依據設計者的經驗和經濟的簡單比較給出定性的評價,人的主觀因素影響較大。由于設計方案的評價因素很多,很難保證評價的準確性和客觀性,因此需要建立一個完整的評價模型來刻劃設計方案的評價過程。

主接線設計方案評價因素涉及面很寬,且因素之間存在一定的層次關系,一般按主接線的基本要求分為可靠性、靈活性、發展性、經濟性等。人們對每個因素的評價標準是不同的,且這些因素對設計方案優劣的影響程度也不同,很難用單一模式來評價。整個方案評價應是各個評價因素的綜合。這些因素的評價與綜合通常應用以經典集合論為基礎的數學方法進行描述,但是存在著方法本身固有的局限性。本文應用以模糊集合論為基礎的模糊數學方法建立設計方案的多級模糊綜合評判模型。

2 多級模糊評判建模及模型分析

多級模糊評判模型由評價因素集、因素權重集、評價集、隸屬函數及單因素評價矩陣、模糊操作算子等幾部分組成。

2.1 評價因素集

決定水電站電氣主接線設計方案質量的因素主要有供電可靠性、運行靈活性、工程發展性、投資經濟性,因此評價因素集為:

式中 V1——供電可靠性;

V2—— 運行靈活性;

V3—— 發展性;

V4—— 經濟性。

其中每個因素 Vi(i=1,2,3,4)中又由一些子因素 Vij、Vijk(j,k=1,2,3,4)構成。表1詳細給出了主接線方案評價因素集及其層次關系。由此可以看出,本文采用的是三級模糊綜合評判。

2.2 因素權重集

為了反映各個因素對主接線設計方案的重要程度應建立因素權重集。各個因素的權重可視為它們對“重要”的隸屬度,因此因素權重集可視為因素集上的模糊子集,表示為:

評價因素權重的確定是設計者對該領域問題理解的一個重要方面,是設計者經驗和用戶意志的體現。它們相當程度上決定了多級模糊綜合評判的可信度和正確性。因此有必要采取適當的方法將這種理解程度、經驗、用戶意志量化。確定權重值的方法有:層次分析法(AHP)、專家評判和直接給出法等。

但是,一般對部分因素間重要程度的認識存在有限性和主觀性,而直接給出所有因素間權重有困難。再者,因素子集中的各項性能指標的重要性是相對的,例如:可靠性與經濟性,可靠性較為重要,但是如果某一個設計方案的經濟性低到可允許的標準之下,盡管可靠性很高,這個方案還是很差的。這表明當一個因素(如可靠性)低于某一閾值或者高于某一閾值時,可能導致另一因素(如經濟性)的權重不足,則應適當提高該權重值。所以,由于實際問題的復雜性,權重集的確定常先由經驗確定出初始值,再通過一致性或者合理性的檢驗,然后進行局部調整,進而確定權重值。設計者在決策過程中對每一個因素的權衡都要隨具體進程的不同空間位置和時間停留而不斷修改調整,甚至發生大的跳躍。因此,因素權重是時間和空間狀態的函數,條件許可則應建立該模型函數,以便合理確定權重值。

表1 某水電站主接線方案評價因素及評價

2.3 單因素評價矩陣與模糊綜合

電氣主接線設計方案的因素評價一般分為好、中、差三個等級,因此評價集為:

式中 K1=好;

K2=中;

K3=差。

上式可量化為 K=[80,60,30]。方案評價首先進行單因素評價,然后根據各個因素的重要程度運用模糊運算法則作模糊綜合,形成主接線設計方案的綜合評判。單因素評價,即根據各個因素的特征值建立因素集 V對評價集 K的隸屬關系(隸屬函數)。模糊綜合,即在選擇恰當的模糊操作算子的基礎上分級合成對各因素的評價。

單獨從一個因素出發進行評判,以確定因素集元素對評價集元素的隸屬程度,構成單因素評判矩陣。設因素集 V中第 i個因素 Vi對評價集 K中第 j個元素 Kj的隸屬度為 Rij,則第 i個因素的評價結果可用模糊集合表述為 ri=ri1/v1+ri2/v2+ri3/v3。將因素集 V中各元素的單因素評判集按照它們的層次關系組成單因素評判矩陣 R1、R2、R3、R4。

通過建立主接線設計方案的因素權重集和單因素評判矩陣,可進一步選取恰當的模糊操作算子分級合成因素權重集和單因素評判矩陣,從而得到設計方案的綜合評價值。由評價因素集可知方案合成分為三級,組成了三級模糊綜合評判模型。

3 程序設計

電氣主接線設計方案的模糊綜合評判程序由方案輸入及預處理、模糊綜合評判、結果分析三部分組成。方案輸入及預處理包括:輸入主接線設計方案并作數據化處理和確定隸屬函數的相關參數;模糊綜合評判包括:在層次分析法的基礎上采用交互的方式確定各級評價因素的權重、計算各因素對評價集的隸屬度形成單因素評價矩陣、利用模糊算子作模糊綜合評判等;結果分析環節包括:分析綜合評價結果及局部評價信息、選擇方案調整的策略、最終確定設計方案等。具體程序從略。

4 實例分析

4.1 系統聯接情況

某水電站裝機 2×8MW,是地方電網的骨干電站,擬采用一回 110kV與電力系統相連,二回 35kV線路,其中一回與附近一變電站相連,另一回向工廠供電,電站無近區負荷。

4.2 初擬方案

方案 A:擬采用 2臺三繞組變壓器,與發電機組成單元接線,110kV線路采用單母線接線,35kV側接線也采用單母線接線(見圖1(a))。

方案 B:擬采用 1臺三繞組變壓器,發電機電壓側采用擴大單元接線,110kV出線變壓器—線路單元接線,兩回 35kV出線采用單母線接線(見圖1(b))。

圖1 某水電站主接線方案

方案 C:擬選擇 2臺主變可并聯運行的接線方式,110kV側采用單母線接線,35kV側采用外橋接線,發電機電壓側采用正常運行不并列的單母線分段—變壓器組接線,即單母線分段接線中省略主變低壓側斷路器的接線,相當于橋形接線(見圖1(c))。

4.3 評 價

劃分主接線方案的 4個評價主因素及評價子因素,并確定相應的權重,再經專家對評價子集中的各因素進行評價,結果見表1。

4.4 根據單因素模糊集合組成評價子集的單因素評判矩陣(見表2)

表2 某水電站主接線方案評價子集的評價矩陣

4.5 綜合評價

進一步選取加權平均型的模糊操作算子合成因素權重集和單因素評判矩陣,從而得到設計方案的綜合評價值(見表3)。

4.6 分 析

由上述結果可比較三個方案二級、三級綜合評判的模糊分布和設計方案的綜合評價值 W。

方案 B為最差方案(綜合評價值 51.8分)。從評判矩陣V可知,B方案雖然在經濟上最節省,但在最重要的指標——可靠性方面呈明顯劣勢,且該方案的靈活性較差;方案 A、方案 C在各項性能指標方面基本合格,但從綜合指標來看,方案 C為最佳方案。一般認為,若綜合評價值 W＜60,設計方案不合格,必須進行方案調整;若 W＞60,設計方案基本合格,可以進行下一步優化設計;若 W＞80,則設計方案已達到優良水平。

表3 某水電站主接線方案綜合評價值

5 結 論

主接線設計方案評價是水電站電氣設計過程中的一個重要環節,方案評價的模型化和量化是實現電氣設計智能化的組成部分。實例分析表明:本文建立的電氣主接線方案的多級模糊綜合評判模型是有效的,評價結果是正確、可信的。設計者可根據該模糊評判結果,確定方案調整的策略與調整幅度,逐步實現水電站設計過程的智能化。

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