基于最優組合賦權法的特高壓交直流輸電適用范圍研究

高藝，劉建琴，彭曉濤

(1.囯網北京經濟技術研究院，北京市 102209；2.武漢大學電氣工程學院，武漢市 430072)

基于最優組合賦權法的特高壓交直流輸電適用范圍研究

高藝1，劉建琴1，彭曉濤2

(1.囯網北京經濟技術研究院，北京市 102209；2.武漢大學電氣工程學院，武漢市 430072)

隨著特高壓輸電網建設規模的日益擴大，合理規劃輸電網中交直流輸電方式成為一個迫切需要解決的問題。以基于輸電能力的特高壓交流和直流輸電適用范圍作為研究對象，考慮交直流輸電特性，建立了反映功率傳輸特性、安全穩定性、經濟性等因素的交直流輸電方式的評價指標，采用基于最優組合權重方法，對“點對網”情景下1 000 kV特高壓交流和±800 kV特高壓直流輸電模型進行評估，得到了這2種輸電方式適用范圍。本文提出的方法和模型為未來特高壓電網規劃，特別是為各大能源基地外送輸電方式的選擇提供參考依據。

最優組合權重；點對網；特高壓交流；特高壓直流；輸電適用范圍

0 引 言

近年來，我國特高壓輸電技術及工程建設取得了突破，并于2009年建成了晉東南—南陽—荊門1 000 kV特高壓交流試驗示范工程，2010年建成向家壩—上海±800 kV特高壓直流示范工程、云南—廣東±800 kV特高壓直流輸電工程，2012年建成錦屏—蘇州±800 kV特高壓直流輸電工程。特高壓交流和直流輸電技術均具有電壓等級高、輸電容量大、輸電損耗低等特點，1 000 kV交流輸電中間可以落點，電力的接入、傳輸和消納十分靈活，具有構建網架功能；±800 kV直流輸電兩端直流中間不能落點，不具有構建網架功能，必須有穩定的交流電壓才能正常運行，需要依托堅強的交流電網才能充分發揮作用。

交流和直流輸電的工作原理和技術特性不同，在進行交流和直流輸電方式的選擇時，首先應充分論證兩種輸電方式是否滿足送端、受端系統功率傳輸需求和安全穩定要求，在此基礎上從規劃的角度，對擬建輸電線路是否存在中間落點需求進行評估，進而選擇輸電方式。如果輸電線路不需要在線路中間建設變電站實現與線路沿途電網的功率交換，例如大型能源基地輸送，那么交流、直流兩種輸電方式就主要用于實現送端系統到受端系統的“點對網”直接輸電。國內外有些關于特高壓交流和直流輸電方式、能力和適用場合研究[1-5]，但對僅考慮輸電能力情況下兩者輸電適用范圍的研究相對較少。

本文主要針對“點對網”情景進行分析，考慮功率傳輸特性、經濟性、環境影響等方面因素，采用基于矩估計理論的最優組合賦權方法，建立綜合優選模型，在僅考慮輸電能力情況下研究1 000 kV交流和±800 kV直流輸電適用范圍。

1 評價指標

由于特高壓交流輸電和直流輸電在技術特點上存在較大差異，因此在構建特高壓交流、直流輸電適用范圍評價指標體系時，既要盡可能反映各輸電方式實際運行情況，又要充分考慮各指標的可行性和適用性。通過分析特高壓交流和直流輸電在經濟、技術特點上的共異性，本文從功率傳輸特性、經濟性、安全穩定性能等方面提出了最大傳輸功率、單位容量年費用、強迫停運時間、輸電走廊、受端電網強度變化等5個評價指標。

1.1 最大傳輸功率

最大傳輸功率是指確定的輸電方案最大可用輸電能力，體現了所確定交流、直流輸電方案的功率傳輸裕度。交流線路的最大傳輸功率是考慮熱穩定限制、電壓降落限制、靜態穩定限制等約束條件的最大輸電能力。直流線路的最大傳輸功率采用已確定的直流電壓等級對應的額定輸送容量的1.03倍[6-7]。

1.2 單位容量年費用

單位容量年費指標是指年費用除以輸送容量，用來衡量輸電方案的經濟性。其中，年費用由投資成本(年值)CA、輸電損耗CL、運行維護費CM這3個部分組成，且有

(1)

式中：CP為工程投資；r為折現率；t為工程運營期。

CL=PoΔE(1-rs)

(2)

式中：Po為上網電價；ΔE為損耗電量，其值為線損功率與損耗利用小時數的乘積；rs為電廠利潤率。

CM=Corm

(3)

式中：Co為資產固定原值，近似為工程投資Cp；rm為運行維護費率。

工程投資參考文獻[8]，損耗利用小時數取4 000 h，運營期t按8年考慮，折現率r為8%，上網電價Po為0.3 元/(kW·h)，電廠利潤率rs為8%。

1.3 強迫停運時間

強迫停運時間描述1年內由于輸電系統或輸電設備故障引起的輸變電設施發生強迫停運的小時數。

目前缺乏1 000 kV交流、±800 kV直流輸電線路的統計數據，本文取2009—2012年750、500 kV交流架空線路強迫停運時間[9]的平均值作為1 000 kV交流架空線路的強迫停運時間，其中500 kV交流輸電線路強迫停運時間按式(4)所示方法確定，750 kV線路強迫停運時間計算同理。

(4)

式中：tS為線路的強迫停運時間；tij為第j條線路第i年的強迫停運時間；m為統計的運行單位個數，n為統計的年度數。

取2009—2012年±500 kV及以上電壓等級的直流輸電工程的強迫停運時間平均值作為±800 kV直流的強迫停運時間，計算方法如式(4)所示。

1.4 輸電走廊

輸電走廊用于反映各輸電方案對土地資源的占用以及對環境的影響。在輸送相同功率的情況下，直流輸電比交流輸電更能充分利用線路走廊資源。本文1 000 kV交流單回輸電線路走廊寬度取81 m，±800 kV直流單回輸電線路走廊寬度取76 m。

1.5 受端電網強度變化

受端電網強度變化用受端電網單相短路容量變化表示。受端電網單相短路容量是按照戴維南等值法，將受端電網在輸電線接入節點處等值進行求取。500 kV受端電網如圖1所示，在輸電線接入節點處的強度可表示為UeIr(Ue為額定電壓，Ir為500 kV斷路器額定短路開斷電流)，Ir=63 kA，500 kV受端電網的單相短路容量可估算為500 kV×63 kA×1.732=54 558 MVA。

圖1 交流輸電方案等值系統

當采用交流輸電方式時，交流輸電線路引起的受端電網輸電線路接入點的短路電流為

(5)

式中：X*為從送端系統等值發電機G到短路點f處總阻抗的標幺值；Ib為所取電流基準值。

當采用直流輸電方式，由于直流輸電控制技術可不改變受端電網的短路容量，因此，受端電網的單相短路容量無變化，受端電網強度變化為0。

2 最優組合賦權方法

根據輸電容量和輸電距離的需求，進行基于輸電能力的特高壓交流和直流輸電適用范圍研究，實質是一個復雜的多目標決策問題。評估時無論采取什么樣的求解方法，一般需要確定各指標的相對重要程度。重要程度常用指標的權重系數反映，權重系數的變化將直接影響評估結果的科學合理性。目前，根據原始數據來源確定的權重系數方法主要有主觀賦權法和客觀賦權法。為了克服主觀賦權法的隨意性和客觀賦權法可能存在的與實際相悖的問題，本文在計算各指標的主觀權重和客觀權重后，提出采用基于矩估計理論的最優組合賦權方法得到各評價指標的最優權重，建立綜合優選模型，選擇最佳輸電方案。

2.1 主觀賦權法

2.1.1 改進G1法

改進G1法是引入排序一致性原理，修正評價指標二元比較的定性排序矩陣，消除主觀判斷可能引入的誤差，確定評價指標的序關系，然后建立評價指標的定量標度與語氣算子之間的對應關系，從而確定評價指標之間的相對權重。具體步驟如下。

(1)確定序關系。對于評價指標集D={d1，d2，…，dm}，若評價指標dk重要性程度大于(或不小于)dl時，則序關系記為dk>dl。進行重要性二元比較，以fkl表示重要性定性排序標度，若dk較dl優越，取fkl=1，flk=0；若dk與dl同樣優越性，取fkl=flk=0.5；若dl較dk優越反之，取fkl=0，flk=1。得到因素集的重要性二元對比矩陣

(6)

(2)確定評價指標dk-1與dk間相對重要程度。一般，最多需要9個標度來區分事物之間質的差別或不同的重要性程度。指標間重要性程度之比根據表1所示9個標度的語氣算子取值。

(3)確定評價指標的相對權重。根據重要性程度之比rk的值，可確定指標的權重wn，即

(7)

表1 語氣算子程度

(8)

2.1.2 改進層次分析法

改進層次分析法是建立一種新的指數標度，避免傳統層次分析法因采用對應9個評價等級的標度所可能導致的評價結論錯誤或一致性檢驗錯誤的問題[9-10]。該方法將判斷等級分為6個等級，考慮比較傳遞性，兩個指標E和F之間的語氣算子標度定義如表2所示。

表2 比例標度及含義

以表2所示數據為依據，進行指標間比較，構建判斷矩陣A=(aij)n×m，求出特征值所對應的特征向量，歸一化后即為權重向量。

2.2 客觀賦權法

2.2.1 熵權法

熵權法主要是根據各評價指標傳輸給決策者的信息量的大小來確定指標權重，指標的熵值越大，表明各方案在該指標上的差異越小，對評價結果影響也越小，則其權值也越小[11]。例如，各被評價對象在指標i上的值完全相同時，熵值達到最大值1，熵權為0，也意味著該指標向決策者未提供任何有用信息，該指標可以考慮被取消。

應用熵權法時，首先確定方案集B對指標集D的決策矩陣X。在評價指標體系中，各指標間由于在內容、量綱以及取值優劣標準等方面均有不同，故無法按照多目標規劃的基本思想綜合成一個單指標，因此有必要將各種指標值轉化為相對統一的尺度，這個過程稱為標準化。決策矩陣X標準化后為R=(rij)m×n。

然后，計算各評價指標的信息熵，即

(9)

最后，第i個評價指標的權重為

(10)

2.2.2 標準差和平均差賦權法

標準差和平均差賦權法[12-13]中，為使所有評價指標的總標準差和總平均差最大，選擇加權向量W的目標函數為

(11)

式中：sj(W)為標準差；Vj(W)為平均差；α和β體現為決策者的偏好，α=0表示決策者只考慮平均差而不考慮標準差，β=0表示決策者只考慮標準差而不考慮平均差，α、β不為0表示標準差和平均差兩者均被考慮，且有α+β=1，α>0，β>0。

進而得到第j個評價指標的權重

(12)

2.3 最優組合賦權方法

最優組合賦權方法是采用一種基于矩估計理論的主觀權重與客觀權重的集成賦值方法。基本思路是：對第j個評價指標Gj(1≤j≤m)分別從主觀權重總體和客觀權重總體中抽取l個樣本和(q-l)個樣本，則共有q個樣本。對于最終構建的第j個評價指標權重wj(1≤j≤m)，需要滿足wj與q個主客觀權重的偏差越小越好[13]。本文根據改進G1法、改進層次分析法、熵權法、標準差和平均差賦權法得到了4個指標權重樣本，其中2個主觀權重樣本，2個客觀權重樣本。通過基于矩估計理論的最優組合賦權確定各評價指標的最優權重，即對于第j個指標，最終構建的權重wj，滿足wj與4個權重偏差越小越好。

對于同一指標的不同屬性，其主觀權重與客觀權重的相對重要程度不同，設主觀權重與客觀權重的相對重要程度分別表示為λ和γ。采用線性加權方法，將m個指標的目標最優模型轉化為式(14)所示的單目標最優化模型，以集成權重ωj與主觀權重wkj、客觀觀權重wpj偏差最小為目標

(13)

式中H為由各評價指標集成組合權重構成的權重向量。

2.4 評價指標值綜合模型

本文采用公式(14)所示模型將5個評價指標值綜合成一個評價值。

(14)

式中：Xi為第i個指標歸一化的權分量；αi為最優組合權向量中第i個指標的權重。

3 基于輸電能力的特高壓交流和直流輸電適用范圍

3.1 輸電模型

本文給定的線路輸送容量是8 000 MW，輸電距離為是600～1 600 km，受端電網電壓等級為500 kV，短路電流水平為63 kA。

1 000 kV特高壓交流線路采用8×630 mm2導線。隨著輸送距離的增長加，線路每300 km增設1個開關站，全線加裝串補度不超過45%。據此，僅考慮輸電能力的1 000 kV特高壓交流“點對網”輸電模型見圖2，配置見表3。

圖2 特高壓交流“點對網”輸電模型

±800 kV特高壓直流輸電參數如下：額定電流5 000 A，導線截面6×900 mm2，接線方式400 kV+400 kV雙12脈動接線。整流側和逆變側交流電壓均為500 kV[6-7]。

表3 輸電容量為8 000 MW時1 000 kV交流輸電模型的參數配置

3.2 研究步驟

(1)輸電容量8 000 MW情形下，確定1 000 kV特高壓交流和±800 kV特高壓直流輸電方案評價指標的屬性值，進而確定各評價指標歸一值。根據5個評價指標定義、取值，以及交流輸電模型，結合實際工程經驗，特高壓交流和直流輸電方案評價指標屬性值如表4、5所示。由于各評價指標之間存在量綱和級別上的差異，為了消除量綱和級別帶來的不可公度性，決策之前應將評價指標進行歸一化處理。表6給出特高壓交流、直流方案的指標屬性值歸一化結果。

表4 1 000 kV特高壓交流輸電評價指標屬性值

表5±800kV特高壓直流輸電評價指標屬性值

Tab.5Evaluationindexpropertyvaluesof±800kVUHVDCtransmissionmode

(2)根據最優組合賦權方法確定各指標綜合權重。根據改進G1法和改進層次分析法得到的各評價指標主觀權重如表7所示。根據熵權法、標準差和平均差賦權法確定的各評價指標客觀權重分別示于表8、9。在已確定的各評價指標主觀和客觀權重基礎上，采用等權的線性加權方法，即公式(13)中相對重要程度λ和γ均取0.5，根據基于矩估計理論的最優組合賦權法得到各指標的最優組合權重，結果如表10所示。

表6 各評價指標歸一值

表7評價指標主觀權重

Tab.7Evaluationindexweighvaluesusingobjectivemethods

表8評價指標客觀權重(熵權法)

Tab.8Evaluationindexweighvaluesusingentropy-weighmethod

表9評價指標客觀權重(標準差和平均差賦權法)

Tab.9Evaluationindexweighvaluesusingstandarddeviationandmeandifferencemethod

表10 評價指標最優組合權重

(3)根據式(14)和表6、10所示數據，計算得出1 000 kV特高壓交流和±800 kV特高壓直流輸電方案綜合評價值，見表11。由表11可知：輸電距離小于1 000 km時，1 000 kV特高壓交流輸電方案的綜合評價值較±800 kV特高壓直流輸電方案大；當輸電距離大于1 000 km時，1 000 kV特高壓直流輸電方案的綜合評價值較±800 kV特高壓交流輸電方案小。

表11 特高壓交流和直流輸電方案綜合評價值

(4)推薦1 000 kV特高壓交流和±800 kV特高壓直流輸電最優輸電距離。本研究中由于各評價指標的屬性值已經轉化為越大越優型評價指標，故綜合評價值f越大的方案越優。由表11可知，在僅考慮輸電能力情況下，輸送容量為8 000 MW，1 000 kV特高壓交流和±800 kV特高壓直流輸電臨界距離是1 000 km；當輸電距離大于1 000 km時，±800 kV特高壓直流輸電綜合評價占優勢。

4 結 論

(1)為克服主觀賦權法、客觀賦權法的缺點，達到即反映決策者的主觀性和經驗，又考慮被評估對象的實際情況目的，本文采用基于矩估計理論建立目標權重的最優組合賦權模型，通過求解模型的最優解以確定綜合評估中各指標的最佳組合權重，并建立了綜合優選模型。

(2)以1 000 kV交流和±800 kV直流輸送電容量8 000 MW為例，研究各輸電方案的綜合最優適用范圍。研究結果表明，在僅考慮輸電能力情況下，輸送容量為8 000 MW，1 000 kV特高壓交流和±800 kV特高壓直流輸電臨界距離是1 000 km，當輸電距離大于1 000 km時，±800 kV特高壓直流輸電綜合評價占優勢。

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(編輯：蔣毅恒)

ApplicationScopeofUHVAC/DCTransmissionBasedonOptimalCombinationWeightingMethod

GAO Yi1, LIU Jianqin1, PENG Xiaotao2

(1. State Power Economic Research Institute, Beijing 102209, China;2. School of Electrical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, China)

The decision of UHV AC or UHV DC transmission mode in bulk power system planning is a problem with the fast development of UHV transmission network. This paper focused on the application scope of UHV AC and UHV DC transmission distance based on the transmission capability. The evaluation indices were proposed for the AC and DC transmission mode, with considering AC and DC transmission characteristics, power transmission characteristics, security and stability, economic efficiency, etc. The models of 1 000 kV UHV AC and ±800 kV UHV DC transmission were estimated under ‘point to network’, by using optimal combination weigh method, and the application scopes of these two transmission modes were obtained. The proposed method and model can provide reference for UHV transmission network planning in the future, especially for the selection of power delivery mode for each large energy base.

optimal combination weighs; point to network; UHV AC; UHV DC; transmission application scope

國家電網公司大電網重大專項課題(SGCC-MPLG019-2012)。

TM 75

： A

： 1000-7229(2014)06-0069-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.06.013

2013-12-23

：2014-02-21

高藝(1973)，女，博士，高級工程師，主要從事電網規劃工作，E-mail：gaoyi@chinasperi.sgcc.com.cn；

劉建琴(1971)，女，學士，高級工程師，主要從事電網規劃工作；

彭曉濤(1971)，男，博士，副教授，主要從事電力系統規劃、儲能技術及其在電力系統中應用的研究工作。