基于模糊物元法的電壓等級優選

顏京忠 ，孫明信 ，王 磊 ，王 巖 ，季翠娜

（1.國網山東蓬萊市供電公司，山東 蓬萊 265600；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001）

基于模糊物元法的電壓等級優選

顏京忠1，孫明信2，王 磊1，王 巖1，季翠娜1

（1.國網山東蓬萊市供電公司，山東 蓬萊 265600；2.國網山東省電力公司，山東 濟南 250001）

為在配電網規劃中合理選擇電壓等級，提出模糊物元法進行電壓等級優選。通過層次分析法對電壓等級評價指標進行權重排序，并從電網安全、經濟、可靠3個一級指標體系進行綜合評價，全面分析不同電網分布模式下的電壓等級優選，并對蓬萊市電壓等級進行綜合評價，研究結果對電網電壓等級選擇具有一定指導意義。

指標體系；層次分析；模糊物元；電壓等級優選

0 引言

在配電網規劃中，電壓等級優選能夠使供電可靠性、網絡結構和投資達到綜合最優。近年來，隨著電力負荷的增長和電力設施的建設，很多地方電網逐漸形成以110 kV和35 kV兩個高壓配電網電壓等級同步發展的局面，即 220kV／110 kV／10 kV，220 kV／35 kV／10 kV。面對這種局面，綜合比較配置技術經濟性更優的電壓等級，為未來電網發展提供借鑒，是當前面臨的一個重要問題。

目前，國內已有一些學者對電壓層級優選做了一定工作。姜祥生［1］闡述了中壓10 kV升高為20 kV的必要性、可行性、技術經濟的合理性；蘇衛華和施偉國［2］針對上海市南地區電網，提出了一種基于變電站分布模型的電壓等級優化方法；馮景［3］構建了配電網電壓層級優化的數學模型，以年綜合費用最小為目標，分別構建了經濟評估體系和技術評估體系進行電壓等級的評估和選取。

雖然學者已對電壓層級優選開展了一定工作，但鮮有針對 220 kV／110 kV／10 kV，220 kV／35 kV／10 kV兩種電壓等級的研究。因此對上述兩種電壓等級優選展開研究，其關鍵點主要包括評價體系的構建，指標權重的確定，模糊物元法的應用以及電壓等級的優化配置。

1 層次分析法確定權重

層次分析法（AHP）［4］根據需求確定相應的因素，并按照各因素間的關系進行層級分級，形成一個包含多層次的模型，最終轉化為各層級對上一層級相對權重的問題。

1）構造層次結構模型。

根據其關系將需求目標、原則和方案劃分為最高層、中層和最低層，并制定層次結構圖。

2）構造判斷矩陣A。

判斷矩陣表示各指標體系相互間權重關系。判斷矩陣的元素用1～9標度方法［5］給出，成對比較的因素不宜超過9個。

圖1 AHP實施流程圖

3）層次單排序及其一致性檢驗。

對判斷矩陣進行歸一化處理后，各橫行求和后再進行歸一化處理即得本層對上一層各因素的權重值。該值能否適用需要進行一致性驗證。一致性指標為

式中：λ為最大特征根；n為矩陣階數；CR為一致性比率；RI為隨機一致性指標（RI可查）。判斷矩陣符合一致性要求，否則進行調整或重構。

4）層次總排序及其一致性檢驗。

總排序一致性檢驗：

在RI≤0.1時，就認為B層內總的排序結果能得到滿意的一致性。

2 模糊物元評價模型

假設有n個評價，那么則有m個選擇的評價指標，通過變換能夠將屬性值轉變成從優隸屬度。

效益型指標（越大越好）

對于成本型指標（越小越好）

模型構建過程。

1）構建復合模糊物元。

2）確認矩陣Rmn從優隸屬的最大值。

3）假如 Δij=［u（x0）－u（xij）］2，i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n，那么構成差平方復合模糊物元

重要度Rk＝wRh，其中w為排序指標的權重值向量，其值大小代表優先推選的排列順序。

3 電壓等級評價體系

電壓等級評價指標如表1所示。

建設費用。包括變電站的綜合費用、高壓線路的綜合費用、中壓線路的綜合費用。

表1 電壓等級評價指標

短路電流。配電網中壓配電電壓的確定，受到各種條件的制約，其中要考慮到與上下級電網電壓的協調發展。該系統采用典型變壓器容量，根據主變壓器兩側短路容量選擇主變壓器，計算變壓器兩側三相短路電流為

式中：SN為額定容量；I1為原邊短路電流；U1為原邊電壓；U2為變壓器副邊電壓。

電壓偏差。為確保不同供電方式下對用戶供電的質量，還需對電壓偏差進行分析。各級線路電壓降和電壓損失百分數的計算公式為

式中：θ為線路功率因數角；r為單位長度線路電阻；x為單位長度線路電抗。

4 基于模糊物元分析的電壓等級決策模型

綜合考慮電網實際負荷各有差異，220 kV變電站分布位置不同，提出在不同模式下［13］進行電壓等級優化配置。

表2 電壓等級配置的3種模式

4.1 高壓變電站規模

模型符號定義：P為該區域供電負荷，MW；n為每個變電站變壓器臺數；C為變壓器容量；k為變電站負載率；A為整個供電面積；nh為變電站座數。

單座變電站供電面積

平均站間距

變電站高壓進線總長度

4.2 中壓規模

λ配電變壓器平均負載率，Cb變壓器容量，則該區域變壓器臺數nb為

中壓線路采用近似等效方法進行核算，近似為高壓變電站中壓饋線出線數與變電站供電半徑的乘積。

4.3 電網損耗計算

4.3.1 變損計算

對變壓器損耗作近似處理，計算公式為

式中：P0為變壓器空載損耗；Pk為短路損耗；β為變壓器損耗負載率。

4.3.2 線損計算

線損計算公式為

式中：r為線路電阻；l為線路長度；U為運行電壓；S為視在功率。

4.3 電壓等級優化配置

根據模糊物元理論優化配置方案如表3所示。

表3 電壓等級優選

5 電壓等級優選實證研究

5.1 項目基本概況

蓬萊市位于膠東半島北端，區域面積為1 128.6 km2。截至2016年底蓬萊市共有220 kV變電站3座，主變6臺，變電容量960 MVA。共有110 kV及以下變電站23座，其中110 kV變電站11座，主變20臺，總容量865.5 MVA，35 kV變電站12座，主變24臺，總容量265.1 MVA。

根據產值單耗法、時間序列回歸法等預測方法得到遠景年負荷為956.4 MW，蓬萊電網供電面積1 051.85 km2，平均負荷密度為 0.91 MW ／km2，進行遠景年規模估算。輸電和變電部分的建設費用，根據國網近幾年的工程概算來進行測算，比較接近于實際情況，如表4～5所示。

5.2 實證項目評價指標體系構建

蓬萊市電壓等級優選項目評價指標體系考慮安全、經濟、可靠3方面指標，并作為一級指標，下設7個二級指標，分別為變損電量、線損電量、建設費用、短路電流、N-1通過率、平均停電時間和電壓偏差。

表4 電網規模估算

表5 各電壓等級指標

5.2.1 評價指標權重確定

1）構造層次結構模型。

將目標（選擇電壓等級）、考慮因素（變損電量、線損電量、建設費用、短路電流、N-1通過率、平均停電時間、電壓偏差）和方案按其關系繪制層次結構如圖2所示。

圖2 層次結構模型

2）構造判斷矩陣A以及權重確定。

判斷矩陣用1～9標度方法和德爾菲法通過三輪征詢對一級、二級指標進行權重分配。

判斷矩陣A表示經濟、安全、可靠元素對選擇電壓等級重要性的比較，B1、B2、B3為各二級指標分別對經濟、安全和可靠重要性的比較。

同理，矩陣 B1的特征向量 w1=（0.25，0.25，0.5）T，最大特征值 λmax=3；矩陣 B2的特征向量 w2=（0.75，0.25）T，最大特征值 λmax=2；矩陣 B3的特征向量w3=（0.75，0.25）T，最大特征值 λmax=2；三者 CR=0＜0.1，均滿足一致性檢查。則各二級指標權重大小為（0.02655，0.02655，0.0532，0.4752，0.158，0.1955，0.065）T

5.2.2 模糊物元評價模型

1）構建復合模糊物元矩陣。

2）構造差平方復合模糊物元。

利用關系度和各個指標權重代入Rk=wRh，結果為：Rk=（0.053 1，0.946 9）最終得出電壓等級優選排名見表6，經對蓬萊現狀電網進行分析，遠景年負荷密度較小，除北部城區為B類供電區外，其他地區均為C、D類供電區域，負荷分布相對分散，可近似為點負荷，符合模式3場景。根據模糊物元法得出110 kV和35 kV電壓等級分別排名為第2、第1名次，依據排名結果推薦發展35 kV電壓等級。

表6 電壓等級優選排名

6 結語

提出基于模糊物元法進行電壓等級優選，結合220 kV電源定位、負荷分布等特征，提出了3種不同計算模式，選取包括經濟、可靠、安全在內的7種評價指標進行評價。依據負荷密度不同，得出在各種情況下電壓等級優化配置結論，并結合蓬萊市實例進行驗證。根據蓬萊電網實際情況，若統一電壓等級，運用模糊物元分析法推薦35 kV電壓等級，該結論對高壓配網規劃和建設具有一定指導意義。

［1］姜祥生.城網配電電壓等級研究［J］.電網技術，1999，23（2）：31-33.

［2］蘇衛華，施偉國.基于變電站分布模型的電壓等級優化配置［J］.電力系統及其自動化學報，2010，22（3）:96-101.

［3］馮景，周步祥，林楠.基于模糊理論的配電網電壓層級優化的應用［J］.四川電力技術，2012，35（1）:43-47.

［4］陳俊華，慕長龍，朱志芳.Excel在物元模型及層次分析法（AHP）中的應用［J］.四川林業科技，2009，30（5）：58-62.

［5］陳大宇，肖峻，王成山.基于模糊層次分析法的城市電網規劃決策綜合評判［J］.電力系統及其自動化學報，2003，15（4）:83-88.

［6］王德榮，王智源，李必鑫.基于模糊物元分析的城市加油站選址決策方法研究［J］.重慶科技學院學報（自然科學版），2008,10（3）:121-124，137.

［7］李麗.京津冀低碳物流能力評價指標體系構建-基于模糊物元法的研究［J］.現代財經（天津財經大學學報），2013（2）:72-81.

［8］魯璐.基于物元可拓模型的土地整理綜合效益評價研究［D］.武漢：華中師范大學，2012.

［9］王亞飛.基于物元評判模型的農地整理綜合效益評價研究［D］.撫州：東華理工大學，2013.

［10］聶萬隆.基于模糊物元法的中國石油企業國際競爭力評價［D］.大慶：東北石油大學，2014.

［11］金方順.基于遺傳算法的多目標模糊物元優化方法研究［D］.杭州：浙江工業大學，2009.

［12］蘇衛國，施偉國.基于變電站分布模型的電壓等級優化配置［J］.電力系統及其自動化學報，2010，22（3）:96-99.

［13］張亞麗.基于vague集的電壓等級序列綜合評價［D］.北京：華北電力大學，2010.

The Optimization of Voltage Grade Based on Fuzzy Matter Element Method

YAN Jingzhong1，SUN Mingxin2，WANG Lei1，WANG Yan1，JI Cuina1
（1.State Grid Penglai Power Supply Company，Penglai 265600，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

In this paper，the fuzzy matter-element method of the voltage grade choice is proposed in the construction of distribution network.By hierarchical analysis，the index weight of voltage grade evaluation is determined，and comprehensive evaluation considering of the grid security，economic and reliable analyze comprehensive optimization under different distribution patterns of grid，and the corresponding conclusion is concluded by analyzing the voltage grade of Penglai city，which has a certain guiding significance for grid construction.

Index system；hierarchical analysis；fuzzy physical element；voltage grade optimization

TM727

B

1007-9904（2017）12-0028-05

2017-11-08

顏京忠（1970），男，高級工程師，從事企業管理工作。