基于模糊優選法的UHVDC雷擊主動防護方案綜合性能評估

毛 濤

（武漢東湖學院 湖北·武漢 430074）

0 引言

特高壓直流輸電(UHVDC)具有輸送容量大、調節速度快等技術優點，特別適用于點對點、大功率、遠距離直接將電力輸送至負荷中心的場合，在我國電力系統中發揮了重要的作用。

包括反擊和繞擊在內的雷擊是導致高壓輸電線路發送故障的重要原因之一，尤其在山區，大部分高壓輸電線路故障源自于雷擊線路而導致的跳閘。到目前為止，世界各國已基本形成一套行之有效的輸電線路常規防雷方法和措施，對提高高壓輸電系統運行可靠性起到了很明顯作用。文獻[6,7]根據雷電定位系統實測數據對某特高壓直流線路雷害風險進行了評估計算，并提出了針對性的繞擊防范措施。文獻[8]分析了特高壓輸電繞擊防雷保護措施，對防雷保護角進行了計算和比較。上述所采用的雷擊防護方法均屬于被動方式。

為減小被動雷擊防護手段失效時UHVDC線路雷擊跳閘對系統的影響，可考慮采用主動性的雷擊防護技術，例如降壓運行和直流功率支援，應用這些方案時，需要綜合考慮方案的經濟性、靜暫態安全穩定性、輸電可靠性等指標，目前工程領域應用較多的綜合性能評估方法主要包括改進層次分析法和模糊綜合分析方法。

本文對特高壓直流輸電線路的主動雷擊防護方案的性能進行了綜合評估。首先介紹了基于降壓運行和緊急功率支援的防護技術的原理和實現步驟。設計了考慮方案經濟性、安全性和可靠性的綜合評估指標體系，給出了各指標的計算方法。采用改進層次分析法和模糊優選方法進行了可行方案的綜合性能評估。給出了本文方法在四川電網中應用的算例。

1 主動防護技術及評估指標體系

1.1 主動雷擊防護技術

本文考慮了兩種適用于UHVDC系統的主動雷擊防護技術，即降壓運行和緊急功率支援。以下簡要介紹兩種技術的原理和實現步驟。

當雷電預警系統發出某直流輸電通道可能遭受雷擊的警告時，從規避可能的雷擊閉鎖對電網造成沖擊的角度出發，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行方式，即降壓主動防護技術。

直流緊急功率支援技術是指當某特高壓直流輸電通道遭雷擊而閉鎖后，將無法繼續通過該通道送出的功率轉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：緊急功率支援技術原理

當某條直流通道發生雷擊閉鎖故障導致其直流功率無法送出時，送端系統內原動機機械功率PM與線路輸送功率Pd的差值PT將增大，不采取相應措施時最終導致轉子加速，系統可能失去穩定。緊急直流功率支援即通過繼續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，通過功率調整可將該直流通道輸送功率由初始的P0調整至Pmod。功率調整率k(MW/s)、調整起始時刻T_start以及調整持續時間T_con(T_end-T_start)都將影響調整效果。一般而言調整率越大，調整時刻越早，持續時間越長，將越有利于增加減速面積，也越有利于提高系統穩定性。

圖2：直流功率調整曲線

1.2 主動雷擊防護方案評價指標體系

圖3為本文提出的UHVDC雷擊主動防護方案的綜合評價指標體系。1級指標包括經濟性、安全穩定性和可靠性，其中安全穩定性又包括靜態和暫態安全穩定性兩個2級評估指標，共計細分為13個3級評估指標。

圖3：雷擊主動防護方案綜合評價指標

2 基于模糊優選的綜合評估

本文綜合評估方法首先應用改進層次分析法確定各指標的權重，然后建立模糊優選模型對各種雷擊主動防護方案的綜合性能進行評估。

2.1 主動雷擊防護方案評價指標體系

特高壓直流輸電線路雷擊主動防護方案的優選實質是綜合考慮經濟性、安全穩定性和可靠性的多目標評價問題。本文采用改進層次分析法(IAHP)來進行指標權重的確定，在此過程中用三標度法取代九標度法，以下給出詳細實現步驟：

（1）利用三標度法求出比較矩陣；

（2）計算Aij的重要性排序指數；

（3）構造判斷矩陣Bij；

（4）求判斷矩陣Bij的擬優一致矩陣B'ij；

（5）求擬優一致矩陣B'ij的特征向量W。

2.2 模糊優選模型

設評估對象集合包括n個方案和m個指標，若方案樣本指標i等權重，則W可表示為W=(1,2,...,m)。

定義目標對指標優值的相對隸屬度為相對優屬度，根據不同指標的特點分別采用固定型、區間型、成本型、效益型目標數學模型，來確定理論的最大相對優屬度和最小相對優屬度，分別表示為：

式中rij為決策方案j指標i的相對優屬度。

方案j與優等方案、劣等方案的差異可用廣義權距離表示為距優距離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i的最大/小相對優屬度。

以uj/1-uj分布表示方案j對優/劣等方案的隸屬度分，以方案j的加權距優距離的平方與加權距劣距離平方的總和最小為目標函數，即：

對式(5)進行求導，并令：

取廣義距離z=2，得到最優值為：

將式（7）記為模糊優選模型，據此可求得所有方案對于優等方案的最佳相對隸屬度向量U={u1,u2,...,un}，則最大隸屬度umax=(u1,u2,...,un)所對應的決策方案即為最優方案。

3 算例分析

3.1 系統模型及參數

四川電網主要供區包括21個地級市，與重慶電網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、華東電網異步互聯的4回常規/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。本文選取評估對象為浙西±800kV特高壓直流輸電線路。

本文基于PSASP 6.282建立四川電網豐大方式下的仿真計算模型，基準容量選取為100MW。發電機模型計及勵磁、PSS和調速系統。負荷模型的構成比例為40%的感應電動機負荷+60%恒阻抗負荷。分別在浙西±800kV直流輸電線路單極和雙極閉鎖運行情況下，對降壓運行和緊急功率支援兩種雷擊主動防護方案進行評估。

3.2 仿真及計算結果

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

表1：降壓運行和緊急功率支援具體方案

選取送端電網即四川電網為參考區域，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主動防雷方案各指標計算結果分別如表2和表3所示。

表2：單極閉鎖時指標計算結果

表3：雙極閉鎖時指標計算結果

采用改進層次分析法（IAHP）求得各指標權重如表4所示。

表4：指標權重計算結果

利用模糊優選算法，得到各種防護方案的隸屬度如表5所示。

表5：防護方案的隸屬度

可以看出，單極閉鎖時降壓運行和緊急功率支援方案的隸屬度分別為0.8444和0.7227；而雙極閉鎖時方案的隸屬度分別為0.8166和0.7577。結果表明：基于降壓運行的主動防雷措施的綜合性能要優于緊急功率支援方案。這是由于降壓運行在切機量和暫態功角穩定這兩個重要指標上明顯優于緊急功率支援，而可靠性指標等兩者大致持平，因此降壓運行方案的綜合性更優。此外，與雙極閉鎖相比，單極閉鎖方式下降壓運行方案優勢更明顯，這是因為單極閉鎖運行狀況下潮流分布指標降壓運行方式更佳，而且兩個方案在功角穩定性指標上差別更明顯。

4 結束語

本文提出了進行特高壓直流輸電通道雷擊主動的方案，并對各種方案的綜合性能評估方法進行了研究。設計了由13個三級指標構成的綜合考慮方案經濟性、安全性和可靠性的評估指標體系，為全面客觀評估雷擊主動防護方案的性能提供了基礎。采用可降低人為主觀性對評價結果影響的改進層次分析法進行指標權重求解，并應用評估結果直觀可靠的模糊優選法進行方案綜合性能評估。本文方法為優選特高壓直流輸電線路主動雷擊防護方案提供了決策依據，對設計提高含特高壓直流輸電系統電網運行安全穩定性的技術具有參考價值。