基于层次分析法的某750 kV变电站规划站址比选研究

罗 勋，刘新刚，郭文斌

(1. 新疆大学，新疆 乌鲁木齐 830047；2. 中国能源建设集团新疆电力设计院有限公司，新疆 乌鲁木齐 830001；3. 国网新疆电力有限公司，新疆 乌鲁木齐 830063)

0 引言

变电站选址是一项复杂的系统工作：从宏观层面上需要考虑与城乡规划的适应性、建设用地性质和规模、压覆矿、文物、环评、水保等基本因素；微观层面上需要与电网规划相适应，有利于提升电网运行的安全稳定性和电能质量[1-3]。从系统一次规划的角度比选站址，需要综合考虑负荷潮流分布[4]、地质地形、运行稳定性和城市规划等多方面的因素，通常很难选到符合各方面条件的站址，因此，需要使用科学的分析方法对变电站选址问题进行量化研究。

到目前为止，专家学者就变电站站址比选取得了许多研究成果。文献[5]使用地理信息系统(geographic information system，GIS)和可拓综合优度评价方法，结合实际工程问题，从中选出变电站选址的影响因子，建立指标体系并且将影响因子量化得到相应的权重，利用GIS建立模型并求解，得到最优选址方案，此方法提高了选址的合理性和工作效率。文献[6]利用层次分析法(analytic hierarchy process，AHP)和熵权法对变电站选址进行分析，将层次分析法得出的权重与熵权法得出的权重相结合考虑，使得变电站选址方案更合理。文献[7]和文献[8]分别针对城市变电站选址和需求侧响应资源的价值特性，运用层次分析法[9]计算得到各个影响因子的权重，最后得出最佳选中方案和最佳需求侧响应项目的实施效果。这些都是对于电压等级较低、供电半径较小、电网问题少、仅从负荷供电和供电可靠性角度开展的选址研究。

本文针对750 kV变电站规划站址比选进行研究，基于六个主要因素建立评价体系模型，运用层次分析法确定最佳站址。

1 影响变电站选址的因素

根据DL/T 5218—2012《220 kV～750 kV变电站设计技术规程》[10]，变电站站址选择在系统一次方面的影响因素包括网络结构、负荷分布、发展规划和进出线条件等。本文针对新疆特殊的电网结构和负荷分布特点，从变电站运行的安全可靠性、经济性、周围环境等多角度要求分析，得到影响750 kV变电站选址的六个主要因素：抑制短路电流、供电能力、进出线条件、送出投资、电源接入和地形地质。对这些因素进行详细分析如下：

1)抑制短路电流：随着新疆电网规模的不断扩大，电压等级不断提高，短路电流超标问题显得愈发严重，即使替换为具有更高开断能力的断路器，也无法满足要求。为了使电网安全稳定运行，文献[11]经过理论分析，发现优化电网结构，使高低压电磁环网打开实现分区域供电可以有效抑制短路电流，这对变电站的选址提出了更高要求。

2)供电能力：作为变电站选址的一个影响因素，深刻影响变电站规划设计、电网结构的优化和设备的利用率。供电能力与变电站负载率、负荷密度、供电半径密切相关，因此，需要进行详细分析。

3)进出线条件：变电站选址规划时，结合城市规划，满足本地长远规划，规划时注意对进出线留有一定的空间，不能出现线路之间的相互交叉跨越，统一安排终端塔建位置，选择最适合的进出线方案。

4)送出投资：变电站将电能通过线路输送分配到各个电网，这部分所需的投资费用为送出投资。送出线路规划是电网规划重要一部分，变电站的选址直接影响投资费用的大小，需要经过详细分析才能保证经济性。

5)电源接入：变电站选址时，要考虑周围新能源场站的接入条件，利于新能源的建设。

6)地形地质：变电站选址应选在地形地质好的地方，能满足长期安全稳定运行。不可建在地震带、泥石流、滑坡等不良地质构造上，避开矿洞、溶洞等地区，在有利于施工条件的同时还要注意保护自然环境。

2 层次分析法选址思路

层次分析法是将一个复杂问题分解为不同的层次与若干影响因素，以此为基础进行分析和决策。常规的定量分析方法是对数量特征、数量关系与数量变化进行分析，而层次分析法主要是从评价者对评价问题的本质、要素的理解出发，比一般的定量方法更讲求定性的分析和判断。

层次分析法把这些影响因素分成目标层、准则层和方案层等。通过比较每两个影响因素的重要程度构造判断矩阵A，从而建立多层次的结构模型；然后通过计算分析得到方案层对与目标层的相对重要权值或优劣排序，最终选择出最合适的方案。

2.1 构建递阶层次结构模型

将实际问题进行深入分析，找出不同的影响因素，将这些影响因素自上而下进行分层，在同一层的若干因素共同影响上一层的某一因素，同时也会受到来自下一层若干因素的影响。按目标层、准则层和方案层，构建递阶层次结构模型，见图1。

图1 递阶层次结构模型

2.2 构建判断矩阵

对处于同一层的若干影响因素进行两两对比，比较影响因素的重要程度，并参照判断矩阵标度表(表1)进行量化，由量化数值构建判断矩阵A：

表1 判断矩阵标度表

式中：aij为因素i与因素j的重要程度比较。

2.3 层次单排序和一致性检验

对上节中提到的判断矩阵A进行列归一化与求和行归一化后得到最大特征向量W，再通过计算得到最大特征值λmax，该计算方法为简化计算，因为一致阵的列向量都是特征向量，可以取某种意义下的平均。

W为层次单排序。需要按式(2)和式(3)进行一致性检验才能确认层次单排序：

式中：CI为一致性指标，数值越接近0，则一致性越好；n为同一层元素个数，也是矩阵A的阶数；λmax为最大特征值，根据正互反矩阵性质，应满足λmax≥n。

式中：CR为一致性比率；RI为随机一致性指标，通过查表2得到其数值；CR＜0.1则表明通过一致性检验，否则需要修改判断矩阵A，直至通过验证。

表2 随机一致性指标RI数值表

2.4 层次总排序和一致性检验

层次总排序为方案层中某个因素对目标层的相对重要程度的权重。准则层B有n个因素：B1，B2，…，Bn，对目标层Z重要程度的权重分别为a1，a2，…，an。方案层F对准则层B中某个因素Bi重要程度的权重分别为b1i，b2i，…，bni。方案层F中的m个因素对目标层Z重要程度的权重可以表示为：F1，F2，…，Fm。方案层F中j因素对目标层重要程度的权重可由式(4)得到：

根据式(5)进行一致性检验：

式中：CIi、CRi表示准则层B第i个因素对目标层Z权重的一致性指标和一致性比率。只有满足CR＜0.1才可以表明通过层次总排序一致性检验，反之则需要调整修改。

2.5 构建变电站选址层次结构图

对于新疆特殊的网架结构，在750 kV变电站站址选择时可以将几个因素分成几层相关联的结构并构造一个层次关系，对层次关系进行分析研究。该研究旨在通过将变电站选址因素进行层次分析，目标层为变电站选址，准则层根据新疆电网特点分为抑制短路电流、供电能力、进出线条件、送出投资、电源接入、地形地质因素，层次结构图如图2所示。

图2 变电站选址层次结构图

3 工程算例

本文以新疆某拟建750 kV变电站A(以下简称“A变电站”)的规划站址选择为例，秉着优化梳理网架结构、降低短路电流、就近负荷中心、节省廊道资源和节省工程投资等目的，站址选择考虑三个区域，即：区域一、区域二和区域三，见图3。

图3 新疆某拟建750 kV变电站拟选区域示意图

3.1 配套送出方案

依托拟建的750 kV变电站，从梳理网架结构和提高送电能力等方面考虑220 kV配套送出方案的合理性，尽可能形成双回路环网供电或直接由750 kV变电站双回辐射供电，避免多站串供模式，从而提高供电的可靠性。三个区域的220 kV配套送出方案见图4～图6。

图4 区域一220 kV配套送出方案示意图

图5 区域二220 kV配套送出方案示意图

图6 区域三220 kV配套送出方案示意图

3.2 短路电流水平

A变电站建成后，将和周边的B变电站、C变电站实现分区供电，该区域电网主要由A变电站供电。在750 kV/220 kV电磁解环的基础上，三个区域送出方案中相关变电站的短路电流水平计算结果见表3。从表3可以看出，有三个变电站的短路电流较高，其中区域二和区域三中，a变电站220 kV母线和b变电站220 kV母线短路电流超过已有断路器的遮断容量50 kA；而三个区域中A变电站220 kV母线短路电流均接近目前设备制造能力的限值短路容量63 kA，需重点考虑。

表3 短路电流计算结果 kA

3.3 综合比较

区域一、区域二和区域三选址方案的比较情况见表4，各区域的线路投资比较见表5。从宏观角度看，上述三个区域站址都能够起到梳理网架、保证负荷供电和提升电网供电能力的作用。从微观角度分析，三个区域具有不同的优缺点：区域一能较好兼顾负荷发展和提高供电可靠性，但是短路电流抑制效果差；区域二可兼顾新能源开发送出，线路投资费用较少，但是远离负荷中心；区域三虽然可以降低短路电流，但是投资较高，电网梳理困难。

表4 各方案优点和缺点比较情况

表5 采用深度节水方案(第二档次)耗水指标及取水定额 m3/(s·GW)

表5 各方案线路投资比较

3.4 判断矩阵的构建和计算

根据新疆电网特点，对上述三个区域站址进一步从抑制短路电流、提升供电能力、优化进出线条件、节约送出投资、利于电源接入、符合地形地质这六个因素进行相互比较，并对之间的重要程度进行量化，构建判断矩阵A：

将矩阵A进行列归一化与求和行归一化计算后得到：最大特征值λmax= 6.189 4，对应的特征向量为W1= [0.355 7 0.287 8 0.171 3 0.095 9 0.050 1 0.039 2]T。矩阵A为6阶矩阵，根据式(2)得出一致性指标CI= 0.037 9。

查表得出随机一致性指标RI= 1.36，根据式(3)得出一致性比率CR= 0.027 8，CR＜0.1，一致性检验通过。

选址区域一、区域二和区域三关于抑制短路电流(B1)、提升供电能力(B2)、优化进出线条件(B3)、节约送出投资(B4)、利于电源接入(B5)、符合地形地质(B6)这六项指标的判断矩阵分别为：

根据式(2)得到上述若干矩阵的最大特征值λmax，根据式(3)和式(4)计算得出一致性指标，并通过一致性检验。各矩阵计算结果见表6。

表6 各矩阵计算结果

计算方案层对准则层的权重为W2：

根据式(4)计算得到层次总排序，即方案层对目标层的总权重为W= [0.429 7 0.356 9 0.213 4]T。

根据式(5)得到CR= 0.033 8＜0.1，一致性检验通过。

3.5 站址比选

从定量分析可知，运用层次分析法得出方案层中区域一、区域二和区域三对目标层的总权重分别为0.429 7、0.356 9和0.213 4，区域一较其他两个区域优先。从定性分析可知，区域一相较于区域二、区域三，能够更好兼顾周边新增负荷的发展和梳理网架结构，且实施方便，有利于提高该区域供电可靠性。定量分析与定性分析的结果一致，经综合分析，认为区域一为变电站选址的最佳区域。

4 结语

本文运用层次分析法构建判断矩阵A，通过量化计算、分析和评判，有效避免了主观因素的影响。通过计算得出各个影响因素的重要程度，得出权重排序，从而选出最佳站址区域。

层次分析法把研究对象作为一个系统，按照分解、比较判断、综合的思维方式进行决策，比一般的定量方法更讲求定性的分析和判断，能处理许多用传统的最优化技术无法着手的实际问题；但也存在着指标过多时数据统计量大、权重难以确定、一致性检验困难等不足。对于区域性变电站，例如750 kV变电站、1 000 kV变电站、换流站等规模较大的变电站(换流站)站址的选择，运用层次分析法能够更加全面、系统地反映客观情况；而对于电压等级较低的变电站，如220 kV变电站、110 kV变电站或城市变电站等，运用此方法将会增加选址难度，未必能够反应实际情况。