基于最优组合赋权法的特高压交直流输电适用范围研究

高艺，刘建琴，彭晓涛

(1.囯网北京经济技术研究院，北京市 102209；2.武汉大学电气工程学院，武汉市 430072)

基于最优组合赋权法的特高压交直流输电适用范围研究

高艺1，刘建琴1，彭晓涛2

(1.囯网北京经济技术研究院，北京市 102209；2.武汉大学电气工程学院，武汉市 430072)

随着特高压输电网建设规模的日益扩大，合理规划输电网中交直流输电方式成为一个迫切需要解决的问题。以基于输电能力的特高压交流和直流输电适用范围作为研究对象，考虑交直流输电特性，建立了反映功率传输特性、安全稳定性、经济性等因素的交直流输电方式的评价指标，采用基于最优组合权重方法，对“点对网”情景下1 000 kV特高压交流和±800 kV特高压直流输电模型进行评估，得到了这2种输电方式适用范围。本文提出的方法和模型为未来特高压电网规划，特别是为各大能源基地外送输电方式的选择提供参考依据。

最优组合权重；点对网；特高压交流；特高压直流；输电适用范围

0 引 言

近年来，我国特高压输电技术及工程建设取得了突破，并于2009年建成了晋东南—南阳—荆门1 000 kV特高压交流试验示范工程，2010年建成向家坝—上海±800 kV特高压直流示范工程、云南—广东±800 kV特高压直流输电工程，2012年建成锦屏—苏州±800 kV特高压直流输电工程。特高压交流和直流输电技术均具有电压等级高、输电容量大、输电损耗低等特点，1 000 kV交流输电中间可以落点，电力的接入、传输和消纳十分灵活，具有构建网架功能；±800 kV直流输电两端直流中间不能落点，不具有构建网架功能，必须有稳定的交流电压才能正常运行，需要依托坚强的交流电网才能充分发挥作用。

交流和直流输电的工作原理和技术特性不同，在进行交流和直流输电方式的选择时，首先应充分论证两种输电方式是否满足送端、受端系统功率传输需求和安全稳定要求，在此基础上从规划的角度，对拟建输电线路是否存在中间落点需求进行评估，进而选择输电方式。如果输电线路不需要在线路中间建设变电站实现与线路沿途电网的功率交换，例如大型能源基地输送，那么交流、直流两种输电方式就主要用于实现送端系统到受端系统的“点对网”直接输电。国内外有些关于特高压交流和直流输电方式、能力和适用场合研究[1-5]，但对仅考虑输电能力情况下两者输电适用范围的研究相对较少。

本文主要针对“点对网”情景进行分析，考虑功率传输特性、经济性、环境影响等方面因素，采用基于矩估计理论的最优组合赋权方法，建立综合优选模型，在仅考虑输电能力情况下研究1 000 kV交流和±800 kV直流输电适用范围。

1 评价指标

由于特高压交流输电和直流输电在技术特点上存在较大差异，因此在构建特高压交流、直流输电适用范围评价指标体系时，既要尽可能反映各输电方式实际运行情况，又要充分考虑各指标的可行性和适用性。通过分析特高压交流和直流输电在经济、技术特点上的共异性，本文从功率传输特性、经济性、安全稳定性能等方面提出了最大传输功率、单位容量年费用、强迫停运时间、输电走廊、受端电网强度变化等5个评价指标。

1.1 最大传输功率

最大传输功率是指确定的输电方案最大可用输电能力，体现了所确定交流、直流输电方案的功率传输裕度。交流线路的最大传输功率是考虑热稳定限制、电压降落限制、静态稳定限制等约束条件的最大输电能力。直流线路的最大传输功率采用已确定的直流电压等级对应的额定输送容量的1.03倍[6-7]。

1.2 单位容量年费用

单位容量年费指标是指年费用除以输送容量，用来衡量输电方案的经济性。其中，年费用由投资成本(年值)CA、输电损耗CL、运行维护费CM这3个部分组成，且有

(1)

式中：CP为工程投资；r为折现率；t为工程运营期。

CL=PoΔE(1-rs)

(2)

式中：Po为上网电价；ΔE为损耗电量，其值为线损功率与损耗利用小时数的乘积；rs为电厂利润率。

CM=Corm

(3)

式中：Co为资产固定原值，近似为工程投资Cp；rm为运行维护费率。

工程投资参考文献[8]，损耗利用小时数取4 000 h，运营期t按8年考虑，折现率r为8%，上网电价Po为0.3 元/(kW·h)，电厂利润率rs为8%。

1.3 强迫停运时间

强迫停运时间描述1年内由于输电系统或输电设备故障引起的输变电设施发生强迫停运的小时数。

目前缺乏1 000 kV交流、±800 kV直流输电线路的统计数据，本文取2009—2012年750、500 kV交流架空线路强迫停运时间[9]的平均值作为1 000 kV交流架空线路的强迫停运时间，其中500 kV交流输电线路强迫停运时间按式(4)所示方法确定，750 kV线路强迫停运时间计算同理。

(4)

式中：tS为线路的强迫停运时间；tij为第j条线路第i年的强迫停运时间；m为统计的运行单位个数，n为统计的年度数。

取2009—2012年±500 kV及以上电压等级的直流输电工程的强迫停运时间平均值作为±800 kV直流的强迫停运时间，计算方法如式(4)所示。

1.4 输电走廊

输电走廊用于反映各输电方案对土地资源的占用以及对环境的影响。在输送相同功率的情况下，直流输电比交流输电更能充分利用线路走廊资源。本文1 000 kV交流单回输电线路走廊宽度取81 m，±800 kV直流单回输电线路走廊宽度取76 m。

1.5 受端电网强度变化

受端电网强度变化用受端电网单相短路容量变化表示。受端电网单相短路容量是按照戴维南等值法，将受端电网在输电线接入节点处等值进行求取。500 kV受端电网如图1所示，在输电线接入节点处的强度可表示为UeIr(Ue为额定电压，Ir为500 kV断路器额定短路开断电流)，Ir=63 kA，500 kV受端电网的单相短路容量可估算为500 kV×63 kA×1.732=54 558 MVA。

图1 交流输电方案等值系统

当采用交流输电方式时，交流输电线路引起的受端电网输电线路接入点的短路电流为

(5)

式中：X*为从送端系统等值发电机G到短路点f处总阻抗的标幺值；Ib为所取电流基准值。

当采用直流输电方式，由于直流输电控制技术可不改变受端电网的短路容量，因此，受端电网的单相短路容量无变化，受端电网强度变化为0。

2 最优组合赋权方法

根据输电容量和输电距离的需求，进行基于输电能力的特高压交流和直流输电适用范围研究，实质是一个复杂的多目标决策问题。评估时无论采取什么样的求解方法，一般需要确定各指标的相对重要程度。重要程度常用指标的权重系数反映，权重系数的变化将直接影响评估结果的科学合理性。目前，根据原始数据来源确定的权重系数方法主要有主观赋权法和客观赋权法。为了克服主观赋权法的随意性和客观赋权法可能存在的与实际相悖的问题，本文在计算各指标的主观权重和客观权重后，提出采用基于矩估计理论的最优组合赋权方法得到各评价指标的最优权重，建立综合优选模型，选择最佳输电方案。

2.1 主观赋权法

2.1.1 改进G1法

改进G1法是引入排序一致性原理，修正评价指标二元比较的定性排序矩阵，消除主观判断可能引入的误差，确定评价指标的序关系，然后建立评价指标的定量标度与语气算子之间的对应关系，从而确定评价指标之间的相对权重。具体步骤如下。

(1)确定序关系。对于评价指标集D={d1，d2，…，dm}，若评价指标dk重要性程度大于(或不小于)dl时，则序关系记为dk>dl。进行重要性二元比较，以fkl表示重要性定性排序标度，若dk较dl优越，取fkl=1，flk=0；若dk与dl同样优越性，取fkl=flk=0.5；若dl较dk优越反之，取fkl=0，flk=1。得到因素集的重要性二元对比矩阵

(6)

(2)确定评价指标dk-1与dk间相对重要程度。一般，最多需要9个标度来区分事物之间质的差别或不同的重要性程度。指标间重要性程度之比根据表1所示9个标度的语气算子取值。

(3)确定评价指标的相对权重。根据重要性程度之比rk的值，可确定指标的权重wn，即

(7)

表1 语气算子程度

(8)

2.1.2 改进层次分析法

改进层次分析法是建立一种新的指数标度，避免传统层次分析法因采用对应9个评价等级的标度所可能导致的评价结论错误或一致性检验错误的问题[9-10]。该方法将判断等级分为6个等级，考虑比较传递性，两个指标E和F之间的语气算子标度定义如表2所示。

表2 比例标度及含义

以表2所示数据为依据，进行指标间比较，构建判断矩阵A=(aij)n×m，求出特征值所对应的特征向量，归一化后即为权重向量。

2.2 客观赋权法

2.2.1 熵权法

熵权法主要是根据各评价指标传输给决策者的信息量的大小来确定指标权重，指标的熵值越大，表明各方案在该指标上的差异越小，对评价结果影响也越小，则其权值也越小[11]。例如，各被评价对象在指标i上的值完全相同时，熵值达到最大值1，熵权为0，也意味着该指标向决策者未提供任何有用信息，该指标可以考虑被取消。

应用熵权法时，首先确定方案集B对指标集D的决策矩阵X。在评价指标体系中，各指标间由于在内容、量纲以及取值优劣标准等方面均有不同，故无法按照多目标规划的基本思想综合成一个单指标，因此有必要将各种指标值转化为相对统一的尺度，这个过程称为标准化。决策矩阵X标准化后为R=(rij)m×n。

然后，计算各评价指标的信息熵，即

(9)

最后，第i个评价指标的权重为

(10)

2.2.2 标准差和平均差赋权法

标准差和平均差赋权法[12-13]中，为使所有评价指标的总标准差和总平均差最大，选择加权向量W的目标函数为

(11)

式中：sj(W)为标准差；Vj(W)为平均差；α和β体现为决策者的偏好，α=0表示决策者只考虑平均差而不考虑标准差，β=0表示决策者只考虑标准差而不考虑平均差，α、β不为0表示标准差和平均差两者均被考虑，且有α+β=1，α>0，β>0。

进而得到第j个评价指标的权重

(12)

2.3 最优组合赋权方法

最优组合赋权方法是采用一种基于矩估计理论的主观权重与客观权重的集成赋值方法。基本思路是：对第j个评价指标Gj(1≤j≤m)分别从主观权重总体和客观权重总体中抽取l个样本和(q-l)个样本，则共有q个样本。对于最终构建的第j个评价指标权重wj(1≤j≤m)，需要满足wj与q个主客观权重的偏差越小越好[13]。本文根据改进G1法、改进层次分析法、熵权法、标准差和平均差赋权法得到了4个指标权重样本，其中2个主观权重样本，2个客观权重样本。通过基于矩估计理论的最优组合赋权确定各评价指标的最优权重，即对于第j个指标，最终构建的权重wj，满足wj与4个权重偏差越小越好。

对于同一指标的不同属性，其主观权重与客观权重的相对重要程度不同，设主观权重与客观权重的相对重要程度分别表示为λ和γ。采用线性加权方法，将m个指标的目标最优模型转化为式(14)所示的单目标最优化模型，以集成权重ωj与主观权重wkj、客观观权重wpj偏差最小为目标

(13)

式中H为由各评价指标集成组合权重构成的权重向量。

2.4 评价指标值综合模型

本文采用公式(14)所示模型将5个评价指标值综合成一个评价值。

(14)

式中：Xi为第i个指标归一化的权分量；αi为最优组合权向量中第i个指标的权重。

3 基于输电能力的特高压交流和直流输电适用范围

3.1 输电模型

本文给定的线路输送容量是8 000 MW，输电距离为是600～1 600 km，受端电网电压等级为500 kV，短路电流水平为63 kA。

1 000 kV特高压交流线路采用8×630 mm2导线。随着输送距离的增长加，线路每300 km增设1个开关站，全线加装串补度不超过45%。据此，仅考虑输电能力的1 000 kV特高压交流“点对网”输电模型见图2，配置见表3。

图2 特高压交流“点对网”输电模型

±800 kV特高压直流输电参数如下：额定电流5 000 A，导线截面6×900 mm2，接线方式400 kV+400 kV双12脉动接线。整流侧和逆变侧交流电压均为500 kV[6-7]。

表3 输电容量为8 000 MW时1 000 kV交流输电模型的参数配置

3.2 研究步骤

(1)输电容量8 000 MW情形下，确定1 000 kV特高压交流和±800 kV特高压直流输电方案评价指标的属性值，进而确定各评价指标归一值。根据5个评价指标定义、取值，以及交流输电模型，结合实际工程经验，特高压交流和直流输电方案评价指标属性值如表4、5所示。由于各评价指标之间存在量纲和级别上的差异，为了消除量纲和级别带来的不可公度性，决策之前应将评价指标进行归一化处理。表6给出特高压交流、直流方案的指标属性值归一化结果。

表4 1 000 kV特高压交流输电评价指标属性值

表5±800kV特高压直流输电评价指标属性值

Tab.5Evaluationindexpropertyvaluesof±800kVUHVDCtransmissionmode

(2)根据最优组合赋权方法确定各指标综合权重。根据改进G1法和改进层次分析法得到的各评价指标主观权重如表7所示。根据熵权法、标准差和平均差赋权法确定的各评价指标客观权重分别示于表8、9。在已确定的各评价指标主观和客观权重基础上，采用等权的线性加权方法，即公式(13)中相对重要程度λ和γ均取0.5，根据基于矩估计理论的最优组合赋权法得到各指标的最优组合权重，结果如表10所示。

表6 各评价指标归一值

表7评价指标主观权重

Tab.7Evaluationindexweighvaluesusingobjectivemethods

表8评价指标客观权重(熵权法)

Tab.8Evaluationindexweighvaluesusingentropy-weighmethod

表9评价指标客观权重(标准差和平均差赋权法)

Tab.9Evaluationindexweighvaluesusingstandarddeviationandmeandifferencemethod

表10 评价指标最优组合权重

(3)根据式(14)和表6、10所示数据，计算得出1 000 kV特高压交流和±800 kV特高压直流输电方案综合评价值，见表11。由表11可知：输电距离小于1 000 km时，1 000 kV特高压交流输电方案的综合评价值较±800 kV特高压直流输电方案大；当输电距离大于1 000 km时，1 000 kV特高压直流输电方案的综合评价值较±800 kV特高压交流输电方案小。

表11 特高压交流和直流输电方案综合评价值

(4)推荐1 000 kV特高压交流和±800 kV特高压直流输电最优输电距离。本研究中由于各评价指标的属性值已经转化为越大越优型评价指标，故综合评价值f越大的方案越优。由表11可知，在仅考虑输电能力情况下，输送容量为8 000 MW，1 000 kV特高压交流和±800 kV特高压直流输电临界距离是1 000 km；当输电距离大于1 000 km时，±800 kV特高压直流输电综合评价占优势。

4 结 论

(1)为克服主观赋权法、客观赋权法的缺点，达到即反映决策者的主观性和经验，又考虑被评估对象的实际情况目的，本文采用基于矩估计理论建立目标权重的最优组合赋权模型，通过求解模型的最优解以确定综合评估中各指标的最佳组合权重，并建立了综合优选模型。

(2)以1 000 kV交流和±800 kV直流输送电容量8 000 MW为例，研究各输电方案的综合最优适用范围。研究结果表明，在仅考虑输电能力情况下，输送容量为8 000 MW，1 000 kV特高压交流和±800 kV特高压直流输电临界距离是1 000 km，当输电距离大于1 000 km时，±800 kV特高压直流输电综合评价占优势。

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(编辑：蒋毅恒)

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

国家电网公司大电网重大专项课题(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

高艺(1973)，女，博士，高级工程师，主要从事电网规划工作，E-mail：gaoyi@chinasperi.sgcc.com.cn；

刘建琴(1971)，女，学士，高级工程师，主要从事电网规划工作；

彭晓涛(1971)，男，博士，副教授，主要从事电力系统规划、储能技术及其在电力系统中应用的研究工作。