本發(fā)明涉及電網(wǎng)規(guī)劃設計、建設和電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行領域，尤其涉及一種高阻抗變壓器在限制短路電流和經(jīng)濟優(yōu)質(zhì)運行方面的綜合評估方法。

背景技術：

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大、電網(wǎng)結構的逐步加強，電網(wǎng)短路電流水平急劇升高，負荷密集區(qū)域的主站點短路電流超標問題已成為電力系統(tǒng)安全運行的瓶頸。為此電力系統(tǒng)采取了各種有效措施來降低短路電流水平，高阻抗變壓器即是一種有效措施，尤其是發(fā)電廠出口升壓變電站采用高阻抗變壓器可以從源端限制短路電流，因此在國內(nèi)很多地方得到應用。

目前國內(nèi)外很多文獻均涉及到高阻抗變壓器在限制短路電流方面的應用，但是采用高阻抗變壓器的缺點首先是高阻抗變壓器造價高于普通阻抗變壓，根據(jù)《國家電網(wǎng)公司輸變電工程典型造價——500kV變電站》數(shù)據(jù)，以容量為750MVA的國產(chǎn)500kV有載調(diào)壓單相自耦變壓器為例，U_k％<16的普通阻抗變壓器造價為1500萬元，三相合計4500萬元；而U_k％<16的高阻抗變壓器造價為1600萬元，三相合計4800萬元。因此每臺500kV主變采用高阻抗變壓器比采用普通阻抗變壓器造價高300萬元，即高6.67％。高阻抗變壓器的另外一個缺點是增加了系統(tǒng)穩(wěn)定運行時變壓器自身的功率損耗，增加了變壓器運行成本和全壽命周期成本。第三個缺點是高阻抗變壓器可能降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。目前還沒有文 獻和發(fā)明對采用高阻抗變壓器的限流效果、一次投資成本、運行成本和對系統(tǒng)穩(wěn)定影響進行綜合評估，因此對采用高阻抗變壓器的應用效果進行綜合評估有著重要的理論意義實際應用價值。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種基于層次分析法的高阻抗變壓器限制短路電流效果的模糊綜合評估方法，對高阻抗變壓器在限流效果、一次投資成本、運行經(jīng)濟性和對系統(tǒng)穩(wěn)定影響四個方面進行模糊綜合評價，從而對高阻抗變壓器的限流效果做綜合評價。

為解決上述問題，本發(fā)明所采取的技術方案是：

一種高阻抗變壓器限制短路電流效果的模糊綜合評價方法，它是基于層次分析法構造的目標層、準則層和指標層的評價方法結構關系，然后通過各指標量化值建立判斷矩陣，計算出各指標的權重系數(shù)，結合專家知識對工程實際的評語集和隸屬度函數(shù)，對采用高阻抗變壓器限制短路電流的限流效果、運行經(jīng)濟性、一次投資成本及對系統(tǒng)穩(wěn)定的影響進行模糊綜合評價，計算出模糊評價方案的優(yōu)先度，實現(xiàn)綜合評價目的；

步驟1，采集短路電流限流效果的指標λ_sc：

式中：γ為母線斷路器集合；ΔI_sc為采取高阻抗變壓器后短路電流的下降值；I_n為斷路器的額定關斷電流，關斷電流是設備額定值，主電網(wǎng)現(xiàn)在一般只有50和63兩個值；

其中500KV三相短路電流的限流效果指標為λ_sc3，500KV 單相短路電流的限流效果指標為λ_sc2；

步驟2，采集元件過負荷的指標λ_L：

式中：α是線路和變壓器元件集合；ρ_l是各元件權重因子；S_l是支路l的功率；S_lmax為支路最大功率限值:

步驟3，采集母線電壓越限的指標λ_U：

式中：β是母線集合；ρ_i是母線的權重因子；U_i、分別表征電壓幅值及其上、下限值；是根據(jù)相關電壓控制標準和規(guī)程已知的，ρ_i權重因子可默認為1，也可根據(jù)不同線路和變壓器的重要程度認為調(diào)整。公式(2中權重因子同理)。

步驟4，采集發(fā)電機最大功角差的指標δ_max；

δ_max＝max|δ_i-δ_j| (4)

式中：δ_i和δ_j為電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計算中任意2臺機組間的功角；

步驟5，采集變壓器一次投資的指標λ_T：

式中：κ為變壓器集合，TF_i為變壓器投資額；投資指標由工程資料得知。

步驟6，采集系統(tǒng)網(wǎng)損的指標λ_loss：

λ_loss＝ΔP_loss (6)

式中ΔP_loss為采用不同阻抗變壓器所增加的系統(tǒng)網(wǎng)損；由電網(wǎng)仿真計算軟件計算得出。

步驟7，建立工程實際的模糊評價指標集Λ＝(Λ₁，Λ₂，Λ₃，Λm)，其中，m＝4,Λ的因素元素Λg＝(λ₁，λ₂，...,λn)，Λg(g＝1,2,3,4)，n為相應因素元素Λg中元素個數(shù)，即

相對于步驟1-6中的評價指標：λ_sc1對應λ₁、λ_sc2對應λ₂、λ_L對應λ₃、λ_U對應λ₄、δ_max對應λ₅、λ_T對應λ₆、λ_loss對應λ₇；

步驟8，基于專家經(jīng)驗值對步驟7中模糊評價指標集Λ中的每個評價指標給出相應的評語，形成對工程實際的評語集V，V包括p個評語，即V＝(v₁,v₂,…v_p)，對應的評價得分的分數(shù)集為E＝(e₁,e₂,e_k，…e_p)，p＝5；V＝(v₁,v₂,…v_p)對應的指標的評語分別為“差”、“不合格”、“合格”、“良”和“優(yōu)”5個評語等級，E＝(e₁,e₂,e_k，…e_p)對應的評價得分分別為{1,3,5,7,9}；

步驟9，通過隸屬度函數(shù)將步驟7的模糊評價指標集Λ映射到步驟8的評語集V得到隸屬度矩陣μ；

步驟10，根據(jù)步驟7的模糊評價指標集Λ建立指標體系模糊評價準則層的因素集U，U＝(U₁,U₂,…,U_m)，模糊評價指標體系中準則層元素數(shù)量m＝4,因素集U的因素元素Ug(g＝1,2,…,m)，Ug與步驟7的Λg元素一一對應，Ug的元素個數(shù)n與Λg的元素個數(shù)n一一 對應；

其中，U₁表示限流效果指標集，U₂表示靜態(tài)安全指標集，U₃表示暫態(tài)穩(wěn)定指標集，U₄表示運行經(jīng)濟指標集；

步驟11，將步驟8的評語集V代入步驟10中的因素集U形成m個n×p的評價集，n為步驟10中Ug的元素個數(shù)n，p＝5，m＝4；

通俗的說，每個指標可以形成如下分數(shù)，比如不合格{0,3,0,0,0}。

步驟12，根據(jù)Saaty的1～9標度理論，對步驟10的因素元素Ug中的任意兩個因素A_gp和A_gq(p＝1,2,…,n；q＝1,2,…,n；g＝1,2,…,m；)進行兩兩對比判斷，即根據(jù)上面對m和n的注解，兩兩對比是對Ug中的n個元素進行任意的兩兩對比，形成n階矩陣，例如U1中包括n＝2個指標，即λ1和λ2，此時根據(jù)1--9標度理論，對λ1和λ2兩個元素根據(jù)重要性進行兩兩比對，形成如下的判斷矩陣λ1和λ2作為第1個和第2個元素，分別自己比自己，然后相互比較，形成矩陣的4個因素，如果是n＝3，那就是3*3的判斷矩陣。上面判斷矩陣中λ1比λ1從重要性講肯定是1，λ2/λ2也是1，若是λ1比上λ2，此時就要根據(jù)專家經(jīng)驗，根據(jù)λ1相對λ2的重要性取整數(shù)比值，也就是1,3,5,7,9的比值關系，例如專家經(jīng)驗認為λ1的重要性是λ2的3倍，那么λ1/λ2＝3，那么λ2/λ1就是1/3,

然后根據(jù)其對評價對象的影響程度之比標度 a_ij(i,j＝1,2,…,n)，且基于專家經(jīng)驗值形成正互反型的判斷矩陣Ag：

式(7)中標度a_ij為因素a_i相對因素a_j的重要性：

當根據(jù)專家經(jīng)驗對標度a_ij取值為1、3、5、7、9時；分別對應表示因素a_i相較a_j的重要性為相同重要、稍微重要、比較重要、非常重要和極其重要；其中：專家經(jīng)驗打分是指專家根據(jù)生產(chǎn)實際的相關要求，以及電力行業(yè)相關標準對各指標完成情況的好壞進行離散打分，分值復值分別為1,3,5,7,9五個離散分值。

當根據(jù)專家經(jīng)驗對標度a_ij取值為2、4、6和8時，分別表示上述標度a_ij取值為1、3、5、7、9時的中間值；其中存在關系a_ij＝1/a_ji；

步驟13，采用指標值CI校驗步驟12的判斷矩陣A_g的一致性，其中：

式(8)中λ_max為判斷矩陣A_g的最大特征根，n為矩陣階數(shù)且步驟10中Ug的元素個數(shù)n，A_g與步驟10中Ug相對應；

其中，CI值越小，判斷矩陣Ag的一致性越好；

步驟14，計算隨機一致性比率CR：

CR＝CI/RI (9)

式(9)中RI為平均隨機一致性指標值，

當CR≤0.1時，步驟12的判斷矩陣Ag滿足一致性要求，執(zhí)行步驟15；

當CR＞0.1時，通過專家經(jīng)驗值修改判斷矩陣Ag中的元素標度a_ij的數(shù)值，返回步驟12重新計算，直至CR≤0.1；

因為判斷矩陣是根據(jù)專家經(jīng)驗形成的，所以不一定符合數(shù)學書對矩陣的一致性要求，所以要對判斷矩陣進行一致性校驗，若一致性校驗不滿足，就讓專家經(jīng)驗對判斷矩陣做出適當調(diào)整后再校驗；

步驟15，執(zhí)行步驟14中滿足CR≤0.1的判斷矩陣Ag，求出判斷矩陣Ag的特征方程的最大特征值λ_max及其所對應的特征向量η：

Agη＝λ_maxη (10)；

步驟16，對步驟15中式(10)中的特征向量η進行歸一化處理，得到η＝[ω₁,ω₂,…,ω_n]，n為步驟15中Ug的元素個數(shù)n，得到模糊評價指標集Λ中對應指標值的權重系數(shù)ω_i；

步驟17，結合步驟11，建立步驟10的因素集U中的元素Ug到步驟8的評語集V的模糊關系矩陣Rg；

式中μ_gik(g＝1,2,…,m；i＝1,2…,n；k＝1,2,…,p)為Ug的第i個因 素A_gi在V中第k個評語的隸屬度；

步驟18，運用模糊矩陣的合成運算，得到步驟10的因素集U中的元素Ug的模糊綜合評價集Sg，(g＝1,2,…,m)，將步驟17的模糊關系矩陣Rg與步驟16的權重系數(shù)ω_i代入公式(12)，取加權平均型算子，則

S_gk為模糊綜合評價集Sg相對應的元素，ω_gi，μ_gik分別與步驟7中因素元素Λg內(nèi)的元素對應；式(12)中，專家經(jīng)驗值為依據(jù)專家對電力行業(yè)相關標準，電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則，技術經(jīng)濟性等相關要求及生產(chǎn)實際的理解，結合目標工程實際和1--9標度理論，對Ui中的n個指標值在該工程中的相對重要性進行離散賦值，賦值范圍為1，3，5,7,9這5個數(shù)值，若難以取舍，也可為介于這5個數(shù)值中的2,4,6,8值。

根據(jù)公式(12)可得

Sg＝ω_iRg＝(S_i1,S_i2,…,S_ip) (13)

式中Sg表征Ug中所有因素隸屬于V的隸屬度加權和；

步驟19，將步驟18中的模糊綜合評價集Sg代入公式(14),根據(jù)一次模糊綜合評價的結果得到：

R＝[S₁ S₂ … S_m]^T (14)

步驟20，二級模糊綜合評價的對象是步驟10的因素集U中各因素，二級模糊綜合評價集為

S＝ωR＝(s₁,s₂,…s_k,s_p) (15)

式中s_k(1,2…,p)是指綜合考慮因素集U中所有因素在步驟8中評語集V中的隸屬度；

步驟21，得出模糊綜合評價的優(yōu)先度，優(yōu)先度是將步驟20的s_k作為權重對步驟8中的分數(shù)集中所有元素的加權平均X，即

通過優(yōu)先度實現(xiàn)綜合評價，得出目標層中的優(yōu)選方案。

另外，在步驟9中，隸屬度函數(shù)為半梯形和三角形隸屬度函數(shù)，μ(e_k,v_p)(k＝1,2,…5)即表示模糊評價指標集Λ中該行為指標對評語e_k的隸屬度，其中v₁-v₅為常量參數(shù)。

另外，在步驟14中1～8階的RI值分別為：1階為0.00，2階為0.00,3階為0.58,4階為0.90,5階為1.12，6階為1.24,7階為1.36，8階為1.41。

采用上述技術方案所產(chǎn)生的有益效果在于：

本發(fā)明提出的評價算法，能夠解決在電網(wǎng)規(guī)劃建設實際中，采用高阻抗變壓器限制電網(wǎng)短路電流帶來的短路電流限制效果、對電力系統(tǒng)穩(wěn)定的影響、基建投資成本以及電網(wǎng)綜合運行成本等方面的取舍和決策問題，通過已知工程資料和電網(wǎng)仿真計算等已知數(shù)據(jù)，運用本發(fā)明提出的評價方法能夠提出一種兼顧專家經(jīng)驗和技術經(jīng)濟性的綜合評價結果，為工程決策提供依據(jù)和參考。

附圖說明

圖1是遞階層次結構關系。

圖2是半梯形和三角形隸屬度函數(shù)。

圖3是模糊綜合評價流程示意圖。

具體實施方式

下面結合實際電網(wǎng)仿真計算數(shù)據(jù)對本發(fā)明提出的綜合評價方法進一步做出驗證說明。

如圖1-3所示，一種高阻抗變壓器限制短路電流效果的模糊綜合評價方法，它是基于層次分析法構造的目標層、準則層和指標層的評價方法結構關系，然后通過各指標量化值建立判斷矩陣，計算出各指標的權重系數(shù)，結合專家知識對工程實際的評語集和隸屬度函數(shù)，對采用高阻抗變壓器限制短路電流的限流效果、運行經(jīng)濟性、一次投資成本及對系統(tǒng)穩(wěn)定的影響進行模糊綜合評價，計算出模糊評價方案的優(yōu)先度，實現(xiàn)綜合評價目的。

建立遞階層次結構關系模型，如圖1所示：

目標層：綜合考慮各種影響因素后的高阻抗變壓器限流效果綜合最優(yōu)方案Y。

準則層：除了高阻抗變壓器的限流效果和運行經(jīng)濟性外，還應滿足《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導則》對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的要求。

指標層：建立因素集，將準則層中各項準則細化到具體指標，主要如下四點：

a.限流效果：各發(fā)電廠升壓變500kV母線的三相和單相短路電流可以表征高阻抗變壓器限制短路電流的效果。

b.靜態(tài)安全性：發(fā)生N--1預想事故后，系統(tǒng)內(nèi)各元件是否過負荷，母線電壓是否越限。

c.暫態(tài)穩(wěn)定性：采用不同阻抗值的發(fā)電廠升壓變的系統(tǒng)發(fā)生相同故障，在故障切除后的暫態(tài)過程中發(fā)電機轉(zhuǎn)子間最大功角 差。

d.運行經(jīng)濟性。除高阻抗變壓器交普通變壓器增加的一次性投資外，采用高阻抗變壓器后造成的直接功率損耗和功率轉(zhuǎn)移應加以考慮。

本實施例是根據(jù)華北電網(wǎng)2016年夏季大負荷方式運行數(shù)據(jù)，采用中國電科院《電力系統(tǒng)分析綜合程序》(PSASP7.10)中的短路電流模塊進行計算，計算基準容量為100MVA，電廠開機方式調(diào)整為全開機方式，主變中性點接地方式選取最大接地方式，采用不基于潮流的方法進行，不計負荷的影響。

本實施例的具體方法步驟如下：

根據(jù)不同的短路電流控制指標和技術經(jīng)濟運行要求，分別制定了三套方案，分別是：方案1在兆光電廠二期出口采用短路阻抗U_k(1-2)％為14出口變壓器；方案2在兆光電廠二期出口采用短路阻抗U_k(1-2)％為20的出口變壓器；方案3在兆光電廠二期出口采用短路阻抗U_k(1-2)％為20的出口變壓器。采用不同阻抗變壓器時計算的電廠出口500kV母線短路電流結果參見表1所示。

表1 采用不同阻抗變壓器時500kV三相短路電流(kA)

兆光電廠二期出口變采用不同阻抗變壓器時機組滿發(fā)產(chǎn)生的有功功率損耗值參見表2所示。

表2 不同阻抗變壓器產(chǎn)生的有功損耗(MW)

通過時域暫態(tài)計算分析對兆光二期電廠采用不同阻抗變壓器進行暫態(tài)穩(wěn)定校驗，選取兆光二期G2號機與全網(wǎng)其他機組在暫態(tài)穩(wěn)定時的最大功角差變化來衡量，參見表3。

表3 兆光二期G2與其他機組最大功角差

由表3分析可知，采用不同普通阻抗變壓器和高阻抗變壓器對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的影響差別很小，基本可以忽略。通過靜態(tài)安全分析計算，不同阻抗變壓器對系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性也基本無影響。

基本發(fā)明提出的多層次模糊綜合評價模型，結合專家對限流、穩(wěn)定和運行經(jīng)濟重要性的經(jīng)驗知識，根據(jù)Saaty的1～9標度理論構造判斷矩陣，通過特征方程計算出各指標集權重系數(shù)。通過計算得到因素集和因素元素對應的權重集，結合評語集合隸屬度函數(shù)進入模糊綜合評價的優(yōu)先度計算。經(jīng)多層次模糊綜合評價模型評價后，各方案的優(yōu)先度計算結果如表4所示：

表4 優(yōu)先度計算結果

由表4計算結果可知，在既定專家經(jīng)驗知識形成的判斷矩陣條件下，方案2優(yōu)先度最高。

這樣可以通過實際電網(wǎng)的仿真計算來驗證本發(fā)明提出的模糊綜合評價方法的工程有效性。