CN103236023A - 一种交直流输电适用范围的获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种交直流输电适用范围的获取方法，它能够在给定的输电距离和输电容量下建立从电源到受端电网的各高电压等级交直流输电模型。在此基础上，建立了考虑功率传输特性、电磁环境特性、经济性等多因素的交直流输电方式的综合评价指标体系，同时采用基于最优组合权重的综合优选方法，结合交直流输电模型，对多组典型输电情景进行交直流输电方式的综合优选，总结得到了交直流输电方式适用范围。该方法对于未来电网建设具有较大的参考价值，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。

Description

一种交直流输电适用范围的获取方法

技术领域

本发明涉及一种输电适用范围的选取方法，尤其是涉及一种交直流输电适用范围的获取方法。

背景技术

特高压直流和交流具有远距离、大容量输电的技术优势，有利于节约输电走廊、降低线路损耗、提高输电能力，能够适应未来我国大规模跨区输电要求。交流输电和直流输电具有不同的技术特点。交流具有网络功能，可以灵活的汇集、输送和分配电力，需要各电压等级协调配合；电网结构越坚强，输送能力越大。直流是点对点输电方式，需要依据输电容量和输电距离合理选择电压等级，必须依托坚强交流网架才能发挥作用。包括特高压在内的交直流输电方式和电压等级的选择与具体送电需求、电网系统条件、受端电网承载能力、经济性等因素均有关系，尤其是与电网的安全稳定水平密切相关。

目前国内有很多交直流输电范围方面的研究，并取得了一定的成果，对于我国电网建设具有一定的指导意义，但也存在缺乏方法系统化、结论不明确等缺点。有的研究按照经济输电距离分析，提出了特高压交流、特高压直流和超高压交流的适用范围，考虑因素较为单一；有文献从宏观上提出特高压交流主要定位于近距离大容量输电和更高一级电压等级的网架建设，特高压直流主要定位于送受关系明确的远距离大容量输电以及部分大区、省网之间的互联，两者相辅相成，互为补充，具有一定指导意义，但结论不明确，未能提出有效的评估方法，无法指导未来具体的电网输电方式的规划选择问题。

随着电网建设的快速发展，目前急需采用一套考虑多因素影响的交直流输电方式的评价方法，建立各电网条件下满足输电需求的交直流输电模型，评估各电压等级交直流输电的经济技术优越性，从而总结得到交直流输电适用范围，可指导未来电网中不同输电需求下，输电方式以及输电电压等级的选择，充分发挥不同输电方式、各电压等级输电的优势，为电网规划的科学决策提供支持。

发明内容

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种交直流输电适用范围的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，给定一个输电距离和输电容量已知的输电情景，分别建立基于交、直流输电方式的两个经济性最优交直流输电模型；

步骤2，为了比较步骤1中得到的两种输电方式及电压等级输电模型的优劣性，根据交直流输电特性，获取反映各电压等级交、直流输电特性的技术参数，筛选出影响交直流输电适用范围的评价参数；

步骤3，对步骤1所得到的两种输电模型进行步骤2所述参数的计算，得到该交、直流输电模型的各评价参数值；

步骤4，综合步骤2所提出的评价参数对步骤1中得到的两种输电模型进行综合优选，得到该输电情景下经济技术最优的输电模型；

步骤5，拟定多组典型的输电情景，在各输电情景下，重复步骤1-4，优选出各输电情景下经济技术最优的交直流输电模型，进而获取交直流输电适用范围。

在上述的一种交直流输电适用范围的获取方法，所述的步骤1中，具体操作方法是：

步骤1.1，基于交流输电系统等值的数学模型，多回输电线路及不同串补度的输电线路参数按式一到式三进行修改：

$Z^{\′}=\sqrt{(1-K_{\mathrm{se}})Z}$     式一

${\mathrm{\β}}^{\′}=\sqrt{1-K_{\mathrm{se}}}\mathrm{\β}$     式二

Z″＝Z′/n    式三

其中，Z为线路波阻抗，K_se表示加装的串补度，n表示线路回数，β为相位常数，Z′为加入串补后的线路阻抗，β′为加入串补后的相位常数，Z″为多回线路的线路阻抗；

因此，基于交流输电系统等值的数学模型，多回线路和不同串补度时，线路参数经修正后，按式四计算其输送功率：

$p\≈\frac{E_s{E}_r\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{sr}}}{X_s\cos \mathrm{\βl}+Z_0\sin \mathrm{\βl}-\frac{X_s{X}_r}{Z_0}\sin \mathrm{\βl}+\mathrm{Xr}\cos \mathrm{\βl}}$     式四

然后在给定输电容量和输电距离的情况下，通过增加线路回数和串补度，分别建立满足输电需求的500千伏和1000千伏交流输电模型，其满足输电线路回数最少和串补度最小的原则，并且满足稳定限制和电压限制，最后，采用单位容量年费用法从两电压等级输电模型中选择最经济的方案；

步骤1.2，考虑发生故障时，两侧交流系统的抵御能力，以及电晕约束、电磁环境约束和可听噪声约束，减小输电损耗因素，配置不同电压等级直流输电模型，如表1所示；设计直流输电模型经济性优选程序，程序中包含各电压等级输电模型配置及其额定输送容量，同样输入给定的输电容量和输电距离，从各电压等级方案配置中选择满足额定容量大于给定输电容量的配置方案，进而采用单位容量年费用法从中选择单位容量年费用最小即最经济的配置方案（直流的各电压等级输电模型配置都输入在程序中，选择满足在给定输电距离下输电给定输电容量的多种输电模型，再采用单位容量年费用从中选出最经济的方案）。

表1直流输电方案配置

在上述的一种交直流输电适用范围的获取方法，所述步骤2中的具体步骤是：在交直流输电特性的研究基础上，获取反映各电压等级交、直流输电特性的相关技术参数，筛选出影响交直流输电模型比选的评价参数，构建用于交直流输电适用范围研究的评价参数：包括功率传输特性参数、经济性参数、可靠性参数、电磁环境参数四个一级参数，进而分为功率传输特性的最大传输功率、单回线故障损失功率、经济性参数的投资成本、输电损耗、运维费用、可靠性参数的强迫停运率、能量可用率以及电磁环境参数的可听噪声、无线电干扰、输电走廊10个二级参数，各参数原始值的计算方法如下：

步骤2.1，功率传输特性参数包含最大传输功率和单回线故障损失功率。交流的最大传输功率是采用热稳定、电压降落限制、静态稳定限制等计算步骤1.1中得到的交流输电模型的极限传输功率；直流的最大传输功率则是采用额定容量乘以1.1的因子，交流的单回线故障损失功率是将步骤1.1中得到的交流输电模型的线路回数减1后，采用热稳定、电压降落限制、静态稳定限制等计算其极限传输功率与给定输电容量之差；直流输电模型的单回线故障损失功率，即计算其单级运行时的最大传输功率与给定输电容量之差；

步骤2.2，经济性参数包含投资成本、输电损耗费用和运行维护费用；投资成本是参考工程案例，对交直流输电模型进行投资成本的估算，交流输电模型的投资成本包含输电模型的送、受端变电站、中间开关站、串补、线路的建设费用，直流输电模型的投资成本包含输电模型的换流站和线路投资费用；交、直流输电模型的输电损耗费用是仿真计算交直流输电模型的线路损耗后，按式五计算线损费用；交、直流输电模型的运行维护费用则按式六计算运行维护费用：

线损费用＝上网电价×线损电量×（1－电厂利润率）    式五

运行维护费＝固定资产原值×运行维护费率    式六；

步骤2.3，电磁环境参数包含可听噪声、无线电干扰和输电走廊，可听噪声按照工程设计规范，取交直流各电压等级的可听噪声的分贝数；无线电干扰取交直流各电压等级的无线电干扰限制值；输电走廊则按照环保标准和建筑规范进行取值；

步骤2.4，可靠性参数包含强迫停运时间和能量可用率，交流输电的强迫停运时间按各关键设备的统计平均停运时间进行累计，直流输电的强迫停运时间则取九个直流输电系统的平均值；交流系统的能量可用率按1减去线路、断路器、母线、隔离开关、变压器的不可用系数之和得到，直流系统的能量可用率则取9个直流输电系统的能量可用率的平均值。

在上述的一种交直流输电适用范围的获取方法，所述步骤3中的具体操作方法是：

对给定输电需求下步骤1所建立的经济性最优交、直流输电模型进行步骤2所述参数的计算，得到该交、直流输电模型的各评价参数原始值，为了消除各评价参数之间在量纲和级别上的差异，对各参数原始值按式七和式八进行标准化处理，即计算相对优属度，如下：

对于越大越优评价参数，其相对优属度为

$r_{\mathrm{ij}}=\frac{x_{\mathrm{ij}}}{x_{i\max }}$     式七

对于越小越优评价参数，其相对优属度为

$r_{\mathrm{ij}}=\frac{x_{i\min }}{x_{\mathrm{ij}}}$     式八

其中，x_ij、r_ij为第j个方案的第i个参数的原始值和标准值，x_imax、x_imin为各方案中第i个参数的最大值、最小值，参数标准值按式九进行归一化处理，如下：

$r_{\mathrm{ij}}^{*}=r_{\mathrm{ij}}/\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}},$     n=备选方案个数    式九；

其中，r_ij为第j个方案的第i个参数的标准值，r_ij ^*为第j个方案的第i个参数的归一化值。

在上述的一种交直流输电适用范围的获取方法，为了综合步骤2所提出的评价参数体系对步骤1中得到的两种输电模型进行综合优选时，需要确定各参数的相对重要程度，这里我们采用参数的权系数来反映各参数的重要程度。步骤4分别采用主客观赋权法确定各参数的权系数后，进一步采用基于矩估计理论的最优组合赋权方法得到交直流输电模型的各评价参数的最优组合权重，最终对两种输电模型进行综合优选，得到经济技术最优输电模型，所述步骤4中的具体操作方法是：

步骤4.1，采用主观赋权法，改进G1法和改进AHP法，得到两个主观权重，改进G1法是根据用户需求，对各评价参数进行二元比较，确定评价参数的序关系，并建立评价参数的定量标度与语气算子之间的对应关系，最终确定各参数与第一个参数的重要性程度之比，归一化后得到各参数所占权重。改进AHP法则是建立一种新的指数标度，对各参数进行两两比较，建立判断矩阵A=（a_ij）_n×n，计算该矩阵的特征值及特征向量，对最大特征值所对应的特征向量进行归一化，即得到各参数的权重；

表2比例标度及含义

标度	标度含义	标度	标度含义
				1	E和F同等重要	3	E和F明显重要
1.3161	E和F稍微重要	5.1966	E和F强烈重要
				1.7321	E比F重要	9	E和F极端重要

采用客观赋权法，熵权法以及标准差和平均差赋权法，以评价参数值为数据信息，得到两个客观权重，熵权法的计算方法为：

令方案A_i对参数d_j的参数值（属性值）记为r_ij，对各评价参数按如下公式进行信息熵的计算：

$H_i=-K\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{ij}}\ln f_{\mathrm{ij}}$     式十

其中， $f_{\mathrm{ij}}=r_{\mathrm{ij}}/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}},$ K=1/lnn，

则可得第i个评价参数的权重为：

标准差和平均差赋权法的计算方法是：

令加权向量为W，其应使所有评价参数的总标准差和总平均差最大，即构造目标函数：

$\max F\left(W\right)=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}({\text{\αs}}_j\left(W\right)+{\mathrm{\βV}}_j\left(W\right))=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{W}_j({\mathrm{\α\σ}}_j+{\mathrm{\βu}}_j)$     式十一

$s.t.\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{W}_j^2=1$     式十二

式中：s_j(W)为标准差，V_j(W)为平均差，α+β=1，α>0,β>0。

则有各参数权重 $W_j^{*}=\frac{{\mathrm{\α\σ}}_j+{\mathrm{\β\μ}}_j}{\sqrt{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}}{(\mathrm{\α}{\mathrm{\σ}}_j+{\mathrm{\β\μ}}_j)}^2}$ j=1,2,3...,m；

基于上述四种方法得到了l个主观权重样本和q-l个客观权重样本，其中l=2，q=4，然后即采用基于矩估计理论的最优组合赋权方法得到最优组合权重，其具体计算方法如下：

设各评价参数的集成组合权重为w_j，其中1≤j≤m，主观权重与客观权重的相对重要程度分别为α和β，构造式十三所示的集成组合权重的优化模型，即满足满足w_j与其q个主客观权重的偏差越小越好；

基于矩估计对每个评价参数d_j，其中1≤j≤m；按式十四计算其w_sj和w_bj的期望值；按式十五计算每个参数d_j的主观和客观权重的重要的系数α_j和β_j，其中1≤j≤m；按式十六计算α和β；

$E\left(w_{\mathrm{sj}}\right)=\frac{\underset{s=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{sj}}}{l},E\left(w_{\mathrm{bj}}\right)=\frac{\underset{b=l+1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{bj}}}{q-l},1\≤j\≤m$     式十四

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_j=\frac{E\left(w_{\mathrm{sj}}\right)}{E\left(w_{\mathrm{sj}}\right)+E\left(w_{\mathrm{bj}}\right)}\\ {\mathrm{\β}}_j=\frac{E\left(w_{\mathrm{bj}}\right)}{E\left(w_{\mathrm{sj}}\right)+E\left(w_{\mathrm{bj}}\right)}\end{array}\right.$     式十五

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j}{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_j}=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j}{m}\\ \mathrm{\β}=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_j}{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_j}=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_j}{m}\end{array}\right.$     式十六

最后求解最优化模型式十七，即可求得评价参数基于多个主客观评价参数的最优组合权向量；

$\left\{\begin{array}{c}\min H=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}\underset{s=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{(w_j-w_{\mathrm{sj}})}^2+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\β}\underset{b=l+1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{(w_j-w_{\mathrm{bj}})}^2\\ s.t.\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j=1\\ 0\≤w_j\≤1,(1\≤j\≤m)\end{array}\right.$     式十七

步骤4.2，对于步骤1中给定输电需求下建立的经济性最优交直流输电模型，步骤2和3计算了两种输电模型的各参数的有名值并进行了归一化，步骤4.1，基于矩估计理论得到了各参数的最优组合权重。按式十八对步骤1中交、直流输电两种方案进行综合优选，综合评价f值越大的方案越优。

$f=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{X}_i$     式十八

其中：X_i为第i个参数归一化值；α_i为第i个参数的权重。

在上述的一种交直流输电适用范围的获取方法，步骤1到步骤4是对于在给定输电需求时，完成了输电模型的建立以及输电方式和输电电压等级的优选。步骤5的主要内容为，

步骤5.1，拟定交直流输电适用范围研究的96种输电情景（输电情景即为输电容量和输电距离，下面分别说明了输电容量的选取和输电距离的选取），考虑1000千伏变压器容量，1000千伏变压器容量以及直流各电压等级的额定容量，输电容量选取280万千瓦、440万千瓦、580万千瓦、700万千瓦、800万千瓦、860万千瓦；输电距离则选为100公里～1600公里。

步骤5.2，对步骤5.1中拟定的96种输电情景（输电容量有6种情况，输电距离是16种情况，组合成96种输电情景。96种输电情景基本包含了交流和直流两种输送方式可输送的输电容量和输电距离的范围，再从96种输电情景的优选结果中归纳总结交流和直流的输电适用范围，即两种输电方式分别在多少输电容量和输电距离下更适合）进行步骤1到步骤4的交直流输电综合优选，分别计算出交流和直流输电模型的综合评价值，比较两值大小，进而获取交流输电适用范围与直流输电适用范围，然后获取各输电情景下的输电模型的输电方式和电压等级，即得到交流各电压等级和直流各电压等级的输电适用范围。

因此，本发明具有如下优点：

1.基于交流输电系统等值的数学模型，利用循环程序建立交流输电模型。在任意的输电容量和输电距离下，都能很方便地建立满足输电需求的交流输电模型；

2.该发明得到了交直流输电各电压等级的输电适用范围。对于给定输电容量和输电距离的输电情景，该发明可以指导给出满足输电需求的经济技术最优的输电方式和输电电压等级。

附图说明

图1为本发明中涉及的交流输电系统等值数学模型。

图2为交流输电模型经济性优选程序。

图3为直流输电模型经济性优选程序。

图4为交直流输电适用范围综合评价指标体系框。

图5为基于最优组合权重的交直流综合优选方法流程图。

图6为交直流输电适用范围图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

以下主要以输电容量700万千瓦、输电距离400公里～600公里为例，其具体应用过程及求解步骤如下：

第一步：经济性最优交直流输电模型的建立。

利用附图2和附图3的交流和直流输电模型经济性优选程序建立交流和直流输电模型，交流输电模型包含其电压等级、线路回数和串补度，直流输电模型包含其电压等级和导线截面积，如表1和表2所示。

表1交流输电模型

表2直流输电模型

输电容量（万千瓦）	700
		输电距离（公里）	400～600
电压等级（千伏）	800
		导线截面积（mm2）	900

第二步：交直流综合评价指标体系的构建

按照附图4交直流输电适用范围综合评价指标体系所示，指标体系包括功率传输特性指标、经济性指标、可靠性指标、电磁环境指标四个一级指标，最大传输功率指标、单回线故障损失功率指标、投资成本指标、输电损耗指标、运维费用指标、强迫停运率指标、能量可用率指标、可听噪声指标、无线电干扰指标、输电走廊指标10个二级指标。

第三步：指标的计算及处理

1）功率传输特性指标计算

A.最大传输功率

第一步中已建立满足各输电需求的经济性最优交、直流输电模型。交流的最大传输功率即是按附图2的程序，输入表1中的电压等级、线路回数以及串补度，计算各情景下交流输电模型的输电能力。直流的最大传输功率即是表2中各情景下的直流输电模型的额定功率的1.1倍。计算结果如下表。

表3各输电方案的最大传输功率

B．单回线路故障损失功率

将表1中各输电模型的线路回数减1，得到如表4的交流输电模型，按附图2的程序输入，计算得到单回线路故障损失后，交流输电模型能够输送的功率。输电容量700万千瓦与该容量之差即为交流的单回线路故障损失功率。直流的单回线路故障损失功率则是输电容量700万千瓦与表2中直流输电模型单级输送容量之差。计算结果如表5所示。

表4单回线路故障的交流输电模型及输送功率

表5单回线路故障损失功率

2）经济性指标计算

A.投资成本

对于交、直流输电，发电部分投资成本相同，因此仅比较输变电部分的投资成本。交、直流输电方案的投资成本如表6和表7所示。

表6交流输电方案的投资成本（万元）

表7直流输电方案的投资成本（万元）

B．输电损耗费用

以附图1交流输电等值数学模型为对象，计算交流输电线路损耗的公式如下式所示。

$\mathrm{\ΔP}=\frac{P_r^2+{(Q_r-Q_{C2})}^2}{U_r^2}R---\left(1\right)$

直流输电损耗包括两端换流站损耗、直流输电线路损耗和接地极系统损耗三部分，接地极系统损耗很小，忽略不计，一端换流站的损耗约为换流站额定功率的0.5%～1%。线路损耗按公式（2）进行计算。

${\mathrm{\ΔP}}_l=\left(\frac{P_e}{2U_e}\right)\×R\×L\×2---\left(2\right)$

上网电价取0.3元/千瓦时，能量利用小时数取4000小时，电厂利润率取8%，则计算得到交直流输电损耗费用如下表所示：

表8交直流输电方案损耗费用（万元）

C．运行维护费用

运行维护费用按固定资产原值和运行维护费用率进行计算，运行维护费率取1.8%，计算得到结果如下表所示。

表9交直流输电方案运行维护费用（万元）

3）电磁环境指标计算

根据一般工程设计规范与工程经验，交直流各电压等级的可听噪声和无线电干扰，以及线路走廊宽度的取值如下表所示。

表9交直流输电方案电磁环境指标值（dB）

4）可靠性指标计算

A．强迫停运时间

由中电联的《2009年输变电设备可靠性指标报告》中，交流输电系统中关键设备的强迫停运时间均值如下表所示：

表10各关键设备的强迫停运时间

注：架空线路、电缆线路为小时／百公里年，其它设备为小时／台(段)年

则，交流的强迫停运时间按该式进行计算：2.37×线路长度/100+0.5×变压器台数+0.26×断路器台数+0.07×隔离开关台数+0.08×母线台数。其中，线路长度、变压器台数等参数根据输电模型进行取值。

直流输电的强迫停运时间则按2009年我国参与可靠性统计的九个直流输电系统的平均值进行估算，得到其值为：（换流站引起的单极强迫停运时间110.98小时+换流站引起的双极强迫停运时间21.68小时+线路引起的单极强迫停运时间12.17小时）/9=16.09小时。

计算得到交直流输电方案的强迫停运时间如下表所示。

表11交直流输电方案的强迫停运时间（小时）

B．能量可用率

由中电联的《2009年输变电设备可靠性指标报告》中，2009年220kV及以上电压等级交流输电系统中关键设备的可用系数如下表所示：

表12各关键设备的可用系数（%）

关键设备	架空线路	变压器	断路器	隔离开关	母线
						强迫停运时间	99.293	99.645	99.870	99.954	99.952

由此，计算得到交流输电系统的能量可用率为98.714%。

2009年九个直流输电系统可的能量可用率指标值如下表所示，取其平均值，则可计算直流输电系统的能量可用率为90.095%。

表13九个直流输电系统的能量可用率（%）

葛南系统	龙政系统	江城系统	宜华系统	天广系统	高肇系统	兴安系统	灵宝系统	高岭系统
									66.36	94.47	89.38	92.95	89.901	96.32	96.50	88.11	96.86

综上，分别计算出了各输电比选方案下经济性最优交直流输电模型的10个二级评价指标的属性值，整理结果如表14所示。

表14各输电方案下的评价指标属性值

结合本发明，除最大传输功率指标和能量可用率指标为越大越优评价指标外，其他的二级评价指标均为越小越优评价指标，因此，对各指标值进行标准化，得到各情景的标准化评价指标值如表15所示。

表15各输电方案下的标准化评价指标值

将备选方案交流经济性最优方案和直流经济性最优方案的标准化评价指标的属性值归一化后的属性值如下表所示：

表16各输电方案下的归一化评价指标值

第四步：最优组合权重计算

经过调查研究和专家排序，对交直流输电适用范围研究的评价指标进行了重要排序，其排序结果为投资成本（年值）X1=输电损耗X3>运维费用X2>强迫停运时间X10=能量可用率X9>最大传输功率X7=单回线路故障损失功率X8>输电走廊X6>可听噪声X4=无线电干扰X5。则评价指标之间的重要性排序顺序如表4-16所示。

表17评价指标的排序结果

排序

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

评价指标

X1

X3

X2

X10

X9

X7

X8

X6

X4

X5

简记为

B1

B2

B3

B4

B5

B6

B7

B8

B9

B10

分别基于改进AHP法和基于改进G1法的主观赋权方法得到的评价指标权重为：

W_G1=(0.3409,0.3409,0.1705,0.0568,0.0568,0.0142,0.0142,0.0028,0.0014,0.0014)；（W_G1请用公式编辑器，并说明该参数的含义W_G1采用times new roman字体就可以变成W_G1）

W_AHP=(0.2414，0.2414，0.1834，0.1059，0.1059，0.0353，0.0353，0.0204，0.0155，0.0155)。（W_AHP请用公式编辑器，并说明该参数的含义）

其中，W_G1、W_AHP分别表示基于改进G1法和改进AHP法的评价指标权重。

分别基于标准差和平均差法和熵权法的的客观赋权方法得到的评价指标权重为：

表18基于熵权法的评价指标客观权重

表19基于标准差和平均差的评价指标客观权重

以决策者给出的主观权重和客观权重作为样本点，以集成权重与主客观权重偏差最小为目标，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基于多个主客观评价指标的最优组合权重，利用该方法确定的权重即能反映决策者的主观性和经验，又能考虑被评估对象的实际情况。

采用主观赋权和客观赋权得到的权重赋值相互差别较大，而基于矩估计理论最优组合赋权得到的各赋权值之间相互差别较小，赋权结果更趋合理。

最优组合赋权法得出的评价指标权重如下表所示。

表20评价指标的最优组合权重

第五步：基于最优组合权重的交直流输电适用范围。

基于以上方法，求出280～860万千瓦、100～1600公里情景下，各输电比选方案下经济性最优交直流输电模型的评价指标归一化值，以及各评价指标的最优组合权重，通过综合优选方法计算得到各输电容量和输电距离下交流、直流输电模型的综合评价值分别如表21和表22所示。两种输电方式的综合评价的差值如表23所示。

表21各输电容量和距离下交流输电模型的综合评价值

	100公里	200公里	300公里	400公里	500公里	600公里	700公里	800公里
									280万千瓦	0.6323	0.5897	0.5773	0.5656	0.5538	0.5394	0.5116	0.4926
440万千瓦	0.6461	0.6067	0.6216	0.6005	0.5029	0.5565	0.5325	0.5176
									580万千瓦	0.6555	0.6722	0.6518	0.5502	0.6049	0.5696	0.5408	0.5316
700万千瓦	0.7030	0.6809	0.6478	0.6204	0.5503	0.5257	0.5114	0.4882
									800万千瓦	0.7104	0.6765	0.6472	0.5751	0.5631	0.5626	0.5459	0.4944
860万千瓦	0.7182	0.6867	0.6537	0.5978	0.5861	0.5194	0.5031	0.4869
										900公里	1000公里	1100公里	1200公里	1300公里	1400公里	1500公里	1600公里
280万千瓦	0.4892	0.4665	0.4560	0.4419	0.4369	0.4198	0.4072	0.3798
									440万千瓦	0.5197	0.4973	0.4872	0.4730	0.4530	0.4461	0.4260	0.3946
580万千瓦	0.5146	0.4935	0.4862	0.4759	0.4556	0.4386	0.4248	0.3977
									700万千瓦	0.4743	0.4598	0.4512	0.4403	0.4364	0.4249	0.4158	0.4035
800万千瓦	0.5144	0.5010	0.4857	0.4838	0.4713	0.4589	0.4591	0.4498
									860万千瓦	0.4653	0.4500	0.4877	0.4834	0.4700	0.4015	0.4432	0.4050

表22各输电容量和距离下直流输电模型的综合评价值

	100公里	200公里	300公里	400公里	500公里	600公里	700公里	800公里
									280万千瓦	0.3635	0.4062	0.4186	0.4302	0.4422	0.4566	0.4840	0.5031
440万千瓦	0.3497	0.3892	0.3741	0.3952	0.4934	0.4393	0.4631	0.4779
									580万千瓦	0.3405	0.3238	0.3440	0.4454	0.3912	0.4264	0.4554	0.4644
700万千瓦	0.2929	0.3147	0.3479	0.3755	0.4456	0.4706	0.4849	0.5080
									800万千瓦	0.2851	0.3188	0.3482	0.4204	0.4324	0.4329	0.4495	0.5009
860万千瓦	0.2776	0.3090	0.3421	0.3978	0.4095	0.4767	0.4930	0.5092
										900公里	1000公里	1100公里	1200公里	1300公里	1400公里	1500公里	1600公里
280万千瓦	0.5066	0.5294	0.5399	0.5540	0.5590	0.5761	0.5888	0.6164

440万千瓦	0.4757	0.4983	0.5084	0.5227	0.5428	0.5497	0.5699	0.6014
									580万千瓦	0.4815	0.5026	0.5098	0.5201	0.5405	0.5575	0.5714	0.5981
700万千瓦	0.5216	0.5359	0.5444	0.5552	0.5589	0.5707	0.5800	0.5922
									800万千瓦	0.4811	0.4944	0.5099	0.5118	0.5243	0.5367	0.5365	0.5458
860万千瓦	0.5307	0.5459	0.5082	0.5124	0.5259	0.5941	0.5527	0.5903

表23各输电容量和距离下交流与直流综合评价的差值

	100公里	200公里	300公里	400公里	500公里	600公里	700公里	800公里
									280万千瓦	0.2688	0.1836	0.1587	0.1354	0.1117	0.0828	0.0276	-0.0105
440万千瓦	0.2964	0.2175	0.2475	0.2053	0.0095	0.1172	0.0695	0.0397
									580万千瓦	0.3151	0.3484	0.3078	0.1048	0.2137	0.1432	0.0854	0.0672
700万千瓦	0.4101	0.3662	0.2999	0.2449	0.1047	0.0551	0.0265	-0.0198
									800万千瓦	0.4253	0.3577	0.299	0.1546	0.1306	0.1297	0.0964	-0.0066
860万千瓦	0.4406	0.3778	0.3116	0.1999	0.1766	0.0427	0.0101	-0.0223
										900公里	1000公里	1100公里	1200公里	1300公里	1400公里	1500公里	1600公里
280万千瓦	-0.0175	-0.063	-0.0839	-0.1121	-0.1221	-0.1563	-0.1815	-0.2366
									440万千瓦	0.044	-0.001	-0.0212	-0.0497	-0.0898	-0.1036	-0.1439	-0.2068
580万千瓦	0.0331	-0.0091	-0.0237	-0.0443	-0.0848	-0.1189	-0.1466	-0.2004
									700万千瓦	-0.0473	-0.0761	-0.0932	-0.1149	-0.1224	-0.1459	-0.1642	-0.1887
800万千瓦	0.0333	0.0066	-0.0242	-0.028	-0.0531	-0.0777	-0.0774	-0.0961
									860万千瓦	-0.0654	-0.0958	-0.0204	-0.0291	-0.0559	-0.1927	-0.1095	-0.1853

表中正值表示该输电情景下交流的综合评价值最大，即交流输电适用范围为输电容量为280万千瓦、输电距离小于700公里；输电容量为440～580万千瓦、输电距离小于900公里；输电容量为700～860万千瓦、输电距离小于700公里。

结合各输电情景下经济性最优交直流输电模型的建立结果，可以得到各输电情景下的经济性最优的输电方式和输电电压等级，从而总结得到交直流输电适用范围以及交流输电适用范围和直流输电适用范围，如下表所示。

表24各输电容量和距离下的输电方式和电压等级

100公里

200公里

300公里

400公里

500公里

600公里

700公里

800公里

280万千瓦

500kV交

500kV交

500kV交

500kV交

500kV交

500kV交

500kV交

±500kV直

440万千瓦

500kV交

500kV交

500kV交

500kV交

500kV交

500kV交

500kV交

500kV交

580万千瓦

500kV交

500kV交

500kV交

500kV交

500kV交

500kV交

500kV交

500kV交

700万千瓦

500kV交

500kV交

500kV交

500kV交

1000kV交

1000kV交

1000kV交

±800kV直

800万千瓦

500kV交

500kV交

500kV交

1000kV交

1000kV交

1000kV交

1000kV交

±800kV直

860万千瓦

500kV交

500kV交

500kV交

1000kV交

1000kV交

1000kV交

1000kV交

±1100kV直

900公里

1000公里

1100公里

1200公里

1300公里

1400公里

1500公里

1600公里

280万千瓦

±500kV直

±500kV直

±500kV直

±500kV直

±500kV直

±500kV直

±500kV直

±500kV直

440万千瓦

500kV交

±660kV直

±660kV直

±660kV直

±660kV直

±660kV直

±660kV直

±660kV直

580万千瓦

500kV交

±800kV直

±800kV直

±800kV直

±800kV直

±800kV直

±800kV直

±800kV直

700万千瓦

±800kV直

±800kV直

±800kV直

±800kV直

±800kV直

±800kV直

±800kV直

±800kV直

800万千瓦

±800kV直

±800kV直

±800kV直

±800kV直

±800kV直

±800kV直

±800kV直

±800kV直

860万千瓦

±1100kV直

±1100kV直

±1100kV直

±1100kV直

±1100kV直

±1100kV直

±1100kV直

±1100kV直

综合表23和表24的交直流输电适用范围以及交流输电适用范围和直流输电适用范围，通过拟合画出以输电距离为横坐标，输电容量为纵坐标的各输电方式和输电电压等级的输电适用范围图，见附图6。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (6)

1.一种交直流输电适用范围的获取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，给定一个输电距离和输电容量已知的输电情景，分别建立基于交、直流输电方式的两个经济性最优交直流输电模型；

步骤2，为了比较步骤1中得到的两种输电方式及电压等级输电模型的优劣性，根据交直流输电特性，获取反映各电压等级交、直流输电特性的技术参数，筛选出影响交直流输电适用范围的评价参数；

步骤3，对步骤1所得到的两种输电模型进行步骤2所述参数的计算，得到该交、直流输电模型的各评价参数值；

步骤4，综合步骤2所提出的评价参数对步骤1中得到的两种输电模型进行综合优选，得到该输电情景下经济技术最优的输电模型；

步骤5，拟定多组典型的输电情景，在各输电情景下，重复步骤1-4，优选出各输电情景下经济技术最优的交直流输电模型，进而获取交直流输电适用范围。

2.根据权利要求1所述的一种交直流输电适用范围的获取方法，其特征在于，所述的步骤1中，具体操作方法是：

步骤1.1，基于交流输电系统等值的数学模型，多回输电线路及不同串补度的输电线路参数按式一到式三进行修改：

$Z^{\′}=\sqrt{(1-K_{\mathrm{se}})}Z$                   式一

${\mathrm{\β}}^{\′}=\sqrt{1-K_{\mathrm{se}}}\mathrm{\β}$                  式二

Z″=Z′/n                  式三

其中，Z为线路波阻抗，K_se表示加装的串补度，n表示线路回数，β为相位常数，Z′为加入串补后的线路阻抗，β′为加入串补后的相位常数，Z″为多回线路的线路阻抗；

因此，基于交流输电系统等值的数学模型，多回线路和不同串补度时，线路参数经修正后，按式四计算其输送功率：

$\frac{E_s{E}_r\sin {\mathrm{\δ}}_{\mathrm{sr}}}{X_s\cos \mathrm{\βl}+Z_0\sin \mathrm{\βl}-\frac{X_s{X}_r}{Z_0}\sin \mathrm{\βl}+\mathrm{Xr}\cos \mathrm{\βl}}$     式四

然后在给定输电容量和输电距离的情况下，通过增加线路回数和串补度，分别建立满足输电需求的500千伏和1000千伏交流输电模型，其满足输电线路回数最少和串补度最小的原则，并且满足稳定限制和电压限制，最后，采用单位容量年费用法从两电压等级输电模型中选择最经济的方案；

步骤1.2，考虑发生故障时，两侧交流系统的抵御能力，以及电晕约束、电磁环境约束和可听噪声约束，减小输电损耗因素，配置不同电压等级直流输电模型；设计直流输电模型经济性优选程序，程序中包含各电压等级输电模型配置及其额定输送容量，同样输入给定的输电容量和输电距离，从各电压等级方案配置中选择满足额定容量大于给定输电容量的配置方案，进而采用单位容量年费用法从中选择单位容量年费用最小即最经济的配置方案。

3.根据权利要求1所述的一种交直流输电适用范围的获取方法，其特征在于，所述步骤2中的具体步骤是：在交直流输电特性的研究基础上，获取反映各电压等级交、直流输电特性的相关技术参数，筛选出影响交直流输电模型比选的评价参数，构建用于交直流输电适用范围研究的评价参数：包括功率传输特性参数、经济性参数、可靠性参数、电磁环境参数四个一级参数，进而分为功率传输特性的最大传输功率、单回线故障损失功率、经济性参数的投资成本、输电损耗、运维费用、可靠性参数的强迫停运率、能量可用率以及电磁环境参数的可听噪声、无线电干扰、输电走廊10个二级参数，各参数原始值的计算方法如下：

步骤2.1，功率传输特性参数包含最大传输功率和单回线故障损失功率；交流的最大传输功率是采用热稳定、电压降落限制、静态稳定限制等计算步骤1.1中得到的交流输电模型的极限传输功率；直流的最大传输功率则是采用额定容量乘以1.1的因子；交流的单回线故障损失功率是将步骤1.1中得到的交流输电模型的线路回数减1后，采用热稳定、电压降落限制、静态稳定限制等计算其极限传输功率与给定输电容量之差；直流输电模型的单回线故障损失功率，即计算其单级运行时的最大传输功率与给定输电容量之差；

步骤2.2，经济性参数包含投资成本、输电损耗费用和运行维护费用；投资成本是参考工程案例，对交直流输电模型进行投资成本的估算，交流输电模型的投资成本包含输电模型的送、受端变电站、中间开关站、串补、线路的建设费用，直流输电模型的投资成本包含输电模型的换流站和线路投资费用；交、直流输电模型的输电损耗费用是仿真计算交直流输电模型的线路损耗后，按式五计算线损费用；交、直流输电模型的运行维护费用则按式六计算运行维护费用：

线损费用＝上网电价×线损电量×（1－电厂利润率）  式五

运行维护费＝固定资产原值×运行维护费率  式六；

步骤2.3，电磁环境参数包含可听噪声、无线电干扰和输电走廊；可听噪声按照工程设计规范，取交直流各电压等级的可听噪声的分贝数；无线电干扰取交直流各电压等级的无线电干扰限制值；输电走廊则按照环保标准和建筑规范进行取值；

步骤2.4，可靠性参数包含强迫停运时间和能量可用率；交流输电的强迫停运时间按各关键设备的统计平均停运时间进行累计，直流输电的强迫停运时间则取九个直流输电系统的平均值；交流系统的能量可用率按1减去线路、断路器、母线、隔离开关、变压器的不可用系数之和得到，直流系统的能量可用率则取9个直流输电系统的能量可用率的平均值。

4.根据权利要求1所述的一种交直流输电适用范围的获取方法，其特征在于，所述步骤3中的具体操作方法是：

对给定输电需求下步骤1所建立的经济性最优交、直流输电模型进行步骤2所述参数的计算，得到该交、直流输电模型的各评价参数原始值，为了消除各评价参数之间在量纲和级别上的差异，对各参数原始值按式七和式八进行标准化处理，即计算相对优属度，如下：

对于越大越优评价参数，其相对优属度为

$r_{\mathrm{ij}}=\frac{x_{\mathrm{ij}}}{x_{i\max }}$    式七

对于越小越优评价参数，其相对优属度为

$r_{\mathrm{ij}}=\frac{x_{i\min }}{x_{\mathrm{ij}}}$   式八

其中，x_ij、r_ij为第j个方案的第i个参数的原始值和标准值，x_imax、x_imin为各方案中第i个参数的最大值、最小值，参数标准值按式九进行归一化处理，如下：

n=备选方案个数  式九；

其中，r_ij为第j个方案的第i个参数的标准值，

为第j个方案的第i个参数的归一化值。

5.根据权利要求1所述的一种交直流输电适用范围的获取方法，其特征在于，为了综合步骤2所提出的评价参数体系对步骤1中得到的两种输电模型进行综合优选时，需要确定各参数的相对重要程度，因此采用参数的权系数来反映各参数的重要程度，步骤4分别采用主客观赋权法确定各参数的权系数后，进一步采用基于矩估计理论的最优组合赋权方法得到交直流输电模型的各评价参数的最优组合权重，最终对两种输电模型进行综合优选，得到经济技术最优输电模型，所述步骤4中的具体操作方法是：

步骤4.1，采用主观赋权法，改进G1法和改进AHP法，得到两个主观权重；改进G1法是根据用户需求，对各评价参数进行二元比较，确定评价参数的序关系，并建立评价参数的定量标度与语气算子之间的对应关系，最终确定各参数与第一个参数的重要性程度之比，归一化后得到各参数所占权重；改进AHP法则是建立一种新的指数标度，对各参数进行两两比较，建立判断矩阵A=（a_ij）_n×n，计算该矩阵的特征值及特征向量，对最大特征值所对应的特征向量进行归一化，即得到各参数的权重；

采用客观赋权法，熵权法以及标准差和平均差赋权法，以评价参数值为数据信息，得到两个客观权重；熵权法的计算方法为：

令方案A_i对参数d_j的参数值记为r_ij，对各评价参数按如下公式进行信息熵的计算：

$H_i=-K\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{f}_{\mathrm{ij}}\ln f_{\mathrm{ij}}$   式十

其中， $f_{\mathrm{ij}}=r_{\mathrm{ij}}/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{ij}},$ K=1lnn，

则可得第i个评价参数的权重为：

标准差和平均差赋权法的计算方法是：

令加权向量为W，其应使所有评价参数的总标准差和总平均差最大，即构造目标函数：

$\max F\left(W\right)=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(\mathrm{\α}{s}_j\left(W\right)+\mathrm{\β}{V}_j\left(W\right))=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{W}_j(\mathrm{\α}{\mathrm{\σ}}_j+\mathrm{\β}{u}_j)$   式十一

$s.t.\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{W}_j^2=1$   式十二

式中：s_j(W)为标准差，V_j(W)为平均差，α+β=1，α>0,β>0，

则有各参数权重 $W_j^{*}=\frac{\mathrm{\α}{\mathrm{\σ}}_j+\mathrm{\β}{\mathrm{\μ}}_j}{\sqrt{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{(\mathrm{\α}{\mathrm{\σ}}_j+\mathrm{\β}{\mathrm{\μ}}_j)}^2}}$ j=1,2,3...,m；

基于上述四种方法得到了l个主观权重样本和q-l个客观权重样本，其中l=2，q=4，然后即采用基于矩估计理论的最优组合赋权方法得到最优组合权重，其具体计算方法如下：

设各评价参数的集成组合权重为w_j，其中1≤j≤m，主观权重与客观权重的相对重要程度分别为α和β，构造式十三所示的集成组合权重的优化模型，即满足满足w_j与其q个主客观权重的偏差越小越好；

基于矩估计对每个评价参数d_j，其中1≤j≤m；按式十四计算其w_sj和w_bj的期望值；按式十五计算每个参数dj的主观和客观权重的重要的系数α_j和β_j,其中1≤j≤m；按式十六计算α和β；

$E\left(w_{\mathrm{sj}}\right)=\frac{\underset{s=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{sj}}}{l},E\left(w_{\mathrm{bj}}\right)=\frac{\underset{b=l+1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{\mathrm{bj}}}{q-l},1\≤j\≤m$   式十四

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\α}}_j=\frac{E\left(w_{\mathrm{sj}}\right)}{E\left(w_{\mathrm{sj}}\right)+E\left(w_{\mathrm{bj}}\right)}\\ {\mathrm{\β}}_j=\frac{E\left(w_{\mathrm{bj}}\right)}{E\left(w_{\mathrm{sj}}\right)+E\left(w_{\mathrm{bj}}\right)}\end{array}\right.$   式十五

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j}{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_j}=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j}{m}\\ \mathrm{\β}=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_j}{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_j}=\frac{\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_j}{m}\end{array}\right.$   式十六

最后求解最优化模型式十七，即可求得评价参数基于多个主客观评价参数的最优组合权向量；

$\left\{\begin{array}{c}\min H=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\α}\underset{s=1}{\overset{l}{\mathrm{\Σ}}}{(w_j-w_{\mathrm{sj}})}^2+\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\β}\underset{b=l+1}{\overset{q}{\mathrm{\Σ}}}{(w_j-w_{\mathrm{bj}})}^2\\ s.t.\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{w}_j=1\\ 0\≤w_j\≤1,(1\≤j\≤m)\end{array}\right.$   式十七

步骤4.2，对于步骤1中给定输电需求下建立的经济性最优交直流输电模型，步骤2和3计算了两种输电模型的各参数的有名值并进行了归一化，步骤4.1，基于矩估计理论得到了各参数的最优组合权重，按式十八对步骤1中交、直流输电两种方案进行综合优选，综合评价f值越大的方案越优；

$f=\underset{i=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{X}_i$   式十八

其中：X_i为第i个参数归一化值；α_i为第i个参数的权重。

6.根据权利要求1所述的一种交直流输电适用范围的获取方法，其特征在于，步骤1到步骤4是对于在给定输电需求时，完成了输电模型的建立以及输电方式和输电电压等级的优选，步骤5的主要内容为，

步骤5.1，拟定交直流输电适用范围研究的96种输电情景，考虑1000千伏变压器容量，1000千伏变压器容量以及直流各电压等级的额定容量，输电容量选取280万千瓦、440万千瓦、580万千瓦、700万千瓦、800万千瓦、860万千瓦；输电距离则选为100公里～1600公里；

步骤5.2，对步骤5.1中拟定的96种输电情景进行步骤1到步骤4的交直流输电综合优选，分别计算出交流和直流输电模型的综合评价值，比较两值大小，进而获取交流输电适用范围与直流输电适用范围，然后获取各输电情景下的输电模型的输电方式和电压等级，即得到交流各电压等级和直流各电压等级的输电适用范围。

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