颜京忠 ，孙明信 ，王 磊 ，王 岩 ，季翠娜

（1.国网山东蓬莱市供电公司，山东 蓬莱 265600；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

基于模糊物元法的电压等级优选

颜京忠1，孙明信2，王 磊1，王 岩1，季翠娜1

（1.国网山东蓬莱市供电公司，山东 蓬莱 265600；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

为在配电网规划中合理选择电压等级，提出模糊物元法进行电压等级优选。通过层次分析法对电压等级评价指标进行权重排序，并从电网安全、经济、可靠3个一级指标体系进行综合评价，全面分析不同电网分布模式下的电压等级优选，并对蓬莱市电压等级进行综合评价，研究结果对电网电压等级选择具有一定指导意义。

指标体系；层次分析；模糊物元；电压等级优选

0 引言

在配电网规划中，电压等级优选能够使供电可靠性、网络结构和投资达到综合最优。近年来，随着电力负荷的增长和电力设施的建设，很多地方电网逐渐形成以110 kV和35 kV两个高压配电网电压等级同步发展的局面，即 220kV／110 kV／10 kV，220 kV／35 kV／10 kV。面对这种局面，综合比较配置技术经济性更优的电压等级，为未来电网发展提供借鉴，是当前面临的一个重要问题。

目前，国内已有一些学者对电压层级优选做了一定工作。姜祥生［1］阐述了中压10 kV升高为20 kV的必要性、可行性、技术经济的合理性；苏卫华和施伟国［2］针对上海市南地区电网，提出了一种基于变电站分布模型的电压等级优化方法；冯景［3］构建了配电网电压层级优化的数学模型，以年综合费用最小为目标，分别构建了经济评估体系和技术评估体系进行电压等级的评估和选取。

虽然学者已对电压层级优选开展了一定工作，但鲜有针对 220 kV／110 kV／10 kV，220 kV／35 kV／10 kV两种电压等级的研究。因此对上述两种电压等级优选展开研究，其关键点主要包括评价体系的构建，指标权重的确定，模糊物元法的应用以及电压等级的优化配置。

1 层次分析法确定权重

层次分析法（AHP）［4］根据需求确定相应的因素，并按照各因素间的关系进行层级分级，形成一个包含多层次的模型，最终转化为各层级对上一层级相对权重的问题。

1）构造层次结构模型。

根据其关系将需求目标、原则和方案划分为最高层、中层和最低层，并制定层次结构图。

2）构造判断矩阵A。

判断矩阵表示各指标体系相互间权重关系。判断矩阵的元素用1～9标度方法［5］给出，成对比较的因素不宜超过9个。

图1 AHP实施流程图

3）层次单排序及其一致性检验。

对判断矩阵进行归一化处理后，各横行求和后再进行归一化处理即得本层对上一层各因素的权重值。该值能否适用需要进行一致性验证。一致性指标为

式中：λ为最大特征根；n为矩阵阶数；CR为一致性比率；RI为随机一致性指标（RI可查）。判断矩阵符合一致性要求，否则进行调整或重构。

4）层次总排序及其一致性检验。

总排序一致性检验：

在RI≤0.1时，就认为B层内总的排序结果能得到满意的一致性。

2 模糊物元评价模型

假设有n个评价，那么则有m个选择的评价指标，通过变换能够将属性值转变成从优隶属度。

效益型指标（越大越好）

对于成本型指标（越小越好）

模型构建过程。

1）构建复合模糊物元。

2）确认矩阵Rmn从优隶属的最大值。

3）假如 Δij=［u（x0）－u（xij）］2，i＝1，2，…，m；j＝1，2，…，n，那么构成差平方复合模糊物元

重要度Rk＝wRh，其中w为排序指标的权重值向量，其值大小代表优先推选的排列顺序。

3 电压等级评价体系

电压等级评价指标如表1所示。

建设费用。包括变电站的综合费用、高压线路的综合费用、中压线路的综合费用。

表1 电压等级评价指标

短路电流。配电网中压配电电压的确定，受到各种条件的制约，其中要考虑到与上下级电网电压的协调发展。该系统采用典型变压器容量，根据主变压器两侧短路容量选择主变压器，计算变压器两侧三相短路电流为

式中：SN为额定容量；I1为原边短路电流；U1为原边电压；U2为变压器副边电压。

电压偏差。为确保不同供电方式下对用户供电的质量，还需对电压偏差进行分析。各级线路电压降和电压损失百分数的计算公式为

式中：θ为线路功率因数角；r为单位长度线路电阻；x为单位长度线路电抗。

4 基于模糊物元分析的电压等级决策模型

综合考虑电网实际负荷各有差异，220 kV变电站分布位置不同，提出在不同模式下［13］进行电压等级优化配置。

表2 电压等级配置的3种模式

4.1 高压变电站规模

模型符号定义：P为该区域供电负荷，MW；n为每个变电站变压器台数；C为变压器容量；k为变电站负载率；A为整个供电面积；nh为变电站座数。

单座变电站供电面积

平均站间距

变电站高压进线总长度

4.2 中压规模

λ配电变压器平均负载率，Cb变压器容量，则该区域变压器台数nb为

中压线路采用近似等效方法进行核算，近似为高压变电站中压馈线出线数与变电站供电半径的乘积。

4.3 电网损耗计算

4.3.1 变损计算

对变压器损耗作近似处理，计算公式为

式中：P0为变压器空载损耗；Pk为短路损耗；β为变压器损耗负载率。

4.3.2 线损计算

线损计算公式为

式中：r为线路电阻；l为线路长度；U为运行电压；S为视在功率。

4.3 电压等级优化配置

根据模糊物元理论优化配置方案如表3所示。

表3 电压等级优选

5 电压等级优选实证研究

5.1 项目基本概况

蓬莱市位于胶东半岛北端，区域面积为1 128.6 km2。截至2016年底蓬莱市共有220 kV变电站3座，主变6台，变电容量960 MVA。共有110 kV及以下变电站23座，其中110 kV变电站11座，主变20台，总容量865.5 MVA，35 kV变电站12座，主变24台，总容量265.1 MVA。

根据产值单耗法、时间序列回归法等预测方法得到远景年负荷为956.4 MW，蓬莱电网供电面积1 051.85 km2，平均负荷密度为 0.91 MW ／km2，进行远景年规模估算。输电和变电部分的建设费用，根据国网近几年的工程概算来进行测算，比较接近于实际情况，如表4～5所示。

5.2 实证项目评价指标体系构建

蓬莱市电压等级优选项目评价指标体系考虑安全、经济、可靠3方面指标，并作为一级指标，下设7个二级指标，分别为变损电量、线损电量、建设费用、短路电流、N-1通过率、平均停电时间和电压偏差。

表4 电网规模估算

表5 各电压等级指标

5.2.1 评价指标权重确定

1）构造层次结构模型。

将目标（选择电压等级）、考虑因素（变损电量、线损电量、建设费用、短路电流、N-1通过率、平均停电时间、电压偏差）和方案按其关系绘制层次结构如图2所示。

图2 层次结构模型

2）构造判断矩阵A以及权重确定。

判断矩阵用1～9标度方法和德尔菲法通过三轮征询对一级、二级指标进行权重分配。

判断矩阵A表示经济、安全、可靠元素对选择电压等级重要性的比较，B1、B2、B3为各二级指标分别对经济、安全和可靠重要性的比较。

同理，矩阵 B1的特征向量 w1=（0.25，0.25，0.5）T，最大特征值 λmax=3；矩阵 B2的特征向量 w2=（0.75，0.25）T，最大特征值 λmax=2；矩阵 B3的特征向量w3=（0.75，0.25）T，最大特征值 λmax=2；三者 CR=0＜0.1，均满足一致性检查。则各二级指标权重大小为（0.02655，0.02655，0.0532，0.4752，0.158，0.1955，0.065）T

5.2.2 模糊物元评价模型

1）构建复合模糊物元矩阵。

2）构造差平方复合模糊物元。

利用关系度和各个指标权重代入Rk=wRh，结果为：Rk=（0.053 1，0.946 9）最终得出电压等级优选排名见表6，经对蓬莱现状电网进行分析，远景年负荷密度较小，除北部城区为B类供电区外，其他地区均为C、D类供电区域，负荷分布相对分散，可近似为点负荷，符合模式3场景。根据模糊物元法得出110 kV和35 kV电压等级分别排名为第2、第1名次，依据排名结果推荐发展35 kV电压等级。

表6 电压等级优选排名

6 结语

提出基于模糊物元法进行电压等级优选，结合220 kV电源定位、负荷分布等特征，提出了3种不同计算模式，选取包括经济、可靠、安全在内的7种评价指标进行评价。依据负荷密度不同，得出在各种情况下电压等级优化配置结论，并结合蓬莱市实例进行验证。根据蓬莱电网实际情况，若统一电压等级，运用模糊物元分析法推荐35 kV电压等级，该结论对高压配网规划和建设具有一定指导意义。

［1］姜祥生.城网配电电压等级研究［J］.电网技术，1999，23（2）：31-33.

［2］苏卫华，施伟国.基于变电站分布模型的电压等级优化配置［J］.电力系统及其自动化学报，2010，22（3）:96-101.

［3］冯景，周步祥，林楠.基于模糊理论的配电网电压层级优化的应用［J］.四川电力技术，2012，35（1）:43-47.

［4］陈俊华，慕长龙，朱志芳.Excel在物元模型及层次分析法（AHP）中的应用［J］.四川林业科技，2009，30（5）：58-62.

［5］陈大宇，肖峻，王成山.基于模糊层次分析法的城市电网规划决策综合评判［J］.电力系统及其自动化学报，2003，15（4）:83-88.

［6］王德荣，王智源，李必鑫.基于模糊物元分析的城市加油站选址决策方法研究［J］.重庆科技学院学报（自然科学版），2008,10（3）:121-124，137.

［7］李丽.京津冀低碳物流能力评价指标体系构建-基于模糊物元法的研究［J］.现代财经（天津财经大学学报），2013（2）:72-81.

［8］鲁璐.基于物元可拓模型的土地整理综合效益评价研究［D］.武汉：华中师范大学，2012.

［9］王亚飞.基于物元评判模型的农地整理综合效益评价研究［D］.抚州：东华理工大学，2013.

［10］聂万隆.基于模糊物元法的中国石油企业国际竞争力评价［D］.大庆：东北石油大学，2014.

［11］金方顺.基于遗传算法的多目标模糊物元优化方法研究［D］.杭州：浙江工业大学，2009.

［12］苏卫国，施伟国.基于变电站分布模型的电压等级优化配置［J］.电力系统及其自动化学报，2010，22（3）:96-99.

［13］张亚丽.基于vague集的电压等级序列综合评价［D］.北京：华北电力大学，2010.

The Optimization of Voltage Grade Based on Fuzzy Matter Element Method

YAN Jingzhong1，SUN Mingxin2，WANG Lei1，WANG Yan1，JI Cuina1
（1.State Grid Penglai Power Supply Company，Penglai 265600，China；2.State Grid Shandong Electric Power Company，Jinan 250001，China）

In this paper，the fuzzy matter-element method of the voltage grade choice is proposed in the construction of distribution network.By hierarchical analysis，the index weight of voltage grade evaluation is determined，and comprehensive evaluation considering of the grid security，economic and reliable analyze comprehensive optimization under different distribution patterns of grid，and the corresponding conclusion is concluded by analyzing the voltage grade of Penglai city，which has a certain guiding significance for grid construction.

Index system；hierarchical analysis；fuzzy physical element；voltage grade optimization

TM727

B

1007-9904（2017）12-0028-05

2017-11-08

颜京忠（1970），男，高级工程师，从事企业管理工作。