基于模糊优选法的UHVDC雷击主动防护方案综合性能评估

毛 涛

（武汉东湖学院 湖北·武汉 430074）

0 引言

特高压直流输电(UHVDC)具有输送容量大、调节速度快等技术优点，特别适用于点对点、大功率、远距离直接将电力输送至负荷中心的场合，在我国电力系统中发挥了重要的作用。

包括反击和绕击在内的雷击是导致高压输电线路发送故障的重要原因之一，尤其在山区，大部分高压输电线路故障源自于雷击线路而导致的跳闸。到目前为止，世界各国已基本形成一套行之有效的输电线路常规防雷方法和措施，对提高高压输电系统运行可靠性起到了很明显作用。文献[6,7]根据雷电定位系统实测数据对某特高压直流线路雷害风险进行了评估计算，并提出了针对性的绕击防范措施。文献[8]分析了特高压输电绕击防雷保护措施，对防雷保护角进行了计算和比较。上述所采用的雷击防护方法均属于被动方式。

为减小被动雷击防护手段失效时UHVDC线路雷击跳闸对系统的影响，可考虑采用主动性的雷击防护技术，例如降压运行和直流功率支援，应用这些方案时，需要综合考虑方案的经济性、静暂态安全稳定性、输电可靠性等指标，目前工程领域应用较多的综合性能评估方法主要包括改进层次分析法和模糊综合分析方法。

本文对特高压直流输电线路的主动雷击防护方案的性能进行了综合评估。首先介绍了基于降压运行和紧急功率支援的防护技术的原理和实现步骤。设计了考虑方案经济性、安全性和可靠性的综合评估指标体系，给出了各指标的计算方法。采用改进层次分析法和模糊优选方法进行了可行方案的综合性能评估。给出了本文方法在四川电网中应用的算例。

1 主动防护技术及评估指标体系

1.1 主动雷击防护技术

本文考虑了两种适用于UHVDC系统的主动雷击防护技术，即降压运行和紧急功率支援。以下简要介绍两种技术的原理和实现步骤。

当雷电预警系统发出某直流输电通道可能遭受雷击的警告时，从规避可能的雷击闭锁对电网造成冲击的角度出发，可以将直流电压降低至额定的70%，但保持直流电流为额定值的运行方式，即降压主动防护技术。

直流紧急功率支援技术是指当某特高压直流输电通道遭雷击而闭锁后，将无法继续通过该通道送出的功率转移为由其它并行的交/直流线路输送，具体原理如图1所示。

图1：紧急功率支援技术原理

当某条直流通道发生雷击闭锁故障导致其直流功率无法送出时，送端系统内原动机机械功率PM与线路输送功率Pd的差值PT将增大，不采取相应措施时最终导致转子加速，系统可能失去稳定。紧急直流功率支援即通过继续保持一定的外送功率来减小功率差值PT，以增大减速面积。

图2表明，通过功率调整可将该直流通道输送功率由初始的P0调整至Pmod。功率调整率k(MW/s)、调整起始时刻T_start以及调整持续时间T_con(T_end-T_start)都将影响调整效果。一般而言调整率越大，调整时刻越早，持续时间越长，将越有利于增加减速面积，也越有利于提高系统稳定性。

图2：直流功率调整曲线

1.2 主动雷击防护方案评价指标体系

图3为本文提出的UHVDC雷击主动防护方案的综合评价指标体系。1级指标包括经济性、安全稳定性和可靠性，其中安全稳定性又包括静态和暂态安全稳定性两个2级评估指标，共计细分为13个3级评估指标。

图3：雷击主动防护方案综合评价指标

2 基于模糊优选的综合评估

本文综合评估方法首先应用改进层次分析法确定各指标的权重，然后建立模糊优选模型对各种雷击主动防护方案的综合性能进行评估。

2.1 主动雷击防护方案评价指标体系

特高压直流输电线路雷击主动防护方案的优选实质是综合考虑经济性、安全稳定性和可靠性的多目标评价问题。本文采用改进层次分析法(IAHP)来进行指标权重的确定，在此过程中用三标度法取代九标度法，以下给出详细实现步骤：

（1）利用三标度法求出比较矩阵；

（2）计算Aij的重要性排序指数；

（3）构造判断矩阵Bij；

（4）求判断矩阵Bij的拟优一致矩阵B'ij；

（5）求拟优一致矩阵B'ij的特征向量W。

2.2 模糊优选模型

设评估对象集合包括n个方案和m个指标，若方案样本指标i等权重，则W可表示为W=(1,2,...,m)。

定义目标对指标优值的相对隶属度为相对优属度，根据不同指标的特点分别采用固定型、区间型、成本型、效益型目标数学模型，来确定理论的最大相对优属度和最小相对优属度，分别表示为：

式中rij为决策方案j指标i的相对优属度。

方案j与优等方案、劣等方案的差异可用广义权距离表示为距优距离djg与距劣距离djb，分别为：

式中：z为广义距离；gi/bi分别为指标i的最大/小相对优属度。

以uj/1-uj分布表示方案j对优/劣等方案的隶属度分，以方案j的加权距优距离的平方与加权距劣距离平方的总和最小为目标函数，即：

对式(5)进行求导，并令：

取广义距离z=2，得到最优值为：

将式（7）记为模糊优选模型，据此可求得所有方案对于优等方案的最佳相对隶属度向量U={u1,u2,...,un}，则最大隶属度umax=(u1,u2,...,un)所对应的决策方案即为最优方案。

3 算例分析

3.1 系统模型及参数

四川电网主要供区包括21个地级市，与重庆电网的川渝断面包含四回500kV交流线路和两回1000kV特高压交流线路，与陕西、华东电网异步互联的4回常规/特高压直流通道分别为德宝±500 kV通道送电1500MW，向上±800kV特高压通道送电6400 MW，溪浙±800 kV特高压通道送电8000 MW，锦苏±800kV特高压通道送电7200 MW。本文选取评估对象为浙西±800kV特高压直流输电线路。

本文基于PSASP 6.282建立四川电网丰大方式下的仿真计算模型，基准容量选取为100MW。发电机模型计及励磁、PSS和调速系统。负荷模型的构成比例为40%的感应电动机负荷+60%恒阻抗负荷。分别在浙西±800kV直流输电线路单极和双极闭锁运行情况下，对降压运行和紧急功率支援两种雷击主动防护方案进行评估。

3.2 仿真及计算结果

单极和双极闭锁情况下，由仿真得出的各种可行的降压运行和紧急功率支援方案如表1所示。

表1：降压运行和紧急功率支援具体方案

选取送端电网即四川电网为参考区域，川渝断面为参考断面，川沐川、川月城和川叙府变电站500 kV母线为参考母线。得到单极和双极闭锁时主动防雷方案各指标计算结果分别如表2和表3所示。

表2：单极闭锁时指标计算结果

表3：双极闭锁时指标计算结果

采用改进层次分析法（IAHP）求得各指标权重如表4所示。

表4：指标权重计算结果

利用模糊优选算法，得到各种防护方案的隶属度如表5所示。

表5：防护方案的隶属度

可以看出，单极闭锁时降压运行和紧急功率支援方案的隶属度分别为0.8444和0.7227；而双极闭锁时方案的隶属度分别为0.8166和0.7577。结果表明：基于降压运行的主动防雷措施的综合性能要优于紧急功率支援方案。这是由于降压运行在切机量和暂态功角稳定这两个重要指标上明显优于紧急功率支援，而可靠性指标等两者大致持平，因此降压运行方案的综合性更优。此外，与双极闭锁相比，单极闭锁方式下降压运行方案优势更明显，这是因为单极闭锁运行状况下潮流分布指标降压运行方式更佳，而且两个方案在功角稳定性指标上差别更明显。

4 结束语

本文提出了进行特高压直流输电通道雷击主动的方案，并对各种方案的综合性能评估方法进行了研究。设计了由13个三级指标构成的综合考虑方案经济性、安全性和可靠性的评估指标体系，为全面客观评估雷击主动防护方案的性能提供了基础。采用可降低人为主观性对评价结果影响的改进层次分析法进行指标权重求解，并应用评估结果直观可靠的模糊优选法进行方案综合性能评估。本文方法为优选特高压直流输电线路主动雷击防护方案提供了决策依据，对设计提高含特高压直流输电系统电网运行安全稳定性的技术具有参考价值。