基于层次分析模型的智能变电站组网设计探究

摘 要：本文基于层次分析模型（AHP），对220 kV智能变电站组网设计进行了优化。深入分析了现有变电站结构和功能需求，解决了变电站布局、设备配置等优化问题。研究结果表明，优化基础设施布局和主要设备配置，可显著提升运行效率与安全性，符合相关技术标准与经济指标。并结合AHP模型定量分析变电站不同因素的重要性，为智能变电站的设计提供了科学依据和优化路径。本文方法不仅提升了变电站的整体性能，还为未来智能电网的建设提供了有益经验与参考，对电力系统的可靠运行与节能减排具有重要意义。

关键词：层次分析模型；220 kV智能变电站；组网设计

中图分类号：TM 631" " 文献标志码：A

220 kV智能变电站是电力系统中不可或缺的输电枢纽，其设计与优化直接影响电网的安全、稳定运行和能源资源的高效利用。鉴于信息技术的飞速发展和电力系统复杂性日益增加，传统变电站的结构与管理模式已难以适应现代电网的运作需求。本文旨在借助层次分析模型（AHP），进行系统性分析与比较，为220 kV智能变电站的组网设计提供科学的决策依据。作为一种针对多因素、多层次和多目标的决策分析工具，AHP能够有效应对电力系统中变电站设计与优化过程中的复杂问题。本文深入研究220 kV变电站的结构与功能需求，并结合智能化技术的最新进展，提出了切实可行的组网方案，并通过优化与仿真分析，验证其在提升系统效率、降低运营成本以及提高安全性方面的显著成效。

1 层次分析模型（AHP）原理

在AHP中，需要将决策问题清晰地分解为一个有层次的结构。通常情况下，该结构为3层结构，即最高层的目标、中间层的准则和最低层的方案（如图1所示）。

本文针对智能变电站的特点和日常运行情况，将目标层设为“最优化的变电站设计”，中间的标准层设为“设备布局”“功能模块配置”和“通信网络设计”，最低的方案层则是具体的设备选择和设备布局方案[1]。清晰的层次结构有助于更好地分析问题，将大问题分解为更小、更易于处理的小问题。

2 220 kV变电站结构与功能需求分析

层次分析模型（AHP）是一种多准则决策分析方法，在220 kV变电站的设计中，该模型能够理清各种需求的优先级和相互关系，有助于制定出最优化的结构与功能布局。AHP能将复杂的决策问题分解成层次结构，并使用专家判断与定量分析确定每个层次的权重，从而提供系统化的决策支持。在变电站结构分析中，AHP有助于确定不同功能需求的重要性，例如电力传输效率、设备安全性和维护便捷性等，以及它们之间的相互影响和权衡。220 kV变电站设计涉及电力工程、土地利用和环境影响等多方面因素，AHP能够将这些因素纳入考量，并根据各自的重要性和优先级确定最佳结构设计方案。

2.1 220 kV变电站结构

220 kV变电站结构包括6个主要组成部分。1） 主变压器，用于变电站与输电网间的电压转换，将高压电能转换为适合输送到用户的电压等级。2） 开关设备，包括断路器、隔离开关等，用于控制并保护电网中的电气设备，以应对电力系统的异常情况。3） 电容器与电抗器，可补偿电网中的无功功率，稳定电压，提高电网的功率因数。4） 保护与控制系统，可保护继电器、自动化控制等设备，并保障变电站设备和电力系统的安全运行。5） 辅助电源与电池组，可提供控制电路、保护电路以及应急电源，保证变电站在停电或紧急情况下仍能正常运行。6） 建筑物和辅助设施，包括变电站的建筑结构、通道和消防设施，可为操作和运维人员提供安全的工作环境。

2.2 功能需求分析

从微观层面来看，220 kV变电站的功能需求主要为电能转换分配和保证电网稳定性。前者的主要目的是将输送到变电站的高压电能转换为适合城市或工业用户使用的低压电能，并按照需求进行分配。后者则是通过合理的设备配置和控制策略，保证电网的稳定运行，避免因电力设备故障引起大面积停电[2]。此外，与传统变电站相比，智能变电站的功能需求中还新增了智能化需求，引入了远程监控、数据分析和自动化控制等先进的智能化技术，提升了变电站的运行效率以及响应速度。

3 220kV智能变电站组网设计

220 kV智能变电站是复杂的电力系统工程，其组网设计需要综合考虑安全性、可靠性、经济性和环境影响等因素。AHP有助于系统性地分析、权衡这些因素，采用层次结构化的方式，准确评估不同决策选项对各项因素的影响。这种方法不仅能使决策过程更透明，还能减少决策中的主观性，保证设计方案更客观、可靠。此外，在设计阶段需要面临基础设施布局、设备配置/布置和系统集成等多个方面的决策，这些决策通常受各种约束条件的影响。AHP有助于分析各个决策因素间的相对重要性与优先级，帮助设计团队在多个设计方案间做出理性选择，从而使整体设计方案的效益最大化。

3.1 基础设施布局设计

3.1.1 场地选址与布局

对于220 kV智能变电站的选址，一方面要考虑变电站需要接入大容量的输电线路，选址通常位于电网节点附近，以便有效连接不同的电力系统。另一方面还要考虑地形地貌、气候等因素，需要具备稳定的地质和水文条件，以保障变电站安全运行。在布局设计方面，要保证场地足够大，便于进行主变压器、开关设备、电容器和电抗器等大型设备的安装与维护。布局设计要合理规划各个设备的位置，以保证设备间的安全距离，还需要具备独立的操作通道，以便进行日常维护和紧急情况处理。

3.1.2 接地系统设计

在变电站安全运行过程中，接地系统不仅用于保护设备和人员免受电气故障影响，还有助于降低电气设备的电磁辐射。设计接地系统过程中，需要考虑接地电阻的分布，保证系统的有效性。接地电阻如公式（1）所示。

（1）

式中：Rg为接地电阻；ρ为土壤的电阻率；r1与r2分别为地电极的位置向量；V为地电极所在的体积；dV1与dV2为位于位置r1、r2处的微小体积元素。

在具体实践中，本文先确定每个接地电极的位置ri，再根据地层的电性质和土壤类型，并进行地质勘探或者实地测量确定土壤的电阻率。进而根据电极的形状和尺寸计算出单个地电极的体积V，一般为几何体积的近似[3]。使用有限元法对上述积分进行离散化计算，以便有效计算复杂的积分。得到接地电阻后，需要评估其是否满足设计要求，如果接地电阻高于预期，需要调整接地电极的布置，或者增加接地电极的数量，以保证接地系统的有效性，并保障其安全性（见表1）。

表1 接地电阻计算示例

地电极

编号 地电极位置

ri（坐标） 土壤电阻率

ρ/Ω·m 地电极

体积V/m3 计算得到的

接地电阻Rg/Ω

1 （10，5，0） 100 1.0 0.8

2 （-5，8，0） 120 0.5 1.2

3 （0，-3，0） 90 0.8 0.9

4 （12，-7，0） 110 1.2 1.0

5 （-8，-5，0） 95 0.7 0.7

此外，接地网格的布置必须符合国家和地方要求的安全标准，采用耐腐蚀、导电性能良好的材料。接地系统的连接方式通常采用螺栓连接或焊接，保证接地电阻达到设计要求，并进行定期检测与维护。

3.2 主要设备配置与布置

3.2.1 主变压器配置与布置

主变压器是电网系统中的关键设备，其核心功能在于将高电压输电线路中的电能转换为适用于终端用户的低电压电能。特别是在220kV级别的变电站中，主变压器的选择对整个电网的功率传输能力和整体运行效率具有决定性影响。关于主变压器的容量和选型，通常其容量为50MVA～500MVA。具体容量确定需要根据电网的负荷需求、系统设计容量以及预留的备用率进行综合考虑。当选择主变压器时，必须全面考量电网的负荷特性、未来可能的扩展需求以及设备的经济性，以保证选择的合理性和高效性。在安装位置和环境方面，主变压器通常被安置于变电站的中心区域或靠近主要输电线路的地点，旨在最大限度地减少输电过程中的能量损耗。户外安装是一种常见选择，但是在此过程中，必须充分考虑相应的防护措施，例如完善的防雷系统、严格的防火措施以及合理的通风和冷却系统，以保证设备能够在安全、稳定的环境中长期运行。

3.2.2 开关设备配置与布置

开关设备在电力系统中具有至关重要的地位，其核心功能在于执行电路的开闭操作并提供故障保护机制。在220 kV变电站中，断路器与隔离开关是2种常见的关键设备。断路器的主要职责是当电路出现故障时，迅速切断电流流动，以避免设备受损，发生电网扩展性事故[4]。在选型过程中，需要根据电网的短路电流计算和设备保护要求选择SF6气体断路器，其额定电流范围通常为数千安至数十千安。隔离开关主要用于进行电路隔离和安全维护，其布置通常位于主变压器与其他设备间，保证在设备维护与检修过程中能够安全有效地隔离相关电路，保障作业人员的安全。

3.2.3 电容器组与电抗器配置

电容器组与电抗器在220 kV变电站中具有至关重要的作用，主要集中于无功功率补偿与电力质量的优化。具体而言，电容器组旨在调节系统功率因数，进而提升电网的整体运行效率与能源的有效利用率。在实际应用中，本文根据系统的功率因数需求和负荷特性，精确选择电容器组的容量与类型，保证电网稳定、高效运行。而电抗器则侧重于稳定电压、减少电力波动，特别是在高压电网环境中，电抗器的合理配置对维持系统电压的稳定性具有不可或缺的作用，所需电容器组的总容量如公式（2）所示。

（2）

式中：Ctotal为所需电容器组的总容量；Q为系统中的无功功率；ω为电网的角频率；cos（θ）为系统的功率因数。

在具体实践中，采用系统分析与测量，确定系统中的无功功率Q和功率因数cos（θ），并将上述数据代入公式（2），根据计算结果选择合适容量的电容器组，以满足系统功率因数的要求（见表2）。

4 设计方案优化

本文深入剖析了变电站结构与功能需求，明确了基础设施布局、核心设备配置及其精确布置策略。在此基础上，尝试对设计方面进行优化，全面审视前期分析成果，精准平衡各项需求与约束条件，保证设计方案在付诸实施后能够长期稳定运行，并契合既定的技术与经济指标。

对每个层次构建一个判断矩阵。例如对于准则层，判断矩阵C（1） 的元素c（1） ij为准则i 相对于准则j 的重要性比较（i，j=1，2，…，m）。对于备选方案层，判断矩阵C（2） 的元素c（2） ij为备选方案i 相对于备选方案j 的重要性比较（i，j=1，2，…，k）。

当计算一致性指标和一致性比率时，先计算每个判断矩阵的一致性指标CI 和一致性比率CR，以确定判断矩阵是否足够一致。如果通过一致性检验，就判断矩阵可用于权重计算。再计算通过一致性检验的判断矩阵的特征向量。特征向量对应每个层次的权重向量。对于准则层与备选方案层，分别计算其特征向量，其中准则层权重向量为w（1）=（w（1） 1，w（1） 2，…，w（1） m）T，w（1） i表示准则i的权重，而备选方案层权重向量为w（2）=（w（2） 1，w（2） 2，…，wk（2））T，wi（2）表示备选方案i 的权重。这些权重向量经过归一化处理后，可直接用于计算最终设计方案的综合得分，以辅助决策过程。

例如，在某220 kV智能变电站组网设计中，λ（1）与λ（2）分别表示通过一致性检验后的准则层与备选方案层判断矩阵的最大特征值，v（1）与v（2）分别表示对应的特征向量，则权重向量可以用公式（3）、公式（4）表示。

（3）

（4）

式中：v（1）=（v（1） 1，v（1） 2，…，v（1） m）T为准则层判断矩阵的特征向量；v（2）=（v（2） 1，v（2） 2，…，v（2） k）T为备选方案层判断矩阵的特征向量。

将具体的判断矩阵输入上述公式中，通过一致性检验验证判断矩阵的合理性[5]。如果通过检验，就需要计算特征向量，并根据上述公式计算权重向量。这些权重向量可以帮助评估不同的变电站组网设计方案在各个层次的重要性，从而辅助决策过程，选择最优的设计方案（见表3）。

根据表3计算出权重向量，权重向量越高，表示在整体目标实现中具有越大的贡献度和重要性。综合考虑4个方面的权重，本文得出以下4个结论。方案E的权重向量（0.39，0.14，0.10，0.37）在技术成熟度、成本效益、环境影响和可维护性上的分布相对均衡，特别是在技术成熟度和可维护性方面表现出色。2） 方案A在技术成熟度和可维护性上也有较高权重，但是成本效益略低，环境影响较高。3） 方案B和方案C在技术成熟度和成本效益上表现较好，但是在环境影响和可维护性上的权重分布较低。4） 方案D在环境影响上的权重较高，但是在技术成熟度和可维护性上较弱。

根据权重向量的分析，方案E是最优设计方案，其原因在于该方案在多个重要方面均有较高的评分，特别是在技术成熟度和可维护性方面表现突出，同时在成本效益和环境影响方面也达到了平衡。

5 结语

基于层次分析模型，本文对220 kV智能变电站的组网设计及其优化问题进行了深入探讨，并进行系统的层次化分析和精确的权重计算，精准评估不同设计方案在技术成熟度、成本效益、环境影响和可维护性等多维度上的优劣，为智能电网的建设提供了有益经验与参考。

参考文献

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