配電網(wǎng)規(guī)劃評估指標(biāo)體系

方歡歡，程浩忠，辛潔晴，吳 立，夏 夷

（1.上海交通大學(xué)電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240；2.浦東供電公司，上海 200122）

配電網(wǎng)規(guī)劃評估指標(biāo)體系

方歡歡1，程浩忠1，辛潔晴1，吳 立2，夏 夷2

（1.上海交通大學(xué)電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240；2.浦東供電公司，上海 200122）

從安全性、經(jīng)濟性、靈活性、可靠性、協(xié)調(diào)性五個方面研究配電網(wǎng)評估指標(biāo)，對配電網(wǎng)進行綜合評估。重點研究變電站單臺主變故障情況下的配電網(wǎng)供電能力以及線路故障時的負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力；考慮全壽命周期成本LCC（life cycle cost）對動態(tài)經(jīng)濟性指標(biāo)包括凈現(xiàn)值、投資回收期的影響，并將所得結(jié)果與傳統(tǒng)經(jīng)濟性評價方法的結(jié)果進行對比，顯示了利用LCC方法進行配電網(wǎng)經(jīng)濟性評估的全面性以及合理性。最后，利用該體系并結(jié)合熵權(quán)層次分析法對實際配電網(wǎng)的綜合評估，驗證了指標(biāo)體系的有效性和可行性。

配電網(wǎng)；評估；全壽命周期成本；經(jīng)濟性；靈活性；層次分析法

配電網(wǎng)規(guī)劃評估是運用系統(tǒng)工程的方法，對規(guī)劃項目進行全面的跟蹤、調(diào)查、分析和評價，對項目進行安全性等各方面的評價，是配電網(wǎng)規(guī)劃分析決策的重要環(huán)節(jié)。合理的配電網(wǎng)規(guī)劃是保證配電網(wǎng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的有效手段，同時也是保證盡可能地減少電力建設(shè)投資浪費的重要前提。

傳統(tǒng)的電網(wǎng)評價工作，包括安全性[1]、可靠性[2-3]、電能質(zhì)量[4]等單項評估，從不同側(cè)面、在不同程度上評價了配電網(wǎng)技術(shù)水平，但是缺乏整體性評價。文獻[1]提出了事故后果嚴(yán)重程度指標(biāo)，系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)強弱指標(biāo)和系統(tǒng)整體安全性指標(biāo)。文獻[4]利用模糊綜合評判方法提出客觀綜合的電能質(zhì)量評價指標(biāo)。文獻[5-6]提出了電網(wǎng)規(guī)劃綜合評判決策方法。

配電網(wǎng)規(guī)劃評估指標(biāo)體系的建立需遵循以下原則：系統(tǒng)性原則、科學(xué)性原則、客觀性原則以及實用性原則。本文依據(jù)這幾項原則，從安全性、經(jīng)濟性、靈活性等5個方面研究配電網(wǎng)評估指標(biāo)，提出一套較完整的評估指標(biāo)體系，有助于今后配電網(wǎng)規(guī)劃的定量分析和整體評估。

1 配電網(wǎng)評估研究

本文建立的配電網(wǎng)評估指標(biāo)體系包括安全性、經(jīng)濟性、靈活性、可靠性和協(xié)調(diào)性5個方面，如圖1所示。

1.1 安全性分析

安全性指標(biāo)包括電壓合格率、節(jié)點電壓偏移率和供電能力合格率。電壓合格率為在測量時間段內(nèi)，電壓不越限的時間與電壓監(jiān)測總時間的比值。節(jié)點電壓偏移率為測量時間段內(nèi)，節(jié)點電壓偏移與額定電壓的比值，其中，節(jié)點電壓偏移指由于電網(wǎng)運行方式的改變或負(fù)荷變化引起網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點電壓對網(wǎng)絡(luò)額定電壓產(chǎn)生的偏差。電壓偏移過大對用戶以及電力系統(tǒng)本身都有不利影響。為了保證電器設(shè)備的正常工作，必須進行各節(jié)點電壓的監(jiān)視和調(diào)節(jié)。供電能力主要考察某一變電站在進線容量滿足主變?nèi)萘康臈l件下發(fā)生單臺變壓器故障時的最大負(fù)荷供應(yīng)能力，包括站內(nèi)供電能力和站間轉(zhuǎn)移供電能力，如圖1所示。本文研究了單座變電站的主變“N-1”情況下的供電能力情況，用供電能力平衡值來表示。一座變電站失去最大容量主變后，供電能力平衡值計算公式定義為

PB=（Sre+Str）cosφ-PL（1）式中：PB為供電能力平衡值；Sre為剩余主變?nèi)萘?；Str為與該變電站聯(lián)絡(luò)的同等級其他變電站所能轉(zhuǎn)帶的負(fù)荷能力；PL為全站有功總負(fù)荷；cos φ為功率因數(shù)。如果PB＞0，則該變電站滿足N-1安全性條件，即表明正常運行方式下該站任何一臺變壓器故障時，都可通過站內(nèi)和站間轉(zhuǎn)移，保證該站負(fù)荷100%不失電。

圖1 配電網(wǎng)規(guī)劃評估指標(biāo)體系Fig.1 Indices system of distribution network planning and evaluation

一個地區(qū)滿足N-1安全性條件的變電站數(shù)量占地區(qū)變電站總數(shù)的比值為供電能力合格率，可反映該地區(qū)電網(wǎng)對變壓器N-1事故適應(yīng)能力的總體水平。

1.2 經(jīng)濟性分析

1.2.1 全壽命周期成本（LCC）理論

全壽命周期成本[8]指從設(shè)備、系統(tǒng)或項目的長期效益出發(fā)，全面考慮其在規(guī)劃、設(shè)計、制造、購置、安裝、運行、維修、更新直至報廢的整個壽命全過程中，共需要支出的費用總和。

1.2.2 考慮LCC的經(jīng)濟性評估

經(jīng)濟性分析結(jié)合LCC評估方法，從系統(tǒng)的全壽命周期角度對動態(tài)指標(biāo)（凈現(xiàn)值、投資回收期）進行分析計算。

傳統(tǒng)的財務(wù)評價方法[9]，以動態(tài)現(xiàn)金流量分析為主，輔以靜態(tài)財務(wù)比率分析，能夠全面、客觀地評價電力工程項目的盈利能力。

電網(wǎng)規(guī)劃方案的LCC評估，首先要對規(guī)劃方案進行合理可行的費用結(jié)構(gòu)分解，建立相應(yīng)的用于規(guī)劃評價的LCC模型?？紤]設(shè)備互聯(lián)對全網(wǎng)的影響，將全網(wǎng)LCC建模分為設(shè)備層建模和系統(tǒng)層建模[10]。在設(shè)備層模型中，考慮各個主要輸變電設(shè)備的全壽命周期成本；在系統(tǒng)層模型中，從人工成本、輸送電量、多重故障的角度，考慮其成本的組。全網(wǎng)LCC構(gòu)成如下：

式中：LCCnet、LCCd、LCCs分別為全網(wǎng)的LCC、設(shè)備層的LCC以及系統(tǒng)層的LCC。CId、CIs分別為設(shè)備層和系統(tǒng)層的投資成本；COd、COs分別為相應(yīng)層的運行成本，CMd、CMs分別為相應(yīng)層的維護成本；CFd、CFs分別為相應(yīng)層的故障成本；CDd、CDs分別為相應(yīng)層的廢棄成本。

在設(shè)備層LCC模型中，CFd為單臺設(shè)備停運造成的直接故障成本，對于可靠性已經(jīng)較高的電網(wǎng)，單臺設(shè)備直接故障導(dǎo)致的失負(fù)荷概率很小，因此CFd近似為0。系統(tǒng)層LCC模型中，CFs包括多重故障導(dǎo)致的直接經(jīng)濟損失和間接故障損失。故障后發(fā)生的供貨方設(shè)備材料費、服務(wù)費、可能的賠償費用、對社會造成的不良影響以及公司信譽受損等這部分屬于設(shè)備的間接故障成本。本文從全網(wǎng)停電電量損失即停電成本的角度考慮直接經(jīng)濟損失。采用蒙特卡羅模擬得到EENS可靠性指標(biāo)，乘以電價繼而轉(zhuǎn)化為全網(wǎng)停電損失費用模擬，即

式中：Cprice為電價；CFoutage為缺電成本，即為直接故障成本。設(shè)定間接故障成本與直接故障成本的比例為a，通常取較大量值（一般取100）以突出故障所帶來的社會影響，那么間接故障成本為a× CFoutage。系統(tǒng)中的故障總成本為

1.3 靈活性分析

線路負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力，是電網(wǎng)靈活性的體現(xiàn)。本文以兩側(cè)電源來自不同變電站的開式單環(huán)網(wǎng)為例（圖2），研究線路負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力的計算。

1）不考慮主變限額

設(shè)有兩條不同變電站的出線l1和l2，它們通過聯(lián)絡(luò)線相聯(lián)，聯(lián)絡(luò)線斷路器在正常運行工況下斷開；l1的負(fù)荷載流量為ILM1，l2的負(fù)荷載流量為ILM2，l2載流限額為Imax2。當(dāng)l1在近電源側(cè)發(fā)生故障時，可以轉(zhuǎn)給l2的負(fù)荷最大為Imax2-ILM2，而此時需要轉(zhuǎn)供的負(fù)荷為ILM1，因此l1的負(fù)荷轉(zhuǎn)移率η1計算公式為

假設(shè)聯(lián)絡(luò)線路的載流量限額為Ill，則需要進行判斷：

若Imax2-ILM2＞ILM1，即表示能夠全部轉(zhuǎn)移，此時進一步判斷，若Ill＞ILM1，則轉(zhuǎn)移率公式同式（5）；若Ill＜ILM1，則轉(zhuǎn)移率公式為

若Imax2-ILM2＜ILM1，即表示不能夠全部轉(zhuǎn)移，此時進一步判斷，若Ill＞Imax2-ILM2，則轉(zhuǎn)移率公式同式（5）；若Ill＜Imax2-ILM2，則轉(zhuǎn)移率公式為

2）考慮主變限額

不考慮主變限額只是理想情況，一般都是必須要考慮的。設(shè)l1是變電站B的主變T2的一條出線，主變T2的容量為Se，最高負(fù)荷為Smax，則考慮主變限額時，T2還可以帶的負(fù)荷S1為Se-Smax。此時l2可轉(zhuǎn)帶的最大負(fù)荷。

若Ill＞Imax2-ILM2，即聯(lián)絡(luò)線路能夠滿足最大負(fù)荷的轉(zhuǎn)移，此時l1可以轉(zhuǎn)移的最大負(fù)荷為S= min（S1，S2）。η1為

若Ill＜Imax2-ILM2，即聯(lián)絡(luò)線路有限制，則此時l1負(fù)荷轉(zhuǎn)移最大為。η1為

圖2 開式單環(huán)網(wǎng)中的線路負(fù)荷轉(zhuǎn)移示意Fig.2 Diagram of transferred load between transmission lines in open single loop distribution network

3）考慮能通過多條線路轉(zhuǎn)移情況

若l1與多條線路有聯(lián)絡(luò)，例如l2和l3，此時需要分別研究通過每條線路轉(zhuǎn)移的負(fù)荷轉(zhuǎn)移率，設(shè)為η12、η13。取其中負(fù)荷轉(zhuǎn)移率最大的線路作為轉(zhuǎn)移線路，對應(yīng)的負(fù)荷轉(zhuǎn)移率即為線路l1的負(fù)荷轉(zhuǎn)移率。若無論通過哪條聯(lián)絡(luò)線路，都無法實現(xiàn)負(fù)荷的完全轉(zhuǎn)移，則可以考慮通過多條線路同時轉(zhuǎn)移負(fù)荷。此時l1的負(fù)荷轉(zhuǎn)移率為η12+η13。

1.4 可靠性分析

分析影響供電可靠性的裝備水平，包括電纜化率；還可直接根據(jù)設(shè)備的故障率情況評估供電可靠性指標(biāo)，包括用戶平均停電時間、供電可靠率。其計算式分別為

1.5 協(xié)調(diào)性分析

評估電網(wǎng)容量和負(fù)荷之間大小協(xié)調(diào)情況，即能否適應(yīng)負(fù)荷增長需求，但又不造成容量過度投資。用容載比來衡量。

式中：Rs為容載比，kVA/kW；Pmax為該電壓等級最大負(fù)荷日最大負(fù)荷，萬kW；∑sei為該電壓等級年最大負(fù)荷日投入運行的變電站的總?cè)萘?，萬kVA。

2 熵權(quán)層次分析法

層次分析法（AHP）是綜合主觀判斷的客觀方法，也是一種定性和定量分析相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法。適合于具有多層次結(jié)構(gòu)的多指標(biāo)決策問題[11]，但其仍然具有主觀隨意性。熵權(quán)法屬于客觀賦權(quán)法，可以彌補層次分析法的缺陷，因此本文采用熵權(quán)AHP法[12-13]，根據(jù)AHP法計算指標(biāo)體系權(quán)重，利用判斷矩陣提供的信息，進一步用熵權(quán)法修正權(quán)重，對各個指標(biāo)結(jié)果進行綜合評估。

層次分析法具體步驟：①建立層次結(jié)構(gòu)體系；②根據(jù)1～9標(biāo)度打分原則構(gòu)造判斷矩陣A；③判斷矩陣一致性檢驗，求出一致性指標(biāo)CI，CI=（λmaxn）/（n-1），λmax為判斷矩陣最大特征根，n為矩陣階數(shù)；④計算一致性比例CR，CR=CI/RI，RI為平均一致性指標(biāo)。當(dāng)CR≤0.1時，認(rèn)為具有一致性；⑤層次單排序：計算滿足AW=λmaxW的λmax和向量W；⑥利用層次單排序的計算結(jié)果，進一步計算出對更上一層次而言本層次所有元素重要性的權(quán)重值，進一步用熵權(quán)法修正層次分析法得出的權(quán)重，具體公式參見文獻[12]；⑦利用專家打分法確定最底層各個指標(biāo)的百分制得分Si。再根據(jù)公式計算上一層某屬性的綜合得分。逐級向上，最終得到配電網(wǎng)的綜合評估得分值為

式中：S表示上一層某屬性的得分；λi表示本層中的第i個指標(biāo)的權(quán)重。

3 算例分析

本文采用某地區(qū)110 kV配電網(wǎng)絡(luò)進行分析。截至2009年底，該地區(qū)擁有110 kV變電站182座。110 kV線路中電纜長度為202.6 km，架空線路長度為1 901 km。結(jié)合該地區(qū)2009年電網(wǎng)發(fā)展情況，對其進行配電網(wǎng)的評估。

3.1 安全性分析

根據(jù)GB/T12325—2008《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》的規(guī)定，35 kV及以上供電電壓正、負(fù)偏差的絕對值之和不超過標(biāo)稱系統(tǒng)電壓的10%。該區(qū)2009年110 kV電網(wǎng)的節(jié)點電壓偏移率為5.9%，電壓合格率達到98.77%。

選取2009年高峰負(fù)荷日7月20日12∶00時刻，根據(jù)第1.1節(jié)計算該區(qū)110 kV變電站的“N-1”供電能力，得出該區(qū)110 kV變電站“N-1”供電能力合格率達到97.59%。

3.2 經(jīng)濟性分析

本文對某地區(qū)110 kV電網(wǎng)投資進行經(jīng)濟性分析，分別采用傳統(tǒng)財務(wù)評價方法以及考慮LCC的經(jīng)濟性評估方法。

傳統(tǒng)的成本計算僅考慮一次投資成本，對應(yīng)的是LCC成本中的投資成本。有關(guān)指標(biāo)參考2006年頒布的《企業(yè)會計準(zhǔn)則》、2007年頒布的新企業(yè)所得稅法以及《工程經(jīng)濟學(xué)》中的相關(guān)規(guī)定。

LCC成本計算首先確定設(shè)備層主要設(shè)備，本算例考慮占比較大的110 kV線路以及變壓器資產(chǎn)。COd用全網(wǎng)網(wǎng)損代替；CMd為故障頻率乘以每次故障的維護成本，用新增投資的1%近似；CFd近似為0；CDd為根據(jù)設(shè)備造價計算的新增設(shè)備殘值。COs取新增投資的5%；CMs為新增設(shè)備多重故障下的維修費用，近似為0；CDs為原系統(tǒng)的舊設(shè)備退役的殘值和處理費用。

兩種經(jīng)濟性評估所得結(jié)果如表1所示。相比之下，考慮LCC的經(jīng)濟性動態(tài)指標(biāo)凈現(xiàn)值減少，投資回收期增加。這是由于它不僅全面包含了傳統(tǒng)的現(xiàn)金流分析，還包含了網(wǎng)損以及可靠性的影響。

經(jīng)濟性評估中要求電力規(guī)劃方案的凈現(xiàn)值要大于等于0；投資回收期一般在20 a內(nèi)。由表1可知，2009年該地區(qū)電網(wǎng)110 kV建設(shè)方案是合理的。

表1 兩種評價結(jié)果Tab.1 Results of the two methods

3.3 靈活性分析

根據(jù)第1.3節(jié)，計算該區(qū)220 kV變電站的110 kV側(cè)出線的線路負(fù)荷轉(zhuǎn)移率。選取2009年7月20日高峰負(fù)荷日12∶00，共研究出線98條。對無轉(zhuǎn)移點的線路、因主變過載不能轉(zhuǎn)移的線路、因線路過載不能轉(zhuǎn)移的線路、因開口點進出線載流量限制（即聯(lián)絡(luò)線路限制）不能轉(zhuǎn)移的線路，共4種情況進行統(tǒng)計分析?？紤]主變可以達到滿載100%主變?nèi)萘康那闆r，線路也是可以達到滿載100%電流限額的情況，超過100%則視為過載。能夠進行負(fù)荷轉(zhuǎn)移的線路占比為74%。其余線路因沒有其他線路與之相聯(lián)絡(luò)而不能轉(zhuǎn)移。因此需要加強出線之間的聯(lián)絡(luò)，增加線路負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力。

3.4 可靠性分析

根據(jù)第1.4節(jié)公式進行計算，得出電纜化率為9.63%?！冻鞘须娋W(wǎng)技術(shù)原則》要求用戶供電可靠率至少達到99.99%。用戶平均停電時間為5.94 h/（戶·a）；該區(qū)配電網(wǎng)供電可靠率（RS）為99.932%，有待提高。

3.5 協(xié)調(diào)性分析

文獻[14]中推薦的相應(yīng)各電壓等級城網(wǎng)的容載比，宜控制在1.5～2.2范圍之間。在負(fù)荷高速增長期及發(fā)展區(qū)域，可適當(dāng)突破其限制，但原則上110 kV電網(wǎng)不超過2.5。該地區(qū)110 kV電網(wǎng)容載比為2.24，比較符合有關(guān)容載比的限制，顯示出電網(wǎng)建設(shè)的協(xié)調(diào)性。

3.6 結(jié)合熵權(quán)層次分析法的綜合評估

根據(jù)圖1建立的層次結(jié)構(gòu)，構(gòu)造每層判斷矩陣，求出最大特征根并檢驗判斷矩陣一致性。利用熵權(quán)法對層次分析法得到的權(quán)重進行修正，得出各層指標(biāo)權(quán)重（部分），見表2。

表2 熵權(quán)層次分析法獲取權(quán)重結(jié)果Tab.2 Results of entropy weight AHP

對各個指標(biāo)計算結(jié)果按照百分制由專家進行打分，以A1下層指標(biāo)為例，如表3所示，按照0、20、40、60、80、90、100這幾個等級進行打分。一般配電網(wǎng)對安全性指標(biāo)的要求都很高，因此不大可能會落在低于60～80分的區(qū)間內(nèi)。因此列出了80、90、100分的等級標(biāo)準(zhǔn)，電壓合格率在（85～95）%之間為80分，（95～98）%之間為90分，大于98%為100分。再根據(jù)公式，得出安全性指標(biāo)得分為90分。依次計算經(jīng)濟性得分為96分，靈活性為70分，可靠性為67分，協(xié)調(diào)性為90分。最后，得出該區(qū)2009年配電網(wǎng)規(guī)劃整體水平得分為86.37分。

表3 安全性評分標(biāo)準(zhǔn)Tab.3 Grading standards of security

4 結(jié)語

本文提出了配電網(wǎng)綜合評價指標(biāo)體系，該體系包括安全、經(jīng)濟、可靠、靈活以及協(xié)調(diào)性5個方面，共10個指標(biāo)，能夠全面客觀反映配電網(wǎng)的整體水平。其中，經(jīng)濟性評估采用LCC方法，對配電網(wǎng)的投資收益得出更符合實際的結(jié)果。采用上述體系，對某地區(qū)2009年的110 kV配電網(wǎng)進行整體評價：通過對線路負(fù)荷轉(zhuǎn)移能力以及供電能力的分析，找出供電薄弱環(huán)節(jié)；通過LCC分析，使得經(jīng)濟性結(jié)果更為全面。最后結(jié)合熵權(quán)層次分析法對配電網(wǎng)進行了綜合評估。

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[13]馮義，李洪東，田廓，等（Feng Yi，Li Hongdong，Tian Kuo，et al）．基于熵權(quán)和層次分析法的電力客戶風(fēng)險評估及其規(guī)避（Risk evaluation and avoidance of electric customers based on entropy weight and AHP）[J]．繼電器（Relay），2007，35（24）：66-70，73．

[14]國家電力公司．城市電力網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計導(dǎo)則[M]．北京：中國電力出版社，2006．

Indices System of Distribution Network Planning Evaluation

FANG Huan-huan1，CHENG Hao-zhong1，XIN Jie-qing1，WU Li2，XIA Yi2
（1.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion of Ministry of Education，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.Pudong Power Supply Company，Shanghai 200122，China）

An integrated indices system of network planning and evaluation is built in this paper，referring to security，economy，reliability，flexibility and coordination.The ability of network to transfer load between transmission lines as well as the power supply capability are studied in detail when the single main transformer fails in the substation.The impacts on dynamic indicators such as ENPV of life cycle cost（LCC）is studied in the economy analysis and compared with the traditional economic evaluation method.Finally，the effectiveness and feasibility of the evaluation system proposed in this paper are verified through a regional realistic network assessment，using the entropy weight AHP.

distribution network；evaluation；life cycle cost（LCC）；economic analysis；flexibility；analytical hierarchy process

TM727

A

1003-8930（2013）06-0106-06

方歡歡（1988—），女，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃等研究。Email：huanhuanf@163.com

2012-02-15；

2012-03-20

國家自然科學(xué)基金項目（51261130473）

程浩忠（1962—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事電力系統(tǒng)規(guī)劃、電壓穩(wěn)定、電能質(zhì)量、配電自動化系統(tǒng)等研究。E－mail：cheng_haozhong@126.com

辛潔晴（1973—），女，博士，副教授，從事電力營銷、電力市場、電網(wǎng)規(guī)劃等研究。Email：jqxin@sjtu.edu.cn