基于可靠性評(píng)估的電網(wǎng)綜合評(píng)價(jià)規(guī)劃方法研究

唐勇俊，曹 哲，袁智強(qiáng)

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025)

基于可靠性評(píng)估的電網(wǎng)綜合評(píng)價(jià)規(guī)劃方法研究

唐勇俊，曹 哲，袁智強(qiáng)

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025)

針對(duì)目前電網(wǎng)規(guī)劃缺乏對(duì)供電可靠性定量分析的不足，將可靠性評(píng)估的方法引入電網(wǎng)規(guī)劃流程，并提出了考慮可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)體系以及綜合評(píng)價(jià)規(guī)劃方法。通過(guò)案例研究表明，該方法具備實(shí)際可操作性，對(duì)在未來(lái)電網(wǎng)規(guī)劃中強(qiáng)化可靠性評(píng)估作用、提高規(guī)劃精細(xì)化水平有一定的支撐作用。

電網(wǎng)規(guī)劃；供電可靠性；指標(biāo)體系；綜合評(píng)價(jià)規(guī)劃方法

目前我國(guó)電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)主要采用確定性的N-1準(zhǔn)則評(píng)估規(guī)劃方案的可靠性，也即在預(yù)期故障發(fā)生的情況下判斷故障對(duì)電網(wǎng)的影響。這種分析存在著一定的缺陷：一是對(duì)故障產(chǎn)生的后果無(wú)法準(zhǔn)確的定量分析；二是不能反映電力設(shè)備故障、負(fù)荷變化、電網(wǎng)運(yùn)行行為等客觀存在的隨機(jī)特性。電網(wǎng)可靠性評(píng)估為解決上述傳統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方法的不足提供了新的手段，它能夠分析多個(gè)不確定因素對(duì)電網(wǎng)可靠性的影響，提高電網(wǎng)規(guī)劃的適應(yīng)性；同時(shí)通過(guò)定量評(píng)估電網(wǎng)可靠性水平，能夠更好地為決策者提供量化信息，避免決策者主觀因素給電網(wǎng)規(guī)劃帶來(lái)的不利影響。

隨著上海城市電網(wǎng)的不斷發(fā)展，以及國(guó)際化大都市對(duì)于供電可靠性要求的不斷提高，上海電網(wǎng)建設(shè)將由主要以提高電網(wǎng)的供電能力為主，進(jìn)而越來(lái)越關(guān)注提高電網(wǎng)的供電可靠性。但是如何對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行可靠性的定量評(píng)估，并且在實(shí)際電網(wǎng)規(guī)劃流程中引入可靠性評(píng)估方法，目前國(guó)內(nèi)電網(wǎng)企業(yè)均還處于探索和初步摸索階段。

綜合考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性的定量評(píng)估是輸電網(wǎng)規(guī)劃方案評(píng)估的發(fā)展方向，對(duì)輸電網(wǎng)規(guī)劃工作具有重大的指導(dǎo)意義，對(duì)提高電網(wǎng)投資的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益大有裨益。

1 可靠性指標(biāo)

可靠性指標(biāo)通常從事故對(duì)于正常供電影響的不同方面進(jìn)行計(jì)量，包括停電的頻率、概率、持續(xù)時(shí)間、損失電力和電量的多少等。不同的子系統(tǒng)根據(jù)自身特點(diǎn)，在可靠性指標(biāo)上會(huì)略有區(qū)別。

可靠性指標(biāo)體系一般分為負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)和系統(tǒng)指標(biāo)。負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)對(duì)于系統(tǒng)每一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)而言，表明事故的局部影響。系統(tǒng)指標(biāo)反映系統(tǒng)故障對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響，表明事故的全局影響。

常用的基本指標(biāo)如表1所示。

上述基本指標(biāo)既可以作為負(fù)荷點(diǎn)指標(biāo)，又可用在整個(gè)系統(tǒng)。在電網(wǎng)規(guī)劃中既要關(guān)注系統(tǒng)指標(biāo)，又要關(guān)注節(jié)點(diǎn)指標(biāo)，它們分別從全局和局部給規(guī)劃人員提供關(guān)于電網(wǎng)可靠性的量化信息和分布規(guī)律。

表1 常用的基本可靠性指標(biāo)

2 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的建立

電網(wǎng)規(guī)劃首先須滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，防止系統(tǒng)失穩(wěn)發(fā)生大面積停電；同時(shí)要保證為電力用戶提供持續(xù)、可靠、優(yōu)質(zhì)的電能；規(guī)劃方案還應(yīng)盡可能降低初始投資及運(yùn)行損耗費(fèi)用，使其在全壽命周期內(nèi)成本最優(yōu)。因此，有必要建立一個(gè)集安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性于一體的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

在指標(biāo)體系構(gòu)建時(shí)，主要把握以下幾個(gè)原則。

系統(tǒng)性原則：即所選取的指標(biāo)應(yīng)全面反映系統(tǒng)特性，對(duì)于電網(wǎng)規(guī)劃來(lái)說(shuō)，安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性三位一體，缺一不可。

可操作性原則：即所選取的指標(biāo)應(yīng)是可計(jì)算的，計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)源應(yīng)是明確有效的。考慮到目前電網(wǎng)企業(yè)對(duì)于設(shè)備可靠性參數(shù)、輸變電設(shè)施運(yùn)維費(fèi)用等數(shù)據(jù)仍缺乏一定歷史積累，統(tǒng)計(jì)口徑也比較粗，因此在指標(biāo)定義和計(jì)算時(shí)需采用一些簡(jiǎn)化實(shí)用的方法。

相對(duì)比較原則：即電網(wǎng)規(guī)劃綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系主要用于對(duì)不同規(guī)劃方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，因此更多的是關(guān)注方案間的相對(duì)指標(biāo)差異，對(duì)于方案間相差不大或難以準(zhǔn)確計(jì)算的部分可近似認(rèn)為相等，從而不進(jìn)行具體計(jì)算分析。

根據(jù)上述原則，同時(shí)考慮輸電網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃應(yīng)用的需求，利用層次分析法(AHP)建立了電網(wǎng)綜合評(píng)價(jià)體系，其層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)規(guī)劃綜合評(píng)價(jià)體系

該指標(biāo)體系最上層的目標(biāo)層為電網(wǎng)綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，用以從整體上判斷各規(guī)劃方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性；下級(jí)準(zhǔn)則層從供電可靠性、供電安全性、經(jīng)濟(jì)性三個(gè)方面分別對(duì)規(guī)劃方案進(jìn)行評(píng)價(jià)，每個(gè)準(zhǔn)則層下面均定義了多個(gè)指標(biāo)，保證各項(xiàng)指標(biāo)能夠從不同角度反映系統(tǒng)的實(shí)際情況。

3 基于綜合評(píng)價(jià)的電網(wǎng)規(guī)劃方法

為改善傳統(tǒng)電網(wǎng)規(guī)劃方法無(wú)法對(duì)供電可靠性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)等進(jìn)行量化分析的缺陷，本文在對(duì)供電可靠性指標(biāo)、電網(wǎng)綜合成本指標(biāo)以及電網(wǎng)安全性指標(biāo)的量化分析基礎(chǔ)上，提出建立基于綜合評(píng)價(jià)的電網(wǎng)規(guī)劃數(shù)學(xué)模型，對(duì)電網(wǎng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)從供電可靠性、經(jīng)濟(jì)性和安全性三方面進(jìn)行量化計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)方案進(jìn)行更加客觀的比選和優(yōu)化，避免決策者的主觀因素對(duì)電網(wǎng)規(guī)劃的不利影響，使電網(wǎng)規(guī)劃在確保安全性的基礎(chǔ)上更加合理的權(quán)衡供電可靠性和經(jīng)濟(jì)性，提高電網(wǎng)投資的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

該方法包括以下步驟：

(1)對(duì)電力系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并且對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷需求進(jìn)行預(yù)測(cè)，以及進(jìn)行電源規(guī)劃；

(2) 根據(jù)步驟(1)分析、預(yù)測(cè)以及規(guī)劃的結(jié)果，同時(shí)利用現(xiàn)狀網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估獲取現(xiàn)狀電網(wǎng)可靠性信息，專家輔助決策通過(guò)分析電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)、總結(jié)實(shí)用規(guī)律，提出多個(gè)初步電網(wǎng)規(guī)劃方案；

(3)對(duì)多個(gè)所述初步電網(wǎng)規(guī)劃方案進(jìn)行電氣計(jì)算；

(4)根據(jù)電氣計(jì)算的結(jié)果，計(jì)算每個(gè)所述初步電網(wǎng)規(guī)劃方案的損耗成本，并判斷所述初步電網(wǎng)規(guī)劃方案是否滿足電網(wǎng)安全性指標(biāo)需求，剔除多個(gè)所述初步電網(wǎng)規(guī)劃方案中不滿足電網(wǎng)安全性指標(biāo)的初步電網(wǎng)規(guī)劃方案，將滿足電網(wǎng)安全性指標(biāo)的初步電網(wǎng)規(guī)劃方案列入可行電網(wǎng)規(guī)劃；

(5)計(jì)算所有所述可行電網(wǎng)規(guī)劃的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)；

(6)根據(jù)計(jì)算出的每個(gè)所述可行電網(wǎng)規(guī)劃的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值，選擇綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值最高者作為最終的電網(wǎng)規(guī)劃方案。

在上述基于綜合評(píng)價(jià)的規(guī)劃方法中，電網(wǎng)規(guī)劃模型的目標(biāo)函數(shù)為：

L=max(RS/CT)

式中L——電網(wǎng)規(guī)劃綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)；

RS——供電可靠性綜合指標(biāo)；

CT——電網(wǎng)綜合成本指標(biāo)。

供電可靠性綜合指標(biāo)的計(jì)算公式為：

RS=1/(T*N*L*E)

式中T——年平均停電時(shí)間；

N——年平均停電次數(shù)；

L——年平均電力缺失；

E——年平均電量缺失。

電網(wǎng)綜合成本指標(biāo)的計(jì)算公式為：

CT=CI+CO+CL+CF

式中CI——投資成本；

CO——運(yùn)行成本；

CL——損耗成本；

CF——停電損失。

由于電網(wǎng)規(guī)劃綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)的絕對(duì)值通常表示的物理意義不大，在規(guī)劃方案比選時(shí)主要關(guān)注綜合指標(biāo)的相對(duì)值，因此可取某一基準(zhǔn)方案的綜合指標(biāo)為基準(zhǔn)值1，求取其他方案相對(duì)基準(zhǔn)值的綜合指標(biāo)數(shù)值。

圖2 基于綜合評(píng)價(jià)的電網(wǎng)規(guī)劃流程

4 案例研究

選取某區(qū)域220 kV輸電網(wǎng)規(guī)劃作為案例，應(yīng)用本文方法提出了三個(gè)不同規(guī)劃方案，并分別進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。規(guī)劃網(wǎng)架如圖3所示，圖中虛線為新建線路，數(shù)字標(biāo)注為相應(yīng)線路長(zhǎng)度。

圖3 規(guī)劃方案示意圖

綜合成本計(jì)算中，停電損失評(píng)估采用產(chǎn)電比法。考慮到目前電網(wǎng)公司對(duì)于運(yùn)行維護(hù)成本缺乏歷史數(shù)據(jù)積累，因此對(duì)運(yùn)行維護(hù)成本的計(jì)算采取了一些簡(jiǎn)化，運(yùn)行成本考慮在投資費(fèi)用的基礎(chǔ)上乘以一個(gè)固定的維護(hù)成本系數(shù)。損耗成本則考慮用網(wǎng)損乘以平均電價(jià)來(lái)衡量。

由表2可見，三個(gè)方案的安全性指標(biāo)均滿足要求，其中方案一和方案二線路負(fù)載率較小，安全裕度較大。方案一的可靠性和經(jīng)濟(jì)性均最優(yōu)；方案二可靠性略低于方案一，主要由于節(jié)點(diǎn)A、B、C采用單環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，存在潮流分布不均的情況；方案三可靠性較低是因?yàn)榄h(huán)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)較多，潮流較重，一旦環(huán)網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)或線路通道發(fā)生故障，易造成潮流轉(zhuǎn)移后其他線路過(guò)載。另外，從重要節(jié)點(diǎn)的供電可靠性來(lái)看，節(jié)點(diǎn)C不僅處于環(huán)網(wǎng)通道內(nèi)，同時(shí)通過(guò)線路與外部電網(wǎng)相聯(lián)絡(luò)，在系統(tǒng)中的地位重要。方案一中節(jié)點(diǎn)C有6回進(jìn)出線與周邊其他節(jié)點(diǎn)聯(lián)系，而方案二與方案三均只有4回進(jìn)出線，因此方案一對(duì)于局部網(wǎng)架的支撐作用也更強(qiáng)。

綜合考慮供電的安全可靠性以及經(jīng)濟(jì)性，推薦采用方案一為規(guī)劃方案。

表2 規(guī)劃方案指標(biāo)評(píng)價(jià)情況

注：初始投資已在全壽命周期內(nèi)換算為年費(fèi)用，綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)以方案二為基準(zhǔn)求取指標(biāo)相對(duì)值。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)目前電網(wǎng)規(guī)劃缺乏對(duì)供電可靠性定量分析的不足，將可靠性評(píng)估方法引入電網(wǎng)規(guī)劃流程，提出使用可靠性分析進(jìn)行專家輔助決策的思路，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際情況提出規(guī)劃方案，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化選擇。

在上述思路基礎(chǔ)上，本文提出了考慮可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)體系以及綜合評(píng)價(jià)規(guī)劃方法。通過(guò)案例研究表明，該方法具備實(shí)際可操作性，對(duì)在未來(lái)電網(wǎng)規(guī)劃中強(qiáng)化可靠性評(píng)估作用、提高規(guī)劃精細(xì)化水平有一定的支撐作用。

(本文編輯：楊林青)

Research on Comprehensive Evaluation of Power Network Planning based on Reliability Assessment

TANG Yong-jun, CAO Zhe, YUAN Zhi-qiang

(Shanghai Electric Power Design Institute Co., Ltd.,Shanghai 200025,China)

In view of the lack of quantitative analysis of power supply reliability, the reliability evaluation method is introduced into the power grid planning process,and the index system and comprehensive evaluation method of reliability, safety and economy are put forward. The case study shows that in the future network planning, the method is practical and feasible to strengthen the role of reliability evaluation,and to improve the level of planning to a certain degree of support.

power network planning; power supply reliability; index system; comprehensive evaluation method

10.11973/dlyny201701021

唐勇俊(1982)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)工作。

TM712

A

2095-1256(2017)01-0087-04

2016-12-08