歐陽(yáng)森,陳丹伶,劉麗媛
(華南理工大學(xué) 電力學(xué)院,廣州 510640)
隨著電網(wǎng)精細(xì)化管理與售電市場(chǎng)的發(fā)展,用戶對(duì)可靠性的需求逐漸被重視[1-3],在配電網(wǎng)規(guī)劃中,當(dāng)年度總投資一定時(shí),在既保障電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益又盡量滿足用戶需要的情況下,如何制定合理的規(guī)劃投資計(jì)劃是供電企業(yè)較為關(guān)注的問(wèn)題。
目前,已有文獻(xiàn)展開(kāi)相關(guān)研究。文獻(xiàn)[4]計(jì)算了多種可靠性提升措施的投資效益,以可靠性指標(biāo)與投資費(fèi)用的比值為依據(jù),對(duì)措施選優(yōu)并組成規(guī)劃方案。文獻(xiàn)[5]通過(guò)分解優(yōu)化技術(shù),使缺供電量和投資成本最小化,并最大限度提高可靠性。文獻(xiàn)[6]將分布式發(fā)電(DG)納入配網(wǎng)規(guī)劃模型中,提出綜合考慮負(fù)荷與DG不確定性以及可靠性的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[7]基于不同措施成本/效益曲線,依據(jù)單位可靠率效益/成本敏感度最低選擇最優(yōu)措施。文獻(xiàn)[8-10]采用全壽命周期成本模型(LCC),考慮配網(wǎng)規(guī)劃各階段成本,以LCC最低確定方案。文獻(xiàn)[9]從運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益、企業(yè)財(cái)務(wù)效益和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益三方面構(gòu)建配網(wǎng)規(guī)劃經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。
綜上,現(xiàn)有配網(wǎng)規(guī)劃及其優(yōu)化研究大多圍繞如何對(duì)規(guī)劃措施進(jìn)行選優(yōu)以實(shí)現(xiàn)可靠性提升效益和電網(wǎng)投資效益的最大化,尚缺乏如下研究:(1)考慮對(duì)配網(wǎng)規(guī)劃的實(shí)施對(duì)象進(jìn)行選優(yōu),即在一定投資資金下,配網(wǎng)規(guī)劃資源能最大程度的向可靠性提升需求度更高、可靠性提升和電網(wǎng)投資綜合效益更大的配網(wǎng)用戶傾斜;(2)不僅要考慮可靠性高低,更要考慮供電可靠率與可靠性期望值之間的差距;(3)充分考慮不同供電地區(qū)、不同負(fù)荷類(lèi)型的電力用戶對(duì)可靠性提升迫切程度的差異性;(4)面向售電側(cè)放開(kāi)市場(chǎng),現(xiàn)有配網(wǎng)規(guī)劃方法對(duì)用戶需求的評(píng)估,僅基于用戶缺電損失成本等停電經(jīng)濟(jì)損失指標(biāo)的大小,忽略了停電對(duì)用戶用電體驗(yàn)方面的負(fù)面影響,導(dǎo)致評(píng)估內(nèi)容不夠全面。
為此,擬提出一種兼顧考慮合理可靠性水平與用戶需求,并能合理安排投資次序的分析方法。首先,建立一套綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,從指標(biāo)上分別考慮:在可靠性方面關(guān)注與期望值偏差,在用戶需求上考慮用戶體驗(yàn),在電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性方面關(guān)注停電缺供電量;其次,引入改進(jìn)型“拉開(kāi)檔次法”進(jìn)行多指標(biāo)評(píng)估,通過(guò)配網(wǎng)規(guī)劃的對(duì)象選優(yōu),實(shí)現(xiàn)合理的規(guī)劃投資工作。最后,通過(guò)韶關(guān)地區(qū)配網(wǎng)的實(shí)際案例,分析驗(yàn)證了所提出的配電網(wǎng)規(guī)劃方法具有實(shí)用性,可有效指導(dǎo)配電網(wǎng)的規(guī)劃工作。
為了全面評(píng)估配電網(wǎng)的可靠性需求,綜合考慮供電可靠性水平、負(fù)荷類(lèi)型和電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)因素,建立了一套配電網(wǎng)規(guī)劃綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,具體指標(biāo)及其定義如表1所示。該指標(biāo)體系旨在更準(zhǔn)確地指導(dǎo)配電網(wǎng)規(guī)劃的對(duì)象選擇,使可靠性的規(guī)劃投資不僅單純服務(wù)于電網(wǎng)供電可靠性水平的提升,更要最大程度地響應(yīng)于用戶可靠性需求和電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益。
在實(shí)際應(yīng)用中,供電可靠率、平均停電時(shí)間與平均停電頻率[11]是供電可靠性的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于平均停電時(shí)間可換算為供電可靠率,故認(rèn)為通過(guò)平均供電可靠率ASAI-1和平均停電頻率SAIFI-1兩個(gè)指標(biāo)能夠基本反映一個(gè)配電網(wǎng)的供電可靠性水平。
表1 配電網(wǎng)規(guī)劃綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Tab.1 Comprehensive evaluation index system of distribution network planning
供電可靠率ASAI-1的計(jì)算公式為[11]:
(1)
式中ti、mi分別為第i次停電的停電時(shí)間和停電戶數(shù);M為總用戶數(shù);T為統(tǒng)計(jì)期間時(shí)間。
平均停電頻率SAIFI-1的計(jì)算公式為[11]:
(2)
式中mi、M含義同式(1)。
除了供電可靠性現(xiàn)狀,配電網(wǎng)可靠性規(guī)劃中也需要考慮與用戶供電可靠性需求的匹配程度。對(duì)此,從供電區(qū)域?qū)傩?、?fù)荷類(lèi)型和用戶評(píng)價(jià)三個(gè)方面入手,設(shè)置了四個(gè)用戶需求指標(biāo)用于反映不同地區(qū)、不同主體用戶類(lèi)型的配電網(wǎng)的可靠性提升需求,包括:基于期望值的供電可靠率差、用戶負(fù)荷等級(jí)、單位缺電損失成本、年總用戶可靠性投訴次數(shù)。
基于期望值的供電可靠率差能夠從不同供電地區(qū)屬性存在不同可靠性目標(biāo)的層面來(lái)反映不同地區(qū)的用戶可靠性需求差異;用戶負(fù)荷等級(jí)和單位缺電損失成本是通過(guò)用戶負(fù)荷的重要性程度和社會(huì)價(jià)值側(cè)面反映可靠性規(guī)劃的用戶需求;年總用戶可靠性投訴次數(shù)則是直接把用戶的評(píng)價(jià)反饋于配電網(wǎng)規(guī)劃中,直觀體現(xiàn)用戶的可靠性滿足程度。
1.2.1 基于供電區(qū)域?qū)傩缘挠脩粜枨?/p>
人口密集、工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)與郊區(qū)、農(nóng)村等地區(qū)的供電可靠性需求往往存在明顯差別,不能僅憑可靠性指標(biāo)的高低進(jìn)行無(wú)差別的規(guī)劃投資,而應(yīng)基于當(dāng)?shù)刎?fù)荷情況和用戶需求,充分考慮配網(wǎng)合理可靠率水平,并與實(shí)際可靠率對(duì)比,考查當(dāng)前可靠性能否滿足用戶需求,作為規(guī)劃實(shí)施更為科學(xué)的依據(jù)。
基于地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、地區(qū)級(jí)別和負(fù)荷密度三個(gè)屬性,供電企業(yè)劃分了六類(lèi)供電區(qū)并分別制定相應(yīng)的供電可靠率規(guī)劃目標(biāo)[12],如表2所示。鑒于該規(guī)劃目標(biāo)具有合理性和普遍性,本文以其作為配網(wǎng)規(guī)劃可靠性期望值,并提出基于期望值的供電可靠率差指標(biāo)ΔASAI:
ΔASAI=ASAI-1-ASAIt
(3)
式中ASAI-1為配網(wǎng)實(shí)際供電可靠率;ASAIt為其可靠率期望值,即所屬供電區(qū)的規(guī)劃目標(biāo)。
與供電可靠性指標(biāo)相比,該指標(biāo)考慮了不同供電地區(qū)在供電可靠性控制目標(biāo)上的差別,而不是簡(jiǎn)單地將不同地區(qū)的可靠性指標(biāo)放在同一水平線上作對(duì)比,能夠考慮地區(qū)屬性來(lái)評(píng)估某配電網(wǎng)的可靠性提升需求度,同時(shí)也符合實(shí)際電網(wǎng)管理的傾向性。
表2 各類(lèi)供電區(qū)的供電可靠率規(guī)劃目標(biāo)Tab.2 Power supply reliability planning targets for various power supply areas
1.2.2 基于負(fù)荷類(lèi)型的用戶需求
配電網(wǎng)用戶的負(fù)荷等級(jí)、經(jīng)濟(jì)價(jià)值等屬性對(duì)可靠性規(guī)劃投資的綜合效益有著顯著的影響。對(duì)此,本指標(biāo)體系設(shè)置了用戶負(fù)荷等級(jí)和單位缺電損失成本兩個(gè)指標(biāo),用來(lái)體現(xiàn)包含不同屬性用戶的配電網(wǎng)對(duì)可靠性的需求差異。
負(fù)荷等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[13]按重要性劃分出特級(jí)、一級(jí)、二級(jí)和三級(jí),高等級(jí)負(fù)荷停電的社會(huì)效益損失更嚴(yán)重,其可靠性需求也更高。故本文將用戶負(fù)荷等級(jí)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),并通過(guò)量化該標(biāo)準(zhǔn)獲得用戶負(fù)荷等級(jí)指標(biāo)值LI:
(1)從特級(jí)到三級(jí)分別用(0.667,1],(0.333,0.667],(0,0.333],0來(lái)量化表示負(fù)荷重要程度。
(2)對(duì)于負(fù)荷等級(jí)為Z,賦值區(qū)間為[zA,zB]的配網(wǎng),Z負(fù)荷等級(jí)的用戶數(shù)為A,則:
(4)
式中Amax為在所有相同用戶負(fù)荷等級(jí)的配網(wǎng)中,該負(fù)荷等級(jí)用戶數(shù)的最大值。
為更好地評(píng)價(jià)重要負(fù)荷對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的作用及其停電對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的影響,體現(xiàn)該配電網(wǎng)規(guī)劃投資的社會(huì)效益,本文提出單位缺電損失價(jià)值指標(biāo)VOC:
(5)
式中GDP為該配網(wǎng)的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值,億元;Q為其總用電量,億kW·h。
1.2.3 基于用戶評(píng)價(jià)的用戶需求
對(duì)于已建成的配電網(wǎng),用戶的評(píng)價(jià)反饋能夠直觀反映該配電網(wǎng)用戶對(duì)供電可靠性的提升需求。在規(guī)劃中應(yīng)該優(yōu)先考慮對(duì)停電最不滿、對(duì)可靠性提升最迫切的用戶,從而提高客戶滿意度,獲得更好的可靠性提升效益。
供電企業(yè)現(xiàn)有的客服系統(tǒng)可統(tǒng)計(jì)用戶對(duì)所在配電網(wǎng)的可靠性投訴情況,包括停電類(lèi)和電能質(zhì)量類(lèi)投訴。本文將這些用戶對(duì)可靠性的評(píng)價(jià)和反饋納入評(píng)估中,根據(jù)用戶投訴次數(shù)的年度統(tǒng)計(jì),設(shè)置了年總用戶可靠性投訴次數(shù)指標(biāo)Nuc。
可靠性提升應(yīng)能增加售電量,以促進(jìn)規(guī)劃工作良性循環(huán)。為此,本文以停電缺供電量[11]為指標(biāo),反映配網(wǎng)改造前后的購(gòu)電潛力;以投資成本為另一個(gè)指標(biāo),衡量該配網(wǎng)規(guī)劃工作的實(shí)施難度。
停電缺供電量ENS為[11]:
ENS=∑K·Si·ti
(6)
式中K為載容比;Si為第i次停電的停電容量,kVA;ti含義同式(1)。
投資成本g可計(jì)算為[14]:
g=ga+gb
(7)
式中g(shù)a為設(shè)備的購(gòu)置、安裝調(diào)試費(fèi)等;gb為新建工程研究設(shè)計(jì)費(fèi)、地塊改造和購(gòu)買(mǎi)費(fèi)等。
通過(guò)上述指標(biāo)體系可全面反映某配電網(wǎng)的供電可靠性現(xiàn)狀、用戶對(duì)可靠性的提升需求和電網(wǎng)角度的投資效益,同時(shí),本文設(shè)計(jì)了一套綜合評(píng)估方法以便于篩選配電網(wǎng)規(guī)劃的實(shí)施對(duì)象。
配電網(wǎng)規(guī)劃對(duì)象選優(yōu)綜合評(píng)估方法的步驟如下:(1)指標(biāo)預(yù)處理;(2)利用改進(jìn)型“拉開(kāi)檔次”法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重;(3)加權(quán)求和得到綜合評(píng)價(jià)值,排序獲得各配網(wǎng)規(guī)劃優(yōu)先順序;(4)以年度總投資為約束條件,以方案總體評(píng)價(jià)值最大為目標(biāo)函數(shù),按排序依次選擇待投資配網(wǎng),確定最終方案;(5)對(duì)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。
“拉開(kāi)檔次”法是一種能突出整體差異,以利于對(duì)評(píng)估對(duì)象排序的客觀賦權(quán)方式[15]。該方法的前提是各項(xiàng)指標(biāo)相對(duì)評(píng)估目標(biāo)重要性相同,但在本文中,不同指標(biāo)對(duì)綜合評(píng)估的重要性不同。因此,本文采用主客觀結(jié)合的改進(jìn)型“拉開(kāi)檔次”法[15-16]對(duì)各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán)。首先根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)重要程度進(jìn)行主觀賦權(quán),增加重要指標(biāo)對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響,再對(duì)權(quán)化后的各指標(biāo)采用“拉開(kāi)檔次”法進(jìn)行客觀賦權(quán),確定最終的權(quán)重系數(shù)。該方法能夠克服傳統(tǒng)“拉開(kāi)檔次”法在指標(biāo)重要性不同時(shí)可能會(huì)過(guò)度放大次要指標(biāo)作用的缺陷,既能使評(píng)價(jià)值拉開(kāi)檔次,又能保留各指標(biāo)的權(quán)重差異。具體算法過(guò)程如下:
(1)設(shè)有n個(gè)評(píng)估對(duì)象,m項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)。利用極值處理法[15]將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為歸一化無(wú)量綱化的極大型數(shù)據(jù),第i個(gè)評(píng)估對(duì)象的第j項(xiàng)指標(biāo)值為xij。
(8)
線性加權(quán)計(jì)算各評(píng)估對(duì)象i的綜合評(píng)價(jià)值Wi,即:
(9)
綜合評(píng)價(jià)值越大,說(shuō)明評(píng)估對(duì)象可靠性提升需求度越高,規(guī)劃投資效益越明顯。制定規(guī)劃方案時(shí),應(yīng)按照評(píng)價(jià)值從高到低來(lái)確定其規(guī)劃優(yōu)先順序;依次選擇K個(gè)配網(wǎng)進(jìn)行投資,規(guī)劃方案總體綜合評(píng)價(jià)值為:
(10)
式中Pl為第l個(gè)方案的總體綜合評(píng)價(jià)值;Wk為規(guī)劃投資優(yōu)先級(jí)第k位評(píng)估對(duì)象的綜合評(píng)價(jià)值。
以方案總體評(píng)價(jià)值最大為目標(biāo)函數(shù)(F),以年度總投資為約束條件,確定最終方案,即:
(11)
式中g(shù)k為優(yōu)先級(jí)第k位配網(wǎng)的投資成本;G為年度總投資。
對(duì)規(guī)劃方案的電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)估和檢驗(yàn)??紤]配網(wǎng)規(guī)劃LCC成本[8-10],當(dāng)用戶用電情況不變時(shí),改造后第t年末電網(wǎng)新增經(jīng)濟(jì)收益現(xiàn)值Y(t)為:
Y(t)=CH(t)-[CI+CM(t)+CD(t)]
(12)
式中CH(t)為總售電費(fèi)用增益;CI為方案總投資費(fèi)用;CM(t)為總新增運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用;CD(t)為總新增設(shè)備退役費(fèi)用。其中:
(13)
式中ΔSth為第t年比改造前增加的供電量,且按第h類(lèi)電費(fèi)結(jié)算;ah為第h類(lèi)電費(fèi)單位電價(jià),元/kWh;ap為電網(wǎng)購(gòu)電成本,元/kW·h;r為貼現(xiàn)率。
選取韶關(guān)地區(qū)11個(gè)10 kV配網(wǎng),分別記為D1~D11,驗(yàn)證上述方法的可行性。
根據(jù)實(shí)際規(guī)劃需求和專家意見(jiàn),確定指標(biāo)序關(guān)系排序?yàn)閄3>X4>X5>X6>X1>X8>X7>X2,選取相鄰指標(biāo)重要程度之比rj依次為:1.2,1.2,1.2,1.4,1.2,1.2,1.2,計(jì)算得出的主觀權(quán)重如表3所示。各配網(wǎng)指標(biāo)數(shù)據(jù)和綜合評(píng)價(jià)值如表4所示。
設(shè)年度總投資100萬(wàn)元,三種規(guī)劃方案及其投資優(yōu)先次序、選定配網(wǎng)及總投資成本如表5所示。
表3 通過(guò)序關(guān)系排序后的指標(biāo)主觀權(quán)重Tab.3 Subjective weights of indexes after sorting by order relations
表4 各配網(wǎng)原始指標(biāo)數(shù)據(jù)和綜合評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.4 Raw index data and comprehensive evaluation results of each distribution network
表5 各規(guī)劃方案對(duì)象選優(yōu)原則、投資優(yōu)先次序、選定配網(wǎng)及總投資成本Tab.5 Principles of optimized selection of executive object, investment priorities, selected distribution networks and total investment costs of various planning schemes
對(duì)上述方案所選配網(wǎng)進(jìn)行分析。
(1)方案一、二分別以可靠性指標(biāo)和售電利潤(rùn)損失為對(duì)象選優(yōu)依據(jù),由于可靠率與缺供電量有一定相關(guān)性,方案一、二所選配網(wǎng)較接近,且可靠性指標(biāo)均較差,停電缺供電量較大,具有可靠性提升的意義。
方案三采用本文方法,所選配網(wǎng)可靠性水平較高,可靠率達(dá)到99.9%。
(2)分析用戶需求指標(biāo),則方案三的配網(wǎng)D1、D6、D2、D5具有較高可靠性提升需求度:基于期望值的可靠率差均為負(fù)值,可靠性低于期望值,與當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展水平和用戶需求不匹配,且供電企業(yè)傾向于提升該配網(wǎng)的可靠性;除D6外用戶負(fù)荷等級(jí)均為一級(jí)或特級(jí),單位缺電損失價(jià)值普遍較高,社會(huì)效益和社會(huì)影響力大,一旦停電后果嚴(yán)重;D1、D6可靠性投訴次數(shù)偏高,用戶體驗(yàn)較差,迫切希望獲得更好的電力服務(wù)。
相較而言,方案一、二配網(wǎng)的可靠率差多為正值、可靠性投訴次數(shù)較低等,反映用戶的可靠性提升需求不高。
可見(jiàn),方案三可避免將年度投資消耗在可靠性最低、但并非可靠性提升需求最高的配網(wǎng)規(guī)劃中,能優(yōu)先改造最需提升可靠性的配網(wǎng),最大程度滿足用戶需求,從而獲得最優(yōu)的可靠性提升效益。
設(shè)配網(wǎng)改造后,相關(guān)經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)如表6所示,各方案總體評(píng)價(jià)值、新增供電量及其經(jīng)濟(jì)收益如表7所示。對(duì)比三種方案,可知:
表6 各配網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性數(shù)據(jù)Tab.6 Economic data of each distribution network
表7 規(guī)劃方案的目標(biāo)函數(shù)、總體綜合評(píng)價(jià)值及新增經(jīng)濟(jì)收益Tab.7 Objective functions, total comprehensive evaluation values and economic benefits of planning schemes
(1)方案三總體評(píng)價(jià)值最高,對(duì)配網(wǎng)可靠性提升需求的響應(yīng)最好;
(2)方案三所選配網(wǎng)的缺供電量并非最大,但每年新增供電量最多。因?yàn)樵撆渚W(wǎng)中有負(fù)荷等級(jí)高的大用戶,在可靠率增幅相同時(shí)能帶來(lái)更多售電量。故在規(guī)劃中,對(duì)可靠性提升需求較高的配網(wǎng)也應(yīng)予以關(guān)注,其同樣存在利潤(rùn)提升空間;
(3)方案三最先開(kāi)始盈利,證明其可更快收回成本,并能在相同年限內(nèi)為更多配網(wǎng)提升可靠性,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)與用戶的雙贏。
綜上,本實(shí)例選擇方案三作為規(guī)劃方案,驗(yàn)證了文中方法的實(shí)用性和科學(xué)性:能使規(guī)劃工作傾向于可靠性需求更高的區(qū)域;有利于社會(huì)穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)發(fā)展;有效減少投訴次數(shù)、提高客戶滿意度;兼顧電網(wǎng)投資效益,實(shí)現(xiàn)可靠性和經(jīng)濟(jì)性的共同提升。
針對(duì)目前配網(wǎng)規(guī)劃中,過(guò)于追求可靠性指標(biāo)、對(duì)用戶需求考慮不足、未考慮投資優(yōu)先次序的情況,開(kāi)展了以下工作:
(1)從供電可靠性水平、用戶需求和電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)因素三個(gè)層面建立了配電網(wǎng)規(guī)劃綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,在可靠性方面考慮與期望值的差距,用戶需求方面考慮用戶體驗(yàn),電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)因素方面考慮停電缺供電量;
(2)采用主客觀結(jié)合賦權(quán)的改進(jìn)型“拉開(kāi)檔次”法,提出了一套以綜合評(píng)價(jià)值為排序依據(jù)的配電網(wǎng)規(guī)劃對(duì)象選優(yōu)綜合評(píng)估方法,能有效安排投資優(yōu)先次序形成規(guī)劃方案,優(yōu)先改造可靠性提升需求度高的配網(wǎng);
(3)實(shí)例分析表明,該方法能盡可能滿足配網(wǎng)可靠性提升需求,實(shí)現(xiàn)可靠性提升和電網(wǎng)投資綜合效益的最大化。