基于健康度與重要度的配電網線路評價

林 元

（貴州電網有限責任公司興義供電局，貴州興義 562400）

生活水平的提高，人們對用電的需求越來越高，而電網公司不僅承擔著安全配送電能的任務，同時也具有保證盡可能減少電網運行的風險，進而促進企業(yè)的經濟和社會效益的雙提升。近年來，隨著我國的經濟水平不斷提高，國家更加重視配電網的發(fā)展，并對配電網系統(tǒng)做了大規(guī)模的調整，提高了配電網的可靠性。但是，配電網規(guī)模和結構愈加龐大復雜，系統(tǒng)的安全裕度隨之降低，停電因素也越來越多，給城市電網的安全穩(wěn)定運行和持續(xù)可靠供電帶來嚴峻的挑戰(zhàn)［1-2］。

因此，針對城市配電網的結構和運行特點，對配電網線路進行評價是必不可少的［3］。鑒于此，本文對配電網線路運行特點進行分析，設計一種配電網線路評價模型，為配電網運行管理，規(guī)劃設計提供一定的數(shù)據支撐。

配電網線路評價結果對提高配電網運行管理、配電網規(guī)劃建設的科學性、指導性和可操作性具有十分重要的意義。一方面通過建立評價指標數(shù)據庫，逐步累積配電網運行業(yè)務的指標數(shù)據，為配電網運行管理與規(guī)劃建設提供數(shù)據支撐；另一方面作為評價配電網規(guī)劃成效的工作，及時對規(guī)劃實施效果進行檢驗，能夠為配電網運行及規(guī)劃建設改造提供依據［4-6］。

1 基于健康度與重要度的配電網線路評價

針對配電網運行特點，本文提出一種基于配電網線路健康度與重要度的評價方法，對評價結果進行量化，并將評價結果應用于配電網運行管理中。

1.1 配電網線路健康度

評價配電網線路健康水平一般從兩個層面進行分析：一個是設備層面，主要包括線路長度、線路絕緣化率等，這些因素都是對設備的硬件狀況的描述，在配電網線路運行中是不變的，只能通過技術改造手段才能優(yōu)化該類指標；另一個是運行層面，主要包括設備缺陷數(shù)量、缺陷等級、每一年的故障次數(shù)等，這幾個因素是隨著配電網線路的運行不斷變化的，可以通過改變配電網線路的運行方式對因素進行優(yōu)化。

合理的指標評價體系有利于評價工作的順利展開和進行，提升評價的效率和效果。本文提出的指標體系結構簡單，層次清晰。配電網線路的健康狀況由以下幾個因素確定：線路設備的缺陷狀況、線路類型、線路長度、發(fā)生過故障的次數(shù)等［7］。因此，對配電網的健康度進行量化計算時，選取上述幾個因素作為要素進行計算。

配電網線路設備在設計和使用過程中，由于人為和環(huán)境原因，會存在一定的缺陷，如斷路器跳閘設計存在的缺陷、變壓器油箱漏油缺陷、電氣設備絕緣老化缺陷等，設備缺陷分為三類，一類：也稱緊急缺陷，指設備的缺陷直接威脅設備和人身安全，隨時都有發(fā)生事故的可能，需要立即處理的缺陷；二類：也稱重大缺陷，對設備和人身有一定的威脅，設備可以帶病運行，并可以采取防止人身事故的臨時措施，但必須列入近期停電計劃來消除的缺陷；三類：也稱一般缺陷，對設備和人身安全威脅不大，可借設備停電檢修時再進行處理的缺陷。

配電網線路故障分為：①配電網線路的地故障：在線路對地絕緣受到破的時候，就會發(fā)生接地故障；②配電線路的短路故障：配電網線路的短路故障是一種常見故障；3.配電網線路的超負荷故障：配電網線路是供電過程中電流傳輸?shù)闹匾d體，一旦配電網線路承載的負荷超過了自身承受的額定值，很容易給配電網線路帶來比較大的負擔。

線路長度：根據規(guī)程規(guī)范，10 kV等級線路一般不超過半徑15 km，包括支線的長度。通過運行方式的調整，可以調整運行線路的供電長度和路徑。

線路類型：包括純電纜線路、純架空線路及電纜與架空混合線路。

1.2 健康度關聯(lián)因素權重計算

從圖1可以看出，各個評價指標對于評價總指標的影響率并不相同，有的影響力強，對評價總指標的貢獻率大，有的則影響力不強，對評價總指標的貢獻率小。要得到評價的正確結果，必須獲取各個評價指標的權重，為此需要對指標進行權重計算。權重計算有平均取值法、專家評議法、德爾菲法、人工網絡法和層次分析法等。作為運籌學理論，層次分析法已在軍事防護系統(tǒng)、企業(yè)安全系統(tǒng)得到廣泛應用，取得了很好的效果［8］，且近年來層次分析法開始用于社會系統(tǒng)中的權重分析，同樣取得了較好的效果［9-10］，故這里采用層次分析法。

1.2.1 層次分析法

層次分析法的基本思想是把一個復雜的問題分解為各個組成因素，并將這些因素按支配關系分組，從而形成一個有序的遞階層次結構。通過兩兩比較的方式確定層次中各個因素的相對重要性，然后綜合人的判斷以確定決策因素相對重要性的總順序。層次分析法的出現(xiàn)給決策者解決那些難以定量描述的決策問題帶來了極大的方便，從而使它的應用幾乎涉及任何科學領域。

層次分析法計算步驟：

（1）把問題進行分解組合，建立遞階層次結構，表明各層次之間的關系如表1。

表1 層次分析法的判斷矩陣Tab.1 Judgment matrix of analytic hierarchy process

（2）用三標度法來對同一層元素進行兩兩比較后建立一個比較矩陣并計算出各元素重要性的排序指數(shù)，將比較矩陣轉化為判斷矩陣（可以用極差法或極比法構造判斷據陣）

表2 層次分析法中各標度的含義Tab.2 Meaning of each scale in the analytic hierarchy process

（3）進行一致性檢驗（經實踐證明，按上述方法構造的判斷矩陣大大減少了迭代次數(shù)）。

由于指標體系內包含多個層次，故先對4個一級指標進行賦權，再針對每個一級指標下的二級指標單獨賦權，最后每個二級指標的權重等于該指標所屬一級指標的權重乘以單獨賦權所得的權重。對于四個一級指標：設備缺陷、故障次數(shù)、線路類型和線路長度，綜合對比考慮他們的重要性，根據1-9標度法可構造出判斷矩陣。

根據運行數(shù)據，設定4個指標，設備缺陷：B1；故障次數(shù)：B2；線路型號：B3；線路長度 B4。4個指標中，影響順序是：設備缺陷B1＞故障次數(shù)B2＞線路型號B3＝線路長度B4。按照T.L.Saaty 1-9標度法，根據貢獻準則相對比較，建立相對重要性判斷矩陣A-B如表3。

表3 A-B判斷矩陣表Tab.3 A-B judgment matrix table

權重為正規(guī)化后的特征向量，計算步驟如下。

（1）計算判斷矩陣每行元素的乘積。

M1＝245，M2＝0.8，M3＝0.071，M4＝0。

（2）計算 Mi的 n次方根。

W1＝3.956，W2＝0.945，W3＝0.516，W4＝0.516。

（3）對向量 W ＝［W1，W2，W3，W4］T＝［3.956，0.945，0.516，0.516］T進行歸一化計算后，得到判斷矩陣的權重值：B1＝0.667，B2＝0.159，B3＝0.087，B4＝0.087。

（4）一次性校驗。

最大特征根λmax＝4.016。

根據一致性指標計算公式：

算出CI＝0.005 3。查表，得到隨機一致性指標RI＝0.94（n＝4）

根據一致性比例計算公式

得到CR＝0.005 3／0.94＝0.005 6＜1，滿足一致性校驗。

1.2.2 運用層次分析法計算健康度各指標權重

計算權重流程如下。

（1）按層次分析法的計算思路，一級判斷矩陣。

（2）二級判斷矩陣表。

（3）通過正規(guī)化，計算出最大特征根λmax為：4.043 4。

（4）通 過 公 式 （1）算 出 一 致 性 指 標 CI＝0.014 5。

（5）查表，得到隨機一致性指標 RI＝0.94（n＝4）。

（6）根據公式（5），得到一致性比例 CR＝0.015 4＜0.1，滿足一致性校驗。

（7）最后計算出健康度各指標的權重。如表6。

表6 配電網健康度關聯(lián)因素Tab.6 Related factors of distribution network health

1.3 健康度計算

配電網線路健康度可由以下公式計算：

式中：H（t）：t時刻的健康度值。E（t）：健康度因素。W（t）：因素權重。i：影響因素的數(shù)量。

配電網線路健康度計算流程如下：

第一步：從生產管理系統(tǒng)中獲取運行數(shù)據。

第二步：讀取關聯(lián)因素權重數(shù)據。

第三步：根據配電網線路健康度計算公式，計算出健康度。

第四步：判斷所有關聯(lián)因素是否計算完？如果否，進入第一步，如果是，則進入第五步。

第五步：計算結束。

由此，可以計算出配電網線路的健康度數(shù)值。

H（t）是配電網線路健康度分值，是一個從0到1之間數(shù)值，0代表配電網線路設備狀態(tài)最差，1代表配電網線路設備狀態(tài)最好。一般來說，0 ＜H（t）＜0.3，表示配電網線路設備處于極差狀態(tài)，需要進行更換、消缺等處理，可能隨時出現(xiàn)故障；0.4 ＜H（t）＜0.6，表示配電網線路設備嚴重老化，超出正常老化范圍，故障率明顯增加；0.6 ＜H（t）＜0.8，表示配電網線路設備設備老化明顯，故障率低；0.8 ＜H（t）＜1，表示配電網線路設備屬于正常運行范圍，設備性能良好。

式（3）揭示了配電網線路設備的健康度與個關聯(lián)因素之間的關系。但是，只有配電網線路設備健康度，不能完整的對配電網線路進行評價，需引入評價的另一個重要因素：配電網線路重要度。

1.4 配電網線路重要度

系統(tǒng)所帶重要負荷的等級越高，數(shù)目越多，表示系統(tǒng)故障可能造成的損失越大，即系統(tǒng)的風險越大。系統(tǒng)的重要度也與系統(tǒng)內所含設備的重要度有關，若系統(tǒng)中某饋線段被評估為脆弱點，其不可轉供的負荷越多，表明該饋線段越重要，配電系統(tǒng)的重要性也隨之增大。

因此，依據配電網線路供電用戶性質的重要程度、線路故障引起的停電范圍、線路用戶數(shù)、負荷性質等維度對配電網線路設備進行評估［11］，從而確定配電網線路重要度關聯(lián)因素。

運用層次分析法對配電網線路重要的各影響因素分析，并進行權重計算，得到配電網重要度關聯(lián)因素表，見表7。

表7 配電網重要度關聯(lián)因素Tab.7 Related factors of distribution network importance

配電網線路重要度可由以下公式計算：

式中：I（t）：t時刻的重要度值。E（t）：重要度因素。W（t）：因素權重。i：影響因素的數(shù)量。

配電網線路重要度計算流程如下：

第一步：從資產管理系統(tǒng)中獲取參數(shù)數(shù)據。

第二步：讀取關聯(lián)因素權重數(shù)據。

第三步：根據配電網線路重要度計算公式，計算出重要度。

第四步：判斷所有關聯(lián)因素是否計算完？如果否，進入第一步，如果是，則進入第五步。

第五步：計算結束。

由此，可以計算出配電網線路的重要度數(shù)值。

I（t）是配電網線路重要度分值，是一個從0到1之間數(shù)值，0代表配電網線路重要程度一般，數(shù)值越高，等級越低，需要制定對應的控制措施、應急措施。

式（4）揭示了配電網線路設備的重要度與個關聯(lián)因素之間的關系。由配電網線路的健康度說重要度，可以對配電網線路進行評價定級。

1.5 配電網線路評價模型

對配電網線路進行評價，就是將各項運行原始數(shù)據轉換成可直接比較的規(guī)范化格式數(shù)據，用健康度及重要度來表示，對配電網線路評價進行量化來表示。

根據1.1節(jié)、1.2節(jié)的分析，再由公式（3）、（4），得到評價函數(shù)

式中：A（t）：t時刻的配電網評價結果值，是一個二元數(shù)值對，分別由兩個指標決定：H（t）健康值。I（t）重要值。

根據配電網線路健康度與重要度計算結果，將配電網線路進行分類定為4個級：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級，分別對應為正常、注意、異常、嚴重級別［12-13］，級別越高，越需要制定相關的運維措施及事故預案，應對可能發(fā)生的故障。評價結果定級矩陣如表8。

表8 配電網線路評價結果定級矩陣Tab.8 Grading matrix of distribution network lines evaluation results

2 計算流程

第一步：從生產管理系統(tǒng)中獲取運行數(shù)據。

第二步：根據配電網線路健康度計算公式，計算出健康度。

第三步：判斷所有因素是否計算完？如果否，進入第一步，如果是，則進入第七步。

第四步：從資產管理系統(tǒng)中獲取參數(shù)數(shù)據。

第五步：根據配電網線路重要度計算公式，計算出重要度。

第六步：判斷所有因素是否計算完？如果否，進入第四步，如果是，則進入第七步。

第七步：根據配電網線路評價模型，計算評價結果。

第八步：根據第七步計算出的評價，對線路進行定級，并提出運行建議。

第九步：結束。

3 運行校驗與應用

3.1 運行校驗

本文以興義配網為例，對提出的評價方法進行校驗。

線路運行狀況及參數(shù)如表9。

表9 某10 kV線路數(shù)據Tab.9 Data of a 10 kV distribution network line

計算步驟：

第一步，健康度計算。

缺陷權重：B1＝（0.410 4）2+（0.115 3）1＝0.028 35

故障次數(shù)權重：B2＝0.030 9

線路長度權重：B3＝0.012 5

線路類型權重：B4＝0.024 9

計算出健康度 H（t）：0.648 2

第二步，重要度計算。

重要用戶權重：B1＝0.071 9

用戶數(shù)權重：B3＝0.032 7

負荷類型權重：B4＝0.024

計算出重要度 I（t）：0.051 1

第三步，對應評價結果定級矩陣表，得到評價結果為：［健康度Ⅲ級，重要度Ⅱ級］。

第四步，根據評價結果，該線路不健康且重要，需要加強監(jiān)視，運維部門及時對線路消缺，其次做好重要用戶事故預案。

到此，校驗結束。根據運行經驗，提出的運行建議具有很高的實用性。

3.2 應用

配電網線路評價結果可以應用于以下幾個方面：

（1）配網調度運行中，變電站10 kV線路接地時，提供拉路序位表的輔助參考。

（2）配電網運行風險分析，提出風險控制措施。

（3）用于配電網運行維護，制定差異化運維手段，確保配電網運行安全可靠。

（4）用于配電網規(guī)劃建設，提供優(yōu)化網架結構的數(shù)據參考。

因配電網數(shù)據量多，人工計算比較耗時，而且準確度不高，效率低下。筆者根據配電網線路評價模型，應用python編程語言、sqlite數(shù)據庫編寫設計一個配電網線路評價web系統(tǒng)［14-16］，以將該研究實用化。人工計算需要多個系統(tǒng)數(shù)據查詢、分析、計算等過程，平均需要10分鐘，用系統(tǒng)進行統(tǒng)計計算，只需5秒，大大提高了計算準確度，也提高了工作效率。

4 結論

本文針對配電網的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了基于健康度和重要度的配電網線路評價方法，文中首先分析了配電網系統(tǒng)運行特點，針對運行特點提出配電網系統(tǒng)健康度與重要度的計算方法。建立了一套較為完整有效的配電網線路評價體系，并在此理論基礎上開發(fā)了相應的評價軟件功能平臺，最后以興義市實際配電網系統(tǒng)為例，對系統(tǒng)的評價進行校驗，實驗結果能滿足評價要求，證明了本文所提方法的準確性和可行性。

傳統(tǒng)的配電網評價方法主要側重于對現(xiàn)狀電網進行評價，與傳統(tǒng)的配電網評價相比，本文從配電網運行特點出發(fā)，提出了多項配電網評價指標，包括反映運行缺陷、故障次數(shù)、線路長度、線路類型的設備參數(shù)，以及所帶負荷中的重要用戶、保供電用戶、用戶數(shù)及負荷性質等關聯(lián)因素。本文方法除可用于配電網運行，還可以用于配電網規(guī)劃。實例證明，本文提出的配電網評價方法簡單、快速，從整體上量化描述配電網運行工況，具有較高的應用價值。