基于全電壓等級(jí)目標(biāo)網(wǎng)架的多維度評(píng)價(jià)研究

孫 可，裴傳遜，翁秉宇

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

目前，我國(guó)經(jīng)濟(jì)已由高速增長(zhǎng)階段轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展階段，電網(wǎng)建設(shè)也隨之轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量發(fā)展的新階段，電力需求增速進(jìn)一步放緩，一些城市電力負(fù)荷逐步達(dá)到飽和期，然而基于飽和負(fù)荷的全電壓等級(jí)目標(biāo)網(wǎng)架評(píng)價(jià)還未受到足夠重視。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外針對(duì)目標(biāo)網(wǎng)架評(píng)價(jià)的研究主要面向輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量的不同，分為單一指標(biāo)評(píng)價(jià)和綜合指標(biāo)體系評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[1]基于特高壓交流輸變電工程的接入需要，開展了電網(wǎng)運(yùn)行適應(yīng)性研究。文獻(xiàn)[2]闡述了支撐輸變電設(shè)備智能化的關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[3]在智能電網(wǎng)的基本框架下，分別從經(jīng)濟(jì)性、可靠性、靈活性等方面，綜合衡量評(píng)價(jià)了輸電網(wǎng)的規(guī)劃方案。文獻(xiàn)[4]在已有配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃問(wèn)題研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一種基于災(zāi)害地圖的配電網(wǎng)網(wǎng)架規(guī)劃方法。文獻(xiàn)[5-6]分別針對(duì)配電網(wǎng)網(wǎng)格、骨干目標(biāo)網(wǎng)架，提出綜合性評(píng)價(jià)模型和方法。整體而言，目前針對(duì)輸配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性的評(píng)價(jià)體系不夠系統(tǒng)，尚需進(jìn)一步提升全電壓等級(jí)下的電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架規(guī)劃和優(yōu)化水平，建立基于全電壓等級(jí)目標(biāo)網(wǎng)架的多維度評(píng)價(jià)體系。

本文根據(jù)高壓輸電網(wǎng)、高壓配電網(wǎng)和中壓配電網(wǎng)網(wǎng)架的特點(diǎn)，在現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上[7-13]，研究在飽和負(fù)荷時(shí)期網(wǎng)架的特點(diǎn)和要求，以500 kV，220 kV，110（35） kV，10 kV 電壓等級(jí)為層級(jí)，從電網(wǎng)負(fù)荷容量匹配性、網(wǎng)架轉(zhuǎn)供能力靈活性、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性、電網(wǎng)設(shè)備利用高效性、電網(wǎng)層級(jí)協(xié)調(diào)適應(yīng)性等維度出發(fā)，構(gòu)建全電壓等級(jí)、多維度的目標(biāo)網(wǎng)架評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和評(píng)價(jià)方法，并以ZB 城市電網(wǎng)為典型實(shí)例，開展飽和負(fù)荷期全電壓等級(jí)目標(biāo)網(wǎng)架評(píng)價(jià)，推進(jìn)全電壓等級(jí)電網(wǎng)規(guī)劃工作的精準(zhǔn)化開展。

1 基于邏輯回歸的飽和發(fā)展階段判斷

1.1 邏輯回歸S 曲線模型

本文借鑒國(guó)內(nèi)外發(fā)達(dá)城市經(jīng)濟(jì)與電網(wǎng)發(fā)展規(guī)律，主要基于邏輯回歸（Logistic Regression）的S曲線模型[14-15]，用以判斷地區(qū)經(jīng)濟(jì)與電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展水平及預(yù)測(cè)電力需求飽和期大致時(shí)間，指導(dǎo)地區(qū)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。邏輯回歸S 曲線模型的方程如下：

式中：y 為S 曲線Logistic 函數(shù)，表示變量與時(shí)間的關(guān)系；c 為函數(shù)飽和值；a 是與函數(shù)初始值相關(guān)的參數(shù)；b 是增長(zhǎng)參數(shù)；t 為時(shí)間序列。

1.2 電網(wǎng)發(fā)展階段劃分理論

為了得到S 曲線函數(shù)的一些特征點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行多階求導(dǎo)處理[16-17]。分別得到一、二、三次求導(dǎo)結(jié)果y1，y2，y3，如式（2）所示：

由式（2）可以得出結(jié)論：對(duì)于S 曲線模型來(lái)說(shuō)，其值達(dá)到飽和量的21%，50%，79%左右時(shí)，事物發(fā)展分別進(jìn)入加速增長(zhǎng)期、減速增長(zhǎng)期、緩慢增長(zhǎng)飽和期。

參考現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外發(fā)達(dá)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展軌跡，可將地區(qū)電網(wǎng)發(fā)展劃分為4 個(gè)階段，如圖1 所示。

圖1 電網(wǎng)發(fā)展階段劃分

2 基于目標(biāo)網(wǎng)架的多維度評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1 指標(biāo)的選取方法

電力負(fù)荷受眾多因素影響，具有較強(qiáng)的波動(dòng)性。隨著電動(dòng)汽車、電供熱等多元化負(fù)荷的快速發(fā)展，間歇性負(fù)荷的不確定性增強(qiáng)。風(fēng)力、光伏等可再生能源發(fā)電大規(guī)模接入，進(jìn)一步加劇了凈負(fù)荷的波動(dòng)性。電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)的雙重波動(dòng)性、不確定性，對(duì)電網(wǎng)網(wǎng)架轉(zhuǎn)供能力和靈活性提出了更高的要求。

隨著電網(wǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大，電網(wǎng)設(shè)備建設(shè)、運(yùn)營(yíng)成本持續(xù)攀升。由于電網(wǎng)投資具有金額大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、資金回收慢、風(fēng)險(xiǎn)多等特點(diǎn)，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)新常態(tài)下，電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)高質(zhì)量階段，投資主體多元化競(jìng)爭(zhēng)加劇，對(duì)供電企業(yè)投資效益、設(shè)備利用率也提出了更高的要求。

在電網(wǎng)建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展新階段，目標(biāo)電網(wǎng)規(guī)劃最基本的要求是安全可靠與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，高質(zhì)量滿足差異化用電需求。即電網(wǎng)容量必須滿足負(fù)荷發(fā)展，滿足負(fù)荷在故障下的安全轉(zhuǎn)供，同時(shí)保持可靠性與經(jīng)濟(jì)性的平衡，不同層級(jí)間電網(wǎng)的平衡協(xié)調(diào)，不致造成資金的浪費(fèi)和設(shè)備的低效利用。

在以上分析的基礎(chǔ)上，本文按照全面性、客觀性、典型性的原則，以“實(shí)效、實(shí)用”和規(guī)劃需求為導(dǎo)向，借鑒國(guó)內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，研究在轉(zhuǎn)型發(fā)展時(shí)期電網(wǎng)網(wǎng)架特點(diǎn)和要求，構(gòu)建全電壓等級(jí)、多維度的網(wǎng)架評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。體系采用層次化結(jié)構(gòu)，以500 kV，220 kV，110（35） kV，10 kV 電壓等級(jí)為層級(jí)，從電網(wǎng)負(fù)荷容量匹配性、網(wǎng)架轉(zhuǎn)供能力靈活性、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性、電網(wǎng)設(shè)備利用高效性、電網(wǎng)層級(jí)協(xié)調(diào)適應(yīng)性等方面，建立涵蓋輸電網(wǎng)和配電網(wǎng)多層級(jí)的電網(wǎng)網(wǎng)架評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖2 所示。

2.2 指標(biāo)的計(jì)算方法

2.2.1 電網(wǎng)負(fù)荷容量匹配性

選用不同電壓等級(jí)容載比（500 kV，220 kV，110 kV），該指標(biāo)整體上反映供電區(qū)域變電容量對(duì)負(fù)荷增長(zhǎng)的匹配適應(yīng)程度。

式中：Rsi表示第i 電壓等級(jí)的容載比，i 分別指500 kV，220 kV，110 kV；Si表示第i 電壓等級(jí)的容量；Pi表示第i 電壓等級(jí)的負(fù)荷。

2.2.2 網(wǎng)架轉(zhuǎn)供能力靈活性

反映變電站和線路的結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng)度以及電網(wǎng)運(yùn)行方式靈活性。

（1）變電站主變“N-1”通過(guò)率（220 kV，110 kV）。指最大負(fù)載運(yùn)行方式下，變電站中任一臺(tái)主變停運(yùn)后，其供電的全部負(fù)荷可轉(zhuǎn)移到其他主變供電的變電站占比。

式中：λTi表示第i 電壓等級(jí)滿足主變“N-1”運(yùn)行的變電站占比，i 分別指220 kV，110 kV；表示第i 電壓等級(jí)滿足主變“N-1”的變電站數(shù)量；NTi表示第i 電壓等級(jí)的變電站總數(shù)量。

（2）線路“N-1”通過(guò)率（10 kV）。指最大負(fù)載運(yùn)行方式下，任一條線路停運(yùn)后，其供電的全部負(fù)荷可通過(guò)不超過(guò)2 次操作就能轉(zhuǎn)移到其他線路供電的線路占比。

式中：λML表示滿足“N-1”運(yùn)行的10 kV 線路占比；表示e 滿足 “N-1” 運(yùn)行的10 kV 線路條數(shù)；NML表示10 kV 線路總條數(shù)。

2.2.3 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性

反映電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)接線的規(guī)范性。分不同電壓層級(jí)（220 kV，110 kV，10 kV）評(píng)估區(qū)域內(nèi)網(wǎng)架規(guī)劃期典型接線比例。其中，典型接線指DL/T 5729—2016《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定的接線方式。

式中：λELi表示第i 電壓等級(jí)的典型接線占比，i分別指220 kV，110 kV，10 kV；表示第i 電壓等級(jí)的典型接線線路條數(shù)；NELi表示第i 電壓等級(jí)的線路總條數(shù)；

2.2.4 電網(wǎng)設(shè)備利用高效性

反映電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架規(guī)范下的設(shè)備利用效率。分不同電壓層級(jí)（500 kV，220 kV，110 kV，10 kV）評(píng)估區(qū)域內(nèi)電網(wǎng)規(guī)范網(wǎng)架下的設(shè)備利用效率，以提高區(qū)域電網(wǎng)投資的效率和效益。

圖2 多層級(jí)電網(wǎng)網(wǎng)架評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

式中：λEi表示第i 電壓等級(jí)的設(shè)備利用率，i 分別指500 kV，220 kV，110 kV；表示第i 電壓等級(jí)的下級(jí)電量值；Si表示第i 電壓等級(jí)額定容量累計(jì)值。

2.2.5 電網(wǎng)層級(jí)協(xié)調(diào)適應(yīng)性

反映層級(jí)間變壓器輸送電能的協(xié)調(diào)性適應(yīng)能力。分不同電壓層級(jí)（500 kV，220 kV，110 kV，10 kV）評(píng)估區(qū)域內(nèi)主變、配變之間的變電容量比，包括輸配電網(wǎng)變電容量比和高中壓配電網(wǎng)變電容量比。

式中：λSi表示第i 電壓等級(jí)的設(shè)備利用率，i 分別指220 kV，110 kV，10 kV；Sup表示第i 電壓等級(jí)的上級(jí)變電容量值；Sdown表示第i 電壓等級(jí)的下級(jí)變電容量值。

3 全電壓等級(jí)、多維度的網(wǎng)架評(píng)價(jià)模型

3.1 指標(biāo)的評(píng)分

指標(biāo)評(píng)分函數(shù)的歸一化方法有最大值法、差值法、模糊數(shù)學(xué)法等，各種方法歸一化計(jì)算結(jié)果一般不影響評(píng)價(jià)結(jié)論且滿足要求。本文綜合采用以上方法進(jìn)行指標(biāo)評(píng)分，對(duì)于效益型指標(biāo)，指標(biāo)越大，得分越高，計(jì)算公式如下：

式中：Si為指標(biāo)得分；xi為指標(biāo)值；Mi，mi分別為指標(biāo)的理想值和不允許值；p，q 均為常數(shù)，通常取p=60，q=40。

對(duì)于適中型指標(biāo)，即指標(biāo)值以穩(wěn)定在某一范圍內(nèi)評(píng)分較高，計(jì)算公式如下：

式中：yi為指標(biāo)得分；xi為指標(biāo)值；ai，bi分別為指標(biāo)的理想值區(qū)間范圍，且ai＜bi。

（1）電網(wǎng)負(fù)荷容量匹配性

飽和負(fù)荷期，年均負(fù)荷增長(zhǎng)率低于7%，各電壓等級(jí)容載比范圍區(qū)間如表1 所示。

表1 各電壓等級(jí)容載比

（2）網(wǎng)架轉(zhuǎn)供能力靈活性、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性

變電站主變“N-1”通過(guò)率、線路“N-1”通過(guò)率、網(wǎng)架典型接線比例，這3 個(gè)指標(biāo)評(píng)分的理想值定為100%，不允許值取極限為0。

（3）電網(wǎng)設(shè)備利用高效性

本文運(yùn)用典型變電站、典型接線模式中供電架構(gòu)最佳負(fù)載能力，確定設(shè)備利用最佳負(fù)載能力范圍如下：

最大負(fù)荷時(shí)刻，變電站最佳負(fù)載范圍[50%，60%]，線路最佳負(fù)載范圍[35%，50%]；全年平均狀態(tài)，變電站最佳負(fù)載范圍[20%，40%]，線路最佳負(fù)載范圍[20%，30%][18]。

（4）電網(wǎng)層級(jí)協(xié)調(diào)適應(yīng)性

根據(jù)Q/GDW 370—2009《城市配電網(wǎng)技術(shù)導(dǎo)則》不同電壓等級(jí)的容載比范圍，推算出飽和負(fù)荷期不同層級(jí)容量匹配范圍如下：

220 kV 變電站與110 kV 變電站容量配比[0.73，1.16]；110 kV 變電站與10 kV 配變?nèi)萘颗浔萚0.72，0.96][19]。

3.2 指標(biāo)的權(quán)重

根據(jù)所建立的指標(biāo)體系，采用相對(duì)重要比較值的方法，對(duì)指標(biāo)層的每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行成對(duì)比較，形成如下比較矩陣：

式中：aij是因素i 相對(duì)因素j 的重要程度，取自然數(shù)1～9，aij=1/aij。

然后根據(jù)幾何平均法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重wi，如式（12）所示：

3.3 指標(biāo)綜合評(píng)分

選用層次分析法，匯總各指標(biāo)評(píng)價(jià)得分得到綜合評(píng)分，計(jì)算公式為：

式中：y 為綜合評(píng)分值。

4 實(shí)例應(yīng)用

4.1 電網(wǎng)及發(fā)展階段

截至2019 年底，ZB 城市已有500 kV 變電站8 座，主變19 臺(tái)，變電容量1 740 萬(wàn)kVA，容載比為1.72；220 kV 變電站53 座，變電容量2 568 萬(wàn)kVA，用戶變電站8 座，變電容量193.3萬(wàn)kVA，容載比為2.03；110 kV 公用變電站235座，容量2 324.4 萬(wàn)kVA，用戶變電站36 座，變電容量251.15 萬(wàn)kVA，容載比為2.24；35 kV 公用變電站56 座，變電容量130.58 萬(wàn)kVA；公用配變40 150 臺(tái)，容量2 025.1 萬(wàn)kVA。

2025 年、2030 年、2035 年全市最大負(fù)荷分別為2 150 萬(wàn)kW、2 490 萬(wàn)kW、2 600 萬(wàn)kW?！笆濉弊畲筘?fù)荷年均增長(zhǎng)率為9.54%，“十四五”最大負(fù)荷年均增長(zhǎng)率為5.06%，“十五五”最大負(fù)荷年均增長(zhǎng)率為2.98%。

采用S 曲線模型及人均用電信息數(shù)據(jù)[20]判斷ZB 電網(wǎng)發(fā)展階段。數(shù)據(jù)來(lái)源為“ZB 市統(tǒng)計(jì)局”網(wǎng)站，“ZB 統(tǒng)計(jì)年鑒2019 年”給出了歷年（1978—2018 年）全社會(huì)用電量、人口的數(shù)據(jù)，見圖3。

圖3 ZB 電網(wǎng)S 曲線預(yù)測(cè)結(jié)果

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)ZB 城市電網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)架規(guī)劃基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及本文指標(biāo)體系中指標(biāo)計(jì)算方法，計(jì)算出評(píng)價(jià)體系中現(xiàn)狀年、過(guò)渡年、目標(biāo)年各評(píng)價(jià)指標(biāo)值，如表2 所示。

表2 城市電網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

4.3 評(píng)價(jià)的綜合得分

根據(jù)全電壓等級(jí)目標(biāo)網(wǎng)架指標(biāo)體系、評(píng)價(jià)模型，測(cè)得ZB 城市電網(wǎng)現(xiàn)狀年、2025 年、目標(biāo)年網(wǎng)架評(píng)價(jià)得分分別為88.35，95.56，98.62，如表3 所示。

表3 城市電網(wǎng)評(píng)價(jià)得分

影響過(guò)渡年和目標(biāo)年得分的主要因素包括：

（1）電網(wǎng)負(fù)荷容量匹配性中，500 kV 過(guò)渡年變電容量較為不足，容載比僅為1.34；220 kV 過(guò)渡年變電容量比較充足，明顯超前城市電網(wǎng)發(fā)展階段。

（2）網(wǎng)架轉(zhuǎn)供能力靈活性中，過(guò)渡年及目標(biāo)年“N-1”轉(zhuǎn)供率均達(dá)到100%，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng)可靠。

（3）網(wǎng)架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性中，220 kV 線路典型接線率，從過(guò)渡年有序推進(jìn)，到目標(biāo)年達(dá)到100%；110 kV 線路典型接線率，從過(guò)渡年到目標(biāo)年仍有一定發(fā)展空間。

（4）電網(wǎng)設(shè)備利用高效性中，220 kV 電網(wǎng)設(shè)備利用效率，過(guò)渡年控制得當(dāng)，處于最佳負(fù)載能力范圍，至目標(biāo)年設(shè)備利用效率降低，設(shè)備利用率有冗余。

（5）電網(wǎng)層級(jí)協(xié)調(diào)適應(yīng)性中，500 kV 對(duì)220 kV 供電容量配比，過(guò)渡年略有不足，主要為500 kV 變電容量不足；110 kV 對(duì)10 kV 供電容量配比，過(guò)渡年及目標(biāo)年10 kV 供電容量容量持續(xù)不足，高峰負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)引起部分配變過(guò)載運(yùn)行，未來(lái)10 年過(guò)渡年至目標(biāo)年，中壓配電網(wǎng)是規(guī)劃建設(shè)的重要內(nèi)容之一。

5 結(jié)語(yǔ)

本文在現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究成果基礎(chǔ)上，以500 kV，220 kV，110（35） kV，10 kV 電壓等級(jí)為層級(jí)，從電網(wǎng)負(fù)荷容量匹配性、網(wǎng)架轉(zhuǎn)供能力靈活性、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性、電網(wǎng)設(shè)備利用高效性、電網(wǎng)層級(jí)協(xié)調(diào)適應(yīng)性等維度，構(gòu)建了多維度的全電壓等級(jí)目標(biāo)網(wǎng)架的評(píng)價(jià)體系和評(píng)價(jià)方法。

最后，以ZB 城市電網(wǎng)為典型實(shí)例，采用本文建立的全電壓等級(jí)目標(biāo)網(wǎng)架評(píng)價(jià)體系和算法模型，對(duì)現(xiàn)狀年、2025 年、2035 年目標(biāo)年進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果可為電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)行提供決策和支持。