電網(wǎng)工程項目需求成因診斷及預(yù)判方法研究

孟之光 趙娟

（1.中國電力建設(shè)股份有限公司 2.國網(wǎng)經(jīng)濟技術(shù)研究院有限公司）

0 引言

項目需求預(yù)判和投資優(yōu)化管理是關(guān)系電網(wǎng)安全發(fā)展、企業(yè)健康發(fā)展的關(guān)鍵所在，當前，我國經(jīng)濟發(fā)展進入新常態(tài)，發(fā)展高強度投入、成本剛性增長與電量增速趨緩、效益增長困難之間的矛盾日益突出，保持穩(wěn)健經(jīng)營、完成利潤目標的難度增大，對電網(wǎng)投資決策提出了更高要求。因此，開展新形勢下電網(wǎng)項目需求預(yù)判研究對于確保投資規(guī)模合理、方向精準、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、時序科學，嚴控低效投資，杜絕無效投資具有重要的理論和現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

項目需求預(yù)判方法的研究，思路為：首先采用隸屬函數(shù)分析地區(qū)電網(wǎng)是否具有經(jīng)濟性需求、安全性需求和政策性需求，對具有需求的指標進行偏差考核得出指標需求程度。再采用ANP項目需求成因診斷方法分層級最終求出地區(qū)電網(wǎng)對應(yīng)的經(jīng)濟性、安全性和政策性需求程度。

1 基于隸屬函數(shù)的需求成因分析模型

對項目需求成因進行診斷時，首先要從各類指標的需求診斷入手，確定電網(wǎng)項目所要滿足的需求條件。在電網(wǎng)工程項目需求成因診斷中采用隸屬函數(shù)模型，能夠?qū)㈦娋W(wǎng)公司對某類項目的某種指標的需求程度用數(shù)值來表示，有效地將某地區(qū)難以量化的指標完成情況用隸屬度刻畫出來，將復(fù)雜問題簡單化，便于后續(xù)分析該地區(qū)安全性、經(jīng)濟性和政策性需求的需求成因。

以2006年修訂的《城市電力網(wǎng)規(guī)劃導(dǎo)則》為指導(dǎo)依據(jù)，以導(dǎo)則中規(guī)定的設(shè)備標準值作為各個指標的參考標準。將區(qū)域電網(wǎng)各項項目指標實際參數(shù)代入設(shè)置的隸屬函數(shù)中，得出每一個指標屬于該指標的診斷標準的隸屬度，從而判斷出該區(qū)域電網(wǎng)每一個指標需求程度大小。對于存在需求的指標，進一步依據(jù)第一步設(shè)定的“城市電網(wǎng)需求判斷標準”計算出該指標與診斷標準的偏差值，從而判斷地區(qū)電網(wǎng)對于該指標的需求程度大小。基于隸屬函數(shù)的需求成因指標診斷模式圖如圖1所示。

圖1 基于隸屬函數(shù)的需求成因指標診斷模式

2 基于隸屬函數(shù)的需求成因分析方法

隸屬函數(shù)（Membership Function），是用于表征模糊集合的數(shù)學工具。為了描述元素u對U上的一個模糊集合的隸屬關(guān)系，由于這種關(guān)系的不分明性，它將用從區(qū)間[0，1]中所取的數(shù)值代替0，1這兩值來描述，表示元素屬于某模糊集合的“真實程度”。

本文中，假設(shè)論域U為實數(shù)域，是“城市電網(wǎng)需求判斷標準”中各指標區(qū)間上限值的集合，A表示“需求程度大”，對于每一項指標在“城市電網(wǎng)需求判斷標準”中都能找到對應(yīng)的標準區(qū)間，若地區(qū)的“城市電網(wǎng)需求判斷標準”第j項指標不在其標準區(qū)間上，則判斷區(qū)域電網(wǎng)具有此項指標對應(yīng)的需求；若第j項指標值在其標準區(qū)間上，通過式（1）中的函數(shù)判斷該項指標距離區(qū)間上限的距離大小，判斷區(qū)域該項指標對應(yīng)的需求程度大小。指標值距上限越近，說明需求越大；指標值距上限越遠，說明此項需求越小。設(shè)A(x)∈[0，0.3]時，需求較??；當A(x)∈[0.3，0.6]時，需求程度一般；當A(x)∈[0.6，1]時，需求較大。

（1）正指標

當指標值越大，需求越大時：

式中，a為標準參考區(qū)間的上限；k為參考系數(shù)，依據(jù)不同指標值設(shè)定。

（2）逆指標

當指標值越大，需求越小時：

式中，a為標準參考區(qū)間的上限；k為參考系數(shù)，依據(jù)不同指標值設(shè)定。

3 項目需求成因診斷路徑分析

項目需求成因診斷分析，需要建立項目需求成因診斷的分析方法，明確該方法首先要建立項目需求成因診斷路徑，具體需求成因診斷路徑見圖2。

圖2 項目需求成因診斷路徑

如圖2所示，挖掘項目需求成因時，首先基于偏差考核計算出的地區(qū)指標偏差程度，利用項目成因診斷方法構(gòu)建影響指標到項目二級需求的映射關(guān)系，再用同樣的方法構(gòu)建項目二級需求到一級需求的映射關(guān)系，從而確定當前項目對經(jīng)濟性、安全性、政策性等方面的需求情況。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)當前需求建立不同項目到影響指標的定量映射關(guān)系，最終通過項目需求成因診斷方法計算得出每個項目對一級需求的滿足情況。

4 項目需求成因診斷方法

建立項目到影響指標的映射關(guān)系，以及影響指標到二級需求再到一級需求的映射關(guān)系時，為了定量確定項目建設(shè)指標的影響程度，本文利用ANP方法進行定量評估，進而確定每個項目對于各類二級需求和各類一級需求的效益滿足情況。

ANP方法即網(wǎng)絡(luò)分析法，是在AHP法的基礎(chǔ)上提出的，根據(jù)各個風險因素之間關(guān)系建立一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，考慮了各層次之間因素的影響關(guān)系及上層因素對下層因素的反饋影響。典型的ANP模型結(jié)構(gòu)將指標因素分為控制層和網(wǎng)絡(luò)層兩部分，本文以經(jīng)濟性、安全性和政策性為控制層的目標，以滿足新增負荷需求、常規(guī)電源送出、電源接入、降低能耗、優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、解決設(shè)備重過載、消除安全隱患、煤改電政策、農(nóng)網(wǎng)改造政策、偏遠地區(qū)通電政策等指標為準則層，各個項目作為方案層進行分析。

以控制層一級需求為目標，網(wǎng)絡(luò)層中每個元素集（即為各個二級需求）Ui（i=1，2，…，n）為準則，利用五標度法，將其他二級需求元素集Uj（j=1，2，…，n）對的影響程度進行優(yōu)勢度打分得到比較矩陣，利用特征根算法計算每個比較矩陣的特征向量，得出二級需求的權(quán)重矩陣P：

分別以各項目二級需求元素集Ui（i=1，2，…，n）中元素ei1（l=1，2，…，ki）為準則，計算各項目二級需求間的超矩陣W：

將超矩陣中各子矩陣乘以權(quán)重，權(quán)重為二級需求的權(quán)重矩陣P中各元素，得到加權(quán)超矩陣：

則A=（ω1，ω2，…，ωn）為所求的特征向量，即各個項目對于二級需求各個指標因素的權(quán)重值。同理可求得二級需求對于一級需求的權(quán)重值B=（λ1，λ2，…，λm）。

在求得權(quán)重值的基礎(chǔ)上，建立各個項目對二級需求指標的滿足程度指標矩陣為：

加權(quán)平均則得到從影響指標求得滿足二級需求程度的加權(quán)矩陣為：

進而加權(quán)得到項目滿足區(qū)域一級需求程度矩陣為：

式中，“。”表示廣義模糊合成運算，比較常用的算子有(+，×)算子，即加權(quán)平均算子。

5 應(yīng)用舉例

選取某區(qū)域電網(wǎng)進行案例分析。該區(qū)域目前供電面積1590平方公里，2018年常住人口86.57萬人，全區(qū)GDP為381億元，同比增長4.8%，人均GDP為4.4萬元/人。供電范圍內(nèi)共有220kV公用變電站2座，容量720MVA；110kV公用變電站10座，容量963MVA。以該地區(qū)35kV電網(wǎng)為例。

該區(qū)域35kV電壓等級電力工程項目需求具體可以分為安全性需求、經(jīng)濟性需求和政策性需求。其中安全性需求又可以細化為優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提高供電可靠性的需求、解決設(shè)備重過載的需求、解決設(shè)備安全隱患的需求；經(jīng)濟性需求主要為滿足新增負荷的需求；政策性需求主要為煤改電的需求。各影響因素2016年、2017年和2018年具體指標及相關(guān)指標數(shù)據(jù)如下表所示。

表 35kV電網(wǎng)需求現(xiàn)狀

由表分析可知，35kV電網(wǎng)具有安全性、經(jīng)濟性和政策性三個方面的需求。對35kV電網(wǎng)三個方面進行隸屬度計算，分析得出區(qū)域35kV電網(wǎng)需求程度。

在安全性方面，該區(qū)域規(guī)劃設(shè)計較合理，N-1通過率較高，N-1達到100%；該區(qū)域近三年供電可靠率不足100%，可靠率隸屬度為A(x)=0.64，供電可靠性仍有待提高；短路電流超過開關(guān)遮斷容量80%母線節(jié)點占比至2018年仍高達12%，隸屬度A(x)=0.8；區(qū)域2016年、2017年、2018年變壓器最大負載率為114%、114%、93%，根據(jù)2006年修訂的《城市電力網(wǎng)規(guī)劃導(dǎo)則》規(guī)定，500kV～35kV變電站中正常運行的變壓器短時不超過113%，隸屬度A(x)=0.78，由此區(qū)域負載率達標，但負載率處于較高水平；變電設(shè)備和線路超過運行年限21年比例仍然較大，設(shè)備老舊問題嚴重，2016年、2017年、2018年線路年限超過21年以上分別為：3.69%、14.57%、15.99%。隸屬度A(x)=0.83，故該區(qū)域在安全性方面存在優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，提高供電可靠性以及解決設(shè)備安全隱患的需求。

經(jīng)濟性方面，經(jīng)濟發(fā)展帶動電力需求增長，220kV網(wǎng)供負荷逐年上漲，2018年較2017年增長10%，屬于中等增長水平，計算得到A(x)=0.4；低電壓用戶數(shù)為0，故不存在此方面需求；三年容載比分別為2.06、2.07、2.09，根據(jù)2006年修訂的《城市電力網(wǎng)規(guī)劃導(dǎo)則》規(guī)定，負荷增長屬于中等增長水平的容載比范圍應(yīng)在1.9～2.1之間，區(qū)域容載比符合導(dǎo)則要求。隸屬度計算得A(x)=0.75，說明區(qū)域在容載比優(yōu)化方面存在經(jīng)濟性需求。綜上，區(qū)域存在滿足新增負荷經(jīng)濟性方面的需求。

政策性方面，在煤改電政策推行下，燃煤取暖用戶數(shù)量逐年下降，但燃煤用戶比例仍處于較高位。由導(dǎo)則及其他標準得出，區(qū)域用煤比例應(yīng)控制在20%以下。該指標屬于正指標，區(qū)域用煤占比的隸屬度A(x)=0.77。說明區(qū)域煤改電政策已在進行中，還需進一步推行，所對應(yīng)的“煤改電政策需求”較大。

為解決35 kV電網(wǎng)問題，安排了一項項目為煤改電徐各莊35kV變電站擴建工程：工程響應(yīng)國家煤改電政策，可解決徐各莊站接入煤改電負荷后主變重載、不滿足N-1的問題，滿足地區(qū)的政策性需求、安全性需求和經(jīng)濟性需求。

該項目可滿足區(qū)域經(jīng)濟性及政策性需求。

（1）安全性

薊州區(qū)禮明莊鄉(xiāng)及別山鎮(zhèn)等區(qū)域共計約3626戶，用電采暖負荷需要增加2.256萬kVA，農(nóng)村地區(qū)60～120m2電采暖戶均容量按照7kW/戶，同時率按0.8，功率因數(shù)按0.9計算），目前徐各莊站2017年度冬期間最大平均負載率為53.71%，接入煤改電負荷后N-1負載率將達220%，不滿足N-1的要求，徐各莊站現(xiàn)狀變電規(guī)模將不能滿足要求，需進行擴建3#主變。在滿足政策性的同時，該項目的實施還可滿足安全性，解決負載率過高的問題。

首先，根據(jù)以上情況結(jié)合權(quán)重賦值方法對安全性層級下的二級需求優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、解決設(shè)備重過載、消除安全隱患、增強變電站可靠性進行賦權(quán)，不同項目在此區(qū)域的安全性指標權(quán)重有所偏差，依據(jù)AHP方法求得權(quán)重：A=（0.3，0.6，0.4，0.5）。

其次，為求得該項目對二級需求的滿足程度，進行優(yōu)勢度分析。區(qū)域年度冬期間最大平均負載率為53.71%，接入煤改電負荷后N-1負載率將達220%，工程實施后可降低約166.29%，使之滿足N-1需求，故解決設(shè)備重過載一項可得分10分，不滿足其余指標，即得到向量：φ=（0，10，0，0）。

最終加權(quán)平均求得陽薊312線路切改工程項目滿足區(qū)域安全性系數(shù)為：b2=A×φ=6。

（2）政策性

面對國家節(jié)能減排和治理大氣污染力度不斷加大、尤其是京津冀霧霾治理要求不斷提高的形勢，國網(wǎng)天津電力按照“美麗天津”建設(shè)“清新空氣、清水河道、清潔村莊、清潔社區(qū)和綠化美化”的“四清一綠”行動部署，扎實推動電能替代工作，積極推動清潔電采暖，優(yōu)化能源消費結(jié)構(gòu)。

首先，根據(jù)以上情況結(jié)合權(quán)重賦值方法對政策性層級下的二級需求煤改電政策、農(nóng)網(wǎng)改造政策、偏遠地區(qū)通電政策進行賦權(quán)，不同項目在此區(qū)域的經(jīng)濟性指標權(quán)重有所偏差，依據(jù)AHP方法求得權(quán)重：A=（0.8，0.8，0.8，0.5）。

其次，為求得該項目對二級需求的滿足程度，進行優(yōu)勢度分析。依據(jù)國家政策緊迫性，滿足煤改電政策、農(nóng)網(wǎng)改造政策、偏遠地區(qū)通電政策分別可得分6分、5分、5分、4分。該工程項目滿足煤改電政策，此項可得分6分。不滿足其余指標，即得到向量：φ=（6，0，0）。

最終加權(quán)平均求得煤改電徐各莊35kV變電站擴建工程項目滿足區(qū)域政策性系數(shù)為：c2=A×φ=4.8。

6 結(jié)束語

本文首先采用隸屬函數(shù)分析地區(qū)電網(wǎng)是否具有經(jīng)濟性需求、安全性需求和政策性需求，對具有需求的指標進行偏差考核得出指標需求程度。再通過ANP項目需求成因診斷方法分層級最終求出地區(qū)電網(wǎng)對應(yīng)的經(jīng)濟性、安全性和政策性需求程度。通過此方法可篩選出在一定條件下可最大程度滿足地區(qū)電網(wǎng)需求的項目安排。