配電網(wǎng)網(wǎng)格可靠性目標制定方法研究

劉金生，張磊，趙振杰

（中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣東廣州 510663）

0 引言

行業(yè)標準《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》（DL/T 5729—2016）［1］根據(jù)區(qū)域負荷密度強度，參考經(jīng)濟發(fā)展水平、可靠性需求，將電網(wǎng)供電區(qū)域劃分為A+、A、B、C、D、E 六類，并根據(jù)分類差異化地制定了建設(shè)標準。

然而，供電分區(qū)以行政級別或未來負荷密度作為劃分依據(jù)，在實際操作過程中，大部分供電分區(qū)劃分是依靠專家或領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)驗定性分類，很難判斷劃分的合理性?！杜潆娋W(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定供電區(qū)域面積劃分不宜小于5 km2，內(nèi)涵是舍棄了面積相對較小但對可靠性需求較高的地塊的需求［2-4］。

為了進一步精益化管理配電網(wǎng)，文獻［5-6］提出網(wǎng)格化供電方式，將配電網(wǎng)劃分成許多相對獨立、供電范圍不交叉的區(qū)域（供電網(wǎng)格），各供電網(wǎng)格內(nèi)實現(xiàn)典型接線。目前，文獻主要聚焦配電網(wǎng)網(wǎng)格的規(guī)劃方法，缺乏對網(wǎng)格的可靠性目標制定的研究。文獻［7］提出“自然地理要素、社會經(jīng)濟要素和電網(wǎng)要素”三要素的網(wǎng)格劃分方法；文獻［8-10］提出了網(wǎng)格負荷預(yù)測、目標網(wǎng)架構(gòu)建、過渡網(wǎng)架規(guī)劃方法和規(guī)劃流程；文獻［11］提出了一種基于改進蟻群算法的智能配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃方法，文獻［12］針對原始網(wǎng)格數(shù)據(jù)信息量相對不足時，提出了電網(wǎng)整體可靠性預(yù)測的方法。

根據(jù)上述方法，電網(wǎng)企業(yè)目前只能制定總體可靠性目標，不能制定相應(yīng)的網(wǎng)格可靠性目標。網(wǎng)格供電可靠性目標、建設(shè)標準等仍然采用供電分區(qū)標準，部分供電可靠性需求較高的網(wǎng)格需要采用較低的可靠性目標、建設(shè)標準，不能較好地匹配配電網(wǎng)的社會效益和經(jīng)濟效益。

本文以配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃為基礎(chǔ)，找出不同類網(wǎng)格對可靠性的潛在需求，利用聚類分析將網(wǎng)格分類，然后再利用層次分析法找出總體可靠性目標與各類網(wǎng)格可靠性目標之間的關(guān)系，確定不同類網(wǎng)格的可靠性目標，方便以網(wǎng)格為單元差異化規(guī)劃，避免了傳統(tǒng)同一供電分區(qū)內(nèi)網(wǎng)格建設(shè)標準一致沒有考慮特殊網(wǎng)格供電需求的情況。

1 模糊聚類分析原理

模糊C 均值法（Fuzzy C-means，F(xiàn)CM）是一種基于給定分類數(shù)的聚類算法，其核心思想是使劃分到同一簇的樣本之間的相似度最大，而劃分到不同簇的樣本之間的相似度最小。

FCM 把n個向量xi(i=1，2，…，n)劃分為給定的c個模糊組，并計算每組的聚類中心Ci，使目標函數(shù)達到最小。目標函數(shù)公式如下：

式中：

uij——隸屬度，取值為［0，1］；

m——加權(quán)值；

c——分類數(shù)給定值；

2 層次分析原理

層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合、層次化分析的方法。層次分析法主要的目的是求解最底層對最高層的相對權(quán)重。

2.1 成對比較矩陣構(gòu)造

對某一層而言，在比較第i個元素與第j個元素相對于上一層某個元素的重要性時，使用數(shù)量化的相對重要度aij來表示，假設(shè)共有n個樣本參與比較，則成對比較矩陣為：

式中：

aij通常取值為1～9 及其倒數(shù)，比如aij=1 表示i與j的重要程度相等；aij=3表示i的重要程度稍強于j；aij=5表示i的重要程度強于j；aij=7表示i的重要程度很強于j；aij=9表示i的重要程度絕對強于j。

2.2 成對比較矩陣的層次單排序與一致性檢驗

層次單排序步驟如下：

1）A中每行元素連乘，并開n次方，得到初始權(quán)重矩陣：

式中：

——初始權(quán)重矩陣；

aij——成對比較矩陣A的元素。

2）對進行歸一化處理，得到權(quán)重向量w=，其中wi為：

一致性檢驗是指成對比較矩陣允許的不一致的范圍，判斷的原理為：n階正互反矩陣A為一致性矩陣的充要條件是A的最大特征值λmax=n。

2.3 各元素對目標層的合成權(quán)重

從上而下逐層計算各層元素對合成目標的權(quán)重。計算公式如下：

式中：

k——層數(shù)；

w(k)——k層對總目標的合成權(quán)重值；

u(k)——k層成對比較矩陣的特征向量；

w(k-1)——k-1層對總目標的合成權(quán)重值［15］。

3 聚類分析在網(wǎng)格劃分中的應(yīng)用

供電網(wǎng)格的可靠性目標受到多種因數(shù)的影響，本文主要考慮政治、經(jīng)濟、負荷等因數(shù)。本文基于網(wǎng)格劃分已經(jīng)做好的基礎(chǔ)上展開，首先對每個網(wǎng)格進行政治評估，按照網(wǎng)格內(nèi)存有國家機關(guān)的重要程度由低到高在0～1 之間賦值。其次對每個網(wǎng)格進行經(jīng)濟評估，按照網(wǎng)格國內(nèi)生產(chǎn)總值、社會發(fā)展水平、商業(yè)定位由低到高在0～1 之間賦值。然后統(tǒng)計每個網(wǎng)格的負荷，對網(wǎng)格進行負荷預(yù)測，得到目標年預(yù)測負荷和預(yù)測負荷密度，對預(yù)測負荷密度數(shù)據(jù)值進行歸一化。對政治、經(jīng)濟、負荷評估數(shù)據(jù)進行加權(quán)相加，得到網(wǎng)格評估數(shù)據(jù)，網(wǎng)格評估數(shù)據(jù)即為聚類分析的樣本。

分類數(shù)的確定是聚類分析的關(guān)鍵，它需要由規(guī)劃區(qū)實際情況確定。一個區(qū)域網(wǎng)格少則幾個多則幾十個，對于規(guī)劃區(qū)域發(fā)展極度不平衡、網(wǎng)格數(shù)量較多的區(qū)域初始分類不應(yīng)過多，一般不超過五類，否則失去了實際指導(dǎo)規(guī)劃人員工作的價值。將樣本和初始分類數(shù)帶入FCM 進行迭代計算，得到FCM 的分類。樣本均值越大說明這一類網(wǎng)格對于供電可靠性的需求越大，相應(yīng)的建設(shè)標準需求也越大；相反樣本均值越小說明這一類網(wǎng)格對于供電可靠性需求越小，建設(shè)標準應(yīng)降低滿足經(jīng)濟性。

4 層次分析在分類網(wǎng)格可靠性目標制定中的應(yīng)用

網(wǎng)格分好類之后，利用層次分析計算每一類供電網(wǎng)格的目標平均停電時間權(quán)重。

4.1 平均停電時間分類

總平均停電時間按照停電類型分為故障停電時間和預(yù)安排停電時間，故障停電時間又分為外力破壞、自然災(zāi)害、公用設(shè)備故障、用戶原因、其他等。預(yù)安排停電時間主要依靠管理來減少，受規(guī)劃項目影響??；故障停電時間可以依靠裝備水平的提升、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)地優(yōu)化等減少，受規(guī)劃項目的影響大。

4.2 平均停電時間權(quán)重計算

1）總目標平均停電時間權(quán)重計算

收集各類網(wǎng)格平均停電時間的平均值，計算第i類網(wǎng)格與第j類網(wǎng)格的平均停電時間的比值，比值即為aij，初步構(gòu)建成對比較矩陣A；根據(jù)網(wǎng)格重要用戶數(shù)量、可靠性目標需求，征詢專家意見，調(diào)整aij值，aij值不應(yīng)大于9，最終形成修正后的成對比較矩陣A；根據(jù)層次單排序計算步驟，計算權(quán)重向量w；最后，計算成對比較矩陣A的最大特征值λmax，校驗一致性。若一致性校驗通過，權(quán)重向量wi即為第i類網(wǎng)格的目標平均停電時間權(quán)重。

2）分類目標平均停電時間權(quán)重計算

參考總平均停電時間權(quán)重計算步驟，計算權(quán)重向量w，wi即為外力破壞、自然災(zāi)害、公用設(shè)備故障、用戶原因等分類的目標平均停電時間的權(quán)重。

5 算例分析

以某市12 個網(wǎng)格為例，網(wǎng)格包括了市中心區(qū)、市區(qū)、工業(yè)園區(qū)、郊區(qū)鎮(zhèn)，網(wǎng)格采用存量負荷自然增長加點負荷報裝的方法進行網(wǎng)格預(yù)測，結(jié)果如表1所示。

表1 供電網(wǎng)格基礎(chǔ)資料Tab.1 Basic data of gridding

將表格中的加權(quán)值作為樣本，初始分類值取為4，計算樣本聚類中心，分別為0.78、0.62、0.35、0.24；計算樣本與聚類中心的距離，使FCM 目標函數(shù)值最小，得到分類結(jié)果，第一類即網(wǎng)格1 類：網(wǎng)格1、網(wǎng)格2、網(wǎng)格3、網(wǎng)格10；第二類即網(wǎng)格2類：網(wǎng)格7、網(wǎng)格8、網(wǎng)格9；第三類即網(wǎng)格3 類：網(wǎng)格4、網(wǎng)格5、網(wǎng)格6；第四類即網(wǎng)格4 類：網(wǎng)格11、網(wǎng)格12。

按照原有供電區(qū)域劃分，市中心區(qū)劃分為A+類區(qū)，網(wǎng)格10 劃分為B 類區(qū)。本方案中，網(wǎng)格10的加權(quán)值是0.72，與第一類聚類中心0.78 距離最近，因此，將網(wǎng)格10 與市中心區(qū)網(wǎng)格劃分為一類，供電可靠性目標和建設(shè)標準與市中心區(qū)保持一致，這樣能更好的匹配經(jīng)濟效益和社會效益。

首先擬定規(guī)劃區(qū)域的平均停電時間目標為3.21 h，然后統(tǒng)計計算四類供電網(wǎng)格的平均停電時間，第一類平均停電時間為0.04 h；第二類平均停電時間為0.20 h；第三類平均停電時間為0.35 h；第四類平均停電時間為0.14 h。計算四類類網(wǎng)格平均停電時間的比值，考慮可靠性需求，形成成對比較矩陣A，如表2所示。

表2 各類網(wǎng)格成對比較矩陣ATab.2 Matrix A of gridding

利用層次分析法計算出4 類網(wǎng)格與目標停電時間的關(guān)系，權(quán)重向量w結(jié)果如表3所示。

表3 各類網(wǎng)格權(quán)重向量Tab.3 The eigenvectors of gridding

按照上述關(guān)系，通過計算，網(wǎng)格1 類的平均停電時間目標為0.25 h，網(wǎng)格2類的平均停電時間目標為0.89 h；網(wǎng)格3 類的平均停電時間目標為1.70 h；網(wǎng)格4類的平均停電時間目標為0.37 h。

按外力破壞、自然災(zāi)害、公用設(shè)備故障、用戶原因及其他、預(yù)安排停電統(tǒng)計四類平均停電時間，具體如表4所示。

表4 按停電原因分類的平均停電時間Tab.4 The average outage time is classified according to the reason of blackout h

計算四類的成對比較矩陣，并按照層次分析法，計算出四類網(wǎng)格外力破壞、自然災(zāi)害、公用設(shè)備故障、用戶原因及其他、預(yù)安排停電和各類網(wǎng)格預(yù)安排停電之間的占比關(guān)系如表5所示。

表5 各類停電原因占比Tab.5 The proportion of all kinds of blackouts %

6 結(jié)論

網(wǎng)格化規(guī)劃目前國內(nèi)研究的重點是網(wǎng)格內(nèi)的規(guī)劃建設(shè)方法，對網(wǎng)格的建設(shè)目標、建設(shè)標準研究較少。本文聚焦配電網(wǎng)網(wǎng)格可靠性目標不易制定的難題，創(chuàng)新提出聚類分析和層次分析相結(jié)合的方法解決此問題：聚類分析將網(wǎng)格按照多維指標進行分類，層次分析將可靠性目標分解到各類網(wǎng)格，進而可為各類網(wǎng)格選擇合適的規(guī)劃建設(shè)標準，避免了高可靠性需求網(wǎng)格沿用低標準建設(shè)。

本文提出的網(wǎng)格可靠性目標制定方法簡單實用，避免了大量復(fù)雜的迭代計算，網(wǎng)格目標按照類別進行差異化的設(shè)置，避免了網(wǎng)格全部差異化配置，導(dǎo)致的網(wǎng)格目標制定困難，難以指導(dǎo)項目建設(shè)的情況。通過算例證明，本方法提出的網(wǎng)格分解目標合理適用，能夠很好的實現(xiàn)網(wǎng)格規(guī)劃建設(shè)目標的差異化和定制化。