區(qū)域配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控模型及評估方法研究

李俊，羅陽洋，朱德燕

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣西南寧 530001）

近年來隨著用電設(shè)備的指數(shù)式增長，配電網(wǎng)用電量增長迅速。但在配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行過程中的各種弊端嚴(yán)重影響了配電網(wǎng)的發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者針對上述背景做了大量研究工作[1-3]。在經(jīng)濟(jì)性節(jié)能方面，有學(xué)者對配電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和用能效率進(jìn)行長時間的探索，并嘗試通過算法優(yōu)化來提高用能的經(jīng)濟(jì)性[4-5]。在評估體系方面，為滿足管理要求，針對電力主設(shè)備的生產(chǎn)、監(jiān)測進(jìn)行數(shù)據(jù)評估，提出了基于層次分析法的評估體系，以提高配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性[6-8]。在配電網(wǎng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面，研究者也進(jìn)行了大量的工作，提出采用分層分區(qū)的配電網(wǎng)運(yùn)行方法，以區(qū)域配電網(wǎng)為獨(dú)立運(yùn)行個體，單獨(dú)核算區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)性，提高獨(dú)立配電網(wǎng)的能效管理水平[9-11]。但現(xiàn)有配電網(wǎng)主設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)極為豐富，以單一的方法無法涵蓋所有的數(shù)據(jù)，需建立新的監(jiān)控模型與評估體系，更好地促進(jìn)配電網(wǎng)的發(fā)展[12]。

1 主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)模型

主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)對監(jiān)控整個電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況具有重要作用，其直接影響到電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行[13]。該節(jié)將對變壓器和輸電線路的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、建立運(yùn)行能效數(shù)據(jù)模型，為監(jiān)控模型的建立打下基礎(chǔ)。

1）變壓器

變壓器在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生功率損耗，其損耗率直接影響運(yùn)行的能效節(jié)能性。用配電變壓器的綜合功率損耗描述變壓器傳輸電能過程中引起的損耗ΔPz，如下所示：

因此，可得到配電網(wǎng)變壓器綜合功率損耗率ΔPz%為：

式中，SN為配電網(wǎng)變壓器的額定容量，cosφ為變壓器靠近負(fù)荷中心的功率因數(shù)。通過上式可以得到，變壓器的最佳運(yùn)行區(qū)間為：

變壓器的運(yùn)行區(qū)間可以進(jìn)一步分為最佳區(qū)、經(jīng)濟(jì)區(qū)、最劣區(qū)，對應(yīng)的劃分如圖1 所示。從圖中可以看出，當(dāng)βJZ≤β≤βL1Z時，變壓器處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)βL2Z<β<βJZ時，變壓器處于最佳運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)0 ≤β≤βL2Z時，變壓器處于最劣運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 變壓器的運(yùn)行區(qū)間劃分

2）輸電線路

電能經(jīng)輸電線路傳輸過程中會發(fā)熱，產(chǎn)生損耗，且損耗與流過輸電線路的電流的平方成正比。在一天的時間內(nèi)，流經(jīng)輸電線路產(chǎn)生的損耗可以用下式表示：

但在實(shí)際運(yùn)行過程中，負(fù)荷變化是波動的，采用均方根電流進(jìn)行計算會引起一定的誤差。為減少負(fù)荷變化而引起的誤差，引入形狀系數(shù)K，用下式計算：

從上述公式可看出，形狀系數(shù)K與流經(jīng)輸電線路的電流比值有關(guān)。

2 運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控模型建立

2.1 運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控指標(biāo)體系

在建立配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控模型之前，需要將運(yùn)行數(shù)據(jù)分類，建立數(shù)據(jù)監(jiān)控指標(biāo)體系。在層次分析法的基礎(chǔ)上建立涉及多個層級的主設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)指標(biāo)體系，體現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。具體指標(biāo)體系如表1 所示。

表1 配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控指標(biāo)

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控模型的建立

通過建立配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控指標(biāo)體系，能夠更全面地反映配電網(wǎng)節(jié)能水平。但某些數(shù)據(jù)指標(biāo)以百分比的形式出現(xiàn)，需要進(jìn)行歸一化處理，才能綜合評價。該文采用極值化無量綱處理法將不同形式的指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化處理[14-16]。具體做法為：將指標(biāo)分為正指標(biāo)、負(fù)指標(biāo)、區(qū)間指標(biāo)，根據(jù)相關(guān)性統(tǒng)一為0～1 之間的數(shù)值，通過量化公式轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)值。

正指標(biāo)的量化公式如下：

負(fù)指標(biāo)的量化公式為：

區(qū)間指標(biāo)的量化公式為：

對運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理之后，還需要對靈敏度矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過下式得到評估指標(biāo)的權(quán)重：

式中，ωi為配電網(wǎng)主設(shè)備能效指標(biāo)第i個指標(biāo)權(quán)重，Ωj為指標(biāo)權(quán)重的行向量，通過指標(biāo)權(quán)重的重要性，建立判斷矩陣如下：

以同樣的方法建立可靠性和經(jīng)濟(jì)性的判斷矩陣，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。因此，可以得到配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控統(tǒng)計值為：

式中，wi為第i個指標(biāo)經(jīng)過無量綱處理的數(shù)值，ai為第i個指標(biāo)的一級權(quán)重，α1～α4為設(shè)備階梯權(quán)重。

綜上所述，區(qū)域配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控及其評價流程如圖2 所示。

圖2 主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控及其評價流程

3 評估方法

區(qū)域配電網(wǎng)主設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控模型為分層級、分區(qū)域的數(shù)學(xué)模型，其優(yōu)劣需要采用層次分析法進(jìn)行評價。層次分析法的基本步驟包括構(gòu)造評價矩陣、層次單排序和一致性檢驗(yàn)。

構(gòu)造評價矩陣核心思想是通過比較兩個元素之間的重要性，將各個元素的重要程度量化為aij，其取值在1～9 之間進(jìn)行賦值，通過兩兩之間互相對比，判斷其重要程度。判斷矩陣的具體形式可表示為：

建立判斷矩陣之后，再計算出元素之間的權(quán)重值，此步驟為層次單排序；求得判斷矩陣的最大特征值，代入計算公式，計算一致性指標(biāo)，計算公式為：

式中，n為判斷矩陣的階數(shù)，λmax為判斷矩陣的特征值，一致性指標(biāo)與一致性程度呈負(fù)相關(guān)，特征值為0 時則表示完全一致。

通過計算一致性特征值對該問題進(jìn)行評價，當(dāng)出現(xiàn)誤差時，引入修正系數(shù)RI，消除判斷的不一致情況，通常情況下：當(dāng)RI 值大于3 時，說明一致性結(jié)果完全合理；當(dāng)RI 值小于3 且大于0.1 時，代表了一致性結(jié)果較為合理；當(dāng)RI 值小于0.1 時，則需要對判斷矩陣進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

在對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)之后，其權(quán)重值即為特征向量，若求得的權(quán)重值與實(shí)際情況有誤差，則通過下式修正權(quán)重值：

以配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)對運(yùn)行監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行評價，其目標(biāo)函數(shù)由提升投資成本和損失成本構(gòu)成，各個主設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性需要納入考慮范圍。采用Well-being 模型架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 Well-being模型架構(gòu)

模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

4 案例分析

以廣西某區(qū)域配電網(wǎng)為例，進(jìn)行算例分析，已知該區(qū)域配電網(wǎng)總面積為14 564 km2，10 kV及以下線損率9.73%，綜合電壓合格率99.45%。截止2020年底，該區(qū)域范圍內(nèi)共有中壓線路897回，總長度12 568.20 km。目前中低壓配網(wǎng)投資比例逐年加大，僅2019 年該區(qū)域配電網(wǎng)公司10 kV 及以下配電網(wǎng)投資約200 億元、近40 000 余個工程項目。面對快速增長的電網(wǎng)投資和配電網(wǎng)工程設(shè)計任務(wù)，中低壓配網(wǎng)項目的工程、技經(jīng)管理仍為人工填寫、匯總、分析，其工作量大、規(guī)范性與準(zhǔn)確性較低。因此有必要開展配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，以提升工作效率和工作分析的正確性。綜合該區(qū)域配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行監(jiān)控數(shù)據(jù)得到該市配電網(wǎng)現(xiàn)階段打分情況，如圖4 所示。

圖4 配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)打分情況

從圖4 中的打分?jǐn)?shù)值可以看出，該地區(qū)的主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)中主變負(fù)載率、配電負(fù)載率、自動化覆蓋率等數(shù)據(jù)的平均靈敏度較高，中壓線路負(fù)載率、配變功率因素合格率、容載比等數(shù)據(jù)的平均靈敏度較低。

為消除主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)不統(tǒng)一的問題，首先對主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行無量綱處理，建立數(shù)據(jù)監(jiān)控模型，生成能效影響因素靈敏度系數(shù)矩陣。通過Matlab 仿真生成3×20 階配電網(wǎng)能效與各能效影響因素靈敏度系數(shù)矩陣，結(jié)果如表2 所示。

表2 運(yùn)行監(jiān)控數(shù)據(jù)靈敏度系數(shù)矩陣

采用層次分析法，根據(jù)上文的理論基礎(chǔ)，可以通過仿真得到該區(qū)域配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)評價指標(biāo)的權(quán)重值，如表3 所示。

表3 配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)評價指標(biāo)

5 結(jié)束語

該文針對配電網(wǎng)變壓器和輸電線路能效模型的分析，從變壓器、輸電線路、無功補(bǔ)償和新技術(shù)應(yīng)用四個方面提取評價指標(biāo)，建立了配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控模型，并利用層次分析法建立了配電網(wǎng)主設(shè)備能效及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性評價方法。以某區(qū)域配電網(wǎng)為例進(jìn)行算例分析，對該區(qū)域配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行監(jiān)控數(shù)據(jù)得到該市配電網(wǎng)現(xiàn)階段打分，基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)得到該區(qū)域配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的平均靈敏度。同時采用層次分析法，得到該區(qū)域配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)評價指標(biāo)的權(quán)重值。該模型有利于提高該區(qū)域配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。