配電網規劃評估指標體系

方歡歡，程浩忠，辛潔晴，吳 立，夏 夷

（1.上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240；2.浦東供電公司，上海 200122）

配電網規劃評估指標體系

方歡歡1，程浩忠1，辛潔晴1，吳 立2，夏 夷2

（1.上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240；2.浦東供電公司，上海 200122）

從安全性、經濟性、靈活性、可靠性、協調性五個方面研究配電網評估指標，對配電網進行綜合評估。重點研究變電站單臺主變故障情況下的配電網供電能力以及線路故障時的負荷轉移能力；考慮全壽命周期成本LCC（life cycle cost）對動態經濟性指標包括凈現值、投資回收期的影響，并將所得結果與傳統經濟性評價方法的結果進行對比，顯示了利用LCC方法進行配電網經濟性評估的全面性以及合理性。最后，利用該體系并結合熵權層次分析法對實際配電網的綜合評估，驗證了指標體系的有效性和可行性。

配電網；評估；全壽命周期成本；經濟性；靈活性；層次分析法

配電網規劃評估是運用系統工程的方法，對規劃項目進行全面的跟蹤、調查、分析和評價，對項目進行安全性等各方面的評價，是配電網規劃分析決策的重要環節。合理的配電網規劃是保證配電網安全、穩定、經濟運行的有效手段，同時也是保證盡可能地減少電力建設投資浪費的重要前提。

傳統的電網評價工作，包括安全性[1]、可靠性[2-3]、電能質量[4]等單項評估，從不同側面、在不同程度上評價了配電網技術水平，但是缺乏整體性評價。文獻[1]提出了事故后果嚴重程度指標，系統網架結構強弱指標和系統整體安全性指標。文獻[4]利用模糊綜合評判方法提出客觀綜合的電能質量評價指標。文獻[5-6]提出了電網規劃綜合評判決策方法。

配電網規劃評估指標體系的建立需遵循以下原則：系統性原則、科學性原則、客觀性原則以及實用性原則。本文依據這幾項原則，從安全性、經濟性、靈活性等5個方面研究配電網評估指標，提出一套較完整的評估指標體系，有助于今后配電網規劃的定量分析和整體評估。

1 配電網評估研究

本文建立的配電網評估指標體系包括安全性、經濟性、靈活性、可靠性和協調性5個方面，如圖1所示。

1.1 安全性分析

安全性指標包括電壓合格率、節點電壓偏移率和供電能力合格率。電壓合格率為在測量時間段內，電壓不越限的時間與電壓監測總時間的比值。節點電壓偏移率為測量時間段內，節點電壓偏移與額定電壓的比值，其中，節點電壓偏移指由于電網運行方式的改變或負荷變化引起網絡中各節點電壓對網絡額定電壓產生的偏差。電壓偏移過大對用戶以及電力系統本身都有不利影響。為了保證電器設備的正常工作，必須進行各節點電壓的監視和調節。供電能力主要考察某一變電站在進線容量滿足主變容量的條件下發生單臺變壓器故障時的最大負荷供應能力，包括站內供電能力和站間轉移供電能力，如圖1所示。本文研究了單座變電站的主變“N-1”情況下的供電能力情況，用供電能力平衡值來表示。一座變電站失去最大容量主變后，供電能力平衡值計算公式定義為

PB=（Sre+Str）cosφ-PL（1）式中：PB為供電能力平衡值；Sre為剩余主變容量；Str為與該變電站聯絡的同等級其他變電站所能轉帶的負荷能力；PL為全站有功總負荷；cos φ為功率因數。如果PB＞0，則該變電站滿足N-1安全性條件，即表明正常運行方式下該站任何一臺變壓器故障時，都可通過站內和站間轉移，保證該站負荷100%不失電。

圖1 配電網規劃評估指標體系Fig.1 Indices system of distribution network planning and evaluation

一個地區滿足N-1安全性條件的變電站數量占地區變電站總數的比值為供電能力合格率，可反映該地區電網對變壓器N-1事故適應能力的總體水平。

1.2 經濟性分析

1.2.1 全壽命周期成本（LCC）理論

全壽命周期成本[8]指從設備、系統或項目的長期效益出發，全面考慮其在規劃、設計、制造、購置、安裝、運行、維修、更新直至報廢的整個壽命全過程中，共需要支出的費用總和。

1.2.2 考慮LCC的經濟性評估

經濟性分析結合LCC評估方法，從系統的全壽命周期角度對動態指標（凈現值、投資回收期）進行分析計算。

傳統的財務評價方法[9]，以動態現金流量分析為主，輔以靜態財務比率分析，能夠全面、客觀地評價電力工程項目的盈利能力。

電網規劃方案的LCC評估，首先要對規劃方案進行合理可行的費用結構分解，建立相應的用于規劃評價的LCC模型。考慮設備互聯對全網的影響，將全網LCC建模分為設備層建模和系統層建模[10]。在設備層模型中，考慮各個主要輸變電設備的全壽命周期成本；在系統層模型中，從人工成本、輸送電量、多重故障的角度，考慮其成本的組。全網LCC構成如下：

式中：LCCnet、LCCd、LCCs分別為全網的LCC、設備層的LCC以及系統層的LCC。CId、CIs分別為設備層和系統層的投資成本；COd、COs分別為相應層的運行成本，CMd、CMs分別為相應層的維護成本；CFd、CFs分別為相應層的故障成本；CDd、CDs分別為相應層的廢棄成本。

在設備層LCC模型中，CFd為單臺設備停運造成的直接故障成本，對于可靠性已經較高的電網，單臺設備直接故障導致的失負荷概率很小，因此CFd近似為0。系統層LCC模型中，CFs包括多重故障導致的直接經濟損失和間接故障損失。故障后發生的供貨方設備材料費、服務費、可能的賠償費用、對社會造成的不良影響以及公司信譽受損等這部分屬于設備的間接故障成本。本文從全網停電電量損失即停電成本的角度考慮直接經濟損失。采用蒙特卡羅模擬得到EENS可靠性指標，乘以電價繼而轉化為全網停電損失費用模擬，即

式中：Cprice為電價；CFoutage為缺電成本，即為直接故障成本。設定間接故障成本與直接故障成本的比例為a，通常取較大量值（一般取100）以突出故障所帶來的社會影響，那么間接故障成本為a× CFoutage。系統中的故障總成本為

1.3 靈活性分析

線路負荷轉移能力，是電網靈活性的體現。本文以兩側電源來自不同變電站的開式單環網為例（圖2），研究線路負荷轉移能力的計算。

1）不考慮主變限額

設有兩條不同變電站的出線l1和l2，它們通過聯絡線相聯，聯絡線斷路器在正常運行工況下斷開；l1的負荷載流量為ILM1，l2的負荷載流量為ILM2，l2載流限額為Imax2。當l1在近電源側發生故障時，可以轉給l2的負荷最大為Imax2-ILM2，而此時需要轉供的負荷為ILM1，因此l1的負荷轉移率η1計算公式為

假設聯絡線路的載流量限額為Ill，則需要進行判斷：

若Imax2-ILM2＞ILM1，即表示能夠全部轉移，此時進一步判斷，若Ill＞ILM1，則轉移率公式同式（5）；若Ill＜ILM1，則轉移率公式為

若Imax2-ILM2＜ILM1，即表示不能夠全部轉移，此時進一步判斷，若Ill＞Imax2-ILM2，則轉移率公式同式（5）；若Ill＜Imax2-ILM2，則轉移率公式為

2）考慮主變限額

不考慮主變限額只是理想情況，一般都是必須要考慮的。設l1是變電站B的主變T2的一條出線，主變T2的容量為Se，最高負荷為Smax，則考慮主變限額時，T2還可以帶的負荷S1為Se-Smax。此時l2可轉帶的最大負荷。

若Ill＞Imax2-ILM2，即聯絡線路能夠滿足最大負荷的轉移，此時l1可以轉移的最大負荷為S= min（S1，S2）。η1為

若Ill＜Imax2-ILM2，即聯絡線路有限制，則此時l1負荷轉移最大為。η1為

圖2 開式單環網中的線路負荷轉移示意Fig.2 Diagram of transferred load between transmission lines in open single loop distribution network

3）考慮能通過多條線路轉移情況

若l1與多條線路有聯絡，例如l2和l3，此時需要分別研究通過每條線路轉移的負荷轉移率，設為η12、η13。取其中負荷轉移率最大的線路作為轉移線路，對應的負荷轉移率即為線路l1的負荷轉移率。若無論通過哪條聯絡線路，都無法實現負荷的完全轉移，則可以考慮通過多條線路同時轉移負荷。此時l1的負荷轉移率為η12+η13。

1.4 可靠性分析

分析影響供電可靠性的裝備水平，包括電纜化率；還可直接根據設備的故障率情況評估供電可靠性指標，包括用戶平均停電時間、供電可靠率。其計算式分別為

1.5 協調性分析

評估電網容量和負荷之間大小協調情況，即能否適應負荷增長需求，但又不造成容量過度投資。用容載比來衡量。

式中：Rs為容載比，kVA/kW；Pmax為該電壓等級最大負荷日最大負荷，萬kW；∑sei為該電壓等級年最大負荷日投入運行的變電站的總容量，萬kVA。

2 熵權層次分析法

層次分析法（AHP）是綜合主觀判斷的客觀方法，也是一種定性和定量分析相結合的系統分析方法。適合于具有多層次結構的多指標決策問題[11]，但其仍然具有主觀隨意性。熵權法屬于客觀賦權法，可以彌補層次分析法的缺陷，因此本文采用熵權AHP法[12-13]，根據AHP法計算指標體系權重，利用判斷矩陣提供的信息，進一步用熵權法修正權重，對各個指標結果進行綜合評估。

層次分析法具體步驟：①建立層次結構體系；②根據1～9標度打分原則構造判斷矩陣A；③判斷矩陣一致性檢驗，求出一致性指標CI，CI=（λmaxn）/（n-1），λmax為判斷矩陣最大特征根，n為矩陣階數；④計算一致性比例CR，CR=CI/RI，RI為平均一致性指標。當CR≤0.1時，認為具有一致性；⑤層次單排序：計算滿足AW=λmaxW的λmax和向量W；⑥利用層次單排序的計算結果，進一步計算出對更上一層次而言本層次所有元素重要性的權重值，進一步用熵權法修正層次分析法得出的權重，具體公式參見文獻[12]；⑦利用專家打分法確定最底層各個指標的百分制得分Si。再根據公式計算上一層某屬性的綜合得分。逐級向上，最終得到配電網的綜合評估得分值為

式中：S表示上一層某屬性的得分；λi表示本層中的第i個指標的權重。

3 算例分析

本文采用某地區110 kV配電網絡進行分析。截至2009年底，該地區擁有110 kV變電站182座。110 kV線路中電纜長度為202.6 km，架空線路長度為1 901 km。結合該地區2009年電網發展情況，對其進行配電網的評估。

3.1 安全性分析

根據GB/T12325—2008《電能質量供電電壓允許偏差》的規定，35 kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過標稱系統電壓的10%。該區2009年110 kV電網的節點電壓偏移率為5.9%，電壓合格率達到98.77%。

選取2009年高峰負荷日7月20日12∶00時刻，根據第1.1節計算該區110 kV變電站的“N-1”供電能力，得出該區110 kV變電站“N-1”供電能力合格率達到97.59%。

3.2 經濟性分析

本文對某地區110 kV電網投資進行經濟性分析，分別采用傳統財務評價方法以及考慮LCC的經濟性評估方法。

傳統的成本計算僅考慮一次投資成本，對應的是LCC成本中的投資成本。有關指標參考2006年頒布的《企業會計準則》、2007年頒布的新企業所得稅法以及《工程經濟學》中的相關規定。

LCC成本計算首先確定設備層主要設備，本算例考慮占比較大的110 kV線路以及變壓器資產。COd用全網網損代替；CMd為故障頻率乘以每次故障的維護成本，用新增投資的1%近似；CFd近似為0；CDd為根據設備造價計算的新增設備殘值。COs取新增投資的5%；CMs為新增設備多重故障下的維修費用，近似為0；CDs為原系統的舊設備退役的殘值和處理費用。

兩種經濟性評估所得結果如表1所示。相比之下，考慮LCC的經濟性動態指標凈現值減少，投資回收期增加。這是由于它不僅全面包含了傳統的現金流分析，還包含了網損以及可靠性的影響。

經濟性評估中要求電力規劃方案的凈現值要大于等于0；投資回收期一般在20 a內。由表1可知，2009年該地區電網110 kV建設方案是合理的。

表1 兩種評價結果Tab.1 Results of the two methods

3.3 靈活性分析

根據第1.3節，計算該區220 kV變電站的110 kV側出線的線路負荷轉移率。選取2009年7月20日高峰負荷日12∶00，共研究出線98條。對無轉移點的線路、因主變過載不能轉移的線路、因線路過載不能轉移的線路、因開口點進出線載流量限制（即聯絡線路限制）不能轉移的線路，共4種情況進行統計分析。考慮主變可以達到滿載100%主變容量的情況，線路也是可以達到滿載100%電流限額的情況，超過100%則視為過載。能夠進行負荷轉移的線路占比為74%。其余線路因沒有其他線路與之相聯絡而不能轉移。因此需要加強出線之間的聯絡，增加線路負荷轉移能力。

3.4 可靠性分析

根據第1.4節公式進行計算，得出電纜化率為9.63%。《城市電網技術原則》要求用戶供電可靠率至少達到99.99%。用戶平均停電時間為5.94 h/（戶·a）；該區配電網供電可靠率（RS）為99.932%，有待提高。

3.5 協調性分析

文獻[14]中推薦的相應各電壓等級城網的容載比，宜控制在1.5～2.2范圍之間。在負荷高速增長期及發展區域，可適當突破其限制，但原則上110 kV電網不超過2.5。該地區110 kV電網容載比為2.24，比較符合有關容載比的限制，顯示出電網建設的協調性。

3.6 結合熵權層次分析法的綜合評估

根據圖1建立的層次結構，構造每層判斷矩陣，求出最大特征根并檢驗判斷矩陣一致性。利用熵權法對層次分析法得到的權重進行修正，得出各層指標權重（部分），見表2。

表2 熵權層次分析法獲取權重結果Tab.2 Results of entropy weight AHP

對各個指標計算結果按照百分制由專家進行打分，以A1下層指標為例，如表3所示，按照0、20、40、60、80、90、100這幾個等級進行打分。一般配電網對安全性指標的要求都很高，因此不大可能會落在低于60～80分的區間內。因此列出了80、90、100分的等級標準，電壓合格率在（85～95）%之間為80分，（95～98）%之間為90分，大于98%為100分。再根據公式，得出安全性指標得分為90分。依次計算經濟性得分為96分，靈活性為70分，可靠性為67分，協調性為90分。最后，得出該區2009年配電網規劃整體水平得分為86.37分。

表3 安全性評分標準Tab.3 Grading standards of security

4 結語

本文提出了配電網綜合評價指標體系，該體系包括安全、經濟、可靠、靈活以及協調性5個方面，共10個指標，能夠全面客觀反映配電網的整體水平。其中，經濟性評估采用LCC方法，對配電網的投資收益得出更符合實際的結果。采用上述體系，對某地區2009年的110 kV配電網進行整體評價：通過對線路負荷轉移能力以及供電能力的分析，找出供電薄弱環節；通過LCC分析，使得經濟性結果更為全面。最后結合熵權層次分析法對配電網進行了綜合評估。

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Indices System of Distribution Network Planning Evaluation

FANG Huan-huan1，CHENG Hao-zhong1，XIN Jie-qing1，WU Li2，XIA Yi2
（1.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion of Ministry of Education，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.Pudong Power Supply Company，Shanghai 200122，China）

An integrated indices system of network planning and evaluation is built in this paper，referring to security，economy，reliability，flexibility and coordination.The ability of network to transfer load between transmission lines as well as the power supply capability are studied in detail when the single main transformer fails in the substation.The impacts on dynamic indicators such as ENPV of life cycle cost（LCC）is studied in the economy analysis and compared with the traditional economic evaluation method.Finally，the effectiveness and feasibility of the evaluation system proposed in this paper are verified through a regional realistic network assessment，using the entropy weight AHP.

distribution network；evaluation；life cycle cost（LCC）；economic analysis；flexibility；analytical hierarchy process

TM727

A

1003-8930（2013）06-0106-06

方歡歡（1988—），女，碩士研究生，從事電力系統規劃等研究。Email：huanhuanf@163.com

2012-02-15；

2012-03-20

國家自然科學基金項目（51261130473）

程浩忠（1962—），男，博士，教授，博士生導師，從事電力系統規劃、電壓穩定、電能質量、配電自動化系統等研究。E－mail：cheng_haozhong@126.com

辛潔晴（1973—），女，博士，副教授，從事電力營銷、電力市場、電網規劃等研究。Email：jqxin@sjtu.edu.cn