考慮階梯投資的配電網建設改造策略優選

金翼，陳壘，朱明嘉，劉洪，韓俊，劉陽

（1.河南濟源供電公司，濟源 454650；2．智能電網教育部重點實驗室（天津大學），天津 300072）

考慮階梯投資的配電網建設改造策略優選

金翼1，陳壘1，朱明嘉1，劉洪2，韓俊2，劉陽2

（1.河南濟源供電公司，濟源 454650；2．智能電網教育部重點實驗室（天津大學），天津 300072）

為實現配電網投資效益的最大化，提出了一種考慮階梯投資的配電網建設改造策略優選方法。首先，針對110（35）kV變電站和10 kV線路存在問題的嚴重程度，采用德爾菲專家意見法與反熵權法綜合的主客觀集成賦權法確定其權重，并提出建設改造迫切度等級和優先級的概念及相應的計算方法；其次，根據迫切度等級的不同制定建設改造的組合方案，形成高、中、低投資三套建設改造方案及相應的階梯投資區間；最后，通過對國內某城市配電網建設改造方案的實例分析，驗證本文方法的合理性和有效性，相關結論將對配電網在不同投資區間下建設改造方案的實施提供科學的指導意義。

配電網；建設改造；迫切度；優先級；投資區間

配電網作為聯系終端用戶與發、輸電系統的紐帶，是保證用戶安全可靠用電的重要環節。近幾年隨著經濟的快速發展，用戶對安全可靠供電的要求越來越高，配電網存在的問題及薄弱環節日益顯現，嚴重制約了地方經濟的發展。為此，供電企業及地方政府相關部門加大了對配電網建設改造的投資力度，這給配電網的發展帶來了契機，同時也面臨著許多挑戰，如：1）針對規模和數量龐大的配電網建設改造工程應如何進行合理的歸類和排序；2）面對不同級別的建設改造資金的投入，如何制定科學的策略來提升配網資金的使用效率等。

目前，有關配電網建設改造工程方面的研究主要是以配電網建設改造技術原則為指導，以優化網絡結構、提高系統供電能力和供電質量、節能降損為主要目的。如，文獻[1]提出了配電系統自動化在配電網建設改造方面所起的作用；文獻[2]結合雙鴨山市地區的實際情況，提出了10 kV配電網的具體建設改造方案；文獻[3]描述了上海中心城區配電網建設改造過程中遇到的困難及取得的成果。另外對于配電網建設改造經濟性方面的研究，主要以項目費用計算及投資風險評估為主，并沒有涉及到項目組合方案的不同對于投資的影響。如文獻[4]提出了配電網建設改造的壽命周期費用、價值工程的概念及相應的計算方法；文獻[5]采用了模糊與灰色相結合的方式提出了配電網建設改造項目的投資風險識別及評價方法；文獻[6]利用層次分析法構建了配電網建設改造工程的評價體系。

本文在分析當前配電網在建設改造方面所取得的一些研究成果、不足及所面臨的問題和挑戰的基礎上，提出了基于階梯投資的配電網建設改造策略，實現了配電網建設改造工程項目的優選排序，制定合理的高、中、低三套建設改造方案及各自投資區間值，保證了建設改造方案高效、合理、有序的實施，使得有限的配電網建設改造投資能發揮其最大的效益。

1 配電網建設改造迫切度等級的定義及計算

1.1 高、中壓配電網主要問題類型的歸納與總結

本文從110（35）kV變電站和10 kV中壓線路這兩個層級來歸納和總結現狀高、中壓配電網主要存在的問題類型。

110（35 ）kV變電站作為中壓配電網的電源點，保證較高的供電可靠性對中低壓配電網及用戶的安全可靠供電有著重要的意義。因此，本文在分析現狀變電站存在的問題時，主要從是否滿足主變N-1校驗這個體現供電可靠性的角度去考慮，主要問題類型有四類：①不滿足N-1校驗；②存在單主變變電站；③倉位利用率已經飽和；④變電站重載。

10 kV線路與電力用戶的聯系最為緊密，且規模和數量相對于高壓配電網來說很龐大，從用戶、電力企業及社會的整體利益出發，中壓配電網的建設在保證用戶安全可靠供電的基礎上，還應體現出較高的供電合理性和經濟性水平。因此，本文在分析10 kV線路存在的問題時，主要考慮如下五類問題類型：①線路不滿足N-1校驗；②線路分段數不合理；③線路供電距離不合理；④線路裝接配變容量不合理；⑤線路負載過重。

1.2 建設改造迫切度等級及優先級的概念

本文以110（35）kV變電站和10 kV線路兩個層級為基本立足點，定義各自的主要問題類型及建設改造迫切度等級和優先級的概念。

建設改造迫切度等級是結合110（35）kV變電站或10 kV線路問題類別及嚴重程度來定義的，本文定義的迫切度等級分為1～5級，迫切度等級越靠前表示變電站或線路各自存在的問題類別越多、性質越嚴重。例如，當迫切度等級為1級時表示該類變電站或10 kV線路存在的問題最嚴重。

建設改造優先級是指該類建設和改造項目實施的必要性和緊急程度，本文定義的迫切度優先級為順序優選型，即建設改造迫切度等級越靠前的問題變電站或者10 kV線路享有優先的實施建設和改造權利。110（35）kV變電站作為中低壓配電網的電源點，其整體的建設改造迫切度優先級應高于10 kV線路。

1.3 配電網建設改造迫切度等級的計算

1.3.1 配電網問題嚴重度的定義

設某地區110（35）kV變電站或10 kV線路的數量為n，將其編號為1，2，…，n，共存在的問題有m類，編號為Z1，Z2，…，Zm。當為高壓變電站時，m=4，Z1，Z2，Z3，Z4分別代表不滿足N-1校驗、單主變變電站、間隔利用率已經飽和、變電站重載等問題；當為中壓線路時，m=5，Z1，Z2，Z3，Z4，Z5分別代表不滿足N-1校驗、分段數不合理、供電距離不合理、裝接配變容量不合理、線路重載等問題。

對于第j號變電站或線路來說，都有一個反映其問題嚴重程度的值Sj，計算公式如下：

式中：Sj的取值范圍為（0，1]，代表第j號變電站或線路的問題嚴重程度，取值為1時表示該變電站或線路的問題最嚴重；Wi代表第j號變電站或線路的第Zi類問題存在與否，Wi為Y時代表該類問題存在，值取1，否則該類問題不存在，值取0；ai代表第Zi類問題的權重，且a1+a2+…+am=1，本次研究結合所在地區配電網發展的實際水平，采用綜合主、客觀權重信息的組合賦權方法來確定變電站或線路存在的各類問題重要性程度的權重。

1.3.2 指標權重確定

在配電網問題嚴重度的研究中，指標權重的分配至關重要，它反映了各指標對配電網問題嚴重度的影響程度，權重的賦值合理與否，對結果的科學合理性起著至關重要的作用。目前國內外關于評價指標權重的確定方法有數十種之多，根據計算權重時原始數據來源以及計算過程的不同，這些方法大致可分為3大類：一類為主觀賦權法，一類為客觀賦權法，一類為主客觀綜合集成賦權法。

主觀賦權法采取定性的方法，由專家根據經驗進行主觀判斷得到權重，然后再對指標進行綜合評估，主要方法包括層次分析法、專家調查法（Delphi法）[7]和特征向量法等，文獻[8-9]中就提出了基于區間層次分析法的城網規劃綜合評判決策方法，改進了區間判斷矩陣的權重求解算法，并對該種算法進行了評價分析。主觀賦權法的缺點在于其方法的主觀性太強，易受人為因素影響，且缺乏理論性支撐。

客觀賦權評估法根據歷史數據研究指標之間的相關關系或指標與評估結果的關系來進行綜合評估，主要方法包括熵權法、主成分分析法和均方差法等。文獻[10-11]分別利用熵權系數法及反熵權法確定指標權重，并對電能質量及智能電網進行了評價。客觀賦權法的原始數據來源于評價矩陣的實際數據，權重客觀性強，但沒有考慮到決策者的主觀意愿且計算方法大都比較繁瑣，得出的結果可能與各屬性的實際重要程度相悖，難以給出明確的解釋。

針對主觀賦權法和客觀賦權法的優缺點，一些文獻中陸續對綜合主、客觀權重信息的集成賦權方法進行了研究，文獻[12]研究了基于G1法和序列綜合法相結合的組合賦權法；文獻[13]將熵權法與AHP法相結合對評價指標賦權；文獻[14]提出了基于矩估計理論的主、客觀權重最優組合模型，通過求解模型的最優解以確定指標的最優組合權重，再結合灰色關聯度，對電能質量進行綜合評價。

1.3.3 配電網問題嚴重度指標權重的確定方法

為了彌補主觀賦權法和客觀賦權法各自的不足，本次研究中針對配電網問題嚴重度計算，采用綜合主、客觀權重信息的最優組合賦權方法來確定變電站或線路存在的各類問題重要性程度的權重。

該方法的主要思路為：首先采用德爾菲專家意見法[6]來確定指標的主觀權重，然后采用反熵權法[10]來確定指標的客觀權重，最后根據矩估計理論確定主、客觀權重的相對重要系數[14]，將兩者進行線性組合來獲得指標的最終權重。這樣既充分利用了專家的知識和經驗，又充分利用了原始數據的客觀信息，使得評價結果客觀、合理。

（1）主觀權重的計算

已知評價問題有n個評價對象，m個評價指標，指標值為xij（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n），評價矩陣為X=（xij）m×n。根據某地區110（35）kV變電站或10 kV線路存在的問題確定評價指標集Z= {Z1，Z2，…，Zm}。當為高壓變電站時，m=4；當為中壓線路時，m=5。設bi和ci分別代表第Zi類問題的主觀權重和客觀權重，則b1+b2+…+bm=1，c1+ c2+…+cm=1。

利用德爾菲專家意見法，通過“專家意見形成—統計反饋—意見調整”這樣一個多次與專家交互的循環過程，使分散的意見逐次收斂在協調一致的結果上，可以確定主觀權重bi，因為方法較為簡單，在此不作詳細敘述。

（2）基于反熵權法的客觀權重的計算

客觀權重ci采用反熵權法進行確定，熵源于系統熱力學，后被引入信息論，可表征系統的無序程度。當系統可能處于n種不同狀態時，每種狀態出現的概率為pj（j=1，2，…，n），基于概率值pj定義系統熵為

根據評價矩陣X確定各指標的反熵為

式中ci即為所求的客觀權重。

（3）綜合主、客觀權重的最優賦權法

根據德爾菲專家意見法，最終確定各指標主觀權重集合B={bi|1≤i≤m}；根據反熵權法，最終確定各指標的客觀權重集合C={ci|1≤i≤m}。根據指標的不同，主客觀權重的相對重要程度也有所不同，設主觀權重與客觀權重的相對重要程度分別表示為α和β，結合矩估計理論的基本思想，最終可計算出每個指標Zi（1≤i≤m）的主觀和客觀權重的重要系數αi和βi分別為

利用已得的主觀權重集合、客觀權重集合以及主客觀權重的重要系數，最終可計算出最優賦權法的權重：

式中，αi即為綜合了主、客觀信息所確定的組合權重。

1.3.4 配電網建設改造迫切度等級的計算

根據式（1）～式（7）計算變電站或線路問題嚴重程度值，并按該值從大到小的順序對該地區110 （35）kV變電站或10 kV線路進行排序。排序后的信息可用n行2列的矩陣Gn×2來存貯，其定義如下所示：

其中：gk1為該地區110（35）kV變電站或10 kV線路中，問題嚴重程度值大小排在第k位的變電站或線路的編號；gk2為對應于該編號的變電站或線路的問題嚴重程度值。

若該地區變電站或線路的迫切度等級定義為t級，則第j號變電站或線路的迫切度等級Pj的量化表達式如下：

式中：g12為該地區110（35）kV變電站或10 kV線路問題嚴重程度的最大值；gn2為變電站或線路問題嚴重程度的最小值。

結合式（1）、（9）、（10），針對110（35）kV變電站和10 kV線路所出現的不同問題的嚴重程度，分別給出了該地區變電站和線路的建設改造迫切度等級區間的一般形式，詳細結果如表1和表2所示。

2 基于階梯投資策略的配電網建設改造方案

由于配電網建設改造的效果最終還是需要落實在資金的投入上，因此，確保資金的合理安排及有效利用也是配電網建設改造過程中的關鍵環節。本文在對地區配電網110（35）kV變電站和10kV線路建設改造迫切度等級及建設改造方案分析的基礎上，提出了基于不同建設改造方案下的階梯投資策略。

2.1 配電網建設改造組合方案的制定

根據110（35）kV變電站和10 kV線路建設改造迫切度等級的不同，可將整個地區的配電網建設改造方案分為3類，即為組合方案1～組合方案3，詳細結果如圖1所示。

從上圖可以看出：

（1）組合方案1即為問題最嚴重且實施建設改造優先級最高的一類建設改造方案集合。

表1 地區配電網110（35）kV變電站主要問題歸類及建設改造迫切度等級區間Tab.1Classified main problems of 110（35）kV substations from local distribution network and grade range of construction and transformation urgent degrees

表2 地區配電網10 kV線路主要問題歸類及建設改造迫切度等級區間Tab.2Classified main problems of 10 kV lines from local distribution network and grade range of construction and transformation urgent degrees

圖1 配電網建設改造組合方案的制定Fig.1Combined scheme of construction and retrofit to distribution network

（2）組合方案2即為問題較為嚴重且實施建設改造優先級較高的一類建設改造方案集合。

（3）組合方案3即為問題嚴重程度一般，且實施建設改造優先級較低的建設改造方案集合。

本次研究將迫切度等級為1級、2級的變電站集合和迫切度等級為1級的線路集合并歸為組合方案1，將迫切度等級為3級的變電站集合和迫切度等級為2級、3級的線路集合并歸為組合方案2，將迫切度等級為4級的變電站集合和迫切度等級為4級、5級的線路集合并歸為組合方案3。

2.2 不同建設改造組合方案下階梯投資區間估算

本文在配電網建設改造組合方案1～3確定的基礎上，提出了高、中、低三種建設改造投資方案，最終形成了地區配電網建設改造方案的階梯投資區間，使得有限的配電網建設改造投資能發揮其最大的效益。詳細估算方法如式（10）～（12）所示：

式中：C1，C2，C3分別表示組合方案1～3；Ω（）表示組合方案的工程量統計函數向量，規模為1行n列；T為對應工程的單位工程量造價向量（單位，萬元），規模為n行1列；sum1、sum2、sum3分別代表低、中、高三種方案下階梯投資區間的臨界值。

設某地區配電網建設改造資金投入為M萬元，結合階梯投資區間的估算結果，可以得出如下分析結論：

（1）當M∈[0，sum1]的區間時，建議采用低投資方案，重點解決組合方案1中變電站和線路存在的問題；

（2）當M∈[sum1，sum2]的區間時，建議采用中投資方案，重點解決組合方案1和組合方案2中變電站和線路存在的問題；

（3）當M∈[sum2，sum3]的區間時，建議采用高投資方案，重點解決組合方案1～3中變電站和線路存在的問題。

3 實際案例分析

本文以我國中部某城市的部分工業旅游區為典型區展開實際案例分析，以驗證本文方法的合理性和有效性。

3.1 典型區配電網基本規模分析

該類地區共有4座110 kV變電站，分別為龍潭站、堽頭站、銀河站和克井站；3座35 kV變電站，分別為原昌站、坡頭站和軹城站；區塊內共有28條10 kV主干線路。

3.2 配電網現狀問題分析及迫切度等級確定

（1）110（35）kV變電站迫切度等級確定

該地區7座變電站中存在問題的變電站有3座，其中，建設改造迫切度等級為2級的變電站為坡頭站；迫切度等級為3級的變電站為軹城站；迫切度等級為4級的變電站為銀河站。

（2）10 kV主干線路的迫切度等級的確定

該地區28條10 kV主干線路均不同程度地存在各類問題，其中，建設改造迫切度等級為1級的線路有1條；迫切度等級為2級的線路有4條；迫切度等級為4級的線路有10條；迫切度等級為5級的線路有13條。

3.3 組合方案的確定及建設改造工程量的統計

結合變電站和線路建設改造迫切度等級，該地區110（35）kV變電站和10 kV線路的建設改造組合方案共有3類，形成了組合方案1、組合方案2和組合方案3，詳細情況如表3所示。

表3 典型區各組合方案中變電站和線路明細Tab.3Details of substations and lines from various combinations in typical zones

結合該地區具體的建設改造方案，各組合方案的總工程量統計結果如下：

（1）組合方案1——共計新增分段開關1臺，新增LGJ-185架空線路2.5 km，變電站擴建主變容量16.3 MVA；

（2）組合方案2——共計新增分段開關2臺，新增聯絡開關2臺，新建JKLGYJ-185架空線路長度1.46 km，新增YJV-3×400電纜線路長度0.1 km，變電站擴建主變容量20 MVA。

（3）組合方案3——共計新增分段開關4臺，新增聯絡開關15臺，新建JKLGYJ-185架空線路長度10.19 km，新增YJV-3×400電纜線路長度0.75 km，變電站新增主變容量50 MVA。

3.4 典型區配電網建設改造階梯投資區間估算

為了進一步提高建設改造方案投資估算結果的參考價值，本文結合國家電網“十二五”滾動修編中的相關綜合造價，制定了地區配電網建設改造工程相關的單價預算清單，在此基礎上計算出該地區配電網建設改造的階梯投資區間，詳細結果如圖2所示。

從圖2可以得出如下結論：

（1）在進行地區配電網建設改造投資過程中，應根據實際投入資金的多少以及改造的迫切程度，選擇適宜的投資方案。

（2）當該地區配電網建設改造投資落在區間[0，628]萬元時，可采用低投資方案，結合組合方案1中變電站和線路存在問題的嚴重程度，從改造迫切度最高級別的變電站和線路開始進行改造。

（3）當該地區配電網建設改造投資落在區間[628，1406]萬元時，可采用中投資方案，在解決組合方案1的基礎上，將剩余資金用于解決組合方案2中變電站和線路存在的問題，改造優先級別由改造迫切度決定。

（4）當該地區配電網建設改造投資落在區間[1406，3166]萬元時，可采用高投資方案，在解決組合方案1～2中變電站和線路存在問題的基礎上，優先解決組合方案3中改造迫切度較高的問題。

4 結語

本文在分析配電網現狀問題的基礎上，總結歸納110（35）kV變電站和10 kV線路主要存在的問題類型，并結合問題嚴重程度提出建設改造迫切度等級和優先級的概念及相應的計算方法，在此基礎上，得出了不同組合方案下的高、中、低階梯投資區間，保證了方案高效、合理、有序的實施，使得有限的配電網建設改造投資能發揮其最大效益，相關研究成果將對實現配電網建設和改造工作的精益化管理提供重要的指導意義。

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Construction and Retrofit Strategy Optimization to Distribution Network by Considering Step Investment

JIN Yi1，CHEN Lei1，ZHU Ming-jia1，LIU Hong2，HAN Jun2，LIU Yang2
（1.Henan Jiyuan Power Supply Company，Jiyuan 454650，China；2.Key Laboratory of Smart Grid（Tianjin University），Ministry of Education，Tianjin 300072，China）

Considering step investment，this paper puts forwards a construction and retrofit strategy optimization method，which refers to realizing maximum economic returns.An integrated weighting method，in which both the objective and subjective influencing factors is studied and considered，is taken into account to obtain all the factor weight of problem severity for 110（35）kV substations and 10kV lines.And combining with the calculated problem severity，this paper also proposes the concepts of desirability and priority，as well as the corresponding calculation methods for construction and retrofit.According to the desirability level，three combination schemes are established，which are suitable for large，medium and low investment separately.Also step investment intervals for each scheme could be obtained.The rationality and validity of this method is verified by an example analysis of construction and retrofit scheme. Moreover，the results could be the scientific guideline to the future construction and retrofit schemes under different investment intervals.

distribution network；construction and retrofit；desirability；priority；investment intervals

TM727.2

A

1003-8930（2013）04-0133-07

金翼（1970—），女，碩士，高級工程師，研究方向為電網規劃運行管理、科技信息管理。Email：lyjinyi@163.com

2012-12-27；

2013-03-06

陳壘（1967—），男，本科，高級工程師，研究方向為電網規劃計劃管理。Email：cl389601@163.com

朱明嘉（1978—），男，本科，高級工程師，研究方向為電網規劃設計。Email：zmj@163.com