一種電磁環網開環運行的經濟性評價方法

趙雄光，喬 立，羅芳繪，趙紅生，王 博，魏 聰

（1.國網湖北省電力公司經濟技術研究院，湖北 武漢 430077；2.中核武漢核電運行技術股份有限公司，湖北 武漢 430223）

0 引言

目前，電網的經濟性評評價主要分為兩大類，一類側重于評價電網規劃的經濟性，另一類側重于評價電網運行的經濟性。

電網規劃的經濟性評價研究較多。目前國內外研究已從傳統的技術經濟的角度逐漸向更寬廣的維度拓展，從單純考慮電網的經濟效益到涵蓋國民經濟、社會發展、能源資源分布、能源政策、環境保護等各個方面，由單一財務評價向綜合評價演變[1-3]。經濟性評價的方法有很多，財務評價方法有：凈現值法，內部收益率法，投資回收期法等，財務評價方法主要考慮電網的各部分成本，計算大電網的售電收益、凈現值、投資回收期等；而將多種因素考慮在內的綜合評價方法則較為復雜，針對多種影響因素的電網的綜合評價通常采用模糊綜合評判法、層次分析法、主成分分析法、灰色關聯分析法、數據包絡分析法等來衡量電網的綜合效益。

電網運行類的經濟性評價偏重于分析電網的運行效率[4]。分析電網運行的損耗、線路和變壓器的利用效率、負荷的分布情況等。目前，國內外對輸電網運行的經濟性分析仍較缺失，研究文獻較少。對現有電網運行的經濟性水平，電網運行的不經濟、不合理之處，以及導致這些運行不經濟的主要因素研究較少，亟需進一步研究。電磁環網開環的經濟性評價通常歸類為電網運行類的經濟性評價。目前，國內已有的研究對電磁環網開環的評價偏重于開環后的N-1校驗、短路電流校驗、穩定水平校驗、最大供電能力校驗等，對經濟性評價這方面通常只是比較開環前后電網的網損大小，其他方面的研究鮮有涉及。

需要說明的是，同一電網的安全性和運行經濟性往往是矛盾的。通過增加投資，可加強網架結構，提升電網的安全穩定水平，則犧牲了一定的經濟性，而不采取任何措施，節省投資，則往往使得電網在極限甚至過載情況下運行，影響電網的安全性。因此，本文討論的經濟性是在電磁環網開環后能保證一定的運行安全性前提下進行。本文通過分析輸電網的運行情況，根據電網運行準則中的相關要求，遵循指標體系的建立原則，秉承包含重要指標且不冗余的思想，提出了一種評價電磁環網開環前后電網運行經濟性的方法，建立了一套電磁環網開環運行的經濟性評價指標體系，主要包括電網損耗指標、電網運行效率指標和電網設備經濟性指標。

1 電磁環網開環經濟性評價指標體系建立原則

評價指標體系建立的好壞直接影響評價結果的準確性和可信度。因此有必要研究建立科學合理的評價指標體系從而進行電網運行經濟性評價。電磁環網開環的經濟性評價指標體系須遵循如下原則：

（1）指標體系的建立要本著系統科學的原則，全面、有效地反映電網經濟運行的各種影響因素；

（2）評價指標體系的建立要符合待評對象的預定目標，能夠準確、全面地反映待評價對象的實際情況，從而起到連接電網運行經濟性與各影響因素之間的橋梁作用；

（3）指標體系中的各項指標首先能夠互相補充，從整體角度可以反應電網運行的技術特征和狀況；

（4）各項指標盡量保持獨立性，避免或減少指標冗余的情況；

（5）指標的建立要考慮使用實際情況，具有可操作性。

依據上述原則，建立電磁環網開環的經濟性評價指標體系，考慮電網的損耗、負荷、設備的情況，全面反映各因素與經濟性之間的關系。

2 電磁環網開環經濟性指標建立

根據上述分析和指標體系的建立原則，本文建立電磁環網開環的經濟性評價指標見表1。

表1 電磁環網開環經濟性評價指標Tab.1 The economic evaluation index of unlocking the electromagnetic loop

其中一級指標包括電網損耗、電網運行效率、電網設備經濟性三個指標，二級指標包括線路損耗率、主變損耗率、線路負載率及方差、主變負載率及方差、線路截面合格率、主變容量合格率等指標。各個指標的具體含義和計算方法如下。

1）電網損耗

電網損耗是衡量電網公司經濟效益的重要指標，同時也反映了電網運行的經濟性。電網中的主要設備為線路和變壓器，故選取線路損耗率和主變損耗率作為電網損耗的兩個二級指標。

①線路損耗率。根據電網的結構和運行參數，通過潮流計算，得出電網的線路損耗率如下式所示。

式中：η1為線路的理論損耗率；ΔAlΣ為待評價電網中所有線路的損耗電量；Ag為待評價電網的供電量。

②主變損耗率。主變損耗率是變壓器損耗電量與供電量之比的百分數，該指標反映主變的損耗情況，表達式如下

式中：η2為主變的理論損耗率；ΔAlΣ為待評價電網中所有主變的損耗電量；Ag為待評價電網的供電量。

2）電網運行效率

電網運行效率主要體現在線路和主變的利用率上，反映了電網規模與負荷的匹配情況，從而反映電網的經濟效益。電網中輸電設備（線路和變壓器）的平均負載率直接反映了電網的運行效率。另外，實際電網中，還會存在線路和電網的平均負載率比較合理，但仍然存在局部設備重載，局部設備輕載的情況，電網設備負載的不均衡性也影響著電網的經濟運行，故還需要考慮輸電設備負載率方差這一影響因素。即線路負載率方差與主變負載率方差，負載率方差越大，其輸電設備的負荷越不均衡，說明電網結構存在不合理的地方，負載率方差越小，說明負荷分布均衡，電網結構合理，給運行帶來便利。故電網的運行效率從兩個方面進行考察，一是線路和主變的平均負載率，二是線路和主變的負載率方差。

線路的平均負載率計算如下

式中：η3為線路的平均負載率；ρi為待評價電網中第i條線路的負載率；N為待評價電網的線路條數。

主變的平均負載率計算如下

式中：η4為主變的平均負載率；ρi為待評價電網中第i臺主變的負載率；M為待評價電網的主變臺數。

線路的負載率方差計算如下

式中：η5為線路均負載率方差；ρi為待評價電網中第i條線路的負載率；N為待評價電網的線路條數。

主變的負載率方差計算如下

式中：η6為主變的平均負載率；ρi為待評價電網中第i臺主變的負載率；M為待評價電網的主變臺數。

3）電網設備經濟性

電網設備通常有個經濟的運行區間，在此區間內，電網的設備使用壽命長，運行經濟性好。例如各截面導線均具有其經濟電流密度，經濟電流密度是指通過各種經濟、技術、生產比較而得出的最合理的電流密度，采用這一電流密度可使線路全周期投資、損耗、運行費用綜合最小。過小的導線截面不利于電網的安全運行，無法滿足負荷需求，過大的導線截面又會增加投資，造成浪費，當導線電流在經濟電流密度附近時經濟合理。因此可以通過判斷導線的最大電流與經濟電流密度的比值來判斷導線截面是否合理。同樣，變壓器也有其經濟運行區域，當變壓器運行在經濟負荷區域內時，其損耗較小，經濟性優。

式中：Imax為線路的最大電流；j為線路的經濟電流密度。可以根據需求設定一個合理區間[a,b]，當求出的比值屬于該區間時，則認為導線截面選擇合格，線路處于經濟運行區間。通過式（8）可計算導線截面的合格率，用該指標來反映線路的經濟性。

S為線路的最大電流與經濟電流密度的比值，

式中：khs為待評價電網中導線截面合格的線路條數；N為待評價電網的線路條數。

同理，通過下式可計算主變容量的合格率，用該指標來反映主變的經濟性。

式中：khs為待評價電網中主變容量合格的臺數；M為待評價電網的主變臺數。

在對待評價電網開環前后的運行狀態的詳細分析計算基礎上，根據所建立指標含義及計算公式得到評價指標η1～η8的真實數據。可根據開環后的電網這些指標評價電網運行的經濟性，可通過對比電磁環網開環前后的指標數據分析電網經濟性的變化情況。

3 仿真實例

在上述指標體系下，以武漢江南電網為例，進行仿真分析。2020年，500 kV江南變投產后，鳳凰山-江夏-江南片電磁環網開環運行，江南變220 kV母線分母運行，鳳岳雙回斷開，開環示意圖如圖1所示。

仿真分析開環前后電網運行的相關經濟性指標，通過電力系統綜合穩定程序PSASP仿真計算，計算片區電網的供電量、主變下網、主變容量、主變損耗、線路潮流、線路損耗、導線截面、線路輸送容量等參數，可計算得出開環前后該片區電網的指標如表2所示。

由表2可知:開環后線路損耗率略有下降，線路平均負載率從35.4%提高至36.8%，線路的負載率方差下降，導線截面合格率上升，由于負荷分布未發生變化，主變下網變化不大，故主變的負載率及負載率方差等指標均變化不大。從上述指標對比可知，開環后電網的線路損耗略有降低，線路的潮流分布更加均衡，導線利用更加合理。

圖1 鳳凰山-江夏-江南片開環示意圖Fig.1 The open loop diagram of Fenghuangshan-Jiangxia-Jiannan power grid

表2 開環前后電網運行指標Tab.2 The grid operation index contrast before and after the open loop

通過計算開環后鳳凰山-江南片和江夏-江南片的指標，結果如表3所示。由表3可知:分片后鳳凰山-江南片和江夏-江南片的經濟運行指標基本一致，局部地方有些差別。鳳凰山-江南片相比江夏-江南片的主變損耗率略低,線路平均負載率略高,主變平均負載率略低,線路和主變負載率方差均略低,線路和主變合格率略高，兩片比較來看鳳凰山-江南片的網架更加合理，負荷更加均衡，損耗更低，線路和主變運行的經濟性更佳。

表3 開環后電網運行指標Tab.3 The grid operation index after the open loop

4 結語

本文通過分析輸電網的運行情況，根據電網運行準則的相關要求，遵循指標體系的建立原則，提出了一種電磁環網開環前后電網運行經濟性的評價方法，建立了一套電磁環網開環運行的經濟性評價指標體系，主要包括電網損耗、電網運行效率和電網設備經濟性等三大類共八項指標，闡明了各項指標的具體含義和計算方法，通過仿真實例說明該指標體系的計算分析方法。該評價方法可為電網運行的經濟性及電磁環網開環的經濟性評價提供重要參考。

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