考慮設備利用率的配電網擴建改造方法

王偉臣，崔 凱，孔祥玉，鄂志君，王 鑫，雍成思

（1.國網天津市電力公司，天津 510000；2.國網北京經濟技術研究院，北京 100761；3.智能電網教育部重點實驗室（天津大學），天津 300072）

考慮設備利用率的配電網擴建改造方法

王偉臣1，崔 凱2，孔祥玉3，鄂志君1，王 鑫1，雍成思3

（1.國網天津市電力公司，天津 510000；2.國網北京經濟技術研究院，北京 100761；3.智能電網教育部重點實驗室（天津大學），天津 300072）

電力系統的建設和擴大規模時需要兼顧均衡地利用電網中的電氣設備，充分發揮已有資產的價值。本文以社會發展及電網建設裕度、配變供電半徑情況、不同運行方式下的設備容載比等影響因素為基礎，提出考慮配電網安全和運行方式的設備綜合利用率指標和計算方法。通過設備綜合利用率指標的分析并結合電網運行的薄弱環節的約束，提出一種考慮設備利用率的電網擴建改造方法，并給出了求解流程。該方法考慮配電網不同的運行狀態和負荷情況，同時追求高效利用每個元件設備和盡可能均衡地利用所有元件設備。以某地配電網為例進行分析，驗證了該方法的實用性和有效性。

電力系統；配電網；設備利用率；擴建方法；經濟運行

配電網擴展規劃是指在滿足對用戶供電需求和網絡運行約束的前提下，尋求一組最優的決策變量，使配電網在滿足運行要求的同時經濟性最優。隨著智能配電網信息化、自動化水平的提高以及與物聯網的相互滲透與融合，電力企業量測體系內部積累了大量數據，如用戶用電數據、調度運行數據、GIS數據、設備檢測和監測數據以及故障搶修數據等。這些數據為電網的擴展規劃提供了詳盡的信息，如何在配電網規劃、建設和改造階段提升設備利用效率，通過盤活已存配電資產，減少無效投資，提高電網運營效益，成為關注的熱點[1-2]。

近年來，各國學者在電網規劃中逐步重視設備利用率的應用問題，并做了大量研究。文獻[3]對全壽命周期利用率及其子指標的理想范圍進行估算，提出了綜合考慮供應側、需求側以及生命周期的全壽命周期利用率指標，其成果有助于配電網設備的管理與規劃。文獻[4]從年最小費用角度出發，考慮了線路的設備利用效率，并以建設投資費用和網損費用最小為目標函數進行電網規劃。文獻[5]建立了電網設備資產的安全、效能、成本模型，結合電網設備特點對資產的安全、效能、成本進行定義，提高了設備的管理水平。文獻[6]在數學模型中引入缺電成本，以饋線投資、網損費用及缺電成本最小為目標函數，考慮線路的故障對規劃方案的影響。

由于受數據采集獲取的限制，上述配電網的規劃方法沒有充分考慮系統安全及不同情況下的設備利用率，因此往往無法準確解決運行中的薄弱環節[7]。本文給出考慮配電網安全和運行方式的設備綜合利用率指標，從均衡利用配電網絡元件設備的思路出發，提出了基于該指標的配電網擴建規劃分析方法。該方法以“用好增量，盤活存量”為指導思想，在追求載荷能力強的同時，兼顧均衡地利用電網中的元件，充分發揮資產的價值，減少重載與輕載的比率，增強電網的安全性，延長變壓器等元件的使用壽命，間接地提升經濟效益。

1 配電網設備影響因素及利用率指標計算方法

1.1 影響設備利用率的因素

隨著經濟的發展和負荷增長迅速，需要對配電網進行擴建。從電網規劃角度而言，設備合理負載能力和實際利用水平應滿足各類設備經濟運行區間的約束，以保證規劃與運行能夠相互協調[8]。電網設備合理負載能力取決于3個因素：①電網所需滿足的安全準則及網絡結構；②負荷特性；③電網為負荷發展所留有的裕度。這3個因素之間相對比較獨立，共同影響電網設備合理負載能力。當前電力系統的設備利用率并不均衡，造成設備利用率低的原因眾多，如規劃階段負荷預測的不準確，變電站的主變臺數或選型不恰當，或者運行期間的網絡結構不合理，以及電網公司承擔社會責任，滿足偏遠地區用電需求，或重要負荷提供較高的可靠性而造成的部分配電變壓器或中壓公用線路長期備用或低負載等。

1.2 設備利用率評價指標計算方法

配電網改造擴建過程中，設備利用率指標既要能反映不同運行模式，又要考慮社會責任、政策等因素，具體的指標和計算公式可以基于投資主體類型和規劃目標而略有變化。基于前述影響設備利用率的因素，本文基于3個方面進行分析。

1）社會發展及電網建設裕度

電網為負荷發展所留有的裕度，可采用GDP年增速來描述，如由當年某地區國民生產總值相比于上一年國民生產總值的差值與上一年國民生產總值的比值獲得。由于該指標可以通過規劃年份負荷的增長而反映，本文在綜合設備利用率求取過程中，不再單獨應用。

2）配變供電半徑情況

該指標反映電網所需滿足的網絡結構情況，擴建改造的站點位置（x，y）計算公式為

式中：Pi為網絡負荷點的有功功率；n為配電網中含負荷的節點數；xi和yi分別為網絡中每個負荷點的橫、縱坐標。基于GIS系統采集負荷點的坐標以及變電站的坐標，通過以上公式可以計算出負荷中心的合理位置，再通過計算配變到負荷中心的距離，結合配網實際情況，以一定的距離作為配變位于負荷中心的標準，如果大于這個值則說明配變不在負荷中心內。

配電網中供電半徑Ri表示為配變距離其所供負荷點的最遠直線距離，通過計算配變與其所供負荷點之間的距離，找出最大值，然后近似取這個值作為供電半徑，其計算公式為

3）不同運行方式下的設備容載比

電網各個元件的電流與功率是隨著用戶負荷的變化、調度運行方式等因素的改變而波動的。在考察設備綜合利用情況的時候，元件通過的負荷情況是考察的重點內容，反映了元件主體的載荷情況。以配電網各個時間點的平均負載情況作為基礎進行計算，對于時間跨度為[0，T]的負荷曲線，電網設備承載負荷的平均值為

式中，T可以選擇一周或一個月。對于配電網不同時段和運行模式下的情況進行比較，需要分析負荷的平均水平與負荷波動情況。故障和檢修狀態下的負荷考慮不同時段的負荷波動情況，選擇最大負荷情況下的電網設備負載率，對于時間跨度為[0，T]的負荷曲線，負荷采用的數值為

式中：α為電網設備承載負荷的標準差；Pt數據來源于對配電網中長期的負荷預測。

由于電力負荷的隨機變化以及外界的各種干擾會影響配電系統的供電可靠性和供電能力，為了對設備利用率進行評價，需要對配電網運行狀態進行分析，獲得不同類型的運行模式下的均衡效率與均衡容量。在考慮負荷變動的情況下，配電設備的容載比為

式中：K1為負荷分散系數，近似取1；K2為變電站平均功率因數，實際運行中一般取0.90～0.95；K3為主變安全運行率，考慮N-1故障時一般取0.80～0.85；K4為負荷發展儲備系數，工程應用中其計算公式為

式中：q為對變電站進行負荷預測所得到的負荷平均增長率；p為變電站容量的建設周期（儲備年限）；h為負荷預測修正系數。

1.3 設備綜合利用率計算

配電網的運行模式是指組成配電網系統的所有環節都處于執行其功能的狀態。為了對設備利用率進行評價，需要對配電網運行模式進行分析，獲得不同類型的運行模式下的均衡效率與均衡容量[9-10]。由于電力負荷的隨機變化以及外界的各種干擾會影響配電系統的供電可靠性和供電能力，系統運行可分為正常運行狀態、檢修狀態和故障運行狀態等典型運行方式。

在分析設備綜合利用率時，在不同狀態下運行方式權重有所不同，可通過運行模式的持續時間進行區分。對于設備i的利用效率，考慮安全和運行方式因素的有效設備利用率指標ηi為式中：M為配電系統所處的運行模式的類型總數，包括不同拓撲結構的正常運行模式、設備檢修模式和故障運行模式；λk=TkT為第k種運行模式在一段時間T中所占的時間比例，為第k種運行模式所持續的時間；ηik為設備i在第k種運行模式下的設備利用效率；Pik為在該具體運行模式下，經過潮流計算得到的第k個元件運行時通過的功率；Zik為在均衡狀態下的第k個元件的均衡容量；Sik為元件i標稱的額定容量或在第k種運行模式下可以過載運行的極限容量；Cik為元件i在第k種運行模式下的元件使用效率。

文中ηi可以評價設備的一個固定周期內的利用率情況，其具體數值取決于評價時選取的時間周期長短以及該段時間周期內設備實際的用電情況。有效設備利用率指標ηi越大，說明在同樣的時間周期內，設備實際電量越多，設備利用率越高，設備越能得到充分的利用。

2 考慮設備利用率的配電網規劃方法

2.1 改造擴建規劃所需信息和考慮的約束

涉及的配電網改建資料主要包括：①文本資料，如市政規劃、經濟分析、電網描述、問題分析等；②圖形資料，如從GIS系統獲得電網地理接線圖等；③屬性信息，如從MIS系統獲得電網參數和結構，設備屬性參數等；④運行資料，如從SCADA及AMI系統中獲取變電站功率、線路運行情況等。

對配電網當前供電安全水平進行評估包括考慮N-1準則的供電可靠性，故障條件下轉供負荷的能力，最大持續工作電流約束，熱穩定約束等，獲得電網運行的薄弱環節和需要考慮的約束，形成需要解決約束條件集合G={g1,g2,…,gn}，其中gi為改造過程中需要解決的約束。

2.2 基于設備利用率的配電網擴建規劃方案制定

在進行配電網擴展規劃的過程中，引入集合X表示網絡拓展規劃的方案。考慮綜合設備利用效率的利用狀態，是一種滿足約束條件的潮流分布情況，這種情況下的網絡同時追求兩個目標：①盡可能高效地利用每個元件設備；②盡可能均衡地利用所有元件設備。為了實現上述目標，對應包含N個設備的系統，方案的選優標準為

式中：第1項描述系統中N個設備總的利用率最大，第2項描述各個設備間的利用率盡可能均衡；C1和C2分別為兩個目標的權重，當C1=0時，函數的目標是使所有設備均衡利用，當C2=0時，不考慮設備是否能夠均衡，使總的設備利用效率最高。通常情況下，C1和C2的值，可分別取2和1。

擴建方案制定過程是一個比較和分析的過程，其思路為：對供電瓶頸線路，提升對其的投資，更換為較大的線路截面。使用替換后新的極限容量，重新計算均衡效率，并得到各個設備的利用系數，觀察均衡效率的改善情況以及利用系數的變化，直至方案滿足經濟性和供電可靠性目標。

供電可靠性評估指標較多，如供電可靠率、負荷平均停電頻率、負荷平均停電持續時間、期望缺供電量等，本文選擇供電可靠率作為可靠性的指標。判斷配電網改造方案是否滿足經濟性和安全性要求的約束條件主要包括如下兩個方面。

（1）經濟性方面體現在需要滿足投資的總約束，實施中可采用計算公式為

式中：Minvest為電網改造投資總預算；NT為電網改造投資總年數；ra為資金的利率或貼現率；yk-1為第k-1階段包含的年數；CkB(X)為第k-1階段電網擴建的投資建設費用。

（2）安全性目標體現在滿足N-1校核、短路電流計算等校核。可用系統平均停電頻率表示，是指每個由系統供電的用戶在單位時間內所遭受到的平均停電次數。實施中可采用的約束為

式中：λi和Ni分別為負荷點i的用戶停運率和用戶數；R為系統負荷點集合；SAIFIset為系統設定允許的平均停電頻率，次/（用戶·a）。規劃地區用戶停運率和用戶數可以利用相關技術部門的統計數據作為基礎，并獲得規劃年份的相應數據。

2.3 考慮設備利用率的配電網改造流程

考慮設備利用效率的配電網改造過程實際上是充分考慮不同運行模式及潛在的持續時間，使電網在預測的負荷分布情況下，能夠充分挖掘電網輸電潛力，最大限度地發揮電網設備利用潛力[11]。

本文所提出考慮設備利用率的配電網改造方法，具體流程如圖1所示，其中主要步驟如下。

（1）配電網現狀進行分析。包括基于用戶用電數據、調度運行數據、GIS數據、設備檢測和監測數據，獲得配電網設備和網絡的參數及運行情況；對規劃期內的負荷進行預測，包括考慮地理信息的空間負荷預測，和規劃范圍內的總負荷預測。

（2）對配電網當前供電安全水平進行評估，獲得需要解決約束條件集合。通過分析配電網的主要運行方式，并計算綜合考慮不同運行方式下的設備利用率獲得。主要包括配電網供電不同運行方式的確定，以及配電網主要設備利用率及綜合利用率求取兩個層次。

圖1 基于設備利用率的配電網擴建流程Fig.1 Expansion process of distribution network based on the utilization ratio of equipment

（3）基于設備利用率的改建方案分析和制定，涉及擬改造或擴建的主要設備/線路集合確定，以及基于系統利用率指標的整體方案制定。

（4）判斷所確定的方案是否滿足經濟性和安全性要求，如滿足，則確定該改造方案，并對改造后情況進行分析。如不滿足，則將不滿足條件加入約束，重新進行擴建方案的制定。

3 算例分析

以某地配電網為例進行分析，網絡結構如圖2所示，包含4條110 kV線路和5臺變壓器。變壓器T1～T3同屬一座變電站，其中T1采用線路-變壓器組的接線方式，T2和T3采用單母線分段接線方式，3臺變壓器的低壓側通過母線分段斷路器相連；變壓器T4和T5位于同一變電站，采用單母線連接方式。線路和變壓器參數如表1和表2所示。

圖2 配電網結構示意Fig.2 Structural diagram of a distribution network

由于所供應負荷超過原規劃設計，需要通過擴容的方式進行配電網改造，具體擴建方案包括兩種，方案1為對線路L1～L4進行擴建改造；方案2為對變壓器T1～T5進行擴建改造。假設系統所有線路負荷的變化范圍為±30%[12]，最大負荷的功率因數要求設定為cosφ=0.95。在進行均衡狀態分析時，需要對待處理的配電網絡進行各種故障狀況的分析，并匯總得到相應的均衡效率與均衡容量。對于樣例系統的預想事故可以進行分析，則元件故障情況如表3所示。

表1 算例線路數據Tab.1 Data of lines in the numerical example

表2 算例變壓器數據Tab.2 Data of transformers in the numerical example

表3 不同運行模式下的設備利用效率情況Tab.3 Utilization ratios of equipment in different operation modes %

由表3可知，在均衡效率方面，線路L3和L4的效率較低，說明在均衡情況下沒有達到充分利用這些元件的目的，與系統不同的運行方式有較大的關系，線路L1和L2的最大可用情況可以認為得到了較好的利用，并表明在特定情況下，運行在極限狀態。變壓器的綜合利用效率較高，平均情況下接近95%，同時考慮到若多個設備同時檢修，或有設備進行檢修，而此時再發生故障，如編號9和10所示，則變壓器承擔較重負載。根據我國中壓配電變電站運行導則的規定，主變最大允許的過載系數超過1.3時，允許過載時間應該小于45 min。因此有必要進行變壓器擴容，擴建過程應該選擇對變壓器進行改造，尤其是對于T4變壓器。

4 結 語

本文給出了一種考慮綜合設備利用效率的配電網擴建規劃方法，該方法考慮配電網不同的運行狀態和負荷情況，追求盡可能高效地利用每個元件設備和盡可能均衡地利用所有元件設備目標，通過設備綜合利用率指標的分析幫助獲得最佳的擴展規劃方案，為配電網建設提供一種思路。

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Expansion and Reconstruction Method of Distribution Network with the Consideration of Equipment Utilization Ratio

WANG Weichen1，CUI Kai2，KONG Xiangyu3，E Zhijun1，WANG Xin1，YONG Chengsi3
（1.State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300010，China；2.State Power Economic Research Institute，Beijing 100761，China；3.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

When a power system is constructed or expanded,it is necessary to keep a balance when making use of all the electrical equipment to give full play to the values of existing assets.Based on the factors such as social development，grid construction margin,distribution power supply radius and the equipment capacity ratios in different operation modes，an index of comprehensive utilization ratio and its calculation method are proposed considering the safety and operation mode of distribution network.Through the analysis of the comprehensive equipment utilization ratio and the restriction at the weak links in the power grid operation，a method of power grid expansion and reconstruction is proposed,and the solution procedure is also given.This method considers different operation conditions and load conditions of the distribution network,while seeking an efficient use of each component device and keeping a balance when making the possible use of all the power equipment.A power distribution network in one certain region is used as an example，which verifies the practicability and effectiveness of the proposed method.

power system；distribution network；equipment utilization ratio；expansion method；economic operation

TM712

A

1003-8930（2017）10-0046-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.10.009

2016-12-15；

2017-07-09

國家重點研發資助項目（2017YFB0902904）；國家自然科學基金資助項目（51377119）

王偉臣（1970—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電力系統調度運行。Email：505725131@qq.com

崔 凱（1978—），男，博士，高級工程師，研究方向為配電網規劃及管理、配電網評價等。Email：cuikai@chinasperi.sgcc.com.cn

孔祥玉（1978—），男，通信作者，博士，副教授，研究方向為電力系統分析、智能配用電技術、新能源發電的研究。Email：eekongxy@tju.edu.cn