基于模糊化SEC綜合指標體系的電網規劃經濟性評估方法

鄢晶，楊東俊，鄭旭，柴繼勇，王莉琳，張世榮

（1.國網湖北省電力公司經濟技術研究院，湖北武漢 430077；2.武漢大學動力與機械學院，湖北武漢 430077）

輸電網規劃是保障電力系統安全穩定運行的重要組成成分。它是根據電力系統負荷及電源發展規劃對輸電系統的主網架做出的發展規劃。電網規劃是建設堅強、穩定、高效和持續發展電網的重要保障，同時又是一個涉及多約束條件、非線性、多目標優化的理論性和實踐性都很強的工作，因此電網規劃一直是各級電網公司和電力專家十分關注的重要工作和研究課題。

目前對電網規劃的研究方法很多，各有側重點且存在一定的不足，傳統的投入產出法[1-2]和成本效益分析法[3]關注電網投資的一次成本和局部效益，但對電網投資的長期性和資金的時間因素缺乏考慮；基于全壽命周期成本（lifecycle cost，LCC）理論[4-7]的資產管理分析雖然對設備的整個壽命周期進行了全面的分析，但主要集中在一些特定的設備，建立的模型也比較簡單；文獻[8]建立了一個針對電力系統整體的三維全壽命周期成本模型，提出了基于全壽命周期成本的電力系統經濟性評估方法，將全壽命周期成本理論的運用擴大到整個電力系統，但是沒有考慮到安全指標問題。

針對上述問題，本文在全壽命周期成本理論的基礎上引入安全指標，建立基于SEC綜合指標體系的電網規劃方案綜合決策體系，針對評估模型指標可能存在的不確定性對其進行了模糊化處理，并基于投影技術給出了模糊多屬性決策的方法，同時，建立了經濟性評估模型，并給出了評估指標。針對各指標量綱不同的情況，對其進行了歸一化處理，并構造了綜合評價指標來判斷方案的優劣。最后，通過兩個工程實例驗證了本文所提評估模型的有效性。

1 SEC綜合指標體系

SEC綜合指標體系包括安全指標（S）、效能指標（E）、差異化全壽命周期成本（C）指標3個方面，每個指標又包含若干個二級指標。其實質就是在對電力公司進行全壽命周期管理的基礎上，綜合的評價和分析資產的安全性能、效益水平和周期成本，有效的促進三者的綜合平衡和有機統一，提高資產管理水平，具體的SEC綜合指標體系如圖1所示。

圖1 SEC綜合指標體系Fig.1 SEC comprehensive index system

1.1 安全指標（S）

安全指標反映規劃方案在運行過程中可能存在或遭遇的安全風險性問題。其包括短路電流指標、N-1指標、潮流計算指標。計算公式如下：

式中：S1、S2、S3分別表示滿足N-1不造成一般及以上事故，滿足潮流計算、短路計算校驗的安全因子，ns1、ns2、ns3分別表示不滿足 3 種判據的次數，ks1、ks2、ks3分別表示3種判據的調節系數。

1.2 效能指標（E）

效能指標包括增供電量效益、可靠性效益、降損效益。

增供電量效益是因為供電企業供電能力的加強而引起的售電量的增加值，可以利用增加的售電量收益對投資進行償還。計算公式如下：

式中：Pi為第i年的最大負荷；PB0為項目投運前選定范圍內電網的最大供電能力；Tmax為最大負荷利用小時數；PA0為項目投運后選定范圍內電網的最大供電能力；pd為購銷差價

可靠性效益是加強電網結構后，因故障而損失的故障值變小而產生的相對收益。計算公式如下：

式中：EENS為電量不足期望值；EENSAi為項目投產后第i年的EENS；EENSBi為項目投產前第i年的EENS；EENSB0為項目投產前最大供電能力下的EENS；EENSA0為項目投產后最大供電能力下的EENS；pb為購電價。

降損效益是加強電網結構后，電網的損耗值發生變化而產生的相對收益。由于供電負荷增大，所以降損效益往往是負值。計算公式如下：

式中：PLAi為第i年的網損值；PLBi為項目投產前選定范圍內電網的第i年網損值；PLB0為項目投產前選定范圍內電網的最大供電能力下的網損值；PLA0為項目投產后選定范圍內電網的最大供電能力下的網損值。

1.3 全壽命周期成本指標（C）

全壽命周期成本（LCC）就是在產品的壽命周期或預期的有效壽命周期內，由產品的投資、設計、使用、檢修維護和故障時可能引起的所有費用的總和[9]。其主要思想是通過對設備或系統的LCC進行分析和計算，然后根據量化值進行決策。

1.3.1 初始投資成本（CI）

初始投資成本就是指在電網項目的建設、改造和調試時，由電網項目在正式投運前所產生的一次性費用。

式中：L為線路長度；a為線路單位造價；S為變電站容量；b為變電站單位容量造價

1.3.2 運營維護成本（CO）

運營維護成本主要由設備層運營維護成本和系統層運營維護成本兩大部分組成。設備層運營維護成本主要是由檢修維護成本、工資相關的額外費用和其它運營成本3部分組成；系統層運營維護成本主要是由停電所引起的成本損失和運營期內所支付的網損成本兩部分組成。可以表示為

式 中 ：CO、COsys、COequ、COloss、COcut、COo&m、COsalary、COother分別表示總的運營維護成本、系統層運營維護成本、系統層運營維護成本、網損成本、停電成本、檢修運維成本、工資成本和其他成本。為了便于計算，設備層運營維護成本中的檢修維護成本、工資相關的額外費用和其他運營成本可以根據各自在初始投資成本CI中所占的比例進行計算，其中，λo&m，λsalary，λother分別為 3 項成本在 CI中所占的比例。

1.3.3 報廢處置成本（CD）

報廢處置成本就是在項目的基建和技改等資本投入時所產生的固定資產在項目報廢處置時做引起的各種費用，用下式來表示：

式中：CDdis表示報廢處置管理費用；CDval表示報廢資產殘值回收收入；CDlos表示資產未使用到期望壽命導致的提前報廢價值損失；λdis、λval分別表示兩項成本所占比例。

2 SEC指標模糊化

在SEC綜合指標模型中，全壽命周期成本LCC、安全指標S和效能指標E中含有不確定較強的因素，故需對其進行模糊化處理，方法見參考文獻[10-13]。

2.1 安全指標S的模糊化

安全指標S模型中，不滿足3種判據的次數具有不確定性，故均應考慮其模糊性。

2.2 效能指標E的模糊化

效能指標中的網損和電量不足期望值具有不確定性，需對其模糊化處理。

對由n個節點組成的電網，在網絡輸入量為確定值的情況下，其總的有功功率損耗為

利用Taylor級數將式（19）在對應模糊注入功率中心值的運行點d附近進行展開，略去高于二階的項并考慮[Δθ]的模糊性（忽略電壓幅值變化的影響），則有

有功模糊網損為

模糊電量不足期望值可由式（22）表示[13]：

式中:F為導致電網供電不足或中斷的所有故障狀態集合；h為所有故障設備的集合；H為所有正常設備的集合；及分別為電網在第q種故障狀態下第j臺和第k臺設備故障停運的模糊概率；PNSq為電網在第q種故障狀態下向節點i上用戶少供的模糊有功功率（即節點i上的模糊缺負荷量），可以通過求解一個模糊線性規劃模型得到，其具體計算方法見文獻[14]。

2.3 LCC的模糊化

模型中初始投資成本、運維成本具有較強的不確定性，故需針對這些變量的不確定性建立其模糊化模型，進而建立模糊化的LCC計算模型[15]。

2.3.1 初始投資成本模糊化

2.3.2 運營維護成本模糊化

2.3.3 報廢處置成本模糊化

報廢處置成本的計算與運營維護成本的計算

類似，其報廢處置管理費用和報廢資產殘值回收收入也是按各自在初始投資成本中所占的比例系數來進行計算，比例系數和也都存在一定的模糊性。

3 SEC綜合指標體系評估方法

3.1 經濟性評估模型

設定使用年限為第k年，k=1，2，…，N，N為期望壽命周期，考慮資金的時間價值，將成本和效益均折算至現值進行比較[16]。在全壽命周期內的第k年，其差異化累計成本和效益可以表示為

式中，i為折現率。

基于SEC規劃比選理念以及經濟性評估模型，用研究壽命周期內的總累計加強成本C、期望凈收益D（W）和收益成本比SEC來衡量差異化規劃方案的經濟性，其中，C反映規劃方案可能需要的總資本投入；D（W）用于衡量差異化規劃方案能否回收成本。

3.2 基于投影技術的模糊多屬性決策

針對SEC綜合指標體系多屬性的特性，層次分析法[17-19]能有效確定各屬性的權重，將半定性問題轉換為半定量問題。而基于投影技術的模糊多屬性決策是針對層次分析法的一種解法，當模糊屬性指標或權重值的隸屬度為非線性時，該方法具有簡單易用的方法。

我們構造方案Ai與正、負理想解的偏差如下:

組合投影系數ρi-（λ）是λ的函數，可以解釋為方案Ai與負理想解N-的偏差總和。ρi+（λ）可以解釋為方案Ai與正理想解P+的偏差總和。P?Di+，P?Di-是方案Ai與正、負理想解P+，N-總的期望偏差。很明顯，當ρi-（λ），P?Di-較大時，方案Ai較優:當ρi+（λ），P?Di+較小時，方案Ai較優。為此，構造衡量方案優劣的函數

對于給的λ?[0，1]，fi（λ）越大，方案Ai越優。

3.3 評估指標歸一化處理

針對經濟性評估和多屬性決策指標量綱不同的情況，對其進行歸一化處理。

其中，D（W）和fi（λ）為正向指標，即指標越大越好，SEC為反向指標，即指標越小越好，對3項指標進行以下處理：

式中，n為方案數。

經過以上歸一化處理后，3項指標均轉化為正向指標，最優值為1，最劣值為0。

構造綜合評價指標為

λ越大，說明該方案各項指標綜合情況越好，反之，則越差。

4 仿真計算

在SEC的成本（C）、效益（E）的各相關分量中，涉及到的主要參數和本案例中的取值如表1和表2所示。

表1 相關參數取值Tab.1 Related parameters

仿真過程中，隸屬度函數采用梯形隸屬度函數。根據SEC各指標的重要程度，確定判斷矩陣為A=[1，1/2，1/3；3，1，3；2，1/3，1]，算得權重w=（0.157 1，0.593 6，0.249 3）T。悲觀系數取為 1/3。

4.1 算例1

算例1定義的相關電網選取范圍如圖2所示。

圖2 相關電網圖Fig.2 Related grid

從原擬定方案中選取的參與SEC比選的方案如下：

方案1：將節點2-節點4兩回220 kV線路π入節點3。其中，I回π進線路長約2×0.8 km，導線型號為 LGJ-2×400；II回π進線路長約 2×2 km，導線型號為 LGJ-2×400。

方案2：將節點2-節點4 I回220 kV線路π入節點3，新建線路長約2×0.8 km，導線型號為LGJ-2×400。

仿真結果：經濟性評估仿真結果如圖3和圖4所示，可以看出，當使用年限為20年時，凈收益最大，建議使用年限到20年時更新線路。

圖3 兩種方案的凈收益比較Fig.3 Comparison of the net benefit between two schemes

當使用年限為20年時，各項指標計算結果如表2所示。

歸一化處理后，結果如表3所示。

可以看出，方案1的λ值大于方案2，因此方案1由于方案2。

圖4 兩種方案的SEC指標比較Fig.4 Comparison of SEC index between two schemes

表2 各項指標計算結果Tab.2 Indicators of the results of the calculation

表3 歸一化指標計算結果Tab.3 Normalized indicator calculation results

4.2 算例2

算例2定義的相關電網選取范圍如圖5所示。

圖5 相關電網圖Fig.5 Related grid

從原擬定方案中選取的參與SEC比選的方案如下：

方案A2：將節點2-節點5雙回改接至節點1，線路長度2×9.0 km，電纜截面為1 000 mm2，鋼桂Ⅳ回延伸至和平，線路長度5.0 km，電纜截面為2 000 mm2；

方案B1：將節點4至節點2線路π入節點1，線路長度2×9.0 km，電纜截面為2 000 mm2；

方案B3：將將節點2-節點5Ⅰ回π入節點1，線路長度2×9.0 km，電纜截面為2 000 mm2；

仿真結果：經濟性評估仿真結果如圖6和圖7所示，由于方案B1、方案B3各項收益和成本幾乎相同，導致方案B1、方案B3凈收益和SEC指標曲線重合。從圖可以看出，方案A2的SEC值時刻小于方案B1和B3。同時，使用年限小于25年時，3個方案凈收益差別不大，使用年限大于25年后，方案A2凈收益明顯高于方案B1和B3。

圖6 3種凈收益比較Fig.6 Comparison of the net benefit among three schemes

圖7 兩種方案的SEC指標比較Fig.7 Comparison of SEC index between two schemes

當使用年限為35年時，各項指標計算結果如表4所示。

表4 各項指標計算結果Tab.4 Indicators of the results of the calculation

歸一化處理后，結果如表5所示。

表5 歸一化指標計算結果Tab.5 Normalized indicator calculation results

可以看出，方案A2的λ值最大，因方案A2最優。

5 結語

在LCC的基礎上，本文引入了安全指標，建立了SEC綜合指標體系，并基于投影技術給出了模糊多選擇決策的方法，同時，建立了經濟性評估模型，從經濟性的角度評估電網規劃方案。

算例表明，SEC綜合指標體系可以反映電網安全和效益綜合屬性，能夠找出最優使用年限。根據基于投影技術的模糊多選擇決策方法和經濟性評估模型構造的綜合評價指標可以選出最優方案，并保證評選結果的合理性。

[1] 何永秀，黃文杰，譚忠富，等.基于投入-產出法的電力失負荷價值研究[J].電網技術，2006，30（1）：44-49.HE Yongxiu，HUANG Wenjie，TAN Zhongfu，et al.Study on value of lost load based on input-output method[J].Power System Technology，2006，30（1）：44-49.

[2] 劉起運，陳璋，蘇汝劼.投入產出分析[M].北京：中國人民大學出版社，2006.

[3] 張焰.電網規劃中的可靠性成本-效益分析研究[J].電力系統自動化，1999，23（15）：33-36.ZHANG Yan.Research on costbenefit analysis of electric power network reliability planning[J].Automation of Elec?tric Power Systems，1999，23（15）：33-36.

[4] ASIEDU Y.Product life cycle cost analysis:state of the art?review[J].International Journal of Production Research，1998，36（4）:883-908.

[5] GREENE L E，SHAW B L.The steps for successful life cyclecost analysis[C]//Proceedings of the IEEE 1990 National Aerospace and Electronics Conference，May 21-25，1990，Dayton，OH，USA:1209-1216.

[6] SOLOMON R，SANBORN P A，PECHT MG.Electronic part life cycle concepts and obsolescence forecasting[J].IEEE Trans on Components and Packaging Technologies，2000，23（4）:707-717.

[7] 周喜軍，黃華煒，戈京，等.抽水蓄能電站運行方式的LCC 研究[J].華東電力，2006，34（7）：67-70.ZHOU Xijun，HUANG Huawei，GE Jing，et al.LCC research of operation modes for pumped storage power stations[J].East China Electric Power，2006，34（7）：67-70.

[8] 柳璐，王和杰，程浩忠，等.基于全壽命周期成本的電力系統經濟性評估方法[J].電力系統自動化，2012，36（15）：45-50.LIU Lu，WANG Hejie，CHENG Haozhong，et al.Economic evaluation of power systems based on life cycle cost[J].Automation of Electric Power Sys-tems，2012，36（15）：45-50.

[9]高教銀.建設項目全壽命周期成本理論及應用研究[D].上海：同濟大學，2008.

[10]楊綸標，高英儀.模糊數學原理及應用［M］.廣州：華南理工大學出版社，2005.

[11]BAAS S，KWAKERNAAK H.Rating and ranking of multipleaspect alternatives using fuzzy sets[J].Automatic，1977，（13）:47-58.

[12]SCGNYCJER K J.Fuzzy sets，natural language computa?tionsand risk analysis[M].Maryland，EUA:Computer Sci?ence Press，1984.

[13]張焰，陳章潮，談偉.不確定性的電網規劃方法研究[J].電網技術，1999，23（3）:15-22.ZHANG Yan，CHEN Zhangchao，TAN Wei.An approach for transmission system planning incorporating uncertain?ties[J].Power System Technology 1999，23（3）:15-22.

[14]張焰，陳章潮，李永騰.電網規劃中最小模糊缺負荷量計算研究[J].上海交通大學學報，1999，33（4）：492-494.ZHANG Yan，CHEN Zhangchao，LI Yongteng.Approach to minimizing the fuzzy load not supplied in electric power planning[J].Journal of Shanghai Jiaotong University，1999，33（4）：492-494.

[15]李龍，陳光，陶家銅，等.基于模糊數學的電網規劃方案LCC 模型不確定性分析[J].華東電力，2012，40（8）:1316-1321.LI Long，CHEN Guang，TAO Jiatong， et al.LCC uncertainty analysis of network planning programs based on fuzzy mathematics[J].East China Electric Power，2012，40（8）:1316-1321.

[16]宋春麗，劉滌塵，吳軍，等.基于差異化全壽命周期成本的電網規劃經濟性評估方法[J].電網技術，2013，37（7）:1851-1855.SONG Chunli，LIU Dichen，WU Jun，et al.An economic assessment of power system planning based on differentiat?ed life cycle cost[J].Power System Technology，2013，37（7）:1851-1855.

[17]周黎莎，于新華.基于網絡層次分析法的電力客戶滿意度模糊綜合評價[J].電網技術，2009，33（17）：191-197.ZHOU Lisha，YU Xinhua.Fuzzy comprehensive evalua?tion of power customer satisfaction based on analytic net?work process[J].Power System Technology，2009，33（17）：191-197.

[18]盧志剛，張煒，王新華，等.多目標多層次模糊綜合評價在電力企業運營狀況評價中的應用[J].電網技術，2002，26（2）：54-57.LUZhigang，ZHANGWei，WANGXinhua，etal.Application of multiobject multilayer fuzzy comprehensive evaluation of economic operation situation of electric power enterprise[J].Power System Technology，2002，26（2）：54-57.

[19]SUN Q，GE X，LIU L，et al.Smart grid multi-attribute network process comprehensive evaluation method and its application[C]//Power and Energy Engineering Conference（APPEEC）2012.Shanghai，China：IEEE，2012：1-5.

[20]蘭繼斌，徐揚，霍良安，等.模糊層次分析法權重研究[J].系統工程理論與實踐，2006，26（9）：107-112.LAN Jibin，XU Yang，HUO Liangan，et al.Research on the priorities of fuzzy analytical hierarchy process[J].Systems Engineering Theory&Practice，2006，26（9）：107-112.