考慮碳排放指標的中壓配電網規劃方案評估方法

李 穎， 齊士杰， 王 澤， 梁海峰， 劉應明， 劉建華

(1. 六盤水供電局，貴州 六盤水 553001；2. 華北電力大學 電氣與電子工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

伴隨當今社會的穩步發展，碳基能源消耗所帶來的環保問題成為人們的關注焦點，低碳已經成為各國經濟發展的主旋律[1]。面對中國的環境問題,電力既要發展,還要承擔起能源優化利用的艱巨任務[2]。現階段，我國的配電網系統建設和完善程度還不如輸電網，在實現配網規劃評價自動化的道路上仍有較長的路要走。配網規劃方案的質量好壞和匹配方案實施的程度對社會的經濟發展起著重要作用。配電網的超前建設或滯后建設都會給電網發展帶來部分消極的影響。因此，在配電網建設高額投資的情況下，提出配電網規劃方案的評估方法，以期評估規劃后的配電網取得的成效，并以此作為選擇規劃方案的依據之一，具有重要的工程實用價值。同時，通過將碳排放指標作為評估指標之一對配電網規劃方案進行評估，符合電網企業尋求低碳綠色的發展道路，具有現實意義。

配電網規劃評估指標體系是配電網規劃評估的基礎，支撐配電網規劃以及管理工作。傳統的配電網評估工作主要包括可靠性、安全性、供電質量、經濟性等單項評估，隨著配電網規劃理論的發展，評估指標不斷更新，評估體系也逐漸完善。文獻[3]分析了配電網發展的影響因素，得到配電網發展的8類基礎一級指標；文獻[4]利用灰色粗糙集模型實現了對繁復指標的篩選和綜合評估體系的構建。一般而言，要考慮數據的采集和計算難度，按照系統、科學和實用的原則選擇評估指標[5]。在評估模型方面，多采用層次分析法(AHP)去評估配電網規劃成效指標體系，文獻[6]給出了配電網具體的層次分析法和熵權法結合的主客觀并重的評價方法；而經典的AHP法在實際應用過程中沒有充分利用已有的定量信息，對指標的討論也不夠深入[7]，為解決實際問題，需建立一套更能準確反映指標間互相影響的評估體系[8]，文獻[9]建立了規范化評估指標與最優評估方案的灰色關聯性分析模型，準確反映了各指標的重要程度；文獻[10]提出了一種基于合作博弈法和梯形云模型的配電網模糊綜合評估方法，在一定程度上改進了AHP。

以往評估體系所用指標多集中于可靠性指標，在低碳方面考慮不足，文獻[11]從電網的規劃、建設、運行和設備4個方面入手，提出了一系列低碳指標，但是依然沒有考慮規劃電網的發展潛力，以及碳排放情況。另外，在各評估指標權重的專家咨詢過程中，由于每個指標權重都是專家根據自己的經驗給出的，存在一定的主觀偏差性。因此本文在指標權重的確定過程中對得到的指標相對重要性數據進行雙邊截斷映射，盡量減小主觀偏差的影響。最后，通過對貴州省某市配網規劃方案的實例評估驗證了所提評估方法的有效性。

1 評估模型與方法

1.1 評估體系的建立原則及流程

配電網規劃評估體系的建立需遵循可操作性、合理性和具體性的原則。

評估的流程包括原始數據的采集和格式處理、評估體系的建立、形成規劃方案與指標計算和規劃方案的評估與建議4部分。

(1)數據采集與格式處理：從調度、信息中心等部門采集配電網的基礎運行數據、設備參數、GIS數據，并基于后續規劃所需的數據格式、數據庫對接等要求，將數據進行格式以及編號上的對應轉換處理。

(2)評估體系的建立：分析具體配電網運行特點，結合規劃目標，遵循可操作性、合理性和具體性原則確定綜合評估體系和各指標的評分標準。

(3)形成規劃方案與指標計算：通過一定約束條件和目標函數對現狀電網進行規劃，形成一系列規劃的初始方案；對各方案計算各個評估指標數值，并采用AHP法求取各方案評估得分。

(4)規劃方案的評估與建議：通過評估體系得分，將規劃方案成效量化參考，排序列出方案的評級用于備選，對比現狀電網的不足，再人為選擇出最終方案或給出建議。

1.2 評估模型的建立

模型的建立原則以層次分析法為核心思想，AHP法原理簡單，便于理解，應用靈活，在諸多領域得到了廣泛運用。

本文以貴州省某市10 kV配網規劃作為實際算例，建立了規劃成效綜合評估體系，如圖1所示。

圖1 配電網規劃方案綜合評估體系結構

考慮到配電網的最大供電能力一定程度上反映了配電網的發展潛力，故在供電質量和經濟效益評估的基礎上加入“供電能力利用率”和“單位投資下供電能力提升量”2個指標以體現規劃電網的發展潛力，同時加入了相關碳排放指標，對配電網規劃方案進行評估。該評估模型主要有兩方面區別于以往，第一，以往的評估體系中各層指標是對于某個屬性的狀態量，在評估規劃方案時不能夠很好地反應出規劃后的方案對于現狀電網的提升程度，故本文的評估體系中采用了規劃方案對比現狀電網的某屬性變化量作為指標，通過狀態量指標和變化量指標的結合以更合理自然的思想評估電網的規劃成效(例如，“單位投資下供電能力提升量”指標在評估規劃方案時的側重點在于比現狀電網在單位投資上供電能力提升了多少)；第二，將配電網建設中的投資、線損與碳排放掛鉤，提出了“系統時耗碳排量”和“能源節約對應碳減量”2個指標，考量了規劃方案在低碳方面的表現。其中部分指標計算公式如下。

(1)主變負載率均衡度：

(1)

式中：x為n臺主變的負載率平均值，即求取所規劃區域n臺主變的負載率的方差，數值越小代表越均衡。

(2)供電能力利用率(%)：

(2)

式中：Lmax為年最大負荷，單位MW；PTSC為系統最大供電能力，單位MW，根據統計口徑不同，此指標可拓展為某一斷面的最大負荷與對應斷面的系統最大供電能力的比值，其數值在50%左右較為適宜，太低則表示沒有挖掘出電網供電潛力，太高則表示電網接納負荷的能力不足。

(3)單位投資下供電能力提升量(MW/萬元)：

(3)

式中：PTSCn為規劃改造后配電網的最大供電能力；PTSC0為現狀配電網的最大供電能力，單位MW；E為規劃方案總投資，單位萬元(本文算例的投資涉及新建線路，統一使用電纜，價格為2萬元/km)。

(4)系統時耗碳排量(t/h)：電網中線路、設備等每小時的電能損耗折算成的碳排放量(折算系數為每kW·h排放0.272 kg碳)，公式如下:

CP=0.272×ΔP/1 000

(4)

式中：ΔP為電網中時耗電能，單位kW。

(5)規劃方案提升碳排量(t/h)：

CM=0.272×(PTSCn-PTSC0)

(5)

按照規劃方案，對電網規劃改造后，最大供電能力的提升相當于挖掘了系統的供電潛力，也相當于取得了更大的碳排放權。

在圖1的體系結構中，規劃方案成效綜合評估為最高層；協調兼容性(A)、供電質量(B)、經濟效益性(C)和低碳性(D)為中間層；主變負載率均衡度(A1)、供電能力利用率(A2)等指標為最底層。

由上述層次結構，根據AHP方法，計算指標間相對重要性矩陣，再進行同層指標之間的兩兩比較，得到各個指標屬性的相應權重。通過各指標數值及評分原則，結合指標權重由底層向上逐層計算得分，最終得到最高層得分，公式如下式所示：

(6)

1.3 指標權重計算過程

在避免不了主觀性的情況下，為了獲得相對更客觀的權重數據，本文的評估算例中向10位專家咨詢了綜合評估體系中各個評估指標對于其上層指標要素的相對重要性數據，并對所獲結果進行下述處理，即對數據的客觀程度進行提升。

(7)

通過權重咨詢、求平均值和映射值的過程，得到符合“1-9標度法”的較為科學的專家意見。

表1 評估指標的相對重要性截斷平均值映射規則

2 評估算例

針對貴州省某市配網規劃方案的實例，建立如圖1所示的評估體系，其中，經截斷映射后的兩兩比較矩陣及歸一化計算后所得的各指標權重w如表2所示。

表2 指標體系兩兩比較矩陣及權重

(b)“協調兼容性”下屬指標兩兩比較矩陣及權重

(c)“供電質量”下屬指標兩兩比較矩陣及權重

(d)“經濟效益性”下屬指標兩兩比較矩陣及權重

(e)“低碳性”下屬指標兩兩比較矩陣及權重

2.1 配電網現狀評估

2.1.1 待評估區域基本概況

針對貴州某市6個變電站(城中變、鳳凰變、荷城變、水城變、城西變、紅巖變)所涵蓋的配電網區域進行規劃改造，電網的設備參數等基礎數據概況如表3所示。

表3 待評估配電網現狀基礎數據

2.1.2 各項指標計算結果

利用AHP方法，通過各指標評分，電網現狀的評估計算結果如表4所示，表中括號內數字代表權重值。以下對其中的一些具體問題進行說明：

(1)中壓配電網容載比是在達到最大供電能力時的數值。

表4 配電網現狀綜合評估結果

(2)“單位投資下供電能力提升量”、“系統時耗碳排量”和“規劃方案提升碳排量”等指標的評分原則無現有規定，本文按算例特點自行設置。

(3)由于現狀電網的變化量指標數值理論為零，為得到現狀電網評估分數，將部分指標做如下調整：現狀配電網不涉及單位投資下供電能力提升的問題，故將“經濟效益性”指標中“線損率”的權重調整為1，而規劃方案之間的比較仍采用原始權重；同樣“低碳性”指標中也有類似改變。

現狀配電網綜合評估得分為76.5，尤其是在最大供電能力(體現在“供電能力利用率”指標)方面表現較差。

(1)在協調性方面得分為64，影響得分的主要原因是最大供電能力比較差，主變之間的負載率不均衡。該地區負荷的集中程度不同，導致負荷大且密集的地區變電站主變負載率較高。全網的容載比合格。

(2)在供電質量方面得分為91，電壓合格率可以進一步提高。

(3)在經濟方面得分為69.6，有提升空間。

2.2 近期規劃方案評估及選取

在配電網現狀基礎上，近期規劃擬以提高配電網最大供電能力為目標。在考慮電壓約束、主變容量約束、線路電流約束等約束條件基礎上，建立近期規劃模型，通過遺傳算法求解得到了一系列近期規劃方案。對這些方案經過評估體系的評估，得到了每個方案的規劃成效綜合評估得分并降序排列。現取前15個方案與現狀電網(方案16)的評估結果一并列于表5。

由表5可以看出，規劃后的方案在總得分上都有所提高。因各指標之間的相對重要性和關注程度等主觀思想已量化體現在指標權重的求取過程當中，所以通過規劃成效綜合評估得分即可選出最終方案。

表5 規劃方案與現狀電網評估結果對比表

將方案7(總分最高)與現狀電網進行比較分析。其規劃改造方案的示意圖如圖2，圖中深色線路為規劃改造后新建的線路。

圖2 配電網(局部)規劃改造方案示意圖

經過對地區配電網的規劃改造，規劃后的綜合評估得分由原來的76.5分升高到90.2分，其中協調兼容性由現狀網架的64.3分提升至85.7分，這是由于主變負載率均衡度和系統的最大供電能力提高所致；由于電壓合格率和線路重載比例得到改善，供電質量由現狀電網的91.2分提升至98.7分；經濟效益性由現狀網架的70分提升至77分，這是由于降低了線損率，即減小了經濟損失，同時又挖掘了系統供電潛力，賦予電網更大發展空間；低碳性由現狀網架的91.5分提升至94.9分，這是由于一是網損減小，降低了系統時耗碳排量；二是提高了系統最大供電能力，相當于獲得了更大的碳排放權。

綜上，方案7在總分上的提升較為可觀，同時各中間層指標得分也都有提升，故最終可選擇方案7作為規劃方案，進行配電網的規劃改造工作。

3 結論

(1)建立了配電網規劃方案綜合評估體系，從協調兼容性、供電質量、經濟效益性、低碳性4個方面對配電網規劃方案進行綜合評估。

(2)對AHP方法中權重求取進行了改進，將收集到的專家對權重的評判意見進行雙側截斷求平均再映射，減少了主觀偏差的影響。

(3)引入了“系統時耗碳排量”和“規劃方案提升碳排量”的低碳指標，豐富了評估體系的內容，同時順應了電網低碳綠色發展的要求。

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