城市配電網供電能力評估綜述

肖白，趙殿平，姜卓，施永剛，焦明曦

（1．東北電力大學電氣工程學院，吉林省 吉林市 132012；2．北華大學計算機科學技術學院，吉林省 吉林市 132021；3．國網吉林省電力有限公司通化供電公司，吉林省 通化市 134001；4．國網吉林省電力有限公司長春供電公司，吉林省 長春市 130021）

0 引言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，電力負荷的增長明顯加快，對城市配電網的供電能力、電能質量、供電可靠性都有了更高的要求，為了適應城市的發展，電網的改造和擴建已全面展開[1]。城市配電網供電能力評估作為電力系統工作的一項重要內容，對正確評價現狀電網，優化網絡的結構，提高城市電網供電的安全性和可靠性，提高企業的經濟效益和社會效益具有巨大的現實意義。因此，城市配電網供電能力評估越來越受到電力企業的重視，其評估方法研究的必要性也越來越凸現出來。

目前，國內外學者針對城市配電網供電能力評估已開展了多方面的研究，并取得了一定的研究成果。本文將對城市配電網供電能力評估的指標體系、權重確定方法和綜合評價方法進行分析總結，便于讀者了解城市配電網供電能力評估過程和進展情況，推動研究的進一步深入開展。

1 城市配電網供電能力

1.1 供電能力的概念

供電能力是指一定供電區域內電網滿足N-1條件下最大能滿足用戶用電的能力[2]。電網供電能力大小取決于變電站站內供電能力和電網供電轉移能力，因此，在供電能力評估的研究中通常從負載能力和轉供能力2個方面考慮。

1.2 城市配電網供電能力評估內容

配電網供電能力評估的內容主要放在以下幾個方面：1）供電能力是否滿足現有負荷的需要及可能適應負荷增長的程度；2）供電可靠性；3）正常運行時各節點的電壓水平及線路的電壓損失、線損；4）供電設備更新的可能性和必要性。通過充分分析配電線路和變電站過負荷情況，針對配電網接線方式和負荷情況分析電網結構，提出線路解決方案和改造措施，合理布局，其目的是提高供電可靠性和系統運行的安全性。同時為配電網的規劃建設和投資計劃提供技術支持和服務。通過對某一城區配電網供電網絡的統計、分析、計算，評估配電網的結構，找出電網存在的主要問題和薄弱環節，提出改進措施和建議，為城市配電網的規劃和改造奠定良好的基礎，為未來的投資規劃以適應電力市場發展的需要提供保障。

1.3 傳統城市配電網供電能力評估方法

傳統配電網供電能力評估的主要方法有嘗試法、容載比法、最大負荷倍數法等。

嘗試法是通過給定某一指定系統負荷，按著一定的負荷分配系數將這一負荷分配到各個負荷點，不斷的增加系統負荷和進行潮流計算，直至增加微小的負荷就會引起支路功率越限的發生為止[3]。該方法需要對配電網的負荷水平及其在各個負荷點的分布有清晰的整體把握，較多地依賴于工程經驗。容載比法通過考察對象之變電容量與其供電負荷的比值來宏觀地檢驗其供電能力[4]。從宏觀上評價了供電能力，該方法能夠簡單清晰地反映配電網的供電能力，但是未將網絡轉移能力、供電可靠性等因素考慮在內。有些學者考慮了接線模式和現狀負荷情況，提出最大倍數法，最大負荷倍數法以系統現有的負荷為基礎，通過計算電網所能達到的最大負荷倍數來評估網絡的供電能力與對負荷變化的適應性[5]。此評價結果在很大程度上受到網絡現有的負荷分布狀況的影響。傳統評估方法對比見表1。

表1 傳統評估方法對比Tab. 1 Comparison of traditional assessment methods

還有一些研究中把電網供電能力的評估，作為一種規劃的要求。運用網絡規劃的方法，將某一供電網絡進行化簡，將其轉化為等效網絡——系統狀態流程圖，根據系統狀態流程圖，運用求解最大流的數學模型，即可求出電網在正常情況和各種故障情況下的供電能力。這種方法簡便可靠，易于處理復雜的約束條件，對局部電網供電能力可得出較好的結果，是一種非常方便的工程算法[6-7]。

文獻[8]提出基于最大供電能力的配電網規劃理念與方法，優先通過優化配電網結構及運行方式提升最大供電能力滿足負荷，其次再考慮新增變電容量，從而達到充分利用已有網絡消納新增負荷目的，適合目前城市建成區復雜配電網絡的規劃。文獻[9]探討了智能電網背景下的配電網建設規劃和運行新模式，運用配電系統高效規劃建設與運行的理念，針對大量建設改造后的配電網具備很大的供電能力挖掘空間提出了適用于成熟配電網的基于供電能力優化的新規劃思路。文獻[10]提出考慮網絡重構和日負荷曲線的配電網綜合供電能力評估方法，考慮了所有的負載中斷均可通過網絡重新配置以及不同類別客戶的日常負荷曲線2種情況，并通過對所提出的模型的適用性的檢測結果表明，所提出的模型比之前發表的模型更準確，該分析方法可以應用于一系列網絡規劃研究中。

文獻[11]針對直流配電網供電能力進行了評估，提出一種基于分布式發電概率模型的概率圓采樣方法-改進的蒙特卡羅采樣方法。將徑向型，環型和網型的直流配電網絡在不同的滲透率下進行計算和比較并對該方法的可行性進行了驗證，并將其作為未來直流配電網供電能力研究的參考。文獻[12]基于 DG輸出的不確定性和電網負荷的周期性變化特點，提出一種基于分布式發電的配電網供電能力實時評估方法。該方法考慮到配電網中各種類型的DG互補發電，通過預測技術獲取未來負荷和DG輸出的情況，給出未來一段時間內配電網供電容量的變化曲線，使調度人員根據評估結果提前采取相應的措施，保證電網運行的安全可靠。文獻[13]為補充傳統配電網規劃對于中壓網架接線模式的選擇缺乏理論分析的不足，提出一種基于供電能力分析的中壓配電網網架精細化規劃方法。基于供電能力的概念對變電站互聯“度”進行比較分析形成網絡合理供電架構的構建方法，以配電網供電能力充分發揮為原則，建立中壓饋線互聯結構的規劃方法，對配電網規劃工作具有積極的指導意義。

2 城市配電網供電能力評估模型

國內外學者對城市配電網供電能力評估模型方面做了大量研究，從不同角度出發，構建了適應當前場景的供電能力評估模型。

文獻[14]從分析不確定性因素對主動配電系統供電能力的影響入手，針對不確定性因素進行建模，并基于場景生成及縮減技術，形成供電能力評估的多場景，針對多場景下主動配電系統的短期供電能力進行評估。文獻[15]針對含分布式電源的配電網，考慮分布式電源的波動性和間歇性等特點，基于改進的重復潮流法建立了配電網供電能力評估模型，并通過算例驗證其有效性和可行性。文獻[16]在傳統供電能力評估模型的基礎上，提出了基于全概率理論的供電能力概率分析模型，并以風電為例分析間歇性能源滲透率和波動性對供電能力的影響。文獻[17]基于潮流跟蹤理論確定線路功率的主導開閉所負荷，并建立線路功率與主導開閉所負荷之間的功率分攤多元非線性回歸模型。在此基礎上，提出以變電站下網功率之和最大為目標函數，以電網N?1供電安全準則下的變電站主變容量限制、線路傳輸容量限制及開閉所容量限制為約束條件的環型配電網最大供電能力模型。文獻[18]提出一種評估配電網供電能力的新模型，根據主變壓器負荷率平衡原則，以變電站負荷率為自變量，以系統最大供電容量為目標函數，約束條件為主變N?1故障情況下負荷轉移不超過變電站之間聯絡線傳輸容量以及變壓器容量裕度，該評估方法不僅考慮了聯絡線和變壓器容量的充分利用，而且考慮了變電站的負荷平衡，保證了系統的安全性和電源的質量。文獻[19]研究電動汽車充放儲一體化電站并網對電網供電能力的影響。考慮電網運行和電池電荷狀態，對一體化電站進行多場景優化，應用比較矩陣法提出了含一體化電站的電網供電能力評估指標，并結合連續潮流法進行評估。

在新的經濟技術條件下，如分布式供電理念、充放儲一體化電站并網以及多場景技術的發展等均從不同方面對配電網供電能力評估模型產生不同程度的影響，見表2。

表2 新的經濟技術條件對評估模型的影響Tab. 2 Impact of new economic and technological conditions on the evaluation model

3 城市配電網供電能力評估步驟

城市配電網供電能力評估的流程主要分為 3個步驟：1）建立城市配電網供電能力評價指標體系；2）確定各評價指標權重；3）確定評價方法。配電網供電能力評估流程圖如圖1所示。

3.1 城市配電網供電能力評價指標體系

作為評價的基礎，評價指標體系選擇的好壞對分析對象具有舉足輕重的作用。在建立評價指標的過程中，可能會出現不合理情況。例如：指標體系的結構不合理，即缺乏對指標內涵的理解，未做到對指標清晰的分類；指標冗余度過高，即未考慮指標之間直接或間接的影響，從而造成指標權重確定的不合理；指標全面性不足，主觀性較強的缺點。

圖1 配電網供電能力評估流程圖Fig. 1 Flow chart of power supply capacity assessment of distribution network

在充分調查與研究配電網運行特性的基礎上，依據《城市電網規劃設計導則》和《電力系統安全穩定導則》并結合配電網具體情況，對現有評價指標建立方法進行歸納總結，明確評價指標體系構建原則，在原有對配電網開展單項評估的基礎上，構建一套能夠綜合、全面地反映城市配電網供電能力的評價指標體系。可按以下基本原則進行選擇。

1）系統性原則。評價指標體系的各項指標必須能在相互配合中，從整體角度，全面、系統地反映配電網運行的技術特點和狀況，充分體現配電網運行的經濟性。

2）科學性原則。評價指標體系的各項指標應該彼此獨立、有機結合。根據各項評價指標之間的相互關系，盡可能降低指標間的關聯度，避免或減少指標間的重疊交叉區域。

3）客觀性原則。為全面客觀的反映配電網運行的經濟情況，應細化評價標準、完善評價方式，建立客觀真實、科學有效的配電網經濟運行評價指標體系，從而保證評價結果的客觀公正。

4）實用性原則。評價指標體系的構建還要考慮實用性和可行性，要便于相關人員操作和使用，指標數據易采集，表達方式易理解。

供電能力評價指標大體可分為負載能力和轉供能力2個方面，負載能力可包括線路重載比例、容載比、配變重載比例等指標；轉供能力可包括線路滿足N?1比例、線路聯絡率、不同變電站聯絡線比例等指標，根據實際電網所處場景合理設計評估指標，部分指標含義如下。

1）容載比。容載比是指某一供電區域，變電設備總容量與供電區最大負荷的比值。

2）線路滿足N?1比例。線路滿足N?1比例是指滿足N-1安全準則的線路條數與線路總條數的比值。

3）線路聯絡率。線路聯絡率是指有聯絡的線路條數與線路總條數之比。聯絡包括同一變電站不同母線出線之間的聯絡以及不同變電站出線之間的聯絡。

3.2 城市配電網供電能力各評價指標權重確定方法

權重確定的合理性直接影響整個評估過程的正確性。確定權重的方法很多，如德爾菲法、層次分析法、主成分分析法、熵權法以及上述幾種方法組合確定法等[20-21]。如何選擇對指標進行賦權的最佳方法，是綜合評價的關鍵。

3.2.1 主觀賦權法

主觀賦權法是基于決策者直接給出偏好信息的方法，如層次分析法，德爾菲法和最小平方和法等，但主觀賦權法存在理論論據不充分，主觀隨意性較大等缺陷。下面簡單介紹幾種主觀賦權法。

1）德爾菲法。德爾菲法也稱專家咨詢法，該方法首先需要選聘若干被評價對象相關領域的專家學者對評價指標的相對重要性進行相互獨立地判斷，通過一定的數理統計方法對專家的賦權結果進行分析，最終確定各指標的權重系數。

2）層次分析法。運用層次分析法確定權重，首先根據指標層次，構造兩兩比較的判斷矩陣，即同一層次指標關于上層某指標的相對重要性，再由判斷矩陣計算指標權重并進行一致性檢驗。該方法的優點是指標層次清晰，需要的定量數據較少，缺點是定性成分多，從而影響權重的合理性。3.2.2 客觀賦權法

客觀賦權法是基于決策矩陣信息的方法，如主成分分析法、熵權法和多目標最優法，但所確定的權重有時與指標的實際重要程度相悖。下面簡單介紹幾種客觀賦權法。

1）主成分分析法。主成分分析法是一種多元分析方法，主成分分析法通過數據變換減少指標維數，并保持數據變換后各指標數據對方差貢獻最大的特征，將重多指標轉化歸類為幾個綜合性指標，并保證數據轉換后指標體系的綜合性和全面性。

2）熵權法。熵最初是物理學中對系統無序性狀態進行描述的概念。后來被廣泛應用于評價和決策理論中。在信息論中熵用于測定信息不確定性的量，信息量越大，不確定性就越小，熵也就越小，反之，信息量越小，不確定性就越大，熵越大。

3.2.3 組合賦權法

近年來，考慮到主、客觀賦權法各自的缺點，組合賦權法收到越來越多的重視。通過對主觀賦權法和客觀賦權法所確定的指標權重進行折中和優化處理，結合被評價對象的具體情況，確定最終的評價指標權重。該方法既能夠在一定程度上反映決策者的主觀傾向，又可以通過運用客觀定量的數理模型和原始數據保證指標權重的客觀性，獲得的評價指標權重較為合理。

3.3 城市配電網供電能力的綜合評價方法

針對電網的綜合性評價，目前國內外眾多專家學者也有所研究。綜合評價是指人們根據不同的評價目的，選擇相應的評價形式，據此選擇多個因素或指標，并通過一定的評價方法，將多個評價因素或指標轉化為能反映評價對象總體特征的信息。

根據各評價方法所依據的理論基礎，把綜合評價方法大體分為4類：第1類是專家評價方法；第2類是基于運籌學與其他數學理論的方法，如模糊綜合評判法、數據包絡法等；第3類是新型的評價方法，如人工神經網絡法[22]、灰色綜合評價法；第4類是混合方法，即在解決同一個問題時同時使用幾種不同的評價方法。如主成分分析法+模糊綜合評判[23]、模糊神經網絡評價法[24]。

下面簡單介紹幾種綜合評價法。

1）模糊綜合評價法。基于模糊數學理論的模糊綜合評價方法，是根據模糊關系合成的原理，量化分析一些邊界不清、不易定量的影響因素，從多個因素對被評價事物隸屬等級情況來進行綜合評價[25-26]。作為一種綜合評價方法，模糊綜合評價法有以下優點：首先，模糊綜合評價通過定量方法處理模糊評價對象，可以使評價更科學、合理，能貼近實際地處理具有模糊性的數據；其次，通過模糊綜合評價所得出的結果是一個向量，而不是一個確切的值，它包含的信息量比較大，可以更準確地描述評價對象，并可進一步加工，具有更多的信息參考價值。

2）數據包絡分析法。數據包絡分析(data envelopment analysis，DEA)是一個多學科交叉領域，其科學理論背景包括數學、運籌學、數理經濟學和管理科學等。1978年，A.Charnes，W.W.Cooper和E.Rhodes給出了決策評價單元相對有效性的C2R模型，作為DEA的初始模型[27]。DEA評價過程是使用數學規劃模型，對具有多個輸入、輸出的決策單元之間的相對有效性進行評價，對所提供數據的確性非常敏感，因此對數據包絡分析法的應用有一定的限制。

3）灰色關聯分析法。灰色關聯分析法是挖掘數據內部規律的有效方法，其基本思想是對數據序列幾何關系和曲線幾何的相似程度進行比較分析，以曲線間相似程度大小作為關聯程度的衡量尺度[28-29]，灰色關聯分析過程是先獲取序列間的差異信息，建立差異信息空間，再計算差異信息的灰色關聯度，從而建立因素間的序關系，具有對樣本數據要求低，計算量低的特點。

4）TOPSIS法。逼近于理想解的排序法(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)是 C.L.Hwang和 K.Yoon于1981年首次提出，根據有限個評價對象與理想化目標的接近程度進行排序的方法，是在現有的對象中進行相對優劣的評價[30]。TOPSIS法通過構造理想值并使各參評方案逼近于理想解，是一種評判排序法，該方法只要求各指標的效用函數具有單調遞增(或遞減)性即可。

綜合考慮各項評價指標，確定配電網供電能力指標綜合評估方法，對現狀網進行評價，通過評價結果全面反映配電網的運行情況，找出影響配電網供電能力的因素，為進行電網改造、提高其運行的供電能力提供理論指導。

4 總結與展望

本文對傳統城市配電網供電能力評估內容、評估方法和評估模型3方面的當前研究現狀進行了總結，并對城市配電網供電能力評估的3個步驟分別進行了歸納分析，即建立城市配電網供電能力評價指標體系、確定各評價指標權重和確定評價方法。但隨著電網規模的擴大，復雜性的提高，城市配電網供電能力評估將面臨新的挑戰，需要適應新環境下的配電網絡，并針對評估中發現的配電網薄弱環節進行合理的電網規劃改造技術論證，通過對城市配電網進行規劃改造，可以使配電網網架結構更加合理，提高電網的供電質量和供電可靠性，創造更大的社會效益。

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