基于層次分析的配電網供電可靠性評估方法研究

王梓丞

(廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510630)

0 引言

隨著新一輪電改的逐步推進、電力市場的不斷放開，越來越多的售電公司參與到配電網的建設、運維管理中[1]。因售電公司的配電網建設、運維水平參差不齊[2-3]，所以配電網的供電可靠性評估顯得尤為重要。傳統的配電網供電可靠性評估，主要是針對10 kV中壓線路的供電可靠性評估。其評估方式較為粗獷，不能滿足配電網服務企業的精益化管理要求[4-6]。

國內外許多學者對配電網供電可靠性作了大量研究。文獻[7]提出了一種計及電網二次的配電網供電可靠性評估方法，通過區域集中保護和容錯機制，實現配電網各區域的供電可靠性評估。文獻[8]提出了一種基于單相接地的配電網供電可靠性評估方法，通過故障的最小影響分析，對配電網供電可靠性指標進行計算。文獻[9]提出了一種計及配電網信息失效的配電網供電可靠性評估方法，通過對配電網自愈過程中的信息失效信息分析，采用蒙特卡羅法進行配電網供電可靠性評估。文獻[10]提出了一種含分布式能源和用戶類型的配電網供電可靠性評估方法，通過對用戶時序負荷和分布式能源接入的分析，實現對配電網供電可靠性的評估。文獻[11]提出了一種配電網全生命周期的供電可靠性評估方法，通過全生命周期的收益成本來衡量配電網供電可靠性。由此可見，配電網供電可靠性評估方法多樣，且取得了一定的成果。但配電網評估中，數據僅來源于10 kV中壓線路，而未考慮0.4 kV供電可靠性的情況，評估準確度不足。

針對傳統的配電網供電可靠性評估中存在的0.4 kV低壓配電網分析不足、評估準確度低的問題，本文提出了一種基于層次分析的的配電網供電可靠性評估方法，設計了一種配電網供電可靠性評估模型，通過高速電力線載波實現戶變關系拓撲；在此基礎上，通過評估矩陣綜合分析配電網的可靠性；最后，通過實例驗證了所提方法的可行性和有效性。

1 供電可靠性評估框架

本文提出了一種基于層次分析的配電網供電可靠性評估方法(以下簡稱本文方法)。供電可靠性評估框架如圖1所示。

圖1 供電可靠性評估框架圖Fig.1 Frame diagram of power supply reliability evaluation

供電可靠性評估框架主要包括戶變關系拓撲識別、10 kV中壓數據融合、供電可靠性層次分析、指標權重確定和評估矩陣分析這5個環節。在戶變關系拓撲識別環節，通過智能融合終端的高速電力線載波拓撲識別功能，實現配電變壓器與用戶電表之間拓撲關系的自動識別，并采集電表的電氣特征數據。在10 kV中壓數據融合環節，將0.4 kV低壓用戶的電氣數據與配電自動化系統中10 kV環網柜、開閉所、10 kV中壓線路等測量數據融合，形成中低壓貫通的配電網拓撲數據。在供電可靠性層次分析環節，基于對分布式能源的考慮，通過層次分解，得到配電網供電可靠性指標。在指標權重確定環節，通過熵權法確定配電網供電可靠性評估各指標的權重。在評估矩陣分析環節，通過評估矩陣，生成配電網評估報告。

2 配電網可靠性評估模型

2.1 戶變關系拓撲識別

2018年，中國國家電網有限公司開展了配電臺區高速電力線載波建設工作，以期通過提高電表數據通信速率和方式，實現非計量數據的采集與戶變關系的識別[12]。

戶變關系識別即識別用電電表所屬的配電變壓器。本文通過自動拓撲識別的方式實現用戶電表與配電變壓器的關系對應，以消除人工錄入中存在的錄入錯誤。

首先，通過智能融合終端在電壓過零點向電表發送戶變關系識別信號。發送的信號中帶有已知的相位信息和時間戳信號。電表在接收到信號后，將自身過零點的時間戳與接收到的時間戳進行比較。如果時間一致，則檢出識別中的信號，并存儲在電表上。最后，電表向智能融合終端注冊所屬相位，完成戶變關系識別。

設臺區有n個電表。其中：X、Y、Z為單相電表；L為三相電表。智能融合終端識別的電表矩陣K(n)為：

(1)

2.2 10 kV中壓數據融合

在數據融合的過程中，通過公共信息模型(common information model,CIM)將配電自動化中的中壓模型與0.4 kV的用戶模型信息進行拼接，同時，刪除2個模型中重復的部分。為確保合并后的中低壓配電網拓撲模型的網絡拓撲關系、狀態估計等應用，在合并后，通過拓撲關系校驗，驗證數據融合是否正確。

2.3 供電可靠性層次分析

層次分析法是將一個復雜的問題分解為多個層級，通過求解特征值的方式獲得最優方案。本文對影響供電可靠性的原因進行層次分析，并歸類和形成特征指標集。

在對配電網的分布式能源進行分析后，進行層次分解。設判斷的特征系數為k、經過歸一化后的特征級數為m、分布式能源影響供電可靠性為Δs。則供電可靠性層次分析的一致性指標Fa為：

(2)

為衡量供電可靠性一致性指標，通過隨機供電可靠性一致性指標Fb來計算。

(3)

為解決層次分解偏離問題，本文引入校驗系數Fc：

1.2.1 黨參總皂苷納米乳處方篩選。室溫下，將黨參總皂苷分別溶于表面活性劑(Cremophor EL40、Tween-80、Span-80)、助表面活性劑(PEG400、1,2-丙二醇)、油(辛酸癸酸甘油三酯、橄欖油)中，渦旋振蕩，直至不再溶解，測定藥物在各溶劑中的溶解情況。

(4)

通過供電可靠性層次分解后，得到配電網可靠性評估指標。配電網供電可靠性層次分解包括配電變壓器負載率、電壓合格率、配電臺區發展協調性、配電臺區負荷發展預測、故障恢復時間、帶電作業工作率、單位供電成本、配電臺區綜合線損率等特征指標。

2.4 指標權重確定

通過熵權法確定配電網供電可靠性評估各指標的權重，并采用熵值來判斷評估指標的離散程度。其信息熵值越小，則指標的離散程度越大，權重也越大。其中，單個指標的信息熵除以所有指標的信息熵之和即為該指標的權重。

設用戶評價配電網供電可靠性指標的總數為G，每個指標的信息熵為Ji(i=1,2,...,G)，通過信息熵計算每個指標的權重Z。

(5)

2.5 評估矩陣分析

在供電可靠性分析指標體系和指標權重的基礎上，構建評估分析矩陣，并輸入的配電網的指標衡量信息。根據評估矩陣，可獲得配電網的供電可靠性評估值。

設供電可靠性評估指標為Wi(i=1,2,...,G)，則評估結果X為:

(6)

3 算例分析

采用本文方法，對某區域的配電網供電可靠性進行分析。該方法所采用的計算機操作系統環境為windosw10，中央處理器為Intel酷睿2.8 G，內存為16 GB。配電網的拓撲架構如圖2所示。

圖2 配電網拓撲架構圖Fig.2 Distribution network topology

①可靠性評估模型運行性能分析。

表1 可靠性評估模型運行性能對比結果

由表1可知，基于本文方法的性能優于貝葉斯可靠性評估方法。

②可靠性評估準確性分析。

選擇配電網的樣本數為5個、10個、20個、50個、80個、100個、200個，對比本文方法與貝葉斯可靠性評估方法的準確率。將上述兩種方法檢驗的可靠性評估結果與專家人工核查結果進行對比，與專家人工核對結果一致的即為準確。其正確的數量與檢驗總數之比為準確率。可靠性評估模型準確率對比結果如表2所示。

表2 可靠性評估模型準確率對比結果表

由表2可知，本文方法的平均評估準確率為99.40%，而貝葉斯可靠性評估方法的平均評估準確率為96.49%。因此，本文方法評估準確率優于貝葉斯可靠性評估方法。

③分布式電源對評估準確性分析。

選擇200個配電網樣本，對比本文中方法與貝葉斯可靠性評估方法的分布式電源影響程度。對比方法為：在接入分布式電源和未接入分布式電源的情況下，將上述2種方法檢驗的可靠性評估結果進行專家人工核查結果進行比對。與專家人工核對結果一致的即為準確，則其正確的數量與檢驗總數比較即為準確率。將未接入分布式電源后的準確率減去接入分布式電源后的準確率，即為分布式電源影響程度。分布式電源影響率對比結果如表3所示。

表3 分布式電源影響率對比結果

由表3可知，本文方法在分布式電源影響率方面低于貝葉斯評估法。

④可靠性評估結果。

采用本文方法對某區域100個配電網進行可靠性評估。配電網供電可靠性評估結果為：絕對健康28%；健康占65%；一般占5%；危險占17%；絕對危險占1%。

4 結論

為解決配電網供電可靠性評估中存在的0.4 kV低壓配電網分析不足、評估準確度低的問題，本文提出一種基于層次分析的配電網供電可靠性評估方法，并設計了一種配電網供電可靠性評估模型，在高速載波識別戶變關系的基礎上實現了中低壓配電網的融合，提升了配電網評估細粒度。其次，本文采用層次分析法與熵權法建立了配電網的供電可靠性評估模型。最后，本文以中國某區域的配電網為例，對本文方法進行驗證。其運行結果證明本文方法的有效性和可行性。本文方法解決了分布式能源大規模接入配電網后的評估難題，為分布式能源的消納奠定了基礎。