配电网规划评估指标体系

方欢欢，程浩忠，辛洁晴，吴 立，夏 夷

（1.上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240；2.浦东供电公司，上海 200122）

配电网规划评估指标体系

方欢欢1，程浩忠1，辛洁晴1，吴 立2，夏 夷2

（1.上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240；2.浦东供电公司，上海 200122）

从安全性、经济性、灵活性、可靠性、协调性五个方面研究配电网评估指标，对配电网进行综合评估。重点研究变电站单台主变故障情况下的配电网供电能力以及线路故障时的负荷转移能力；考虑全寿命周期成本LCC（life cycle cost）对动态经济性指标包括净现值、投资回收期的影响，并将所得结果与传统经济性评价方法的结果进行对比，显示了利用LCC方法进行配电网经济性评估的全面性以及合理性。最后，利用该体系并结合熵权层次分析法对实际配电网的综合评估，验证了指标体系的有效性和可行性。

配电网；评估；全寿命周期成本；经济性；灵活性；层次分析法

配电网规划评估是运用系统工程的方法，对规划项目进行全面的跟踪、调查、分析和评价，对项目进行安全性等各方面的评价，是配电网规划分析决策的重要环节。合理的配电网规划是保证配电网安全、稳定、经济运行的有效手段，同时也是保证尽可能地减少电力建设投资浪费的重要前提。

传统的电网评价工作，包括安全性[1]、可靠性[2-3]、电能质量[4]等单项评估，从不同侧面、在不同程度上评价了配电网技术水平，但是缺乏整体性评价。文献[1]提出了事故后果严重程度指标，系统网架结构强弱指标和系统整体安全性指标。文献[4]利用模糊综合评判方法提出客观综合的电能质量评价指标。文献[5-6]提出了电网规划综合评判决策方法。

配电网规划评估指标体系的建立需遵循以下原则：系统性原则、科学性原则、客观性原则以及实用性原则。本文依据这几项原则，从安全性、经济性、灵活性等5个方面研究配电网评估指标，提出一套较完整的评估指标体系，有助于今后配电网规划的定量分析和整体评估。

1 配电网评估研究

本文建立的配电网评估指标体系包括安全性、经济性、灵活性、可靠性和协调性5个方面，如图1所示。

1.1 安全性分析

安全性指标包括电压合格率、节点电压偏移率和供电能力合格率。电压合格率为在测量时间段内，电压不越限的时间与电压监测总时间的比值。节点电压偏移率为测量时间段内，节点电压偏移与额定电压的比值，其中，节点电压偏移指由于电网运行方式的改变或负荷变化引起网络中各节点电压对网络额定电压产生的偏差。电压偏移过大对用户以及电力系统本身都有不利影响。为了保证电器设备的正常工作，必须进行各节点电压的监视和调节。供电能力主要考察某一变电站在进线容量满足主变容量的条件下发生单台变压器故障时的最大负荷供应能力，包括站内供电能力和站间转移供电能力，如图1所示。本文研究了单座变电站的主变“N-1”情况下的供电能力情况，用供电能力平衡值来表示。一座变电站失去最大容量主变后，供电能力平衡值计算公式定义为

PB=（Sre+Str）cosφ-PL（1）式中：PB为供电能力平衡值；Sre为剩余主变容量；Str为与该变电站联络的同等级其他变电站所能转带的负荷能力；PL为全站有功总负荷；cos φ为功率因数。如果PB＞0，则该变电站满足N-1安全性条件，即表明正常运行方式下该站任何一台变压器故障时，都可通过站内和站间转移，保证该站负荷100%不失电。

图1 配电网规划评估指标体系Fig.1 Indices system of distribution network planning and evaluation

一个地区满足N-1安全性条件的变电站数量占地区变电站总数的比值为供电能力合格率，可反映该地区电网对变压器N-1事故适应能力的总体水平。

1.2 经济性分析

1.2.1 全寿命周期成本（LCC）理论

全寿命周期成本[8]指从设备、系统或项目的长期效益出发，全面考虑其在规划、设计、制造、购置、安装、运行、维修、更新直至报废的整个寿命全过程中，共需要支出的费用总和。

1.2.2 考虑LCC的经济性评估

经济性分析结合LCC评估方法，从系统的全寿命周期角度对动态指标（净现值、投资回收期）进行分析计算。

传统的财务评价方法[9]，以动态现金流量分析为主，辅以静态财务比率分析，能够全面、客观地评价电力工程项目的盈利能力。

电网规划方案的LCC评估，首先要对规划方案进行合理可行的费用结构分解，建立相应的用于规划评价的LCC模型。考虑设备互联对全网的影响，将全网LCC建模分为设备层建模和系统层建模[10]。在设备层模型中，考虑各个主要输变电设备的全寿命周期成本；在系统层模型中，从人工成本、输送电量、多重故障的角度，考虑其成本的组。全网LCC构成如下：

式中：LCCnet、LCCd、LCCs分别为全网的LCC、设备层的LCC以及系统层的LCC。CId、CIs分别为设备层和系统层的投资成本；COd、COs分别为相应层的运行成本，CMd、CMs分别为相应层的维护成本；CFd、CFs分别为相应层的故障成本；CDd、CDs分别为相应层的废弃成本。

在设备层LCC模型中，CFd为单台设备停运造成的直接故障成本，对于可靠性已经较高的电网，单台设备直接故障导致的失负荷概率很小，因此CFd近似为0。系统层LCC模型中，CFs包括多重故障导致的直接经济损失和间接故障损失。故障后发生的供货方设备材料费、服务费、可能的赔偿费用、对社会造成的不良影响以及公司信誉受损等这部分属于设备的间接故障成本。本文从全网停电电量损失即停电成本的角度考虑直接经济损失。采用蒙特卡罗模拟得到EENS可靠性指标，乘以电价继而转化为全网停电损失费用模拟，即

式中：Cprice为电价；CFoutage为缺电成本，即为直接故障成本。设定间接故障成本与直接故障成本的比例为a，通常取较大量值（一般取100）以突出故障所带来的社会影响，那么间接故障成本为a× CFoutage。系统中的故障总成本为

1.3 灵活性分析

线路负荷转移能力，是电网灵活性的体现。本文以两侧电源来自不同变电站的开式单环网为例（图2），研究线路负荷转移能力的计算。

1）不考虑主变限额

设有两条不同变电站的出线l1和l2，它们通过联络线相联，联络线断路器在正常运行工况下断开；l1的负荷载流量为ILM1，l2的负荷载流量为ILM2，l2载流限额为Imax2。当l1在近电源侧发生故障时，可以转给l2的负荷最大为Imax2-ILM2，而此时需要转供的负荷为ILM1，因此l1的负荷转移率η1计算公式为

假设联络线路的载流量限额为Ill，则需要进行判断：

若Imax2-ILM2＞ILM1，即表示能够全部转移，此时进一步判断，若Ill＞ILM1，则转移率公式同式（5）；若Ill＜ILM1，则转移率公式为

若Imax2-ILM2＜ILM1，即表示不能够全部转移，此时进一步判断，若Ill＞Imax2-ILM2，则转移率公式同式（5）；若Ill＜Imax2-ILM2，则转移率公式为

2）考虑主变限额

不考虑主变限额只是理想情况，一般都是必须要考虑的。设l1是变电站B的主变T2的一条出线，主变T2的容量为Se，最高负荷为Smax，则考虑主变限额时，T2还可以带的负荷S1为Se-Smax。此时l2可转带的最大负荷。

若Ill＞Imax2-ILM2，即联络线路能够满足最大负荷的转移，此时l1可以转移的最大负荷为S= min（S1，S2）。η1为

若Ill＜Imax2-ILM2，即联络线路有限制，则此时l1负荷转移最大为。η1为

图2 开式单环网中的线路负荷转移示意Fig.2 Diagram of transferred load between transmission lines in open single loop distribution network

3）考虑能通过多条线路转移情况

若l1与多条线路有联络，例如l2和l3，此时需要分别研究通过每条线路转移的负荷转移率，设为η12、η13。取其中负荷转移率最大的线路作为转移线路，对应的负荷转移率即为线路l1的负荷转移率。若无论通过哪条联络线路，都无法实现负荷的完全转移，则可以考虑通过多条线路同时转移负荷。此时l1的负荷转移率为η12+η13。

1.4 可靠性分析

分析影响供电可靠性的装备水平，包括电缆化率；还可直接根据设备的故障率情况评估供电可靠性指标，包括用户平均停电时间、供电可靠率。其计算式分别为

1.5 协调性分析

评估电网容量和负荷之间大小协调情况，即能否适应负荷增长需求，但又不造成容量过度投资。用容载比来衡量。

式中：Rs为容载比，kVA/kW；Pmax为该电压等级最大负荷日最大负荷，万kW；∑sei为该电压等级年最大负荷日投入运行的变电站的总容量，万kVA。

2 熵权层次分析法

层次分析法（AHP）是综合主观判断的客观方法，也是一种定性和定量分析相结合的系统分析方法。适合于具有多层次结构的多指标决策问题[11]，但其仍然具有主观随意性。熵权法属于客观赋权法，可以弥补层次分析法的缺陷，因此本文采用熵权AHP法[12-13]，根据AHP法计算指标体系权重，利用判断矩阵提供的信息，进一步用熵权法修正权重，对各个指标结果进行综合评估。

层次分析法具体步骤：①建立层次结构体系；②根据1～9标度打分原则构造判断矩阵A；③判断矩阵一致性检验，求出一致性指标CI，CI=（λmaxn）/（n-1），λmax为判断矩阵最大特征根，n为矩阵阶数；④计算一致性比例CR，CR=CI/RI，RI为平均一致性指标。当CR≤0.1时，认为具有一致性；⑤层次单排序：计算满足AW=λmaxW的λmax和向量W；⑥利用层次单排序的计算结果，进一步计算出对更上一层次而言本层次所有元素重要性的权重值，进一步用熵权法修正层次分析法得出的权重，具体公式参见文献[12]；⑦利用专家打分法确定最底层各个指标的百分制得分Si。再根据公式计算上一层某属性的综合得分。逐级向上，最终得到配电网的综合评估得分值为

式中：S表示上一层某属性的得分；λi表示本层中的第i个指标的权重。

3 算例分析

本文采用某地区110 kV配电网络进行分析。截至2009年底，该地区拥有110 kV变电站182座。110 kV线路中电缆长度为202.6 km，架空线路长度为1 901 km。结合该地区2009年电网发展情况，对其进行配电网的评估。

3.1 安全性分析

根据GB/T12325—2008《电能质量供电电压允许偏差》的规定，35 kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过标称系统电压的10%。该区2009年110 kV电网的节点电压偏移率为5.9%，电压合格率达到98.77%。

选取2009年高峰负荷日7月20日12∶00时刻，根据第1.1节计算该区110 kV变电站的“N-1”供电能力，得出该区110 kV变电站“N-1”供电能力合格率达到97.59%。

3.2 经济性分析

本文对某地区110 kV电网投资进行经济性分析，分别采用传统财务评价方法以及考虑LCC的经济性评估方法。

传统的成本计算仅考虑一次投资成本，对应的是LCC成本中的投资成本。有关指标参考2006年颁布的《企业会计准则》、2007年颁布的新企业所得税法以及《工程经济学》中的相关规定。

LCC成本计算首先确定设备层主要设备，本算例考虑占比较大的110 kV线路以及变压器资产。COd用全网网损代替；CMd为故障频率乘以每次故障的维护成本，用新增投资的1%近似；CFd近似为0；CDd为根据设备造价计算的新增设备残值。COs取新增投资的5%；CMs为新增设备多重故障下的维修费用，近似为0；CDs为原系统的旧设备退役的残值和处理费用。

两种经济性评估所得结果如表1所示。相比之下，考虑LCC的经济性动态指标净现值减少，投资回收期增加。这是由于它不仅全面包含了传统的现金流分析，还包含了网损以及可靠性的影响。

经济性评估中要求电力规划方案的净现值要大于等于0；投资回收期一般在20 a内。由表1可知，2009年该地区电网110 kV建设方案是合理的。

表1 两种评价结果Tab.1 Results of the two methods

3.3 灵活性分析

根据第1.3节，计算该区220 kV变电站的110 kV侧出线的线路负荷转移率。选取2009年7月20日高峰负荷日12∶00，共研究出线98条。对无转移点的线路、因主变过载不能转移的线路、因线路过载不能转移的线路、因开口点进出线载流量限制（即联络线路限制）不能转移的线路，共4种情况进行统计分析。考虑主变可以达到满载100%主变容量的情况，线路也是可以达到满载100%电流限额的情况，超过100%则视为过载。能够进行负荷转移的线路占比为74%。其余线路因没有其他线路与之相联络而不能转移。因此需要加强出线之间的联络，增加线路负荷转移能力。

3.4 可靠性分析

根据第1.4节公式进行计算，得出电缆化率为9.63%。《城市电网技术原则》要求用户供电可靠率至少达到99.99%。用户平均停电时间为5.94 h/（户·a）；该区配电网供电可靠率（RS）为99.932%，有待提高。

3.5 协调性分析

文献[14]中推荐的相应各电压等级城网的容载比，宜控制在1.5～2.2范围之间。在负荷高速增长期及发展区域，可适当突破其限制，但原则上110 kV电网不超过2.5。该地区110 kV电网容载比为2.24，比较符合有关容载比的限制，显示出电网建设的协调性。

3.6 结合熵权层次分析法的综合评估

根据图1建立的层次结构，构造每层判断矩阵，求出最大特征根并检验判断矩阵一致性。利用熵权法对层次分析法得到的权重进行修正，得出各层指标权重（部分），见表2。

表2 熵权层次分析法获取权重结果Tab.2 Results of entropy weight AHP

对各个指标计算结果按照百分制由专家进行打分，以A1下层指标为例，如表3所示，按照0、20、40、60、80、90、100这几个等级进行打分。一般配电网对安全性指标的要求都很高，因此不大可能会落在低于60～80分的区间内。因此列出了80、90、100分的等级标准，电压合格率在（85～95）%之间为80分，（95～98）%之间为90分，大于98%为100分。再根据公式，得出安全性指标得分为90分。依次计算经济性得分为96分，灵活性为70分，可靠性为67分，协调性为90分。最后，得出该区2009年配电网规划整体水平得分为86.37分。

表3 安全性评分标准Tab.3 Grading standards of security

4 结语

本文提出了配电网综合评价指标体系，该体系包括安全、经济、可靠、灵活以及协调性5个方面，共10个指标，能够全面客观反映配电网的整体水平。其中，经济性评估采用LCC方法，对配电网的投资收益得出更符合实际的结果。采用上述体系，对某地区2009年的110 kV配电网进行整体评价：通过对线路负荷转移能力以及供电能力的分析，找出供电薄弱环节；通过LCC分析，使得经济性结果更为全面。最后结合熵权层次分析法对配电网进行了综合评估。

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Indices System of Distribution Network Planning Evaluation

FANG Huan-huan1，CHENG Hao-zhong1，XIN Jie-qing1，WU Li2，XIA Yi2
（1.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion of Ministry of Education，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.Pudong Power Supply Company，Shanghai 200122，China）

An integrated indices system of network planning and evaluation is built in this paper，referring to security，economy，reliability，flexibility and coordination.The ability of network to transfer load between transmission lines as well as the power supply capability are studied in detail when the single main transformer fails in the substation.The impacts on dynamic indicators such as ENPV of life cycle cost（LCC）is studied in the economy analysis and compared with the traditional economic evaluation method.Finally，the effectiveness and feasibility of the evaluation system proposed in this paper are verified through a regional realistic network assessment，using the entropy weight AHP.

distribution network；evaluation；life cycle cost（LCC）；economic analysis；flexibility；analytical hierarchy process

TM727

A

1003-8930（2013）06-0106-06

方欢欢（1988—），女，硕士研究生，从事电力系统规划等研究。Email：huanhuanf@163.com

2012-02-15；

2012-03-20

国家自然科学基金项目（51261130473）

程浩忠（1962—），男，博士，教授，博士生导师，从事电力系统规划、电压稳定、电能质量、配电自动化系统等研究。E－mail：cheng_haozhong@126.com

辛洁晴（1973—），女，博士，副教授，从事电力营销、电力市场、电网规划等研究。Email：jqxin@sjtu.edu.cn