电网负载健康评估模型研究

2018-01-24钱仲文曹建伟叶昕炯

浙江电力 2017年12期

钱仲文，王龙，曹建伟，叶昕炯，陈昊

（1.国网浙江省电力有限公司，杭州 310007；2.国网浙江省电力公司湖州供电公司，浙江湖州 313000）

0 引言

电网的负载水平可以综合反映电网的建设合理水平和运行健康水平，且负载评估时所使用的数据量越大，电网负载评估的结果越科学、越有实际指导意义。

目前，国内外专家学者开展了电网运行和管理相关指标的评估研究。如为减小变压器不满设计寿命便提前退役为电网带来的巨大损失，文献[1]提出基于健康水平诊断技术的变压器综合寿命评估模型。文献[2-6]对考虑业扩报装、电动汽车和风光新能源等因素情形下的电网负荷预测进行了综合研究。文献[7-12]对电网负荷调度、规划和考虑互动后的运行安全进行了综合评估。现有文献的电网指标评估较深入但是单一，即评估仅考虑某一方面，如可靠性[13-14]、安全性[15-17]、供电质量[18]、发展灵活性[19]、技术装备水平和社会效益[20-21]等。同时，尽管已有文献将供电建设情况和运行安全性相结合，但是这种程度上的综合不能满足电网评估的实际工作要求，且直接的指导性不足，其评估结果不能解决电网近期规划与建设项目的实际问题[22]。即现有文献未能解决利用电网负载的历史大数据来评估电网的总体装备水平、建设科学性、运行安全性等问题。

为此，研究建立了设备健康打分机制和电网负载评估模型，以某公司核心供电区域内的主变压器（以下简称主变）、10 kV线路和110 kV线路为算例，综合评估了核心区域电网的建设合理水平和运行健康水平，识别电网薄弱环节，为电网规划和项目建设提供科学参考。

1 评估指标体系

电网的整体评估优劣程度受多种因素影响，对电网综合评估就是对这些因素进行综合、全面、科学考虑。不同的评估理论和方法侧重点各有不同，各单项指标及其相互关系的确定方式也不尽相同，建立的综合评估指标体系也不相同。

目前，国内外应用较为广泛的评估方法主要包括层次分析法、模糊评价法和德尔菲法等[23]。

1.1 层次分析法

层次分析法是一种实用的多目标决策问题分析方法，该方法将有关因素分解为目标、准则、方案等不同层次，结合定性分析与定量分析方法，利用决策者思路和经验的数学化信息，对问题本质及其关系进行深入分析，适用于存在主观信息和不确定性的情况。

1.2 模糊评价法

模糊评价法是一种基于模糊数学理论的综合评估方法。该方法利用模糊数学中的隶属度理论对受多种因素制约的对象和事物做出一个总体评价，也就是将定性评价转化为定量评价，较好地解决了模糊且难以量化的问题，结果清晰，系统性强，适用于解决各种非确定性问题。

1.3 德尔菲法

德尔菲法采用多轮次、背靠背通信方式征询专家小组各成员的预测意见，经过反复征询、归纳、修改，汇总成专家趋于一致的看法，最后做出符合未来发展趋势的预测结论。

1.4 负载健康评价体系

对比分析不同评估方法的特征及其适用性，结合电网负载健康的评估要求，以下采用层次分析法建立评估体系和模型，对电网中主设备的负载健康程度进行定量评估。

基于供电区域的网架情况，结合评估目标，建立的电网负载评估体系如图1所示。分析图1可知，电网负载评估体系主要考虑设备的负载率和联络率等因素。

图1 电网负载评估体系

2 评估模型建立

2.1 负载健康评估模型

电网负载健康评估模型包括变电站负载评估模型、10 kV线路负载评估模型、110 kV线路负载评估模型，以及主变负载评估模型，其详细数学模型如下。

2.1.1 变电站负载评估模型

式中：HS为某一座变电站的负载健康得分，变电站共有9座；HL110，i为变电站第i条110 kV线路的负载健康得分；ωS1为第i条110 kV线路负载在变电站负载评估中的权重；N为变电站的110 kV线路数量；HL10，j为变电站第j条10 kV线路的负载健康得分；ωS2为第j条10 kV线路负载在变电站负载评估中的权重；M为变电站10 kV线路数量；HB，k为变电站第k台主变的负载健康得分；ωS3为第k台主变负载在变电站负载评估中的权重；T为变电站主变数量。

2.1.2 110 kV线路负载评估模型

式中：αL1为110 kV线路负载健康得分在其评估中的权重；XL110为第i条110 kV线路的负载值；αL2为110 kV线路的联络线得分在其评估中的权重；LL110为第i条110 kV线路的联络线得分；α1与X1，α2与X2， α3与X3， α4与X4分别为 110 kV线路在区间[0，30%]，[30%，50%]，[50%，70%]，[70%，100%]的占比及其负载聚合值；S为健康得分最高值，这里设定为满分100；n为此110 kV线路的联络线数量；C为重点区域内的联络线最大值；N为重点区域内的线路数量；ni为第i条线路的联络线数量。

2.1.3 10 kV线路负载评估模型

式中：HL10，j为变电站第j条10 kV线路的负载健康得分；βL1为10 kV线路负载健康得分在其评估中的权重；XL10为第j条10 kV线路的负载值；βL2为10 kV线路的联络线得分在其评估中的权重；LL10为第j条10 kV线路的联络线得分；β1与Y1，β2与 Y2， β3与 Y3， β4与 Y4分别为 10 kV 线路在区间[0，30%]，[30%，50%]，[50%，70%]，[70%，100%]的占比及其负载聚合值；m为此10 kV线路的联络线数量。

2.1.4 主变压器负载评估模型

式中：HB，k为变电站第k台主变的负载健康得分；δB1为第k台主变负载健康得分在其评估中的权重；ZB为第k台主变的负载值；δB2为站内负荷可转供的站内主变数量的得分在其评估中权重；LB为站内负荷可转供的站内主变数量的得分；δ1与Z1， δ2与 Z2， δ3与 Z3， δ4与 Z4分别为主变在区间[0，30%]，[30%，50%]， [50%，70%]， [70%，100%]的占比及其负载聚合值；k为站内负荷可转供的主变数量；F为站内主变的远景台数；M为重点区域内的主变数量；mj为第j台主变的负荷可转供的站内主变数量。

根据上述公式，即可求得供电区域内各设备的负载值。

2.2 健康打分机制

基于变电设备全年运行“总体良好”的原则和各设备的运行规定（导则），结合各设备2015—2017年负载大数据的聚类分析结果，提出了主设备的健康打分机制，健康打分曲线如图2所示。

图2 电网主设备的健康打分曲线

分析图2曲线可知，当负载在[0%，50%]时，设备健康良好，即其得分较高；当负载在[50%，70%]时，设备健康合格，即其得分一般，此时需关注设备运行状态，必要时可进行升级和改造；当负载在[70%，100%]时，设备健康评估不合格，得分小于60，此时的设备运行状态较危险，急需对此设备进行密切监控或改造。

3 算例分析与验证

根据上述负载健康打分机制和负载评估模型，以某公司核心供电区域内主要一次设备为算例，进行负载健康评估分析及模型验证。

3.1 算例计算

以LX变电站（以下简称LX变，其余类推）为例，对其主要一次设备2015—2016年负载数据进行统计，可得结果如图3所示。

图3 LX变电网主设备的负载统计结果

对负载结果按设定的区间进行聚类并计算平均值，可得聚类平均值分布如图4。

图4 LX变电网主设备的负载聚类平均值分布

以电网主设备的负载聚类结果为基础，可计算得到LX变各主设备的负载健康评估结果，如图5所示。

图5 LX变电网主设备的负载聚类结果

分析图5可知，LX变设备运行状态总体良好，但部分主设备的负载较重。其中，LX变1号主变、2号主变、LX567线、LX551线、LX550线、LX552线的评估结果不合格，急需对其进行改造；LX549线的负载健康接近合格线，需要密切关注，条件允许时可对其进行改造，亦可通过联络线将其部分负荷转移至临近变电站。

为提高LX变设备的负载健康状态，建议对非健康主设备进行改造，具体措施见表1。

表1 LX变非健康主设备的改造措施建议

同样，可得核心供电区域内其他主设备的负载健康评估结果，将其按变电站进行归类，可得核心供电区域的负载健康评估雷达图（见图6）。

图6 某公司核心供电区域的负载健康评估结果

分析图6可知，某公司核心区域内的9座变电站总体运行状态良好，其中BH变和FH变的负载评估得分较高，在近一段时间内无需对其改造升级。BL变的评估得分较低，其运行状态较差，急需对其重点监控，或开展相应的电网改造和补强工程；XH变、ZY变、DJ变和WB变的评估得分接近合格线，需要密切关注，或提前开展相应改造工程，以应对迎峰度夏期间的负荷增长需求。