最优标杆在市级电网企业线损精益管理中的综合应用

2018-12-06陆艺丹

电力系统自动化 2018年23期

李滨, 严康, 罗发, 陆艺丹

(广西电力系统最优化与节能技术重点实验室(广西大学), 广西壮族自治区南宁市 530004)

0 引言

综合线损率是衡量电网经济效益的重要指标,其反映了电网在生产、运行、维护过程中损失的电量。随着电网企业管理理念由“粗放型”转向“精细型”,再由“精细型”转向“精益型”,电网企业对线损管理提出了更高要求[1]。

许多学者针对线损率计算、降损指标设立、降损措施进行了大量研究。文献[2]基于改进的向量机对配电网理论进行计算。文献[3]和文献[4]分别采用负荷电量计算台区理论线损值的牛拉法和LM算法优化的反向传播(back propagation,BP)神经网络计算台区线损率。文献[5]采用基于随机森林算法合理估计台区线损率,解决了供电侧数据缺失导致的线损率缺失现象。文献[6]提出一种月度线损率定量计算方法,为电力部门开展电网规划和节能工作提供了理论依据。文献[7]采用统一潮流控制器(UPFC)系列变换器的新型控制方案,在高比例可再生能源系统中实现线损降低。文献[8]提出包含极限线损率和极限降损率指标的配电网降损优化方法,以发掘降损潜力。文献[9]针对海量数据集下的电力系统,提出混合聚类分析的网线评估方法。但线损管理是一项过程性的工作,贯穿于电能输送与管理的各个环节。将采用专家经验的多维度多指标线损管理对标模式应用于县级电网企业线损管理中,通过专家经验制定多指标权重,并进行综合评估,以发掘隐藏于线损率下的线损管理水平[10],但其存在以下两方面不足。

1)无法精准寻标。评价算法具有单一性,算法的立足点不同会导致评价结果不同,单一算法的结论会具有片面性,不利于找到线损管理标杆企业、发现企业改进方向。

2)无法有效对标。其对标方式为与标杆企业的横向对标,虽然可以衡量参评企业与标杆企业间的不足,但是无法凭借结果指导线损管理工作、形成流程化闭环管理,造成“空有结果、无从下手”的现象,不满足线损管理“精益化”的要求。故按照“精益化”原则,建立全面、公正的过程性线损精益管理机制势在必行。

在上述背景下,通过六西格玛(design,measure,analyze,improve,control,DMAIC)模式发现目前市级电网(简称市网)企业线损管理存在的问题,同时利用戴明环(plan,do,control,action,PDCA)构建线损闭环管理流程,从而建立DMAIC-PDCA全过程的线损闭环管理模式。科学合理地从规划、运行、管理、技术4个维度建立全过程性的线损管理评价体系;构造多评价序列信息矩阵,利用柔性优化奇异值解决目前电网线损管理评价结论不一致问题,合理评价线损管理水平,进而选取市网线损管理最优标杆企业;市网企业与最优标杆市网企业多层次的对标体系反映了企业线损管理水平,并挖掘优秀的线损管理措施指导企业完成市网线损闭环管理工作。最后对某网区61家市级电网企业进行线损管理计算,并选取某市网企业进行线损管理分析,验证其有效性。

1 DMAIC-PDCA市网线损管理模式

根据DMAIC模型对企业线损管理进行优化,将线损管理分为定义、测量、分析、改进、控制5个阶段构成的过程改进方法[11-13]。结合PDCA模式对供电企业线损管理归口部门进行必要的指导和督促,形成反馈机制,做到工作闭环、线损管理的计划—实施—检查—反馈的持续改进[14-15]。具体流程如图1所示。

图1 市网企业线损管理DMAIC-PDCA模式Fig.1 DMAIC-PDCA model of line loss management in city-level power grid enterprises

①“定义”需要建立可以全面、公正衡量线损管理的相关指标;②“测量”市网线损管理指标数据,评估目前线损管理水平并选取标杆企业,实现精准寻标;③“分析”线损管理差距产生的原因,即与标杆单位指标得分的差距,明确管理线损降损方向,优化较弱指标;④通过企业自身、标杆企业、相近企业纵向对标并结合相关降损材料“策划”优秀减损措施,结合自身实际情况“实施”“改进”的措施;⑤“控制”改进的效果,通过比对近年数据观察降损效果,形成“检查”反馈机制,并做出相应的“调整”以形成线损管理工作闭环。该模式解决了传统线损管理模式的“空有结果、无从下手”的现状,实现了线损管理有效对标,使线损管理规范化、流程化、精益化。

2 地市级线损管理评价体系

综合考虑市级电网实际情况和线损管理过程,根据电网运营价值链并承接电网企业线损管理要求,将评价体系划分为规划、管理、运行和技术4个维度,贯穿线损管理全过程。根据指标选取原则选择指标,科学求取维度和指标权重,并以电网各项规范和实际分布情况制定指标评分标准,进而构建多维度线损管理评价体系。根据有助降损、全覆盖、可采集选取指标。根据市级电网结构、设备状态、用电结构等情况,以及依据3个指标选取原则,按规划、管理、运行、技术4个维度,系统地分析比较影响线损的主要因素。根据评价指标对线损影响特性挑选指标,应用层次分析法建立多维度线损管理评价指标体系,使各维度的二级指标能综合体现该维度的管理水平,所有指标能综合评价该地市级电网的线损管理水平,实现从多维度、多方面、多指标进行评价考核,促进线损管理精益化水平提升。指标体系详情如表1所示,统计口径如附录A表A1所示。

表1 市网企业线损管理指标体系Table 1 Index system of line loss management for city-level power grid enterprises

3 基于信息评价序列矩阵SVD优化的标杆选取

评价算法的提出都有其特定意义和背景,因此运用每种评价方法得到的序值都可以看作是从某个角度对线损管理结论的一种反映。本文以多种算法结论作为列向量构造评价信息矩阵,对其进行奇异值分解(SVD),将信息矩阵中列向量的共同点、差异点分解到不同特征的子空间中[16-17],再对矩阵奇异值进行优化,提取矩阵列向量共性部分,消除噪声。所提取的共性部分满足多种评价算法特性,可以全面衡量线损管理水平,并取最优值为标杆企业。通过标杆值,寻找市网企业线损管理的不足,明确其线损管理降损方向,可以较快提升线损管理水平。

3.1 标杆选取流程

通过收集所构建的市网线损管理指标体系数据,使用层次分析法、熵权法、惩罚性变权理论、变异系数法、余弦值法、理想逼近点(TOPSIS)法、秩和比法这7种不同的评价方法对参评市网企业线损管理进行评价,再用其评价结论作为列向量构造评价信息矩阵;通过奇异熵校验信息矩阵质量,去除重复性强的指标算法;通过奇异值对矩阵进行优化,提取算法列向量间的共性部分,剔除噪声点;采用相关性校验检验矩阵优化后效果,并根据优化后的最优值选取标杆单位。具体对标流程如图2所示。

图2 市网企业线损管理对标流程Fig.2 Benchmarking flow chart of line loss managementfor city-level power grid enterprises

3.2 构造评价信息矩阵

层次分析法强调专家经验[18],变权理论提出指标得分合理分布要求[19-20],熵权法[21]、变异系数法[22]分别从不同的角度挖掘数据的隐含信息,秩和比法[23]、TOPSIS法[22]从不同的方面衡量指标数值,余弦值法表明与现有理想值的相似程度[24]。使用7种不同算法的线损管理评价序值分别作为列向量构造评价序列矩阵,增加信息矩阵的数据特征、行业特征,多方面反映线损管理水平,避免了单一性。设S为线损管理评价信息矩阵,有

(1)

3.3 奇异熵矩阵质量校验

奇异熵作为信息熵的一种改进形式,其越大说明矩阵所含信息越复杂、越丰富[25-26]。信息奇异熵的变化趋势可用于判断线损管理评价矩阵质量。

对于线损管理评价信息矩阵S将n维空间中的向量映射到p维空间中,实矩阵S可分解为:

S=UWVT

(2)

(3)

式中:U和V分别为m阶和n阶正交阵;H=diag(H1,H2,…,Hn),为矩阵S的奇异值矩阵,并按照降序进行排列。奇异值Hi用于描述S中特征的量化比较,故H对矩阵信息可做出客观反应。

设线损管理评价信息矩阵的奇异熵定义为:

(4)

(5)

式中:k为奇异熵的阶次;ΔEi为奇异熵在阶次i的增量。

3.4 优化信息矩阵

提取原始矩阵S的共性信息,剥离噪声信息。参照文献[27],期望由S到优化矩阵Z的调整过程中多评价结论之间的误差能尽量少,从而提高结论之间的一致性程度。但同时还期望尽可能多地保留原有信息,避免优化矩阵与原始矩阵间偏离较大,所以k值的确定需要同时考虑两个此消彼长的指标。

可信度指标tk反映了Z中所含的原评价矩阵S信息量的多少,是指Z与原始矩阵S的贴近程度。记tk计算公式为:

(6)

一致度指标Tk反映了优化矩阵与S1(仅保留最大的一个奇异值后得到的优化矩阵)的贴近程度。记Tk计算公式如下:

(7)

为融合一致度和可信度要求,构造一个合成指标,定义为一致可信度指标Kk,其计算公式如下:

Kk=a1(b1Tk+b2tk)+a2(Tktk)

(8)

式中:b1Tk+b2tk为线性组合部分,表明一致度和可信度能够进行功能性互补，b1+b2=1;Tktk为非线性部分,此部分强调一致度和可信度的均衡性;a1+a2=1,用于考虑均衡性与互补性的融合。

按照“一致度”与“可信度”的相对重要性程度设定b1和b2的值。按照使整体离散程度最大选取a1和a2的值。设

(9)

根据一致可信度指标,选取最优k值,保留H中的前k阶奇异值,得出Wn,根据Wn求解优化矩阵Z。记Z为:

Z=UWnVT

(10)

3.5 矩阵优化质量相关性校验

利用Z和S的相关性程度检验Z的合理性(Z应与S具有极高的相关性)。选用KENADLL协和系数G作为相关程度的衡量。G的计算公式如下:

(11)

式中:rij为序值;mi为第i个线损管理综合评价算法的评定结果中重复序值的个数;nij为第i种评价算法的线损管理评定结果中的第j个重复值。

G的显著性校验:

(12)

(13)

满足式(13)则认为优化后的评价结论Z与原始线损管理评价矩阵S具有显著一致性,能够反映线损管理矩阵S所包含的信息。故选取Z的最优值为最优标杆,其可以反映多种评价算法的特性。

4 多层次对标模式

建立以最优标杆横向对标、企业纵向对标为主的对标模式,明确参评企业降损方向,挖掘降损措施,使对标模式更加层次化、精益化、具体化,利于今后更好地开展线损管理工作。

最优横向对标:由指标得分差距分析参评单位与标杆单位的指标差距,明确管理降损方向,优化较弱指标。参评企业与最优标杆企业的线损管理对标,能使线损管理更加规范化、精益化,明确线损管理优化方向,进而采纳、吸收优秀的降损措施,更快更好地持续提高市网企业线损管理精益化水平。

企业纵向对标:以最优标杆纵向对标为主,参评企业纵向对标为补充的纵向对标模式。需要今年和上一年数据,并结合各参评单位的线损管理工作计划和年终线损总结,以及降损措施计划表等资料,挖掘出优秀措施,使得降损措施更加具有实践性,便于参评企业更好地吸收、借鉴。

具体的对标步骤如下:①整理综合评价、指标得分等评价结果,并选出标杆企业;②进行综合评价对标,分析指标差距;③根据历年评价结果,对标杆企业纵向对标、参评企业纵向对标,结合相关线损管理资料,寻求降损措施;④校验降损措施效果,调整相关措施,形成闭环。

5 仿真分析

本文应用构建的多维度评价体系对南方某网区61个地市级电网进行线损管理对标评价。收集该网区61个市局2015年和2016年评价指标数据及线损率。

5.1 测量阶段——构造评价信息矩阵

2016年分别使用层次分析法(F1)、熵权法(F2)、变权理论(F3)、TOPSIS法(F4)、变异系数法(F5)、秩和比法(F6)、余弦值法(F7)对61家市网企业线损管理水平进行评价,并选取评价结果最优值的企业为市网线损管理标杆企业。

5.2 测量阶段——最优标杆的选取

根据式(3)求出S的奇异值H。由图3(a)可知,使用式(4)、式(5)计算出的奇异熵Ek随着矩阵的阶次单调递增,表明信息矩阵S所选用的7种综合评价算法相对独立;于7阶时接近饱和,表明信息矩阵S可以充分反映出市网企业线损管理的水平。

图3 标杆选取流程Fig.3 Flow chart of benchmarking selection

根据式(6)可计算一致度Tk,根据式(7)求取可信度tk。考虑一致性和可信度的均衡关系,设b1=b2=0.5,使用软件MATLAB,根据规划模型(式(8))求解得a1=0.372 9,a2=0.627 0。

根据式(8)计算Kk值衡量矩阵逼近效果,如图3(b)所示,表明当k=1时,对信息矩阵逼近的效果最佳。保留H1,将其余奇异值置0,根据式(10)求解得优化结果Z。部分结果如图3(c)所示。

由图3(c)可知,根据优化后的矩阵结果,供电局ZS(0.974)略优于DG(0.970),故选取ZS为线损管理标杆企业。

5.3 分析阶段——横向对标

选取ZS供电局(排名1)、LPS(排名25)进行线损管理降损对标分析。

5.3.1管理维度对标分析

由图4(a)可知,LPS在维度平均得分上极不均衡,对比标杆ZS,在规划维度高、技术维度得分差距不大的情况下,管理维度相差15.62分、运行维度相差19.65分。故选取分差较大的管理维度、运行维度进行对标分析。

图4 ZS和LPS市网企业对标分析Fig.4 Benchmarking analysis on city-level power grid enterprises of ZS and LPS

由图4(b)可知,在与ZS的对标中,LPS处于全方位的落后。LPS的400 V售电量占比仅为20%,其主要工作集中于中高压电网，故目前LPS亟待优化的是4类终端数据采集完整率、线损异常率、线损异常处置率等3项指标。LPS的厂站、专用变压器、配电变压器、集中器终端数据分别为98.68%,86.53%,88.79%,83.51%,需扩大安装的覆盖面,以保证中高压数据监测的精确性。

在考虑规划、技术维度得分情况下,LPS的0.4 kV线损异常率为19%,是ZS的15.7倍;线损0.4 kV异常处置率为21%,是ZS的15.1倍,均远低于行业平均水平。线损异常率、线损异常处置率是两个过程性的指标,其不仅需要优化设备,更需要企业不断地积累经验。硬件类的指标分数可以通过设备的更替或增加普及率来提高,但该类指标需要学习、借鉴优秀企业的经验、措施,以及增强线损异常的检查、处理工作。

5.3.2运行维度对标分析

由图4(c)可知,LPS与ZS在运行维度的横向对标中,LPS在综合电压合格率(YX3)、功率因数合格率(YX4)两项指标中差距较大。其中综合电压合格率为90.70%,远低于行业标准,再结合LPS 10 kV供电半径合格率仅为78.04%,可以认为LPS在配电网布局和结构上存在着超供电半径线路较多且线路空间距离较长、迂回和卡脖子线路及公用配电变压器多、配电线路上的负荷点多分散、配电变压器供电距离用电负荷中心较远，以及线路选择与不匹配等问题。35 kV及以上电压等级主变功率因数合格率为87.25%,10 kV馈线功率因数为93.21%,均低于行业平均水平,直接反映LPS变压器无功补偿的不足,无功的流动在电网中产生有功损耗,电压水平对可变线损和不变线损产生直接影响。

5.4 提升计划阶段——标杆纵向对标

5.4.1计量措施选取

通过ZS供电局的纵向对标寻找优秀的台区线损管理措施,提供给LPS供电局来指导线损异常率及提高线损异常处置率2个指标工作。

2016年ZS在管理维度的线损管理中成绩较好。2016年0.4 kV线损异常率为1.21%,较2015年5.34%降低4.13个百分点;10 kV线损异常率由2.17%下降到1.39%;0.4 kV和10 kV线损异常处置率分别由92.57%和95.67%提升至100%。故从ZS的线损管理资料中可发掘出线损管理措施。

针对线损异常率与线损异常处置率这两项指标,ZS要求对管辖线路、台区全部开展理论线损计算工作,再将计算结果与2016年线损统计值进行对比分析,找出线损异常台区。对异常线路、台区进行重点分析,由图5(a)可得,HB2台区理论线损计算值(6.40%)与实际线损统计(9.70%)差值较大,需要对HB2台区线损管理进行分析。

图5 LPS台区线损率Fig.5 Line loss rate of each transformer district in LPS

针对理想线损与统计线损相差较大的情况,对HB2台区线损管理就以下两个方面进行整改。

1)计量管理措施:在抄表过程中同时关注计量装置的运行状态是否正常;强化线损异常分析与计量故障排查的有机结合,利用系统数据分析与现场检查相结合的方式,及时发现计量装置异常情况。

2)用电检查管理措施:利用系统加强对用户用电情况的监测,及时发现客户用电异常,通过实时电流、电压数据对比,结合各项异常报警,综合判断客户是否存在窃电可能,并对疑似窃电的用户进行现场检查。

由图5(b)可知,2016年1月线损率为10.95%,2月线损率为8.95%,有明显下降,并于6月接近理论线损率(6.55%)。可见,HB2台区降损措施取得了良好的效果,提升了该台区线损管理水平。

5.4.2技术措施选取

如表2所示,ZS的运行维度在2016年取得了长足的进步。

表2 ZS纵向对标Table 2 Vertical benchmarking of ZS

综合电压合格率主要涉及供电半径以及无功补偿的优化。过去,设计布局的电网结构存在不合理之处,区域间的负荷增长存在不平衡现象。ZS供电局在考虑增设点的同时,对全网进行统一的规划改造,定期进行电流、电压的测量,不定时进行线路巡查,使电网达到既能灵活可靠运行、满足需求,又能更加经济合理的目的;对新建台区线路,在设计初期充分考虑配电网结构合理布局,将高压线路深入到负荷中心供电,缩短负荷与有效负荷之间的距离,减小低压配电网供电半径,提高供电质量,提升电压合格率,降低线损。按照就近原则减少无功远距离传输,增设无功补偿装置,提高功率因数,改变了无功潮流分布,减少了有功损耗和电压损耗,改电源点输送为负荷点补偿,达到改善电压质量、提高线路和变压器送电能力的目的。

以SS供电所为例,其供电半径较大,线路全长达67.12 km,其中主干线长度达到16 km,功率因数为0.82。2016年6月其线损率达到10.5%。ZS供电局积极开展普查,定期进行电流、电压测量,发现某几个配电变压器负荷偏大,供电半径过大,需调整负荷分配;增补1组补偿电量为80%平均无功功率的电容器,补偿后功率因数变为0.97。采取措施后,2016年8月的线损率降为8.35%。

5.5 提升实施阶段

2017年,LPS供电局总结ZS供电局针对线损异常率、线损异常处置率、老旧低压电能表3个指标的优秀线损管理措施,通过以下各方面加强台区的线损管理工作。

1)完善台区的理论线损计算,以理论和实际线损率的偏差值作为警报,加强对偏差值大的台区进行整治工作。

2)计量措施:增加终端数据采集装置的覆盖率,完成10 kV及以上线路数据终端采集设备的装设;定期和不定期开展营销检查活动,及时纠正营业差错,严厉打击窃电行为。

3)技术措施:调整台区布局,依据供电负荷等级缩短供电半径,提高末端电压,调整三项负荷,实现就地平衡;定期对线路的电压和电流进行检查,合理配置无功补偿设备,进行配电屏配电柜集中补偿,要求大用户全部装设无功补偿装置。

5.6 控制反馈阶段

如图6所示,据2017年上半年统计数据,截至目前该地区10 kV及以下线路综合线损率为5.21%,同比2016年下降0.64个百分点,降损值较2016年增加0.48%;10 kV线路线损率为2.51%,同比2016年下降0.71个百分点,降损值较2016年增加0.47%;400 V及以下线路线损率为6.19%,同比2016年下降0.93个百分点,降损值较2016年增加0.55%。在时间有限的情况下,很好地完成了线损管理降损工作,实例验证基于最优标杆的DMAIC-PDCA线损管理模式在市网企业线损管理中取得了良好的效果,提升了线损管理水平。