考虑用户需求的配电网规划对象选优分析方法*

2018-12-17欧阳森陈丹伶刘丽媛

电测与仪表 2018年23期

欧阳森，陈丹伶，刘丽媛

(华南理工大学电力学院，广州 510640)

0 引言

随着电网精细化管理与售电市场的发展，用户对可靠性的需求逐渐被重视[1-3]，在配电网规划中，当年度总投资一定时，在既保障电网经济效益又尽量满足用户需要的情况下，如何制定合理的规划投资计划是供电企业较为关注的问题。

目前，已有文献展开相关研究。文献[4]计算了多种可靠性提升措施的投资效益，以可靠性指标与投资费用的比值为依据，对措施选优并组成规划方案。文献[5]通过分解优化技术，使缺供电量和投资成本最小化，并最大限度提高可靠性。文献[6]将分布式发电(DG)纳入配网规划模型中，提出综合考虑负荷与DG不确定性以及可靠性的数学规划方法。文献[7]基于不同措施成本/效益曲线，依据单位可靠率效益/成本敏感度最低选择最优措施。文献[8-10]采用全寿命周期成本模型(LCC)，考虑配网规划各阶段成本，以LCC最低确定方案。文献[9]从运行经济效益、企业财务效益和社会经济效益三方面构建配网规划经济效益评价指标体系。

综上，现有配网规划及其优化研究大多围绕如何对规划措施进行选优以实现可靠性提升效益和电网投资效益的最大化，尚缺乏如下研究：(1)考虑对配网规划的实施对象进行选优，即在一定投资资金下，配网规划资源能最大程度的向可靠性提升需求度更高、可靠性提升和电网投资综合效益更大的配网用户倾斜；(2)不仅要考虑可靠性高低，更要考虑供电可靠率与可靠性期望值之间的差距；(3)充分考虑不同供电地区、不同负荷类型的电力用户对可靠性提升迫切程度的差异性；(4)面向售电侧放开市场，现有配网规划方法对用户需求的评估，仅基于用户缺电损失成本等停电经济损失指标的大小，忽略了停电对用户用电体验方面的负面影响，导致评估内容不够全面。

为此，拟提出一种兼顾考虑合理可靠性水平与用户需求，并能合理安排投资次序的分析方法。首先，建立一套综合评价指标体系，从指标上分别考虑：在可靠性方面关注与期望值偏差，在用户需求上考虑用户体验，在电网经济性方面关注停电缺供电量；其次，引入改进型“拉开档次法”进行多指标评估，通过配网规划的对象选优，实现合理的规划投资工作。最后，通过韶关地区配网的实际案例，分析验证了所提出的配电网规划方法具有实用性，可有效指导配电网的规划工作。

1 配电网规划综合评价指标

为了全面评估配电网的可靠性需求，综合考虑供电可靠性水平、负荷类型和电网经济因素，建立了一套配电网规划综合评价指标体系，具体指标及其定义如表1所示。该指标体系旨在更准确地指导配电网规划的对象选择，使可靠性的规划投资不仅单纯服务于电网供电可靠性水平的提升，更要最大程度地响应于用户可靠性需求和电网经济效益。

1.1 供电可靠性指标

在实际应用中，供电可靠率、平均停电时间与平均停电频率[11]是供电可靠性的主要评价指标。由于平均停电时间可换算为供电可靠率，故认为通过平均供电可靠率ASAI-1和平均停电频率SAIFI-1两个指标能够基本反映一个配电网的供电可靠性水平。

表1 配电网规划综合评价指标体系Tab.1 Comprehensive evaluation index system of distribution network planning

供电可靠率ASAI-1的计算公式为[11]：

(1)

式中ti、mi分别为第i次停电的停电时间和停电户数；M为总用户数；T为统计期间时间。

平均停电频率SAIFI-1的计算公式为[11]：

(2)

式中mi、M含义同式(1)。

1.2 考虑用户需求的评价指标

除了供电可靠性现状，配电网可靠性规划中也需要考虑与用户供电可靠性需求的匹配程度。对此，从供电区域属性、负荷类型和用户评价三个方面入手，设置了四个用户需求指标用于反映不同地区、不同主体用户类型的配电网的可靠性提升需求，包括：基于期望值的供电可靠率差、用户负荷等级、单位缺电损失成本、年总用户可靠性投诉次数。

基于期望值的供电可靠率差能够从不同供电地区属性存在不同可靠性目标的层面来反映不同地区的用户可靠性需求差异；用户负荷等级和单位缺电损失成本是通过用户负荷的重要性程度和社会价值侧面反映可靠性规划的用户需求；年总用户可靠性投诉次数则是直接把用户的评价反馈于配电网规划中，直观体现用户的可靠性满足程度。

1.2.1 基于供电区域属性的用户需求

人口密集、工业发达地区与郊区、农村等地区的供电可靠性需求往往存在明显差别，不能仅凭可靠性指标的高低进行无差别的规划投资，而应基于当地负荷情况和用户需求，充分考虑配网合理可靠率水平，并与实际可靠率对比，考查当前可靠性能否满足用户需求，作为规划实施更为科学的依据。

基于地区经济发展水平、地区级别和负荷密度三个属性，供电企业划分了六类供电区并分别制定相应的供电可靠率规划目标[12]，如表2所示。鉴于该规划目标具有合理性和普遍性，本文以其作为配网规划可靠性期望值，并提出基于期望值的供电可靠率差指标ΔASAI：

ΔASAI=ASAI-1-ASAIt

(3)

式中ASAI-1为配网实际供电可靠率；ASAIt为其可靠率期望值，即所属供电区的规划目标。

与供电可靠性指标相比，该指标考虑了不同供电地区在供电可靠性控制目标上的差别，而不是简单地将不同地区的可靠性指标放在同一水平线上作对比，能够考虑地区属性来评估某配电网的可靠性提升需求度，同时也符合实际电网管理的倾向性。

表2 各类供电区的供电可靠率规划目标Tab.2 Power supply reliability planning targets for various power supply areas

1.2.2 基于负荷类型的用户需求

配电网用户的负荷等级、经济价值等属性对可靠性规划投资的综合效益有着显著的影响。对此，本指标体系设置了用户负荷等级和单位缺电损失成本两个指标，用来体现包含不同属性用户的配电网对可靠性的需求差异。

负荷等级标准[13]按重要性划分出特级、一级、二级和三级，高等级负荷停电的社会效益损失更严重，其可靠性需求也更高。故本文将用户负荷等级作为评价指标，并通过量化该标准获得用户负荷等级指标值LI：

(1)从特级到三级分别用(0.667,1]，(0.333,0.667]，(0,0.333]，0来量化表示负荷重要程度。

(2)对于负荷等级为Z，赋值区间为[zA,zB]的配网，Z负荷等级的用户数为A，则：

(4)

式中Amax为在所有相同用户负荷等级的配网中，该负荷等级用户数的最大值。

为更好地评价重要负荷对当地经济发展的作用及其停电对社会经济的影响，体现该配电网规划投资的社会效益，本文提出单位缺电损失价值指标VOC：

(5)

式中GDP为该配网的国内生产总值，亿元；Q为其总用电量，亿kW·h。

1.2.3 基于用户评价的用户需求

对于已建成的配电网，用户的评价反馈能够直观反映该配电网用户对供电可靠性的提升需求。在规划中应该优先考虑对停电最不满、对可靠性提升最迫切的用户，从而提高客户满意度，获得更好的可靠性提升效益。

供电企业现有的客服系统可统计用户对所在配电网的可靠性投诉情况，包括停电类和电能质量类投诉。本文将这些用户对可靠性的评价和反馈纳入评估中，根据用户投诉次数的年度统计，设置了年总用户可靠性投诉次数指标Nuc。

1.3 考虑电网经济因素的评价指标

可靠性提升应能增加售电量，以促进规划工作良性循环。为此，本文以停电缺供电量[11]为指标，反映配网改造前后的购电潜力；以投资成本为另一个指标，衡量该配网规划工作的实施难度。

停电缺供电量ENS为[11]：

ENS=∑K·Si·ti

(6)

式中K为载容比；Si为第i次停电的停电容量，kVA；ti含义同式(1)。

投资成本g可计算为[14]：

g=ga+gb

(7)

式中ga为设备的购置、安装调试费等；gb为新建工程研究设计费、地块改造和购买费等。

2 配电网规划对象选优综合评估方法

通过上述指标体系可全面反映某配电网的供电可靠性现状、用户对可靠性的提升需求和电网角度的投资效益，同时，本文设计了一套综合评估方法以便于筛选配电网规划的实施对象。

配电网规划对象选优综合评估方法的步骤如下：(1)指标预处理；(2)利用改进型“拉开档次”法计算各指标权重；(3)加权求和得到综合评价值，排序获得各配网规划优先顺序；(4)以年度总投资为约束条件，以方案总体评价值最大为目标函数，按排序依次选择待投资配网，确定最终方案；(5)对方案进行经济性评价。

2.1 确定指标权重

“拉开档次”法是一种能突出整体差异，以利于对评估对象排序的客观赋权方式[15]。该方法的前提是各项指标相对评估目标重要性相同，但在本文中，不同指标对综合评估的重要性不同。因此，本文采用主客观结合的改进型“拉开档次”法[15-16]对各项评估指标进行赋权。首先根据各项指标重要程度进行主观赋权，增加重要指标对评价结果的影响，再对权化后的各指标采用“拉开档次”法进行客观赋权，确定最终的权重系数。该方法能够克服传统“拉开档次”法在指标重要性不同时可能会过度放大次要指标作用的缺陷，既能使评价值拉开档次，又能保留各指标的权重差异。具体算法过程如下：

(1)设有n个评估对象，m项评价指标。利用极值处理法[15]将原始数据转化为归一化无量纲化的极大型数据，第i个评估对象的第j项指标值为xij。

(8)

2.2 综合评价值

线性加权计算各评估对象i的综合评价值Wi，即：

(9)

综合评价值越大，说明评估对象可靠性提升需求度越高，规划投资效益越明显。制定规划方案时，应按照评价值从高到低来确定其规划优先顺序；依次选择K个配网进行投资，规划方案总体综合评价值为：

(10)

式中Pl为第l个方案的总体综合评价值;Wk为规划投资优先级第k位评估对象的综合评价值。

2.3 方案确定

以方案总体评价值最大为目标函数(F)，以年度总投资为约束条件，确定最终方案，即：

(11)

式中gk为优先级第k位配网的投资成本；G为年度总投资。

2.4 经济性评价

对规划方案的电网经济效益进行评估和检验。考虑配网规划LCC成本[8-10]，当用户用电情况不变时，改造后第t年末电网新增经济收益现值Y(t)为：

Y(t)=CH(t)-[CI+CM(t)+CD(t)]

(12)

式中CH(t)为总售电费用增益；CI为方案总投资费用；CM(t)为总新增运行维护费用；CD(t)为总新增设备退役费用。其中：

(13)

式中ΔSth为第t年比改造前增加的供电量，且按第h类电费结算；ah为第h类电费单位电价，元/kWh；ap为电网购电成本，元/kW·h；r为贴现率。

3 实例分析

选取韶关地区11个10 kV配网，分别记为D1～D11，验证上述方法的可行性。

根据实际规划需求和专家意见，确定指标序关系排序为X3>X4>X5>X6>X1>X8>X7>X2，选取相邻指标重要程度之比rj依次为：1.2，1.2，1.2，1.4，1.2，1.2，1.2，计算得出的主观权重如表3所示。各配网指标数据和综合评价值如表4所示。

设年度总投资100万元，三种规划方案及其投资优先次序、选定配网及总投资成本如表5所示。

表3 通过序关系排序后的指标主观权重Tab.3 Subjective weights of indexes after sorting by order relations

表4 各配网原始指标数据和综合评价结果Tab.4 Raw index data and comprehensive evaluation results of each distribution network

表5 各规划方案对象选优原则、投资优先次序、选定配网及总投资成本Tab.5 Principles of optimized selection of executive object, investment priorities, selected distribution networks and total investment costs of various planning schemes

3.1 规划方案的可靠性提升需求分析

对上述方案所选配网进行分析。

(1)方案一、二分别以可靠性指标和售电利润损失为对象选优依据，由于可靠率与缺供电量有一定相关性，方案一、二所选配网较接近，且可靠性指标均较差，停电缺供电量较大，具有可靠性提升的意义。

方案三采用本文方法，所选配网可靠性水平较高，可靠率达到99.9%。

(2)分析用户需求指标，则方案三的配网D1、D6、D2、D5具有较高可靠性提升需求度：基于期望值的可靠率差均为负值，可靠性低于期望值，与当地经济发展水平和用户需求不匹配，且供电企业倾向于提升该配网的可靠性；除D6外用户负荷等级均为一级或特级，单位缺电损失价值普遍较高，社会效益和社会影响力大，一旦停电后果严重；D1、D6可靠性投诉次数偏高，用户体验较差，迫切希望获得更好的电力服务。

相较而言，方案一、二配网的可靠率差多为正值、可靠性投诉次数较低等，反映用户的可靠性提升需求不高。

可见，方案三可避免将年度投资消耗在可靠性最低、但并非可靠性提升需求最高的配网规划中，能优先改造最需提升可靠性的配网，最大程度满足用户需求，从而获得最优的可靠性提升效益。