王伟臣，崔 凯，孔祥玉，鄂志君，王 鑫，雍成思

（1.国网天津市电力公司，天津 510000；2.国网北京经济技术研究院，北京 100761；3.智能电网教育部重点实验室（天津大学），天津 300072）

考虑设备利用率的配电网扩建改造方法

王伟臣1，崔 凯2，孔祥玉3，鄂志君1，王 鑫1，雍成思3

（1.国网天津市电力公司，天津 510000；2.国网北京经济技术研究院，北京 100761；3.智能电网教育部重点实验室（天津大学），天津 300072）

电力系统的建设和扩大规模时需要兼顾均衡地利用电网中的电气设备，充分发挥已有资产的价值。本文以社会发展及电网建设裕度、配变供电半径情况、不同运行方式下的设备容载比等影响因素为基础，提出考虑配电网安全和运行方式的设备综合利用率指标和计算方法。通过设备综合利用率指标的分析并结合电网运行的薄弱环节的约束，提出一种考虑设备利用率的电网扩建改造方法，并给出了求解流程。该方法考虑配电网不同的运行状态和负荷情况，同时追求高效利用每个元件设备和尽可能均衡地利用所有元件设备。以某地配电网为例进行分析，验证了该方法的实用性和有效性。

电力系统；配电网；设备利用率；扩建方法；经济运行

配电网扩展规划是指在满足对用户供电需求和网络运行约束的前提下，寻求一组最优的决策变量，使配电网在满足运行要求的同时经济性最优。随着智能配电网信息化、自动化水平的提高以及与物联网的相互渗透与融合，电力企业量测体系内部积累了大量数据，如用户用电数据、调度运行数据、GIS数据、设备检测和监测数据以及故障抢修数据等。这些数据为电网的扩展规划提供了详尽的信息，如何在配电网规划、建设和改造阶段提升设备利用效率，通过盘活已存配电资产，减少无效投资，提高电网运营效益，成为关注的热点[1-2]。

近年来，各国学者在电网规划中逐步重视设备利用率的应用问题，并做了大量研究。文献[3]对全寿命周期利用率及其子指标的理想范围进行估算，提出了综合考虑供应侧、需求侧以及生命周期的全寿命周期利用率指标，其成果有助于配电网设备的管理与规划。文献[4]从年最小费用角度出发，考虑了线路的设备利用效率，并以建设投资费用和网损费用最小为目标函数进行电网规划。文献[5]建立了电网设备资产的安全、效能、成本模型，结合电网设备特点对资产的安全、效能、成本进行定义，提高了设备的管理水平。文献[6]在数学模型中引入缺电成本，以馈线投资、网损费用及缺电成本最小为目标函数，考虑线路的故障对规划方案的影响。

由于受数据采集获取的限制，上述配电网的规划方法没有充分考虑系统安全及不同情况下的设备利用率，因此往往无法准确解决运行中的薄弱环节[7]。本文给出考虑配电网安全和运行方式的设备综合利用率指标，从均衡利用配电网络元件设备的思路出发，提出了基于该指标的配电网扩建规划分析方法。该方法以“用好增量，盘活存量”为指导思想，在追求载荷能力强的同时，兼顾均衡地利用电网中的元件，充分发挥资产的价值，减少重载与轻载的比率，增强电网的安全性，延长变压器等元件的使用寿命，间接地提升经济效益。

1 配电网设备影响因素及利用率指标计算方法

1.1 影响设备利用率的因素

随着经济的发展和负荷增长迅速，需要对配电网进行扩建。从电网规划角度而言，设备合理负载能力和实际利用水平应满足各类设备经济运行区间的约束，以保证规划与运行能够相互协调[8]。电网设备合理负载能力取决于3个因素：①电网所需满足的安全准则及网络结构；②负荷特性；③电网为负荷发展所留有的裕度。这3个因素之间相对比较独立，共同影响电网设备合理负载能力。当前电力系统的设备利用率并不均衡，造成设备利用率低的原因众多，如规划阶段负荷预测的不准确，变电站的主变台数或选型不恰当，或者运行期间的网络结构不合理，以及电网公司承担社会责任，满足偏远地区用电需求，或重要负荷提供较高的可靠性而造成的部分配电变压器或中压公用线路长期备用或低负载等。

1.2 设备利用率评价指标计算方法

配电网改造扩建过程中，设备利用率指标既要能反映不同运行模式，又要考虑社会责任、政策等因素，具体的指标和计算公式可以基于投资主体类型和规划目标而略有变化。基于前述影响设备利用率的因素，本文基于3个方面进行分析。

1）社会发展及电网建设裕度

电网为负荷发展所留有的裕度，可采用GDP年增速来描述，如由当年某地区国民生产总值相比于上一年国民生产总值的差值与上一年国民生产总值的比值获得。由于该指标可以通过规划年份负荷的增长而反映，本文在综合设备利用率求取过程中，不再单独应用。

2）配变供电半径情况

该指标反映电网所需满足的网络结构情况，扩建改造的站点位置（x，y）计算公式为

式中：Pi为网络负荷点的有功功率；n为配电网中含负荷的节点数；xi和yi分别为网络中每个负荷点的横、纵坐标。基于GIS系统采集负荷点的坐标以及变电站的坐标，通过以上公式可以计算出负荷中心的合理位置，再通过计算配变到负荷中心的距离，结合配网实际情况，以一定的距离作为配变位于负荷中心的标准，如果大于这个值则说明配变不在负荷中心内。

配电网中供电半径Ri表示为配变距离其所供负荷点的最远直线距离，通过计算配变与其所供负荷点之间的距离，找出最大值，然后近似取这个值作为供电半径，其计算公式为

3）不同运行方式下的设备容载比

电网各个元件的电流与功率是随着用户负荷的变化、调度运行方式等因素的改变而波动的。在考察设备综合利用情况的时候，元件通过的负荷情况是考察的重点内容，反映了元件主体的载荷情况。以配电网各个时间点的平均负载情况作为基础进行计算，对于时间跨度为[0，T]的负荷曲线，电网设备承载负荷的平均值为

式中，T可以选择一周或一个月。对于配电网不同时段和运行模式下的情况进行比较，需要分析负荷的平均水平与负荷波动情况。故障和检修状态下的负荷考虑不同时段的负荷波动情况，选择最大负荷情况下的电网设备负载率，对于时间跨度为[0，T]的负荷曲线，负荷采用的数值为

式中：α为电网设备承载负荷的标准差；Pt数据来源于对配电网中长期的负荷预测。

由于电力负荷的随机变化以及外界的各种干扰会影响配电系统的供电可靠性和供电能力，为了对设备利用率进行评价，需要对配电网运行状态进行分析，获得不同类型的运行模式下的均衡效率与均衡容量。在考虑负荷变动的情况下，配电设备的容载比为

式中：K1为负荷分散系数，近似取1；K2为变电站平均功率因数，实际运行中一般取0.90～0.95；K3为主变安全运行率，考虑N-1故障时一般取0.80～0.85；K4为负荷发展储备系数，工程应用中其计算公式为

式中：q为对变电站进行负荷预测所得到的负荷平均增长率；p为变电站容量的建设周期（储备年限）；h为负荷预测修正系数。

1.3 设备综合利用率计算

配电网的运行模式是指组成配电网系统的所有环节都处于执行其功能的状态。为了对设备利用率进行评价，需要对配电网运行模式进行分析，获得不同类型的运行模式下的均衡效率与均衡容量[9-10]。由于电力负荷的随机变化以及外界的各种干扰会影响配电系统的供电可靠性和供电能力，系统运行可分为正常运行状态、检修状态和故障运行状态等典型运行方式。

在分析设备综合利用率时，在不同状态下运行方式权重有所不同，可通过运行模式的持续时间进行区分。对于设备i的利用效率，考虑安全和运行方式因素的有效设备利用率指标ηi为式中：M为配电系统所处的运行模式的类型总数，包括不同拓扑结构的正常运行模式、设备检修模式和故障运行模式；λk=TkT为第k种运行模式在一段时间T中所占的时间比例，为第k种运行模式所持续的时间；ηik为设备i在第k种运行模式下的设备利用效率；Pik为在该具体运行模式下，经过潮流计算得到的第k个元件运行时通过的功率；Zik为在均衡状态下的第k个元件的均衡容量；Sik为元件i标称的额定容量或在第k种运行模式下可以过载运行的极限容量；Cik为元件i在第k种运行模式下的元件使用效率。

文中ηi可以评价设备的一个固定周期内的利用率情况，其具体数值取决于评价时选取的时间周期长短以及该段时间周期内设备实际的用电情况。有效设备利用率指标ηi越大，说明在同样的时间周期内，设备实际电量越多，设备利用率越高，设备越能得到充分的利用。

2 考虑设备利用率的配电网规划方法

2.1 改造扩建规划所需信息和考虑的约束

涉及的配电网改建资料主要包括：①文本资料，如市政规划、经济分析、电网描述、问题分析等；②图形资料，如从GIS系统获得电网地理接线图等；③属性信息，如从MIS系统获得电网参数和结构，设备属性参数等；④运行资料，如从SCADA及AMI系统中获取变电站功率、线路运行情况等。

对配电网当前供电安全水平进行评估包括考虑N-1准则的供电可靠性，故障条件下转供负荷的能力，最大持续工作电流约束，热稳定约束等，获得电网运行的薄弱环节和需要考虑的约束，形成需要解决约束条件集合G={g1,g2,…,gn}，其中gi为改造过程中需要解决的约束。

2.2 基于设备利用率的配电网扩建规划方案制定

在进行配电网扩展规划的过程中，引入集合X表示网络拓展规划的方案。考虑综合设备利用效率的利用状态，是一种满足约束条件的潮流分布情况，这种情况下的网络同时追求两个目标：①尽可能高效地利用每个元件设备；②尽可能均衡地利用所有元件设备。为了实现上述目标，对应包含N个设备的系统，方案的选优标准为

式中：第1项描述系统中N个设备总的利用率最大，第2项描述各个设备间的利用率尽可能均衡；C1和C2分别为两个目标的权重，当C1=0时，函数的目标是使所有设备均衡利用，当C2=0时，不考虑设备是否能够均衡，使总的设备利用效率最高。通常情况下，C1和C2的值，可分别取2和1。

扩建方案制定过程是一个比较和分析的过程，其思路为：对供电瓶颈线路，提升对其的投资，更换为较大的线路截面。使用替换后新的极限容量，重新计算均衡效率，并得到各个设备的利用系数，观察均衡效率的改善情况以及利用系数的变化，直至方案满足经济性和供电可靠性目标。

供电可靠性评估指标较多，如供电可靠率、负荷平均停电频率、负荷平均停电持续时间、期望缺供电量等，本文选择供电可靠率作为可靠性的指标。判断配电网改造方案是否满足经济性和安全性要求的约束条件主要包括如下两个方面。

（1）经济性方面体现在需要满足投资的总约束，实施中可采用计算公式为

式中：Minvest为电网改造投资总预算；NT为电网改造投资总年数；ra为资金的利率或贴现率；yk-1为第k-1阶段包含的年数；CkB(X)为第k-1阶段电网扩建的投资建设费用。

（2）安全性目标体现在满足N-1校核、短路电流计算等校核。可用系统平均停电频率表示，是指每个由系统供电的用户在单位时间内所遭受到的平均停电次数。实施中可采用的约束为

式中：λi和Ni分别为负荷点i的用户停运率和用户数；R为系统负荷点集合；SAIFIset为系统设定允许的平均停电频率，次/（用户·a）。规划地区用户停运率和用户数可以利用相关技术部门的统计数据作为基础，并获得规划年份的相应数据。

2.3 考虑设备利用率的配电网改造流程

考虑设备利用效率的配电网改造过程实际上是充分考虑不同运行模式及潜在的持续时间，使电网在预测的负荷分布情况下，能够充分挖掘电网输电潜力，最大限度地发挥电网设备利用潜力[11]。

本文所提出考虑设备利用率的配电网改造方法，具体流程如图1所示，其中主要步骤如下。

（1）配电网现状进行分析。包括基于用户用电数据、调度运行数据、GIS数据、设备检测和监测数据，获得配电网设备和网络的参数及运行情况；对规划期内的负荷进行预测，包括考虑地理信息的空间负荷预测，和规划范围内的总负荷预测。

（2）对配电网当前供电安全水平进行评估，获得需要解决约束条件集合。通过分析配电网的主要运行方式，并计算综合考虑不同运行方式下的设备利用率获得。主要包括配电网供电不同运行方式的确定，以及配电网主要设备利用率及综合利用率求取两个层次。

图1 基于设备利用率的配电网扩建流程Fig.1 Expansion process of distribution network based on the utilization ratio of equipment

（3）基于设备利用率的改建方案分析和制定，涉及拟改造或扩建的主要设备/线路集合确定，以及基于系统利用率指标的整体方案制定。

（4）判断所确定的方案是否满足经济性和安全性要求，如满足，则确定该改造方案，并对改造后情况进行分析。如不满足，则将不满足条件加入约束，重新进行扩建方案的制定。

3 算例分析

以某地配电网为例进行分析，网络结构如图2所示，包含4条110 kV线路和5台变压器。变压器T1～T3同属一座变电站，其中T1采用线路-变压器组的接线方式，T2和T3采用单母线分段接线方式，3台变压器的低压侧通过母线分段断路器相连；变压器T4和T5位于同一变电站，采用单母线连接方式。线路和变压器参数如表1和表2所示。

图2 配电网结构示意Fig.2 Structural diagram of a distribution network

由于所供应负荷超过原规划设计，需要通过扩容的方式进行配电网改造，具体扩建方案包括两种，方案1为对线路L1～L4进行扩建改造；方案2为对变压器T1～T5进行扩建改造。假设系统所有线路负荷的变化范围为±30%[12]，最大负荷的功率因数要求设定为cosφ=0.95。在进行均衡状态分析时，需要对待处理的配电网络进行各种故障状况的分析，并汇总得到相应的均衡效率与均衡容量。对于样例系统的预想事故可以进行分析，则元件故障情况如表3所示。

表1 算例线路数据Tab.1 Data of lines in the numerical example

表2 算例变压器数据Tab.2 Data of transformers in the numerical example

表3 不同运行模式下的设备利用效率情况Tab.3 Utilization ratios of equipment in different operation modes %

由表3可知，在均衡效率方面，线路L3和L4的效率较低，说明在均衡情况下没有达到充分利用这些元件的目的，与系统不同的运行方式有较大的关系，线路L1和L2的最大可用情况可以认为得到了较好的利用，并表明在特定情况下，运行在极限状态。变压器的综合利用效率较高，平均情况下接近95%，同时考虑到若多个设备同时检修，或有设备进行检修，而此时再发生故障，如编号9和10所示，则变压器承担较重负载。根据我国中压配电变电站运行导则的规定，主变最大允许的过载系数超过1.3时，允许过载时间应该小于45 min。因此有必要进行变压器扩容，扩建过程应该选择对变压器进行改造，尤其是对于T4变压器。

4 结 语

本文给出了一种考虑综合设备利用效率的配电网扩建规划方法，该方法考虑配电网不同的运行状态和负荷情况，追求尽可能高效地利用每个元件设备和尽可能均衡地利用所有元件设备目标，通过设备综合利用率指标的分析帮助获得最佳的扩展规划方案，为配电网建设提供一种思路。

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Expansion and Reconstruction Method of Distribution Network with the Consideration of Equipment Utilization Ratio

WANG Weichen1，CUI Kai2，KONG Xiangyu3，E Zhijun1，WANG Xin1，YONG Chengsi3
（1.State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300010，China；2.State Power Economic Research Institute，Beijing 100761，China；3.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

When a power system is constructed or expanded,it is necessary to keep a balance when making use of all the electrical equipment to give full play to the values of existing assets.Based on the factors such as social development，grid construction margin,distribution power supply radius and the equipment capacity ratios in different operation modes，an index of comprehensive utilization ratio and its calculation method are proposed considering the safety and operation mode of distribution network.Through the analysis of the comprehensive equipment utilization ratio and the restriction at the weak links in the power grid operation，a method of power grid expansion and reconstruction is proposed,and the solution procedure is also given.This method considers different operation conditions and load conditions of the distribution network,while seeking an efficient use of each component device and keeping a balance when making the possible use of all the power equipment.A power distribution network in one certain region is used as an example，which verifies the practicability and effectiveness of the proposed method.

power system；distribution network；equipment utilization ratio；expansion method；economic operation

TM712

A

1003-8930（2017）10-0046-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2017.10.009

2016-12-15；

2017-07-09

国家重点研发资助项目（2017YFB0902904）；国家自然科学基金资助项目（51377119）

王伟臣（1970—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电力系统调度运行。Email：505725131@qq.com

崔 凯（1978—），男，博士，高级工程师，研究方向为配电网规划及管理、配电网评价等。Email：cuikai@chinasperi.sgcc.com.cn

孔祥玉（1978—），男，通信作者，博士，副教授，研究方向为电力系统分析、智能配用电技术、新能源发电的研究。Email：eekongxy@tju.edu.cn