吴杰康,张晓萌,郭亚萍,毛晓明

(广东工业大学自动化学院,广州 510006)

多电压等级配电网供电能力与协调性评价方法

吴杰康,张晓萌,郭亚萍,毛晓明

(广东工业大学自动化学院,广州 510006)

配电网电压等级的多样化导致配网评估模型的复杂化,若只对一个电压等级进行网络供电能力的评估,不能全面、准确评价配电网整体供电能力和各电压等级网络供电的协调性。对此,笔者建立了适用于多电压等级配电网的供电能力和协调性综合评价模型,采用鱼骨图分析法找出影响供电能力的主要因素,用层次分析法建立评价体系结构,并用德尔菲(Delphi)法进行指标赋权。同时,在评价模型中加入了分布式电源容量比、高中压配电网变电、输配容量协调性和负荷均衡度等新指标,以辅助该方法有效评价配电网供电能力。最后通过实际地区电网的算例分析,证明了该评价体系的实用性。

多电压等级配电网;供电能力;供电协调性;层次分析法

配电网是直接面向用户供电的终端电网,结构特点含有多个电压等级,分为高、中、低压配电网,高压配电网电压等级为35～110 kV;中压配电网电压等级为6～10 kV;低压配电网为220～380 V。各电压等级电网之间存在电源分布不同、拓扑结构不同、负荷性质不同等诸多差异。现有配电网评价方法大多都是针对中压配电网一个电压等级进行供电能力评估,很少考虑多个不同电压等级之间的供电协调性,不能全面评价地区电网供电能力现状,准确定位制约供电能力的瓶颈,进而影响配电网投资、规划和运行效率。配电网供电能力已经成为评价配电系统的一个重要指标,为配电网运行、规划和改造提供了新的理论工具。所以合理评价配网的供电能力,对可以保证配网有足够的供电裕度,对安全稳定运行具有重大意义。本文通过建立考虑负荷供应能力、网络结构、配电网与负荷发展之间的适应性、各级配电网之间的供电协调性评估指标体系,确定了各指标的评估标准,综合评判了地区配电网整体供电能力。

1 供电能力和协调性评价方法

1.1 评价体系流程

本文选取鱼骨图分析法[1],确定电力供应能力的影响因素,利用层次分析法[2]为评价结构的主要框架,建立评价指标体系,各项评价指标的权重使用德尔菲(Delphi)赋权法[3]确定,最后利用曲线拟合工具Curve Expert建立平滑的指标评分数学公式。

评价体系指标的选择,应遵循合理性、独立性和可测试性的原则。所选指标要全面细致,既无遗漏,又无冗余,全面反映被评价目标的各项特征。整个评价流程如图1所示。

图1 评价体系流程图

AHP的层次综合法实施过程是:从底层指标开始,逐层向上递推获得上层指标,直至获得最高层的综合评价结果,其计算表达式为[4]

1.2 评价指标选取

电力企业生产过程中最关心的4个指标分别是:供电可靠率、线损率、电压合格率和设备利用率[5]。从它们对应的鱼骨图可找出影响供电能力的关键因素。

1) 供电可靠率影响因素鱼骨图,如图2所示。

图2 供电可靠率影响因素鱼骨图

2) 综合线损率影响因素鱼骨图,如图3所示。

3) 电压合格率影响因素鱼骨图,如图4所示。

4) 设备利用率影响因素鱼骨图,如图5所示。

图3 综合线损率影响因素鱼骨图

图4 电压合格率影响因素鱼骨图

图5 设备利用率影响因素鱼骨图

1.3 评价体系结构

通过上述对“四率”鱼骨图的分析,准确找出了影响供电能力和发展协调性的主要因素,通过总结概括后建立了配电网供电能力与协调性评价体系结构,如图6所示。

2 评价指标计算方法

2.1 供电能力指标定义与计算

评价指标体系部分指标计算方法如表1所示。

图6 配电网供电能力与协调性评价体系结构

表1 供电能力水平指标的计算方法

2.2 供电协调性指标定义与计算

多电压等级配电网高中压各电压等级电网之间需要良好的配合才能充分发掘网络供电能力,任何一个电压等级出现供电瓶颈都会导致电网整体供电能力不相匹配,电网供电的协调指的是不同部分之间的匹配程度[6]。

1) 高中压变电容量协调性。高中压配电网既相互支持又相互制约,理想状态下,两者的供电能力比为 1∶1,由于负荷最大值不可能同时出现,需要考虑负荷同时率问题。定义高中压配电网供电能力比为

(2)

式中:SH为是高压配电网供电能力,可以用110 kV和35 kV变电站主变容量总和计算;SM为中压配电网供电能力,是10 kV变电站配变容量总和。

将中压网的负荷折算到高压网,计算变电容量的最佳比值时需考虑负荷同时率,定义高压与中压变电容量最佳比值为α0,当αS与α0越接近,表明高中压配电网变电能力协调程度越高。将指标转换为便于评价的正指标,得出结果AS1越大,则多电压等级配电网变电容量协调性越好。

(3)

2) 高中压线路输配电容量协调性。将配电网变电容量概念换成配电网线路输配容量即可得到高、中压配电网线路输配容量协调性指标AL1。

3) 主变负载均衡性。负载均衡性分为主变负载均衡性和线路负载均衡性。

以35 kV主变为例,设评估区域有n座35 kV变电站,Sij为第i(1≤i≤n)座变电站的第j(1≤j≤mi)台主变容量,Pij为第i座变电站的第j台主变所带负荷,则各变电站每台主变的负荷率为

(4)

所有主变负载的平均值为

(5)

用负载率标准差σT来反映各台主变负载率的均衡程度,σT越大,各台主变负载率偏离越大,主变负载越不均衡,即,

(6)

为了便于评价,将结果转换为具有正指标特性的主变负载均衡性指标,AS2越大,主变负载均衡度越好,即,

(7)

4) 线路负载均衡性。用线路实际负荷除以线路额定容量,再按照上述主变负载均衡度计算方法,可得线路负载均衡性指标AL2。

3 指标权重与评分标准

3.1 指标权重

同一层指标数小于9,采用基于1-9互反标度的 AHP两两比较赋权法确定指标权重;同一层的指数超过9,这种方法判断的准确性将受到严重影响,应当采用Delphi方法赋权,同一层指标权重相加应为1。正指标是取值越高越好的指标;负指标是取值越低越好的指标;中间值指标是在一定范围内取值最好。

国内外大量研究结果表明,分布式电源容量比小于5%时,对电网影响很小。而接入容量比过高,超过20%时,分布式电源集中启停会给电力系统稳定运行带来极大的隐患。所以分布式电源在此应作为一个中间值指标处理,容量比最好小于等于20%。选择网络结构水平指标权重结果为例说明,如表2所示。

表2 部分指标的类型、理想值及权重分布

由表2可知,对网络结构水平影响较大的因素是变电站单变率、变电站单电源线率和中压线路联络率。

3.2 指标评分

本文的指标评分选用专家评分的Delphi法,选择指标的典型点和对应的评分后均用百分数表示,由于评分标准是离散的,所以采用Curve Expert曲线拟合工具对评分标准进行拟合,建立平滑的指标评分数学公式。中间值指标较为复杂,采用分段函数进行拟合。部分指标值与分数对应结果如表3所示,曲线拟合结果如表4所示。

表3 部分指标值与分数对应关系

表4 部分指标评分函数

注:x—指标值；y—得分。

4 算例分析

本文选取110 kV、35 kV和10 kV三个电压等级的配电网为例,110 kV变电站有2座,变电容量总和120 MVA, 110 kV主变“N-1”通过率为66.66%;110 kV线路5条,线路总长158.92 km,其中3条为单链接线模式,2条为单辐射接线。35 kV变电站共7座,主变容量50.75 MVA。35 kV线路13条,其中8条为单辐射接线模式,5条为单链接线模式。线路总长360.73 km,分布式电源容量比为7.86%。以供电协调性的4个指标为例,计算得分如表5所示。

按照层次分析法对表5中四个供电协调性指标进行赋权,形成的判断矩阵为

(8)

表5 评价指标得分(部分)

求A的最大特征值λmax为4.0434,最大特征值对应的特征向量为

W=[0.77560.49300.29450.2619]T

(9)

特征向量归一化后可得供电协调性权重向量:

F=[0.42050.27010.16140.1435]T

(10)

计算一致性指标,n取4:

(11)

平均随机一致性指标RI由于是四阶矩阵取0.9,因此得出随机一致性指标CR为

CR=CI/RI=0.0161

(12)

当CR的值小于0.1时,判断矩阵满足一致性要求。通过一致化检验后可得供电协调性的指标权重,如表6所示。

表6 评价指标权重值(部分)

依据表6数据,按照层次分析法评价模型的步骤和,式(1)逐层向上递推,即可得到整个多电压等级配电网供电能力与协调性得分,该地区电网综合得分为74.26分。可见,该地区网络接线典型化率、高中压变电容量协调性和变电负荷均衡度得分较高。突出的问题在于部分线路老旧情况严重导致发展适应性受到影响,末端电压不合格线路比例、中压线路重载比例和中压线路“N-1”通过率三方面得分较低,导致负荷供应能力得分偏低。所以,今后规划重点应加强中压网络建设,提高负荷站间转供能力,更换老旧配电线路,扩充线路截面半径,更换高损耗配变,减少重载线路,增装电压无功自动调节装置,提高负荷供应能力。

5 结 论

1) 对供电能力评价过程中通过对权重系数的计算,得出主变重载比例、线路重载比例、主变“N-1”通过率、线路“N-1”通过率对负荷供应能力影响大;变电站单变率、变电站单电源线率、中压线路联络率,中压线路站间联络率对网络结构水平影响大;分布式电源容量比不高时,对供电能力影响较小。

2) 对供电协调性评价可以得出,高中压变电容量协调性和线路输配容量协调性权重系数较大。

3) 实例证明,本文所建立的综合评价体系能够全面衡量配电网整体供电能力。对多电压等级配电网供电适应性和协调性建立的评价指标有助于找出供电瓶颈,对电网建设规划有实际参考意义。

[1] 庄锁法. 基于层次分析法的综合评价模型[J]. 合肥工业大学学报: 自然科学版, 2000, 23(4): 582-585. ZHUANG Suofa. Study of synthetic evalution model based on analytic hierarchy process[J]. Journal of HeFei University of Technology:Natural Science Edition, 2000, 23(4): 582-585.

[2] 张铁峰,苑津莎,孔英会.基于层次分析法和选择消去法III的配电网规划辅助决策方法[J].中国电机工程学报,2006,26(11):121-127. ZHANG Tiefeng, YUAN Jinsha, KONG Yinghui. An approachbased on AHP/Electre III for Decision-aid in power distribution system planning[J].Chinese Journal of Electrical Engineering, 2006,26 (11): 121-127.

[3] 肖峻,王成山,周敏.基于区间层次分析法的城市电网规划综合评判决策[J].中国电机工程学报,2004,24(4):50-57. XIAO Jun, WANG Chengshan, ZHOU Min. Aniahp-based madm method in urban power system planning[J].Chinese Journal of Electrical Engineering,2004,24(4):50-57.

[4] 曹阳,孟晗辉,赵力,等.基于层次分析法的新农村低压配电网综合评估方法[J].电网技术,2007,31(8): 68-72. CAO Yang, MENG Hanhui, ZHAO Li, et al. A comprehensive evaluation method of new rural low voltage distribution network based on analytic hierarchy process[J]. Power System Technology, 2007,31(8): 68-72.

[5] 韩震焘, 黄志伟, 葛少云, 等. 城市配电网综合评价体系[J]. 电网技术, 2012, 36(8): 95-99. HAN Zhentao, HUANG Zhiwei, GE Shaoyun, et al.A comprehensive evaluation system of urban distribution network[J]. Power System Technology, 2012, 36(8): 95-99.

[6] 李金超, 牛东晓, 李金颖, 等. 基于 GRA 与 PCA的电网发展协调性评估研究[J]. 电力系统保护与控制,2010, 38(18): 49-53. LI Jinchao, NIU Dongxiao, LI Jinying, et al. Evaluation of the power grid development coordination based on the GRA and PCA method[J]. Power System Protection and Control, 2010, 38 (18): 49-53.

(责任编辑 郭金光)

An assessment method for power supply capability and coordination of multi-voltage distribution network

WU Jiekang,ZHANG Xiaomeng,GUO Yaping,MAO Xiaoming

(School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Multiple voltage level of Distribution network led to complex evaluation model, assessment one voltage power supply capacity can not fully and accurately evaluate the overall power distribution network capacity and coordination. This paper established a comprehensive evaluation model about power supply capacity and coordination for multi-voltage distribution network. Fishbone diagram analysis was used to identify the main factors of supply capacity, AHP was used to establish evaluation system and Delphi to fix index weights. The paper added some new index into the evaluation system, such as distributed power capacity rate, substation capacity coordination, transmission capacity coordination, load balance coordination. The research on evaluation system is verified to be effective and reasonable by a network planning example.

multi-voltage distribution network; power supply capability; supply coordination; analytic hierarchy process(AHP)

2015-03-29。

吴杰康(1965—),博士,教授,研究方向为电力系统运行与控制。

国家自然科学基金项目(50767001);国家863高技术基金项目(2007AA04Z197);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20094501110002)。

TM711

A

2095-6843(2015)05-0385-05