周曉敏，張全，楊衛紅，劉洪，王旭陽，崔文婷

（1.智能電網教育部重點實驗室（天津大學），天津 300072；2.國家電網公司，北京 100031；3.國網北京經濟技術研究院，北京 102209）

基于可靠性邊際效益的中壓配電網項目優選

周曉敏1，張全2，楊衛紅3，劉洪1，王旭陽3，崔文婷1

（1.智能電網教育部重點實驗室（天津大學），天津 300072；2.國家電網公司，北京 100031；3.國網北京經濟技術研究院，北京 102209）

針對有限投資能力下的中壓配電網項目優化決策困難問題，提出了基于可靠性提升效益的實用化項目優選方法。首先，構建了配電網項目的優選框架用于描述優化決策的整體思路；其次，提出了基于影響指標體系的可靠性計算方法，以測算各指標對可靠性提升的邊際效益；繼而，依據指標邊際效益確定指標權重分布，克服指標權重確定主觀性強的問題，并結合中壓配電網項目與指標的對應關系分析，計算各項目對可靠性的提升效益；最后，綜合考慮項目對可靠性的提升效益和項目投資額計算項目綜合決策值，并結合總體投資限額確定出優選項目。實例分析結果驗證了該方法的有效性和實用性。

配電網；項目優選；邊際效益

配電網作為面向終端用戶的重要部分，其建設和發展關系到每一個用戶的用電質量。近年來，電網公司持續加大力度投入到配電網建設和改造中，但投資能力不足和投資缺乏針對性的問題逐漸顯現。因此，有必要深入研究針對中壓配電網項目的優選方法，以提高配電網投資的有效性，避免盲目投資和重復建設。

早期的配電網項目優選主要是出于對經濟性和技術性方面的考量建立綜合評價體系。文獻[1-4]利用層次分析法對項目進行評價優選，主要體現的是專家經驗在此過程中價值。文獻[5-6]將模糊綜合判決應用于項目規劃中，有效處理了評價過程中的不確定性問題。但以上評價優選方法對經驗的依賴程度較高，評價過程主觀性強，缺乏一套科學客觀的優選方法。

近期也有部分文獻主要從可靠性的角度對配電網規劃及建設改造進行評價和指導。文獻[7]利用各變電站負載率的方差來衡量網絡協調程度，作為排序依據，主要考慮的是項目對于增供電量的影響。文獻[8]利用考慮停電損失的全壽命周期成本分析，實現了配電網網架規劃項目的優選問題。以上研究主要是以增供電量、停電損失成本等指標作為參照，缺乏項目對可靠性提升效益的量化分析。文獻[9]將傳統的可靠性評估用于指導配電網規劃，但由于單個項目對整個配電網可靠性的提升幅度較小，因此該方法應用于單個項目的難度很高。加之各項目在實施時所對應的電網情況均有差異，若在評估每個項目時都計算一次全網的可靠性，工作量極大，實用性和可操作性較差。因此，需要找到一套有效的方法合理地反映項目實施對配電網可靠性的提升效益，并作為項目優選的客觀依據。

鑒于上述分析，本文一方面將可靠性納入中壓配電網項目優選方法中，以單個中壓配電網項目對可靠性的提升效益作為項目優選依據，體現出可靠性提升在配電網建設發展中的重要性；另一方面通過分析可靠性影響指標對可靠性的提升邊際效益來確定指標權重分布，避免權重確定主觀性強的問題：最終構建出一套基于可靠性提升邊際效益的中壓配電網實用化項目優選方法，提高中壓配電網建設改造優化決策的科學合理程度，并提高配電網投資有效性。

1 中壓配電網項目優選方法框架

本文綜合考慮經濟性和可靠性計算綜合決策值，以此作為待選項目排序進入優選項目庫的依據。由于單個項目對整個配電網可靠性的提升幅度較小，傳統的可靠性評估在計算單個配電網項目對可靠性的提升效益時缺乏實用性，因此，需要通過可靠性影響指標來建立配電網項目與可靠性之間的量化關系，并進一步分解為影響指標與可靠性的對應關系及配電網項目與影響指標的對應關系。其中，前者由指標權重來反映，權重的確定需要通過分析指標與可靠率的量化關系，求出指標對可靠性提升的邊際效益；后者由單個配電網項目對影響指標的改善關系來反映。具體優選流程如圖1所示。

2 可靠性影響指標及其邊際效益分析

2.1 可靠性影響指標體系

通過從故障停電次數、時間、范圍的角度分析影響中壓配電網供電可靠性的因素，提煉出配電網供電可靠性的影響指標。影響因素可歸為網絡結構、裝備技術、自動化水平和負荷供應[10]4類，建立中壓配電網供電可靠性的影響指標體系如表1所示。

圖1 中壓配電網項目優選排序流程Fig.1 Optimization Process of mid-voltage distribution network projects

表1 中壓配電網供電可靠性影響因素與影響指標Tab.1 The influencing factors and indexes of reliability in mid-voltage distribution networks

2.2 影響指標與配電網供電可靠性的量化關系

本文采用供電可靠率（RS-3）作為可靠性指標，定義為不計及因系統電源不足而限電的情況下，實際供電時間與統計期內全部用電時間的百分數，計算公式為

式中：K為供電可靠率；n為總用戶數；T為統計期間總時間；F為統計期間停電次數；Ti為第i次停電每戶停電持續時間；ni為第i次停電用戶數。

2.2.1 故障停電頻率

故障停電的原因多為電氣元件故障，包括線路（電纜、架空線）、開關設備和配變，在進行可靠性計算時不計及具有相關性的多重故障。考慮元件故障率隨使用年限的變化情況[11]，建立電氣元件使用年限指標與元件故障率的關系為

式中：f1是設備使用年限較短時的年平均故障率；f2是設備使用年限較長時的年平均故障率。計算時，架空線、電纜、配變、開關取相應數值代入。

2.2.2 故障停電時間

首先對一些表征不同負荷點停電時間類型及長度的概念加以說明。各類型故障時間的構成及計算方法如表2所示。

表2 中壓配電網故障相關停電時間參量組成Tab.2 The components of the different Interruption duration in mid-voltage distribution networks

當故障點被配電自動化二遙覆蓋，故障定位時間為自動裝置定位故障的時間tloc1，否則，故障定位時間為手動排查故障的時間tloc2。當故障點被配電自動化三遙覆蓋，故障隔離（負荷轉帶、恢復供電）時間為自動裝置動作時間，否則，故障隔離（負荷轉帶、恢復供電）時間為手動動作時間。配變、電纜線路、架空線路及開關修復時間分別為tftr、tflc、tflo、tfc。

2.2.3 故障停電范圍

1）架空聯絡：多分段單聯絡架空網結構如圖2所示。

①饋線故障停電時戶數計算公式為

圖2 多分段單聯絡架空網結構示意圖Fig.2 Structure schematic diagram of multi-segment single-tie mode of overhead line

式中：第一部分為饋線F1第1至第N1個饋線段各段故障對該段內負荷造成的停電影響；第二部分為饋線F1第2至第N1個饋線段故障對該段上游負荷段內負荷造成的停電影響；第三部分為饋線F1第1至第N1-1個饋線段故障對該段下游負荷段內負荷造成的停電影響；nj為饋線段j內用戶數；λi為饋線F1饋線段i的年平均故障率，計算方法為

式中，li為饋線段i的線路總長度。

②當不考慮饋線段內熔斷器時，配變故障停電時戶數的計算公式為

式中，λtri為饋線段i所接配變年平均故障率。

③如圖2所示開關S2～SN1中某一開關故障時，故障開關所連的兩段饋線均會停電，待故障修復后恢復供電。斷路器S1故障，僅饋線段1被隔離，下游饋線段2～N1的負荷均可被轉帶。當聯絡開關故障時，相連2條線路末端饋線全部失電，則開關故障停電時戶數的計算公式為

式中：N2為饋線F1的開關設備總數，架空網絡中N2等于N1；λc0為該饋線所接聯絡開關的年平均故障率。下文中各字母含義均與架空聯絡網中相同。

①飲食清淡,忌辛辣次驚性食物,多食新鮮蔬菜。水果。②注意點眼衛生:點眼錢用肥皂洗凈雙手,仰臥位,辦開下眼瞼,藥品口距結膜囊1-2CM,向結膜囊內滴入1-2滴眼液,連續點兩種或以上眼藥時,需要間隔3-5分鐘,禁止將眼藥點健眼,或者讓家人使用,尤其含激素的眼藥不能隨意點,按醫生要求執行和停用。每日正常洗臉,注意用眼衛生,單獨使用一張毛巾,每周用開水煮沸消毒一次,勿揉眼睛,勿讓臟物或臟水進入眼內。③活動與休息:避免過度用眼,禁止劇烈運動,如:跳、跑、抬、舉④部分患者涉及戴鏡或弱視訓練,請復查時嚴格遵醫師指使執行。⑤按照醫師指定的時間內復查。

2）電纜聯絡：多分段單聯絡電纜線路接線模式如圖3所示。

①饋線故障時停電時戶數為

圖3 多分段單聯絡電纜結構示意圖Fig.3 Structure schematic diagram of multi-segment single-tie mode of cable

②配變故障停電時戶數計算公式為

③電纜線路開關設備數是線路分段數的2倍，需要判斷開關故障屬于哪一分段。開關設備故障停電時戶數為

2.2.4 中壓配電網元件故障停電時戶數計算

考慮到聯絡率對故障停電時戶數的影響，其計算公式可表示為

式中：Kbu為負荷不可轉供時故障時戶數；Kba為負荷可轉供時故障時戶數；Z為負荷轉供率，定義為有聯絡且可以通過中壓線路“N-1”校驗的饋線比例：

考慮到電纜和架空線路接線結構的不同時，戶數計算結果可與指標電纜化率建立關系為

式中，Ko、Kc分別為架空線路和電纜故障時戶數計算結果。

2.2.5 高壓配電網故障對停電時戶數計算的影響

高壓配電網中元件故障會導致主變所帶中壓饋線部分失電，主變故障后，所帶負荷可通過站內轉供恢復供電，所需時間較短；負載率較高時，部分負荷需通過站間聯絡恢復供電，剩余不能轉供負荷需在故障修復后恢復供電。停電時戶數計算結果為

式中：Tntr，Tetr分別為站內、站間轉供時間；Tftr為主變故障修復時間；Nn、Ne、Nf為站內、站間、無法轉供負荷占比。

高壓配電網接線結構較為簡單，線路故障時只需考慮該線路所連變電站的失電情況即可。

2.3 影響指標邊際效益計算方法

通過第2.2節中詳細分析影響指標與可靠性定量關系，可以得到各影響指標對可靠性提升的邊際效益，建立影響指標與可靠性的對應關系。邊際效益[13-15]的定義為因增加了一個單位該指標而獲得的可靠性提升的效益，指標B的邊際效益M（B）計算公式為

式中：K為供電可靠率；B為某一影響指標。

根據邊際效益測算方法，選取實際中配電網相關數據的現狀值作為邊界條件，可以得到影響指標邊際效益的變化趨勢，這里選取一些典型情況加以分析。

1）中壓線路平均分段數：圖4為中壓線路平均分段數邊際效益曲線。由圖4可知，平均分段數較少時，其邊際效益為正，增加線路平均分段數可以提升系統的可靠性；分段數較大時，開關數量急劇增多，邊際效益小于0，增加線路分段不利于系統可靠性的提升。綜合來看，平均分段數應取3～4段為宜，在這個范圍內可靠性相對較高，分段數太少時可靠性差，分段過多時對反而對可靠性提升不利。

圖4 中壓線路平均分段數的邊際效益曲線Fig.4 Marginal benefit curve of the average number of segments of mid-voltage lines

2）中壓線路聯絡率：圖5為中壓線路聯絡率的邊際效益曲線。中壓線路聯絡率邊際效益大于0，對可靠性有提升作用。但聯絡率越高，聯絡開關越多，由開關故障引起的停電時戶數就越大，因此中壓線路聯絡率邊際效益是逐漸減小的。

圖5 中壓線路聯絡率的邊際效益曲線Fig.5 Marginal benefit curve of the percentage of lines with tie

3 基于可靠性提升邊際效益的中壓配電網項目優選方法

3.1 基于可靠性提升邊際效益的指標權重確定方法

影響指標邊際效益反映了指標對可靠性提升的重要程度。邊際效益越大，說明該指標對可靠性提升越有利，相應的，對配電網項目進行綜合評價時，該指標的權重也應越大。基于邊際效益來確定指標權重，可以客觀反映指標與可靠性的關系，由邊際效益確定指標權重的方法為

式中：I為影響指標集；mj為影響指標j的邊際效益；wj為影響指標j的權重。

3.2 項目對影響指標的提升作用

依據項目預期實施成效分析，得到配電網單個項目實施后對各項配電網可靠性影響指標的定量改善程度。

在考察各項目對影響指標的提升作用時，由于各指標的量綱不同，變化范圍也不同，為了進行合理比較，需對提升量進行歸一化處理。

為了使項目實施前后各影響指標的差額可以客觀反映項目實施效果，又可以在不同的指標之間形成統一的量綱和標準，把“單個項目對影響指標的定量改善程度值”[16]定義為項目實施后影響指標改善程度占該指標可改善空間的百分比，相應的計算公式為

3.3 配電網建設項目優選方法

基于第3.3節中建立的影響指標與可靠性的關系和第3.2節中項目與影響指標的關系，可以得出項目對可靠性的提升效益，結合該提升效益與項目投資額C[17]得到項目綜合排序決策值F。

式中：wi為影響指標權重；yi為項目實施后指標定量改善程度值。依據綜合排序決策值，對待優選的項目進行排序，得到考慮可靠性提升效益的項目綜合排序。基于排序結果，以總體投資限額為約束，即可確定出進入優選項目庫的項目。

4 實例分析

以A市內的電網實際數據為基礎，以該地區待實施項目為例，開展配電網項目優選排序。

4.1 基于邊際效益的影響指標權重確定結果

根據A市內實際電網數據、影響指標現狀值及第2章中邊際效益方法可以求出影響指標邊際效益，由式（15）求出影響指標權重，結果如表3所示。

表3 中壓配電網影響指標現狀值及權重Tab.3 The value and weight of evaluation indexes in mid-voltage distribution networks

4.2 項目對影響指標提升作用定量關系

選取A地區待實施的21個項目，將這些項目進行優選排序，以驗證本文所提方法的有效性。表4列出了這些中壓配電網項目及其對影響指標改善程度。利用式（16）計算單個項目對影響指標的定量改善程度值，進一步求出綜合排序決策值，最后依據綜合排序決策值對各項目的優選排序。表5給出了這些項目的綜合排序決策值計算結果。

4.3 配電網項目優選排序

共上報21個項目，投資限額為860萬元。計算這些項目的綜合排序決策值，依據綜合排序決策值的大小對各項目的優選排序，并結合投資限額的大小，選定其中16個項目進入優選項目庫。

表4 中壓配電網部分項目對影響指標的提升作用Tab.4 Correlations between projects and influencing indexes in some projects

表5 部分項目綜合排序決策值Tab.5 Sorting decision values of some projects

5 結語

本文提出了一種基于對配電網可靠性提升效益的項目優選排序方法。通過電網實際數據測算出影響指標對可靠性提升的邊際效益，從而客觀地確定了影響指標權重。之后考慮各項目與影響指標的對應關系，計算各項目對可靠性的提升效益，結合考慮項目經濟.性得到優選排序結果，確定優選項目。該研究可以用于指導項目建設的優先級問題，實現在有限投資規模下優選出滿足配電網發展最迫切需求的規劃項目，提高配電網投資的有效性，指導電網公司合理優選排序形成最優規劃建設項目儲備方案。

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（編輯 馮露）

Mid-Voltage Distribution Network Project Optimization Based on Marginal Revenues of Reliability

ZHOU Xiaomin1，ZHANG Quan2，YANG Weihong3，LIU Hong1，WANG Xuyang3，CUI Wenting1
（1.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education（Tianjin University），Tianjin 300072，China；2.State Grid Corporation of China，Beijing 100031，China；3.State Grid Electric Power Economic Research Institute，Beijing 102209，China）

Faced with the gap appeared between ability and demand of investment，the sequence of projects under limited investment has become the focus of power grid companies’attention.To optimize the sequence the projects in medium voltage distribution network under limited investment，the paper proposes a method of distribution network project optimal selection based on the revenues of reliability.Firstly，the distribution network project optimization processing is proposed.Secondly，a system of evaluating indexes is built.The marginal revenues of indexes are calculated based on reliability analysis.The weight of indexes are determined with marginal revenues，which can avoid subjectivity in the process.Correspondence between projects and evaluating indexes is obtained，and reliability revenues of projects are calculated.Finally，the project optimal selection is made by combining the size of the investment and reliability revenues of the project.The case study demonstrates the effectiveness and practicability of the proposed method.

distribution network；project optimal selection；marginal revenues

2016-08-24。

周曉敏（1992—），女，碩士，主要研究方向為城市電網規劃、評估；

張 全（1971—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為電力系統自動化及投資管理；

楊衛紅（1972—），女，博士，高級工程師，主要研究方向為配電網規劃、技術經濟分析；

劉 洪（1979—），男，通信作者，博士，副教授，主要研究方向為城市電網規劃、評估；

王旭陽（1987—），男，碩士，工程師，主要研究方向為配電網規劃；

崔文婷（1986—），女，碩士，主要研究方向為城市電網規劃、評估。

1674-3814（2017）05-0024-07

TM715

A

國家自然科學基金項目（51477116）；國家電網公司總部科技項目：面向可靠性的配電網規劃項目投資評價分析與優選排序關鍵技術研究。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（NSFC）（51477116）；Science and Technology Program of State Grid Corporation of China（headquaters）：Study on Investment Assessment and Optimization of Distribution Network Planning Project based on Reliability.