基于相關性分析的高壓配網運行效率評級指標體系研究

付智江，邵華，康偉，賀春光，李樹水，馬國真，林榕，謝曉琳，韓文源，馮萬鵬，石亞欣，翟廣心

（1.國網河北省電力公司經濟技術研究院，河北石家莊 050000；2.北京中恒博瑞數字電力科技有限公司，北京 100085）

基于相關性分析的高壓配網運行效率評級指標體系研究

付智江1，邵華1，康偉1，賀春光1，李樹水1，馬國真1，林榕1，謝曉琳1，韓文源1，馮萬鵬2，石亞欣2，翟廣心1

（1.國網河北省電力公司經濟技術研究院，河北石家莊 050000；2.北京中恒博瑞數字電力科技有限公司，北京 100085）

電網企業作為特殊國有企業，在運營、管理和發展等方面保留了一定的計劃經濟特色，其產品（電能）在匹配市場需求的同時，對可靠性提出了較高的要求，且需要承擔社會責任，即可靠性、經濟性與公平性并重[1]。發達國家電網企業規劃建設中向來可靠性和經濟性并重，國內電網企業也越來越關注管理和運行的精益化，因此，對電網運行效率、經濟性等方面評價的要求逐漸凸顯。研究表明，電網運行設備的利用效率直接關系到電網建設投資的效益，是電網企業運營的重要指標。

國內對電網運行效率的量化研究主要集中在輸電系統[1-4]。文獻[5]提出了一種基于負荷特性曲線研究的運行效率評價方法；文獻[6]提出了一種配電網綜合評價的方法。目前對于各評價指標之間的相關關系及量化方法還有待進一步研究。

本文借鑒輸電網運行效率評價方法，結合高壓配電網自身關注點，提出一種基于相關性分析的高壓配電網運行效率評價方法。提出了適用于高壓配電網運行效率評價的簡化指標體系，包括電網特征指標和電網運行效率指標，指標數據能典型反映高壓配電網的實際運行情況，且數據極易獲取，評價指標體系能夠為高壓配電網規劃提供實際指導。為了量化各指標之間的關系，得到有效的評估結果，建立了基于相關性分析的運行效率評價方法，該方法簡單易行。采用某地縣轄配電網進行計算分析，表明所提方法能夠真實反映區域電網的運行效率情況。

1 高壓配電網特征指標

通過對影響配電網運行效率進行分析，可得到配電網運行效率的特性類指標。配電網運行水平可以歸結為4個方面：負荷特性，負荷布局，電網發展程度和網架結構[6]。

1.1 負荷特性

電網的負荷特性是影響配電網運行效率的重要因素。不同類型負荷的負荷特性曲線存在很大差異，主要體現在最大負荷利用小時數的不同，其在一定程度上綜合反映了設備運行的重要指標。例如，連續生產的大工業負荷與波動較大的居民生活相比，有更平滑穩定的負荷曲線，需要較少的備用容量。文獻[7]分析了電網最大負荷利用小時數與國民經濟發展程度及三次產業結構比例之間的關系；文獻[8]分析了各類負荷的最大負荷利用小時數水平。典型的負荷特性指標為年最大負荷利用小時數。

1.2 負荷布局

集中布局和分散布局的電網，在運行效率上有較大差別。高負荷密度供電區域，電網運行效率更容易達到或接近經濟運行水平；低負荷密度供電區域，同樣的供電能力往往需要更長的線路和更多的變電站布點。文獻[9]分析了在不同負荷密度下實現最佳運行效率的變電容量配置。典型的負荷布局指標為負荷密度。

1.3 電網發展程度

電網建設應考慮運行后若干年甚至更長遠的發展，往往留有較大的備用容量。設備在投運初期利用效率水平往往達不到設計容量，隨著負荷的增長，設備能力才會逐步釋放，在不同的電網發展階段，各類電網設備的發展預留裕度也不盡相同。典型的電網發展程度為負荷年增長率。

1.4 網架結構

隨著社會需求的不斷提高和電網規模的不斷擴大，電網網架結構越來越復雜，堅強合理的網架承受故障干擾的能力更強、設備的容錯能力越高，但設備利用效率會相應降低，文獻[10]對高壓配電網各類網架結構進行了全方位的比較。典型的網架結構指標為主變N-1通過率和線路N-1通過率（%）。

2 高壓配電網運行效率指標

電網運行效率指標在選取時應遵循客觀性、可用性、可比性、可獲得性原則。盡可能采用比較科學的辦法，排除主觀因素的影響，并使指標可以在不同供電企業的之間橫向可比。指標的數據應該容易獲得，來源可靠。

2.1 設施指標

土地資源作為稀缺資源，在電網前期建設布局中，是最重要的考慮指標[11]。同一氣候區域內同電壓等級的同類型電網工程單位面積投資強度較為一致，因此，單位面積電網設施產能（容量）和實際產出（電量）是衡量電網資產運行效率的重要指標，主要的設施有變電站和線路走廊。

1）單位面積變電容量（kV·A/m2）

單位面積變電容量表征變電容量的集中程度，該指標與變電設施的變電容量和主變臺數直接相關。

式中：si為變電站i容量，kV·A；ai為變電站i占地面積m2；m為變電站數量。

2）單位面積變電效率（kW/m2）

單位面積變電效率表征變電站單位面積單位時間內的電能變換效率，該指標與變電設施的變電容量、平均負載率、建設面積直接相關。

式中：pi，t為變電站i時刻t有功功率，kW；T為統計期間，h；Δt為統計間隔，h。

3）單位面積送電容量（kV·A/m2）

單位面積送電容量表征送電容量的集中程度，該指標與線路容量、類型、架設/敷設方式直接相關。

式中：cj，k為走廊j內線路h送電容量，kVA；bj為走廊j長度，m；wj為走廊j寬度，m；z（j）為走廊內j內線路數量；n為走廊數量。

4）單位面積送電效率（kW/m2）

單位面積送電效率表征線路單位面積單位時間內送電容量，該指標與線路容量、平均負載率、類型、架設/敷設方式直接相關。

式中：qj，t為線路j時刻t有功功率，kW；gj，h為線路長度，m。

2.2 設備指標

針對設備利用率的相關研究，目前大多集中于其他生產制造行業，電網方面一般將最大負載率理解為設備利用率，沒有區分設備負載率和設備利用率。本文的設備運行效率指標除了考慮極限值（區域最大負荷時刻的負載率）外，還將平均值納入進來。

1）變壓器最大負載率（%）

變壓器最大負載率表征變電設備的最大運行方式情況，反映了該電壓等級變電容量對峰值負荷的承受能力。

式中：Pk為主變k最大負荷時刻負荷，kW；Sk為主變k容量，kV·A；cos φk為最大負荷時刻主變k功率因數；u為主變數量。

2）變壓器平均負載率（%）

變壓器平均負載率表征變電設備的平均運行情況，反映該電壓等級所有主變在統計期間內輸送電量之和（上網電量與下網電量之和）與投入主變容量之和與負荷平均功率因數之積的比值。

式中：pk，t為主變k時刻t負荷，kW；cosφk，t為主變k時刻t功率因數。

3）線路最大負載率（%）

線路年最大負載率表征變電設備的最大運行方式情況，反映了該電壓等級變電容量對峰值負荷的承受能力。

式中：Il（M）為線路l最大時刻電流，A；Il（N）為線路l最大輸送電流，A；v為線路數量。

4）線路平均負載率（%）

線路平均負載率表征送電設備的平均運行情況，反映該電壓等級所有線路在統計期間內輸送電量之和（上網電量與下網電量之和）與投入線路容量之和的比值。

式中：Il，t為線路 l時刻 t電流，A。

3 基于相關性分析的評價方法

3.1 相關性分析方法

相關分析方法是研究2組隨機變量之間相關性的一種統計分析方法[12]，在數據相關性程度方面有非常典型的應用。兩兩指標的相關系數坐落在[-1，1]內，其絕對值越接近于1，相關性越強；其絕對值越接近于0，相關性越弱。用相關系數的變化范圍可判斷兩兩指標間的相關程度。

式中：若r＞0，則2個指標為正相關，若r＜0，則2個指標為負相關，若r=0，則2組指標不相關，一般地，0.95≤|r|≤1時，顯著性相關；0.8≤|r|≤0.95時，高度相關；0.5≤|r|≤0.8時，中度相關；0.3≤|r|≤0.5時，低度相關，|r|＜0.3時，弱相關；xe，ye分別表示某一指標類中的任意2個指標的第e個值，分別是這2個指標采樣數值的平均值。

本文運用相關性分析方法來計算運行效率指標對特征指標的相關性程度，通過相關性系數值驗證各運行效率指標與特征指標之間的對應關系。

3.2 高壓配電網運行效率評價方法

本文提出的基于相關性分析的高壓配電網運行效率評價方法計算步驟如下。

第一步：收集并計算各區域電網4個特征指標和8個效率指標值，形成4個特征指標集和8個效率指標集。

第二步：各特征指標集與各效率指標集進行相關性計算，得到4×8的相關性系數集，每個相關系數值即為一個元素。

第三步：選擇絕對值大于等于0.8的元素，表明該元素對應的效率指標與特征指標有高度的相關性，可以用該效率指標反映特征指標。篩選過后，每個特征指標與若干特征指標高度相關。

第四步：每個效率指標值進行最大-最小歸一化處理[13]，去掉量綱后形成0～100的標準化得分，每個特征指標下的效率指標值均值即為該特征指標得分。

每個區域綜合得分即反映了該區域電網的運行效率情況。

4 算例分析

以某地市電網公司a、b、c、d 4個縣級供電公司110 kV電網的設備和運行數據為基礎數據，其特征指標值計算結果如表1所示，運行效率評價指標計算結果如表2所示。

表1 特征指標Tab.1 Characteristic index

表2 運行效率指標Tab.2 Efficiency index

按照式（10）求解各指標間的相關性系數，以負荷密度指標與單位面積變電容量為例。x為各縣級單位的負荷密度值，X=[0.86、0.21、0.11，0.05]。y為各縣級單位的單位面積變電容量值，Y=[6.72、5.90、5.79，3.39]。計算可得，負荷密度指標與單位面積變電容量的相關性系數r=0.819。

計算所有特征值指標與運行效率指標之間的相關系數得到的相關性矩陣，如表3所示。

表3 特征值指標與運行效率指標的相關性矩陣Tab.3 Correlation matrix of characteristic index and efficiency index

表3中，與電網特征指標高度相關或顯著性相關的運行效率指標對應關系，如表4所示。單位面積送電容量能較好地反映負荷特性；單位面積變電容量、變壓器年最大負載率、變壓器年平均負載率和線路年最大負載率指標可以較好地反映負荷布局水平；單位面積送電容量較好地反映了電網發展程度；單位面積變電容量、單位面積變電效率、單位面積送電容量和線路年平均負載率指標較好地反映了網架結構指標。

由于各個指標的量綱不同、指標的含義也不同，因此需要對各個評價指標值進行標準化，標準化方法是對原始數據進行線性變換。本文采用最大-最小標準化處理方法將所有指標歸一到[0，100]區間內，即：設minA和maxA分別為屬性A的最小值和最大值，將A的一個原始值z通過最大-最小標準化映射成在區間[0，100]中的值

各指標權重相等，運行效率各指標值加權得到表5所示各縣級單位運行效率得分。

表4 電網特征值表對應運行效率指標Tab.4 Corresponding relation between of characteristic index and efficiency index

表5 供電企業運行效率得分Tab.5 Operation score of each county network

根據評價結果，結合對各縣區電網企業的實際調研情況，綜合得分基本反映了各縣區供電企業的資產設備運行效率狀況。企業a為市轄區，其經濟基礎、工業化程度、經濟活躍程度較好，負荷集中，但城市建設和電網發展已趨飽和，售電量增長放緩，變壓器線路等設備的利用效率較高。企業b為工業大縣，毗鄰重要交通樞紐，售電量增長潛力大，電網投資也逐年加大，負荷曲線較為平穩，電網資產整體利用效率最高。企業c地廣人稀，農業區域比重較大，電網設備的整體利用效率較差。企業d為剛上化的供電企業，原由當地水電公司經營，供電區域多為山區、丘陵地帶，設備狀況、管理狀況和當地經濟條件均較為落后，電網資產整體利用效率最差。

5 結語

針對我國電網評價側重安全性、可靠性的評價，而缺少對于配電網運行效率評價的現狀，從投資建設的經濟性角度出發，依照指標構建的客觀性、實用性等原則，選取了高壓配電網運行效率評價指標，通過相關性分析方法建立了高壓配電網特征指標與運行效率指標之間的聯系，進而提出了高壓配電網運行效率評價方法。某地市4個縣級供電公司為例，實例的評價結果客觀地反映了供電企業資產運行效率的基本狀況，驗證了該評價指標體系的可用性。本文提出方法可應用于電網企業生成運行的經濟效益分析和電網規劃投資建設效益評價，為電網的運行和投資決策提供依據。

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Study of Efficiency Index for HV Distribution System Based on Correlation Analysis

FU Zhijiang1，SHAO Hua1，KANG Wei1，HE Chunguang1，LI Shushui1，MA Guozhen1，LIN Rong1，XIE Xiaolin1，HAN Wenyuan1，FENG Wanpeng2，SHI Yaxin2，ZHAI Guangxin1
（1.State Grid Hebei Economic Research Institute，Shijiazhuang 050000，Hebei，China；2.Beijing Jion Bright Digital Power Technology Co.，Ltd.，Beijing 100085，China）

To improve the investment benefit of the power grid construction，this paper discusses establishment of an efficiency index for HV distribution networks from four aspects of load characteristics，load density，development margin and network structure.The correlation between distribution network characteristic index and power grid operation efficiency index is established bycorrelation analysismethod，and then an evaluation method based on the correlation analysis is put forward.The proposed method is validated taking a county distribution network as an example，and the evaluation results show that the proposed method can reflect the actual operation of HV distribution network，the data is easy to get and in line with the actual need of work，and can guide the planning of HV distribution networks.

HV distribution system；characteristics index；efficiency index；correlation analysis；operational efficiency evaluation

為了提高配電網建設投資效益，根據高壓配電網的特點，以負荷特性、負荷布局、電網發展程度、網架結構4個電網基本特征為基礎，構建了高壓配電網運行效率評價指標體系。采用相關性分析方法建立了配電網特征指標和電網運行效率指標之間的關聯關系，進而提出了基于相關性分析的高壓配電網運行效率評價方法。以某地縣轄配電網為例對所提方法進行驗證，評分結果表明所提方法能夠反映高壓配電網的實際運行情況，數據易于獲取，符合實際工作需要，能夠指導高壓配電網規劃工作。

高壓配電網；特征指標；運行效率指標；相關性分析；運行效率評價

1674-3814（2017）09-0026-06

TM715

A

國家重點研發計劃項目課題（2016YFB0900101）。

Project Supported by the National Key Research and Development Program（2016YFB0900101）.

2017-08-03。

付智江（1965年—）男，本科，高級工程師，主要研究方向為電力系統繼電保護；

邵華（1976年—），男，本科，高級工程師，主要研究方向為電力系統規劃、通信智能化等；

康偉（1970年—），女，本科，高級工程師，主要研究方向為電力系統規劃、設計、評審等；

賀春光（1979年—），男，碩士，高級工程師，主要研究方向為配電網規劃設計技術；

李樹水（1977年—），男，本科，高級工程師，主要研究方向為電網可研與前期。

（編輯 張曉娟）