電網負載健康評估模型研究

錢仲文，王 龍，曹建偉，葉昕炯，陳 昊

（1.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.國網浙江省電力公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

電網的負載水平可以綜合反映電網的建設合理水平和運行健康水平，且負載評估時所使用的數據量越大，電網負載評估的結果越科學、越有實際指導意義。

目前，國內外專家學者開展了電網運行和管理相關指標的評估研究。如為減小變壓器不滿設計壽命便提前退役為電網帶來的巨大損失，文獻[1]提出基于健康水平診斷技術的變壓器綜合壽命評估模型。文獻[2-6]對考慮業擴報裝、電動汽車和風光新能源等因素情形下的電網負荷預測進行了綜合研究。文獻[7-12]對電網負荷調度、規劃和考慮互動后的運行安全進行了綜合評估。現有文獻的電網指標評估較深入但是單一，即評估僅考慮某一方面，如可靠性[13-14]、安全性[15-17]、供電質量[18]、發展靈活性[19]、技術裝備水平和社會效益[20-21]等。同時，盡管已有文獻將供電建設情況和運行安全性相結合，但是這種程度上的綜合不能滿足電網評估的實際工作要求，且直接的指導性不足，其評估結果不能解決電網近期規劃與建設項目的實際問題[22]。即現有文獻未能解決利用電網負載的歷史大數據來評估電網的總體裝備水平、建設科學性、運行安全性等問題。

為此，研究建立了設備健康打分機制和電網負載評估模型，以某公司核心供電區域內的主變壓器（以下簡稱主變）、10 kV線路和110 kV線路為算例，綜合評估了核心區域電網的建設合理水平和運行健康水平，識別電網薄弱環節，為電網規劃和項目建設提供科學參考。

1 評估指標體系

電網的整體評估優劣程度受多種因素影響，對電網綜合評估就是對這些因素進行綜合、全面、科學考慮。不同的評估理論和方法側重點各有不同，各單項指標及其相互關系的確定方式也不盡相同，建立的綜合評估指標體系也不相同。

目前，國內外應用較為廣泛的評估方法主要包括層次分析法、模糊評價法和德爾菲法等[23]。

1.1 層次分析法

層次分析法是一種實用的多目標決策問題分析方法，該方法將有關因素分解為目標、準則、方案等不同層次，結合定性分析與定量分析方法，利用決策者思路和經驗的數學化信息，對問題本質及其關系進行深入分析，適用于存在主觀信息和不確定性的情況。

1.2 模糊評價法

模糊評價法是一種基于模糊數學理論的綜合評估方法。該方法利用模糊數學中的隸屬度理論對受多種因素制約的對象和事物做出一個總體評價，也就是將定性評價轉化為定量評價，較好地解決了模糊且難以量化的問題，結果清晰，系統性強，適用于解決各種非確定性問題。

1.3 德爾菲法

德爾菲法采用多輪次、背靠背通信方式征詢專家小組各成員的預測意見，經過反復征詢、歸納、修改，匯總成專家趨于一致的看法，最后做出符合未來發展趨勢的預測結論。

1.4 負載健康評價體系

對比分析不同評估方法的特征及其適用性，結合電網負載健康的評估要求，以下采用層次分析法建立評估體系和模型，對電網中主設備的負載健康程度進行定量評估。

基于供電區域的網架情況，結合評估目標，建立的電網負載評估體系如圖1所示。分析圖1可知，電網負載評估體系主要考慮設備的負載率和聯絡率等因素。

圖1 電網負載評估體系

2 評估模型建立

2.1 負載健康評估模型

電網負載健康評估模型包括變電站負載評估模型、10 kV線路負載評估模型、110 kV線路負載評估模型，以及主變負載評估模型，其詳細數學模型如下。

2.1.1 變電站負載評估模型

式中：HS為某一座變電站的負載健康得分，變電站共有9座；HL110，i為變電站第i條110 kV線路的負載健康得分；ωS1為第i條110 kV線路負載在變電站負載評估中的權重；N為變電站的110 kV線路數量；HL10，j為變電站第j條10 kV線路的負載健康得分；ωS2為第j條10 kV線路負載在變電站負載評估中的權重；M為變電站10 kV線路數量；HB，k為變電站第k臺主變的負載健康得分；ωS3為第k臺主變負載在變電站負載評估中的權重；T為變電站主變數量。

2.1.2 110 kV線路負載評估模型

式中：αL1為110 kV線路負載健康得分在其評估中的權重；XL110為第i條110 kV線路的負載值；αL2為110 kV線路的聯絡線得分在其評估中的權重；LL110為第i條110 kV線路的聯絡線得分；α1與X1，α2與X2， α3與X3， α4與X4分別為 110 kV線路在區間[0，30%]，[30%，50%]，[50%，70%]，[70%，100%]的占比及其負載聚合值；S為健康得分最高值，這里設定為滿分100；n為此110 kV線路的聯絡線數量；C為重點區域內的聯絡線最大值；N為重點區域內的線路數量；ni為第i條線路的聯絡線數量。

2.1.3 10 kV線路負載評估模型

式中：HL10，j為變電站第j條10 kV線路的負載健康得分；βL1為10 kV線路負載健康得分在其評估中的權重；XL10為第j條10 kV線路的負載值；βL2為10 kV線路的聯絡線得分在其評估中的權重；LL10為第j條10 kV線路的聯絡線得分；β1與Y1，β2與 Y2， β3與 Y3， β4與 Y4分別為 10 kV 線路在區間[0，30%]，[30%，50%]，[50%，70%]，[70%，100%]的占比及其負載聚合值；m為此10 kV線路的聯絡線數量。

2.1.4 主變壓器負載評估模型

式中：HB，k為變電站第k臺主變的負載健康得分；δB1為第k臺主變負載健康得分在其評估中的權重；ZB為第k臺主變的負載值；δB2為站內負荷可轉供的站內主變數量的得分在其評估中權重；LB為站內負荷可轉供的站內主變數量的得分；δ1與Z1， δ2與 Z2， δ3與 Z3， δ4與 Z4分別為主變在區間[0，30%]，[30%，50%]， [50%，70%]， [70%，100%]的占比及其負載聚合值；k為站內負荷可轉供的主變數量；F為站內主變的遠景臺數；M為重點區域內的主變數量；mj為第j臺主變的負荷可轉供的站內主變數量。

根據上述公式，即可求得供電區域內各設備的負載值。

2.2 健康打分機制

基于變電設備全年運行“總體良好”的原則和各設備的運行規定（導則），結合各設備2015—2017年負載大數據的聚類分析結果，提出了主設備的健康打分機制，健康打分曲線如圖2所示。

圖2 電網主設備的健康打分曲線

分析圖2曲線可知，當負載在[0%，50%]時，設備健康良好，即其得分較高；當負載在[50%，70%]時，設備健康合格，即其得分一般，此時需關注設備運行狀態，必要時可進行升級和改造；當負載在[70%，100%]時，設備健康評估不合格，得分小于60，此時的設備運行狀態較危險，急需對此設備進行密切監控或改造。

3 算例分析與驗證

根據上述負載健康打分機制和負載評估模型，以某公司核心供電區域內主要一次設備為算例，進行負載健康評估分析及模型驗證。

3.1 算例計算

以LX變電站（以下簡稱LX變，其余類推）為例，對其主要一次設備2015—2016年負載數據進行統計，可得結果如圖3所示。

圖3 LX變電網主設備的負載統計結果

對負載結果按設定的區間進行聚類并計算平均值，可得聚類平均值分布如圖4。

圖4 LX變電網主設備的負載聚類平均值分布

以電網主設備的負載聚類結果為基礎，可計算得到LX變各主設備的負載健康評估結果，如圖5所示。

圖5 LX變電網主設備的負載聚類結果

分析圖5可知，LX變設備運行狀態總體良好，但部分主設備的負載較重。其中，LX變1號主變、2號主變、LX567線、LX551線、LX550線、LX552線的評估結果不合格，急需對其進行改造；LX549線的負載健康接近合格線，需要密切關注，條件允許時可對其進行改造，亦可通過聯絡線將其部分負荷轉移至臨近變電站。

為提高LX變設備的負載健康狀態，建議對非健康主設備進行改造，具體措施見表1。

表1 LX變非健康主設備的改造措施建議

同樣，可得核心供電區域內其他主設備的負載健康評估結果，將其按變電站進行歸類，可得核心供電區域的負載健康評估雷達圖（見圖6）。

圖6 某公司核心供電區域的負載健康評估結果

分析圖6可知，某公司核心區域內的9座變電站總體運行狀態良好，其中BH變和FH變的負載評估得分較高，在近一段時間內無需對其改造升級。BL變的評估得分較低，其運行狀態較差，急需對其重點監控，或開展相應的電網改造和補強工程；XH變、ZY變、DJ變和WB變的評估得分接近合格線，需要密切關注，或提前開展相應改造工程，以應對迎峰度夏期間的負荷增長需求。

3.2 算例驗證

在上述研究結論的指導下，2016年某公司對LX變的1號主變進行了擴容。2017年，調整LX變567線、550線運行方式，經實際運行驗證，LX變1號主變、567線、550線的負載健康均運轉良好，而未改造或升級的LX變2號主變、551線、552線、549線負載健康度仍較差。

通過算例驗證了模型的正確性和科學性，模型及研究結論對公司電網設備負載健康評估、設備升級改造有科學指導意義。

4 結論

根據電網主設備的歷史負載數據，提出了健康打分機制，建立了負載健康評估模型，最后以某公司核心區域內各主設備為算例，驗證了模型的科學性和正確性，研究結論如下：

（1）對于負載較為健康的電網設備，在近一段時間內無需對其改造升級。

（2）對于負載健康較差的電網設備，優先開展相應的電網改造、補強等工程，或對其運行狀態進行重點監控。

（3）對于負載健康接近合格線的電網設備，需要密切關注其運行狀態，或提前開展相應改造工程，以應對負荷增長需求。

通過建立電網主設備的負載健康評估模型，識別了部分主設備的安全隱患，研究結論為電網公司供電區域電網規劃和電網主設備的科學管理提供了決策參考。