配電網(wǎng)供電可靠性提升及定量測算分析

高珊，高倩，趙陽，劉涌，陳萬喜，劉楊

(1. 國網(wǎng)河北省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，石家莊 050021； 2. 上海電力學(xué)院，上海 200090； 3. 上海博英信息科技有限公司，上海 200240)

0 引 言

隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展、高科技的普及，電力應(yīng)用已經(jīng)在社會上全面普及，然而社會效益的提升也使得社會發(fā)展及人民生活對供電可靠性有了更高的要求。根據(jù)電網(wǎng)監(jiān)測管理的不完全統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，目前大多數(shù)的停電發(fā)生在配電網(wǎng)，而配電網(wǎng)產(chǎn)生的電能損耗占電網(wǎng)電能損耗近一半[1]。

相對來說，配電網(wǎng)可靠性的研究并沒有引起學(xué)者們的強(qiáng)烈重視[2]。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的最大的原因是發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)施與配電網(wǎng)相比較為集中，對設(shè)施的原始投資額較大，組建所需時間長，電力供應(yīng)不足引起的停電給社會及生態(tài)帶來的影響的程度和波及范圍容易吸引人們的注意力[3]。相比國外很多國家，我國對于配電網(wǎng)可靠性的研究起步雖然較晚，但經(jīng)過長時間的刻苦探索，也越來越重視配電網(wǎng)供電可靠性的研究，提出了一系列可靠性評估的算法，開發(fā)了相應(yīng)的評估計(jì)算軟件，建立了較為完善的電網(wǎng)基礎(chǔ)參數(shù)和事故記錄數(shù)據(jù)庫，創(chuàng)立了對電網(wǎng)供電能力、電能質(zhì)量高效監(jiān)測和管理的系統(tǒng)[4]。

目前，可靠性指標(biāo)量化計(jì)算的方法主要有兩大類：解析法和模擬法[5]。解析法是基于網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過數(shù)學(xué)建模的方法進(jìn)行可靠性計(jì)算的[6]。模擬法是一種試驗(yàn)的方法，在配電網(wǎng)中設(shè)備可靠性原始參數(shù)已知的前提下，從設(shè)備的概率分布函數(shù)中抽樣確定系統(tǒng)可能出現(xiàn)的運(yùn)行狀態(tài)，然后對各種系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和計(jì)算，根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果統(tǒng)計(jì)得出可靠性指標(biāo)[7]。可靠性分析的方法主要采用最小路法[8]，是對網(wǎng)絡(luò)中的所有用戶點(diǎn)尋求它們的最短供電路徑，將非最短供電路徑的設(shè)備等效至最短供電路徑，因此只需考慮最短供電路徑上的節(jié)點(diǎn)和負(fù)荷節(jié)點(diǎn)對網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響。《供電系統(tǒng)用戶供電可靠性評價規(guī)程》制定了適用于配電網(wǎng)用戶供電可靠性統(tǒng)計(jì)、計(jì)算分析的方法和評估指標(biāo)[9]。應(yīng)用最小路法對實(shí)際算例進(jìn)行理論分析，并通過計(jì)算可靠性指標(biāo)、采用收益增量/成本增量評估方法，對可靠性提升措施一一進(jìn)行分析，找到適合實(shí)際電力網(wǎng)絡(luò)的可靠性提升措施。

1 配電網(wǎng)供電可靠性評估理論基礎(chǔ)

1.1 收益增量/成本增量評估方法

收益增量/成本增量評估方法(簡稱iB/C法)是將收益增量與成本增量的比值作為測評標(biāo)準(zhǔn)，為多屬性規(guī)劃[10]。

收益增量為某一提升措施與原始網(wǎng)架的可靠性相比，在進(jìn)行可靠性提升之后降低了的停電時間所帶來的收益。計(jì)算公式如下：

ΔBi=(Ri-R0)×Lai×單位電量產(chǎn)生的GDP×10

(1)

式中Ri、R0為第i項(xiàng)提升措施實(shí)施后的停電時間和原始網(wǎng)架的停電時間；Lai為第i個負(fù)荷點(diǎn)用戶的容量。

成本增量為某一提升措施進(jìn)行可靠性提升時所需要改進(jìn)或投入設(shè)備的成本，包括設(shè)備投資費(fèi)用和運(yùn)行維修費(fèi)用：

Ci=SCOST·i+MCOST·i

(2)

(1) 設(shè)備投資費(fèi)用

SCOST·i=N×CC

(3)

式中SCOST·i為第i項(xiàng)提升措施所投資的設(shè)備費(fèi)用；N為設(shè)備的數(shù)量；CC為設(shè)備的單價。

(2) 運(yùn)行維修費(fèi)用

MCOST·i=CM×SCOST·i

(4)

式中CM為年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用占投資費(fèi)用的百分比。

iB/C法在對可靠性提升措施測評和排序時，需要盡量所有方案都可以分到預(yù)算資金。在測評中可以采用兩個性質(zhì)由貨幣衡量的數(shù)值來表示資本運(yùn)作的效率。最為普遍的是將收益定義為一段時間內(nèi)節(jié)約的費(fèi)用，而成本被定義為最初的投資成本。規(guī)劃人員都想達(dá)到收益最大化和費(fèi)用最小化的雙重目標(biāo)。其基本計(jì)算過程如下。

(1)將各類備選方案一一羅列，包含保持原始網(wǎng)絡(luò)；

(2)對每一方案，分別計(jì)算其總收益及總費(fèi)用現(xiàn)值(包括投資成本、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用、稅收或擴(kuò)建費(fèi)用、故障費(fèi)用等)；

(3)分別核算每個方案與原始方案的收益增量及成本增量，得出收益增量/成本增量的比值；

(4)按收益增量/成本增量的比值將全部方案降序排列，再從比值最大的方案開始一一計(jì)算累積成本，直至達(dá)到預(yù)計(jì)投資的成本。

建設(shè)改造的設(shè)計(jì)工作者可以通過收益增量/成本增量法對所投資的成本進(jìn)行收益測評，對每一子項(xiàng)目分別評測，最后按變化量之比決策、選擇，這就規(guī)避了高收益決策的影響。

1.2 可靠性和費(fèi)用

配電網(wǎng)的高持續(xù)供電能力的目標(biāo)其實(shí)很容易實(shí)現(xiàn)。一個簡單的方法就是，給系統(tǒng)每個地方均提供較大的容量裕度，讓系統(tǒng)的接線方式保證每個用戶點(diǎn)都有兩條或更多供電路徑，使電網(wǎng)運(yùn)行方式處于一個即使發(fā)生設(shè)備停運(yùn)也不會停電的狀態(tài)。如果所提供的電網(wǎng)運(yùn)行方式無法滿足要求，則可以配備快速切換容量，使設(shè)備停運(yùn)導(dǎo)致的停電時間降至最短。

這個辦法的唯一缺點(diǎn)是費(fèi)用高昂。大容量裕度其實(shí)就是增加“額外容量”，在設(shè)備的40年壽命期間要求這部分容量起作用的時間只有幾個小時，安排這一裕度也許不是一種高效的投資方式。兩條或更多供電路徑所需費(fèi)用一般要高于一條路徑的費(fèi)用。電網(wǎng)運(yùn)行方式的復(fù)雜性也使項(xiàng)目規(guī)劃變得更加復(fù)雜，還要求額外的設(shè)備和特殊的運(yùn)行方式，從而進(jìn)一步提高了費(fèi)用。快速切換容量也意味著要有充足的現(xiàn)場人員(傳統(tǒng)方法)或要有高度的自動化水平(現(xiàn)代方法)，任何一種方法都要有其代價。因此，可靠性問題面臨的真正問題是，為獲得更高的效益，改善可靠性與費(fèi)用的關(guān)系。

提供良好的可靠性要花錢，而使可靠性變得優(yōu)異則要花費(fèi)更多。在電力系統(tǒng)的任何層級和任何地點(diǎn)，對可靠性的逐步改進(jìn)都會需要相當(dāng)規(guī)模的投資。可靠性與費(fèi)用的關(guān)系如圖1所示[11]。所以，對一個SAIDI指標(biāo)為120 min的系統(tǒng)，為使它降低到100 min，要“購買”20 min的SAIDI指標(biāo)，則電力企業(yè)每年可能要花費(fèi)7千萬美元。但如果再花7千萬美元，即使對投資進(jìn)行優(yōu)化以獲得最大的收益，也達(dá)不到再降低20 min的效果，電力企業(yè)可能會發(fā)現(xiàn)，也許只能再降10 min甚至更少。

圖1 可靠性-費(fèi)用的關(guān)系圖Fig.1 Reliability-cost relationship diagram

可以用多種方式解釋上圖表示的關(guān)系。一種解釋是，由圖可以看出，可靠性水平的提升越來越困難，而所需的投資費(fèi)用則越來越高。例如，為了實(shí)現(xiàn)較高的可靠性，具體要求為較高的冗余度、不間斷的監(jiān)測、更好更快的協(xié)調(diào)和切換，這些都要求更多的費(fèi)用，而且隨著可靠性目標(biāo)的提高，費(fèi)用上升的速度將變快。

可靠性費(fèi)用通常隨著可靠性的改善而呈“指數(shù)式上升”，其實(shí)際原因?yàn)椋喝绻娏ζ髽I(yè)規(guī)劃人員和管理人員了解各種有效的措施及其費(fèi)用，他們顯然會優(yōu)先選擇可靠性成本效益最高的措施，之后才會考慮較貴的可靠性資源。因此。假如評估和選擇方法較完善，根據(jù)可靠性效益最大化原則，首先選擇的措施的收益增量/成本增量比一定比其余措施的要高。因此，費(fèi)用會隨著可靠性目標(biāo)的提高而上升。

2 實(shí)例計(jì)算

選取南方某供電局的部分網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖作為算例進(jìn)行計(jì)算分析，共267個節(jié)點(diǎn)、266條支路、72個用戶點(diǎn)，每個用戶點(diǎn)的容量為0.3 MW。網(wǎng)絡(luò)為單輻射網(wǎng)絡(luò)，可轉(zhuǎn)供率低，用戶可靠性較差。目前該網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)平均停電頻率(SAIFI)為1.178 1 次/用戶·年，系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間(SAIDI)為4.793 1 h/用戶·年，平均供電可用率(ASAI)為99.945 3%。其余設(shè)備參數(shù)及可靠性評估數(shù)據(jù)見表1、表2。

對上述網(wǎng)絡(luò)制定三個層次的改建方案來提升網(wǎng)絡(luò)不間斷供電的能力，分別為：架空線改電纜、單輻射改聯(lián)絡(luò)、配電自動化。從前兩類措施中選擇18項(xiàng)措施分別進(jìn)行iB/C的計(jì)算。

單輻射網(wǎng)絡(luò)改為多聯(lián)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)時，供電可靠性會明顯提升。比較各類措施實(shí)施時的收益增量/成本增量的比值，由大到小降序排列，即改建方案有利的實(shí)施排序?yàn)椋?-1-15-5-16-17-3-14-4-6-7-18-8-9-10 -11-12-13。根據(jù)以上最優(yōu)措施排序，通過可靠性計(jì)算軟件，逐步對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造并進(jìn)行仿真計(jì)算、記錄可靠性指標(biāo)數(shù)據(jù)，得出在模擬過程中可靠性指標(biāo)的變化，經(jīng)過可靠性提升之后，網(wǎng)絡(luò)的可靠性指標(biāo)提升，系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間為0.757 7(h/用戶·年)，平均供電可用率為99.991 4%。

3 Pareto曲線的繪制

將成本變化和系統(tǒng)平均停電持續(xù)時間(SAIDI)輸入Excel表格中分別作為橫、縱坐標(biāo)，繪制出帕累托曲線，如圖2所示。

圖2 南方某供電局供電可靠性Pareto曲線Fig.2 Power supply reliability Pareto curve of a power supply bureau in south china

圖2共有20個數(shù)據(jù)點(diǎn)，從最右開始第一個點(diǎn)為維持網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀時的可靠性模擬結(jié)果，電力供應(yīng)中斷的平均持續(xù)時間為4.793 1 h，供電可靠率為99.945 3%，斷電時間較長，可靠率指標(biāo)較低。在此基礎(chǔ)上，對網(wǎng)絡(luò)加以改建，利用收益增量/成本增量評價的結(jié)果得出，優(yōu)先將單輻射網(wǎng)絡(luò)改為手拉手網(wǎng)絡(luò)，繼而改為多輻射網(wǎng)絡(luò)時，可靠性指標(biāo)有明顯的提升，是最為有效的改建方案，電力供應(yīng)中斷的平均持續(xù)時間降至1.338 4 h，供電可靠率為99.984 7%。之后從網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的角度著手，對網(wǎng)絡(luò)的實(shí)質(zhì)進(jìn)行改建，將部分故障率較高、對網(wǎng)絡(luò)供電能力影響大的架空線改為電纜輸電，故障率降低，對網(wǎng)絡(luò)供電能力有所提升，電力供應(yīng)中斷的平均持續(xù)時間降至1.151 6 h，供電可靠率為99.986 9%，但在投資額相同的前提下，架空線改電纜所產(chǎn)生的效益與之前相比有很大差別，也說明了可靠性越高的網(wǎng)絡(luò)在可靠性規(guī)劃時投資所產(chǎn)生的效益降低，可靠性的提升越來越艱難。左上角最后一個點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)在改聯(lián)絡(luò)、改電纜的基礎(chǔ)上加入配電自動化之后得出的，配電自動化裝置對手拉手、多聯(lián)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)的可靠性有明顯改善，降低了故障修復(fù)時間，從而提升了網(wǎng)絡(luò)的供電能力，電力供應(yīng)中斷的平均持續(xù)時間降至0.757 7 h，供電可靠率為 99.991 4%。

基于供電可靠性的配電網(wǎng)規(guī)劃是一個典型的多目標(biāo)多約束的優(yōu)化問題，其目標(biāo)函數(shù)包括配網(wǎng)建設(shè)投資最小、可靠性提升成本效益最高、配電網(wǎng)損耗最小、負(fù)荷轉(zhuǎn)供能力最強(qiáng)等。在多層次建設(shè)改造中有多種因素，如可靠性、成本等。Pareto優(yōu)化曲線可表示不同性質(zhì)情況下的測評結(jié)果，比如電力公司在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)建或運(yùn)行時，Pareto曲線可表示各類有差異的改建項(xiàng)目的成本與可靠性之間的聯(lián)系。所以，Pareto曲線可為電力企業(yè)提供備選方案，并在兩個性質(zhì)之間權(quán)衡，然而該曲線不能明確地告知決策者應(yīng)該選擇哪個方案[12]。

從圖2該市供電局供電可靠性的Pareto曲線可以看出，改造項(xiàng)目的可靠性收益和費(fèi)用投資是非線性函數(shù)關(guān)系。隨著供電能力的提升，收益增量/成本增量的比值逐漸下降，即想要進(jìn)一步改善網(wǎng)絡(luò)所需的投資成本會越來越高。由收益增量/成本增量比的比較可知，先實(shí)施單輻射加聯(lián)絡(luò)時可靠性指標(biāo)有明顯的改善，且成本較低；之后將網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的架空線改為電纜，雖然可靠性指標(biāo)也有所改善但變化較小。由此說明在投資相同的前提下，可靠性指標(biāo)越高，對網(wǎng)絡(luò)改善所得的效果甚小。

4 結(jié)束語

通過闡述可靠性與費(fèi)用的關(guān)系，提出了運(yùn)用收益增量/成本增量的評估方法對可靠性提升措施進(jìn)行評估，綜合考慮了成本與可靠性提升之間的關(guān)系，并通過繪制Pareto曲線表示，最后選擇了2014年南方某市供電局的部分基本網(wǎng)架作為研究算例，進(jìn)行可靠性提升及定量測算分析，選擇該市可靠性歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、基礎(chǔ)參數(shù)，運(yùn)用該方法，得出最佳的可靠性提升方案，驗(yàn)證了該算法的有效性。收益增量/成本增量評估方法將投資成本有效地運(yùn)用于網(wǎng)絡(luò)中的可靠性提升，在同時考慮成本與可靠性提升的情況下，得出最有效的提升方案。