考慮用戶需求的配電網規劃對象選優分析方法*

歐陽森，陳丹伶，劉麗媛

(華南理工大學 電力學院，廣州 510640)

0 引 言

隨著電網精細化管理與售電市場的發展，用戶對可靠性的需求逐漸被重視[1-3]，在配電網規劃中，當年度總投資一定時，在既保障電網經濟效益又盡量滿足用戶需要的情況下，如何制定合理的規劃投資計劃是供電企業較為關注的問題。

目前，已有文獻展開相關研究。文獻[4]計算了多種可靠性提升措施的投資效益，以可靠性指標與投資費用的比值為依據，對措施選優并組成規劃方案。文獻[5]通過分解優化技術，使缺供電量和投資成本最小化，并最大限度提高可靠性。文獻[6]將分布式發電(DG)納入配網規劃模型中，提出綜合考慮負荷與DG不確定性以及可靠性的數學規劃方法。文獻[7]基于不同措施成本/效益曲線，依據單位可靠率效益/成本敏感度最低選擇最優措施。文獻[8-10]采用全壽命周期成本模型(LCC)，考慮配網規劃各階段成本，以LCC最低確定方案。文獻[9]從運行經濟效益、企業財務效益和社會經濟效益三方面構建配網規劃經濟效益評價指標體系。

綜上，現有配網規劃及其優化研究大多圍繞如何對規劃措施進行選優以實現可靠性提升效益和電網投資效益的最大化，尚缺乏如下研究：(1)考慮對配網規劃的實施對象進行選優，即在一定投資資金下，配網規劃資源能最大程度的向可靠性提升需求度更高、可靠性提升和電網投資綜合效益更大的配網用戶傾斜；(2)不僅要考慮可靠性高低，更要考慮供電可靠率與可靠性期望值之間的差距；(3)充分考慮不同供電地區、不同負荷類型的電力用戶對可靠性提升迫切程度的差異性；(4)面向售電側放開市場，現有配網規劃方法對用戶需求的評估，僅基于用戶缺電損失成本等停電經濟損失指標的大小，忽略了停電對用戶用電體驗方面的負面影響，導致評估內容不夠全面。

為此，擬提出一種兼顧考慮合理可靠性水平與用戶需求，并能合理安排投資次序的分析方法。首先，建立一套綜合評價指標體系，從指標上分別考慮：在可靠性方面關注與期望值偏差，在用戶需求上考慮用戶體驗，在電網經濟性方面關注停電缺供電量；其次，引入改進型“拉開檔次法”進行多指標評估，通過配網規劃的對象選優，實現合理的規劃投資工作。最后，通過韶關地區配網的實際案例，分析驗證了所提出的配電網規劃方法具有實用性，可有效指導配電網的規劃工作。

1 配電網規劃綜合評價指標

為了全面評估配電網的可靠性需求，綜合考慮供電可靠性水平、負荷類型和電網經濟因素，建立了一套配電網規劃綜合評價指標體系，具體指標及其定義如表1所示。該指標體系旨在更準確地指導配電網規劃的對象選擇，使可靠性的規劃投資不僅單純服務于電網供電可靠性水平的提升，更要最大程度地響應于用戶可靠性需求和電網經濟效益。

1.1 供電可靠性指標

在實際應用中，供電可靠率、平均停電時間與平均停電頻率[11]是供電可靠性的主要評價指標。由于平均停電時間可換算為供電可靠率，故認為通過平均供電可靠率ASAI-1和平均停電頻率SAIFI-1兩個指標能夠基本反映一個配電網的供電可靠性水平。

表1 配電網規劃綜合評價指標體系Tab.1 Comprehensive evaluation index system of distribution network planning

供電可靠率ASAI-1的計算公式為[11]：

(1)

式中ti、mi分別為第i次停電的停電時間和停電戶數；M為總用戶數；T為統計期間時間。

平均停電頻率SAIFI-1的計算公式為[11]：

(2)

式中mi、M含義同式(1)。

1.2 考慮用戶需求的評價指標

除了供電可靠性現狀，配電網可靠性規劃中也需要考慮與用戶供電可靠性需求的匹配程度。對此，從供電區域屬性、負荷類型和用戶評價三個方面入手，設置了四個用戶需求指標用于反映不同地區、不同主體用戶類型的配電網的可靠性提升需求，包括：基于期望值的供電可靠率差、用戶負荷等級、單位缺電損失成本、年總用戶可靠性投訴次數。

基于期望值的供電可靠率差能夠從不同供電地區屬性存在不同可靠性目標的層面來反映不同地區的用戶可靠性需求差異；用戶負荷等級和單位缺電損失成本是通過用戶負荷的重要性程度和社會價值側面反映可靠性規劃的用戶需求；年總用戶可靠性投訴次數則是直接把用戶的評價反饋于配電網規劃中，直觀體現用戶的可靠性滿足程度。

1.2.1 基于供電區域屬性的用戶需求

人口密集、工業發達地區與郊區、農村等地區的供電可靠性需求往往存在明顯差別，不能僅憑可靠性指標的高低進行無差別的規劃投資，而應基于當地負荷情況和用戶需求，充分考慮配網合理可靠率水平，并與實際可靠率對比，考查當前可靠性能否滿足用戶需求，作為規劃實施更為科學的依據。

基于地區經濟發展水平、地區級別和負荷密度三個屬性，供電企業劃分了六類供電區并分別制定相應的供電可靠率規劃目標[12]，如表2所示。鑒于該規劃目標具有合理性和普遍性，本文以其作為配網規劃可靠性期望值，并提出基于期望值的供電可靠率差指標ΔASAI：

ΔASAI=ASAI-1-ASAIt

(3)

式中ASAI-1為配網實際供電可靠率；ASAIt為其可靠率期望值，即所屬供電區的規劃目標。

與供電可靠性指標相比，該指標考慮了不同供電地區在供電可靠性控制目標上的差別，而不是簡單地將不同地區的可靠性指標放在同一水平線上作對比，能夠考慮地區屬性來評估某配電網的可靠性提升需求度，同時也符合實際電網管理的傾向性。

表2 各類供電區的供電可靠率規劃目標Tab.2 Power supply reliability planning targets for various power supply areas

1.2.2 基于負荷類型的用戶需求

配電網用戶的負荷等級、經濟價值等屬性對可靠性規劃投資的綜合效益有著顯著的影響。對此，本指標體系設置了用戶負荷等級和單位缺電損失成本兩個指標，用來體現包含不同屬性用戶的配電網對可靠性的需求差異。

負荷等級標準[13]按重要性劃分出特級、一級、二級和三級，高等級負荷停電的社會效益損失更嚴重，其可靠性需求也更高。故本文將用戶負荷等級作為評價指標，并通過量化該標準獲得用戶負荷等級指標值LI：

(1)從特級到三級分別用(0.667,1]，(0.333,0.667]，(0,0.333]，0來量化表示負荷重要程度。

(2)對于負荷等級為Z，賦值區間為[zA,zB]的配網，Z負荷等級的用戶數為A，則：

(4)

式中Amax為在所有相同用戶負荷等級的配網中，該負荷等級用戶數的最大值。

為更好地評價重要負荷對當地經濟發展的作用及其停電對社會經濟的影響，體現該配電網規劃投資的社會效益，本文提出單位缺電損失價值指標VOC：

(5)

式中GDP為該配網的國內生產總值，億元；Q為其總用電量，億kW·h。

1.2.3 基于用戶評價的用戶需求

對于已建成的配電網，用戶的評價反饋能夠直觀反映該配電網用戶對供電可靠性的提升需求。在規劃中應該優先考慮對停電最不滿、對可靠性提升最迫切的用戶，從而提高客戶滿意度，獲得更好的可靠性提升效益。

供電企業現有的客服系統可統計用戶對所在配電網的可靠性投訴情況，包括停電類和電能質量類投訴。本文將這些用戶對可靠性的評價和反饋納入評估中，根據用戶投訴次數的年度統計，設置了年總用戶可靠性投訴次數指標Nuc。

1.3 考慮電網經濟因素的評價指標

可靠性提升應能增加售電量，以促進規劃工作良性循環。為此，本文以停電缺供電量[11]為指標，反映配網改造前后的購電潛力；以投資成本為另一個指標，衡量該配網規劃工作的實施難度。

停電缺供電量ENS為[11]：

ENS=∑K·Si·ti

(6)

式中K為載容比；Si為第i次停電的停電容量，kVA；ti含義同式(1)。

投資成本g可計算為[14]：

g=ga+gb

(7)

式中ga為設備的購置、安裝調試費等；gb為新建工程研究設計費、地塊改造和購買費等。

2 配電網規劃對象選優綜合評估方法

通過上述指標體系可全面反映某配電網的供電可靠性現狀、用戶對可靠性的提升需求和電網角度的投資效益，同時，本文設計了一套綜合評估方法以便于篩選配電網規劃的實施對象。

配電網規劃對象選優綜合評估方法的步驟如下：(1)指標預處理；(2)利用改進型“拉開檔次”法計算各指標權重；(3)加權求和得到綜合評價值，排序獲得各配網規劃優先順序；(4)以年度總投資為約束條件，以方案總體評價值最大為目標函數，按排序依次選擇待投資配網，確定最終方案；(5)對方案進行經濟性評價。

2.1 確定指標權重

“拉開檔次”法是一種能突出整體差異，以利于對評估對象排序的客觀賦權方式[15]。該方法的前提是各項指標相對評估目標重要性相同，但在本文中，不同指標對綜合評估的重要性不同。因此，本文采用主客觀結合的改進型“拉開檔次”法[15-16]對各項評估指標進行賦權。首先根據各項指標重要程度進行主觀賦權，增加重要指標對評價結果的影響，再對權化后的各指標采用“拉開檔次”法進行客觀賦權，確定最終的權重系數。該方法能夠克服傳統“拉開檔次”法在指標重要性不同時可能會過度放大次要指標作用的缺陷，既能使評價值拉開檔次，又能保留各指標的權重差異。具體算法過程如下：

(1)設有n個評估對象，m項評價指標。利用極值處理法[15]將原始數據轉化為歸一化無量綱化的極大型數據，第i個評估對象的第j項指標值為xij。

(8)

2.2 綜合評價值

線性加權計算各評估對象i的綜合評價值Wi，即：

(9)

綜合評價值越大，說明評估對象可靠性提升需求度越高，規劃投資效益越明顯。制定規劃方案時，應按照評價值從高到低來確定其規劃優先順序；依次選擇K個配網進行投資，規劃方案總體綜合評價值為：

(10)

式中Pl為第l個方案的總體綜合評價值;Wk為規劃投資優先級第k位評估對象的綜合評價值。

2.3 方案確定

以方案總體評價值最大為目標函數(F)，以年度總投資為約束條件，確定最終方案，即：

(11)

式中gk為優先級第k位配網的投資成本；G為年度總投資。

2.4 經濟性評價

對規劃方案的電網經濟效益進行評估和檢驗?？紤]配網規劃LCC成本[8-10]，當用戶用電情況不變時，改造后第t年末電網新增經濟收益現值Y(t)為：

Y(t)=CH(t)-[CI+CM(t)+CD(t)]

(12)

式中CH(t)為總售電費用增益；CI為方案總投資費用；CM(t)為總新增運行維護費用；CD(t)為總新增設備退役費用。其中：

(13)

式中ΔSth為第t年比改造前增加的供電量，且按第h類電費結算；ah為第h類電費單位電價，元/kWh；ap為電網購電成本，元/kW·h；r為貼現率。

3 實例分析

選取韶關地區11個10 kV配網，分別記為D1～D11，驗證上述方法的可行性。

根據實際規劃需求和專家意見，確定指標序關系排序為X3>X4>X5>X6>X1>X8>X7>X2，選取相鄰指標重要程度之比rj依次為：1.2，1.2，1.2，1.4，1.2，1.2，1.2，計算得出的主觀權重如表3所示。各配網指標數據和綜合評價值如表4所示。

設年度總投資100萬元，三種規劃方案及其投資優先次序、選定配網及總投資成本如表5所示。

表3 通過序關系排序后的指標主觀權重Tab.3 Subjective weights of indexes after sorting by order relations

表4 各配網原始指標數據和綜合評價結果Tab.4 Raw index data and comprehensive evaluation results of each distribution network

表5 各規劃方案對象選優原則、投資優先次序、選定配網及總投資成本Tab.5 Principles of optimized selection of executive object, investment priorities, selected distribution networks and total investment costs of various planning schemes

3.1 規劃方案的可靠性提升需求分析

對上述方案所選配網進行分析。

(1)方案一、二分別以可靠性指標和售電利潤損失為對象選優依據，由于可靠率與缺供電量有一定相關性，方案一、二所選配網較接近，且可靠性指標均較差，停電缺供電量較大，具有可靠性提升的意義。

方案三采用本文方法，所選配網可靠性水平較高，可靠率達到99.9%。

(2)分析用戶需求指標，則方案三的配網D1、D6、D2、D5具有較高可靠性提升需求度：基于期望值的可靠率差均為負值，可靠性低于期望值，與當地經濟發展水平和用戶需求不匹配，且供電企業傾向于提升該配網的可靠性；除D6外用戶負荷等級均為一級或特級，單位缺電損失價值普遍較高，社會效益和社會影響力大，一旦停電后果嚴重；D1、D6可靠性投訴次數偏高，用戶體驗較差，迫切希望獲得更好的電力服務。

相較而言，方案一、二配網的可靠率差多為正值、可靠性投訴次數較低等，反映用戶的可靠性提升需求不高。

可見，方案三可避免將年度投資消耗在可靠性最低、但并非可靠性提升需求最高的配網規劃中，能優先改造最需提升可靠性的配網，最大程度滿足用戶需求，從而獲得最優的可靠性提升效益。

3.2 規劃方案的經濟性分析

設配網改造后，相關經濟性數據如表6所示，各方案總體評價值、新增供電量及其經濟收益如表7所示。對比三種方案，可知：

表6 各配網的經濟性數據Tab.6 Economic data of each distribution network

表7 規劃方案的目標函數、總體綜合評價值及新增經濟收益Tab.7 Objective functions, total comprehensive evaluation values and economic benefits of planning schemes

(1)方案三總體評價值最高，對配網可靠性提升需求的響應最好；

(2)方案三所選配網的缺供電量并非最大，但每年新增供電量最多。因為該配網中有負荷等級高的大用戶，在可靠率增幅相同時能帶來更多售電量。故在規劃中，對可靠性提升需求較高的配網也應予以關注，其同樣存在利潤提升空間；

(3)方案三最先開始盈利，證明其可更快收回成本，并能在相同年限內為更多配網提升可靠性，實現電網與用戶的雙贏。

綜上，本實例選擇方案三作為規劃方案，驗證了文中方法的實用性和科學性：能使規劃工作傾向于可靠性需求更高的區域；有利于社會穩定和經濟發展；有效減少投訴次數、提高客戶滿意度；兼顧電網投資效益，實現可靠性和經濟性的共同提升。

4 結束語

針對目前配網規劃中，過于追求可靠性指標、對用戶需求考慮不足、未考慮投資優先次序的情況，開展了以下工作：

(1)從供電可靠性水平、用戶需求和電網經濟因素三個層面建立了配電網規劃綜合評價指標體系，在可靠性方面考慮與期望值的差距，用戶需求方面考慮用戶體驗，電網經濟因素方面考慮停電缺供電量；

(2)采用主客觀結合賦權的改進型“拉開檔次”法，提出了一套以綜合評價值為排序依據的配電網規劃對象選優綜合評估方法，能有效安排投資優先次序形成規劃方案，優先改造可靠性提升需求度高的配網；

(3)實例分析表明，該方法能盡可能滿足配網可靠性提升需求，實現可靠性提升和電網投資綜合效益的最大化。