基于全電壓等級目標網架的多維度評價研究

孫 可，裴傳遜，翁秉宇

（1.國網浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.國網浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 315000）

0 引言

目前，我國經濟已由高速增長階段轉向高質量發展階段，電網建設也隨之轉換為高質量發展的新階段，電力需求增速進一步放緩，一些城市電力負荷逐步達到飽和期，然而基于飽和負荷的全電壓等級目標網架評價還未受到足夠重視。

當前國內外針對目標網架評價的研究主要面向輸電網和配電網，根據評價指標數量的不同，分為單一指標評價和綜合指標體系評價。文獻[1]基于特高壓交流輸變電工程的接入需要，開展了電網運行適應性研究。文獻[2]闡述了支撐輸變電設備智能化的關鍵技術。文獻[3]在智能電網的基本框架下，分別從經濟性、可靠性、靈活性等方面，綜合衡量評價了輸電網的規劃方案。文獻[4]在已有配電網網架規劃問題研究成果的基礎上，提出了一種基于災害地圖的配電網網架規劃方法。文獻[5-6]分別針對配電網網格、骨干目標網架，提出綜合性評價模型和方法。整體而言，目前針對輸配電網結構協調性的評價體系不夠系統，尚需進一步提升全電壓等級下的電網目標網架規劃和優化水平，建立基于全電壓等級目標網架的多維度評價體系。

本文根據高壓輸電網、高壓配電網和中壓配電網網架的特點，在現有國內外相關研究成果的基礎上[7-13]，研究在飽和負荷時期網架的特點和要求，以500 kV，220 kV，110（35） kV，10 kV 電壓等級為層級，從電網負荷容量匹配性、網架轉供能力靈活性、網架結構標準規范性、電網設備利用高效性、電網層級協調適應性等維度出發，構建全電壓等級、多維度的目標網架評價指標體系和評價方法，并以ZB 城市電網為典型實例，開展飽和負荷期全電壓等級目標網架評價，推進全電壓等級電網規劃工作的精準化開展。

1 基于邏輯回歸的飽和發展階段判斷

1.1 邏輯回歸S 曲線模型

本文借鑒國內外發達城市經濟與電網發展規律，主要基于邏輯回歸（Logistic Regression）的S曲線模型[14-15]，用以判斷地區經濟與電網建設發展水平及預測電力需求飽和期大致時間，指導地區電網基礎設施的建設。邏輯回歸S 曲線模型的方程如下：

式中：y 為S 曲線Logistic 函數，表示變量與時間的關系；c 為函數飽和值；a 是與函數初始值相關的參數；b 是增長參數；t 為時間序列。

1.2 電網發展階段劃分理論

為了得到S 曲線函數的一些特征點，對其進行多階求導處理[16-17]。分別得到一、二、三次求導結果y1，y2，y3，如式（2）所示：

由式（2）可以得出結論：對于S 曲線模型來說，其值達到飽和量的21%，50%，79%左右時，事物發展分別進入加速增長期、減速增長期、緩慢增長飽和期。

參考現有國內外發達地區經濟發展與電網建設發展軌跡，可將地區電網發展劃分為4 個階段，如圖1 所示。

圖1 電網發展階段劃分

2 基于目標網架的多維度評價指標體系

2.1 指標的選取方法

電力負荷受眾多因素影響，具有較強的波動性。隨著電動汽車、電供熱等多元化負荷的快速發展，間歇性負荷的不確定性增強。風力、光伏等可再生能源發電大規模接入，進一步加劇了凈負荷的波動性。電源側和負荷側的雙重波動性、不確定性，對電網網架轉供能力和靈活性提出了更高的要求。

隨著電網規模持續擴大，電網設備建設、運營成本持續攀升。由于電網投資具有金額大、持續時間長、資金回收慢、風險多等特點，在社會經濟新常態下，電網規劃建設高質量階段，投資主體多元化競爭加劇，對供電企業投資效益、設備利用率也提出了更高的要求。

在電網建設高質量發展新階段，目標電網規劃最基本的要求是安全可靠與經濟運行，高質量滿足差異化用電需求。即電網容量必須滿足負荷發展，滿足負荷在故障下的安全轉供，同時保持可靠性與經濟性的平衡，不同層級間電網的平衡協調，不致造成資金的浪費和設備的低效利用。

在以上分析的基礎上，本文按照全面性、客觀性、典型性的原則，以“實效、實用”和規劃需求為導向，借鑒國內外先進經驗，研究在轉型發展時期電網網架特點和要求，構建全電壓等級、多維度的網架評價指標體系。體系采用層次化結構，以500 kV，220 kV，110（35） kV，10 kV 電壓等級為層級，從電網負荷容量匹配性、網架轉供能力靈活性、網架結構標準規范性、電網設備利用高效性、電網層級協調適應性等方面，建立涵蓋輸電網和配電網多層級的電網網架評價指標體系，如圖2 所示。

2.2 指標的計算方法

2.2.1 電網負荷容量匹配性

選用不同電壓等級容載比（500 kV，220 kV，110 kV），該指標整體上反映供電區域變電容量對負荷增長的匹配適應程度。

式中：Rsi表示第i 電壓等級的容載比，i 分別指500 kV，220 kV，110 kV；Si表示第i 電壓等級的容量；Pi表示第i 電壓等級的負荷。

2.2.2 網架轉供能力靈活性

反映變電站和線路的結構堅強度以及電網運行方式靈活性。

（1）變電站主變“N-1”通過率（220 kV，110 kV）。指最大負載運行方式下，變電站中任一臺主變停運后，其供電的全部負荷可轉移到其他主變供電的變電站占比。

式中：λTi表示第i 電壓等級滿足主變“N-1”運行的變電站占比，i 分別指220 kV，110 kV；表示第i 電壓等級滿足主變“N-1”的變電站數量；NTi表示第i 電壓等級的變電站總數量。

（2）線路“N-1”通過率（10 kV）。指最大負載運行方式下，任一條線路停運后，其供電的全部負荷可通過不超過2 次操作就能轉移到其他線路供電的線路占比。

式中：λML表示滿足“N-1”運行的10 kV 線路占比；表示e 滿足 “N-1” 運行的10 kV 線路條數；NML表示10 kV 線路總條數。

2.2.3 網架結構標準規范性

反映電網目標網架結構接線的規范性。分不同電壓層級（220 kV，110 kV，10 kV）評估區域內網架規劃期典型接線比例。其中，典型接線指DL/T 5729—2016《配電網規劃設計技術導則》規定的接線方式。

式中：λELi表示第i 電壓等級的典型接線占比，i分別指220 kV，110 kV，10 kV；表示第i 電壓等級的典型接線線路條數；NELi表示第i 電壓等級的線路總條數；

2.2.4 電網設備利用高效性

反映電網目標網架規范下的設備利用效率。分不同電壓層級（500 kV，220 kV，110 kV，10 kV）評估區域內電網規范網架下的設備利用效率，以提高區域電網投資的效率和效益。

圖2 多層級電網網架評價指標體系

式中：λEi表示第i 電壓等級的設備利用率，i 分別指500 kV，220 kV，110 kV；表示第i 電壓等級的下級電量值；Si表示第i 電壓等級額定容量累計值。

2.2.5 電網層級協調適應性

反映層級間變壓器輸送電能的協調性適應能力。分不同電壓層級（500 kV，220 kV，110 kV，10 kV）評估區域內主變、配變之間的變電容量比，包括輸配電網變電容量比和高中壓配電網變電容量比。

式中：λSi表示第i 電壓等級的設備利用率，i 分別指220 kV，110 kV，10 kV；Sup表示第i 電壓等級的上級變電容量值；Sdown表示第i 電壓等級的下級變電容量值。

3 全電壓等級、多維度的網架評價模型

3.1 指標的評分

指標評分函數的歸一化方法有最大值法、差值法、模糊數學法等，各種方法歸一化計算結果一般不影響評價結論且滿足要求。本文綜合采用以上方法進行指標評分，對于效益型指標，指標越大，得分越高，計算公式如下：

式中：Si為指標得分；xi為指標值；Mi，mi分別為指標的理想值和不允許值；p，q 均為常數，通常取p=60，q=40。

對于適中型指標，即指標值以穩定在某一范圍內評分較高，計算公式如下：

式中：yi為指標得分；xi為指標值；ai，bi分別為指標的理想值區間范圍，且ai＜bi。

（1）電網負荷容量匹配性

飽和負荷期，年均負荷增長率低于7%，各電壓等級容載比范圍區間如表1 所示。

表1 各電壓等級容載比

（2）網架轉供能力靈活性、網架結構標準規范性

變電站主變“N-1”通過率、線路“N-1”通過率、網架典型接線比例，這3 個指標評分的理想值定為100%，不允許值取極限為0。

（3）電網設備利用高效性

本文運用典型變電站、典型接線模式中供電架構最佳負載能力，確定設備利用最佳負載能力范圍如下：

最大負荷時刻，變電站最佳負載范圍[50%，60%]，線路最佳負載范圍[35%，50%]；全年平均狀態，變電站最佳負載范圍[20%，40%]，線路最佳負載范圍[20%，30%][18]。

（4）電網層級協調適應性

根據Q/GDW 370—2009《城市配電網技術導則》不同電壓等級的容載比范圍，推算出飽和負荷期不同層級容量匹配范圍如下：

220 kV 變電站與110 kV 變電站容量配比[0.73，1.16]；110 kV 變電站與10 kV 配變容量配比[0.72，0.96][19]。

3.2 指標的權重

根據所建立的指標體系，采用相對重要比較值的方法，對指標層的每個指標進行成對比較，形成如下比較矩陣：

式中：aij是因素i 相對因素j 的重要程度，取自然數1～9，aij=1/aij。

然后根據幾何平均法計算指標權重wi，如式（12）所示：

3.3 指標綜合評分

選用層次分析法，匯總各指標評價得分得到綜合評分，計算公式為：

式中：y 為綜合評分值。

4 實例應用

4.1 電網及發展階段

截至2019 年底，ZB 城市已有500 kV 變電站8 座，主變19 臺，變電容量1 740 萬kVA，容載比為1.72；220 kV 變電站53 座，變電容量2 568 萬kVA，用戶變電站8 座，變電容量193.3萬kVA，容載比為2.03；110 kV 公用變電站235座，容量2 324.4 萬kVA，用戶變電站36 座，變電容量251.15 萬kVA，容載比為2.24；35 kV 公用變電站56 座，變電容量130.58 萬kVA；公用配變40 150 臺，容量2 025.1 萬kVA。

2025 年、2030 年、2035 年全市最大負荷分別為2 150 萬kW、2 490 萬kW、2 600 萬kW。“十三五”最大負荷年均增長率為9.54%，“十四五”最大負荷年均增長率為5.06%，“十五五”最大負荷年均增長率為2.98%。

采用S 曲線模型及人均用電信息數據[20]判斷ZB 電網發展階段。數據來源為“ZB 市統計局”網站，“ZB 統計年鑒2019 年”給出了歷年（1978—2018 年）全社會用電量、人口的數據，見圖3。

圖3 ZB 電網S 曲線預測結果

4.2 評價指標

根據ZB 城市電網目標網架規劃基礎數據，以及本文指標體系中指標計算方法，計算出評價體系中現狀年、過渡年、目標年各評價指標值，如表2 所示。

表2 城市電網評價指標

4.3 評價的綜合得分

根據全電壓等級目標網架指標體系、評價模型，測得ZB 城市電網現狀年、2025 年、目標年網架評價得分分別為88.35，95.56，98.62，如表3 所示。

表3 城市電網評價得分

影響過渡年和目標年得分的主要因素包括：

（1）電網負荷容量匹配性中，500 kV 過渡年變電容量較為不足，容載比僅為1.34；220 kV 過渡年變電容量比較充足，明顯超前城市電網發展階段。

（2）網架轉供能力靈活性中，過渡年及目標年“N-1”轉供率均達到100%，網架結構堅強可靠。

（3）網架結構標準規范性中，220 kV 線路典型接線率，從過渡年有序推進，到目標年達到100%；110 kV 線路典型接線率，從過渡年到目標年仍有一定發展空間。

（4）電網設備利用高效性中，220 kV 電網設備利用效率，過渡年控制得當，處于最佳負載能力范圍，至目標年設備利用效率降低，設備利用率有冗余。

（5）電網層級協調適應性中，500 kV 對220 kV 供電容量配比，過渡年略有不足，主要為500 kV 變電容量不足；110 kV 對10 kV 供電容量配比，過渡年及目標年10 kV 供電容量容量持續不足，高峰負荷運行時，可能會引起部分配變過載運行，未來10 年過渡年至目標年，中壓配電網是規劃建設的重要內容之一。

5 結語

本文在現有國內外相關研究成果基礎上，以500 kV，220 kV，110（35） kV，10 kV 電壓等級為層級，從電網負荷容量匹配性、網架轉供能力靈活性、網架結構標準規范性、電網設備利用高效性、電網層級協調適應性等維度，構建了多維度的全電壓等級目標網架的評價體系和評價方法。

最后，以ZB 城市電網為典型實例，采用本文建立的全電壓等級目標網架評價體系和算法模型，對現狀年、2025 年、2035 年目標年進行評價，評價結果可為電網規劃、建設和運行提供決策和支持。