考慮負荷時空特性的配電系統運行效率評價方法

黃存強，趙雪，劉興文，安娟，程文俊，張桂紅

(國網青海省電力公司經濟技術研究院，西寧810008)

0 引言

配電系統作為直接面向終端用戶的環節，其投資規模在電網總投資中占有很大比重[1 - 5]。隨著國家經濟增速趨于平穩，配電系統投資未來也將朝著精益化的方向發展。因此，如何在保證供電質量的基礎上改善配電系統運行效率，對提高資產利用水平、節約投資費用有重大意義[6 - 7]，故研究科學合理的配電網運行效率評價方法已成為國內外各領域所關注的焦點。

當前對配電系統運行效率的研究主要分為兩類，一類是站在配電系統的角度，結合配電系統綜合評價體系[8 - 11]中的評價指標和各類權重賦值方法對系統運行效率進行評價[12 - 14]。文獻[12]綜合考慮設施指標和設備指標，基于相關性分析方法提出了一種高壓配電網運行效率評價方法，可以對各評價指標之間的相關關系進行量化。文獻[13]從供電可靠性、網絡結構、負荷特性、負荷供應能力和電網建設裕度等配電網影響因素出發提出了一種基于灰色關聯閾值變權方法的配電網設備利用率綜合評價方法，避免了指標關聯造成的影響。文獻[14]從電網運行效率和投資效益兩個角度出發，提出了計及新能源接入的省級電網效率效益評估方法，解決了復雜大電網的效率效益評估問題。文獻[15]提出了一種電網設備運行效率的3階段評估方法，先應用規模報酬可變的數據包絡分析模型獲得投入松弛量，再利用環境變量回歸擬合松弛量后對投入變量作修正，最后將修正后的投入變量代入數據包絡分析模型作效率評估。該類方法雖然可以全面地展示出不同影響因素對于配電系統運行效率的影響，但是所選指標對運行效率的貢獻程度難以直接衡量，從而導致指標對應的權重缺少科學合理的依據。

另一類是從設備出發，基于設備利用率的概念對配電系統運行效率進行評價[16 - 19]。文獻[16]在設備考慮設備實際運行年限的基礎上，提出了一種考慮全壽命周期的電氣設備利用率評價方法。文獻[17]考慮供電安全性、負荷特性、負荷發展等影響因素，提出了配電網設備利用率評價標準及相應的提升措施。文獻[18]提出了一種基于負荷持續曲線的系統運行效率評價模型，并在此基礎上完善了系統運行效率和系統協調度的計算方法。文獻[19]對在全壽命周期下配電網設備負荷率、負載率和預期壽命的合理值進行分析，并在此基礎上確定配電網設備全壽命周期利用率的合理范圍。該類方法是按照設備到系統的維度層層遞進，挖掘影響系統運行效率的內在機理，對于配電系統規劃運行具有很強的指導意義。

然而，當前設備利用率評價方法更多關注于用戶供電可靠性和負荷時間特性，對于用戶電壓質量和負荷空間分布的考慮有待完善；此外，當前研究尚未構建起由單個設備到配電系統的評價指標體系。

針對上述問題，首先從設備實際負載水平與合理負載能力的角度出發，明確闡述配電設備運行效率的定義，并考慮單個設備、單層設備以及配電系統3個維度構建系統運行效率評價指標體系；其次，對供電質量、網絡結構以及負荷時空特性等影響因素進行分析，完善配電設備合理負載率的分析思路；最后，在上述影響因素分析的基礎上提出配電設備合理負載率計算方法，并以10 kV配電線路為例進行展示。

1 配電系統運行效率定義及評價指標體系

現有研究對于效率的定義是評價使用有限資源以滿足人類意愿的程度。對于配電系統來說，利用有限資源的程度對應系統供給的負荷總量；人類的意愿則是希望配電系統安全可靠、優質高效的供電，對應系統合理負載能力。所以配電系統運行效率是系統的實際負載水平與合理負載能力的比值。

對于配電系統運行效率的評價分為3個層次，分別是單個設備、單層設備以及整個系統，本文將從這3個層次出發構建配電系統運行效率評價指標體系。

1.1 單個設備

對于單個設備利用率的評價包括時間斷面和時間周期兩個方面。其中對于時間斷面的評價一般選取設備峰值負荷時刻，對于時間周期的評價則需面向設備整個評價周期，相應的計算方法如式(1)所示。

(1)

式中：fji為在時間斷面上第j個層級的第i個設備的利用率；mji為第j個層級的第i個設備在峰值時刻的實際負載率；mRD,j為第j個層級設備在時間斷面的合理負載率。

(2)

式中：fji,avt為在時間周期第j個層級的第i個設備的利用率；t為運行效率評價的時間周期，通常取1年，8 760 h；mji,t為第j個層級的第i個設備在t時刻的實際負載率；mRDt,j為第j個層級設備在時間周期t的合理負載率。

1.2 單層設備

對于單層設備運行效率的評價需要在考慮時間的基礎上增加設備數量的影響。基于數理統計的原理，為了全面衡量一組數據的整體情況，既要計及數據的平均水平，又要涵蓋數據的離散程度，從而歸納出單層設備運行效率平均值和均衡度兩個指標。

需要注意的是，由于同類設備在運行過程中供給的負荷通常存在差異，負荷特性的峰值時刻不盡相同，且各設備之間很可能不存在聯絡關系，運行相對獨立，所以對于單層設備來說，評價時間斷面意義很小。

此外，各設備由于投資成本不盡相同，對運行效率平均值的影響程度也應存在差異。本文用設備造價的高低衡量各設備在運行效率平均值中的權重，對于線路來說，其造價主要由型號和長度決定；對于變壓器來說，其造價主要由型號和容量決定。單層設備運行效率評價指標的計算如式(3)所示。

(3)

(4)

式中FA為單層設備運行效率均衡度。

1.3 配電系統

配電系統是由多個層級的配電設備構成的，主要包括110/35 kV配電線路、110/35 kV主變、10 kV配電線路以及10 kV配變。與單層設備的評價方式類似，該評價也需要包括數據的平均水平和離散程度2個方面，從而歸納出配電系統運行效率平均值和協調度2個指標。

(5)

式中：fp,avt為配電系統運行效率平均值；ωj為第j個層級的運行效率權重，即第j個層級設備的總造價占配電系統所有設備總造價百分比。

(6)

式中FB為配電系統運行效率協調度。

配電系統運行效率評價指標體系如圖1所示。

圖1 配電系統運行效率評價指標體系Fig.1 Evaluation index system of distribution system operating efficiency

2 配電設備合理負載率影響因素分析

2.1 配電設備合理負載率影響因素

從配電網規劃的角度分析，設備合理運行水平既要在當前負荷時空特性的基礎上滿足用戶用電需求，也要考慮新增設備的規劃建設周期，為未來負荷發展留出裕度。所以配電設備合理負載率主要影響因素包括供電質量、網絡結構、負荷密度、負荷特性和負荷發展5個方面。配電系統運行效率影響因素如圖2所示。

圖2 配電系統運行效率影響因素Fig.2 Influence factors on the operating efficiency of distribution system

由于供電質量包括供電可靠與電壓質量兩個要素，分別可以結合網絡結構和負荷密度進行分析，最終得出合理負載率分析的4個維度：1)供電可靠與網絡結構；2)電壓質量與負荷密度；3)負荷特性；4)負荷發展。

2.2 供電可靠和網絡結構影響分析

配電網對所供電能的可靠性可以通過“N-x”安全準則來評價和衡量，當前最常用的依然是“N-1”安全準則[20]，即在正常運行方式下，電力系統N個元件中任一獨立元件因故障而被切除后，系統依然能保持穩定運行和正常供電且其他元件不會有過負荷的風險發生。但是如果沒有配電設備的網絡結構支撐，單獨考慮供電可靠性是沒有實際意義的。配電設備的網絡結構可以通過其聯絡對象數體現。設備的聯絡對象數越多，發生故障后負荷可能的轉供途徑越多，在正常運行時所帶的負荷就越大，設備合理負載率越大。通過分析不同類型設備的聯絡對象數，就可以得到該設備考慮供電可靠和網架結構影響的配電設備合理負載率mRA。本文以10 kV配電線路為例進行展示。

由表1可以看出，隨著聯絡對象數量的增加，合理負載率數值逐漸上升。這是因為聯絡對象數量反映的是其他設備對該設備的支撐作用，發生故障后提供支撐的轉供路徑越多，該設備可供給的負荷量越大。

表1 10 kV配電線路考慮供電可靠性的合理負載能力Tab.1 Reasonable load capacity of 10 kV distribution line considering power supply reliability

2.3 電壓質量和負荷密度影響分析

站在用戶需求的角度，配電網對用戶供電不僅要保證所供電能的可靠性，還要保證所供電能的電壓質量。電壓質量是否合格主要是通過電壓偏差體現。不同等級的電壓允許偏差的范圍不同，比如10 kV三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%[20]。此外，電壓質量也與負荷密度密切相關，在相同電壓等級下，負荷密度越大，單位長度的線路損耗越大，電壓降落越大。對于處于不同負荷密度地區且供電范圍不同的設備，由于受到電壓偏差的約束，設備所帶最大負荷往往存在差異，進而影響到設備合理負載率。

2.3.1 配電線路

對于配電線路來說，電壓降落通常可以通過潮流計算得到，所以配電線路時間斷面合理負載率計算方法如下所示。

(7)

(8)

(9)

式中：ΔU為電壓偏差；X、R分別為配電線路的電抗和電阻；cosφ為功率因數；SL為配電線路視在功率；SN為配電線路的容量；mRAL為配電線路考慮電壓質量合理負載率。

2.3.2 110/35 kV主變

對于110/35 kV主變來說，通過2.3.1節可以得到主變各條10 kV出線的合理負載能力，再結合主變的出線間隔以及容量，進而計算出主變考慮電壓質量的合理負載率，如式(10)所示。

(10)

式中：mRBZ為主變考慮電壓質量的合理負載率；nL為主變出線間隔數；SL,i為主變第i條10 kV出線的視在功率；SZ為主變容量。

本文以10 kV配電線路為例進行展示。由表2可以看出，配電線路供電范圍越大，設備合理負載率越小；配電線路截面越小，設備合理負載率越小。這是因為配電線路供電距離越遠或單位阻抗越大，電能在傳輸過程中損耗越大，電壓降落越明顯，為保證電壓偏差在合理范圍內而犧牲設備負載能力。

表2 10 kV配電線路考慮電壓質量的合理負載能力Tab.2 Reasonable load capacity of 10 kV distribution line considering voltage quality

2.4 負荷特性影響分析

需要注意的是，盡管在設備規劃的過程中是按照負荷峰值進行規劃的，但是在設備實際運行過程中負荷是具有波動性的，如果全部按照負荷峰值的標準進行評價，將會導致設備運行效率偏低，所以基于設備所帶的不同負荷類型及其負荷特性分析設備時間周期合理負載率是十分必要的。

對于負荷而言，負荷率[21]基本描述了在一段時間周期內平均負荷與最大負荷之間的關系。本文也通過該指標分析設備時間斷面合理負載率與時間周期合理負載率的關系，從而反映出負荷特性對設備合理負載率的影響。

2.5 負荷發展影響分析

受到負荷預測以及新增設備規劃建設周期的影響，配電網供電能力往往會為未來負荷的發展留有一定的裕度，即保障在電力設施建設滯后的前提下，仍能保障未來負荷的供電。負荷發展對于合理負載率的影響可以通過供電裕度影響因子反映，計算方法如式(11)所示。

(11)

式中：n為預留裕度的年限；α為年負荷平均增長率。

3 配電設備合理負載率計算方法

基于上述分析，可以得出配電設備合理負載率的計算方法。首先考慮供電可靠與網絡結構以及電壓合格與負荷密度因素，確定考慮供電質量的配電設備合理負載率；然后考慮負荷特性因素，確定時間周期內配電設備合理負載率；最后考慮負荷發展因素，確定考慮未來供電裕度的配電設備合理負載率。具體公式分別如式(12)—(14)所示。

mR=min{mRA,mRB}

(12)

mRD=mRF

(13)

mRDt=μmRF

(14)

式中：μ為負荷率；mR為設備考慮供電質量的合理負載率；mRA為考慮供電可靠與網絡結構的合理負載率；mRB為考慮電壓質量和負荷密度的合理負載率；mRD為考慮負荷發展后設備時間斷面的合理負載率；mRDt為考慮負荷發展后設備時間周期的合理負載率。

本文以10 kV配電線路為例進行展示。表3反映了綜合考慮供電可靠與網絡結構以及電壓質量與負荷密度兩大因素的配電線路合理負載率，體現出考慮負荷空間特性的價值。

表3 10 kV配電線路考慮供電質量的合理負載能力Tab.3 Reasonable load capacity of 10 kV distribution line considering power quality

表4 10 kV配電線路考慮負荷發展的合理負載能力Tab.4 Reasonable load capacity considering load development of 10 kV distribution line

表4展示出各類供電區域配電線路合理負載率計算結果，而不同供電區域受到不同影響因素的制約使得其負載能力難以達到較高水平。其中，中心城區因土地資源緊張需要為新設備規劃建設留出較長的時間周期；新建城區與工業園區因負荷增速較快需要為未來負荷增加預留充足裕度；縣城地區與農牧地區因供電距離較遠需要保證合理的電壓偏差范圍。

4 結論

本文對配電系統運行效率開展研究，從設備到系統層層遞進，形成了配電系統運行效率評價指標體系，研究了考慮負荷時空特性的設備合理負載率計算方法，得出以下結論。

1)在較為偏遠的農牧地區，負荷空間特性對設備合理負載能力造成很大影響，此時可以通過配置無功補償裝置在一定程度上緩解電壓偏差的問題。

2)不同供電區域合理負載能力提升的制約因素存在差異。在本文研究的基礎上，可以更加全面地評估配電設備運行現狀，挖掘不同供電區域配電系統薄弱環節，進而從負荷預測方法、設備規劃方法及DG置信容量分析等方面改善配電系統運行效率，提高配電系統資產利用水平。