基于電網成效貢獻度的儲備項目量化評價方法及優選排序

張浩然，楊玉靜，王少杰，蔣文靜，蘇川，葉青，叢彪

(國網吳忠供電公司，寧夏 吳忠751100)

0 引言

電網儲備項目的評價和選取是電網投資管理的最后一道閘門，是保障電網投資精準水平和投資效益的關鍵環節。由于電網網絡結構拓撲緊湊，單個儲備項目的投產會對整個電網的安全、經濟、協調等多方面產生影響，如何量化評價單個儲備項目的投產對整個電網的提升程度一直是電網投資的難點。目前國內外對于電網項目投資效果評價已有較多研究，但以往大部分研究主要是針對規劃方案采用模糊層次分析、專家打分、指標定量分析等方法進行評價工作，權重計算方法單一，缺乏全面性與科學性，并且對于電網規劃層面單個儲備項目仍缺乏有效的量化評價方法，沒有考慮單個項目投產后對整個電網的作用和成效，無法為儲備項目出庫、列入投資計劃提供技術支撐[1 - 3]。文獻[4 - 6]將模糊數學應用到多目標綜合評價中，形成了模糊綜合評價模型，它根據隸屬度理論將定性評價轉化為定量評價，用以解決各種難以量化的非確定性問題，這也是目前電網項目評價的常用方法，但其評價方法單一，缺乏全面性與科學性，并且對于電網規劃層面的單個儲備項目仍缺乏有效的量化評價方法。文獻[7 - 10]從電網安全性、設備利用水平、供電可靠性等方面建立電網基建項目決策指標體系，并利用項目分值建立了電網基建項目輔助決策模型，實現項目的優選，但以上文獻并未考慮項目關聯關系及投產時序對電網投資效益的影響，不能有效指導投資計劃和開工計劃安排。

因此，本文從經濟性、安全性、協調性、社會效益等方面研究電網儲備項目對電網發展的貢獻度，并建立了一套科學合理的儲備項目成效評價指標體系。然后，通過分析各電網儲備項目分別在安全、經濟、協調等方面對整個電網成效評估指標的改善情況，提出單個儲備項目對電網的綜合貢獻度計算方法。最后，以單位投資的綜合貢獻度為依據，考慮各個儲備項目之間的耦合關系，各儲備項目建設后對其他儲備項目貢獻度的影響，提出電網儲備項目動態優選排序方法，以滿足電網基建項目投資計劃精準化要求。

1 電網儲備項目量化評價指標體系

1.1 指標體系基本框架

根據電網投資定義，本文對柔性投資所包含的項目進行評價優選，主要項目類型包括提升電網安全水平類、滿足新增負荷類、電源送出類、加強網架結構類。根據上述項目類型，為構建電網儲備項目評價指標體系，其遵循的思路如下。

1)根據不同項目功能分類特點制定不同的評價指標；

2)以影響每類項目效益發揮的因素為依據進行指標甄別和構建；

3)能夠體現每類項目效益發揮的特點，且允許不同類項目的評價指標重疊。

此外，為建立全面的儲備項目量化評價指標體系，還應考慮到電力系統的實際情況和儲備項目的特點，又要考慮到電力系統運行數據和儲備項目建設的預測數據獲取的難易程度，遵從系統性、科學性和可獲取性原則，對現有電網項目評價指標進行梳理，提煉出電網儲備項目量化評價指標體系，如圖1所示。

圖1 電網儲備項目量化評價指標體系Fig.1 Quantitative evaluation index system for grid reserve projects

1.2 儲備項目評價指標定義及量化模型

1.2.1 安全性指標

1)N-1通過率

本文采用N-1通過率作為評價指標，用以檢驗電網拓撲和運行方式是否滿足安全運行要求，N-1通過率計算如式(1)所示。

(1)

式中：ηN-1為N-1通過率；NN-1為滿足N-1原則的元件數量；Ntotal-N-1為總元件的數量。

2)停電風險

電力系統停電風險是指電力系統停電概率與其損失負荷的嚴重性的乘積。從電力安全事故(事件)的角度，電力系統停電嚴重性可用各地區電網發生的不同等級的電力安全事故(事件)綜合危害表示[11]，因此停電風險計算公式如式(2)所示：

(2)

式中：Drisk為該電網的停電風險值；N為該電網節點數；Si為節點i發生的各級電力事故(事件)集；Di,j為節點i發生事故j的綜合危害分值；pi,j為在節點i處發生停電事故j的概率。

3)配電網線路聯絡率

針對配電網中加強網架結構項目，設置配電網線路聯絡率。兩條接線如果直接由聯絡開關相連即稱這兩條線路之間有聯絡，線路聯絡率為有聯絡的線路在總線路中的占比。配電網線路聯絡率ηL表達式為：

(3)

式中：NL,c為有聯絡的線路條數；NL為配電網總線路條數。

1.2.2 協調性指標

1)配電網供電能力

配電網供電能力是指一定區域內在配電網的正常運行約束條件下供應用戶用電的能力，反映配電網可供負荷規模，該指標同時受到線路容量約束和主變容量約束。供電能力計算的目標函數和約束條件如式(4)所示。

(4)

式中：LTSC0為配電網供電能力；Pi為主變i所帶負荷；fm為饋線m所帶負荷；fm∈Ti為饋線m出自主變i的對應母線；Fm,n為饋線m第n段所帶負荷；Ri為主變i的額定容量；fR,m為饋線m的額定容量。

2)容載比(校驗指標)

容載比是區域內某一時刻投入的變電總容量與對應的供電總負荷的比值。

(5)

式中：RS為容載比；Pmax為該電壓等級典型負荷日對下級電網供電的最大負荷；∑Sei為該電壓等級典型負荷日投入的變電站的總容量。

3)變機比(校驗指標)

變機比是指接入該電壓等級等效電源裝機容量與該電壓等級降壓變電容量之比。其中，等效電源裝機容量包括接入電源裝機容量、輸電通道受電規模、該電壓等級升壓容量、上級電網接入等效裝機等。計算公式如式(6)所示。

Wb=Sq/St=(Gq+Gup+Lx)/S

(6)

式中：Wb為變機比；Sq為該層級電網等效裝機；St為該層級電網降壓變電容量；Gq為本層接入裝機容量；Gup為上層接入裝機容量；Lx為聯絡通道受電能力；S為降壓變電容量。

4)設備負載率均衡度

為反映投產項目后與該項目相鄰設備(線路、變壓器)之間負載的均衡程度，設立設備負載率均衡度指標。其中線路、變壓器的設備負載率均衡度BL、BT計算公式如式(7)所示。

(7)

1.2.3 經濟性指標

1)設備最大負載率

針對儲備項目投產后的利用效率設立儲備項目最大負載率指標。在規劃電網最大運行方式下開展潮流計算，統計最大運行方式下投產年儲備項目電力傳輸情況，用來反映儲備項目輸電線路(變壓器)投產年最大輸送有功功率占線路經濟輸送功率(變壓器額定容量)的比例。變壓器與輸電線路最大負載率指標δT、δL的計算公式如式(8)所示。

(8)

式中：δT為變壓器最大負載率；PT為投產年最大運行方式下變壓器最大負荷；ST為變壓器額定容量；δL為線路最大負載率；PL為線路上最大有功功率；PE為線路經濟輸送功率。

2)線損率

該指標反映某一電壓等級輸電環節的電量損耗，但在以前評價中難以對8 760 h的流經功率進行準確計算。因此，在大多數情況下可以用功率代替電量來簡化系統網絡損耗的計算，表達式如式(9)所示。

(9)

式中：ηLOSS為該電壓等級電網線損率；PLj為第j條線路中的有功潮流；Uj為第j條線路的電壓水平；NA為所有已建線路和待建線路的集合；Zj為第j條線路的單位長度線路電阻；γj為第j條線路的長度。

3)電量效益

電量效益指的是儲備項目投產后變電站和線路增加的輸電量與該電壓等級單位電量電價的乘積，反映了儲備項目建設的經濟性。

(10)

(11)

式中：CkT、CkL分別為k項目總投產變壓器和線路的電量效益；m為建設變壓器個數；j代表線路；n為建設線路條數；PTmaxki、PLmaxkj分別為k項目中變壓器和線路的有功功率；TTmaxki、TLmaxkj分別為k項目中變壓器和線路的年最大利用小時數；cL、cT分別為該電壓等級線路和變壓器單位電量電價。

1.2.4 社會效益指標

1)低電壓用戶比例

針對解決農網低電壓臺區的配電網儲備項目，設置配電網低電壓用戶比例指標。配電網低電壓用戶比例指標為電網最大運行方式下超出電壓安全閾值的用戶比例。

(12)

式中：ηlow為低電壓用戶比例；Nlow,i為第i個低電壓節點帶的用戶數量；Ntotal為該電網總體用戶數量；S為節點總數。

2)新能源減排效益

綜上所述，不僅產業集聚、技術創新各自對區域經濟增長產生影響，產業集聚和技術創新對經濟增長產生關聯效應，技術創新在產業集聚影響經濟增長中起到關鍵作用，影響機理如圖1所示，技術創新行為通過技術進步促進經濟增長，產業集聚通過規模效應和擁擠效應對經濟增長施以影響，技術創新和產業集聚通過創新協同、高度分工等方式相互作用。

針對儲備項目中新能源接入項目的評價設立新能源減排效益指標，新能源減排效益Cb可表示為：

(13)

式中：Pk為某一電壓等級第k種清潔能源發電額定功率；Tk為該種類清潔能源發電的最大利用小時數；l為清潔能源發電的種類數；A為每度電的減排效益；m1為每噸標準煤的煤價；m2、m3分別為每噸二氧化硫、氮氧化物的環保處理價值；λ1為1 kWh電所節省的標準煤的重量；λ2、λ3分別為減排1 kWh電所減少的二氧化硫、氮氧化物的排放量。

2 基于電網成效貢獻度的儲備項目量化評價方法

2.1 基于矩估計理論的組合賦權法

為兼顧主觀決策與客觀真實性，達到主客觀的統一，就需要對主觀權重與客觀權重進行集中整合，運用以主觀和客觀權重結合的組合賦權法將使得評價指標的賦權更加科學合理。本文采用基于矩估計理論的組合賦權法，該方法以決策者提出的主觀權重和根據屬性值計算得到的客觀權重為依據，以集成權重與主、客觀權重偏差最小為目標，建立最優賦權組合模型[12 - 14]。

假設有m個評價指標、p種主觀權重求取方法、q種客觀權重求取方法，形成“指標權重向量矩陣”。

式中：第1～p行為p種主觀權重；λij為第i種主觀權重求取方法求得指標j的主觀權重；第p+1～p+q行為q種客觀權重；γij為第i種主觀權重求取方法求得指標j的客觀權重。

組合賦權權重W是p種主觀權重和q種客觀權重的線性組合。

(15)

為求得線性組合加權系數θi，基于集成權重與主觀權重偏差最小的思想，建立式(16)所示組合權重優化數學模型。

(16)

式中：ωj為組合賦權法求取的組合權重；αi和βi為主客觀重要程度系數，可用層次分析法，最后將上述模型進行優化算法求解，即可得到基于電網成效貢獻度的儲備項目量化綜合評估各評價指標的組合權重。

2.2 基于電網成效貢獻度的儲備項目動態排序方法

本文基于上述評估指標體系和評估方法，綜合考慮項目綜合貢獻度和建設成本，提出了一種基于單位投資綜合貢獻度的儲備項目動態優選排序方法。該方法首先依據單位投資綜合貢獻度大小，對待選項目進行靜態排序，并選出單位投資綜合貢獻度最高的項目作為擬建設項目，然后在后續排序中計及前面儲備項目建設對該項目綜合貢獻度和投資額的動態影響，重新計算和測算該項目對整體電網的綜合貢獻度以及項目建設投資額，將儲備項目之間的耦合關系打開，再逐輪進行靜態優選排序，最終得到多項目動態優選排序結果。

基于電網單位投資成效貢獻度的儲備項目動態優選排序方法如圖2所示，具體步驟如下。

1)對各儲備項目根據建立的基于電網成效貢獻度的儲備項目量化評估指標體系及主客觀賦權法結合的組合賦權法計算各單項指標的值和組合賦權權重，并依靠下式得出各儲備項目對整個電網的綜合貢獻度。

(17)

(18)

式中：rki,b、rki,a分別為第k個電網儲備項目投產前后第i個指標的指標值；uki為第k個儲備項目第i個指標的提升度；Sk是第k個儲備項目的綜合貢獻度值；N是綜合評價指標體系中的指標總數；M為儲備項目總數；wi是第i個指標貢獻度的組合權重系數。

2)按照式(19)計算第k個儲備項目的單位投資綜合貢獻度Ck，即：

(19)

式中fk為第k個儲備項目的測算投資額。

利用計算出的單位投資綜合貢獻度對電網儲備項目進行排序，選取單位投資綜合貢獻度最高的項目作為本次排序的優選項目。

3)對于剩下的待選項目，重復步驟1)、2)繼續計算，直到排列出所有儲備項目的優先級順序。需要注意的是，在考慮剩下的項目對項目優先級的影響的時候，需要考慮已經被優選的項目對現狀電網的影響。

4)用當年電網投資規模作為邊界條件，在當年投資規模之內的電網儲備項目即作為當年優選儲備項目進行建設。

5)對上述排序結果進行校驗，校驗其是否滿足電網診斷條件。如不滿足，則重新計算主觀權重返回步驟1)；如滿足上述要求則轉到步驟6)。

6)輸出最終儲備項目建設方案。

3 算例分析

以某園區2019年底形成的10 kV配電網網架為基礎，以2020年規劃負荷為邊界，選取“十三五”規劃庫中2020年規劃投產項目進行優選排序，驗證所提電網儲備項目優選方法的科學性與合理性。截至2019年6月底該電網擁有110 kV、35 kV公用變電站各2座，變電容量共計146 MVA，10 kV公用線路13回，線路總長度154.5 km，全社會最大負荷29.8 MW，10 kV線路N-1通過率70 %，線路聯絡率為91%。預計2020年最高用電負荷為31.6 MW。該地10 kV中壓配電網拓撲圖及儲備項目明細如圖3和表1所示。

表1 10 kV電網儲備項目數據明細Tab.1 Reserve projects data details for 10 kV grid

表2 單個儲備項目建成后各指標貢獻度計算結果Tab.2 Calculation results of each indicator contribution after completion of a single reserve project%

表3 各指標計算權重Tab.3 Calculation weight of each indicator%

圖3 10 kV中壓配電網拓撲圖Fig.3 10 kV medium voltage distribution network topology

根據表1的儲備項目的基礎數據，計算單個儲備項目建成后電網的各指標計算結果及其對電網的貢獻度，指標貢獻度計算結果如表2所示。并采用基于矩估計理論的組合賦權法求出其組合賦權權重，權重計算結果表3所示。

根據每個評價指標的主觀權重期望值E(whj)和客觀權重期望值E(wzj)， 計算得出主客觀權重相對重要程度α=0.592、β=0.408。由表2—3中數據可以看出組合賦權權重中N-1通過率、配電網供電能力、儲備項目最大負載率和電量效益權重較大，反映出在兼顧經濟效益和效率的情況下保障安全可靠供電是電網的主要投資目的，同時對此4個指標貢獻度越大的項目，越易被選出。

根據表1—3數據進行分析，排序情況如表4所示。

1)C項目是提升電網安全水平項目，建設目的是通過改造線路13，提升其負荷轉供能力，進而提升變電站2的供電能力，并減小線路損耗，由于其對電網安全、聯絡和供電能力等方面貢獻較為突出和均衡，因此根據計算結果優先選出；

表4 儲備項目排序結果Tab.4 Sorting result of reserve projects

2)D項目為解決設備重過載的項目。該類項目分擔了周邊主變的負荷，有效減緩線路12的重載情況，提升電網安全水平和可靠性。

3)E項目為加強網架結構項目，建設目的是通過新建聯絡線，使線路1、3、7、10、11、12形成環網，提升電網可靠水平和轉供能力。

4)A項目為滿足新增負荷項目，建設目的是通過改造10 kV主干線緩解線路3未來較大供電需求，并減小線路損耗。

5)B項目為滿足新增負荷項目，建設目的是通過新建10 kV饋線提高變電站2的供電能力，滿足新增負荷需求，因其新建線路花費較大，因此最后選出。

將靜態排序結果和動態排序結果相比較可以發現：A項目和B項目在靜態排序中和動態排序中順序不一致。這是因為動態排序過程中C項目的投產會提高變電站2的供電能力削弱了B項目在供電能力指標對電網的貢獻，導致B項目投產順序發生變化，這也反映出本文考慮建設時序影響的動態優選排序方法的優越性。

因10 kV儲備項目建設無需進行容載比和變機比校驗，所以可利用計劃的電網投資規模作為邊界條件，在投資規模之內的電網儲備項目即作為待建設項目。因測算的2020年項目建設投資規模為200萬元，2021年項目建設投資規模為150萬元，故將其作為邊界條件進行考慮，經過儲備項目動態優選排序，最終確定各儲備項目建設順序如表5所示。

表5 儲備項目建設順序Tab.5 Reserve project construction sequence

儲備項目投產后，一方面是增加線路輸送能力，改造2回10 kV架空線，線路截面由95 mm2提升至240 mm2；另一方面是解決轉供能力不足問題，新建2條聯絡線，提高了配網安全可靠性，滿足電網診斷要求。

4 結論

本文提出基于電網成效貢獻度的儲備項目量化評價方法，實現儲備項目的優選排序，從而滿足電網精準投資要求。總結文章研究成果，結論如下。

1)本文提出了基于矩估計理論的組合賦權法，兼顧了主觀決策與客觀真實性，達到主客觀的統一，使得評價指標的賦權更加科學合理。

2)本文提出了基于電網成效貢獻度的量化評價方法。該方法通過分析各儲備項目在安全、經濟、協調等方面對整個電網的改善情況，計算各項目對電網的貢獻，從而進行優選排序。相比于傳統的模糊層次分析、專家打分等方法，該方法采用定量計算的方式避免了模糊分析的誤差和專家打分中主觀因素的過多干預，可以為儲備項目出庫，列入投資計劃提供技術支撐。

3)本文提出的動態優選排序方法從實際出發，考慮了已經被優選的項目投產對現狀電網的影響，實證分析結果表明，該方法在儲備項目優選排序中是有效且準確的，可以有效指導投資計劃和開工計劃安排。