配電網規劃全過程評估指標優化方法及工程應用探索

楊金東，張貴鵬，聶鼎

（1.云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217；2.云南電網有限責任公司，昆明 650217）

0 前言

配電網規劃與改造是一項復雜的系統性工程，作為電力建設中一個重要環節受到廣泛的研究與重視。在常規配電網規劃工作中，由于區域所依據的指導原則、技術線路、項目管理、運行維護等規劃思路不同，通常會使得規劃結果具有較強的地區性特點。同時，由于配電網的建設改造要涉及眾多規劃與運行指標，因而沿用常規數學優化方法追求單一目標最優是不恰當的，當今的配電網規劃應該是一個具有不確定性的、復雜多目標的、非線性決策過程[1]。由此，在進行規劃結果評判時，需要綜合考慮方案的總體供電能力、可實施性、投資合理性以及環境適應性等諸多因素，才能對給出的規劃方案做出一個科學、合理的判斷。

相比較常規評估問題，配電網規劃評估具有較為突出特點，表現為一方面其中涉及到的因素眾多，這些因素中有些是可以量化并具有一定確定性的，如方案的平均供電半徑、供電可靠性、網損率等，有些是難于直接量化或具有較強主觀、不確定性的，如網架結構合理性、負荷預測準確性、規劃工作深度與方案現實指導意義等，這在一定程度上加大了規劃方案綜合決策的難度；另一方面，由于很多因素指標是從不同側面反應一個共性研究對象，因而表現為具有較強的相關性，如供電半徑與末端電壓合格率、系統容載比與設備負載率等，因而若不進行適當處理將造成評價指標重疊從而影響結果的合理性。

當前，國內外對于配電網評估工作已有較多研究成果，文獻[2-4]分別從可靠性、經濟性、安全性、靈活性、清潔性等角度提出了相應的指標體系，深入分析電網某一方面的發展情況；文獻[5-6]采用模糊評判方法對電網規劃及運行評價工作中涉及的主觀不確定性因素進行處理，從而使評估結果更具客觀真實性；文獻[7]對模糊層次分析方法加以改進，使其能更好處理具有一定結構沖突性的評價構成因素，在一定程度上改善了規劃評估效果；文獻[8]提出了一套涵蓋安全性、經濟性、優質性及清潔性的電網運行狀態評價指標體系，同時提出一套新穎的綜合評價方法，用以計算并量化出評價結果，能較為全面、準確的反映電網實時運行狀態。

總體來看當前對于電力網絡的評估工作主要集中在評價指標體系的研究方面，即針對評估對象建立一套具有一定代表性與指導意義的指標體系，再在這個體系基礎上應用層次分析法（AHP）、熵權法、模糊綜合評價法等進行評判。如前所述，這些評估方法可視為一種“靜態”方法，即僅是針對評估對象在某一給定時間斷面上的指標表象進行的分析。然而，在實際系統中這些指標都是在發展變化的，一般表現為一定區域內的數值變動，由此根據其歷年波動情況可統計出其相關性、分散度等性質，從而能更好指導評估工作的開展，而這些在傳統電力評估工作中尚不多見。

在2019年云南省各地區配電網規劃建設專項評估工作中，筆者依據地區配電網規劃技術指導原則建立評價指標體系，并將掌握的地區歷年指標數據也引入評估過程中，在常規評估方法基礎上提出一種指標相關分析算法，一方面可有效排除其中具有較高相關性的指標因素，從而避免出現重疊評估現象，另一方面又能在一定程度上體現指標分散度，從而使評估結果更具可區分性。在這些技術指導下，應用AHP法進行地區配電網規劃方案的綜合評估，取得良好效果。

1 配電網規劃評估指標體系

為便于和工程實際對接，筆者主要依據《南方電網公司110千伏及以下配電網規劃技術指導原則》、《云南電網有限責任公司配電自動化指導意見》以及地區規劃專項督導檢查項目流程建立評估指標體系，共包含規劃依據完備性、規劃過程合理性、規劃結果科學性、規劃方案可實施性、規劃方案經濟性等5大類30個相關評價指標開展評估，由于篇幅限制，本文給出部分指標明細，見表1，其中指標性質為管理類表示該指標主要通過評判專家打分的方式進行評價，而技術類表示該指標可通過對規劃方案中具體數據進行統計而得到。

表1 原始評估指標集

2 方案評估過程

2.1 指標相關性分析

如前所述配電網規劃是一項復雜的系統性工作，這里涉及的指標因素眾多，不可避免會有部分指標由于描述的是同一研究對象的不同形式，從而表現出具有較高的數據相關性，這樣就會出現重疊評估的不良后果，從而影響評估結果的科學性。

本次工作中，考慮到地區電網一般每2年進行一次配電網滾動規劃及項目庫更新，評估人員將歷史規劃指標及相關評估結果也收集起來進行分析。

其中uij=E[(ti-Eti)(tj-Etj)]。易知協方差陣u為對稱的，且其對角元為該對應指標變化的方差。

由統計學理論可知當行列式detu=0時，各指標間存在完全的線性關系，即有不全為0的(β1,…,βn)與b，使得：

成立。在工程中可設定一個閾值α1（如α1=0.2），當detu＜α1時即認為原始指標系統中存在較強相關性，需要進行精簡。

這時，可通過一個如下優化過程來找出這個相關性。

在優化結果(β1,…,βn)T各分量中，將滿足|βi|＞α2，i=1,…n的分量作為待精簡分量，其中α2也為預先設定的閾值（本文設為α2=0.5）。

式（3）實際表示要找出具有最小方差的一個指標分量線性組合，易知當指標間相關性較強時，有z≈0。若精簡掉一個指標分量（不妨設為β1），可通過類似優化過程判斷余下指標間的相關性，如下：

這樣，精簡過程就是在所有待精簡分量中找出這樣的βi，使得余下分量構成的優化式（4）所得優化目標值最大，即得到max(minz')，其物理意義是使余下分量在樣本空間中有最大分散度（其最小線性組合方差最大）。

實際工作中，若每次精簡都運行一遍如式（4）優化過程會使得優化計算量變得較大，由此可在評估過程中采用一種簡化處理方法，即在對式（3）進行優化得到分量間的最小線性組合(β1,…,βn)與對應的方差z后，找到如式（5）所對應的指標分量，以之作為精簡分量。這里式（5）可以通過對式（3）進行簡單變換得到，經測試式（5）得到的分量組合目標值已較為接近由式（4）優化所得結果，而其計算量大為減小。

如上，通過對原始指標集不斷進行精簡，最后得到滿足detu=α1并具有較大樣本分散度的最終評估指標集。

2.2 AHP法評估過程

層次分析法（AHP）是綜合主觀判斷的客觀方法，也是一種定性和定量分析相結合的系統分析方法，其特點是把復雜問題中的各種因素通過劃分為相互聯系的有序層次，使之條理化。在此基礎上結合人工判斷工具，從而挖掘出各層次因素與評判對象間隱含的關系。作為規劃、決策和評價的工具，AHP自問世以來已在各個領域得到迅速普及和推廣，取得了大量的研究成果[9,11]。

本次規劃評估工作中，采用AHP法依精簡后的指標集對規劃方案進行綜合評價，過程如下：

建立指標集層次結構體系；

對于結構中每一層判斷，根據1～9標度打分原則構造判斷矩陣A；

判斷矩陣一致性檢驗，求出一致性指標CI，這里其中λmax為判斷矩陣最大特征值，n為判斷矩陣階數；

計算判斷矩陣一致性指標CR，這里RI為對應的平均一致性指標。當CR≤0.1時，認為矩陣具有一致性；

利用層次單排序計算結果，逐層計算出對更上一層次而言本層次所有元素重要性的權重值，從而得到指標集中每一指標因素相對于評估對象的綜合權重wi；

對指標集中管理類指標，以評估專家打分形式給出百分制分值si，對指標集中技術類指標，根據歷史數據以出現過的最差情況（或最大、最小值）設為0.5，以預計出現的最好情況（未來計劃目標或最大、最小值）設為1，其他數值按此區間折算，從而也得出百分制分值si，最終規劃方案綜合評估的得分為：

3 算例分析

本文以云南省某地區電力公司配電網規劃為例，進行2018年滾動規劃方案評估。截至2017年底，該地區電網供電面積2.89萬 km2，供電用戶總數194.6萬戶，2017年全社會用電量260.3億 kWh，最高負荷4503萬kW。地區有220 kV變電站20座，主變42臺，主變容量624萬 kVA；110 kV變電站56座，主變105臺，主變容量425.9萬 kVA，110 kV線路160條，總長2601 km；35 kV變電站108座，主變195臺，主變容量118.2萬 kVA，35 kV線路226條，總長2738 km。地區供電轄區內10 kV公用線路共有1324條，總長2.5萬 km，10 kV公用配變19269臺，容量281.65萬 kVA。根據2018年修編配電網規劃報告，“十三五”規劃總投資45.4億元，較“十二五”實際完成投資增長32.89%。

本文依照本文所述建立原始評估指標集，此外還搜集到地區歷史10年內的相關規劃與評估數據。在評估工作中，對于管理類指標采用優、良、中、差4個等級打分，分別對應分值為90%、80%、60%、40%；對于技術類指標參照該指標的歷史發展變化范圍或其他先進地區同類指標情況設定基準值進行了標幺化處理。

通過指標相關性分析，精簡掉預測年均負荷增長率、高壓站點平均間距、估算供電可靠性（ASAI）、設備平均負載率、設備選型合理性等多個指標（主要集中在技術類指標上）。

最后應用AHP法對精簡后的指標集進行指標權重分析，并在此基礎上對地區配電網規劃方案進行了評估，其中各一級指標評估得分情況為：規劃依據完備性得分80.0、規劃過程合理性得分76.2、規劃結果科學性得分85.5、規劃方案可實施性得分78.7、規劃方案經濟性得分84.2，最終得出該地區2018年配電網規劃整體水平得分為81.3分。

4 結束語

本文提出了帶有地區性特點并面向工程實際的配電網規劃綜合評價指標體系，綜合考慮了規劃依據完備性、規劃過程合理性、規劃結果科學性、規劃方案可實施性、規劃方案經濟性等5個方面的特征，能夠較為全面客觀反映配電網建設的整體水平。在評估工作中提出指標相關分析算法，能夠發現原始指標體系中隱含的相關性，從而精簡掉具有較高重復度的指標因素，避免出現重疊評估現象，并突出參與評估指標數據的分散性，便于評判打分。采用上述體系和技術，運用AHP法對云南某地區的2018年配電網規劃方案進行評估，很好指導了實際工作的開展。