考慮公司經營狀況和全網現狀的高壓配電網工程精細化事前評估方法

張 林，王 浩，鄧 強，向 菲，黃 剛，陸正媚，顏 偉

(1. 國網重慶市電力公司，重慶 400014；2. 重慶大學 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室，重慶 400044；3. 國網重慶市電力公司 墊江供電分公司，重慶 408300；4. 國網重慶市電力公司 電力科學研究院，重慶 401123)

電網改造工程實施前，省網公司通常需要對不同地市供電單位的多個不同電網改造工程方案進行事前評估，以便確定技術經濟效果最優的工程方案和合適的地市供電公司作為最終的投資主體[1-2]。不同供電公司的經營狀況不同，其投資能力及其所能夠承受的投資風險也有所不同。原則上，供電公司自身的經營狀況越好，其投資能力和抗風險能力越強，越應優先批準該公司的改造工程。此外，供電公司所管轄的高壓配電網整體的技術經濟水平也是影響投資決策的一個重要因素，如果公司管轄的高壓配電網的整體技術經濟水平現狀不夠理想，則進行改造的必要性就越高。雖然一個改造工程可能難以對全網的現狀有根本性的改變，但這種考慮全網現狀的評估方式能夠從全局把握改造工程的方向，避免改造工程立項決策時忽略電網的薄弱環節，或對已經較好的電網“重復建設”。此外，對于工程涉及的局部電網而言，基于單一負荷水平(通常是最大負荷水平)難以實現對可靠性、經濟性和電壓質量的精確評估[3]。

現有評估方法[4-6]大都從供電能力、電壓質量、可靠性、運行經濟性等方面對局部電網進行全面系統的評價，但沒有考慮公司經營狀況和全網現狀。此外，現有評估方法通常基于單一負荷水平下的運行狀態計算評估指標，不能以年為單位全面反映電網的技術經濟水平。電網狀態的時序模擬方法作為一項已經較為成熟的技術，已經應用在電網規劃[7-8]、電網運行效率評估[3,9-10]等與電網改造工程評估相近的諸多領域，若將該方法引入工程評估領域，能夠顯著提高改造工程評估的精細化水平。

針對高壓配電網工程評估的現實需要和現有研究中存在的問題，基于層次分析法[11-13]研究并建立了考慮公司經營狀況和全網現狀的綜合評估指標體系，并且在對局部電網時序狀態進行精細化模擬[7-8]的基礎上，通過建立局部電網的精細化的評估指標，對局部電網的技術經濟水平進行精細化評估，能夠幫助決策人員進行改造工程的立項決策。

1 高壓配電網工程事前評估指標體系概述

層次分析法是一個將總目標逐漸化解的過程，能夠有效指導運籌決策。筆者采用層次分析法建立高壓配電網工程的綜合評估指標體系，其層次結構如表1所示。基于層次分析法建立的指標體系分為3層，其中頂層為目標層，中間層為準則層，底層為指標層。目標層為需要評估的3個主要的目標，即工程所屬供電公司的經營狀況、全網現狀和工程涉及的局部電網的技術經濟水平。準則層則是對目標的進一步細化，即3種評估對象分別要考慮的因素。

表1 高壓配電網改造工程綜合評估指標體系

公司的經營狀況主要從公司的收益情況、負債情況及經營效率3個方面，反映公司的投資能力和抗風險能力。

全網現狀和局部電網的技術經濟水平均從供電能力、電壓質量、可靠性和運行經濟性這4個方面進行評估。指標層中底層指標的差異則反映了兩者的范圍不同，前者是評估公司下轄高壓配電網的整體技術經濟水平，而后者是評估改造工程涉及的局部電網的技術經濟水平。

2 供電公司經營狀況和全網現狀評估指標

2.1 公司經營狀況評估指標

公司經營狀況考慮公司在生產經營過程中的收益情況、負債情況和經營效率。

公司的收益情況體現了公司的盈利能力，公司盈利能力越強，進行工程投資的財力就越強。研究考慮的公司收益情況的指標包括利潤率和營業收入增長率。其中，利潤率直接反映了公司當年的盈利情況，年利潤增長率為本年度相對上一年度利潤的增長情況，反映了公司收益增長的能力。

公司的負債情況反映了公司經營的潛在風險，一般而言，負債率過高會導致公司償還債務的壓力較大，占用公司的大量資金導致對改造工程的投資能力減弱。筆者采用資產負債率衡量公司的負債情況，資產負債率為負債總額占公司資產總額的比率，反映了公司總資產中債務的規模。

公司經營效率是公司利用自身已有資本創造價值的效率，反映了公司能否充分利用自身資源創造更多價值。公司經營效率越高，說明公司管理水平越高，投入相同的改造工程資金能夠獲得的收益更多。文中采用總資產周轉率來衡量公司的經營效率，總資產周轉率為年度營業收入總額與資產總額的比例，總資產周轉率越高，公司利用自身資產獲得營業收入的能力越強。

2.2 全網現狀評估指標

全網現狀是供電公司下轄高壓配電網的整體技術經濟水平現狀。從供電能力、電壓質量、可靠性、運行經濟性這四個方面評估供電公司高壓配電網的整體水平。這4個方面是當前省網公司對地區供電公司全網現狀進行考核的主要方面，也是決策者確定改造工程時最為關注的幾個方面。

3 局部電網精細化評估指標

改造工程所涉及的局部電網最能體現工程對電網技術經濟水平的提升效果，一直都是對電網改造工程進行評估的重點。借鑒文獻[8]的思路，對局部電網的時序狀態進行精細化模擬，在此基礎上重新設置并計算局部電網的評估指標，實現局部電網的精細化評估。文中方法可以評估傳統方法難以評估的年度理論線損率、年低電壓合格率小時數等體現“時間累積效應”的指標，幫助決策者獲得更全面準確的決策參考信息。

3.1 供電能力

以主變(線路)的最大負載率以及主變(線路)負載率過高臺(條)次率作為反映局部電網供電能力的具體指標。其中，主變和線路的最大負載率是反映極端情況下設備的供電能力，而主變(線路)負載率過高臺(條)次率則綜合反映了全年設備處于負載率過高的狀態的數量和時間。

主變最大負載率RLT是各個變電站主變在全年8 760 h內的最大負載率，其計算公式為

(1)

式中：i=1,2,…,n，對應于網絡中的n臺變壓器；t=1,2,…,8 760，表示一年中8 760個時刻下不同的負荷狀態；SN,i表示第i臺主變的額定容量；PLi,t和QLi,t分別為第i臺主變在t時刻的有功和無功負荷。

線路最大負載率RLL是各條線路在全年8 760 h內的最大負載率，其計算公式為

(2)

式中:i=1,2,…,n，對應于網絡中的n條線路；t=1,2,…8 760，表示一年中8 760個時刻下不同的負荷狀態；Ii,max表示第i條線路的額定載流量；ILi,t為第i臺主變在t時刻的傳輸的電流。

主變負載率過高臺次率RHL,Nt是一年中每臺主變處于負載率過高狀態下的小時數的總和占總主變數與全年總時刻數乘積的比例，其計算公式為

(3)

式中：N為局部電網中主變的臺數；Ti為第i臺主變在8 760 h內處于負載率過高狀態的小時數。

類似可得線路負載率過高條次率，限于篇幅，這里不再贅述。

3.2 電壓質量

文中提出年電壓合格點次率和年低電壓合格率小時數兩個指標來反映局部電網的電壓質量。基于單一負荷水平只能評估一個斷面的電壓合格率，沒有充分考慮全年電壓狀態的信息。這2個指標都是以電壓合格率(VPR，voltage passed rate)為基礎衍生出的指標，但相比事前評估中常用的單一斷面的電壓合格率而言，考慮了全年的電壓狀態，能夠跟蹤全年所有時刻的電壓質量變化，從時間和空間兩個角度得到更為準確的評估結果。

年電壓合格點次率RVP,Nt是一年中每個節點處于電壓不合格狀態下的小時數的總和占總節點數與全年總時刻數的乘積的比例，其計算公式為

(4)

式中：N為局部電網總節點數；Ti為第i個節點在8 760 h內電壓不合格的小時數。年電壓合格點次率反映了局部電網的所有節點在全年的不合格整體情況，即有多少個節點在多少小時內電壓不合格。

年低電壓合格率小時數TLVPR是全年中單一斷面電壓合格率不滿足規程要求的小時數，其計算公式為

(5)

式中：nvp,t為第t個時刻電壓合格的節點數；N為局部電網總節點數；εVPR為規程所規定的電壓合格率的下限。該指標在年電壓合格點次率的基礎上，重點關注了電壓合格率較低的斷面。年低電壓合格率小時數越大，一年中就有越多的時刻存在低電壓問題，電壓質量越差。

3.3 供電可靠性

N-1通過率是衡量電力系統可靠性的重要指標，現有研究通常以最大負荷水平下的系統運行狀態來進行N-1校驗。通常情況下，在系統整體負荷達到最大時N-1通過，即表示在全年各種運行狀態下也能保證校驗通過。但當局部電網整體負荷未達到最大而某一部分的負荷較大時，N-1校驗也有可能不通過，僅通過單一負荷水平可能會忽視這種情況下的系統可靠性。筆者在保留傳統的最大負荷水平下的N-1通過率指標的同時，以全年8 760 h的負荷條件為基礎，分析所有負荷水平下系統N-1通過的情況，定義了主變(線路)年度N-1通過率Rm1,Nt，對傳統的N-1通過率指標加以補充。其含義是局部電網中無法通過N-1校驗的主變(線路)的數量及對應的時刻數占總主變(線路)數和全年總時刻數乘積的比例，其計算公式為

(6)

式中：N為局部電網主變(線路)總數；Ti為第i個主變(線路)在8 760 h內N-1校驗通過的小時數。主變(線路)年度N-1通過率反映了局部電網中的主變(線路)在全年8 760 h的不同負荷水平下通過N-1校驗的比例。

3.4 運行經濟性

通過年度理論線損率、高線損率天數和改造工程投資回收期來反映局部電網的運行經濟性。

在線損電量的計算中，由于狀態模擬中只能得到局部電網各個小時的潮流狀態，不能得到一段時間內的電量，因此，在計算年度理論線損率、高線損率天數以及投資回收期這3個涉及到電量計算的指標時，均以每個整點時刻的功率值近似代表該小時內的電量，如某一時刻負荷的功率為1 kW，則該小時內負荷消耗的電量近似為1 kWh。

例如，年度理論線損率是一年內線損電量占供電總量的百分比，其計算公式為

(7)

式中：ΔPt為第t個小時局部電網的總有功線損功率；Ps,t為第t個小時電源的總供電功率。

4 模糊綜合評估模型

基于模糊綜合評估法構建模糊綜合評估模型，該模型包括不同指標的模糊隸屬度函數的確定和權重的確定，再結合不同指標的具體值，方可得出改造工程綜合評估的最終結果。

4.1 指標的模糊隸屬度函數

采用單調型和梯形兩種隸屬度函數，并參考相關的技術規范[14-16]為不同指標合理設置參數，對指標進行歸一化評分。2種隸屬度函數及其參數如下。

4.1.1 單調型隸屬度函數

單調型隸屬度函數反映指標的優劣隨著指標值的增大或減小而呈現單調變化的規律，單調遞增型隸屬度函數表達式為

(8)

式中：y為隸屬度；x為指標的計算值；U、L為隸屬度函數的參數。

單調遞減型隸屬度函數表達式為

(9)

4.1.2 梯形隸屬度函數

部分指標是在某一個區間內達到最優，而不是在最大或最小這兩種極端情況下達到最優。針對此類指標，采用梯形隸屬度函數進行評分，其函數表達式為

(10)

式中：y為隸屬度；x為指標的計算值；Z1、L、U、Z2為隸屬度函數的參數，且Z1

值得注意的是，由于“全網現狀越差，實施改造工程的優先級越高”，因此在確定全網現狀指標的模糊隸屬度函數時，也應該遵循“全網現狀越差，指標得分越高”的原則，即“反向評分”原則。

此外，針對局部電網的技術經濟水平的評估問題，決策者最終需要評估改造工程對具體指標的提升效果，而不僅僅是改造前或改造后某一年指標的評分。因此，采用文獻[2]的方法，首先根據相關技術規范確定判斷指標優劣的隸屬度函數，然后根據指標的改善程度占相應指標在隸屬度函數中可提升空間的百分比評估改造前后指標的提升效果。如某個采用單調遞增型隸屬度函數評估優劣的指標，其理想值為U，而其改造前指標為x1，改造后為x2，且x1

(11)

4.2 指標體系的權重設置與調整方法

首先基于專家經驗確定初始權重，并基于文獻[17]的權重調整方法，根據全網現狀的供電能力、電壓質量、可靠性、運行經濟性的評分高低來調整局部電網評估中這4個準則層指標的權重。這種方法能夠突出薄弱環節，即增大現狀較薄弱指標的權重，同時降低現狀較好指標的權重，從需求方向上指導改造工程的實施方向。在實際工程中，根據對上述4個全網現狀指標評分結果，選中2個較差的指標作為薄弱指標，另外2個為非薄弱指標，然后按照式(2)進行權重調整。

(12)

式中：A為薄弱指標集合；B為非薄弱指標集合；wi、wj為各個指標調整后的權重；wi0、wj0為各個指標調整前的原始權重。

5 算例仿真

以重慶市某供電公司的一個高壓配電網改造工程的事前評估為例，對文中方法進行算例仿真。該工程對轄區內110 kV *橋站#1主變(7型高損耗變壓器)更換為9型節能型變壓器，且該9型變壓器為利舊所得，僅需投入運輸、安裝和人力等成本，投資額僅69萬元。改造工程所涉及的局部電網如圖1所示。

圖1 改造工程所影響的局部電網

5.1 算例1:局部電網精細化評估的必要性

基于時序狀態模擬來評估局部電網的技術經濟水平，本算例通過將文中方法與基于單一負荷水平的評估結果對比，分析在局部電網中進行精細化評估的必要性。表2給出了文中方法和基于最大負荷水平2種方法評估結果的差異。

由表2可見，基于最大負荷狀態的評估方法所能夠評估的指標數量明顯少于文中方法，基于單一負荷水平難以從全年運行狀態變化的角度反映局部電網的技術經濟水平。例如，2種方法得到的理論線損率的評估結果有較為明顯的差異，評分差異達55.4%，說明基于單一負荷水平無法準確評估經濟性指標。總體而言，基于時序狀態模擬的評估結果優于基于單一負荷水平得到的評估結果。

5.2 算例2:考慮公司經營狀況和全網現狀的必要性

本算例通過對比考慮經營狀況及全網現狀和只考慮局部電網的技術經濟水平這2種評估結果的差異，說明考慮公司經營狀況和全網現狀的必要性。

公司經營狀況和全網現狀指標的具體數值及根據隸屬度函數得到的評分結果如表3所示，其中，全網現狀指標結果是按照4.1節提到的“反向評分”原則得到的，局部電網的技術經濟提升效果如表2左欄所示。

表3 公司經營狀況和全網現狀指標評估結果

本工程的投資效益主要體現在降損收益，根據狀態模擬的結果，該工程全年可減少網損電量329.9 MWh，按照國家能源局統計的改造前一年(2015年)重慶市的平均上網電價433.32元/MWh[18]測算，投資回收期約為5 a。

在表2和表3所計算的具體指標評分結果的基礎上，根據權重的設置和調整結果，綜合計算得到改造工程的綜合評分結果如表4所示。

表4 綜合評分結果

由此可見，公司的經營狀況與全網現狀對改造工程的評估起著不容忽視的影響，評分差異達到35.05%。在本算例中，由于該供電公司的經營狀態不佳，具體反映為高負債率、低利潤率、營業收入不增反降等，這些因素說明該公司開展改造工程可能帶來一定的風險，文中方法能夠通過評分高低體現這種風險，從而能夠幫助決策人員合理決策。因此，有必要在評估中考慮公司經營狀況和全網現狀。

6 結 論

針對高壓配電網改造工程的評估問題，文中方法通過考慮公司經營狀況、全網現狀和局部電網的技術經濟水平，構建了較為全面的評估指標體系，同時基于電網時序狀態的精細化模擬結果，建立局部電網的精細化評估指標，對局部電網的技術經濟水平進行精細化評估。這種方法能夠彌補基于單一負荷水平評估的局限性，實現對年度理論線損率、年度N-1通過率等經濟性和可靠性指標的準確全面的評估。算例結果表明，文中方法可以從綜合評分結果的高低上反映出公司經營狀況和全網現狀的影響，同時能夠基于全年8 760 h的電網狀態模擬結果對局部電網進行精細化評估，效果優于傳統方法。

當省網公司需要從不同供電公司的多個改造工程方案中進行選擇決策時，文中方法可以全面評估每個工程的投資效益和風險，并給出綜合評分。決策人員可以根據評分的高低對不同供電公司的改造工程進行優先級排序，以便選擇效益最優、風險最低的改造工程進行立項。方法具有可操作性，有利于提升供電公司決策的科學化、標準化水平。