區域配電網主設備運行數據監控模型及評估方法研究

李俊，羅陽洋，朱德燕

（廣西電網有限責任公司，廣西南寧 530001）

近年來隨著用電設備的指數式增長，配電網用電量增長迅速。但在配電網主設備運行過程中的各種弊端嚴重影響了配電網的發展，國內外學者針對上述背景做了大量研究工作[1-3]。在經濟性節能方面，有學者對配電網的運行數據和用能效率進行長時間的探索，并嘗試通過算法優化來提高用能的經濟性[4-5]。在評估體系方面，為滿足管理要求，針對電力主設備的生產、監測進行數據評估，提出了基于層次分析法的評估體系，以提高配電網主設備運行經濟性[6-8]。在配電網節能經濟運行方面，研究者也進行了大量的工作，提出采用分層分區的配電網運行方法，以區域配電網為獨立運行個體，單獨核算區域內的經濟協調性，提高獨立配電網的能效管理水平[9-11]。但現有配電網主設備的運行數據極為豐富，以單一的方法無法涵蓋所有的數據，需建立新的監控模型與評估體系，更好地促進配電網的發展[12]。

1 主設備運行數據模型

主設備運行數據對監控整個電力系統經濟運行情況具有重要作用，其直接影響到電力系統的安全和穩定運行[13]。該節將對變壓器和輸電線路的運行數據進行預處理、建立運行能效數據模型，為監控模型的建立打下基礎。

1）變壓器

變壓器在運行過程中會產生功率損耗，其損耗率直接影響運行的能效節能性。用配電變壓器的綜合功率損耗描述變壓器傳輸電能過程中引起的損耗ΔPz，如下所示：

因此，可得到配電網變壓器綜合功率損耗率ΔPz%為：

式中，SN為配電網變壓器的額定容量，cosφ為變壓器靠近負荷中心的功率因數。通過上式可以得到，變壓器的最佳運行區間為：

變壓器的運行區間可以進一步分為最佳區、經濟區、最劣區，對應的劃分如圖1 所示。從圖中可以看出，當βJZ≤β≤βL1Z時，變壓器處于經濟運行狀態；當βL2Z<β<βJZ時，變壓器處于最佳運行狀態；當0 ≤β≤βL2Z時，變壓器處于最劣運行狀態。

圖1 變壓器的運行區間劃分

2）輸電線路

電能經輸電線路傳輸過程中會發熱，產生損耗，且損耗與流過輸電線路的電流的平方成正比。在一天的時間內，流經輸電線路產生的損耗可以用下式表示：

但在實際運行過程中，負荷變化是波動的，采用均方根電流進行計算會引起一定的誤差。為減少負荷變化而引起的誤差，引入形狀系數K，用下式計算：

從上述公式可看出，形狀系數K與流經輸電線路的電流比值有關。

2 運行數據監控模型建立

2.1 運行數據監控指標體系

在建立配電網主設備運行數據監控模型之前，需要將運行數據分類，建立數據監控指標體系。在層次分析法的基礎上建立涉及多個層級的主設備經濟運行數據指標體系，體現配電網運行經濟性目標。具體指標體系如表1 所示。

表1 配電網主設備運行數據監控指標

2.2 數據監控模型的建立

通過建立配電網主設備運行數據監控指標體系，能夠更全面地反映配電網節能水平。但某些數據指標以百分比的形式出現，需要進行歸一化處理，才能綜合評價。該文采用極值化無量綱處理法將不同形式的指標進行統一標準化處理[14-16]。具體做法為：將指標分為正指標、負指標、區間指標，根據相關性統一為0～1 之間的數值，通過量化公式轉化為標準值。

正指標的量化公式如下：

負指標的量化公式為：

區間指標的量化公式為：

對運行數據進行歸一化處理之后，還需要對靈敏度矩陣進行標準化處理，通過下式得到評估指標的權重：

式中，ωi為配電網主設備能效指標第i個指標權重，Ωj為指標權重的行向量，通過指標權重的重要性，建立判斷矩陣如下：

以同樣的方法建立可靠性和經濟性的判斷矩陣，并進行一致性檢驗。因此，可以得到配電網主設備運行數據監控統計值為：

式中，wi為第i個指標經過無量綱處理的數值，ai為第i個指標的一級權重，α1～α4為設備階梯權重。

綜上所述，區域配電網主設備運行數據監控及其評價流程如圖2 所示。

圖2 主設備運行數據監控及其評價流程

3 評估方法

區域配電網主設備經濟運行數據監控模型為分層級、分區域的數學模型，其優劣需要采用層次分析法進行評價。層次分析法的基本步驟包括構造評價矩陣、層次單排序和一致性檢驗。

構造評價矩陣核心思想是通過比較兩個元素之間的重要性，將各個元素的重要程度量化為aij，其取值在1～9 之間進行賦值，通過兩兩之間互相對比，判斷其重要程度。判斷矩陣的具體形式可表示為：

建立判斷矩陣之后，再計算出元素之間的權重值，此步驟為層次單排序；求得判斷矩陣的最大特征值，代入計算公式，計算一致性指標，計算公式為：

式中，n為判斷矩陣的階數，λmax為判斷矩陣的特征值，一致性指標與一致性程度呈負相關，特征值為0 時則表示完全一致。

通過計算一致性特征值對該問題進行評價，當出現誤差時，引入修正系數RI，消除判斷的不一致情況，通常情況下：當RI 值大于3 時，說明一致性結果完全合理；當RI 值小于3 且大于0.1 時，代表了一致性結果較為合理；當RI 值小于0.1 時，則需要對判斷矩陣進行適當調整。

在對判斷矩陣進行一致性檢驗之后，其權重值即為特征向量，若求得的權重值與實際情況有誤差，則通過下式修正權重值：

以配電網運行經濟性為目標對運行監控數據進行評價，其目標函數由提升投資成本和損失成本構成，各個主設備的經濟性、可靠性和安全性需要納入考慮范圍。采用Well-being 模型架構，如圖3所示。

圖3 Well-being模型架構

模型的數學表達式如下：

4 案例分析

以廣西某區域配電網為例，進行算例分析，已知該區域配電網總面積為14 564 km2，10 kV及以下線損率9.73%，綜合電壓合格率99.45%。截止2020年底，該區域范圍內共有中壓線路897回，總長度12 568.20 km。目前中低壓配網投資比例逐年加大，僅2019 年該區域配電網公司10 kV 及以下配電網投資約200 億元、近40 000 余個工程項目。面對快速增長的電網投資和配電網工程設計任務，中低壓配網項目的工程、技經管理仍為人工填寫、匯總、分析，其工作量大、規范性與準確性較低。因此有必要開展配電網主設備運行數據分析，以提升工作效率和工作分析的正確性。綜合該區域配電網經濟運行監控數據得到該市配電網現階段打分情況，如圖4 所示。

圖4 配電網運行數據打分情況

從圖4 中的打分數值可以看出，該地區的主設備運行數據中主變負載率、配電負載率、自動化覆蓋率等數據的平均靈敏度較高，中壓線路負載率、配變功率因素合格率、容載比等數據的平均靈敏度較低。

為消除主設備運行數據不統一的問題，首先對主設備運行數據進行無量綱處理，建立數據監控模型，生成能效影響因素靈敏度系數矩陣。通過Matlab 仿真生成3×20 階配電網能效與各能效影響因素靈敏度系數矩陣，結果如表2 所示。

表2 運行監控數據靈敏度系數矩陣

采用層次分析法，根據上文的理論基礎，可以通過仿真得到該區域配電網主設備運行數據評價指標的權重值，如表3 所示。

表3 配電網主設備運行數據評價指標

5 結束語

該文針對配電網變壓器和輸電線路能效模型的分析，從變壓器、輸電線路、無功補償和新技術應用四個方面提取評價指標，建立了配電網主設備運行數據監控模型，并利用層次分析法建立了配電網主設備能效及運行經濟性評價方法。以某區域配電網為例進行算例分析，對該區域配電網經濟運行監控數據得到該市配電網現階段打分，基于實際運行數據得到該區域配電網主設備運行數據的平均靈敏度。同時采用層次分析法，得到該區域配電網主設備運行數據評價指標的權重值。該模型有利于提高該區域配電網主設備運行的可靠性與經濟性。