吳杰康,張曉萌,郭亞萍,毛曉明

(廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院,廣州 510006)

多電壓等級配電網(wǎng)供電能力與協(xié)調(diào)性評價(jià)方法

吳杰康,張曉萌,郭亞萍,毛曉明

(廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院,廣州 510006)

配電網(wǎng)電壓等級的多樣化導(dǎo)致配網(wǎng)評估模型的復(fù)雜化,若只對一個電壓等級進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)供電能力的評估,不能全面、準(zhǔn)確評價(jià)配電網(wǎng)整體供電能力和各電壓等級網(wǎng)絡(luò)供電的協(xié)調(diào)性。對此,筆者建立了適用于多電壓等級配電網(wǎng)的供電能力和協(xié)調(diào)性綜合評價(jià)模型,采用魚骨圖分析法找出影響供電能力的主要因素,用層次分析法建立評價(jià)體系結(jié)構(gòu),并用德爾菲(Delphi)法進(jìn)行指標(biāo)賦權(quán)。同時(shí),在評價(jià)模型中加入了分布式電源容量比、高中壓配電網(wǎng)變電、輸配容量協(xié)調(diào)性和負(fù)荷均衡度等新指標(biāo),以輔助該方法有效評價(jià)配電網(wǎng)供電能力。最后通過實(shí)際地區(qū)電網(wǎng)的算例分析,證明了該評價(jià)體系的實(shí)用性。

多電壓等級配電網(wǎng);供電能力;供電協(xié)調(diào)性;層次分析法

配電網(wǎng)是直接面向用戶供電的終端電網(wǎng),結(jié)構(gòu)特點(diǎn)含有多個電壓等級,分為高、中、低壓配電網(wǎng),高壓配電網(wǎng)電壓等級為35～110 kV;中壓配電網(wǎng)電壓等級為6～10 kV;低壓配電網(wǎng)為220～380 V。各電壓等級電網(wǎng)之間存在電源分布不同、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同、負(fù)荷性質(zhì)不同等諸多差異?，F(xiàn)有配電網(wǎng)評價(jià)方法大多都是針對中壓配電網(wǎng)一個電壓等級進(jìn)行供電能力評估,很少考慮多個不同電壓等級之間的供電協(xié)調(diào)性,不能全面評價(jià)地區(qū)電網(wǎng)供電能力現(xiàn)狀,準(zhǔn)確定位制約供電能力的瓶頸,進(jìn)而影響配電網(wǎng)投資、規(guī)劃和運(yùn)行效率。配電網(wǎng)供電能力已經(jīng)成為評價(jià)配電系統(tǒng)的一個重要指標(biāo),為配電網(wǎng)運(yùn)行、規(guī)劃和改造提供了新的理論工具。所以合理評價(jià)配網(wǎng)的供電能力,對可以保證配網(wǎng)有足夠的供電裕度,對安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重大意義。本文通過建立考慮負(fù)荷供應(yīng)能力、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、配電網(wǎng)與負(fù)荷發(fā)展之間的適應(yīng)性、各級配電網(wǎng)之間的供電協(xié)調(diào)性評估指標(biāo)體系,確定了各指標(biāo)的評估標(biāo)準(zhǔn),綜合評判了地區(qū)配電網(wǎng)整體供電能力。

1 供電能力和協(xié)調(diào)性評價(jià)方法

1.1 評價(jià)體系流程

本文選取魚骨圖分析法[1],確定電力供應(yīng)能力的影響因素,利用層次分析法[2]為評價(jià)結(jié)構(gòu)的主要框架,建立評價(jià)指標(biāo)體系,各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重使用德爾菲(Delphi)賦權(quán)法[3]確定,最后利用曲線擬合工具Curve Expert建立平滑的指標(biāo)評分?jǐn)?shù)學(xué)公式。

評價(jià)體系指標(biāo)的選擇,應(yīng)遵循合理性、獨(dú)立性和可測試性的原則。所選指標(biāo)要全面細(xì)致,既無遺漏,又無冗余,全面反映被評價(jià)目標(biāo)的各項(xiàng)特征。整個評價(jià)流程如圖1所示。

圖1 評價(jià)體系流程圖

AHP的層次綜合法實(shí)施過程是:從底層指標(biāo)開始,逐層向上遞推獲得上層指標(biāo),直至獲得最高層的綜合評價(jià)結(jié)果,其計(jì)算表達(dá)式為[4]

1.2 評價(jià)指標(biāo)選取

電力企業(yè)生產(chǎn)過程中最關(guān)心的4個指標(biāo)分別是:供電可靠率、線損率、電壓合格率和設(shè)備利用率[5]。從它們對應(yīng)的魚骨圖可找出影響供電能力的關(guān)鍵因素。

1) 供電可靠率影響因素魚骨圖,如圖2所示。

圖2 供電可靠率影響因素魚骨圖

2) 綜合線損率影響因素魚骨圖,如圖3所示。

3) 電壓合格率影響因素魚骨圖,如圖4所示。

4) 設(shè)備利用率影響因素魚骨圖,如圖5所示。

圖3 綜合線損率影響因素魚骨圖

圖4 電壓合格率影響因素魚骨圖

圖5 設(shè)備利用率影響因素魚骨圖

1.3 評價(jià)體系結(jié)構(gòu)

通過上述對“四率”魚骨圖的分析,準(zhǔn)確找出了影響供電能力和發(fā)展協(xié)調(diào)性的主要因素,通過總結(jié)概括后建立了配電網(wǎng)供電能力與協(xié)調(diào)性評價(jià)體系結(jié)構(gòu),如圖6所示。

2 評價(jià)指標(biāo)計(jì)算方法

2.1 供電能力指標(biāo)定義與計(jì)算

評價(jià)指標(biāo)體系部分指標(biāo)計(jì)算方法如表1所示。

圖6 配電網(wǎng)供電能力與協(xié)調(diào)性評價(jià)體系結(jié)構(gòu)

表1 供電能力水平指標(biāo)的計(jì)算方法

2.2 供電協(xié)調(diào)性指標(biāo)定義與計(jì)算

多電壓等級配電網(wǎng)高中壓各電壓等級電網(wǎng)之間需要良好的配合才能充分發(fā)掘網(wǎng)絡(luò)供電能力,任何一個電壓等級出現(xiàn)供電瓶頸都會導(dǎo)致電網(wǎng)整體供電能力不相匹配,電網(wǎng)供電的協(xié)調(diào)指的是不同部分之間的匹配程度[6]。

1) 高中壓變電容量協(xié)調(diào)性。高中壓配電網(wǎng)既相互支持又相互制約,理想狀態(tài)下,兩者的供電能力比為 1∶1,由于負(fù)荷最大值不可能同時(shí)出現(xiàn),需要考慮負(fù)荷同時(shí)率問題。定義高中壓配電網(wǎng)供電能力比為

(2)

式中:SH為是高壓配電網(wǎng)供電能力,可以用110 kV和35 kV變電站主變?nèi)萘靠偤陀?jì)算;SM為中壓配電網(wǎng)供電能力,是10 kV變電站配變?nèi)萘靠偤汀?/p>

將中壓網(wǎng)的負(fù)荷折算到高壓網(wǎng),計(jì)算變電容量的最佳比值時(shí)需考慮負(fù)荷同時(shí)率,定義高壓與中壓變電容量最佳比值為α0,當(dāng)αS與α0越接近,表明高中壓配電網(wǎng)變電能力協(xié)調(diào)程度越高。將指標(biāo)轉(zhuǎn)換為便于評價(jià)的正指標(biāo),得出結(jié)果AS1越大,則多電壓等級配電網(wǎng)變電容量協(xié)調(diào)性越好。

(3)

2) 高中壓線路輸配電容量協(xié)調(diào)性。將配電網(wǎng)變電容量概念換成配電網(wǎng)線路輸配容量即可得到高、中壓配電網(wǎng)線路輸配容量協(xié)調(diào)性指標(biāo)AL1。

3) 主變負(fù)載均衡性。負(fù)載均衡性分為主變負(fù)載均衡性和線路負(fù)載均衡性。

以35 kV主變?yōu)槔?設(shè)評估區(qū)域有n座35 kV變電站,Sij為第i(1≤i≤n)座變電站的第j(1≤j≤mi)臺主變?nèi)萘?Pij為第i座變電站的第j臺主變所帶負(fù)荷,則各變電站每臺主變的負(fù)荷率為

(4)

所有主變負(fù)載的平均值為

(5)

用負(fù)載率標(biāo)準(zhǔn)差σT來反映各臺主變負(fù)載率的均衡程度,σT越大,各臺主變負(fù)載率偏離越大,主變負(fù)載越不均衡,即,

(6)

為了便于評價(jià),將結(jié)果轉(zhuǎn)換為具有正指標(biāo)特性的主變負(fù)載均衡性指標(biāo),AS2越大,主變負(fù)載均衡度越好,即,

(7)

4) 線路負(fù)載均衡性。用線路實(shí)際負(fù)荷除以線路額定容量,再按照上述主變負(fù)載均衡度計(jì)算方法,可得線路負(fù)載均衡性指標(biāo)AL2。

3 指標(biāo)權(quán)重與評分標(biāo)準(zhǔn)

3.1 指標(biāo)權(quán)重

同一層指標(biāo)數(shù)小于9,采用基于1-9互反標(biāo)度的 AHP兩兩比較賦權(quán)法確定指標(biāo)權(quán)重;同一層的指數(shù)超過9,這種方法判斷的準(zhǔn)確性將受到嚴(yán)重影響,應(yīng)當(dāng)采用Delphi方法賦權(quán),同一層指標(biāo)權(quán)重相加應(yīng)為1。正指標(biāo)是取值越高越好的指標(biāo);負(fù)指標(biāo)是取值越低越好的指標(biāo);中間值指標(biāo)是在一定范圍內(nèi)取值最好。

國內(nèi)外大量研究結(jié)果表明,分布式電源容量比小于5%時(shí),對電網(wǎng)影響很小。而接入容量比過高,超過20%時(shí),分布式電源集中啟停會給電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行帶來極大的隱患。所以分布式電源在此應(yīng)作為一個中間值指標(biāo)處理,容量比最好小于等于20%。選擇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水平指標(biāo)權(quán)重結(jié)果為例說明,如表2所示。

表2 部分指標(biāo)的類型、理想值及權(quán)重分布

由表2可知,對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水平影響較大的因素是變電站單變率、變電站單電源線率和中壓線路聯(lián)絡(luò)率。

3.2 指標(biāo)評分

本文的指標(biāo)評分選用專家評分的Delphi法,選擇指標(biāo)的典型點(diǎn)和對應(yīng)的評分后均用百分?jǐn)?shù)表示,由于評分標(biāo)準(zhǔn)是離散的,所以采用Curve Expert曲線擬合工具對評分標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行擬合,建立平滑的指標(biāo)評分?jǐn)?shù)學(xué)公式。中間值指標(biāo)較為復(fù)雜,采用分段函數(shù)進(jìn)行擬合。部分指標(biāo)值與分?jǐn)?shù)對應(yīng)結(jié)果如表3所示,曲線擬合結(jié)果如表4所示。

表3 部分指標(biāo)值與分?jǐn)?shù)對應(yīng)關(guān)系

表4 部分指標(biāo)評分函數(shù)

注:x—指標(biāo)值；y—得分。

4 算例分析

本文選取110 kV、35 kV和10 kV三個電壓等級的配電網(wǎng)為例,110 kV變電站有2座,變電容量總和120 MVA, 110 kV主變“N-1”通過率為66.66%;110 kV線路5條,線路總長158.92 km,其中3條為單鏈接線模式,2條為單輻射接線。35 kV變電站共7座,主變?nèi)萘?0.75 MVA。35 kV線路13條,其中8條為單輻射接線模式,5條為單鏈接線模式。線路總長360.73 km,分布式電源容量比為7.86%。以供電協(xié)調(diào)性的4個指標(biāo)為例,計(jì)算得分如表5所示。

按照層次分析法對表5中四個供電協(xié)調(diào)性指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán),形成的判斷矩陣為

(8)

表5 評價(jià)指標(biāo)得分(部分)

求A的最大特征值λmax為4.0434,最大特征值對應(yīng)的特征向量為

W=[0.77560.49300.29450.2619]T

(9)

特征向量歸一化后可得供電協(xié)調(diào)性權(quán)重向量:

F=[0.42050.27010.16140.1435]T

(10)

計(jì)算一致性指標(biāo),n取4:

(11)

平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI由于是四階矩陣取0.9,因此得出隨機(jī)一致性指標(biāo)CR為

CR=CI/RI=0.0161

(12)

當(dāng)CR的值小于0.1時(shí),判斷矩陣滿足一致性要求。通過一致化檢驗(yàn)后可得供電協(xié)調(diào)性的指標(biāo)權(quán)重,如表6所示。

表6 評價(jià)指標(biāo)權(quán)重值(部分)

依據(jù)表6數(shù)據(jù),按照層次分析法評價(jià)模型的步驟和,式(1)逐層向上遞推,即可得到整個多電壓等級配電網(wǎng)供電能力與協(xié)調(diào)性得分,該地區(qū)電網(wǎng)綜合得分為74.26分?？梢?該地區(qū)網(wǎng)絡(luò)接線典型化率、高中壓變電容量協(xié)調(diào)性和變電負(fù)荷均衡度得分較高。突出的問題在于部分線路老舊情況嚴(yán)重導(dǎo)致發(fā)展適應(yīng)性受到影響,末端電壓不合格線路比例、中壓線路重載比例和中壓線路“N-1”通過率三方面得分較低,導(dǎo)致負(fù)荷供應(yīng)能力得分偏低。所以,今后規(guī)劃重點(diǎn)應(yīng)加強(qiáng)中壓網(wǎng)絡(luò)建設(shè),提高負(fù)荷站間轉(zhuǎn)供能力,更換老舊配電線路,擴(kuò)充線路截面半徑,更換高損耗配變,減少重載線路,增裝電壓無功自動調(diào)節(jié)裝置,提高負(fù)荷供應(yīng)能力。

5 結(jié) 論

1) 對供電能力評價(jià)過程中通過對權(quán)重系數(shù)的計(jì)算,得出主變重載比例、線路重載比例、主變“N-1”通過率、線路“N-1”通過率對負(fù)荷供應(yīng)能力影響大;變電站單變率、變電站單電源線率、中壓線路聯(lián)絡(luò)率,中壓線路站間聯(lián)絡(luò)率對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水平影響大;分布式電源容量比不高時(shí),對供電能力影響較小。

2) 對供電協(xié)調(diào)性評價(jià)可以得出,高中壓變電容量協(xié)調(diào)性和線路輸配容量協(xié)調(diào)性權(quán)重系數(shù)較大。

3) 實(shí)例證明,本文所建立的綜合評價(jià)體系能夠全面衡量配電網(wǎng)整體供電能力。對多電壓等級配電網(wǎng)供電適應(yīng)性和協(xié)調(diào)性建立的評價(jià)指標(biāo)有助于找出供電瓶頸,對電網(wǎng)建設(shè)規(guī)劃有實(shí)際參考意義。

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(責(zé)任編輯 郭金光)

An assessment method for power supply capability and coordination of multi-voltage distribution network

WU Jiekang,ZHANG Xiaomeng,GUO Yaping,MAO Xiaoming

(School of Automation, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Multiple voltage level of Distribution network led to complex evaluation model, assessment one voltage power supply capacity can not fully and accurately evaluate the overall power distribution network capacity and coordination. This paper established a comprehensive evaluation model about power supply capacity and coordination for multi-voltage distribution network. Fishbone diagram analysis was used to identify the main factors of supply capacity, AHP was used to establish evaluation system and Delphi to fix index weights. The paper added some new index into the evaluation system, such as distributed power capacity rate, substation capacity coordination, transmission capacity coordination, load balance coordination. The research on evaluation system is verified to be effective and reasonable by a network planning example.

multi-voltage distribution network; power supply capability; supply coordination; analytic hierarchy process(AHP)

2015-03-29。

吳杰康(1965—),博士,教授,研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與控制。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50767001);國家863高技術(shù)基金項(xiàng)目(2007AA04Z197);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金資助項(xiàng)目(20094501110002)。

TM711

A

2095-6843(2015)05-0385-05