楊金濤，樂 健，劉開培，劉 陽，張廣怡

（武漢大學 電氣工程學院，湖北 武漢 430072）

0 引言

供電質量主要包括供電可靠性和電能質量2個范疇[1]。衡量供電可靠性的指標主要可分為4類：頻率指標，如平均故障次數(shù)等；概率指標，如可用度等；時間指標，如平均故障時間、平均修復時間等；期望值，如發(fā)生故障天數(shù)的期望值等。供電電壓電能質量問題包括電壓偏差、電壓波動與閃變、電壓畸變率、電壓不平衡和頻率偏差等[2]。目前我國城市和農村配電網(wǎng)中最為關注和存在問題最大的是供電電壓偏差[3]。

目前國家針對城市配電網(wǎng)和農村配電網(wǎng)的供電可靠性和供電電壓質量均制定了相應的國家標準，提出了相應的指標要求[4-5]。供電部門也采取了很多措施以提高城市和農村配電網(wǎng)的供電可靠性和供電電壓質量，自1998年起我國在全國范圍內實施了2次大的配電網(wǎng)改造，一定程度上提高了這些區(qū)域的供電質量。但目前配電網(wǎng)尤其是農村電網(wǎng)仍存在供電質量差、供電可靠性低、運行和維修費用高等突出問題[6]，主要的原因有 2 個。

a.對配電網(wǎng)供電電壓偏差的狀況缺乏全面、客觀的了解，缺乏準確可靠和實用性強的分析評估手段。僅依靠用戶投訴來判斷供電電壓偏差超標情況的發(fā)生，少數(shù)情況下通過現(xiàn)場測量來了解某個負荷點的實時電壓偏差，無法獲知配電網(wǎng)各饋線上負荷點電壓偏差的大小及變化規(guī)律。在制定治理措施時存在盲目性和不合理性，無法對治理措施的效果進行分析評估。

b.在制定供電質量改善措施時未能綜合考慮措施的技術可行性和經(jīng)濟性。一些方法僅從治理措施的技術層面進行評估，忽略了其經(jīng)濟性約束[7]。另一些考慮經(jīng)濟性約束的方法僅考慮一次性投資成本，未能從全壽命周期成本LCC（Life-Cycle Cost）角度進行評估，在評估這些措施的效果時考慮因素不全面，所得結果準確性、客觀性較差[8]。

LCC是一種具有全局性和系統(tǒng)性的理念，可對設備或系統(tǒng)在整個壽命周期中各項費用的構成及其影響因素作出全面系統(tǒng)的分析，為成本或費用決策提供依據(jù)。國外的實踐表明，使用LCC理論可實現(xiàn)對電力系統(tǒng)中的元件如機組、線路、變壓器和斷路器等的全壽命周期分析，計及設計、制造、維修、運行和退役清理等成本，實現(xiàn)對設備在整個壽命周期中各項費用的構成及其影響因素全面系統(tǒng)的分析，提高資金使用效率[9-12]。

本文對改善配電網(wǎng)供電質量的措施的優(yōu)化方法進行了研究：給出了優(yōu)化方法的原理和實現(xiàn)步驟；分別基于前推回代法和隱馬爾科夫法，對配電網(wǎng)各負荷點供電電壓偏差和供電可靠性進行了全面的分析評估；以某具體配電網(wǎng)為對象，對現(xiàn)有的配電網(wǎng)提高供電可靠性和改善供電電壓偏差的治理措施的技術可行性進行了評估；基于LCC分析法，對技術可行的改善措施進行了經(jīng)濟性比較，得出優(yōu)化的改善方案。

1 供電質量改善措施優(yōu)化方法的實現(xiàn)

1.1 實現(xiàn)步驟

供電質量改善措施優(yōu)化方法的實現(xiàn)主要包括如下步驟。

①收集目標配電網(wǎng)基礎數(shù)據(jù)，包括各條饋線配變容量及所接負荷類型、各段饋線長度及型號、饋線供電主變容量及其參數(shù)、變壓器檔位等。

②進行初始供電可靠性和供電電壓偏差評估，根據(jù)評估結果分3種情況進行處理：

a.同時滿足這2項要求的饋線無需制定改善措施；

b.對不滿足供電可靠性或供電電壓偏差要求的饋線，則只需應用改善措施進行相應的再次評估，滿足要求的則保留為備選改善措施，否則放棄；

c.對供電可靠性和供電電壓偏差要求均不滿足的饋線，應用改善措施后再次分別進行供電可靠性和供電電壓偏差評估，如果該改善措施能同時滿足這2項要求，則保留為備選改善措施，否則放棄。

③建立備選改善措施的費用分解模型，計算其LCC：

a.對不滿足供電可靠性或供電電壓偏差要求的饋線，只需比較備選改善措施的LCC，LCC小的即為優(yōu)化方案；

b.對供電可靠性和供電電壓偏差要求均不滿足的饋線，則需要重新制定措施。

1.2 配電網(wǎng)供電電壓偏差評估

由于LCC考慮了設備的壽命周期，配電網(wǎng)供電電壓偏差評估也需要考慮時間周期，因此電壓偏差評估不僅需要考慮負荷波動性的影響，還需要計及負載率隨時間的變化。

配變負載率可根據(jù)各饋線往年負載率情況進行預測：

其中，Sn，N為該饋線截止第 n 年的配變總容量；γn，max為該饋線第n年的最大負載率；Sn，max為該饋線第n年的最大負載。

根據(jù)負荷增長預測，可計算得出第n+k年的某饋線最大負載：

其中，Sn+k，max為該饋線第 n+k 年的最大負載；ηavg為該地區(qū)年平均負荷增長率。

結合線損率即可計算出該饋線配變最大負載之和：

其中，Sn+k，Tmax為該饋線第n+k年配變的最大負載之和；β為10 kV饋線的平均線損率。

同時還需要根據(jù)電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃，對未來幾年內配變的最大負載率進行預測，以評估未來可能出現(xiàn)的供電電壓偏差的情況。其原理為保持現(xiàn)有網(wǎng)絡結構和變壓器安裝情況不變，根據(jù)對負荷增長率的預測值進行計算。

在得到某饋線各類配變最大負載的條件下，還需要設置負載的概率變化模型，進而求解各配變10 kV側電壓偏差變化的概率分布。

在進行電壓偏差評估時需要考慮負荷接入的時變性。由于多數(shù)饋線上的負荷數(shù)目眾多，且存在幾種不同類型，若負載概率分布模型設置復雜，則仿真計算過程也非常復雜，同時難以分析得出結果的變化規(guī)律。本文按如下原理考慮配變負載的波動性。

將某一天區(qū)分為工作日和節(jié)假日；將工作日全天時間劃分為白天時段 07∶00—17∶00、晚上時段17∶00—22∶00 和夜間時段 22∶00 至次日 07∶00，將節(jié)假日全天時間劃分為正?；顒訒r段07∶00—22∶00和夜間時段 22：00 至次日 07∶00。

根據(jù)負荷波動性將負荷劃分為：恒定性負荷，如電信基站等，其功率在全部時間段內保持為最大功率不變；半波動性負荷，如民用負荷、市政負荷、工廠負荷等，認為其功率在不同時間段內波動，且波動范圍不同；全波動性負荷，如路燈負荷等，認為其功率在工作時間內為100%，在非工作時間段內為0。表1給出了全部時段不同性質負荷的設置。

表1 負荷波動性Table 1 Load fluctuation

對于半波動性負荷，需要在各時段內的波動范圍內設置隨機分布，以模擬負荷的波動性。本文將半波動性負荷在其波動范圍內劃分為10個等距區(qū)間，負荷處于哪個區(qū)間則采用等概率分布模擬。

根據(jù)上述各種負荷的波動性設置和對未來幾年的饋線負載率的預測，通過潮流計算可以得到各負荷點的實際電壓，經(jīng)過計算可以得到電壓偏差評估結果。

1.3 配電網(wǎng)供電可靠性計算

規(guī)劃配電網(wǎng)的網(wǎng)絡規(guī)模比較龐大，故障模式影響分析法是計算典型接線模式供電可靠性的最為實用的方法。

根據(jù)計算經(jīng)驗，線路的可靠率和截面積的關系如表2所示。

表2 導線截面積與可靠率關系Table 2 Relation between conductor sectional area and reliability

此外，根據(jù)國家電網(wǎng)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知：10 kV饋線上開關的可靠率為0.9992，公用變壓器的可靠率為0.9993，專用變壓器的可靠率為0.9994。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)和10 kV饋線的基礎數(shù)據(jù)，可計算出供電可靠率（RS-1、RS-2、RS-3，單位為 h/戶，下文略）、用戶平均停電時間（AIHC-1、AIHC-2、AIHC-3）等指標。指標縮寫中，1、2、3分別表示計入外部影響、不計外部影響、不計電源不足限電的統(tǒng)計結果。

供電可靠率：在統(tǒng)計期間內，對用戶有效供電時間總小時數(shù)與統(tǒng)計期間小時數(shù)的比值。

2 改善措施及其技術可行性分析

目前常用的配電網(wǎng)供電電壓偏差改善措施主要有以下幾種。

a.無功補償技術，可采用同步調相機、無功補償電容器、無功補償電抗器、靜止無功補償器（SVC）和靜止無功發(fā)生器（SVG）。

并聯(lián)電容器和并聯(lián)電抗器適用于負載變化慢、補償性能要求不高的場合。只有當系統(tǒng)無功發(fā)生變化時，控制器根據(jù)其變化量來控制電容器或者電抗器的投切。SVC和SVG都是動態(tài)無功補償裝置，補償?shù)母S性能好，可以實現(xiàn)一個正弦波周期內作出響應，不但可以補償感性無功，而且還可以補償容性無功，但其投資很高。

b.在電力輸配電系統(tǒng)中，導線截面的選擇關系到輸配電系統(tǒng)能否安全、可靠、經(jīng)濟、合理地運行。導線截面選擇過小，將會導致線路電能、電壓損耗增加，降低機械強度與絕緣水平，使故障率上升。導線截面過大，將會導致原材料浪費，增加有色金屬的損耗，增大初始投資，增加施工強度、難度以及維護檢修費用等。因此，在電力輸配電系統(tǒng)中，正確選擇導線截面具有十分重要的意義。

c.串聯(lián)電壓補償技術，包括加裝不間斷電源（UPS）裝置、穩(wěn)壓裝置和動態(tài)電壓恢復器（DVR），該方式可靠性高，響應速度快，但價格較為昂貴，適用于有特殊需求的場合。

d.調整變壓器分接頭，該方法投入最小，但一般難以滿足不同時刻對供電電壓的需求。

e.縮短供電半徑，此方式對改善供電電壓偏差最為直接有效，但無論是從已有的電源重新鋪線還是新增電源點方面而言，投資都很巨大。

提高供電可靠性的方法與措施主要有以下幾種。

a.加強配電網(wǎng)規(guī)劃和改造優(yōu)化配電網(wǎng)結構。

網(wǎng)架結構是影響配電網(wǎng)供電可靠性的重要因素，堅強的配電網(wǎng)絡是保證對用戶可靠供電的物質基礎與必要手段。提高供電可靠性是一個系統(tǒng)工程，應從電網(wǎng)的規(guī)劃、設計以及對現(xiàn)有配電網(wǎng)絡的優(yōu)化改造入手。

b.實施狀態(tài)檢修和帶電作業(yè)，縮短停電時間。

計劃檢修安排不合理會造成系統(tǒng)可靠性指標偏低，在某些情況下計劃檢修對配電網(wǎng)可靠性的影響大于故障的影響。因此，采取更科學合理的檢修手段對提高配電網(wǎng)可靠性有很大幫助。

c.降低故障率的技術措施，包括選擇合理的中性點接地方式，提高配電網(wǎng)絕緣水平，防止外力破壞導致的停電事故，建立配電網(wǎng)綜合自動化系統(tǒng)。

d.改進和完善供電指標評價體系。

隨著電力企業(yè)現(xiàn)代化管理工作的不斷發(fā)展和深化，供電可靠性指標在生產管理工作中所占位置越來越重要。由于我國的可靠性統(tǒng)計指標都是在歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)的基礎上經(jīng)過簡單計算得到的，即對系統(tǒng)輸配電設備以及各電壓等級用戶的歷史可靠性狀況進行分析和評價，因而有必要制定預測規(guī)劃系統(tǒng)可靠性水平的規(guī)范化方法和指標。推廣概率可靠性評估方法，可以較為全面地預測出各種威脅電力設備和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的隱患，提高電網(wǎng)投資的經(jīng)濟效益。

e.加強配電網(wǎng)管理工作，提高可靠性水平。

供電企業(yè)員工技術水平不高、責任心不夠等人為原因造成的事故依然存在，因此，建立完善的供電可靠性管理體系，加強配電網(wǎng)管理的基礎工作對供電可靠性的提高有很大意義。

在本文的研究中，主要從加強配電網(wǎng)規(guī)劃和改造優(yōu)化配電網(wǎng)結構方面來提高10 kV線路的供電可靠性，其中重點考慮了增大饋線主干線的導線截面方法。

3 基于LCC的改善措施優(yōu)化

LCC包含電力設備或系統(tǒng)從設計到退役的整個期間需要的費用總和，包括一次投資成本、運行損耗成本、運行維護成本、退役成本4個方面。

3.1 一次投資成本

一次投資成本包括各種設備（主要有配電變壓器、導線、電桿及配件）的購買與安裝費用。

其中，下標T、P和L分別代表配電變壓器、電桿以及裸導線/絕緣導線；C對于變壓器代表新增的或者更換的變壓器的容量，對于電桿代表其數(shù)量，對于導線代表其長度；P為設備單價；A為該對象附件需要在原值上增加的百分比；D為施工難度系數(shù)，主要與地形或者所處區(qū)域特征有關，如城市或者農村，平原還是山區(qū)；n、m和h分別為配電變壓器、電桿及導線的數(shù)量。

考慮到一次投資成本在投資初期，根據(jù)資金的時間價值，將其轉化為設備投資的等年值：

其中，λc為貼現(xiàn)率；N為設備使用壽命，單位為a。

3.2 運行損耗成本

運行損耗對于配電網(wǎng)而言主要是線損[14]。本文基于潮流進行網(wǎng)損分析及快速計算[15-16]，其具體原理為：當采用直角坐標時，依據(jù)潮流方程，某一時刻的線損功率一定能表達成電力系統(tǒng)狀態(tài)變量（用x表示，是電壓實部和虛部構成的列向量）的二次型。對應某一潮流狀態(tài)x0，線損功率可精確表達為：

其中，z為潮流因變量矩陣；β（x0）為初始潮流因變量矩陣z0下線損對因變量的靈敏度向量；E（x0）為誤差矩陣，該矩陣僅與電網(wǎng)結構以及初始潮流因變量矩陣z0（節(jié)點注入）有關；Δx為狀態(tài)變量的偏差向量。

則運行損耗成本COe可表示如下：

基中，Ploss（t）為計算周期內有功損耗的瞬時功率；N為設備使用壽命；p（t）為實時單位功率成本電價；Ty為第y年總供電時間。

3.3 運行維護成本

電力設備運行維護成本CMe涵蓋范圍廣，不僅包括設備維修產生的費用CM，還包含設備維修引起的停電損失CL。

維修費用根據(jù)維修設備的不同而不同，且每年設備需要維修次數(shù)不同，一種簡單的方法是將所有運行維護成本進行均攤，即設備維修費用按其投資的百分數(shù)給出：

其中，H為設備維修費用占投資的比例系數(shù)。

停電損失CL則需要結合供電可靠性指標——期望缺供電量指標（ENNS）進行計算，CL可表示為：

其中，Ln為負荷點總數(shù)；T=1 a；Pq（t）為負荷點 q 在 t時刻對應的供電電量；Clossq（t）為負荷點 q在 t時刻對應的單位停電損失；λq（t）為負荷點q在t時刻的故障率，其由配電網(wǎng)絡元件故障率、網(wǎng)絡結構、修復率、修復時間決定，具體可通過隱馬爾科夫模型，結合供電可靠性進行求解。

3.4 退役成本

各設備退役成本CDe差別很大，有些設備能夠回收利用，具有一定的殘值，有些需要額外的處理費用，即殘值為負值。設備的殘值一定程度上是在一次投資時刻就已決定了，因此，退役成本可簡單記為：

其中，d為設備平均回收價值。

3.5 改善措施的全壽命周期模型

本文主要從配電網(wǎng)規(guī)劃和改造優(yōu)化配電網(wǎng)結構方面來改善電壓偏差情況及提高供電可靠性，重點考慮增大饋線主干線的導線截面方法。

對于每種措施，投資措施的LCC等年值費用為設備一次投資費用、設備運行損耗費用、運行維護費用之和減去退役成本。

對各方案進行LCC評估后，LCC值最小的即為最優(yōu)方案。

4 實例分析

某市農村共有10 kV公用線路35條，線路總長1032.119 km，其中主干線長242.64 km；公用配電變壓器共有304臺，容量為50705 kV·A。10 kV網(wǎng)絡形成以變電站、開閉所為電源點，輻射供電模式為主的中壓網(wǎng)架結構。據(jù)統(tǒng)計：主干長度在5 km以內的線路有17條，占線路總數(shù)的48.57%；主干長度為5～10 km的線路有12條，占線路總數(shù)的34.29%；主干長度為10～15 km的線路有3條，占線路總數(shù)的8.57%；主干長度在15 km以上的線路有3條，占線路總數(shù)的8.57%。負載率超過70%重載的線路共有5條，占線路總數(shù)的14.29%；負載率低于20%的輕載線路有6條。10 kV線路線損率大小與線路結構、線路電流大小有關，統(tǒng)計表明，10 kV線路平均線損率為7.34%，線損率高、線路設備選型標準偏低，是該地區(qū)的主要問題。

根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)與實際配電網(wǎng)參數(shù)建立該地區(qū)的10 kV饋線模型，利用PSCAD軟件仿真計算電壓偏差情況。下面僅給出該地區(qū)長豐所的計算數(shù)據(jù)，進行LCC分析。

表3給出了長豐所4條10 kV饋線線路的組成型號與距離。

根據(jù)仿真計算結果，長豐所的4條饋線電壓偏差均超過國家標準，最大偏差分別為-20.57%、-10.64%、-14.75%、-22.34%。其原因為線路較長、線徑小、負荷較重。因此，根據(jù)發(fā)熱要求、線損要求、經(jīng)濟電流密度要求計算導線截面，給出2種方案如表4所示。

根據(jù)上述方案，重新進行PSCAD仿真，可得到新的電壓偏差，表5給出改造前后電壓偏差對比。從表5看出，方案1與方案2能有效改善該地區(qū)的電壓偏差問題。

表3 采用改善措施前線路型號與長度Table 3 Length and type of lines before improvement

表4 采用改善措施后線路型號與長度Table 4 Length and type of lines after improvement

表5 采用改善措施前后電壓偏差的對比Table 5 Comparison of voltage deviation between before and after improvement

結合供電可靠性理論，對各方案進行可靠性評估，表6給出原始可靠性評估結果，改造后可靠性評估結果如表7所示。

結合上述理論與結果，對2種方案進行LCC評估，評估結果見表8。

從表8可以看出，對于長豐線、東和線與新中線，方案1的LCC更優(yōu)，對于牛漏線，方案2的LCC更優(yōu)。最終可以確定長豐所的改造方案為：對長豐線、東和線與新中線實施方案1，對牛漏線實施方案2。

表6 采用改善措施前可靠性評估結果Table 6 Results of reliability evaluation before improvement

表7 采用改善措施后可靠性評估結果Table 7 Results of reliability evaluation after improvement

表8 LCC評估結果Table 8 Results of LCC evaluation

5 結論

本文以LCC理論為基礎，綜合考慮了配電網(wǎng)改造對供電電壓偏差和供電可靠性的影響，提出一套治理供電質量的優(yōu)化方法：首先制定可行的技術方案，利用仿真計算軟件進行電壓偏差與可靠性評估，根據(jù)評估結果，結合LCC理論得出LCC評估結果，從技術可行的方案中選擇經(jīng)濟型最優(yōu)的方案。本文以某市農村配電網(wǎng)為例，重點分析了某所10 kV饋線改造方案的選取方法，用以說明本文方法的具體實現(xiàn)。本文方法兼顧經(jīng)濟性與技術可行性，為配電網(wǎng)改造，尤其是農村配網(wǎng)的升級提供了較好的依據(jù)。