周名煜，謝寧，王承民

(上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

基于大數(shù)據(jù)的配電網(wǎng)運(yùn)行方式指標(biāo)靈敏性分析方法研究

周名煜，謝寧，王承民

(上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240)

隨著近些年來(lái)電網(wǎng)的建設(shè)和改造變得越來(lái)越頻繁，電力系統(tǒng)各方面的數(shù)據(jù)量不斷膨脹，配電網(wǎng)運(yùn)行方式評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)目不斷增多，傳統(tǒng)的指標(biāo)分析方法已經(jīng)難以滿足要求。為了在大數(shù)據(jù)環(huán)境下對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行方式指標(biāo)進(jìn)行分析，提出了一種靈敏性分析方法，利用泰勒公式建立了反映電網(wǎng)特性與指標(biāo)之間關(guān)系的線性表達(dá)式，利用最小二乘法計(jì)算每個(gè)指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)特性的影響程度，并結(jié)合由數(shù)據(jù)分析得到的各個(gè)指標(biāo)一流區(qū)間對(duì)每個(gè)指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)劃分，不同的指標(biāo)等級(jí)反映了當(dāng)前指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)特性的影響程度以及該指標(biāo)值與一流指標(biāo)區(qū)間之間的差距，從不同等級(jí)指標(biāo)的數(shù)目可以看出配電網(wǎng)的整體建設(shè)情況。對(duì)一個(gè)現(xiàn)狀配電網(wǎng)的指標(biāo)進(jìn)行分析，計(jì)算結(jié)果證明了方法的有效性與可行性。

配電網(wǎng)；運(yùn)行方式；大數(shù)據(jù)；靈敏性分析；數(shù)據(jù)分析

0 引 言

作為電力系統(tǒng)中直接與用戶相連的一個(gè)環(huán)節(jié)，配電網(wǎng)對(duì)用戶供電可靠性的影響最為直接，據(jù)統(tǒng)計(jì)絕大多數(shù)用戶停電故障是由配電網(wǎng)故障引起的。為了對(duì)現(xiàn)狀配電網(wǎng)的運(yùn)行方式優(yōu)劣進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，各類運(yùn)行方式評(píng)價(jià)指標(biāo)被不斷提出來(lái)，以對(duì)這些指標(biāo)的評(píng)價(jià)來(lái)判斷現(xiàn)狀配電網(wǎng)是否滿足各方面的要求并衡量其滿足的具體程度，進(jìn)而以評(píng)價(jià)結(jié)果指導(dǎo)配電網(wǎng)的規(guī)劃、建設(shè)、改造和運(yùn)行。

目前對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行方式指標(biāo)的分析方法仍然是研究熱點(diǎn)之一。文獻(xiàn)[1-2]利用層次分析法對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行方式指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算；文獻(xiàn)[3]結(jié)合層次分析法與模糊評(píng)價(jià)法對(duì)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，一定程度上改善了層次分析法的權(quán)重設(shè)置主觀性強(qiáng)的問(wèn)題；文獻(xiàn)[4]利用DEMATEL-ANP-反熵權(quán)法和改進(jìn)灰色關(guān)聯(lián)度法進(jìn)行權(quán)重的組合設(shè)置，使得權(quán)重同時(shí)具備主觀性和客觀性；文獻(xiàn)[5]提出了基于改進(jìn)雷達(dá)圖的運(yùn)行方式評(píng)估方法，對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行等級(jí)劃分。但是在指標(biāo)數(shù)目以及指標(biāo)數(shù)據(jù)很多的情況下，上述指標(biāo)分析方法無(wú)論是在建模上還是在評(píng)價(jià)結(jié)果的合理性方面均存在一定的缺陷。

隨著電力系統(tǒng)各方面數(shù)據(jù)量的不斷膨脹，以及“大數(shù)據(jù)”這一概念的提出，大數(shù)據(jù)分析在電力系統(tǒng)各方面的應(yīng)用顯得越來(lái)越重要。文獻(xiàn)[6-7]對(duì)大數(shù)據(jù)分析在智能配電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，主要闡述了負(fù)荷預(yù)測(cè)、網(wǎng)架發(fā)展趨勢(shì)分析、優(yōu)化規(guī)劃、不良數(shù)據(jù)辨識(shí)等方面的應(yīng)用；文獻(xiàn)[8]則對(duì)大數(shù)據(jù)分析在主動(dòng)配電網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究，但是仍然只是停留在理論層面；文獻(xiàn)[9-10]利用大數(shù)據(jù)分析分別對(duì)縣域配電系統(tǒng)的發(fā)展需求和投資狀況等方面進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[11]通過(guò)收集電網(wǎng)數(shù)據(jù)對(duì)電網(wǎng)可靠性指標(biāo)的影響因素進(jìn)行了分析。目前大數(shù)據(jù)分析在配電網(wǎng)運(yùn)行領(lǐng)域的應(yīng)用仍然十分有限，尤其是在配電網(wǎng)運(yùn)行方式指標(biāo)的分析方面，對(duì)于大量的指標(biāo)值仍然沒(méi)有一個(gè)好的分析方法。

本文在研究了配電網(wǎng)運(yùn)行方式評(píng)價(jià)的傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于大數(shù)據(jù)的運(yùn)行方式指標(biāo)靈敏性分析方法。該方法考慮了每個(gè)指標(biāo)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行特性的影響程度不同，將配電網(wǎng)的運(yùn)行特性作為因變量，將每個(gè)特性下的具體指標(biāo)作為自變量，利用泰勒公式建立了反映電網(wǎng)特性與指標(biāo)之間關(guān)系的線性表達(dá)式，利用最小二乘法計(jì)算每個(gè)指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)特性的影響程度，并且在收集了數(shù)個(gè)先進(jìn)城市的指標(biāo)值的基礎(chǔ)上，分析了一流電網(wǎng)的指標(biāo)值區(qū)間，并將待評(píng)價(jià)電網(wǎng)的指標(biāo)值與一流指標(biāo)區(qū)間進(jìn)行對(duì)比，結(jié)合指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)特性的影響程度進(jìn)行指標(biāo)分級(jí)，從而有針對(duì)性的對(duì)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，向一流電網(wǎng)靠攏。本文最后以一個(gè)現(xiàn)狀配電網(wǎng)的指標(biāo)值為例進(jìn)行了計(jì)算，結(jié)果表明該方法能夠有效地對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行方式指標(biāo)進(jìn)行分析，從分析結(jié)果可以直觀地看出電網(wǎng)的整體情況和建設(shè)中存在的不足，為電網(wǎng)的規(guī)劃與改造提供依據(jù)。

1 靈敏性分析

靈敏性分析旨在通過(guò)分析具體的指標(biāo)參數(shù)來(lái)反映配電網(wǎng)的特性，體現(xiàn)配電網(wǎng)的整體建設(shè)情況，找出薄弱的指標(biāo)參數(shù)，從而有針對(duì)性地提出措施，進(jìn)行指標(biāo)參數(shù)提升，向建設(shè)一流電網(wǎng)的目標(biāo)前進(jìn)。對(duì)于配電網(wǎng)某個(gè)特性而言，由于在配電網(wǎng)的正常運(yùn)行方式下各個(gè)運(yùn)行方式指標(biāo)的數(shù)值并不會(huì)相差很大，因此可以將其視為在一定范圍內(nèi)的一個(gè)多元線性函數(shù)，可以根據(jù)泰勒公式用簡(jiǎn)式表達(dá)式將其表示出來(lái)：

Y≈a0+a1x1+a2x2+…+anxn

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

隨后可以用X和Y以及式(6)計(jì)算式(1)中的各個(gè)靈敏性因子：

(6)

2 基于大數(shù)據(jù)的配電網(wǎng)運(yùn)行方式指標(biāo)分析

由于某些指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到甚至優(yōu)于一流區(qū)間的數(shù)值，且由于其每年變化很小甚至不變導(dǎo)致計(jì)算出來(lái)的靈敏度因子很大，本文將這些指標(biāo)的靈敏度因子定義為0。為了將這些指標(biāo)與本身靈敏度因子很小的指標(biāo)相區(qū)分，本文引入一個(gè)偏差度的概念來(lái)表示某個(gè)指標(biāo)與一流指標(biāo)之間的差距，而對(duì)于已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)了一流區(qū)間的指標(biāo)而言偏差值為0。偏差度利用字母k來(lái)表示，指標(biāo)xi的偏差度計(jì)算公式如下：

(7)

綜上所述，基于數(shù)據(jù)分析的配電網(wǎng)運(yùn)行方式指標(biāo)靈敏性分析方法的步驟如下：

(1)收集某配電網(wǎng)若干年的指標(biāo)數(shù)據(jù)，利用式(2)和式(3)對(duì)各指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，分別將各個(gè)特性下的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后的結(jié)果代入式(4)中，利用式(6)計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的靈敏度因子；

(2)對(duì)于每個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別收集數(shù)個(gè)該指標(biāo)較優(yōu)的城市的指標(biāo)數(shù)據(jù)，利用得到的樣本數(shù)據(jù)(不進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化)計(jì)算每個(gè)指標(biāo)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，進(jìn)一步確定每個(gè)指標(biāo)的一流區(qū)間；

(3)對(duì)某一年的配電網(wǎng)運(yùn)行方式指標(biāo)進(jìn)行分析，確定每個(gè)指標(biāo)是否滿足一流區(qū)間。若指標(biāo)滿足一流區(qū)間甚至優(yōu)于一流區(qū)間，則對(duì)其靈敏性因子進(jìn)行修正，定義其靈敏性因子a為0，偏差度k為0；若指標(biāo)不滿足一流區(qū)間，則其靈敏度因子a取為步驟1)中式(6)對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果并取絕對(duì)值(取絕對(duì)值的原因是只需要了解該指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)特性的影響程度)，并利用式(7)計(jì)算得到其偏差度k；

(4)針對(duì)該現(xiàn)狀配電網(wǎng)，確定靈敏度因子a和偏差度k的區(qū)間來(lái)對(duì)所有指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)劃分，從指標(biāo)的分級(jí)結(jié)果可以看出配電網(wǎng)的整體情況和每個(gè)指標(biāo)的變化情況，為指標(biāo)的優(yōu)化以及配電網(wǎng)的下一步建設(shè)與規(guī)劃作參考。

3 算例分析

本文選取了某個(gè)城市的現(xiàn)狀配電網(wǎng)來(lái)驗(yàn)證該分析方法的有效性與實(shí)用性，該配電網(wǎng)的電壓等級(jí)包括10 kV、35 kV以及400 V，選取2011年至2015年的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，將指標(biāo)分為安全質(zhì)量、運(yùn)行績(jī)效和技術(shù)裝備三類，得到各個(gè)指標(biāo)的靈敏性因子、偏差度和一流基準(zhǔn)值的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1-表3所示，其中偏差度僅列出2014年和2015年的結(jié)果。由于原始數(shù)據(jù)較多，因此此處僅列出計(jì)算結(jié)果。

表1 安全質(zhì)量指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果

表2 運(yùn)行績(jī)效指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果

表3 技術(shù)裝備指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果

對(duì)表1-表3中的各數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，最終選取的指標(biāo)等級(jí)劃分區(qū)間以及指標(biāo)分級(jí)結(jié)果如下：

(1)一級(jí)指標(biāo)(a≥4且k≥0.4)：系統(tǒng)平均停電時(shí)間，系統(tǒng)平均停電次數(shù)，中壓配電網(wǎng)故障平均修復(fù)時(shí)間；(2)二級(jí)指標(biāo)(a≥1.2且k≥0.12)：供電可靠率，10 kV線路平均負(fù)載率，低壓配電網(wǎng)故障平均修復(fù)時(shí)間，10 kV架空線路絕緣化率，10 kV線路電纜化率，配電自動(dòng)化覆蓋率，10 kV線路平均電源數(shù)；

(3)三級(jí)指標(biāo)：除一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)以外的其它指標(biāo)。

其中一級(jí)指標(biāo)的靈敏性因子和偏差度都很大，說(shuō)明該類指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)特性的影響程度大，并且與一流區(qū)間還有很大的差距，該類指標(biāo)為需要重點(diǎn)改善的指標(biāo)，有很大的提升空間；二級(jí)指標(biāo)的靈敏性因子和偏差度都不是很大，說(shuō)明該類指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)特性的影響程度適中，并且與一流區(qū)間并沒(méi)有很大的差距，該類指標(biāo)一般為已經(jīng)經(jīng)過(guò)初步改善的指標(biāo)，有一定的提升空間，只需要施加適度的關(guān)注即可；三級(jí)指標(biāo)一般是靈敏性因子較小或者是偏差度較小的指標(biāo)，說(shuō)明該類指標(biāo)要么就是已經(jīng)達(dá)到甚至超過(guò)一流水平，要么就是對(duì)電網(wǎng)特性影響程度很小，對(duì)于該類指標(biāo)并不需要太多關(guān)注，只需要保持現(xiàn)有水平即可。總體而言，隨著當(dāng)?shù)嘏潆娋W(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展，指標(biāo)的變化總趨勢(shì)始終是由一級(jí)指標(biāo)變?yōu)槎?jí)指標(biāo)，最后向三級(jí)指標(biāo)發(fā)展。

由于一級(jí)指標(biāo)和二級(jí)指標(biāo)總共有10個(gè)，占比為30.3%，因此可以認(rèn)為該城市配電網(wǎng)的建設(shè)處于一個(gè)良好的水平，但是與一流電網(wǎng)之間仍然有一定差距。除此之外，可以看出大部分指標(biāo)都是2015年的偏差度小于或等于2014年的偏差度，這符合電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的一般規(guī)律，即評(píng)價(jià)指標(biāo)逐步向一流區(qū)間靠近。由上述分析可以看出，通過(guò)計(jì)算該市配電網(wǎng)三類電網(wǎng)特性下的各個(gè)指標(biāo)的靈敏性因子和偏差度，并對(duì)指標(biāo)進(jìn)行等級(jí)劃分，可以清晰的了解到該市配電網(wǎng)的整體建設(shè)情況，為配電網(wǎng)指標(biāo)的優(yōu)化指明了方向，為配電網(wǎng)進(jìn)一步的建設(shè)、改造和規(guī)劃提供了參考和依據(jù)，證明了本文提出的靈敏性分析方法的有效性與可行性。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于大數(shù)據(jù)的配電網(wǎng)運(yùn)行方式指標(biāo)分析方法，利用靈敏性因子反映運(yùn)行方式指標(biāo)對(duì)電網(wǎng)特性的影響程度，利用偏差度反映當(dāng)前指標(biāo)值與一流指標(biāo)值之間存在的差距，并以靈敏性因子和偏差度為依據(jù)對(duì)指標(biāo)進(jìn)行分級(jí)，從分級(jí)結(jié)果可以直觀反映出電網(wǎng)的整體建設(shè)情況、每個(gè)指標(biāo)的變化情況以及與一流電網(wǎng)之間的差距，算例的計(jì)算結(jié)果以及所得的分析結(jié)果可以反映出配電網(wǎng)的建設(shè)情況與薄弱環(huán)節(jié)，為指標(biāo)的優(yōu)化以及配電網(wǎng)的改造與規(guī)劃提供依據(jù)和參考。

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A Research on the Analysis Method for the Sensitivity of Operation Mode Indexes Based on Big Data

Zhou Mingyu, Xie Ning, Wang Chengmin

(Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China)

With more and more frequent construction and reconstruction of power grids in recent years, data volume continues to expand in all aspects of power systems. The quantity of evaluation indexes for the operation mode of distribution networks increases so rapidly that traditional index analysis methods can hardly meet the requirements. In order to analyze indexes for the operation mode of distribution networks in the environment of big data, this paper proposes a sensitivity analysis method, in which the Taylor formula is used to form a linear expression to reflect the relationship between power grid characteristics, and the least square method is used to calculate the degree of influence of each index upon power grid characteristics. Furthermore, all indexes are classified according to their first-class intervals obtained through data analysis. Different index grades reflect the degree of influence of the current index upon power grid characteristics as well as the gap between that index value and the first-class index interval. The whole situation of network construction can be seen from the number of indexes of different grades. The indexes of an existing distribution network are analyzed in this method, and calculation results prove the effectiveness and feasibility of this method.

distribution network；operation mode； big data； sensitivity analysis；data analysis

10.3969/j.issn.1000-3886.2017.02.011

TM727

A

1000-3886(2017)02-0036-03

周名煜(1992-)，男，江蘇人，碩士生，主要從事電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定分析、電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、電力市場(chǎng)方面研究。

定稿日期: 2016-08-02