黃存強(qiáng)，趙雪，劉興文，安娟，程文俊，張桂紅

(國網(wǎng)青海省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，西寧810008)

0 引言

配電系統(tǒng)作為直接面向終端用戶的環(huán)節(jié)，其投資規(guī)模在電網(wǎng)總投資中占有很大比重[1 - 5]。隨著國家經(jīng)濟(jì)增速趨于平穩(wěn)，配電系統(tǒng)投資未來也將朝著精益化的方向發(fā)展。因此，如何在保證供電質(zhì)量的基礎(chǔ)上改善配電系統(tǒng)運(yùn)行效率，對(duì)提高資產(chǎn)利用水平、節(jié)約投資費(fèi)用有重大意義[6 - 7]，故研究科學(xué)合理的配電網(wǎng)運(yùn)行效率評(píng)價(jià)方法已成為國內(nèi)外各領(lǐng)域所關(guān)注的焦點(diǎn)。

當(dāng)前對(duì)配電系統(tǒng)運(yùn)行效率的研究主要分為兩類，一類是站在配電系統(tǒng)的角度，結(jié)合配電系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)體系[8 - 11]中的評(píng)價(jià)指標(biāo)和各類權(quán)重賦值方法對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效率進(jìn)行評(píng)價(jià)[12 - 14]。文獻(xiàn)[12]綜合考慮設(shè)施指標(biāo)和設(shè)備指標(biāo)，基于相關(guān)性分析方法提出了一種高壓配電網(wǎng)運(yùn)行效率評(píng)價(jià)方法，可以對(duì)各評(píng)價(jià)指標(biāo)之間的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行量化。文獻(xiàn)[13]從供電可靠性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷特性、負(fù)荷供應(yīng)能力和電網(wǎng)建設(shè)裕度等配電網(wǎng)影響因素出發(fā)提出了一種基于灰色關(guān)聯(lián)閾值變權(quán)方法的配電網(wǎng)設(shè)備利用率綜合評(píng)價(jià)方法，避免了指標(biāo)關(guān)聯(lián)造成的影響。文獻(xiàn)[14]從電網(wǎng)運(yùn)行效率和投資效益兩個(gè)角度出發(fā)，提出了計(jì)及新能源接入的省級(jí)電網(wǎng)效率效益評(píng)估方法，解決了復(fù)雜大電網(wǎng)的效率效益評(píng)估問題。文獻(xiàn)[15]提出了一種電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行效率的3階段評(píng)估方法，先應(yīng)用規(guī)模報(bào)酬可變的數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型獲得投入松弛量，再利用環(huán)境變量回歸擬合松弛量后對(duì)投入變量作修正，最后將修正后的投入變量代入數(shù)據(jù)包絡(luò)分析模型作效率評(píng)估。該類方法雖然可以全面地展示出不同影響因素對(duì)于配電系統(tǒng)運(yùn)行效率的影響，但是所選指標(biāo)對(duì)運(yùn)行效率的貢獻(xiàn)程度難以直接衡量，從而導(dǎo)致指標(biāo)對(duì)應(yīng)的權(quán)重缺少科學(xué)合理的依據(jù)。

另一類是從設(shè)備出發(fā)，基于設(shè)備利用率的概念對(duì)配電系統(tǒng)運(yùn)行效率進(jìn)行評(píng)價(jià)[16 - 19]。文獻(xiàn)[16]在設(shè)備考慮設(shè)備實(shí)際運(yùn)行年限的基礎(chǔ)上，提出了一種考慮全壽命周期的電氣設(shè)備利用率評(píng)價(jià)方法。文獻(xiàn)[17]考慮供電安全性、負(fù)荷特性、負(fù)荷發(fā)展等影響因素，提出了配電網(wǎng)設(shè)備利用率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)的提升措施。文獻(xiàn)[18]提出了一種基于負(fù)荷持續(xù)曲線的系統(tǒng)運(yùn)行效率評(píng)價(jià)模型，并在此基礎(chǔ)上完善了系統(tǒng)運(yùn)行效率和系統(tǒng)協(xié)調(diào)度的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[19]對(duì)在全壽命周期下配電網(wǎng)設(shè)備負(fù)荷率、負(fù)載率和預(yù)期壽命的合理值進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上確定配電網(wǎng)設(shè)備全壽命周期利用率的合理范圍。該類方法是按照設(shè)備到系統(tǒng)的維度層層遞進(jìn)，挖掘影響系統(tǒng)運(yùn)行效率的內(nèi)在機(jī)理，對(duì)于配電系統(tǒng)規(guī)劃運(yùn)行具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

然而，當(dāng)前設(shè)備利用率評(píng)價(jià)方法更多關(guān)注于用戶供電可靠性和負(fù)荷時(shí)間特性，對(duì)于用戶電壓質(zhì)量和負(fù)荷空間分布的考慮有待完善；此外，當(dāng)前研究尚未構(gòu)建起由單個(gè)設(shè)備到配電系統(tǒng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

針對(duì)上述問題，首先從設(shè)備實(shí)際負(fù)載水平與合理負(fù)載能力的角度出發(fā)，明確闡述配電設(shè)備運(yùn)行效率的定義，并考慮單個(gè)設(shè)備、單層設(shè)備以及配電系統(tǒng)3個(gè)維度構(gòu)建系統(tǒng)運(yùn)行效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；其次，對(duì)供電質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及負(fù)荷時(shí)空特性等影響因素進(jìn)行分析，完善配電設(shè)備合理負(fù)載率的分析思路；最后，在上述影響因素分析的基礎(chǔ)上提出配電設(shè)備合理負(fù)載率計(jì)算方法，并以10 kV配電線路為例進(jìn)行展示。

1 配電系統(tǒng)運(yùn)行效率定義及評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

現(xiàn)有研究對(duì)于效率的定義是評(píng)價(jià)使用有限資源以滿足人類意愿的程度。對(duì)于配電系統(tǒng)來說，利用有限資源的程度對(duì)應(yīng)系統(tǒng)供給的負(fù)荷總量；人類的意愿則是希望配電系統(tǒng)安全可靠、優(yōu)質(zhì)高效的供電，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)合理負(fù)載能力。所以配電系統(tǒng)運(yùn)行效率是系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)載水平與合理負(fù)載能力的比值。

對(duì)于配電系統(tǒng)運(yùn)行效率的評(píng)價(jià)分為3個(gè)層次，分別是單個(gè)設(shè)備、單層設(shè)備以及整個(gè)系統(tǒng)，本文將從這3個(gè)層次出發(fā)構(gòu)建配電系統(tǒng)運(yùn)行效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

1.1 單個(gè)設(shè)備

對(duì)于單個(gè)設(shè)備利用率的評(píng)價(jià)包括時(shí)間斷面和時(shí)間周期兩個(gè)方面。其中對(duì)于時(shí)間斷面的評(píng)價(jià)一般選取設(shè)備峰值負(fù)荷時(shí)刻，對(duì)于時(shí)間周期的評(píng)價(jià)則需面向設(shè)備整個(gè)評(píng)價(jià)周期，相應(yīng)的計(jì)算方法如式(1)所示。

(1)

式中：fji為在時(shí)間斷面上第j個(gè)層級(jí)的第i個(gè)設(shè)備的利用率；mji為第j個(gè)層級(jí)的第i個(gè)設(shè)備在峰值時(shí)刻的實(shí)際負(fù)載率；mRD,j為第j個(gè)層級(jí)設(shè)備在時(shí)間斷面的合理負(fù)載率。

(2)

式中：fji,avt為在時(shí)間周期第j個(gè)層級(jí)的第i個(gè)設(shè)備的利用率；t為運(yùn)行效率評(píng)價(jià)的時(shí)間周期，通常取1年，8 760 h；mji,t為第j個(gè)層級(jí)的第i個(gè)設(shè)備在t時(shí)刻的實(shí)際負(fù)載率；mRDt,j為第j個(gè)層級(jí)設(shè)備在時(shí)間周期t的合理負(fù)載率。

1.2 單層設(shè)備

對(duì)于單層設(shè)備運(yùn)行效率的評(píng)價(jià)需要在考慮時(shí)間的基礎(chǔ)上增加設(shè)備數(shù)量的影響?；跀?shù)理統(tǒng)計(jì)的原理，為了全面衡量一組數(shù)據(jù)的整體情況，既要計(jì)及數(shù)據(jù)的平均水平，又要涵蓋數(shù)據(jù)的離散程度，從而歸納出單層設(shè)備運(yùn)行效率平均值和均衡度兩個(gè)指標(biāo)。

需要注意的是，由于同類設(shè)備在運(yùn)行過程中供給的負(fù)荷通常存在差異，負(fù)荷特性的峰值時(shí)刻不盡相同，且各設(shè)備之間很可能不存在聯(lián)絡(luò)關(guān)系，運(yùn)行相對(duì)獨(dú)立，所以對(duì)于單層設(shè)備來說，評(píng)價(jià)時(shí)間斷面意義很小。

此外，各設(shè)備由于投資成本不盡相同，對(duì)運(yùn)行效率平均值的影響程度也應(yīng)存在差異。本文用設(shè)備造價(jià)的高低衡量各設(shè)備在運(yùn)行效率平均值中的權(quán)重，對(duì)于線路來說，其造價(jià)主要由型號(hào)和長度決定；對(duì)于變壓器來說，其造價(jià)主要由型號(hào)和容量決定。單層設(shè)備運(yùn)行效率評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算如式(3)所示。

(3)

(4)

式中FA為單層設(shè)備運(yùn)行效率均衡度。

1.3 配電系統(tǒng)

配電系統(tǒng)是由多個(gè)層級(jí)的配電設(shè)備構(gòu)成的，主要包括110/35 kV配電線路、110/35 kV主變、10 kV配電線路以及10 kV配變。與單層設(shè)備的評(píng)價(jià)方式類似，該評(píng)價(jià)也需要包括數(shù)據(jù)的平均水平和離散程度2個(gè)方面，從而歸納出配電系統(tǒng)運(yùn)行效率平均值和協(xié)調(diào)度2個(gè)指標(biāo)。

(5)

式中：fp,avt為配電系統(tǒng)運(yùn)行效率平均值；ωj為第j個(gè)層級(jí)的運(yùn)行效率權(quán)重，即第j個(gè)層級(jí)設(shè)備的總造價(jià)占配電系統(tǒng)所有設(shè)備總造價(jià)百分比。

(6)

式中FB為配電系統(tǒng)運(yùn)行效率協(xié)調(diào)度。

配電系統(tǒng)運(yùn)行效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 配電系統(tǒng)運(yùn)行效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.1 Evaluation index system of distribution system operating efficiency

2 配電設(shè)備合理負(fù)載率影響因素分析

2.1 配電設(shè)備合理負(fù)載率影響因素

從配電網(wǎng)規(guī)劃的角度分析，設(shè)備合理運(yùn)行水平既要在當(dāng)前負(fù)荷時(shí)空特性的基礎(chǔ)上滿足用戶用電需求，也要考慮新增設(shè)備的規(guī)劃建設(shè)周期，為未來負(fù)荷發(fā)展留出裕度。所以配電設(shè)備合理負(fù)載率主要影響因素包括供電質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、負(fù)荷密度、負(fù)荷特性和負(fù)荷發(fā)展5個(gè)方面。配電系統(tǒng)運(yùn)行效率影響因素如圖2所示。

圖2 配電系統(tǒng)運(yùn)行效率影響因素Fig.2 Influence factors on the operating efficiency of distribution system

由于供電質(zhì)量包括供電可靠與電壓質(zhì)量兩個(gè)要素，分別可以結(jié)合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷密度進(jìn)行分析，最終得出合理負(fù)載率分析的4個(gè)維度：1)供電可靠與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；2)電壓質(zhì)量與負(fù)荷密度；3)負(fù)荷特性；4)負(fù)荷發(fā)展。

2.2 供電可靠和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)影響分析

配電網(wǎng)對(duì)所供電能的可靠性可以通過“N-x”安全準(zhǔn)則來評(píng)價(jià)和衡量，當(dāng)前最常用的依然是“N-1”安全準(zhǔn)則[20]，即在正常運(yùn)行方式下，電力系統(tǒng)N個(gè)元件中任一獨(dú)立元件因故障而被切除后，系統(tǒng)依然能保持穩(wěn)定運(yùn)行和正常供電且其他元件不會(huì)有過負(fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。但是如果沒有配電設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)支撐，單獨(dú)考慮供電可靠性是沒有實(shí)際意義的。配電設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以通過其聯(lián)絡(luò)對(duì)象數(shù)體現(xiàn)。設(shè)備的聯(lián)絡(luò)對(duì)象數(shù)越多，發(fā)生故障后負(fù)荷可能的轉(zhuǎn)供途徑越多，在正常運(yùn)行時(shí)所帶的負(fù)荷就越大，設(shè)備合理負(fù)載率越大。通過分析不同類型設(shè)備的聯(lián)絡(luò)對(duì)象數(shù)，就可以得到該設(shè)備考慮供電可靠和網(wǎng)架結(jié)構(gòu)影響的配電設(shè)備合理負(fù)載率mRA。本文以10 kV配電線路為例進(jìn)行展示。

由表1可以看出，隨著聯(lián)絡(luò)對(duì)象數(shù)量的增加，合理負(fù)載率數(shù)值逐漸上升。這是因?yàn)槁?lián)絡(luò)對(duì)象數(shù)量反映的是其他設(shè)備對(duì)該設(shè)備的支撐作用，發(fā)生故障后提供支撐的轉(zhuǎn)供路徑越多，該設(shè)備可供給的負(fù)荷量越大。

表1 10 kV配電線路考慮供電可靠性的合理負(fù)載能力Tab.1 Reasonable load capacity of 10 kV distribution line considering power supply reliability

2.3 電壓質(zhì)量和負(fù)荷密度影響分析

站在用戶需求的角度，配電網(wǎng)對(duì)用戶供電不僅要保證所供電能的可靠性，還要保證所供電能的電壓質(zhì)量。電壓質(zhì)量是否合格主要是通過電壓偏差體現(xiàn)。不同等級(jí)的電壓允許偏差的范圍不同，比如10 kV三相供電電壓允許偏差為額定電壓的±7%[20]。此外，電壓質(zhì)量也與負(fù)荷密度密切相關(guān)，在相同電壓等級(jí)下，負(fù)荷密度越大，單位長度的線路損耗越大，電壓降落越大。對(duì)于處于不同負(fù)荷密度地區(qū)且供電范圍不同的設(shè)備，由于受到電壓偏差的約束，設(shè)備所帶最大負(fù)荷往往存在差異，進(jìn)而影響到設(shè)備合理負(fù)載率。

2.3.1 配電線路

對(duì)于配電線路來說，電壓降落通常可以通過潮流計(jì)算得到，所以配電線路時(shí)間斷面合理負(fù)載率計(jì)算方法如下所示。

(7)

(8)

(9)

式中：ΔU為電壓偏差；X、R分別為配電線路的電抗和電阻；cosφ為功率因數(shù)；SL為配電線路視在功率；SN為配電線路的容量；mRAL為配電線路考慮電壓質(zhì)量合理負(fù)載率。

2.3.2 110/35 kV主變

對(duì)于110/35 kV主變來說，通過2.3.1節(jié)可以得到主變各條10 kV出線的合理負(fù)載能力，再結(jié)合主變的出線間隔以及容量，進(jìn)而計(jì)算出主變考慮電壓質(zhì)量的合理負(fù)載率，如式(10)所示。

(10)

式中：mRBZ為主變考慮電壓質(zhì)量的合理負(fù)載率；nL為主變出線間隔數(shù)；SL,i為主變第i條10 kV出線的視在功率；SZ為主變?nèi)萘俊?/p>

本文以10 kV配電線路為例進(jìn)行展示。由表2可以看出，配電線路供電范圍越大，設(shè)備合理負(fù)載率越??；配電線路截面越小，設(shè)備合理負(fù)載率越小。這是因?yàn)榕潆娋€路供電距離越遠(yuǎn)或單位阻抗越大，電能在傳輸過程中損耗越大，電壓降落越明顯，為保證電壓偏差在合理范圍內(nèi)而犧牲設(shè)備負(fù)載能力。

表2 10 kV配電線路考慮電壓質(zhì)量的合理負(fù)載能力Tab.2 Reasonable load capacity of 10 kV distribution line considering voltage quality

2.4 負(fù)荷特性影響分析

需要注意的是，盡管在設(shè)備規(guī)劃的過程中是按照負(fù)荷峰值進(jìn)行規(guī)劃的，但是在設(shè)備實(shí)際運(yùn)行過程中負(fù)荷是具有波動(dòng)性的，如果全部按照負(fù)荷峰值的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行效率偏低，所以基于設(shè)備所帶的不同負(fù)荷類型及其負(fù)荷特性分析設(shè)備時(shí)間周期合理負(fù)載率是十分必要的。

對(duì)于負(fù)荷而言，負(fù)荷率[21]基本描述了在一段時(shí)間周期內(nèi)平均負(fù)荷與最大負(fù)荷之間的關(guān)系。本文也通過該指標(biāo)分析設(shè)備時(shí)間斷面合理負(fù)載率與時(shí)間周期合理負(fù)載率的關(guān)系，從而反映出負(fù)荷特性對(duì)設(shè)備合理負(fù)載率的影響。

2.5 負(fù)荷發(fā)展影響分析

受到負(fù)荷預(yù)測以及新增設(shè)備規(guī)劃建設(shè)周期的影響，配電網(wǎng)供電能力往往會(huì)為未來負(fù)荷的發(fā)展留有一定的裕度，即保障在電力設(shè)施建設(shè)滯后的前提下，仍能保障未來負(fù)荷的供電。負(fù)荷發(fā)展對(duì)于合理負(fù)載率的影響可以通過供電裕度影響因子反映，計(jì)算方法如式(11)所示。

(11)

式中：n為預(yù)留裕度的年限；α為年負(fù)荷平均增長率。

3 配電設(shè)備合理負(fù)載率計(jì)算方法

基于上述分析，可以得出配電設(shè)備合理負(fù)載率的計(jì)算方法。首先考慮供電可靠與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及電壓合格與負(fù)荷密度因素，確定考慮供電質(zhì)量的配電設(shè)備合理負(fù)載率；然后考慮負(fù)荷特性因素，確定時(shí)間周期內(nèi)配電設(shè)備合理負(fù)載率；最后考慮負(fù)荷發(fā)展因素，確定考慮未來供電裕度的配電設(shè)備合理負(fù)載率。具體公式分別如式(12)—(14)所示。

mR=min{mRA,mRB}

(12)

mRD=mRF

(13)

mRDt=μmRF

(14)

式中：μ為負(fù)荷率；mR為設(shè)備考慮供電質(zhì)量的合理負(fù)載率；mRA為考慮供電可靠與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的合理負(fù)載率；mRB為考慮電壓質(zhì)量和負(fù)荷密度的合理負(fù)載率；mRD為考慮負(fù)荷發(fā)展后設(shè)備時(shí)間斷面的合理負(fù)載率；mRDt為考慮負(fù)荷發(fā)展后設(shè)備時(shí)間周期的合理負(fù)載率。

本文以10 kV配電線路為例進(jìn)行展示。表3反映了綜合考慮供電可靠與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及電壓質(zhì)量與負(fù)荷密度兩大因素的配電線路合理負(fù)載率，體現(xiàn)出考慮負(fù)荷空間特性的價(jià)值。

表3 10 kV配電線路考慮供電質(zhì)量的合理負(fù)載能力Tab.3 Reasonable load capacity of 10 kV distribution line considering power quality

表4 10 kV配電線路考慮負(fù)荷發(fā)展的合理負(fù)載能力Tab.4 Reasonable load capacity considering load development of 10 kV distribution line

表4展示出各類供電區(qū)域配電線路合理負(fù)載率計(jì)算結(jié)果，而不同供電區(qū)域受到不同影響因素的制約使得其負(fù)載能力難以達(dá)到較高水平。其中，中心城區(qū)因土地資源緊張需要為新設(shè)備規(guī)劃建設(shè)留出較長的時(shí)間周期；新建城區(qū)與工業(yè)園區(qū)因負(fù)荷增速較快需要為未來負(fù)荷增加預(yù)留充足裕度；縣城地區(qū)與農(nóng)牧地區(qū)因供電距離較遠(yuǎn)需要保證合理的電壓偏差范圍。

4 結(jié)論

本文對(duì)配電系統(tǒng)運(yùn)行效率開展研究，從設(shè)備到系統(tǒng)層層遞進(jìn)，形成了配電系統(tǒng)運(yùn)行效率評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，研究了考慮負(fù)荷時(shí)空特性的設(shè)備合理負(fù)載率計(jì)算方法，得出以下結(jié)論。

1)在較為偏遠(yuǎn)的農(nóng)牧地區(qū)，負(fù)荷空間特性對(duì)設(shè)備合理負(fù)載能力造成很大影響，此時(shí)可以通過配置無功補(bǔ)償裝置在一定程度上緩解電壓偏差的問題。

2)不同供電區(qū)域合理負(fù)載能力提升的制約因素存在差異。在本文研究的基礎(chǔ)上，可以更加全面地評(píng)估配電設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀，挖掘不同供電區(qū)域配電系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)，進(jìn)而從負(fù)荷預(yù)測方法、設(shè)備規(guī)劃方法及DG置信容量分析等方面改善配電系統(tǒng)運(yùn)行效率，提高配電系統(tǒng)資產(chǎn)利用水平。