李俊，羅陽(yáng)洋，朱德燕

（廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣西南寧 530001）

近年來(lái)隨著用電設(shè)備的指數(shù)式增長(zhǎng)，配電網(wǎng)用電量增長(zhǎng)迅速。但在配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的各種弊端嚴(yán)重影響了配電網(wǎng)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)上述背景做了大量研究工作[1-3]。在經(jīng)濟(jì)性節(jié)能方面，有學(xué)者對(duì)配電網(wǎng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)和用能效率進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的探索，并嘗試通過(guò)算法優(yōu)化來(lái)提高用能的經(jīng)濟(jì)性[4-5]。在評(píng)估體系方面，為滿足管理要求，針對(duì)電力主設(shè)備的生產(chǎn)、監(jiān)測(cè)進(jìn)行數(shù)據(jù)評(píng)估，提出了基于層次分析法的評(píng)估體系，以提高配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性[6-8]。在配電網(wǎng)節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方面，研究者也進(jìn)行了大量的工作，提出采用分層分區(qū)的配電網(wǎng)運(yùn)行方法，以區(qū)域配電網(wǎng)為獨(dú)立運(yùn)行個(gè)體，單獨(dú)核算區(qū)域內(nèi)的經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)性，提高獨(dú)立配電網(wǎng)的能效管理水平[9-11]。但現(xiàn)有配電網(wǎng)主設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)極為豐富，以單一的方法無(wú)法涵蓋所有的數(shù)據(jù)，需建立新的監(jiān)控模型與評(píng)估體系，更好地促進(jìn)配電網(wǎng)的發(fā)展[12]。

1 主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)模型

主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)控整個(gè)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行情況具有重要作用，其直接影響到電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行[13]。該節(jié)將對(duì)變壓器和輸電線路的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、建立運(yùn)行能效數(shù)據(jù)模型，為監(jiān)控模型的建立打下基礎(chǔ)。

1）變壓器

變壓器在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生功率損耗，其損耗率直接影響運(yùn)行的能效節(jié)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(guò)程中引起的損耗ΔPz，如下所示：

因此，可得到配電網(wǎng)變壓器綜合功率損耗率ΔPz%為：

式中，SN為配電網(wǎng)變壓器的額定容量，cosφ為變壓器靠近負(fù)荷中心的功率因數(shù)。通過(guò)上式可以得到，變壓器的最佳運(yùn)行區(qū)間為：

變壓器的運(yùn)行區(qū)間可以進(jìn)一步分為最佳區(qū)、經(jīng)濟(jì)區(qū)、最劣區(qū)，對(duì)應(yīng)的劃分如圖1 所示。從圖中可以看出，當(dāng)βJZ≤β≤βL1Z時(shí)，變壓器處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)βL2Z<β<βJZ時(shí)，變壓器處于最佳運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)0 ≤β≤βL2Z時(shí)，變壓器處于最劣運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 變壓器的運(yùn)行區(qū)間劃分

2）輸電線路

電能經(jīng)輸電線路傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)熱，產(chǎn)生損耗，且損耗與流過(guò)輸電線路的電流的平方成正比。在一天的時(shí)間內(nèi)，流經(jīng)輸電線路產(chǎn)生的損耗可以用下式表示：

但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，負(fù)荷變化是波動(dòng)的，采用均方根電流進(jìn)行計(jì)算會(huì)引起一定的誤差。為減少負(fù)荷變化而引起的誤差，引入形狀系數(shù)K，用下式計(jì)算：

從上述公式可看出，形狀系數(shù)K與流經(jīng)輸電線路的電流比值有關(guān)。

2 運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控模型建立

2.1 運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控指標(biāo)體系

在建立配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控模型之前，需要將運(yùn)行數(shù)據(jù)分類，建立數(shù)據(jù)監(jiān)控指標(biāo)體系。在層次分析法的基礎(chǔ)上建立涉及多個(gè)層級(jí)的主設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)指標(biāo)體系，體現(xiàn)配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。具體指標(biāo)體系如表1 所示。

表1 配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控指標(biāo)

2.2 數(shù)據(jù)監(jiān)控模型的建立

通過(guò)建立配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控指標(biāo)體系，能夠更全面地反映配電網(wǎng)節(jié)能水平。但某些數(shù)據(jù)指標(biāo)以百分比的形式出現(xiàn)，需要進(jìn)行歸一化處理，才能綜合評(píng)價(jià)。該文采用極值化無(wú)量綱處理法將不同形式的指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化處理[14-16]。具體做法為：將指標(biāo)分為正指標(biāo)、負(fù)指標(biāo)、區(qū)間指標(biāo)，根據(jù)相關(guān)性統(tǒng)一為0～1 之間的數(shù)值，通過(guò)量化公式轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)值。

正指標(biāo)的量化公式如下：

負(fù)指標(biāo)的量化公式為：

區(qū)間指標(biāo)的量化公式為：

對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理之后，還需要對(duì)靈敏度矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，通過(guò)下式得到評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重：

式中，ωi為配電網(wǎng)主設(shè)備能效指標(biāo)第i個(gè)指標(biāo)權(quán)重，Ωj為指標(biāo)權(quán)重的行向量，通過(guò)指標(biāo)權(quán)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(jīng)濟(jì)性的判斷矩陣，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。因此，可以得到配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控統(tǒng)計(jì)值為：

式中，wi為第i個(gè)指標(biāo)經(jīng)過(guò)無(wú)量綱處理的數(shù)值，ai為第i個(gè)指標(biāo)的一級(jí)權(quán)重，α1～α4為設(shè)備階梯權(quán)重。

綜上所述，區(qū)域配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控及其評(píng)價(jià)流程如圖2 所示。

圖2 主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控及其評(píng)價(jià)流程

3 評(píng)估方法

區(qū)域配電網(wǎng)主設(shè)備經(jīng)濟(jì)運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控模型為分層級(jí)、分區(qū)域的數(shù)學(xué)模型，其優(yōu)劣需要采用層次分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)。層次分析法的基本步驟包括構(gòu)造評(píng)價(jià)矩陣、層次單排序和一致性檢驗(yàn)。

構(gòu)造評(píng)價(jià)矩陣核心思想是通過(guò)比較兩個(gè)元素之間的重要性，將各個(gè)元素的重要程度量化為aij，其取值在1～9 之間進(jìn)行賦值，通過(guò)兩兩之間互相對(duì)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(jì)算出元素之間的權(quán)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(jì)算公式，計(jì)算一致性指標(biāo)，計(jì)算公式為：

式中，n為判斷矩陣的階數(shù)，λmax為判斷矩陣的特征值，一致性指標(biāo)與一致性程度呈負(fù)相關(guān)，特征值為0 時(shí)則表示完全一致。

通過(guò)計(jì)算一致性特征值對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行評(píng)價(jià)，當(dāng)出現(xiàn)誤差時(shí)，引入修正系數(shù)RI，消除判斷的不一致情況，通常情況下：當(dāng)RI 值大于3 時(shí)，說(shuō)明一致性結(jié)果完全合理；當(dāng)RI 值小于3 且大于0.1 時(shí)，代表了一致性結(jié)果較為合理；當(dāng)RI 值小于0.1 時(shí)，則需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

在對(duì)判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)之后，其權(quán)重值即為特征向量，若求得的權(quán)重值與實(shí)際情況有誤差，則通過(guò)下式修正權(quán)重值：

以配電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)對(duì)運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，其目標(biāo)函數(shù)由提升投資成本和損失成本構(gòu)成，各個(gè)主設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和安全性需要納入考慮范圍。采用Well-being 模型架構(gòu)，如圖3所示。

圖3 Well-being模型架構(gòu)

模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

4 案例分析

以廣西某區(qū)域配電網(wǎng)為例，進(jìn)行算例分析，已知該區(qū)域配電網(wǎng)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(qū)域范圍內(nèi)共有中壓線路897回，總長(zhǎng)度12 568.20 km。目前中低壓配網(wǎng)投資比例逐年加大，僅2019 年該區(qū)域配電網(wǎng)公司10 kV 及以下配電網(wǎng)投資約200 億元、近40 000 余個(gè)工程項(xiàng)目。面對(duì)快速增長(zhǎng)的電網(wǎng)投資和配電網(wǎng)工程設(shè)計(jì)任務(wù)，中低壓配網(wǎng)項(xiàng)目的工程、技經(jīng)管理仍為人工填寫(xiě)、匯總、分析，其工作量大、規(guī)范性與準(zhǔn)確性較低。因此有必要開(kāi)展配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)分析，以提升工作效率和工作分析的正確性。綜合該區(qū)域配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)得到該市配電網(wǎng)現(xiàn)階段打分情況，如圖4 所示。

圖4 配電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)打分情況

從圖4 中的打分?jǐn)?shù)值可以看出，該地區(qū)的主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)中主變負(fù)載率、配電負(fù)載率、自動(dòng)化覆蓋率等數(shù)據(jù)的平均靈敏度較高，中壓線路負(fù)載率、配變功率因素合格率、容載比等數(shù)據(jù)的平均靈敏度較低。

為消除主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)不統(tǒng)一的問(wèn)題，首先對(duì)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)量綱處理，建立數(shù)據(jù)監(jiān)控模型，生成能效影響因素靈敏度系數(shù)矩陣。通過(guò)Matlab 仿真生成3×20 階配電網(wǎng)能效與各能效影響因素靈敏度系數(shù)矩陣，結(jié)果如表2 所示。

表2 運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)靈敏度系數(shù)矩陣

采用層次分析法，根據(jù)上文的理論基礎(chǔ)，可以通過(guò)仿真得到該區(qū)域配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值，如表3 所示。

表3 配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)

5 結(jié)束語(yǔ)

該文針對(duì)配電網(wǎng)變壓器和輸電線路能效模型的分析，從變壓器、輸電線路、無(wú)功補(bǔ)償和新技術(shù)應(yīng)用四個(gè)方面提取評(píng)價(jià)指標(biāo)，建立了配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控模型，并利用層次分析法建立了配電網(wǎng)主設(shè)備能效及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)方法。以某區(qū)域配電網(wǎng)為例進(jìn)行算例分析，對(duì)該區(qū)域配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)得到該市配電網(wǎng)現(xiàn)階段打分，基于實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)得到該區(qū)域配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的平均靈敏度。同時(shí)采用層次分析法，得到該區(qū)域配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重值。該模型有利于提高該區(qū)域配電網(wǎng)主設(shè)備運(yùn)行的可靠性與經(jīng)濟(jì)性。