基于可靠性的配电网规划评估体系

2013-01-28 07:25陈光华庞庆华
电力科学与技术学报 2013年1期
关键词:配电网指标体系可靠性

陈光华,杜 栋,庞庆华,饶 强

(1.北京市电力公司 北京电力科学研究院,北京 100007;2.河海大学 常州校区,江苏 常州 213022)

配电网规划评价分为规划方案评价和项目后评价[1].前者是对规划电网的可行方案进行技术、经济的全面综合考核与评价,以抉择出最优规划方案;后者是对已完成的项目质量进行分析,为以后工作积累经验,提高后续项目的决策和管理水平.

规划方案评价又分为单项评估(单属性规划)和综合评价(多属性规划).传统的配电网络评估工作主要包括可靠性、安全性、供电质量等单项评估.这些工作从不同侧面、在不同程度上评价了配电网的技术水平,但缺乏整体性评价,对电网建设的直接指导性不强.综合评价的基本思路:明确综合评价的目的;确定可能的规划方案;分析影响规划方案优劣的因素,建立综合评价指标体系;确定评价指标;建立综合评价模型;对方案进行排序,分析结果并提出推荐方案.

综合决策理论为规划方案的决策提供了一种新的思路和方法.文献[2]提出了电网规划综合评判决策方法,但主要侧重于对现状电网进行评价,缺乏对规划电网和规划方案的评估,仍不能有效解决电网近期规划与建设项目的实际问题;文献[3]运用层次分析法(AHP)建立了配电网规划后评估指标体系,目的在于为日后的配电网规划后评估工作提供科学合理和定量的分析依据;文献[4]展开了配电网规划后评估软件系统的研究与开发,这项工作对于信息化时代来说是十分有必要的;文献[5]基于节约的理念,构建了新形势下的综合评价配电网规划方案的指标体系,分别从配电网规划的安全性、效益、资金投入、资源消耗等4个方面形成评价指标体系,采用数据包络分析(DEA)模型进行综合评价,但该方法的输入、输出指标也并不是真正意义上的投入和产出指标;文献[6]探讨了运用层次分析法实现针对配电网建设改造方案的“后评估”和“预评估”2种评价方法,其建立的评估指标体系仅涉及技术合理性、安全可靠性和电能质量经济性,而且对电能质量经济性的指标明显考虑不足;文献[7]基于层次分析法构建了配电网可靠性评估指标体系,定义配电网可靠性供电的4个特征:负荷供应充足、供电连续不间断、停电影响范围控制合理和恢复供电及时,在此基础上,建立基层指标的评分标准和确定同级指标权重;文献[8]考虑到配电网规划方案综合评判指标之间的相互影响、相互制约关系,基于网络层次分析法(ANP)建立了配电网规划综合评判模型,不过,目前采用此方法的研究文献不多;文献[1]分别基于模糊函数建立了配电网规划方案评价方法和项目后完成质量评价方法,其中,配电网规划方案评价指标体系考虑了经济性、安全可靠性、社会性、适应性和技术性5个一级指标,该指标体系中,经济性只考虑到费用,而且将安全性和可靠性合并为安全可靠性,虽增加了社会性,但不完整,并附加了技术性.其实,技术性指标决策者对此不需要过分关注,因为现在的电网设计理论与实际技术都比较成熟.文献[9]提出了计及抗灾能力和地区特点的配电网规划方案综合评估方法,增加了与配电网抗灾能力相关的指标,分析了地区特点对指标权重的影响,其经济性指标可只考虑成本,采用的方法也是已经在电力系统得到广泛应用的AHP方法.

由上可见,专家学者们从不同角度提出了各种评价指标体系,但有些体系仍不完整,而有些体系又显得累赘,有的具体指标不具有共性,且界定也不很清晰.目前,在配电网规划方案综合决策中用的方法主要有层次分析法、模糊综合评判法和数据包络分析法等,也有学者基于系统动力学对配电网规划评价展开研究,但该方法不能给出一个最后的整体得分和量化的对比与评价[10].不同的方法突出的重点信息不同,其中,AHP法以其具有的实用性、系统性和简洁性的特点,成为综合决策最基础的方法之一.

1 传统方法与现代方法

配电网规划工作是一项复杂的系统工程,它不仅需要大量的历史数据,还需要对发展现状进行深入的分析,更需要对未来发展情况有比较全面的了解.一直以来,由于规划基础数据的不足、规划技术手段缺乏以及发展的不确定性等因素,使得规划成为一个复杂困难的事情.但笔者认为,最为重要的首先是理念和指导思想的问题,也就是配电网规划的导则和准则问题.其次,是采用传统方式进行规划还是采用现代方式进行规划的问题.该文旨在形成基于可靠性的配电网规划评估方法,故首先要求对这种现代方法进行深刻的认识,明确其与传统方法的区别和联系.

传统规划方案评价首先是基于技术上的考虑,把可靠性等技术指标作为必须要满足的检验条件,在此基础上再选取投资费用最少者作为最优方案.这种传统的评价思路没有对可靠性等技术指标进行量化,并且较少考虑后期的运营维护成本,因此,无法实现规划方案的经济和可靠性的协调.

文献[11]指出:中国目前广泛采用的传统配电网规划方法主要靠既定的技术标准/准则和经验来定性地满足供电可靠性的要求,为了提高中国的供电可靠性,必须充分了解当前世界上先进的现代配电网规划理念.因此,以美国H.Lee.Wills所著的《配电系统规划参考手册》为范本,系统地展示了现代配电网规划的理念和技术,论述了“基于可靠性的配电网规划”的思路和方法.该系列讲座重点讲述了2个问题:①如何在投资尽可能低或在给定投资额的条件下,在规划阶段获得尽可能高可靠性;②如何在给定的可靠性目标下,尽可能减少投资.所以,可靠性条件下的配电网规划不仅要求供电部门使电网达到一定的供电可靠性水平,还必须进行相应的成本——效益分析.

现代可靠性导则和准则之一是以客户的供电可靠性为依据.现代可靠性导则和准则还必须考虑的另一个重要事项是费用,在这里,设定可靠性目标是关键,实际上是对基于可靠性的配电网规划提出更高的要求.另外,可靠性和经济性必须同时考虑,而且应该处理好两者的关系,实际上也就是回答了规划评估的主要目的,即为什么要进行评估的问题.笔者即研究在“基于可靠性的配电网规划”导则和准则下的规划评价体系.针对规划评估,应该考虑规划的特征——适应性(从长远角度考虑)和协调性(从整体角度考虑),还应该考虑规划的自动化专项程度(从智能电网的角度考虑)和社会可行性(从用户的角度考虑).

2 基于可靠性的配电网规划评估体系

评估体系涉及评估指标体系、评估指标、评估方法、评估过程和评估结果等,它是一个系统化的概念[12].

2.1 指标体系构建的指导思想和原则

指导思想:坚持以科学发展观为指导,贯彻国家法律法规、技术规范和节能环保政策,遵循电网发展规律,以满足客户需求为导向,以建设坚强智能电网为目标,提高配电网供电可靠率和供电质量,坚持配电网发展速度、质量和效益的协调统一,推动建成结构合理、安全可靠、经济环保、技术先进的现代化配电网,不断满足经济社会快速发展对用电的需求.

综合评价指标的选取是进行评价的基础和出发点.在建立配电网评价指标体系时,各指标的选取尽可能全面地反映配电网实际情况,不能遗漏任何一个重要指标,但也不要重复;另一方面也要考虑到数据采集的难度、计算量等实际情况.配电网规划评价指标体系的建立,除了要满足以上原则外,还要有其自身的特点:

1)要有先进的规划理念支撑,或者说要有明确的导则和准则;

2)相对于现状电网评价指标体系结构复杂、层次较多、底层指标设置较多的特点而言,规划电网评价指标体系更注重于从电网规划的特点出发,从整体上对电网进行评价,指标的设置要简洁;

3)电网规划评价指标体系的设置要与不同层级特点及负荷特性相适应.

2.2 指标体系构建的主要理论基础

1)基于可靠性的配电网规划方法.

在传统方式中,虽然可靠性是一项重要因素,但其本身并不是明确针对可靠性的.例如,“N-1”准则可以使电力系统的设计达到很高的供电可靠性,以至于大多数供电企业和电力系统规划人员都认为“N-1”准则是必要和充分的,即按此准则设计的电力系统在定义上是可靠的.但当设备负载率较高时,虽然“N-1”准则仍然是必要的,但其单独使用已不足以保证系统具有良好的供电质量,其原因是设备负载率与可靠性之间的关系远比人们传统上对它的理解和认识要复杂的多.所以需要一种直接针对可靠性问题的现代设计方法,即“基于可靠性的设计方法”[13].

基于可靠性的规划,即明确要解决可靠性问题,其中包括按具体的可靠性目标来设计电力系统,例如预期的SAIFI(系统年平均停电频率)为1.5次,预期的SAIDI(系统年平均停电时间)为120 min[11].可靠性是直接设定馈线和节点的平均、最差和最好的可靠性限值,还给出系统供电水平的一些容许裕度.另外,规划人员进行的负荷预测,不仅要预测峰荷需求,还要包括客户总量的估计,也就是说SAIDI和SAIFI及类似指标是基于客户数而不是基于负荷.因此,在指标体系设计中,不仅有系统的考量指标,还要有客户的考量指标.不同用户对供电可靠性的要求也不一样,因此,设定可靠性目标是一个很讲究的课题.在进行规划项目的评估前,首先要求规划方案做好可靠性预测评估.

2)可靠性经济性评估公式.

在满足可靠性的前提下,充分考虑经济性,做到投入和产出合理成为目前工作中的重点.也就是说,经济性评价是电网规划方案评价的重要组成部分.传统的电网建设项目的评估是将待评估的项目对电网安全性和可靠性的贡献放在首位,是从单个项目的角度进行的,并未以整个电网规划方案作为主体进行经济性的评价和分析.

关于其经济性评估,虽然有人推荐“净现值法”,但其计算起来比较麻烦,而实际上成本效益分析方法可以将电网规划的经济性和可靠性有效地结合起来,所以,该研究采用成本效益分析法.定义可靠性成本为使系统达到一定供电可靠性水平而需增加的投资成本(也包括运行成本);定义可靠性效益为达到一定供电可靠性水平而增加的效益或因此而减少的停电成本.应该注意,资金的价值与时间密切相关,在不同时间投入的资金及获得的效益,其价值也是不同的.

可靠性经济性评估公式可表示为

式中 G为在投产还贷期年最小收入;X为变动成本,在电网改造中包含线损成本和可靠性成本;C为电网建设项目投资;f为最小投资回报系数,也称资金成本.

3)全寿命周期成本管理(LCC)理论

以前规划仅进行投资估算统计,未进行投资分析及评价.即一般只是粗略地计算一下电网建设所需的各种设备的造价,然后根据对设备的总投资来比较不同方案的经济性.这种方法虽然简单直观,但既不科学也不合理.因为电网规划方案的经济性并非只与电网建设期的各种设备投资有关,还与电网建成运行后,电网的运行成本、电量的销售收入以及资金时间因素等有关系.

笔者强调以LCC(设备全寿命周期成本管理)为方案选优准则.LCC是目前较为前沿的建设成本管理理论,它的基本涵义就是在满足可靠性要求的基础上,使设备和系统在全寿命周期内拥有成本为最低的管理.其核心内容是对设备、项目或系统的LCC运行分析,并进行决策.

式中 CI为投入成本;CO为运行成本;CM为维护成本;CF为故障(停电)成本;CD为废弃(网损)成本.

LCC理论的引入,将使电力技术经济评价的内容更加丰富,眼光更加长远,给电网规划提供更好的评价平台.

2.3 配电网规划评价指标体系

根据评价指标体系的构建原则,结合配电网规划的特点和目的,基于可靠性的规划导则和准则,提出配电网规划评价指标体系的建立思路.

1)安全、可靠和经济是电网供电的基本要求.供电安全性一般从技术方面已经对相关参数加以论证和限制,规划中可以不再考虑.所以,应重点关注可靠性和经济性.

2)由于电网规划方案一般按照负荷预测水平确定,而负荷预测具有不确定性,因此规划电网在满足负荷当前需求的基础上,应该满足一定阶段内负荷增长的要求,也即“适应性”的要求;同时,考虑到电网的整体一致性,还需要电网之间的配合“协调性”,这是因为电网是一个密不可分的整体,高中压电网之间需要良好的配合,主配网的协调程度对配电网能否最大限度发挥其性能有着重要的作用[14].而且,供电水平和相应区域的用电负荷水平也要均衡,不然造成部分地区供电资源浪费或者供电能力不足,而这实际上是供方和需方之间的“协调性”.

3)随着社会经济的不断快速发展,进行电网改造,实现配电网自动化是势在必行.采用基于信息技术的配电网自动化系统将在很大程度上改善配电网络的运行状况,更好地实现资源的综合利用.建设配电网自动化系统,可以为实现智能电网奠定基础.虽然这项工作起步不久,但要先把规划工作做好.

4)该研究特别引出了“用户满意度”,以反映“社会性”和用户的“声音”,这是在以往研究不曾关注或考虑的.另外,将配电网规划纳入当地的整体发展规划中,加强与各级政府的沟通协调,争取政府政策支持也是配电网规划不可忽视的内容.这也是该指标体系的特色之处.

综合以上考虑,参照系统分析法和层次分析法的理论,建立了如表1所示的配电网规划评价指标体系.该指标体系由可靠性、经济性、适应性、协调性、自动化程度和用户满意程度6个一级指标和若干个二级指标组成.

表1 配电网规划评价指标体系Table 1 Evaluation index system of distribution network planning

2.4 评估指标说明

1)可靠性.针对一个时间区间内的电力供应稳定程度的评估指标.要综合考虑系统的可靠性和用户的可靠性.

2)经济性.不仅要对费用进行核算,而且也要分析投资在资金流动过程中带来的经济效益,即分析规划方案的盈利能力和清偿能力.

3)适应性.对电网适应负荷发展的能力进行评价,以便为后续发展留有余地.该研究强调以“裕度”概念为基础的评价指标,主要采用2个主要指标:容载比和负荷裕度.容载比是反映供电能力裕度的宏观指标,负荷裕度是反映配电网应对未来负荷增长的供电容量裕度.

4)协调性.表征高压与中压配电网的衔接与协调,区域内供电水平与用电负荷的均衡.完整地说,还应包括各电压等级之间的容量匹配度,而这在设计配电网时已经在相关技术原则中做了考虑,所以这里只关心两头的协调指标.

5)自动化.配电自动化主要涉及数据采集、系统运行监管和用户负荷监控等.

6)用户满意度.考虑到资源(如土地)、环境(如电磁、噪声)等因素附加的反映“社会性”和用户“心声”的指标.

限于篇幅,各二级指标的详细说明与计算方法见该文后续的“评估规范”.

2.5 评估过程

在评价指标设置阶段,主要根据不同层级完成评价指标的选择、指标评价判据和评分标准选择以及指标权重设定等任务.同一个评价指标在电网的不同发展阶段可能具有不同的评价判据和评分标准,要综合考虑电网的层级特点和负荷特性.指标权重反映同层指标之间的相互重要性,可采用专家群体决策的方法确定,并做归一化处理.

根据评价指标的具体情况,可将二级指标分为3类:成本型指标(指标值越小越好)、效益型指标(指标值越大越好)和固定值指标(指标值越靠近某一定值越好).一般须对评价指标做规范化处理,也可采取如下处理方法:通过一定的标度体系,将各种数据转换成可直接比较的规范化格式.这样操作起来比较方便.评分标度多采用百分制、十分制、五分制.考虑到百分制比较粗糙,五分制往往又不能表达问题,该文采用十分制.

关于权重的确定,一般来说,有主观赋权法和客观赋权法.前者主要基于评价人员的知识和经验来确定权重,得出的评价指标的重要程度一般比较符合人们的常识,但具有较大的主观性和随机性,从而会影响评价结果的准确性.这样,评价专家的选择很重要.后者根据各指标本身所提供的相关信息,按照一定的数学模型,通过计算确定各指标的权重,评价结果具有很强的数学理论依据,但却会忽视评价人员的常识和经验,有时得到的指标权重可能与实际的重要程度不相符合.笔者认为,指标个数不多时,其权重可由专家直接确定.

在具体规划评价阶段,首先确定规划评价基础数据的评分标准,得到每个指标的十分制评分,然后分别进行单项指标评价和综合评价.单项指标评分从不同角度反映了电网的具体情况,但是不足以说明电网的整体情况.利用AHP逐层向上计算,直到计算出整个电网的综合评分.计算公式为

式中 S(k+1)为层次结构中第k+1层某属性的评分;n为k层的子属性个数为k层子属性j的评分k层子属性j的权重.

综合评分越高,说明电网方案的整体情况越好.对不同规划方案的评价结果进行对比,以衡量规划方案的优劣.另外,还可以针对不同阶段(现状、规划中间年、规划目标年),将相应的规划方案数据导入评价指标体系,完成各阶段的规划评价.

3 结语

基于可靠性的配电网规划是一种以定量的性能指标为目标的规划方法,要求首先对这一现代方法的理念、思路和其中隐含的导则和准则有深刻的认识.笔者从系统的角度出发,建立了全新的综合评价指标体系,排除了以往规划中只考虑经济性或者可靠性的思维模式.另外,在指标体系中考虑的因素——适应性和协调性体现了规划的特征,首次正式把自动化纳入规划评估指标,尤其是增加了反映“以人为本”的科学发展观的“用户满意程度”指标.该指标体系具有普遍适用性和对不同层级电网的具体针对性.总之,笔者提出的基于可靠性的配电网评估方法简便、实用,定量的综合评价结果为规划管理者提供了客观的评价依据,对规划工作具有明确的指导意义.

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