基于可靠性边际效益的中压配电网项目优选

周晓敏，张全，杨卫红，刘洪，王旭阳，崔文婷

（1.智能电网教育部重点实验室（天津大学），天津 300072；2.国家电网公司，北京 100031；3.国网北京经济技术研究院，北京 102209）

基于可靠性边际效益的中压配电网项目优选

周晓敏1，张全2，杨卫红3，刘洪1，王旭阳3，崔文婷1

（1.智能电网教育部重点实验室（天津大学），天津 300072；2.国家电网公司，北京 100031；3.国网北京经济技术研究院，北京 102209）

针对有限投资能力下的中压配电网项目优化决策困难问题，提出了基于可靠性提升效益的实用化项目优选方法。首先，构建了配电网项目的优选框架用于描述优化决策的整体思路；其次，提出了基于影响指标体系的可靠性计算方法，以测算各指标对可靠性提升的边际效益；继而，依据指标边际效益确定指标权重分布，克服指标权重确定主观性强的问题，并结合中压配电网项目与指标的对应关系分析，计算各项目对可靠性的提升效益；最后，综合考虑项目对可靠性的提升效益和项目投资额计算项目综合决策值，并结合总体投资限额确定出优选项目。实例分析结果验证了该方法的有效性和实用性。

配电网；项目优选；边际效益

配电网作为面向终端用户的重要部分，其建设和发展关系到每一个用户的用电质量。近年来，电网公司持续加大力度投入到配电网建设和改造中，但投资能力不足和投资缺乏针对性的问题逐渐显现。因此，有必要深入研究针对中压配电网项目的优选方法，以提高配电网投资的有效性，避免盲目投资和重复建设。

早期的配电网项目优选主要是出于对经济性和技术性方面的考量建立综合评价体系。文献[1-4]利用层次分析法对项目进行评价优选，主要体现的是专家经验在此过程中价值。文献[5-6]将模糊综合判决应用于项目规划中，有效处理了评价过程中的不确定性问题。但以上评价优选方法对经验的依赖程度较高，评价过程主观性强，缺乏一套科学客观的优选方法。

近期也有部分文献主要从可靠性的角度对配电网规划及建设改造进行评价和指导。文献[7]利用各变电站负载率的方差来衡量网络协调程度，作为排序依据，主要考虑的是项目对于增供电量的影响。文献[8]利用考虑停电损失的全寿命周期成本分析，实现了配电网网架规划项目的优选问题。以上研究主要是以增供电量、停电损失成本等指标作为参照，缺乏项目对可靠性提升效益的量化分析。文献[9]将传统的可靠性评估用于指导配电网规划，但由于单个项目对整个配电网可靠性的提升幅度较小，因此该方法应用于单个项目的难度很高。加之各项目在实施时所对应的电网情况均有差异，若在评估每个项目时都计算一次全网的可靠性，工作量极大，实用性和可操作性较差。因此，需要找到一套有效的方法合理地反映项目实施对配电网可靠性的提升效益，并作为项目优选的客观依据。

鉴于上述分析，本文一方面将可靠性纳入中压配电网项目优选方法中，以单个中压配电网项目对可靠性的提升效益作为项目优选依据，体现出可靠性提升在配电网建设发展中的重要性；另一方面通过分析可靠性影响指标对可靠性的提升边际效益来确定指标权重分布，避免权重确定主观性强的问题：最终构建出一套基于可靠性提升边际效益的中压配电网实用化项目优选方法，提高中压配电网建设改造优化决策的科学合理程度，并提高配电网投资有效性。

1 中压配电网项目优选方法框架

本文综合考虑经济性和可靠性计算综合决策值，以此作为待选项目排序进入优选项目库的依据。由于单个项目对整个配电网可靠性的提升幅度较小，传统的可靠性评估在计算单个配电网项目对可靠性的提升效益时缺乏实用性，因此，需要通过可靠性影响指标来建立配电网项目与可靠性之间的量化关系，并进一步分解为影响指标与可靠性的对应关系及配电网项目与影响指标的对应关系。其中，前者由指标权重来反映，权重的确定需要通过分析指标与可靠率的量化关系，求出指标对可靠性提升的边际效益；后者由单个配电网项目对影响指标的改善关系来反映。具体优选流程如图1所示。

2 可靠性影响指标及其边际效益分析

2.1 可靠性影响指标体系

通过从故障停电次数、时间、范围的角度分析影响中压配电网供电可靠性的因素，提炼出配电网供电可靠性的影响指标。影响因素可归为网络结构、装备技术、自动化水平和负荷供应[10]4类，建立中压配电网供电可靠性的影响指标体系如表1所示。

图1 中压配电网项目优选排序流程Fig.1 Optimization Process of mid-voltage distribution network projects

表1 中压配电网供电可靠性影响因素与影响指标Tab.1 The influencing factors and indexes of reliability in mid-voltage distribution networks

2.2 影响指标与配电网供电可靠性的量化关系

本文采用供电可靠率（RS-3）作为可靠性指标，定义为不计及因系统电源不足而限电的情况下，实际供电时间与统计期内全部用电时间的百分数，计算公式为

式中：K为供电可靠率；n为总用户数；T为统计期间总时间；F为统计期间停电次数；Ti为第i次停电每户停电持续时间；ni为第i次停电用户数。

2.2.1 故障停电频率

故障停电的原因多为电气元件故障，包括线路（电缆、架空线）、开关设备和配变，在进行可靠性计算时不计及具有相关性的多重故障。考虑元件故障率随使用年限的变化情况[11]，建立电气元件使用年限指标与元件故障率的关系为

式中：f1是设备使用年限较短时的年平均故障率；f2是设备使用年限较长时的年平均故障率。计算时，架空线、电缆、配变、开关取相应数值代入。

2.2.2 故障停电时间

首先对一些表征不同负荷点停电时间类型及长度的概念加以说明。各类型故障时间的构成及计算方法如表2所示。

表2 中压配电网故障相关停电时间参量组成Tab.2 The components of the different Interruption duration in mid-voltage distribution networks

当故障点被配电自动化二遥覆盖，故障定位时间为自动装置定位故障的时间tloc1，否则，故障定位时间为手动排查故障的时间tloc2。当故障点被配电自动化三遥覆盖，故障隔离（负荷转带、恢复供电）时间为自动装置动作时间，否则，故障隔离（负荷转带、恢复供电）时间为手动动作时间。配变、电缆线路、架空线路及开关修复时间分别为tftr、tflc、tflo、tfc。

2.2.3 故障停电范围

1）架空联络：多分段单联络架空网结构如图2所示。

①馈线故障停电时户数计算公式为

图2 多分段单联络架空网结构示意图Fig.2 Structure schematic diagram of multi-segment single-tie mode of overhead line

式中：第一部分为馈线F1第1至第N1个馈线段各段故障对该段内负荷造成的停电影响；第二部分为馈线F1第2至第N1个馈线段故障对该段上游负荷段内负荷造成的停电影响；第三部分为馈线F1第1至第N1-1个馈线段故障对该段下游负荷段内负荷造成的停电影响；nj为馈线段j内用户数；λi为馈线F1馈线段i的年平均故障率，计算方法为

式中，li为馈线段i的线路总长度。

②当不考虑馈线段内熔断器时，配变故障停电时户数的计算公式为

式中，λtri为馈线段i所接配变年平均故障率。

③如图2所示开关S2～SN1中某一开关故障时，故障开关所连的两段馈线均会停电，待故障修复后恢复供电。断路器S1故障，仅馈线段1被隔离，下游馈线段2～N1的负荷均可被转带。当联络开关故障时，相连2条线路末端馈线全部失电，则开关故障停电时户数的计算公式为

式中：N2为馈线F1的开关设备总数，架空网络中N2等于N1；λc0为该馈线所接联络开关的年平均故障率。下文中各字母含义均与架空联络网中相同。

①饮食清淡,忌辛辣次惊性食物,多食新鲜蔬菜。水果。②注意点眼卫生:点眼钱用肥皂洗净双手,仰卧位,辦开下眼睑,药品口距结膜囊1-2CM,向结膜囊内滴入1-2滴眼液,连续点两种或以上眼药时,需要间隔3-5分钟,禁止将眼药点健眼,或者让家人使用,尤其含激素的眼药不能随意点,按医生要求执行和停用。每日正常洗脸,注意用眼卫生,单独使用一张毛巾,每周用开水煮沸消毒一次,勿揉眼睛,勿让脏物或脏水进入眼内。③活动与休息:避免过度用眼,禁止剧烈运动,如:跳、跑、抬、举④部分患者涉及戴镜或弱视训练,请复查时严格遵医师指使执行。⑤按照医师指定的时间内复查。

2）电缆联络：多分段单联络电缆线路接线模式如图3所示。

①馈线故障时停电时户数为

图3 多分段单联络电缆结构示意图Fig.3 Structure schematic diagram of multi-segment single-tie mode of cable

②配变故障停电时户数计算公式为

③电缆线路开关设备数是线路分段数的2倍，需要判断开关故障属于哪一分段。开关设备故障停电时户数为

2.2.4 中压配电网元件故障停电时户数计算

考虑到联络率对故障停电时户数的影响，其计算公式可表示为

式中：Kbu为负荷不可转供时故障时户数；Kba为负荷可转供时故障时户数；Z为负荷转供率，定义为有联络且可以通过中压线路“N-1”校验的馈线比例：

考虑到电缆和架空线路接线结构的不同时，户数计算结果可与指标电缆化率建立关系为

式中，Ko、Kc分别为架空线路和电缆故障时户数计算结果。

2.2.5 高压配电网故障对停电时户数计算的影响

高压配电网中元件故障会导致主变所带中压馈线部分失电，主变故障后，所带负荷可通过站内转供恢复供电，所需时间较短；负载率较高时，部分负荷需通过站间联络恢复供电，剩余不能转供负荷需在故障修复后恢复供电。停电时户数计算结果为

式中：Tntr，Tetr分别为站内、站间转供时间；Tftr为主变故障修复时间；Nn、Ne、Nf为站内、站间、无法转供负荷占比。

高压配电网接线结构较为简单，线路故障时只需考虑该线路所连变电站的失电情况即可。

2.3 影响指标边际效益计算方法

通过第2.2节中详细分析影响指标与可靠性定量关系，可以得到各影响指标对可靠性提升的边际效益，建立影响指标与可靠性的对应关系。边际效益[13-15]的定义为因增加了一个单位该指标而获得的可靠性提升的效益，指标B的边际效益M（B）计算公式为

式中：K为供电可靠率；B为某一影响指标。

根据边际效益测算方法，选取实际中配电网相关数据的现状值作为边界条件，可以得到影响指标边际效益的变化趋势，这里选取一些典型情况加以分析。

1）中压线路平均分段数：图4为中压线路平均分段数边际效益曲线。由图4可知，平均分段数较少时，其边际效益为正，增加线路平均分段数可以提升系统的可靠性；分段数较大时，开关数量急剧增多，边际效益小于0，增加线路分段不利于系统可靠性的提升。综合来看，平均分段数应取3～4段为宜，在这个范围内可靠性相对较高，分段数太少时可靠性差，分段过多时对反而对可靠性提升不利。

图4 中压线路平均分段数的边际效益曲线Fig.4 Marginal benefit curve of the average number of segments of mid-voltage lines

2）中压线路联络率：图5为中压线路联络率的边际效益曲线。中压线路联络率边际效益大于0，对可靠性有提升作用。但联络率越高，联络开关越多，由开关故障引起的停电时户数就越大，因此中压线路联络率边际效益是逐渐减小的。

图5 中压线路联络率的边际效益曲线Fig.5 Marginal benefit curve of the percentage of lines with tie

3 基于可靠性提升边际效益的中压配电网项目优选方法

3.1 基于可靠性提升边际效益的指标权重确定方法

影响指标边际效益反映了指标对可靠性提升的重要程度。边际效益越大，说明该指标对可靠性提升越有利，相应的，对配电网项目进行综合评价时，该指标的权重也应越大。基于边际效益来确定指标权重，可以客观反映指标与可靠性的关系，由边际效益确定指标权重的方法为

式中：I为影响指标集；mj为影响指标j的边际效益；wj为影响指标j的权重。

3.2 项目对影响指标的提升作用

依据项目预期实施成效分析，得到配电网单个项目实施后对各项配电网可靠性影响指标的定量改善程度。

在考察各项目对影响指标的提升作用时，由于各指标的量纲不同，变化范围也不同，为了进行合理比较，需对提升量进行归一化处理。

为了使项目实施前后各影响指标的差额可以客观反映项目实施效果，又可以在不同的指标之间形成统一的量纲和标准，把“单个项目对影响指标的定量改善程度值”[16]定义为项目实施后影响指标改善程度占该指标可改善空间的百分比，相应的计算公式为

3.3 配电网建设项目优选方法

基于第3.3节中建立的影响指标与可靠性的关系和第3.2节中项目与影响指标的关系，可以得出项目对可靠性的提升效益，结合该提升效益与项目投资额C[17]得到项目综合排序决策值F。

式中：wi为影响指标权重；yi为项目实施后指标定量改善程度值。依据综合排序决策值，对待优选的项目进行排序，得到考虑可靠性提升效益的项目综合排序。基于排序结果，以总体投资限额为约束，即可确定出进入优选项目库的项目。

4 实例分析

以A市内的电网实际数据为基础，以该地区待实施项目为例，开展配电网项目优选排序。

4.1 基于边际效益的影响指标权重确定结果

根据A市内实际电网数据、影响指标现状值及第2章中边际效益方法可以求出影响指标边际效益，由式（15）求出影响指标权重，结果如表3所示。

表3 中压配电网影响指标现状值及权重Tab.3 The value and weight of evaluation indexes in mid-voltage distribution networks

4.2 项目对影响指标提升作用定量关系

选取A地区待实施的21个项目，将这些项目进行优选排序，以验证本文所提方法的有效性。表4列出了这些中压配电网项目及其对影响指标改善程度。利用式（16）计算单个项目对影响指标的定量改善程度值，进一步求出综合排序决策值，最后依据综合排序决策值对各项目的优选排序。表5给出了这些项目的综合排序决策值计算结果。

4.3 配电网项目优选排序

共上报21个项目，投资限额为860万元。计算这些项目的综合排序决策值，依据综合排序决策值的大小对各项目的优选排序，并结合投资限额的大小，选定其中16个项目进入优选项目库。

表4 中压配电网部分项目对影响指标的提升作用Tab.4 Correlations between projects and influencing indexes in some projects

表5 部分项目综合排序决策值Tab.5 Sorting decision values of some projects

5 结语

本文提出了一种基于对配电网可靠性提升效益的项目优选排序方法。通过电网实际数据测算出影响指标对可靠性提升的边际效益，从而客观地确定了影响指标权重。之后考虑各项目与影响指标的对应关系，计算各项目对可靠性的提升效益，结合考虑项目经济.性得到优选排序结果，确定优选项目。该研究可以用于指导项目建设的优先级问题，实现在有限投资规模下优选出满足配电网发展最迫切需求的规划项目，提高配电网投资的有效性，指导电网公司合理优选排序形成最优规划建设项目储备方案。

[1]李晓辉，张来，李小宇，等.基于层次分析法的现状电网评估方法研究[J].电力系统保护与控制，2008，36（14）：57-61.LI Xiaohui，ZHANG Lai，LI Xiaoyu，et a1.Research on the evaluation method of the present situation of powergrid based on analytic hierarchy process[J].Power System Protection and Control，2008，36（14）： 57-61（in Chinese）.

[2] 赵蕾，苟秦晋，潘聃，等.配电网项目评价指标体系[J].电网与清洁能源，2014，30（6）：19-23.ZHAO Lei，GOU Qinjin，PAN Ran，et al.Evaluation index system of distribution power project[J].Power System and Clean Energy，2014，30（6）：19-23（in Chinese）.

[3]曹阳，孟晗辉，赵力，等.基于层次分析法的新农村低压配电网综合评估方法[J].电网技术，2007，31（8）：68-72.CAO Yang，MENG Hanhui，ZHAO Li，et al．A comprehensive evaluation method of new rural low-voltage distribution networks based on analytic hierarchy process[J]．Power System Technology，2007，31（8）：68-72（in Chinese）．

[4]徐志勇，张徐东，曾鸣，等.基于ANP的多层次模糊综合评价法的电网建设项目后评价研究[J].华东电力，2009，37（3）：488-491.XU Zhiyong，ZHANG Xudong，ZENG Ming，et a1.Application of AHP-based multilevel fuzzy comprehensive evaluation methods to post-evaluation for grid construction projects[J].East China Electric Power，2009，37（3）：488-491（in Chinese）.

[5]高赐威，程浩忠，王旭.盲信息的模糊评价模型在电网规划中的应用[J].中国电机工程学报，2004，24（9）：24-29.GAO Ciwei，CHENG Haozhong，WANG Xu．Application of fuzzy evaluation model of blind information in power network planning[J].Proceedings of the CSEE，2004，24（9）：24-29（in Chinese）.

[6]陈大宇，肖峻，王成山.基于模糊层次分析法的城市电网规划决策综合评判[J].电力系统及其自动化学报，2003，24（9）：83-88.CHEN Dayu，XIAO Jun，WANG Chengshan，et al.A FAHP-based madm method in urban power system planning[J].Proceedings of the CSU-EPSA，2003，24（9）：83-88（in Chinese）.

[7]黎灿兵，傅美平，梁锦照，等.基于网络协调程度评估的电网建设项目优化排序方法[J].电力系统保护与控制，2010，38（17）：112-115.LI Canbing，FU Meiping，LIANG Jinzhao，et al，Optimization sequencing for grid construction projects based on evaluation of network coordination[J].Power System Protection and Control，2010，38（17）：112-120（in Chinese）.

[8]苏海锋，张建华，梁志瑞，等.基于LCC和改进粒子群算法的配电网多阶段网架规划优化[J].中国电机工程学报，2013，33（4）：118-125.SU Haifeng，ZHANG Jianhua，LIANG Zhirui，et al.Power distribution network multi-stage planning optimization based on LCC and improved PSO[J].Proceedings of the CSEE，2013，33（4）：118-125（in Chinese）.

[9]李历波，王玉瑾，王主丁，等.规划态中压配网供电可靠性评估模型[J].电力系统及其自动化学报，2011，23（3）：84-88.LI Libo，WANG Yujin，WANG Zhuding，et al.Two reliability evaluation models for medium voltage distribution network[J].Proceedings of the CSU-EPSA，2011，23（3）：84-88（in Chinese）.

[10]黄志伟，葛少云，罗俊平，等.城市配电网发展策略探讨[J].电力系统及其自动化学报，2011，23（6）：111-115.HUANG Zhiwei， GE Shaoyun， LUO Junping， et a1.Discussion on development strategy of urban distribution networks[J]．Proceedings of the CSU-EPSA，2011，23（6）：111-115（in Chinese）.

[11]鹿鸣明.油浸式变压器故障率模型及故障诊断研究[D].杭州：浙江大学，2014.

[12]林济铿，王旭东，郑卫洪，等.基于网络化简的计及开关故障配电网可靠性评估[J].电力系统自动化，2010，34（4）：38-43.LIN Jikeng，WANG Xudong，ZHENG Weihong，et al.Distribution network reliability evaluation based on network simplification and switching fault analysIs[J].Automation of Electric Power，2010，34（4）：38-43（in Chinese）.

[13]孙强，傅旭华，王林钰，等.智能配用电系统综合效益分析模型研究[J].电网与清洁能源，2016，32（5）：40-46.SUN Qiang，FU Xuhua，WANG Linyu，et a1.Study on comprehensive benefit analysis model of smart distribution and utilization system[J].Power System and Clean Energy，2016，32（5）：40-46（in Chinese）.

[14]王金娟，刘宗岐.基于IEAR缺电成本计算的电力网可靠性效益分析[J].科技情报开发与经济，2012，22（23）：145-147.WANG Jinjuan，LIU Zongqi.Power grid's reliability benefit analysis based on IEAR[J].SciTech Information Development&Economy，2012，22（23）：145-147（in Chinese）.

[15]李子韵，陈楷，龙禹，等.可靠性成本/效益精益化方法在配电网规划中的应用[J].电力系统自动化，2012，36（11）：97-101.LI Ziyun，CHEN Kai，LONG Yu，et al.A precision method for reliability cost and benefit analysis and its application in distribution network planning[J].Automation of Electric Power System，2012，36 （11）：97-101（in Chinese）.

[16]郭亚军，易平涛.线性无量纲化方法的性质分析[J].统计研究，2008，25（2）：93-100.GUO Yajun，YI Pingtao.Character analysis of linear dimensionleSS methods[J].Statistical Research，2008，25（2）：93-100（in Chinese）.

[17]崔文婷，刘洪，杨卫红，等.配电网投资分配及项目优选研究[J].中国电力，2015，48（11）：149-154.CUI Wenting，LIU Hong，YANG Weihong，et al.Study on distribution network investment allocation and project selection optimization[J].Electric Power，2015，48（11）：149-154（in Chinese）.

（编辑 冯露）

Mid-Voltage Distribution Network Project Optimization Based on Marginal Revenues of Reliability

ZHOU Xiaomin1，ZHANG Quan2，YANG Weihong3，LIU Hong1，WANG Xuyang3，CUI Wenting1
（1.Key Laboratory of Smart Grid of Ministry of Education（Tianjin University），Tianjin 300072，China；2.State Grid Corporation of China，Beijing 100031，China；3.State Grid Electric Power Economic Research Institute，Beijing 102209，China）

Faced with the gap appeared between ability and demand of investment，the sequence of projects under limited investment has become the focus of power grid companies’attention.To optimize the sequence the projects in medium voltage distribution network under limited investment，the paper proposes a method of distribution network project optimal selection based on the revenues of reliability.Firstly，the distribution network project optimization processing is proposed.Secondly，a system of evaluating indexes is built.The marginal revenues of indexes are calculated based on reliability analysis.The weight of indexes are determined with marginal revenues，which can avoid subjectivity in the process.Correspondence between projects and evaluating indexes is obtained，and reliability revenues of projects are calculated.Finally，the project optimal selection is made by combining the size of the investment and reliability revenues of the project.The case study demonstrates the effectiveness and practicability of the proposed method.

distribution network；project optimal selection；marginal revenues

2016-08-24。

周晓敏（1992—），女，硕士，主要研究方向为城市电网规划、评估；

张 全（1971—），男，硕士，高级工程师，主要研究方向为电力系统自动化及投资管理；

杨卫红（1972—），女，博士，高级工程师，主要研究方向为配电网规划、技术经济分析；

刘 洪（1979—），男，通信作者，博士，副教授，主要研究方向为城市电网规划、评估；

王旭阳（1987—），男，硕士，工程师，主要研究方向为配电网规划；

崔文婷（1986—），女，硕士，主要研究方向为城市电网规划、评估。

1674-3814（2017）05-0024-07

TM715

A

国家自然科学基金项目（51477116）；国家电网公司总部科技项目：面向可靠性的配电网规划项目投资评价分析与优选排序关键技术研究。

Project Supported by the National Natural Science Foundation of China（NSFC）（51477116）；Science and Technology Program of State Grid Corporation of China（headquaters）：Study on Investment Assessment and Optimization of Distribution Network Planning Project based on Reliability.