考虑负荷时空特性的配电系统运行效率评价方法

黄存强，赵雪，刘兴文，安娟，程文俊，张桂红

(国网青海省电力公司经济技术研究院，西宁810008)

0 引言

配电系统作为直接面向终端用户的环节，其投资规模在电网总投资中占有很大比重[1 - 5]。随着国家经济增速趋于平稳，配电系统投资未来也将朝着精益化的方向发展。因此，如何在保证供电质量的基础上改善配电系统运行效率，对提高资产利用水平、节约投资费用有重大意义[6 - 7]，故研究科学合理的配电网运行效率评价方法已成为国内外各领域所关注的焦点。

当前对配电系统运行效率的研究主要分为两类，一类是站在配电系统的角度，结合配电系统综合评价体系[8 - 11]中的评价指标和各类权重赋值方法对系统运行效率进行评价[12 - 14]。文献[12]综合考虑设施指标和设备指标，基于相关性分析方法提出了一种高压配电网运行效率评价方法，可以对各评价指标之间的相关关系进行量化。文献[13]从供电可靠性、网络结构、负荷特性、负荷供应能力和电网建设裕度等配电网影响因素出发提出了一种基于灰色关联阈值变权方法的配电网设备利用率综合评价方法，避免了指标关联造成的影响。文献[14]从电网运行效率和投资效益两个角度出发，提出了计及新能源接入的省级电网效率效益评估方法，解决了复杂大电网的效率效益评估问题。文献[15]提出了一种电网设备运行效率的3阶段评估方法，先应用规模报酬可变的数据包络分析模型获得投入松弛量，再利用环境变量回归拟合松弛量后对投入变量作修正，最后将修正后的投入变量代入数据包络分析模型作效率评估。该类方法虽然可以全面地展示出不同影响因素对于配电系统运行效率的影响，但是所选指标对运行效率的贡献程度难以直接衡量，从而导致指标对应的权重缺少科学合理的依据。

另一类是从设备出发，基于设备利用率的概念对配电系统运行效率进行评价[16 - 19]。文献[16]在设备考虑设备实际运行年限的基础上，提出了一种考虑全寿命周期的电气设备利用率评价方法。文献[17]考虑供电安全性、负荷特性、负荷发展等影响因素，提出了配电网设备利用率评价标准及相应的提升措施。文献[18]提出了一种基于负荷持续曲线的系统运行效率评价模型，并在此基础上完善了系统运行效率和系统协调度的计算方法。文献[19]对在全寿命周期下配电网设备负荷率、负载率和预期寿命的合理值进行分析，并在此基础上确定配电网设备全寿命周期利用率的合理范围。该类方法是按照设备到系统的维度层层递进，挖掘影响系统运行效率的内在机理，对于配电系统规划运行具有很强的指导意义。

然而，当前设备利用率评价方法更多关注于用户供电可靠性和负荷时间特性，对于用户电压质量和负荷空间分布的考虑有待完善；此外，当前研究尚未构建起由单个设备到配电系统的评价指标体系。

针对上述问题，首先从设备实际负载水平与合理负载能力的角度出发，明确阐述配电设备运行效率的定义，并考虑单个设备、单层设备以及配电系统3个维度构建系统运行效率评价指标体系；其次，对供电质量、网络结构以及负荷时空特性等影响因素进行分析，完善配电设备合理负载率的分析思路；最后，在上述影响因素分析的基础上提出配电设备合理负载率计算方法，并以10 kV配电线路为例进行展示。

1 配电系统运行效率定义及评价指标体系

现有研究对于效率的定义是评价使用有限资源以满足人类意愿的程度。对于配电系统来说，利用有限资源的程度对应系统供给的负荷总量；人类的意愿则是希望配电系统安全可靠、优质高效的供电，对应系统合理负载能力。所以配电系统运行效率是系统的实际负载水平与合理负载能力的比值。

对于配电系统运行效率的评价分为3个层次，分别是单个设备、单层设备以及整个系统，本文将从这3个层次出发构建配电系统运行效率评价指标体系。

1.1 单个设备

对于单个设备利用率的评价包括时间断面和时间周期两个方面。其中对于时间断面的评价一般选取设备峰值负荷时刻，对于时间周期的评价则需面向设备整个评价周期，相应的计算方法如式(1)所示。

(1)

式中：fji为在时间断面上第j个层级的第i个设备的利用率；mji为第j个层级的第i个设备在峰值时刻的实际负载率；mRD,j为第j个层级设备在时间断面的合理负载率。

(2)

式中：fji,avt为在时间周期第j个层级的第i个设备的利用率；t为运行效率评价的时间周期，通常取1年，8 760 h；mji,t为第j个层级的第i个设备在t时刻的实际负载率；mRDt,j为第j个层级设备在时间周期t的合理负载率。

1.2 单层设备

对于单层设备运行效率的评价需要在考虑时间的基础上增加设备数量的影响。基于数理统计的原理，为了全面衡量一组数据的整体情况，既要计及数据的平均水平，又要涵盖数据的离散程度，从而归纳出单层设备运行效率平均值和均衡度两个指标。

需要注意的是，由于同类设备在运行过程中供给的负荷通常存在差异，负荷特性的峰值时刻不尽相同，且各设备之间很可能不存在联络关系，运行相对独立，所以对于单层设备来说，评价时间断面意义很小。

此外，各设备由于投资成本不尽相同，对运行效率平均值的影响程度也应存在差异。本文用设备造价的高低衡量各设备在运行效率平均值中的权重，对于线路来说，其造价主要由型号和长度决定；对于变压器来说，其造价主要由型号和容量决定。单层设备运行效率评价指标的计算如式(3)所示。

(3)

(4)

式中FA为单层设备运行效率均衡度。

1.3 配电系统

配电系统是由多个层级的配电设备构成的，主要包括110/35 kV配电线路、110/35 kV主变、10 kV配电线路以及10 kV配变。与单层设备的评价方式类似，该评价也需要包括数据的平均水平和离散程度2个方面，从而归纳出配电系统运行效率平均值和协调度2个指标。

(5)

式中：fp,avt为配电系统运行效率平均值；ωj为第j个层级的运行效率权重，即第j个层级设备的总造价占配电系统所有设备总造价百分比。

(6)

式中FB为配电系统运行效率协调度。

配电系统运行效率评价指标体系如图1所示。

图1 配电系统运行效率评价指标体系Fig.1 Evaluation index system of distribution system operating efficiency

2 配电设备合理负载率影响因素分析

2.1 配电设备合理负载率影响因素

从配电网规划的角度分析，设备合理运行水平既要在当前负荷时空特性的基础上满足用户用电需求，也要考虑新增设备的规划建设周期，为未来负荷发展留出裕度。所以配电设备合理负载率主要影响因素包括供电质量、网络结构、负荷密度、负荷特性和负荷发展5个方面。配电系统运行效率影响因素如图2所示。

图2 配电系统运行效率影响因素Fig.2 Influence factors on the operating efficiency of distribution system

由于供电质量包括供电可靠与电压质量两个要素，分别可以结合网络结构和负荷密度进行分析，最终得出合理负载率分析的4个维度：1)供电可靠与网络结构；2)电压质量与负荷密度；3)负荷特性；4)负荷发展。

2.2 供电可靠和网络结构影响分析

配电网对所供电能的可靠性可以通过“N-x”安全准则来评价和衡量，当前最常用的依然是“N-1”安全准则[20]，即在正常运行方式下，电力系统N个元件中任一独立元件因故障而被切除后，系统依然能保持稳定运行和正常供电且其他元件不会有过负荷的风险发生。但是如果没有配电设备的网络结构支撑，单独考虑供电可靠性是没有实际意义的。配电设备的网络结构可以通过其联络对象数体现。设备的联络对象数越多，发生故障后负荷可能的转供途径越多，在正常运行时所带的负荷就越大，设备合理负载率越大。通过分析不同类型设备的联络对象数，就可以得到该设备考虑供电可靠和网架结构影响的配电设备合理负载率mRA。本文以10 kV配电线路为例进行展示。

由表1可以看出，随着联络对象数量的增加，合理负载率数值逐渐上升。这是因为联络对象数量反映的是其他设备对该设备的支撑作用，发生故障后提供支撑的转供路径越多，该设备可供给的负荷量越大。

表1 10 kV配电线路考虑供电可靠性的合理负载能力Tab.1 Reasonable load capacity of 10 kV distribution line considering power supply reliability

2.3 电压质量和负荷密度影响分析

站在用户需求的角度，配电网对用户供电不仅要保证所供电能的可靠性，还要保证所供电能的电压质量。电压质量是否合格主要是通过电压偏差体现。不同等级的电压允许偏差的范围不同，比如10 kV三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%[20]。此外，电压质量也与负荷密度密切相关，在相同电压等级下，负荷密度越大，单位长度的线路损耗越大，电压降落越大。对于处于不同负荷密度地区且供电范围不同的设备，由于受到电压偏差的约束，设备所带最大负荷往往存在差异，进而影响到设备合理负载率。

2.3.1 配电线路

对于配电线路来说，电压降落通常可以通过潮流计算得到，所以配电线路时间断面合理负载率计算方法如下所示。

(7)

(8)

(9)

式中：ΔU为电压偏差；X、R分别为配电线路的电抗和电阻；cosφ为功率因数；SL为配电线路视在功率；SN为配电线路的容量；mRAL为配电线路考虑电压质量合理负载率。

2.3.2 110/35 kV主变

对于110/35 kV主变来说，通过2.3.1节可以得到主变各条10 kV出线的合理负载能力，再结合主变的出线间隔以及容量，进而计算出主变考虑电压质量的合理负载率，如式(10)所示。

(10)

式中：mRBZ为主变考虑电压质量的合理负载率；nL为主变出线间隔数；SL,i为主变第i条10 kV出线的视在功率；SZ为主变容量。

本文以10 kV配电线路为例进行展示。由表2可以看出，配电线路供电范围越大，设备合理负载率越小；配电线路截面越小，设备合理负载率越小。这是因为配电线路供电距离越远或单位阻抗越大，电能在传输过程中损耗越大，电压降落越明显，为保证电压偏差在合理范围内而牺牲设备负载能力。

表2 10 kV配电线路考虑电压质量的合理负载能力Tab.2 Reasonable load capacity of 10 kV distribution line considering voltage quality

2.4 负荷特性影响分析

需要注意的是，尽管在设备规划的过程中是按照负荷峰值进行规划的，但是在设备实际运行过程中负荷是具有波动性的，如果全部按照负荷峰值的标准进行评价，将会导致设备运行效率偏低，所以基于设备所带的不同负荷类型及其负荷特性分析设备时间周期合理负载率是十分必要的。

对于负荷而言，负荷率[21]基本描述了在一段时间周期内平均负荷与最大负荷之间的关系。本文也通过该指标分析设备时间断面合理负载率与时间周期合理负载率的关系，从而反映出负荷特性对设备合理负载率的影响。

2.5 负荷发展影响分析

受到负荷预测以及新增设备规划建设周期的影响，配电网供电能力往往会为未来负荷的发展留有一定的裕度，即保障在电力设施建设滞后的前提下，仍能保障未来负荷的供电。负荷发展对于合理负载率的影响可以通过供电裕度影响因子反映，计算方法如式(11)所示。

(11)

式中：n为预留裕度的年限；α为年负荷平均增长率。

3 配电设备合理负载率计算方法

基于上述分析，可以得出配电设备合理负载率的计算方法。首先考虑供电可靠与网络结构以及电压合格与负荷密度因素，确定考虑供电质量的配电设备合理负载率；然后考虑负荷特性因素，确定时间周期内配电设备合理负载率；最后考虑负荷发展因素，确定考虑未来供电裕度的配电设备合理负载率。具体公式分别如式(12)—(14)所示。

mR=min{mRA,mRB}

(12)

mRD=mRF

(13)

mRDt=μmRF

(14)

式中：μ为负荷率；mR为设备考虑供电质量的合理负载率；mRA为考虑供电可靠与网络结构的合理负载率；mRB为考虑电压质量和负荷密度的合理负载率；mRD为考虑负荷发展后设备时间断面的合理负载率；mRDt为考虑负荷发展后设备时间周期的合理负载率。

本文以10 kV配电线路为例进行展示。表3反映了综合考虑供电可靠与网络结构以及电压质量与负荷密度两大因素的配电线路合理负载率，体现出考虑负荷空间特性的价值。

表3 10 kV配电线路考虑供电质量的合理负载能力Tab.3 Reasonable load capacity of 10 kV distribution line considering power quality

表4 10 kV配电线路考虑负荷发展的合理负载能力Tab.4 Reasonable load capacity considering load development of 10 kV distribution line

表4展示出各类供电区域配电线路合理负载率计算结果，而不同供电区域受到不同影响因素的制约使得其负载能力难以达到较高水平。其中，中心城区因土地资源紧张需要为新设备规划建设留出较长的时间周期；新建城区与工业园区因负荷增速较快需要为未来负荷增加预留充足裕度；县城地区与农牧地区因供电距离较远需要保证合理的电压偏差范围。

4 结论

本文对配电系统运行效率开展研究，从设备到系统层层递进，形成了配电系统运行效率评价指标体系，研究了考虑负荷时空特性的设备合理负载率计算方法，得出以下结论。

1)在较为偏远的农牧地区，负荷空间特性对设备合理负载能力造成很大影响，此时可以通过配置无功补偿装置在一定程度上缓解电压偏差的问题。

2)不同供电区域合理负载能力提升的制约因素存在差异。在本文研究的基础上，可以更加全面地评估配电设备运行现状，挖掘不同供电区域配电系统薄弱环节，进而从负荷预测方法、设备规划方法及DG置信容量分析等方面改善配电系统运行效率，提高配电系统资产利用水平。