基于电网成效贡献度的储备项目量化评价方法及优选排序

张浩然，杨玉静，王少杰，蒋文静，苏川，叶青，丛彪

(国网吴忠供电公司，宁夏 吴忠751100)

0 引言

电网储备项目的评价和选取是电网投资管理的最后一道闸门，是保障电网投资精准水平和投资效益的关键环节。由于电网网络结构拓扑紧凑，单个储备项目的投产会对整个电网的安全、经济、协调等多方面产生影响，如何量化评价单个储备项目的投产对整个电网的提升程度一直是电网投资的难点。目前国内外对于电网项目投资效果评价已有较多研究，但以往大部分研究主要是针对规划方案采用模糊层次分析、专家打分、指标定量分析等方法进行评价工作，权重计算方法单一，缺乏全面性与科学性，并且对于电网规划层面单个储备项目仍缺乏有效的量化评价方法，没有考虑单个项目投产后对整个电网的作用和成效，无法为储备项目出库、列入投资计划提供技术支撑[1 - 3]。文献[4 - 6]将模糊数学应用到多目标综合评价中，形成了模糊综合评价模型，它根据隶属度理论将定性评价转化为定量评价，用以解决各种难以量化的非确定性问题，这也是目前电网项目评价的常用方法，但其评价方法单一，缺乏全面性与科学性，并且对于电网规划层面的单个储备项目仍缺乏有效的量化评价方法。文献[7 - 10]从电网安全性、设备利用水平、供电可靠性等方面建立电网基建项目决策指标体系，并利用项目分值建立了电网基建项目辅助决策模型，实现项目的优选，但以上文献并未考虑项目关联关系及投产时序对电网投资效益的影响，不能有效指导投资计划和开工计划安排。

因此，本文从经济性、安全性、协调性、社会效益等方面研究电网储备项目对电网发展的贡献度，并建立了一套科学合理的储备项目成效评价指标体系。然后，通过分析各电网储备项目分别在安全、经济、协调等方面对整个电网成效评估指标的改善情况，提出单个储备项目对电网的综合贡献度计算方法。最后，以单位投资的综合贡献度为依据，考虑各个储备项目之间的耦合关系，各储备项目建设后对其他储备项目贡献度的影响，提出电网储备项目动态优选排序方法，以满足电网基建项目投资计划精准化要求。

1 电网储备项目量化评价指标体系

1.1 指标体系基本框架

根据电网投资定义，本文对柔性投资所包含的项目进行评价优选，主要项目类型包括提升电网安全水平类、满足新增负荷类、电源送出类、加强网架结构类。根据上述项目类型，为构建电网储备项目评价指标体系，其遵循的思路如下。

1)根据不同项目功能分类特点制定不同的评价指标；

2)以影响每类项目效益发挥的因素为依据进行指标甄别和构建；

3)能够体现每类项目效益发挥的特点，且允许不同类项目的评价指标重叠。

此外，为建立全面的储备项目量化评价指标体系，还应考虑到电力系统的实际情况和储备项目的特点，又要考虑到电力系统运行数据和储备项目建设的预测数据获取的难易程度，遵从系统性、科学性和可获取性原则，对现有电网项目评价指标进行梳理，提炼出电网储备项目量化评价指标体系，如图1所示。

图1 电网储备项目量化评价指标体系Fig.1 Quantitative evaluation index system for grid reserve projects

1.2 储备项目评价指标定义及量化模型

1.2.1 安全性指标

1)N-1通过率

本文采用N-1通过率作为评价指标，用以检验电网拓扑和运行方式是否满足安全运行要求，N-1通过率计算如式(1)所示。

(1)

式中：ηN-1为N-1通过率；NN-1为满足N-1原则的元件数量；Ntotal-N-1为总元件的数量。

2)停电风险

电力系统停电风险是指电力系统停电概率与其损失负荷的严重性的乘积。从电力安全事故(事件)的角度，电力系统停电严重性可用各地区电网发生的不同等级的电力安全事故(事件)综合危害表示[11]，因此停电风险计算公式如式(2)所示：

(2)

式中：Drisk为该电网的停电风险值；N为该电网节点数；Si为节点i发生的各级电力事故(事件)集；Di,j为节点i发生事故j的综合危害分值；pi,j为在节点i处发生停电事故j的概率。

3)配电网线路联络率

针对配电网中加强网架结构项目，设置配电网线路联络率。两条接线如果直接由联络开关相连即称这两条线路之间有联络，线路联络率为有联络的线路在总线路中的占比。配电网线路联络率ηL表达式为：

(3)

式中：NL,c为有联络的线路条数；NL为配电网总线路条数。

1.2.2 协调性指标

1)配电网供电能力

配电网供电能力是指一定区域内在配电网的正常运行约束条件下供应用户用电的能力，反映配电网可供负荷规模，该指标同时受到线路容量约束和主变容量约束。供电能力计算的目标函数和约束条件如式(4)所示。

(4)

式中：LTSC0为配电网供电能力；Pi为主变i所带负荷；fm为馈线m所带负荷；fm∈Ti为馈线m出自主变i的对应母线；Fm,n为馈线m第n段所带负荷；Ri为主变i的额定容量；fR,m为馈线m的额定容量。

2)容载比(校验指标)

容载比是区域内某一时刻投入的变电总容量与对应的供电总负荷的比值。

(5)

式中：RS为容载比；Pmax为该电压等级典型负荷日对下级电网供电的最大负荷；∑Sei为该电压等级典型负荷日投入的变电站的总容量。

3)变机比(校验指标)

变机比是指接入该电压等级等效电源装机容量与该电压等级降压变电容量之比。其中，等效电源装机容量包括接入电源装机容量、输电通道受电规模、该电压等级升压容量、上级电网接入等效装机等。计算公式如式(6)所示。

Wb=Sq/St=(Gq+Gup+Lx)/S

(6)

式中：Wb为变机比；Sq为该层级电网等效装机；St为该层级电网降压变电容量；Gq为本层接入装机容量；Gup为上层接入装机容量；Lx为联络通道受电能力；S为降压变电容量。

4)设备负载率均衡度

为反映投产项目后与该项目相邻设备(线路、变压器)之间负载的均衡程度，设立设备负载率均衡度指标。其中线路、变压器的设备负载率均衡度BL、BT计算公式如式(7)所示。

(7)

1.2.3 经济性指标

1)设备最大负载率

针对储备项目投产后的利用效率设立储备项目最大负载率指标。在规划电网最大运行方式下开展潮流计算，统计最大运行方式下投产年储备项目电力传输情况，用来反映储备项目输电线路(变压器)投产年最大输送有功功率占线路经济输送功率(变压器额定容量)的比例。变压器与输电线路最大负载率指标δT、δL的计算公式如式(8)所示。

(8)

式中：δT为变压器最大负载率；PT为投产年最大运行方式下变压器最大负荷；ST为变压器额定容量；δL为线路最大负载率；PL为线路上最大有功功率；PE为线路经济输送功率。

2)线损率

该指标反映某一电压等级输电环节的电量损耗，但在以前评价中难以对8 760 h的流经功率进行准确计算。因此，在大多数情况下可以用功率代替电量来简化系统网络损耗的计算，表达式如式(9)所示。

(9)

式中：ηLOSS为该电压等级电网线损率；PLj为第j条线路中的有功潮流；Uj为第j条线路的电压水平；NA为所有已建线路和待建线路的集合；Zj为第j条线路的单位长度线路电阻；γj为第j条线路的长度。

3)电量效益

电量效益指的是储备项目投产后变电站和线路增加的输电量与该电压等级单位电量电价的乘积，反映了储备项目建设的经济性。

(10)

(11)

式中：CkT、CkL分别为k项目总投产变压器和线路的电量效益；m为建设变压器个数；j代表线路；n为建设线路条数；PTmaxki、PLmaxkj分别为k项目中变压器和线路的有功功率；TTmaxki、TLmaxkj分别为k项目中变压器和线路的年最大利用小时数；cL、cT分别为该电压等级线路和变压器单位电量电价。

1.2.4 社会效益指标

1)低电压用户比例

针对解决农网低电压台区的配电网储备项目，设置配电网低电压用户比例指标。配电网低电压用户比例指标为电网最大运行方式下超出电压安全阈值的用户比例。

(12)

式中：ηlow为低电压用户比例；Nlow,i为第i个低电压节点带的用户数量；Ntotal为该电网总体用户数量；S为节点总数。

2)新能源减排效益

综上所述，不仅产业集聚、技术创新各自对区域经济增长产生影响，产业集聚和技术创新对经济增长产生关联效应，技术创新在产业集聚影响经济增长中起到关键作用，影响机理如图1所示，技术创新行为通过技术进步促进经济增长，产业集聚通过规模效应和拥挤效应对经济增长施以影响，技术创新和产业集聚通过创新协同、高度分工等方式相互作用。

针对储备项目中新能源接入项目的评价设立新能源减排效益指标，新能源减排效益Cb可表示为：

(13)

式中：Pk为某一电压等级第k种清洁能源发电额定功率；Tk为该种类清洁能源发电的最大利用小时数；l为清洁能源发电的种类数；A为每度电的减排效益；m1为每吨标准煤的煤价；m2、m3分别为每吨二氧化硫、氮氧化物的环保处理价值；λ1为1 kWh电所节省的标准煤的重量；λ2、λ3分别为减排1 kWh电所减少的二氧化硫、氮氧化物的排放量。

2 基于电网成效贡献度的储备项目量化评价方法

2.1 基于矩估计理论的组合赋权法

为兼顾主观决策与客观真实性，达到主客观的统一，就需要对主观权重与客观权重进行集中整合，运用以主观和客观权重结合的组合赋权法将使得评价指标的赋权更加科学合理。本文采用基于矩估计理论的组合赋权法，该方法以决策者提出的主观权重和根据属性值计算得到的客观权重为依据，以集成权重与主、客观权重偏差最小为目标，建立最优赋权组合模型[12 - 14]。

假设有m个评价指标、p种主观权重求取方法、q种客观权重求取方法，形成“指标权重向量矩阵”。

式中：第1～p行为p种主观权重；λij为第i种主观权重求取方法求得指标j的主观权重；第p+1～p+q行为q种客观权重；γij为第i种主观权重求取方法求得指标j的客观权重。

组合赋权权重W是p种主观权重和q种客观权重的线性组合。

(15)

为求得线性组合加权系数θi，基于集成权重与主观权重偏差最小的思想，建立式(16)所示组合权重优化数学模型。

(16)

式中：ωj为组合赋权法求取的组合权重；αi和βi为主客观重要程度系数，可用层次分析法，最后将上述模型进行优化算法求解，即可得到基于电网成效贡献度的储备项目量化综合评估各评价指标的组合权重。

2.2 基于电网成效贡献度的储备项目动态排序方法

本文基于上述评估指标体系和评估方法，综合考虑项目综合贡献度和建设成本，提出了一种基于单位投资综合贡献度的储备项目动态优选排序方法。该方法首先依据单位投资综合贡献度大小，对待选项目进行静态排序，并选出单位投资综合贡献度最高的项目作为拟建设项目，然后在后续排序中计及前面储备项目建设对该项目综合贡献度和投资额的动态影响，重新计算和测算该项目对整体电网的综合贡献度以及项目建设投资额，将储备项目之间的耦合关系打开，再逐轮进行静态优选排序，最终得到多项目动态优选排序结果。

基于电网单位投资成效贡献度的储备项目动态优选排序方法如图2所示，具体步骤如下。

1)对各储备项目根据建立的基于电网成效贡献度的储备项目量化评估指标体系及主客观赋权法结合的组合赋权法计算各单项指标的值和组合赋权权重，并依靠下式得出各储备项目对整个电网的综合贡献度。

(17)

(18)

式中：rki,b、rki,a分别为第k个电网储备项目投产前后第i个指标的指标值；uki为第k个储备项目第i个指标的提升度；Sk是第k个储备项目的综合贡献度值；N是综合评价指标体系中的指标总数；M为储备项目总数；wi是第i个指标贡献度的组合权重系数。

2)按照式(19)计算第k个储备项目的单位投资综合贡献度Ck，即：

(19)

式中fk为第k个储备项目的测算投资额。

利用计算出的单位投资综合贡献度对电网储备项目进行排序，选取单位投资综合贡献度最高的项目作为本次排序的优选项目。

3)对于剩下的待选项目，重复步骤1)、2)继续计算，直到排列出所有储备项目的优先级顺序。需要注意的是，在考虑剩下的项目对项目优先级的影响的时候，需要考虑已经被优选的项目对现状电网的影响。

4)用当年电网投资规模作为边界条件，在当年投资规模之内的电网储备项目即作为当年优选储备项目进行建设。

5)对上述排序结果进行校验，校验其是否满足电网诊断条件。如不满足，则重新计算主观权重返回步骤1)；如满足上述要求则转到步骤6)。

6)输出最终储备项目建设方案。

3 算例分析

以某园区2019年底形成的10 kV配电网网架为基础，以2020年规划负荷为边界，选取“十三五”规划库中2020年规划投产项目进行优选排序，验证所提电网储备项目优选方法的科学性与合理性。截至2019年6月底该电网拥有110 kV、35 kV公用变电站各2座，变电容量共计146 MVA，10 kV公用线路13回，线路总长度154.5 km，全社会最大负荷29.8 MW，10 kV线路N-1通过率70 %，线路联络率为91%。预计2020年最高用电负荷为31.6 MW。该地10 kV中压配电网拓扑图及储备项目明细如图3和表1所示。

表1 10 kV电网储备项目数据明细Tab.1 Reserve projects data details for 10 kV grid

表2 单个储备项目建成后各指标贡献度计算结果Tab.2 Calculation results of each indicator contribution after completion of a single reserve project%

表3 各指标计算权重Tab.3 Calculation weight of each indicator%

图3 10 kV中压配电网拓扑图Fig.3 10 kV medium voltage distribution network topology

根据表1的储备项目的基础数据，计算单个储备项目建成后电网的各指标计算结果及其对电网的贡献度，指标贡献度计算结果如表2所示。并采用基于矩估计理论的组合赋权法求出其组合赋权权重，权重计算结果表3所示。

根据每个评价指标的主观权重期望值E(whj)和客观权重期望值E(wzj)， 计算得出主客观权重相对重要程度α=0.592、β=0.408。由表2—3中数据可以看出组合赋权权重中N-1通过率、配电网供电能力、储备项目最大负载率和电量效益权重较大，反映出在兼顾经济效益和效率的情况下保障安全可靠供电是电网的主要投资目的，同时对此4个指标贡献度越大的项目，越易被选出。

根据表1—3数据进行分析，排序情况如表4所示。

1)C项目是提升电网安全水平项目，建设目的是通过改造线路13，提升其负荷转供能力，进而提升变电站2的供电能力，并减小线路损耗，由于其对电网安全、联络和供电能力等方面贡献较为突出和均衡，因此根据计算结果优先选出；

表4 储备项目排序结果Tab.4 Sorting result of reserve projects

2)D项目为解决设备重过载的项目。该类项目分担了周边主变的负荷，有效减缓线路12的重载情况，提升电网安全水平和可靠性。

3)E项目为加强网架结构项目，建设目的是通过新建联络线，使线路1、3、7、10、11、12形成环网，提升电网可靠水平和转供能力。

4)A项目为满足新增负荷项目，建设目的是通过改造10 kV主干线缓解线路3未来较大供电需求，并减小线路损耗。

5)B项目为满足新增负荷项目，建设目的是通过新建10 kV馈线提高变电站2的供电能力，满足新增负荷需求，因其新建线路花费较大，因此最后选出。

将静态排序结果和动态排序结果相比较可以发现：A项目和B项目在静态排序中和动态排序中顺序不一致。这是因为动态排序过程中C项目的投产会提高变电站2的供电能力削弱了B项目在供电能力指标对电网的贡献，导致B项目投产顺序发生变化，这也反映出本文考虑建设时序影响的动态优选排序方法的优越性。

因10 kV储备项目建设无需进行容载比和变机比校验，所以可利用计划的电网投资规模作为边界条件，在投资规模之内的电网储备项目即作为待建设项目。因测算的2020年项目建设投资规模为200万元，2021年项目建设投资规模为150万元，故将其作为边界条件进行考虑，经过储备项目动态优选排序，最终确定各储备项目建设顺序如表5所示。

表5 储备项目建设顺序Tab.5 Reserve project construction sequence

储备项目投产后，一方面是增加线路输送能力，改造2回10 kV架空线，线路截面由95 mm2提升至240 mm2；另一方面是解决转供能力不足问题，新建2条联络线，提高了配网安全可靠性，满足电网诊断要求。

4 结论

本文提出基于电网成效贡献度的储备项目量化评价方法，实现储备项目的优选排序，从而满足电网精准投资要求。总结文章研究成果，结论如下。

1)本文提出了基于矩估计理论的组合赋权法，兼顾了主观决策与客观真实性，达到主客观的统一，使得评价指标的赋权更加科学合理。

2)本文提出了基于电网成效贡献度的量化评价方法。该方法通过分析各储备项目在安全、经济、协调等方面对整个电网的改善情况，计算各项目对电网的贡献，从而进行优选排序。相比于传统的模糊层次分析、专家打分等方法，该方法采用定量计算的方式避免了模糊分析的误差和专家打分中主观因素的过多干预，可以为储备项目出库，列入投资计划提供技术支撑。

3)本文提出的动态优选排序方法从实际出发，考虑了已经被优选的项目投产对现状电网的影响，实证分析结果表明，该方法在储备项目优选排序中是有效且准确的，可以有效指导投资计划和开工计划安排。