CN107730076B - 一种区域配电网设备综合利用效率分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种区域配电网设备综合利用效率分析方法，包括以下步骤：S1、确定区域配电网设备极限利用率参考值以及设备平均利用率参考值；S2、确定区域配电网设备实际最大相对利用效率和实际平均相对利用效率；S3、确定区域配电网内不同设备的重要程度；S4、确定区域配电网综合最大利用效率，综合平均利用效率和综合利用率均衡度。本发明涉及影响设备利用率的不同因素，计算得到设备利用率参考值，以此参考值对设备实际运行情况进行评估，更真实反映设备的真实运行水平、设备利用率裕度等情况，帮助寻找利用率低效的系统短板，识别存在扩建、改建需要的设备等。

Description

一种区域配电网设备综合利用效率分析方法

技术领域

本发明涉及电力系统的技术领域，具体涉及一种区域配电网设备综合利用效率分析方法。

背景技术

随着近些年来智能电网的推广建设和电力公司对电网发展质量和效益的重视程度逐渐提高，电力系统资产利用率逐渐成为一个受到广泛关注的问题。而配电网作为直接面向用户的电网终端环节，承担着分配传输电能的任务。配电网需满足可靠、灵活、经济的基本原则。考虑到用户对供电可靠性的要求，目前配电网系统多为冗余系统来保证系统可靠性，在配电网规划设计阶段也更侧重于保证可靠供电和电能转供能力的提高而往往忽略其经济性。

为满足电能需求侧的供电要求并适应未来负荷增加速率，保证电网安全稳定性的同时兼顾电力经济性，需对电力设备使用情况进行合理的评估，掌握现有设备利用效率，为电网规划设计、运行调度等提供有效的参考信息和指导建议，避免过度超前建设致使设备利用率普遍偏低，造成设备容量浪费而降低电网企业的经济效益，或电网建设滞后于负荷增长，使得大量设备处于重负荷甚至超负荷运转而影响电网的安全稳定运行。

传统电网设备利用率计算仅是简单的除法运算，即设备的最大功率(或平均功率)比上设备的额定容量，结果作为设备的最大利用率(或平均利用率)。传统利用率的计算较简单，未考虑影响设备利用率的多种因素，从而不能反映制约设备利用率的主要因素，难以给出提升利用率的调整建议。

有鉴于此，急需提供一种合理评估并真实反映配电网设备的利用情况，帮助挖掘设备输送电能的潜力，使系统利用率维持在合理水平的区域配电网设备综合利用效率分析方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种区域配电网设备综合利用效率分析方法，包括以下步骤：

S1、确定区域配电网设备极限利用率参考值以及设备平均利用率参考值；

S2、确定区域配电网设备实际最大相对利用效率和实际平均相对利用效率；

S3、确定区域配电网内不同设备的重要程度；

S4、确定区域配电网综合最大利用效率，综合平均利用效率和综合利用率均衡度。

在上述方法中，所述步骤S1具体如下：

区域配电网设备极限利用率参考值的计算仅考虑系统安全稳定约束，确定区域配电网设备平均利用率参考值时，在极限利用率参考值的基础上，考虑负荷特性修正因子、设备停运修正因子和负荷发展修正因子对极限利用率参考值进行修正；其中，

区域配电网设备极限利用率参考值

具体公式如下：

式中，

为在满足安全稳定定则前提下经区域配电网传输到设备i的最大功率，；

为设备i内的功率损耗，；

为设备i的额定容量；

负荷特性修正因子，设备停运修正因子和负荷发展修正因子具体公式如下：

式中，

为设备i所带负荷平均值；

为设备i所带负荷峰值；

式中，Tⁱ为设备i的考察时间；

为设备i在考察时间内的故障次数；

为设备i的平均单次故障时间；

为设备i在考察时间内的检修次数；

为设备i的平均单次检修时间；

式中，aⁱ为设备i所带负荷增长率计算系数；

是设备i的预留裕度年限；tⁱ是设备i从投建使用至目前的服役年限；

设备平均利用率参考值

为：

在上述方法中，确定所述设备i所带负荷增长率计算系数aⁱ的值具体包括以下步骤：

设备i所带负荷按用电性质可分为M类，其中第n(1≤n≤M,且n为正整数)类负荷增长率的预测值按高、中、低速方法分别为

其对应的概率分别为

取离散因子为

则第n类负荷增长率的概率序列αⁿⁱ(t)为：

0≤t≤N_ni，且t为正整数

式中，N_ni为序列αⁿⁱ(t)的长度，

再将M类负荷各自的增长率概率序列做卷和运算，获取设备i所带负荷的增长率概率序列xⁱ(t)：

则设备i所带负荷的增长率计算系数aⁱ为：

式中，N_0i为序列xⁱ(t)的长度。

在上述方法中，所述步骤S2包括以下步骤：

设备实际最大相对利用效率为区域配电网设备所带的最大功率除以设备的额定功率再比上设备极限利用率参考值；

设备实际平均相对利用效率为区域配电网设备所带的平均功率除以设备的额定功率再比上设备平均利用率参考值；

在考察时间Tⁱ内通过设备i的实际最大功率和实际平均功率分别为

和

则设备的实际最大绝对利用率为

实际平均绝对利用率为

具体如下式为：

则设备i的实际最大相对利用效率和实际平均相对利用效率分别如下式：

设备i实际最大相对利用

设备i实际平均相对利用

在上述方法中，所述步骤S3具体包括以下步骤：

区域配电网内不同设备的重要程度分别用一个权重系数来表征，并定义投资建设成本系数、运行维护成本系数与负荷重要系数分别为η₁、η₂和η₃，则设备i重要程度的权重系数ω_i为：

式中，

为设备i投资建设费用现值；C_{sum_1}是区域全部设备的总投资建设费用现值；

为设备i的运行维护费用；C_{sum_2}是区域全部设备的总运行维护费用；Lⁱ为设备i所带的重要负荷；L_sum为区域配电网全部重要负荷。

在上述方法中，所述投资建设成本系数η₁、运行维护成本系数η₂与负荷重要系数η3的获取包括以下步骤：

A11、构造判断矩阵A；

判断矩阵A为3×3维方阵，矩阵中各元素满足下列条件：

a_ij＞0，a_ii＝1，a_ji＝1/a_ij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)；

a_ij运用1-9级标度方法取值。

A12、获取投资建设成本系数η₁、运行维护成本系数η₂与负荷重要系数η₃；

将矩阵行各元素连乘并开3次方，获得各行元素的几何平均值b_i为：

其中，i＝1,2,3

将b_i归一化，求得η_j为

其中，j＝1,2,3

A13、获取矩阵的最大特征根λ_max；

A14、检验矩阵的一致性，若一致则转A16，否则转A15；

确定判断矩阵的一致性指标CI与平均随机一致性指标RI，具体如下：

CI＝(λ_max-m)/(m-1)

RI＝(λ′_max-m)/(m-1)

式中，m为判断矩阵的阶数；

确定随机一致性比例CR：

CR＝CI/RI

判断是否满足CR＜0.10，若条件成立，则判断矩阵具有满意的一致性，否则需要重新调整判断矩阵，使之具有满意的一致性；

A15、重新调整判断矩阵，并转A12；

A16、结束。

在上述方法中，所述步骤S4具体包括以下步骤：

区域配电网综合最大利用效率u_{system_max}和综合平均利用效率u_{system_avg}具体公式如下：

式中，K为区域配电网内考察的设备总数；

区域配电网综合利用率均衡度包括综合最大利用率均衡度E_{system_max}和综合平均利用率均衡度E_{system_avg}，具体公式如下：

式中，

为所有设备实际最大相对利用效率的算术平均数；

为所有设备实际平均相对利用效率的算术平均数。

在上述方法中，所述

的计算公式具体如下：

本发明通过确定设备极限利用率参考值，反映设备实际通过的最大功率与设备理论可传输的最大功率的接近程度，以更真实说明设备最大利用效率。确定设备平均利用率参考值，反映设备实际通过的平均功率与设备理论可传输的平均功率的接近程度，以更真实说明设备平均利用效率。本发明还考虑到由于不同设备自身的资产价值不同，在配电网中所处的电气位置不同，所承担负荷性质和重要性也不尽相同，因此不同设备在区域配电网中的重要程度不同，对全系统综合利用率的影响大小和贡献程度也不相同；最后将所有设备综合考虑得到区域配电网综合利用效率和综合利用率均衡度，表征全系统利用率整体水平和均衡情况，为配电网规划运行提供辅助决策信息。

本发明涉及影响设备利用率的不同因素，计算得到设备利用率参考值，以此参考值对设备实际运行情况进行评估，更真实反映设备的真实运行水平、设备利用率裕度等情况，帮助寻找利用率低效的系统短板，识别存在扩建、改建需要的设备。

附图说明

图1为本发明提供的区域配电网设备综合利用效率分析方法流程图；

图2为本发明提供的确定投资建设成本系数η₁、运行维护成本系数η₂与负荷重要系数η₃的流程图。

具体实施方式

本发明通过分别确定设备极限利用率参考值与设备平均利用率参考值，来确定设备实际最大相对利用效率和实际平均相对利用效率，并明确不同设备的重要程度，最后将所有设备综合考虑得到区域配电网系统综合利用效率和综合利用率均衡度，表征全系统利用效率整体水平和均衡情况，为配电网规划运行提供辅助决策信息。本发明涉及影响设备利用率的不同因素，计算得到设备利用率参考值，以此参考值对设备实际运行情况进行评估，更真实反映设备的真实运行水平、设备利用率裕度等情况，帮助寻找利用率低效的系统短板，识别存在扩建、改建需要的设备。下面结合具体实施例和说明书附图对本发明做出详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种区域配电网设备综合利用效率分析方法，包括以下步骤：

S1、确定区域配电网设备极限利用率参考值以及设备平均利用率参考值。步骤S1的具体步骤及分析如下：

将影响区域配电网设备利用率的主要因素进行解耦分析，需要说明的是，因为极限功率的出现对应瞬时的时刻，所以不需要考虑一段时间内涉及到平均的相关概念。设备极限利用率参考值强调的是由网络拓扑结构决定的，在保证系统安全稳定运行前提下能够传输到设备的尖峰功率与设备额定功率的比值，这个参考值是用于分析设备实际运行中出现的最大功率是否超出了设备允许通过的极限功率，主要是出于安全稳定的考虑，所以只考虑安全稳定约束条件。而考察设备在一段时间内的平均功率时，由于大部分时间设备传输的功率都低于最大功率，所以需要平均化处理，在安全稳定运行的基础上还需要考虑与随时间变化的其他因素。

因此计算区域配电网设备极限利用率参考值时仅考虑电网安全稳定约束条件；计算区域配电网设备平均利用率参考值时，在极限利用率参考值的基础上，考虑负荷特性修正因子、设备停运修正因子和负荷发展修正因子对极限利用率参考值进行修正获得设备平均利用率参考值。其中，

区域配电网设备极限利用率参考值计算公式如下：

式中，

为设备i的极限利用率参考值；

为在满足安全稳定定则前提下经区域配电网传输到设备i的最大功率，单位：兆瓦/MW；

为设备i内的功率损耗，单位：兆瓦/MW；

为设备i的额定容量，单位：兆瓦/MW。

对于区域配电网设备本发明仅考虑配电变压器和配电交流线路，其额定容量取设备参数中标称的额定容量。

负荷特性修正因子，设备停运修正因子和负荷发展修正因子具体公式如下：

式中，

为设备i所带负荷平均值，单位：兆瓦/MW；

为设备i所带负荷峰值，单位：兆瓦/MW。

式中，Tⁱ为设备i的考察时间，单位：小时/h；

为设备i在考察时间内的故障次数，单位：次；

为设备i的平均单次故障时间，单位：小时/次(h/次)；

为设备i在考察时间内的检修次数，单位：次；

为设备i的平均单次检修时间，单位：小时/次(h/次)。

式中，aⁱ为设备i所带负荷增长率计算系数；

是设备i的预留裕度年限，单位：年/y；tⁱ是设备i从投建使用至目前的服役年限，单位：年/y。

负荷预测具有一定的不确定性，尤其是长期负荷预测，其准确性低于短期负荷预测，故在计算aⁱ时运用序列理论处理负荷增长率的不确定。设备i所带负荷按用电性质可分为M类，其中第n(1≤n≤M,且n为正整数)类负荷增长率的预测值按负荷增长速度的区别，分别为高速增长速度预测值

中速增长速度预测值

和低速增长速度预测

其对应的概率分别为

取离散因子为

则第n类负荷增长率的概率序列αⁿⁱ(t)为：

0≤t≤N_ni，且t为正整数

式中，N_ni为序列αⁿⁱ(t)的长度，

再将M类负荷各自的增长率概率序列做卷和运算，得到设备i所带负荷的增长率概率序列xⁱ(t)：

则设备i所带负荷的增长率计算系数aⁱ为：

式中，N_0i为序列xⁱ(t)的长度。

设备i的平均利用率参考值

为：

S2、确定区域配电网设备实际最大相对利用效率和实际平均相对利用效率。其中，

设备实际最大相对利用效率为区域配电网设备所带的最大功率除以设备的额定功率再比上设备极限利用率参考值；

设备实际平均相对利用效率为区域配电网设备所带的平均功率除以设备的额定功率再比上设备平均利用率参考值。

在考察时间Tⁱ内通过设备i的实际最大功率和实际平均功率分别为

和

则设备的实际最大绝对利用率为

实际平均绝对利用率为

具体如下式为：

则设备i的实际最大相对利用效率和实际平均相对利用效率分别如下式：

设备i实际最大相对利用

设备i实际平均相对利用

S3、确定区域配电网内不同设备的重要程度。

本实施例中区域配电网内不同设备的重要程度分别用一个权重系数来表征。设备的重要程度反映设备对系统综合利用率和系统收益的贡献大小，它与设备本身的资产价值和设备在配电网中的电气位置有关。

一方面，设备购买建设以及日常运行维护需要成本开销，成本投入越大，则电力部门对设备利用率的期望值也相应提高，设备运行在较高的利用率水平不仅可使设备得到充分利用，避免容量浪费，而且也能更快实现设备成本回收并促进设备收支效益比的提升；另一方面，从设备所处的电气位置考虑，如果设备所带负荷中重要负荷(如Ⅰ类负荷)所占比重大，这些负荷必须得到满足以保证其他社会生产活动的有序进行，或者说在消耗同样的电能条件下这些负荷能够产生更多的社会效益，则承载这些负荷的设备在电网中所处的电气位置比较重要，有必要保持设备利用率在一个合理的基准上。

定义投资建设成本系数、运行维护成本系数与负荷重要系数分别为η₁、η₂和η₃，则设备i重要程度的权重系数ω_i为：

式中，

为设备i投资建设费用现值，单位：万元；C_{sum_1}是区域全部设备的总投资建设费用现值，单位：万元；

为设备i的运行维护费用，单位：万元；C_{sum_2}是区域全部设备的总运行维护费用，单位：万元；Lⁱ为设备i所带的重要负荷，单位：兆瓦/MW；L_sum为区域配电网全部重要负荷，单位：兆瓦/MW。

考虑到不同设备的购买建设可能发生在不同年份，因此在计算

和C_{sum_1}时将资金折算到同一基准年，采用现值进行计算；而设备的运行维护费用属于经营成本，计算

及C_{sum_2}时可选取同一考察时段以保证基准年一致。

上述η₁，η₂，η₃的具体数值大小可采用特征值法求解，如图2所示，具体包括以下求解步骤：

A11、构造判断矩阵A。

判断矩阵A为3×3维方阵，A中各元素满足下列条件：

a_ij＞0，a_ii＝1，a_ji＝1/a_ij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)；

本实施例a_ij运用1-9标度法判断矩阵中i项元素与j项元素的权重，如表1所示。

表1判断矩阵1-9级标度值及含义

A12、获取投资建设成本系数η₁、运行维护成本系数η₂与负荷重要系数η₃。

将矩阵行各元素连乘并开3次方，获得各行元素的几何平均值b_i为：

其中，i＝1,2,3

将b_i归一化，求得η_j为

其中，j＝1,2,3

A13、获取矩阵的最大特征根λ_max。

A14、检验矩阵的一致性，若一致则结束判断，否则转A15。

确定判断矩阵的一致性指标CI与平均随机一致性指标RI，具体如下：

CI＝(λ_max-m)/(m-1)

RI＝(λ′_max-m)/(m-1)

式中，m为判断矩阵的阶数，本实施例m为3。

确定随机一致性比例CR：

CR＝CI/RI

判断是否满足CR＜0.10，若条件成立，则判断矩阵具有满意的一致性，否则需要重新调整判断矩阵，使之具有满意的一致性。

A15、重新调整判断矩阵，并转A12。

S4、确定区域配电网综合最大利用效率，综合平均利用效率和综合利用率均衡度。

区域配电网综合最大利用效率为配电网内不同设备的实际最大相对利用效率与设备重要程度的权重系数相乘后累加求和。

区域配电网综合平均利用效率为配电网内不同设备的实际平均相对利用效率与设备重要程度的权重系数相乘后累加求和。其中，区域配电网综合最大利用效率u_{system_max}和综合平均利用效率u_{system_avg}具体公式如下：

式中，K为区域配电网内考察的设备总数。

区域配电网综合利用率均衡度为所有设备利用率的算术平均值与标准差的比值，反映各设备运行效率的差异程度；其中，区域配电网综合利用率均衡度越高，表明各设备的运行效率越一致，系统的投资规模越合理；区域配电网综合利用率均衡度越低，表明各设备的运行效率比较分散，系统存在部分设备过度投资或过度使用的情况。

本实施例中，区域配电网综合利用率均衡度包括综合最大利用率均衡度E_{system_max}和综合平均利用率均衡度E_{system_avg}，具体公式如下：

式中，

为所有设备实际最大相对利用效率的算术平均数；

为所有设备实际平均相对利用效率的算术平均数；其中，

的计算公式具体如下：

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种区域配电网设备综合利用效率分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、确定区域配电网设备极限利用率参考值以及设备平均利用率参考值；

S2、根据所述极限利用率参考值以及设备平均利用率参考值，确定区域配电网设备实际最大相对利用效率和实际平均相对利用效率；

S3、确定区域配电网内不同设备的重要程度；

S4、根据所述区域配电网内不同设备的重要程度及实际最大相对利用效率和实际平均相对利用效率确定区域配电网综合最大利用效率，综合平均利用效率和综合利用率均衡度；其中，设备实际最大相对利用效率为区域配电网设备所带的最大功率除以设备的额定功率再比上设备极限利用率参考值；

设备实际平均相对利用效率为区域配电网设备所带的平均功率除以设备的额定功率再比上设备平均利用率参考值。

2.如权利要求1所述的区域配电网设备综合利用效率分析方法，其特征在于，所述步骤S1具体如下：

区域配电网设备极限利用率参考值的计算仅考虑系统安全稳定约束，确定区域配电网设备平均利用率参考值时，在极限利用率参考值的基础上，考虑负荷特性修正因子、设备停运修正因子和负荷发展修正因子对极限利用率参考值进行修正；其中，

区域配电网设备极限利用率参考值

具体公式如下：

式中，

为在满足安全稳定定则前提下经区域配电网传输到设备i的最大功率；

为设备i内的功率损耗；

为设备i的额定容量；

负荷特性修正因子，设备停运修正因子和负荷发展修正因子具体公式如下：

式中，

为设备i所带负荷平均值；

为设备i所带负荷峰值；

式中，Tⁱ为设备i的考察时间；

为设备i在考察时间内的故障次数；

为设备i的平均单次故障时间；

为设备i在考察时间内的检修次数；

为设备i的平均单次检修时间；

式中，aⁱ为设备i所带负荷增长率计算系数；

是设备i的预留裕度年限；tⁱ是设备i从投建使用至目前的服役年限；

设备平均利用率参考值

为：

3.如权利要求2所述的区域配电网设备综合利用效率分析方法，其特征在于，确定所述设备i所带负荷增长率计算系数aⁱ的值具体包括以下步骤：

设备i所带负荷按用电性质可分为M类，其中第n(1≤n≤M,且n为正整数)类负荷增长率的预测值按高、中、低速方法分别为

其对应的概率分别为

取离散因子为

则第n类负荷增长率的概率序列αⁿⁱ(t)为：

且t为正整数

式中，N_ni为序列αⁿⁱ(t)的长度，

再将M类负荷各自的增长率概率序列做卷和运算，获取设备i所带负荷的增长率概率序列xⁱ(t)：

则设备i所带负荷的增长率计算系数aⁱ为：

式中，N_0i为序列xⁱ(t)的长度。

4.如权利要求2所述的区域配电网设备综合利用效率分析方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

设备实际最大相对利用效率为区域配电网设备所带的最大功率除以设备的额定功率再比上设备极限利用率参考值；

设备实际平均相对利用效率为区域配电网设备所带的平均功率除以设备的额定功率再比上设备平均利用率参考值；

在考察时间Tⁱ内通过设备i的实际最大功率和实际平均功率分别为

和

则设备的实际最大绝对利用率为

实际平均绝对利用率为

具体如下式为：

则设备i的实际最大相对利用效率和实际平均相对利用效率分别如下式：

设备i实际最大相对利用

设备i实际平均相对利用

5.如权利要求4所述的区域配电网设备综合利用效率分析方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括以下步骤：

区域配电网内不同设备的重要程度分别用一个权重系数来表征，定义投资建设成本系数、运行维护成本系数与负荷重要系数分别为η₁、η₂和η₃，则表示设备i重要程度的权重系数ω_i为：

式中，

为设备i投资建设费用现值；C_{sum_1}是区域全部设备的总投资建设费用现值；

为设备i的运行维护费用；C_{sum_2}是区域全部设备的总运行维护费用；Lⁱ为设备i所带的重要负荷；L_sum为区域配电网全部重要负荷。

6.如权利要求5所述的区域配电网设备综合利用效率分析方法，其特征在于，所述投资建设成本系数η₁、运行维护成本系数η₂与负荷重要系数η₃的获取包括以下步骤：

A11、构造判断矩阵A；

判断矩阵A为3×3维方阵，矩阵中各元素满足下列条件：

a_ij＞0，a_ii＝1，a_ji＝1/a_ij(i＝1,2,3；j＝1,2,3)；

其中，a_ij运用1-9级标度方法取值；

A12、获取投资建设成本系数η₁、运行维护成本系数η₂与负荷重要系数η₃；

将矩阵行各元素连乘并开3次方，获得各行元素的几何平均值b_i为：

其中，i＝1,2,3

将b_i归一化，求得η_j为

其中，j＝1,2,3

A13、获取矩阵的最大特征根λ_max；

A14、检验矩阵的一致性，若一致则转A16，否则转A15；

确定判断矩阵的一致性指标CI与平均随机一致性指标RI，具体如下：

CI＝(λ_max-m)/(m-1)

RI＝(λ′_max-m)/(m-1)

式中，m为判断矩阵的阶数；

确定随机一致性比例CR：

CR＝CI/RI

判断是否满足CR＜0.10，若条件成立，则判断矩阵具有满意的一致性，否则需要重新调整判断矩阵，使之具有满意的一致性；

A15、重新调整判断矩阵，并转A12；

A16、结束。

7.如权利要求5所述的区域配电网设备综合利用效率分析方法，其特征在于，所述步骤S4具体包括以下步骤：

区域配电网综合最大利用效率u_{system_max}和综合平均利用效率u_{system_avg}具体公式如下：

式中，K为区域配电网内考察的设备总数；

区域配电网综合利用率均衡度包括综合最大利用率均衡度E_{system_max}和综合平均利用率均衡度E_{system_avg}，具体公式如下：

式中，

为所有设备实际最大相对利用效率的算术平均数；

为所有设备实际平均相对利用效率的算术平均数。

8.如权利要求7所述的区域配电网设备综合利用效率分析方法，其特征在于，所述

的计算公式具体如下：

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