智能配電網(wǎng)評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建

王敬敏，施 婷

(華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，河北 保定 071003)

0 引言

近年來為緩解能源危機(jī)與環(huán)境壓力，歐美和中國等國家都相繼提出發(fā)展“智能電網(wǎng)”的問題[1～3]。智能電網(wǎng)包括發(fā)電、輸變電、配電、用電各個(gè)環(huán)節(jié)[4]。配電系統(tǒng)作為電力送到用戶的最后一環(huán)，與用戶的聯(lián)系最為緊密，對(duì)用戶的影響也最為直接?？梢哉f，智能配電網(wǎng)在智能電網(wǎng)中具有舉足輕重的作用。

智能配電網(wǎng)是以配電網(wǎng)高級(jí)自動(dòng)化技術(shù)為基礎(chǔ)，通過應(yīng)用和融合先進(jìn)技術(shù)，集成各種具有高級(jí)應(yīng)用功能的信息系統(tǒng)，利用智能化的開關(guān)設(shè)備、配電終端設(shè)備等，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)在正常運(yùn)行狀態(tài)下可靠的監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制和優(yōu)化，并在非正常運(yùn)行狀態(tài)下具備自愈控制功能，最終為電力用戶提供安全、可靠、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的電力供應(yīng)和其它附加服務(wù)[5～7]。與傳統(tǒng)的配電網(wǎng)相比較，智能配電網(wǎng)具有如下特征[8～10]: (1) 更高的供電可靠性; (2)更優(yōu)質(zhì)的電能質(zhì)量; (3)更好的兼容性; (4)更強(qiáng)的互動(dòng)能力; (5)更高的電網(wǎng)資產(chǎn)利用率;(6)集成的可視化信息系統(tǒng);(7)支持分布電源的大量接入。

隨著智能配電網(wǎng)建設(shè)工作的推進(jìn)，評(píng)估智能配電網(wǎng)建設(shè)效果變得十分重要。對(duì)智能配電網(wǎng)的建設(shè)效果進(jìn)行評(píng)估，可以發(fā)掘電網(wǎng)建設(shè)中的優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，為智能配電網(wǎng)的規(guī)劃和發(fā)展提供指導(dǎo)建議。由于智能配電網(wǎng)是一個(gè)嶄新的課題，智能配電網(wǎng)評(píng)估方面的研究幾乎沒有，而關(guān)于智能電網(wǎng)的評(píng)估研究也微乎其微。文獻(xiàn)[11]最早提出了IBM建立的評(píng)估智能電網(wǎng)的成熟度模型，并指出智能電網(wǎng)具有多指標(biāo)自趨優(yōu)特性，為智能電網(wǎng)評(píng)估研究打下良好基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[12]率先開展了智能電網(wǎng)評(píng)估體系研究，并初步建立了智能電網(wǎng)的評(píng)估體系。文獻(xiàn)[13]重點(diǎn)紹了美國智能電網(wǎng)的評(píng)估模型，并對(duì)美國智能電網(wǎng)的評(píng)估指標(biāo)和評(píng)估方法進(jìn)行了認(rèn)真分析。

本文在認(rèn)真吸取國內(nèi)外智能電網(wǎng)評(píng)估研究經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，全面分析了我國智能配電網(wǎng)建設(shè)的主要目標(biāo)和主要特性，結(jié)合國內(nèi)外智能配電網(wǎng)研究和建設(shè)的最新發(fā)展趨勢(shì)，通過有機(jī)地整合經(jīng)濟(jì)性、可靠性、安全性、靈活性、協(xié)調(diào)性、經(jīng)濟(jì)性等各方面，構(gòu)建了適合我國智能配電網(wǎng)的多指標(biāo)綜合評(píng)估體系初步框架，并量化和定義了部分重要指標(biāo)，用于整體的評(píng)估智能配電網(wǎng)發(fā)展情況，以期能為今后的研究起到拋磚引玉的作用。

1 智能配電網(wǎng)評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建總體思路

1.1 評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建原則

評(píng)估指標(biāo)是智能配電網(wǎng)評(píng)估指標(biāo)體系的基礎(chǔ)，為了能夠準(zhǔn)確、有效地反映智能配電網(wǎng)的發(fā)展情況，在設(shè)計(jì)評(píng)估指標(biāo)時(shí)應(yīng)該遵循以下原則[14～15]: (1) 具有準(zhǔn)確性和規(guī)范性; (2) 具有可測(cè)量或可操作性; (3)方便周期性的監(jiān)測(cè);(4)具有客觀性和全面性。

1.2 評(píng)估指標(biāo)體系構(gòu)建思路

智能配電網(wǎng)研究的四大目標(biāo)[16～20]包括:

(1)提高電網(wǎng)安全性和可靠性。我國能源分布與能源需求總體上呈逆向分布，發(fā)展大規(guī)模、遠(yuǎn)距離輸電，構(gòu)建大規(guī)模電網(wǎng)不可避免;隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大、電網(wǎng)復(fù)雜程度加劇，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定面臨巨大的挑戰(zhàn)。需要依靠先進(jìn)的輸變電技術(shù)，提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定水平。

(2)電網(wǎng)的協(xié)調(diào)安全與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。我國電力需求增長空間巨大，但一次能源缺乏且能源結(jié)構(gòu)嚴(yán)重不合理;隨著中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，土地資源緊張問題也日趨嚴(yán)重，增加了線路走廊和站址選擇的困難。需要采用先進(jìn)的輸變電技術(shù)，提高電網(wǎng)運(yùn)行效率，提高土地和空間資源的利用率。

(3)提升電網(wǎng)接納新能源的能力。促進(jìn)清潔能源、可再生能源的發(fā)展，是智能電網(wǎng)的目標(biāo)之一。我國風(fēng)電和光伏發(fā)電分布集中，且大多處于邊遠(yuǎn)地區(qū)，需要通過輸變電系統(tǒng)遠(yuǎn)送。另一方面，由于電源整體上以火電為主，缺少水電、燃?xì)獾瓤焖僬{(diào)節(jié)電源，風(fēng)電、光伏發(fā)電等可再生能源存在的間歇性、波動(dòng)性特點(diǎn)會(huì)對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重的沖擊和影響，使電網(wǎng)結(jié)構(gòu)薄弱和電源的結(jié)構(gòu)性矛盾愈加突出，電網(wǎng)規(guī)劃和運(yùn)行面臨巨大的挑戰(zhàn)。

(4)提高電網(wǎng)資產(chǎn)的利用率。

電網(wǎng)企業(yè)是資金密集型企業(yè)，同時(shí)資產(chǎn)較分散，資產(chǎn)使用部門多，使用地點(diǎn)范圍大。同時(shí)結(jié)構(gòu)分類復(fù)雜，覆蓋面大，另外電網(wǎng)資產(chǎn)通常數(shù)量多，金額大，更新快。公開資料顯示，美國電網(wǎng)資產(chǎn)利用率為55%，日本達(dá)60%以上，北歐國家正朝著70%左右的利用率努力，而中國電網(wǎng)資產(chǎn)利用率還不到35%。因此，我國在資產(chǎn)利用與管理上還有很大的提高空間。

此外，智能配電網(wǎng)發(fā)展還將產(chǎn)生一系列社會(huì)效益。智能配電網(wǎng)的建設(shè)是一個(gè)多目標(biāo)、全過程、多維度的復(fù)雜系統(tǒng)工程，因此，智能配電網(wǎng)評(píng)估指標(biāo)體系也是一個(gè)多層次的指標(biāo)體系。為全面評(píng)估智能配電網(wǎng)發(fā)展情況，指標(biāo)體系采用分層框架結(jié)構(gòu)。根據(jù)智能配電網(wǎng)的特性和研究目標(biāo)，圍繞用戶、負(fù)荷、設(shè)備、效益等影響智能配電網(wǎng)發(fā)展的內(nèi)外在因素，從可靠性和電能質(zhì)量、發(fā)展靈活性、協(xié)調(diào)性和互動(dòng)性、設(shè)備利用率和技術(shù)裝備水平以及經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效益5個(gè)方面分別進(jìn)行指標(biāo)設(shè)計(jì)。其中，供電可靠性和電能質(zhì)量指標(biāo)用來評(píng)估配電網(wǎng)安全可靠性水平;發(fā)展靈活性、協(xié)調(diào)性和互動(dòng)性指標(biāo)用來評(píng)估智能電網(wǎng)發(fā)展的可持續(xù)性;設(shè)備利用效率和技術(shù)裝備水平指標(biāo)用來評(píng)估智能電網(wǎng)資產(chǎn)情況;經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效果指標(biāo)用來評(píng)估智能電網(wǎng)運(yùn)營效益。

2 可靠性和安全性指標(biāo)設(shè)計(jì)

滿足供電可靠性和電能質(zhì)量要求是智能配電網(wǎng)建設(shè)的主要任務(wù)之一。智能配電網(wǎng)供電可靠性是指在滿足電網(wǎng)供電安全性準(zhǔn)則的前提下，對(duì)用戶連續(xù)供電的可靠程度。電能質(zhì)量是反映供電企業(yè)管理水平的重要標(biāo)志，主要通過電壓水平來衡量。相關(guān)評(píng)估指標(biāo)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 供電可靠性和電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)Fig.1 Supply reliability and power quality assessment indicators

2.1 可靠性指標(biāo)

(1)供電自愈率

供電愈率指標(biāo)描述了配電網(wǎng)在減少故障停電方面的自愈能力，自愈能力強(qiáng)的配電網(wǎng)其供電可靠性則高。該指標(biāo)可用供電故障自愈率和用戶平均故障自愈次數(shù)來衡量[21]。

a．供電故障自愈率

“每次故障影響的戶數(shù)”指故障影響范圍內(nèi)線路連接的用戶數(shù);而“每次故障自愈的戶數(shù)”是故障影響范圍內(nèi)連接的用戶數(shù)與實(shí)際遭受停電戶數(shù)之差。

b．用戶平均故障自愈次數(shù)

(2)自愈速度

該指標(biāo)可以用來量化描述智能配電網(wǎng)的自愈能力。自愈速度描述了智能配電網(wǎng)對(duì)3 min之內(nèi)短時(shí)停電與電壓驟降的自愈恢復(fù)功能。自愈速度越快，就意味著電網(wǎng)裝備投入越大，因此針對(duì)具體的配電網(wǎng)，要從滿足用戶負(fù)荷要求出發(fā)，選擇適中的自愈速度。

(3)持續(xù)電壓間斷頻率

該指標(biāo)用來反映持續(xù)時(shí)間3 min以上的電壓間斷，并以小時(shí)作為停電時(shí)間的計(jì)量單位。

(4)柔性設(shè)備可用系數(shù)

該指標(biāo)用來反映固態(tài)切換開關(guān)、靜止同步補(bǔ)償器、有源電力濾波器、動(dòng)態(tài)電壓恢復(fù)器、統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器等設(shè)備的可利用程度，計(jì)算公式如下:

2.2 安全性指標(biāo)

電壓合格率

該指標(biāo)適用于各級(jí)配電網(wǎng)絡(luò)，是衡量向用戶供電質(zhì)量的重要依據(jù)，共分為 A，B，C，D四類。根據(jù)配電網(wǎng)電壓等級(jí)的不同，高壓配電網(wǎng)采用A，B類電壓合格率;中低壓配電網(wǎng)采用C，D類電壓合格率。某監(jiān)測(cè)點(diǎn)電壓合格率指標(biāo)的計(jì)算公式如下:

式中:VA，VB，VC，VD分別表示 A，B，C，D類電壓合格率。

3 發(fā)展適應(yīng)性、協(xié)調(diào)性和互動(dòng)性指標(biāo)設(shè)計(jì)

智能配電網(wǎng)發(fā)展適應(yīng)性、協(xié)調(diào)性和互動(dòng)性是保證智能配電網(wǎng)建設(shè)方案具備可持續(xù)能力的基本要求。智能配電網(wǎng)負(fù)荷的波動(dòng)性，要求其對(duì)電網(wǎng)各個(gè)元件故障后電網(wǎng)接線保持一定的變化適應(yīng)性。考慮到智能配電網(wǎng)本身也是一個(gè)有機(jī)的整體，配電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展還應(yīng)保持輸配電網(wǎng)之間以及配電網(wǎng)各層級(jí)之間的相互協(xié)調(diào)。相關(guān)評(píng)估指標(biāo)的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 發(fā)展適應(yīng)性、協(xié)調(diào)性和互動(dòng)性評(píng)估指標(biāo)Fig.2 The development of adaptability and coordination evaluation index

3.1 發(fā)展適應(yīng)性指標(biāo)

(1)智能配電網(wǎng)變電容載比

該指標(biāo)適用于110(66)kV，35 kV高壓配電網(wǎng)，是說明地區(qū)總變電容量對(duì)負(fù)荷增長適應(yīng)程度的宏觀性控制指標(biāo)，計(jì)算公式如下:

(2)供電能力充裕度

該指標(biāo)可反映電網(wǎng)適應(yīng)電力負(fù)荷變化的能力，計(jì)算公式如下:

3.2 協(xié)調(diào)性指標(biāo)

(1)智能輸配電網(wǎng)變電容量比

該指標(biāo)用來評(píng)估高壓配電網(wǎng)與上一級(jí)主干網(wǎng)在變電容量方面的協(xié)調(diào)性，計(jì)算公式如下:

其中，高壓配電網(wǎng)變電容量是指110(66)kV、35 kV配電網(wǎng)的變電容量之和;上一級(jí)主干網(wǎng)變電容量是指與高壓配電網(wǎng)相鄰的上一級(jí)電網(wǎng)的變電容量，一般為220 kV電網(wǎng)變電容量之和。計(jì)算該指標(biāo)時(shí)，應(yīng)計(jì)入用戶變?nèi)萘俊?/p>

(2)高中壓智能配電網(wǎng)變電容量比

該指標(biāo)用來反映35kV及以上高壓配電網(wǎng)與10(20)kV中壓配電網(wǎng)在變 (配)電容量上的相互協(xié)調(diào)。計(jì)算該指標(biāo)時(shí)，應(yīng)計(jì)入用戶變?nèi)萘俊Ｓ?jì)算公式如下:

3.3 互動(dòng)性指標(biāo)

該指標(biāo)主要考慮信息互聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)性，反映配電自動(dòng)化系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的信息交互能力。由于電網(wǎng)與用戶雙向互動(dòng)式智能配電網(wǎng)中的高級(jí)配電網(wǎng)自動(dòng)化與目前配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)的主要區(qū)別之一，因此選用高級(jí)配電網(wǎng)自動(dòng)化技術(shù)普及率指標(biāo)來衡量。

4 設(shè)備利用效率和技術(shù)裝備水平的指標(biāo)設(shè)計(jì)

智能配電網(wǎng)設(shè)備利用效率和技術(shù)裝備水平是反映智能配電網(wǎng)資產(chǎn)情況的重要屬性。智能配電網(wǎng)設(shè)備利用效率是配電網(wǎng)整體運(yùn)行效率的重要體現(xiàn)，是配電資產(chǎn)壽命期內(nèi)自身價(jià)值得以充分發(fā)揮的重要標(biāo)記。智能配電網(wǎng)技術(shù)裝備水平是實(shí)現(xiàn)企業(yè)優(yōu)質(zhì)供電、提升企業(yè)服務(wù)效率的主要手段，相關(guān)評(píng)估指標(biāo)的體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 設(shè)備利用效率和技術(shù)裝備水平評(píng)估指標(biāo)Fig.3 Equipment and technical equipment efficiency evaluation indicators

4.1 設(shè)備利用效率指標(biāo)

(2)主變負(fù)載率分布

該指標(biāo)適用于110(66)kV、35 kV高壓智能配電網(wǎng)，用來反映主變?cè)O(shè)備年最大負(fù)載率的分布情況，可按負(fù)載率30%及以下，30% ～60%，60%～90%以及90%以上四檔分別統(tǒng)計(jì)主變臺(tái)數(shù)在相應(yīng)區(qū)間所占的比例情況。

(3)智能需求側(cè)管理系統(tǒng)應(yīng)用

應(yīng)用智能需求管理系統(tǒng)，依靠電價(jià)引導(dǎo)降低高峰負(fù)荷，提高電網(wǎng)設(shè)備的利用率和發(fā)電效率。

4.2 技術(shù)裝備水平指標(biāo)

(1)智能化配電網(wǎng)容量比

該指標(biāo)反映智能配電網(wǎng)的推廣應(yīng)用水平，計(jì)算公式如下:

(2)配電自動(dòng)化終端覆蓋率

該指標(biāo)適用于10(20)kV中壓配電網(wǎng)，用來分析配電自動(dòng)化與設(shè)備利用的關(guān)系，計(jì)算公式如下:

式中，具有“兩遙”及以上功能的開關(guān)是指具有“兩遙” (“遙測(cè)”、 “遙信”)功能的開關(guān)或具有“三遙”(“遙測(cè)”、“遙信”、“遙控”)功能的開關(guān)。

(3)智能化變電站容量比

該指標(biāo)反映智能變電站的推廣應(yīng)用水平，計(jì)算公式如下:

(4)分布式能源裝機(jī)容量比

該指標(biāo)是指配電網(wǎng)中的分布式能源的系統(tǒng)容量和能力。計(jì)算公式如下:

(5)智能電表應(yīng)用率

該指標(biāo)指在所評(píng)估電網(wǎng)區(qū)域內(nèi)安裝的智能電表數(shù)與總電表數(shù)的比率。

(6)變電一次設(shè)備智能化率

變電一次設(shè)備是指直接與高壓側(cè)有關(guān)的所有設(shè)備，含變壓器、隔離開關(guān)、斷路器、互感器等。計(jì)算公式如下:

5 經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)性指標(biāo)設(shè)計(jì)

經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)性是推動(dòng)智能配電網(wǎng)健康發(fā)展的內(nèi)在動(dòng)力和外部要求。通過對(duì)智能配電網(wǎng)建設(shè)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，可以提高智能電網(wǎng)建設(shè)項(xiàng)目決策的科學(xué)化水平、充分發(fā)揮項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益、保證供電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)生命力。同時(shí)，智能電網(wǎng)建設(shè)發(fā)展的好壞對(duì)改善社會(huì)民生、促進(jìn)社會(huì)和諧、提高優(yōu)質(zhì)供電服務(wù)水平等方面具有重要的影響力。相關(guān)評(píng)估指標(biāo)的體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效果評(píng)估指標(biāo)Fig.4 Economic and social impact assessment indicators

5.1 經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

(1)線損率

該指標(biāo)適用于智能電網(wǎng)各電壓等級(jí)，是電力部門考核的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是反映電網(wǎng)經(jīng)營管理水平的一項(xiàng)綜合性技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，計(jì)算公式如下:

(2)單位投資供電量

該指標(biāo)用于反映智能配電網(wǎng)凈資產(chǎn)總額對(duì)供電量收益情況，計(jì)算公式如下:

(3)電網(wǎng)投入產(chǎn)出比

該指標(biāo)用來反映智能配電網(wǎng)建設(shè)所投入資金的回報(bào)程度，計(jì)算公式如下:

5.2 社會(huì)性指標(biāo)

(1)節(jié)能減排量

該指標(biāo)包括溫室氣體減排和固體廢物減排。溫室氣體減排反映通過智能電網(wǎng)建設(shè)，發(fā)電廠減排溫室氣體量占總排放氣體的比率，包含碳氧化物、硫化物和氮氧化物。固體廢物減排反映通過智能電網(wǎng)建設(shè)，使發(fā)電廠減少固體廢棄物排放量占總固廢排放量的比率。

(2)清潔能源滲透率

該指標(biāo)用來反映通過智能電網(wǎng)建設(shè)，水能、風(fēng)能、太陽能、生物能等可再生清潔能源發(fā)電量占總發(fā)電量的比率，計(jì)算公式如下:

6 結(jié)論及建議

本文根據(jù)構(gòu)建指標(biāo)體系的基本原理，從可靠性和電能質(zhì)量、發(fā)展靈活性、協(xié)調(diào)性和互動(dòng)性、設(shè)備利用率和技術(shù)裝備水平以及經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)效益5個(gè)方面設(shè)計(jì)評(píng)估指標(biāo)，并給出了部分主要指標(biāo)的量化公式。該評(píng)估指標(biāo)體系較為系統(tǒng)、全面，但也存在數(shù)據(jù)獲得以及指標(biāo)體系的定量評(píng)估等問題。在下一步工作中，有必要結(jié)合我國智能電網(wǎng)發(fā)展特性，進(jìn)一步完善評(píng)估指標(biāo)體系，確定指標(biāo)的合理閾值，增強(qiáng)量化評(píng)估的可操作性以及對(duì)智能配電網(wǎng)發(fā)展建設(shè)的指導(dǎo)作用。此外，應(yīng)當(dāng)深入研究建立綜合量化的智能配電網(wǎng)發(fā)展評(píng)估方法，統(tǒng)籌兼顧各指標(biāo)間的內(nèi)在聯(lián)系和相互制約，全面衡量智能配電網(wǎng)發(fā)展水平。

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