配电网设备利用率评价标准与提升措施

第 38 卷 第 2 期 电 网 技 术 Vol 38 No 2 2014 年 2 月 Power System Technology Feb 2014 文章编号 1000 3673 2014 02 0419 05 中图分类号 TM 72 文献标志码 A 学科代码 470 4051 配电网设备利用率评价标准与提升措施 刘洪 1 杨卫红2 王成山1 胡斌2 曹磊1 王哲2 1 智能电网教育部重点实验室 天津大学 天津市 南开区 300072 2 国网北京经济技术研究院 北京市 宣武区 100052 Assessment Criteria and Improvement Measures of Equipment Utilization on Distribution Network LIU Hong1 YANG Weihong2 WANG Chengshan1 HU Bin2 CAO Lei1 WANG Zhe2 1 Key Laboratory of Smart Grid Tianjin University Ministry of Education Nankai District Tianjin 300072 China 2 State Power Economic Research Institute Xuanwu District Beijing 100052 China ABSTRACT In allusion to the lack of the method to assess equipment utilization on distribution network a method is proposed to establish assessment criteria of equipment utilization on medium voltage distribution system and its improvement measure Firstly from two aspects of equipments and network the concept of equipment utilization on distribution network is defined and the interrelation between the two aspects is analyzed in depth secondly using the concept of power supply capacity and research results on it as reference through the research on N x guideline network structure load characteristics and development margin and other factors a method to calculate the assessment criteria of equipment utilization on distribution network is proposed and according to actual features of different regions a differentiated assessment criteria is drafted finally considering specific impacts of relevant factors some measures to improve equipment utilization are given and the thinking and method to assess the comprehensive benefits from the improvement measures of equipment utilization are researched This research can provide basic technique to assess present situation and planning programs of distribution network the recent renovation scheme and to put forward advanced project for distribution network KEY WORDS medium voltage distribution system equipment utilization power supply capacity assessment criterion 摘要 针对当前配电设备利用效率缺乏评价手段的问题 提 出了中压配电网设备利用率的评估标准与提升措施 首先 从设备和网络 2 个角度 对配电网设备利用率的概念进行了 定义 并深入分析了 2 者之间的相互关系 其次 借鉴配电 网供电能力的概念与成果 通过 N x 准则 网络结构 负荷特性及其发展裕度等影响因素的研究 提出了配电网设 基金项目 国家自然科学基金项目 51107085 Project Supported by National Natural Science Foundation of China 51107085 备利用率评价标准的计算方法 并针对不同地区的实际特 点 制定了差异化的评价标准 最后 结合相关因素的具体 影响 提出了设备利用效率的提升措施 并研究得出设备利 用效率提升措施的综合效益评估思路与方法 研究成果可为 配电网现状和规划方案的评价 近期改造方案和远景规划方 案的提出等工作提供基本的技术手段 关键词 中压配电网 设备利用率 供电能力 评价标准 DOI 10 13335 j 1000 3673 pst 2014 02 023 0 引言 作为电力系统中直接面向终端用户的环节 配 电系统直接关系着用户的用电可靠性和用电质量 在电力系统中具有重要的地位 多年来 供电企业 通常利用 三率 来衡量配电系统性能的好坏 1 4 即反映供电持续性的可靠率 反映运行经济性的线 损率 反映供电质量的电压合格率 但是用于反映 电网建设经济性的指标及其相关的评估方法却未 能受到充分关注 从而造成当前电网设备利用率偏 低 5 统计数据显示 美国电网的设备平均负载率 不足 55 5 我国更是不足 35 6 另一方面 近 十年来 我国用于配电系统建设改造的费用已达上 万亿元 而今后的投资还将增大 7 若能在保障电 网供电可靠性和电能质量的前提下有效提升设备 利用效率 则可大幅节约电网的投资 因此 开展 配电系统设备利用效率及其经济性评估方法研究 具有十分重要的意义 针对设备利用率的相关研究 目前大多集中于 其他行业 8 10 电网方面的相关研究相对较少 文 献 11 重点研究了配电系统供电能力的精确计算方 法 并提出 设备利用率可以广义地理解为配电设 备能达到的最大负载率 以及在满足一定安全准 则的条件下 配电网达到最大供电能力时相应设备 420 刘洪等 配电网设备利用率评价标准与提升措施 Vol 38 No 2 也达到它的最大利用水平 由此可知 配电网设备 利用率与网络供电能力具有十分紧密的联系 当前已有部分文献对配电网供电能力评估问 题进行了深入研究 不仅提出了准确的评估方 法 11 13 而且涉及了基于供电能力的网架结构优化 问题 14 17 这些均为配电系统设备利用率及其经济 评估方法的研究奠定了坚实的基础 但是 当前研究也存在以下不足 1 没有明 确界定设备负载率与设备利用率之间的区别与联 系 2 缺乏针对设备利用率的极限值 合理值及 其所满足的安全准则之间关系的分析 3 不能全 面地提出设备利用率的直观影响因素与量化提升 措施 4 缺少设备利用率提升措施的效益分析 为此 本文首先明确阐述设备利用率的定义 及相关名词之间的关系 然后通过影响因素的综 合分析 构建配电网设备利用率的评价标准 进 而以提升设备利用率为目标 提出配电系统网架 结构方面的量化提升措施与经济效益评估方法 1 电网设备利用率的定义 从其他行业的相关经验不难得出 设备利用率 应从数量 时间和能力等诸多方面进行衡量 8 10 但对于电力行业而言 设备数量和时间等方面的利 用已经利用设备可用率与故障率等指标来进行衡 量 并且当前的衡量方法简单有效 相应的统计与 管理也已比较成熟 与此同时 设备能力的利用虽 然也受到各级电网规划与运行人员的重视 但相应 的衡量方法却并不成熟 本文将着重探讨设备能力 的利用效率问题 定义 1 设备极限负载能力 主要指因设备 自身的设计与制作工艺而使得设备在正常运行状 态下所能承受的最大负荷 定义 2 设备极限负载能力利用率 是指电 网设备实际所带负荷与其极限负载能力的比值 通过上述定义可知 电网设备极限负载能力利 用率即为设备负载率 反映了设备极限负载能力的 利用水平 这与其他行业设备利用率的定义类似 但是 受用户需求影响 为保障供电可靠性 配电 网往往需满足 N x 安全准则 即不仅要采用有备 用的接线形式 还要保障故障时刻的负荷转供 因 此正常运行时配电网设备负载率一定远低于 100 显然 在衡量设备能力利用效率时若采用电力设备 绝对利用率指标则不能以达到 100 作为衡量标准 另一方面 由于负荷具有一定的波动性 同时 负荷发展也具有一定的随机性 因而对于设备利用 率的评价标准还应考虑到时间尺度的影响 2 配电网设备利用率评价标准 2 1 配电网设备利用率影响因素 设备极限负载能力利用率的最佳水平可以由 设备最佳负载能力来描述 定义 3 设备最佳负载能力 主要指考虑一 定的安全可靠原则 网络结构 负荷特性及其发展 条件下设备所能承受的最大负荷 显然 上述概念主要是从电网规划层面来考虑 的 另一方面 设备最佳负载能力和实际利用水平 也应满足各类设备经济运行区间的约束 以保证规 划与运行能够相互协调 通常 设备最佳负载能力 小于设备极限负载能力 除去设备经济运行区间外 电网设备最佳负载 能力取决于 3 个因素 1 电网所需满足的安全准 则 2 负荷特性 3 电网为负荷发展所留有的裕 度 3 个因素之间相对比较独立 故可分别针对各 个因素的影响来研究电网设备利用率的评价标准 2 2 N x 准则的影响 基于安全可靠供电的需求 配电网通常需要满 足 N x 安全准则 当前最常用的是 N 1 安全 准则 18 即系统的 N 个元件中的任一独立元件发生 故障而被切除后 应不造成因其他线路过负荷跳闸 而导致用户停电 显然 在满足 N x 安全准则的情况下 设 备联络对象越多 故障时每个对象分担的负荷就越 少 每个设备正常运行时所能带的负载就越大 即 设备最佳负载能力越大 另一方面 N x 安全准 则中 x 的数值越大 则系统需要提供的备用容量越 多 设备最佳负载能力将有所下降 由于各级配电网联络关系的不同 各级配电网 最佳负载能力的具体分析方式也具有较大区别 1 中压配电线路 在满足 N 1 准则的情况下 中压配电线路 最佳负载能力与接线模式的对应关系见表 1 表 1 中压配电线路最佳负载能力 N 1 准则 Tab 1 Optimal load capacities of medium voltage distribution lines N 1 criterion 联络对象线路条数 接线模式 最佳负载能力 线路容量 1 架空单联络 电缆单环网 50 2 架空多分段 2 联络 电缆 3 1 主备 66 7 3 架空多分段 3 联络 电缆 4 1 主备 75 注 单辐射线路不满足 N 1 准则 与表中所列的接线模式不具 备可比性 第 38 卷 第 2 期 电 网 技 术 421 由表 1 可知 采用单联络 单环网 接线模式的 中压配电线路的最佳负载能力是线路容量的 50 而采用多分段 3 联络 4 1 主备接线 的中压配电 线路的最佳负载能力可达到线路容量的 75 2 高压变电站 作为中压配电网的电源 高压变电站若可实现 坚强的站间联络 则可以为站内主变压器退运时的 负荷转供提供更多的联络通道 进而提升正常运行 状态下主变压器的最佳负载能力 15 在联络容量较 为充足的情况下 若需满足 N 1 和 N 2 准 则 高压变电站中主变压器的最佳负载能力与互联 变电站座数及站内主变台数之间的对应关系 15 如 表 2 所示 表 2 变电站主变最佳负载能力 Tab 2 Optimal load capacities of main transformers 互联变电站 互联模型 主变台数 最佳负载能力 主变容量 N 1 准则 N 2 准则 2 座互联 2 75 50 3 83 33 66 67 3 座互联 2 82 50 66 67 3 88 89 75 71 4 座互联 2 86 75 3 91 67 80 由表 2 可知 当变电站站间联络容量较为充足 且需保障 N 1 准则时 采用 2 座站互联方式的 变电站的主变最佳负载能力为主变容量的 75 而 若可实现 4 座站紧密互联 则主变最佳负载能力可 达到主变容量的 91 67 需要说明的是 表 1 和表 2 中的数值仅为最大 负荷时刻且不考虑其他因素影响的条件下 设备所 能承受的最大负荷 其他因素的影响需在此基础上 进行进一步研究 2 3 负荷特性的影响 现行的配电网规划技术原则均以满足最大负 荷时刻的安全可靠供电为目标 即在最大负荷时刻 电网设备的最佳负载能力应为表 1 和表 2 所示的数 值 但是 受负荷特性的影响 负荷随着时间变化 的波动性非常明显 全年中最大负荷只出现极少的 时间内 因而 针对电网设备最佳负载能力的考察 也应随着时间与负荷的变化而变化 对于负荷而言 负荷率 负荷系数 19 20 基本描 述了某一周期内 如全年 平均负荷与周期内最大负 荷 对应于某一时间断面 之间的关系 本文也借助 这一指标来确定考虑全年平均负荷的电网设备最 佳负载能力与考虑最大负荷时刻电网设备最佳负 载能力之间的关系 avgavg maxmax ll ll BL BL 1 式中 avgl B 和 maxl B 分别为考虑全年平均负荷和最 大负荷的电网设备最佳负载能力 avgl L 和 maxl L 分别为电网全年平均负荷和最大负荷 为负荷率 2 4 负荷发展的影响 受负荷预测准确性和市政用地与通道走廊批 复周期的影响 电网供电能力或设备利用效率往往 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 显然 由于各地区发展规划 经济增速与政策 执行力均有所不同 所留裕度必将体现这一差异 所以电网设备最佳负载能力也将有所区分 0 1 n n BB 2 式中 0 B和 n B分别为考虑负荷发展前后电网设备 最佳负载能力 为区域负荷增速 n 为留有裕度 的时间 a 2 5 设备最佳负载能力计算 综合以上因素可知 电网设备最佳负载能力应 由下式得出 R 1 nBb 3 式中 B 为设备实际最佳负载能力 bR为只考虑可 靠性和网络结构的设备理论最佳负载能力 取值结 果如表 1 2 所示 与 n 见式 2 为时间系数 分别描述不同时间考察对象所对应的参数 详见2 3 节 具体结果如下 1 评估全年最大负荷时 评估全年平均负荷时 4 由于设备最佳负载能力是在满足安全可靠原 则 网络结构 负荷特性及其发展条件下确定的 因而 设备利用效率的评价准则应为 1 设备利用率越接近最佳负载能力 设备利 用就越高效 否则设备未被充分利用 2 设备利用效率小于设备最佳负载能力 若此 条件不被满足 则无法保障网络的安全可靠供电 2 6 设备利用率评价标准实例分析 本文选取城市核心区 工业新区和城郊结合区 这 3 类地区开展设备利用率评价标准的分析 各类 区域在所需满足的安全供电准则 负荷特性与负荷 发展速度等方面的边界条件有较大差异 因而通过 式 1 4 所计算得出的设备最佳利用能力见表 3 由表 3 可知 对于最大负荷时刻而言 变电站 主变的最佳负载能力大约处于 50 60 之间 线 路的最佳负载能力为 35 50 之间 对于全年平 422 刘洪等 配电网设备利用率评价标准与提升措施 Vol 38 No 2 表 3 设备最佳负载能力实例分析 Tab 3 Case study on equipment optimal load capacities 区域 类型 安全 准则 负荷 率 负荷 增速 预留 年限 a 设备最佳负载能力 最大负荷 平均负荷 变压器 线路 变压器 线路 城市核心区 N 1 1 0 5 5 3 4 55 60 40 55 27 30 20 28 工业新区 N 1 0 7 20 2 3 50 60 35 40 35 42 25 30 城郊结合区 N 1 0 6 10 1 2 50 60 35 40 20 25 20 25 均状态而言 变电站主变的最佳负载能力大约处于 20 40 之间 线路的最佳负载能力为 20 30 不同类型区域均受不同因素的制约而使得设备最 佳负载能力不可能达到较高水平 其中 城市核心 区需要较高的安全准则 同时土地资源也非常紧 张 造成配电设备需要预留较多的裕度 工业新区 需要为增速过快的负荷预留充足的设备容量 城郊 结合区受建设标准与投资的影响 供电范围较大 网络结构较为简化 设备最大利用效率相对偏低 3 设备利用率提升措施与效益 3 1 设备利用率提升措施 通过电网设备最佳负载能力影响因素的解析 可知 提升配电网设备利用率的措施主要包括以下 几个方面 1 加强配电网联络水平 提高变电站出线的 站间联络率 在确保接线标准化与转供清晰化的同 时 提升配电线路的多联络率 2 提高配电网负荷率 增加配电线路所带负 荷的多元化 缩小负荷的自然峰谷差 合理接入分 布式电源 开展微电网建设和智能用电交互管理 促进分时 实时电价的实施 通过技术手段进行削峰 填谷 3 减小负荷发展的影响 提高负荷预测的准 确性 加强政府与电力部门的沟通 提高电力设施 用地与通道审批效率 在保障负荷供应的前提下 有效降低为负荷发展所留有的裕度 3 2 利用率提升措施的投入产出分析 电网设备利用率问题将全面影响电网资产的 建设和运行费用 较高的电网设备利用率 将大幅 降低为满足单位负荷供电所需的固定资产 进而节 约大量的电网建设成本 以变电站建设为例 在极 端情况下 为保障主变 N 1 校验 互不相连的 2 座变电站的主变利用率只能达到其容量的 50 而若可实现站间紧密联络 则由表 2 可知利用率可 达到 75 这就意味着 原来需要投入 3 座站方可 满足供电需求的区域 在通过站间联络的加强后只 需 2 座站即可实现负荷的供应与转供需求 考虑到 现今城市土地资源的稀缺性 节约变电站数量的效 益将更加明显 当然 实际区域的变电站不可能完 全互不相连 但通过上述分析 也可初步得出变电 站出线的站间互联所带来的效果 同时 网络结构 的变化 也将改变配电网的有功损耗等运行费用 另一方面 实施设备利用效率提升措施也需要 一定的投入 仍以变电站为例 欲实现上述效果 则需考虑将原本站内互联的线路改造为站间互联 这也需要增加线路建设与通道走廊的占用 4 结语 设备利用率是衡量电网建设经济性的重要指 标 以往并未受到足够的重视 通过电网规划 设 计 运行等诸多关键的改善 均可对设备利用率产 生重要影响 进而起到节约投资和土地资源的作用 本文针对中压配电网设备利用率开展研究 在 设备利用率的定义 影响因素分析 评价标准制定 提升措施提出 效益评估等方面得到了一系列实用 化成果 基于本文工作 可以在配电网规划方案的 评估中得到更为全面的考核结论 并且通过进一步 的方案综合效益评估等工作 可以更为有效地实现 可靠性与经济性的平衡 进而得到最佳方案 参考文献 1 张勇军 石辉 翟伟芳 等 基于层次分析法 灰色综合关联及多 灰色模型组合建模的线损率预测 J 电网技术 2011 35 6 71 76 Zhang Yongjun Shi Hui Zhai Weifang et al Line loss rate prediction based on combinatorial modeling by analytic hierarchy process gray comprehensive relationship and multi grey models J Power System Technology 2011 35 6 71 76 in Chinese 2 颜伟 高强 余娟 等 输电网络的分层分区电压无功调节方法 J 电网技术 2011 35 2 71 77 Yan Wei Gao Qiang Yu Juan et al An algorithm for hierarchical and partitioned regulation of voltage and reactive power in transmission network J Power System Technology 2011 35 2 71 77 in Chinese 3 常鲜戎 张亮平 基于扩展功率方程的网损微增率算法 J 电网 技术 2012 36 6 148 151 Chang Xianrong Zhang Liangping An incremental network loss algorithm based on extended power equations J Power System Technology 2012 36 6 148 151 in Chinese 4 程林 焦岗 田浩 可靠性与经济性相协调的配电网规划方法 J 电网技术 2010 34 11 106 110 Cheng Lin Jiao Gang Tian Hao A method of distribution network planning with coordination of reliability and economics J Power System Technology 2010 34 11 106 110 in Chinese 5 余贻鑫 栾文鹏 智能电网评述 J 中国电机工程学报 2009 29 34 1 8 Yu Yixin Luan Wenpeng Smart grid and its implementations J Proceedings of the CSEE 2009 29 34 1 8 in Chinese 6 余贻鑫 曾沅 刘洪 等 中国工程院咨询研究报告 中国电网 智能化 柔性化技术发展战略 R 天津 天津大学 2010 7 王成山 刘洪 罗凤章 配电系统综合技术评价理论及其工程应 用 J 天津科技 2010 2 16 17 第 38 卷 第 2 期 电 网 技 术 423 Wang Chengshan Liu Hong Luo Fengzhang Technical evaluation theories on distribution systems and its engineering applications J Tianjin Science Technology 2010 2 16 17 in Chinese 8 刘向文 设备利用率在 I O 设备电源管理中的应用 J 电机工程 技术 2005 34 2 62 63 Liu Xiangwen Application of the device utilization ratio in I O device power management J Machine Development 2005 34 2 62 63 in Chinese 9 尹波 机械设备完好率及利用率计算方法分析 J 人民长江 2010 41 5 83 85 Yin Bo Analysis on computational methods of availability and utilization ratio of mechanical equipment J Yangtze River 2010 41 5 83 85 in Chinese 10 张红琳 陈国和 电工电子类仪器设备利用率计算方法研究 J 实验技术与管理 2010 27 1 161 163 Zhang Honglin Chen Guohe Study of the calculation of the utilization ratio of electrical and electronic instrument and equipment J Experimental Technology and Management 2010 27 1 161 163 in Chinese 11 刘洪 郭寅昌 葛少云 等 配电系统供电能力的修正计算方法 J 电网技术 2012 36 3 217 222 Liu Hong Guo Yinchang Ge Shaoyun et al A modified method to evaluate power supply capability of distribution system J Power System Technology 2012 36 3 217 222 in Chinese 12 葛少云 韩俊 刘洪 等 计及主变过载和联络容量约束的配电系统 供电能力计算方法 J 中国电机工程学报 2011 31 25 97 103 Ge Shaoyun Han Jun Liu Hong et al Power supply capability determination considering constraints of transformer overloading and tie line capacity J Proceedings of the CSEE 2011 31 25 97 103 in Chinese 13 肖峻 谷文卓 郭晓丹 等 配电系统供电能力模型 J 电力系 统自动化 2011 35 24 47 52 Xiao Jun Gu Wenzhuo Guo Xiaodan et al A supply capability model for distribution systems J Automation of Electric Power Systems 2011 35 24 47 52 in Chinese 14 肖峻 郭晓丹 王成山 等 基于供电能力的配电网联络有效性 评价与简化方法 J 电力系统自动化 2012 36 8 31 37 Xiao Jun Guo Xiaodan Wang Chengshan et al A TSC based evaluation and simplification method on tie lines of distribution networks J Automation of Electric Power Systems 2012 36 8 31 37 in Chinese 15 杨明海 刘洪 王成山 等 中压配电系统供电模型研究 J 北 京师范大学学报 自然科学版 2011 47 4 382 386 Yang Minghai Liu Hong Wang Chengshan et al Power supply model of medium voltage distribution system J Journal of Beijing Normal University Natural Science 2011 47 4 382 386 in Chinese 16 葛少云 何文涛 刘洪 等 中压配电系统供电模型综合评价 J 电力系统保护与控制 2012 40 13 104 109 Ge Shaoyun He Wentao Liu Hong et al Comprehensive evaluation of power supply model of medium voltage distribution system J Power System Protection and Control 2012 40 13 104 109 in Chinese 17 葛