CN108233358A - 基于均衡状态设备利用系数和负荷曲线的利用率评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于均衡状态设备利用系数和负荷曲线的利用率评价方法。以均衡状态得到的利用系数作为评价的基准，在计算负荷曲线的波动性的前提下，使用多个评价指标，计算设备利用系数，对配电网络的设备利用率进行评估。该评价方法通过各项运行约束计算得到了基于配电网络网架结构的评定基准值。使用最大值、平均值、标准差、平均值标准差比率的方法，得到评定的评估量,对一段时间内网络元件的运行状态进行了描述。通过对基准值的扩展，为不同元件、不同网络之间提供了相互比较的平台；通过对评估量的扩展，提升了在不同负荷类型下评价设备利用情况的准确性。

Description

基于均衡状态设备利用系数和负荷曲线的利用率评价方法

技术领域

本发明涉及一种评价方法，尤其是涉及一种基于均衡状态设备利用系数和负荷曲线的利用率评价方法。

背景技术

配电网络不仅需要安全可靠地对用户供电，还要满足对于其经济性和持续性的高要求。随着电网的快速发展与进步，电网质量和利用效率也越来越受到人们的重视。科学准确的评价配电系统的设备利用率，最大程度发挥现有设备的潜在能力，降低当前投资需求与延缓建设投资，对于提高电网发展质量和电力企业的经济效益，指导电网结构的改进和安全经济运行，具有十分重要的意义。

目前对于设备利用率的评价，主要用于在电网规划的过程当中，作为供电能力的一个侧面参与综合评价,还没有做到单独为设备的利用情况进行深入详细的分析。现有对于设备利用率的评价方法，把设备实际的最大负荷作为考察利用情况的评估量,把设备标称的额定容量作为考察利用情况的基准值,使用的是线路、变压器等元件的实际运行指标，如通过的电流，功率等作为评估量，与元件的额定运行指标，如额定电流，额定容量或极限容量做比较。

现有对于设备利用率的评价方法，是把设备实际的最大负荷作为考察利用情况的评估量,把设备标称的额定容量作为考察利用情况的基准值。由于负荷在不断地变化，设备的功率情况也在不停地发生改变，单一使用最大载荷情况描述元件的利用情况，不能反映出主体时间内元件的工作状态。而额定容量，是在电网规划阶段的指导下进行选择制定的，没有考虑实际运行中的约束条件，无法准确的反映出每个设备在不同运行方式下的使用效率，网络内的各个元件相互缺乏关联性，不能为达到某个运行指标而给出准确的量度，而位于不同网络之间的电网元件，相互之间也缺乏合理的对比评判的方法。本发明结合实际的运行状态和负荷曲线，使用设备利用系数来描述元件的利用情况，对电网设备的利用率进行综合评判。基于均衡状态设备利用系数和负荷曲线的利用率评价方法，在以往的利用率评价方法的基础上，分别对利用率的基准值与评估量进行扩展，使之能够真实反映设备的运行状态。

发明内容

本发明针对传统的元件利用率评价方法的不足，提出了一种基于均衡状态设备利用系数和负荷曲线的利用率评价方法。以均衡状态得到的利用系数作为评价的基准，在计及负荷曲线的波动性的前提下，使用多个评价指标，计算设备利用系数，对配电网络的设备利用率进行评估。该评价方法通过各项运行约束计算得到了基于配电网络网架结构的评定基准值。使用最大值、平均值、标准差、平均值标准差比率的方法，得到评定的评估量,对一段时间内网络元件的运行状态进行了描述。通过对基准值的扩展，为不同元件、不同网络之间提供了相互比较的平台；通过对评估量的扩展，提升了在不同负荷类型下评价设备利用情况的准确性。

本发明的有益效果是:

1、提出了基于均衡状态和负荷曲线的电网设备利用系数计算方法，使之能够真实反映设备在一段时间内的运行状态。

2、提出了配电网络元件利用情况综合评价方法，为寻找系统薄弱环节和充分利用电网设备提供了有效信息。

3、该电网设备利用率评价方法具有普适性，为不同元件、不同网络之间提供了相互比较的平台，为未来配电网利用率综合评估提供了一个很好的途径。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下对本发明进行进一步详细说明。

1、设备利用系数的基准值计算

(1)配电系统均衡利用状态的概念

均衡利用状态，是一种满足约束条件的潮流分布情况，这种情况下的网络同时追求两个目标：

1)尽可能高效的利用每个元件设备；

2)尽可能均衡的利用所有元件设备。

在该情况下，通过各元件的功率称为元件的均衡容量，网络中各个元件的载荷率称之为元件的均衡效率，则元件的额定容量或极限容量与均衡效率之积，即为均衡容量。

在追求载荷能力强的同时，兼顾均衡地利用电网中的元件，则不但有助于电网的安全与稳定运行，充分发挥资产的价值，并且可以减少重载与轻载的比率，增强电网的安全性，延长变压器等元件的使用寿命，间接的提升经济效益。

从配电网整体出发，得到一个高效均衡的利用网络中各个变压器与各条线路的状态，并以此作为评价具体元件设备的利用效率的基准值。这样，对于一个电网网架结构来讲，可以构成三个关于变压器与线路元件容量的集合{S_i|i∈E}、{Z_i|i∈E}、{R_i|i∈E}，并且满足Z_i＝S_i×C_i，其中i为各个变压器或线路的元件编号；E为网络中的元件集合，包含所有线路以及变压器；S为各个元件标称的额定容量或短时间内可以过载运行的极限容量；R为某一具体情况下，经过潮流计算得到的各个元件运行时通过的功率；Z与C分别为在均衡状态下的各个元件的均衡容量与均衡效率。

这样就可以通过三个元件容量的集合进行如下两方面的评价：

现有的关于元件i的设备利用率，是通过计算η_i＝R_i/S_i×100％得到的，相比于{S_i}而言，{Z_i}考虑了网络本身的结构问题以及运行中的限制条件，所以使用η_i＝R_i/Z_i×100％评价实际的运行状况，将更为合理与贴近实际，从而可以进行以下评估与比较：

1)可以对一种运行状态或一个时间断面下的各个元件的利用率进行电网内部各个元件的横向比较；

2)可以对同一元件在不同运行方式下的利用率，进行该元件的纵向比较；

3)可以按照元件的种类，即线路或变压器、按照电压等级以及按照对于元件的分区进行综合的比较评价。

在第一种比较情况下，通过找到利用系数相对较高或较低的元件，找到当前运行状态或时间断面下的相对重载或轻载的元件或区域，可以为调度工作的负荷转带的决策提供指导；

在第二种比较情况下，可以对某元件进行跟踪分析，考察不同的运行方式对元件的影响；

在第三种比较情况下，可以对配电网络的整体运行情况做出一定评估，实现不同配电网络之间的比较分析。

(2)配电系统均衡利用状态的目标函数

下面是均衡效率C的计算方法。在计算过程中，做出了如下两个最主要的假设：

1)配电网的负荷变化，不会影响到其上一级配电网或向其送电的输电网的安全与稳定性；

2)配电网的电源点没有电源供给的限制条件。

为了在计及静态安全“N-1”约束的条件下达到上面提出的两个目标，需要考虑同一配电网可能发生的不同预想事故情况，可以引入集合Ω，包含全部的单元件故障状态以及未发生故障的正常运行状态，因此，对应于状态k，可以表述为式(1-1)这样的数学优化问题：

maxL(C^(k))(1-M(C^(k))) (0.1)

其中，表示状态k时的电网元件均衡效率集合；L(C^(k))表示电网中所有元件的均衡效率的加权平均值；M(C^(k))为一个函数的线性组合表达式，如下所示：

M(C^(k))＝K_m(K_tF(C^(k))+(1-K_t1)G(C^(k))) (0.4)

其中，F₁(C^(k))至F_q(C^(k))为q个表示均衡程度的函数，K_t1,K_t2,...K_tq-1以及1-K_t1-K_t2-......-K_tq-1分别为其比例系数，本文选择了q＝2，如式(1.4)所示。F(C^(k))与G(C^(k))分别为元件均衡效率的方差函数与极差项；K_m＞0为目标函数中L(C^(k))与M(C^(k))两项的比例系数；0＜K_t＜1为F(C^(k))与G(C^(k))两项的比例系数；表示的是状态k时元件i的均衡效率的权重。

该权重需要根据元件的种类、额定容量、工程造价与维护费用、电压等级、地理位置以及对于网络互联的重要程度确定。其值的选定对于结果有直接的影响。因此需要提出以下几点权重设定原则：

1)额定容量大的元件，对网络的载荷能力重要性更强，需要适当加大权重；

2)工程造价和维护费用高的元件，对网络整体的经济性更加重要，需要设定与其匹配的权重；

3)电压等级高的元件，对网络的载荷能力、互联能力重要性更强，需要适当加大权重；

4)与辐射型配电网络叶节点直接相连的元件，对网络的互联能力重要性相对较低，可以适当减小权重；

5)与辐射网络根节点的电源直接相连的元件，应当适当加大权重，直接体现为考虑网络载荷能力的比重加大；

6)与网络中关键的枢纽点直接相连的元件，由于其位置对于联络关系的重要性，需要适当加大权重。

引入F(C^(k))与G(C^(k))两项是为了描述的偏差情况。为了达到高效利用与均衡利用电网元件的目标，引入了一个接受区间，以评估偏差情况，并对于不同的偏差情况进行区别处理。当偏差情况的大小在此区间之内的时候，认为是可以接受的，并将目标函数调整为主要追求更充分的利用电网中的各个元件；而当偏差超出限值的时候，目标函数将会调整为同时追求高效与均衡的利用电网中的各个元件。另外，当时，目标函数无法取得正值，即认为不均衡程度无法接受，这样就对盲目的追求数学上的最大的供电能力的目标产生了修正的作用。

G(C^(k))＝100(max(C^(k))-min(C^(k))) (0.7)

其中，K_a＞0为上述偏差情况接受区间的上界，则[0,K_a]即为前述的接受区间；K_k、K_d均为控制方差函数的系数并要求K_k＞K_d＞0。可见，当加权方差D(C^(k))小于等于K_a时，方差函数F(C^(k))为加权方差D(C^(k))的一个线性增函数，但增长较为缓慢，而当加权方差D(C^(k))大于K_a时，F(C^(k))为D(C^(k))的一个对数增函数，初始增长十分迅速，另外可以得到，K_k为该对数函数的初始斜率，也是最大斜率，随着D(C^(k))的增长，斜率是逐渐下降的，即随着D(C^(k))的增长，F(C^(k))的增长逐渐减缓。这一特性与目标函数的构造，共同防止了优化计算的初期得不到可行解，无法继续计算问题的出现。

(3)配电系统均衡利用状态的约束条件

优化问题需要满足电力系统运行约束，即潮流约束。为了对用户提供保证质量的电能，需要各个节点满足电压幅值的约束。另外对设备利用情况的分析，需要有各个元件在运行当中的极限容量约束。并且，在考虑电网规划过程中，一些节点的负荷状况是可以预计在一定的范围之内，或需要满足一定条件的，因此对于各个节点，存在着有功功率注入与无功功率注入的约束。最后，需要控制均衡状态的负荷分配方式，满足经济性方面的基本要求，所以目标函数还需要满足系统网损率相关的约束条件。

该优化问题中的约束条件可以总结为以下几点：

1)交流潮流计算的等式约束；

2)网络中除去松弛母线之外各个节点的电压幅值不等式约束；

3)网络中各个变压器、线路元件所通过的容量极限不等式约束；

4)网络中各个节点的有功功率、无功功率构成的不等式约束；

5)网络中运行时设定的最大网损率约束。

V_i ^min≤V_i≤V_i ^max,i∈L

R_i≤S_i,i∈E

P_i ^min≤P_i≤P_i ^max,i∈L

则约束条件如式(1.8)所示。其中，L表示系统中剔除松弛母线之后，其余母线构成的集合；E表示设备元件集合；N表示所考虑的系统中母线数目；P_i、Q_i分别为母线i处的注入有功与注入无功功率；V_i∠θ_i表示母线i处的电压幅值与相角，且θ_ij＝θ_i-θ_j；G_ij、B_ij分别代表导纳矩阵Y中的电导与电纳；V_i ^min、V_i ^max分别代表了母线i处的电压幅值的下界与上界的限制；P_i ^min、P_i ^max分别代表了母线i处的注入有功的下界与上界的限制；分别代表了母线i处的注入无功的下界与上界的限制；ΔP_i为元件i上的有功损耗；P_slack为松弛母线供给的有功总量；τ为需要为系统设定的最大容许网损率；如前所述，R_i、S_i分别为元件i的实际潮流功率与极限容量。前两个限制条件代表了电网交流潮流的限制。

通过对目标函数的构造，结合各个比例系数的设定，对于一个电网结构可以构成多种对于设备的利用情况的判别方式。通过设定不同的元件权重，所得到的均衡状态对安全性与经济性具有不同程度的侧重，可以得到多种基准来计算利用系数。当系统的无功补偿为确定值，且认为负荷按照恒定功率因数的方式增长时，可以使用典型的优化计算方法来求解该问题，并得到各事故状态下的均衡效率通过可以得到C_i，而后由Z_i＝S_i×C_i，可以得到均衡容量的集合{Z_i}，并以此集合中的元素作为评判电网元件利用系数的基准。

2、设备利用系数的评估量计算

作为传统评价设备利用率评估量，元件的载荷情况不是一成不变的。负荷曲线是对一个元件的载荷情况在一段时间内最为准确的描述。而作为利用率指标，需要直观的给出元件的利用情况，因此，有必要对利用率指标，在考虑到负荷曲线波动性的情况下，进行更深层次的挖掘。

(1)负荷曲线的波动性

系统中所有用户消耗的电功率总和是电力系统的负荷。可以使用负荷曲线来标示负荷的波动情况。常用的负荷曲线有日负荷曲线和年负荷曲线。负荷曲线的最大值称为峰荷P_max，最小值称为谷荷P_min。日负荷曲线常用于安排每天的发电计划以及确定电力系统的运行方式。根据日负荷曲线可以计算一天内总耗电量：

故日平均负荷为：

为了描述负荷曲线的波动性，经常使用两个系数：负荷率k_m和最小负荷系数α。负荷率与最小负荷系数可以广泛地应用于各种负荷曲线之中。

实际情况中，通过电网各个元件的电流与功率是随着用户负荷的变化、调度运行方式、无功补偿的情况等因素的改变而波动的，当考察一个时间断面的设备利用情况时，可以通过监测系统得到的电流或功率计算得出。而在考察一段时间的整体设备利用情况的时候，负荷的波动性需要加入到考虑之中。

在考察一段时间的整体设备利用情况的时候，元件通过的负荷的平均情况是考察的重点内容，反应了元件主体的载荷情况。通过对该段时间各个时间点的负荷的算术平均值的计算，可以得到该平均值。

为了体现出不同的负荷曲线的区别，负荷波动情况的描述是必要的。通过对该时间段内各个点求取统计标准差与负荷的峰谷值极差，可以对该时间段的情况进行准确的描述。

当前元件的负载率计算方面，考察的是元件在一段时间内通过电流或功率的最大值。对于负荷随时间变化较为平稳缓和的负荷类型，如钢铁工业负荷，这样的分析是具有价值的，而对于负荷随时间变化波动剧烈的负荷类型，例如市政生活负荷，单一使用通过元件的最大功率分析利用情况，就是不甚合理的。没有反映出主体时间内的元件低效利用。同时也是对于元件本身所选择的较大的额定容量的一种浪费。

所以，使用一定时间段内，负荷的平均值作为主要的评判依据，辅助以各项波动性指标，对于设备利用情况进行全面的考察，可以对问题进行深入的剖析，发现电网中利用系数相对较低的冗余环节，发掘更大的载荷能力，找到电网中利用系数相对过高的环节，对负荷进行一定的分流与重组，可以达到优化无功配置、降低网络损耗、保证电压水平与提升电能质量的目的。

因此，主要用于描述负荷曲线整体，可以定义如下四个指标：

电网设备承载负荷的平均值，由定义可知，对于时间跨度为[0,T]的负荷曲线，负荷的平均值可得：

电网设备承载负荷的标准差，由定义可知，对于时间跨度为[0,T]，平均值为P_avg的负荷曲线，由式(1.14)可得标准差：

当需要对于不同时段的曲线进行综合比较时，可以使用电网设备载荷能力的平均值除以标准差，使用式(1.15)来描述负荷的平均水平与负荷波动情况的比例情况：

最后，由最大负荷情况得到的电网设备负载率，作为校验配电网络中“N-1”安全的重要环节，仍然是负荷曲线考察的重点内容，所以对于时间跨度为[0,T]的负荷曲线，负荷的最大值为：

综合以上四点基本指标，就可以对不同类型的负荷曲线进行一定程度的相互比较。使用这些指标完善利用系数评估量，为准确评价设备利用情况提供了基础。

(2)配电网络利用情况的综合评价方法

基于前文对元件的利用系数的评价基准值、评价评估量的分析，可以得到一种对配电网络元件利用情况的评价方法。

由上文可知，对于所得到的系统中的元件上的负荷波动情况，可以得到相应的指标，使用其中的平均负荷与最大负荷，与均衡容量相比较，则分别可以得到平均利用系数与最大利用系数。平均利用系数可以作为该元件利用情况的基础指标，结合了标准差对于曲线的整体情况进行概述，可以得到元件载荷的基本情况，最大利用系数，与《城市电力网规划设计导则》中的负载率相对应，可以用作校验“N-1”安全的过载情况。

对于配电网络的元件利用情况，可以进行如下几个方面的评价：

1)可以对一种运行状态或时间跨度下的各个元件的利用情况进行横向的比较，通过找到利用系数相对较高或较低的元件，找到当前运行状态或时间跨度下的相对重载或轻载的区域，可以为调度工作的负荷转带的决策提供指导；

2)可以对同一元件，在不同运行情况下或不同的时间跨度进行纵向的比较，可以对某元件进行跟踪分析，考察不同的运行方式对元件的影响，以及用户侧负荷的变化对于元件的载荷情况的影响；

3)可以对不同元件，在不同的时间跨度下进行比较，可以分别计算多个元件对应不同负荷曲线从平均利用系数，最大利用系数，标准差的波动情况，以及平均载荷情况与波动情况的比例的多种方面进行比较，形成对于转变运行方式或其他方面有益的信息；

4)可以对不同的电压等级的元件，进行整体的比较，通过计算同一电压等级下各个元件的平均利用系数，以及标准差情况，计算得到加权平均值，从而得到电网中，各个电压等级的平均利用系数与标准差表示的波动情况，再进行不同电压等级下的利用情况比较；

5)可以按照对于元件的分地区进行比较评价。对于不同的地区，可以按照经济情况、电力需求或地理位置等因素，决定各个分区的权重比例情况，由此得到整个地区的评价指标，形成多个地区的配电网利用情况的相互比较。

Claims (5)

1.一种基于均衡状态设备利用系数和负荷曲线的利用率评价方法，其特征在于：以均衡状态得到的利用系数作为评价基准值，在计算负荷曲线的波动性的前提下，使用多个评价指标，计算设备利用系数，对配电网络的设备利用率进行评估。

2.权利要求1所述的评价基准值，其特征在于：通过交流潮流计算的等式约束、网络中除去松弛母线之外各个节点的电压幅值不等式约束、网络中各个变压器、线路元件所通过的容量极限不等式约束、网络中各个节点的有功功率、无功功率构成的不等式约束、网络中运行时设定的最大网损率约束计算得到。

3.权利要求1所述的负荷曲线的波动性，其特征在于：通过负荷率和最小负荷系数来计算。

4.权利要求1所述的评价指标，其特征在于：包括电网设备承载负荷的平均值、电网设备承载负荷的标准差、电网设备载荷能力的平均值除以标准差、最大负荷情况下电网设备负载率。

5.权利要求1所述的设备利用系数，其特征在于：包括平均负荷与最大负荷、均衡容量相比较所得到的平均利用系数与最大利用系数。