基于层次分析的配电网可靠性评估指标体系

李晓辉1,徐　晶1,李　达2,韩　俊3

(1.天津市电力公司技术中心,天津300022;

2.天津天大求实电力新技术股份有限公司,天津300384;

3.天津大学电气与自动化工程学院,天津300072)

摘要:针对当前配电网可靠性分析层次不清晰和影响因素不全面等问题,提出全面合理的可靠性评估理论体系。对影响配电网可靠性的四个主要特征方面做出了定义,并研究各特征方面所涉及的一、二级和基层指标。

在此基础上,建立了基层指标的评分标准和确定同级指标权重,结合层次分析法提出与实际情况紧密结合的配电网可靠性评估体系。通过对某配电网的可靠性分析和评估,表明该方法的有效性和实用性。

关键词:配电网;可靠性;指标体系;层次分析法

中图分类号:T M726　　文献标志码:A　　文章编号:1003-30(2009)03-0069-06

Index System of Reliability Evaluation for Distribution

Network Based on Analytic Hierarchy Process

LI Xiao-hui1,XU Jing1,LI Da2,HAN Jun3

(1.Tianjin Electric Pow er Resear ch Institute,T ianjin300022,China;

2.Tianjin Tianda Qiushi Electric Po w er High T echno logy Co.Ltd.,T ianjin300384,China;

3.School of Electrical Eng ineering and A utom ation,Tianjin U niversity,T ianjin300072,China)

Abstract:T heor etical system o f reliabilit y eva luation which is mo re r easonable a nd global is constr ucted, since the cur r ent o ne hav e the pro blems o f unclea r analy sis levels and biased inf luence facto rs.O n the base of the definit ion o f fo ur major feat ur es influencing the r eliability of the distribution sy st em,the cor responding indexes of the gr ade o ne,t wo a nd the basal o ne ar e studied.A scor ing standar d o f t he basal index is constr ucted and the weighs of bro ther index es ar e det ermined.T hen,based on analy tic hier archy pr ocess

(A HP),t he pr actical evaluatio n ar chitecture of distr ibutio n system reliability is pr o po sed.T he v alidity and

practicality of the method is cer tified by t he analysis and evaluatio n of some distribut ion net wo rk's reliability.

Key words:distribution netw or k;r eliability;index system;analy tic hier ar chy pr ocess

　　供电可靠性是指供电系统对用户持续供电的能力,是一个供电企业技术装备水平和管理水平的综合体现[1]。配电网作为供电系统对用户供电中极其重要和复杂的一环,对提高供电系统可靠性有着至关重要的作用。据不完全统计,用户的停电事件中有80%～95%均由配电系统的故障引起[2]。因此,准确评估配电网可靠性、找到薄弱环节加以改进、从而提高供电可靠性,成为目前所亟待解决的问题。

现阶段配电网可靠性评估方面的研究重点在于可靠率的计算[3～6],主要方法有以下四类: 故障模式影响分析法[7～11]; 最小路集法[12]和最小割集法[13];人工神经网络法[14];!可靠性框图法[15～17]和故障树分析法[18]。这些计算方法不足以支持可靠性的系统分析。自20世纪60年代以来,国外开始对可靠性基础数据的统计分析,但由于电网结构和研究关注点的差异,国外的一些研究成果并不能直接应用于国内的供电可靠性评估中,而国内对可靠性的影响分析又存在着层次不够清晰、因素不够全面等问题[19]。

第21卷第3期2009年6月　　　　　　　　　　　　

电力系统及其自动化学报

P ro ceeding s of the CSU-EP SA

V ol.21N o.3

Jun.　2009

收稿日期:2008-12-13;修回日期:2009-04-08基金项目:天津市电力公司重点科技项目(KJ2008-1-02)为此,本文首先定义了配电网可靠供电的四大特征,即负荷供应充足、供电连续不间断、停电影响范围控制合理和恢复供电及时;继而,结合层次分析法(analytic hier ar chy process,AH P)提出了配

电网可靠性评价体系。最后,通过对实际电网的评估和分析验证了本文方法的有效性和实用性。

1　可靠性评估的研究内容

配电网可靠性评价理论研究的主要任务不仅在于构建一个评价配电网可靠性的完整指标体系,还应定义评价方法的细节问题(包括指标体系中同层指标间权重关系和基层指标评分标准)。

建立配电网可靠性评价体系时,各指标的选取一方面要尽可能全面地反映配电网工作实际情况,不能遗漏任一重要的指标,以便于发现配电网工作中隐藏的问题;另一方面也要考虑到信息有效性、数据采集难度、计算量等实际情况,尽可能做到既不重复也不遗漏。

同层指标间权重的准确定义,可精确描述体系中各指标间的相对关系,是得到总体评价指标的前提;基层指标评分标准的建立,起到将某一指标实际数值转化为对相应工作水平评价的作用,是评价配电网某一方面是否满足、什么程度满足可靠性要求的关键环节。

配电网可靠性评估的研究结果可以为具备一定可靠性要求的供电区域的配电网规划建设提供理论支持和方向性指导。

2　可靠性评价指标体系

2.1　体系构建流程

本文从指标体系的产生机理和方法的角度,提出建立配电网可靠性评价体系的方框架,其步骤如图1所示。

2.2　特征及指标分析

通过分析可知,影响配电网可靠性的四大特征方面主要是负荷供应能力、不间断供电能力、停电影响控制能力和供电恢复能力。因此,选择这四个方面作为配电网可靠性评价体系的顶层指标并运用层次分析法对各具体因素的影响方式进行分析。在此基础上,将每个特征方面细化为一级指标和二级指标,并对每个二级指标继续分解,以选择便于获取和统计的基层指标作为评价的依据。

(1)负荷供应能力

配电网负荷供应能力主要体现在电网供电裕度和供电受限程度两个方面,它们分别是对负荷供应能力从整体与局部、一般与特殊两个层面的反映,二者缺一不可。负荷供应能力指标分解情况如图2所示。

图1　配电网可靠性评价体系构建流程

Fig.1　C onstruction f low chart of reliability

evaluation f or distribution network

图2　负荷供应能力分解示意

Fig.2　Decomposition sketch of supply capability for load

　　(2)不间断供电能力

评价配电网的不间断供电能力时,应从以下三方面入手:设备不间断供电能力(加强设备自身水平)、线路防护能力(防止受到外力破坏)和不停电作业能力(避免预安排作业对用户供电的影响)。指标分解的具体情况如图3所示。

　　(3)停电影响控制能力

从停电影响范围分析,可将停电控制能力从控制对象的角度分为电源控制能力、配网控制能力和用户控制能力三个部分。指标分解具体情况如图4所示。

　　(4)供电恢复能力

对不同原因、不同电网范围的停电持续时间进行控制因素分析,供电恢复能力与故障处理和预安排处理能力密切相关。指标分解情况如图5所示。

・

70

・电力系统及其自动化学报　　　　　　　　　　　　　　第21卷

图3　不间断供电能力分解示意

Fig .3　Decomposition sketch of uninterrupted

supply

capability

图4　停电影响控制能力分解示意

Fig .4　Decomposition sketch of control capability

f or interrupted

extension

图5　恢复供电能力分解示意

Fig .5　Decomposition sketch of restoring

supply capability

3　可靠性评价方法

3.1　基层指标计算及量化评分

基层指标的描述通常依靠Delphi 法确定,而本文的实现方法是,首先进行各基层指标的计算,而后利用模糊隶属度方法制定了评分标准(百分制),使得评分结果成为规范化的定量数据,避免了打分法的主观性和随意性。

本节以负荷供应能力中高压配网裕度(A11)的基层指标为例,详细描述整个体系基层指标的计算方法与评估标准。

A11的基层指标计算值所需收集的数据如表1所示。

表1　计算高压配网裕度的基层指标所需数据Tab .1　Data f or calculating basic index in margin

of high -voltage distribution network

指标所需数据

A111各变电站容量、负荷

A112

各变电站容量、负荷、预测负荷增长率等

(1)A111(变电站平均负载)

变电站的平均负载率为配电网上级变电站的

平均负载率。

变电站平均负载率=

变电站总负荷

变电站总容量×功率因数

(1)

式中:变电站指直接为评估区域配电网供电的上级变电站;总负荷、总容量指低压侧负荷和容量;负荷

采用评估区域最大负荷时刻负荷。

(2)A112(高压配网近期发展裕度)

根据目前负荷发展速度,若高压配网不进行任何建设,变电站平均负载率超过某一定值需要经历的时间(单位:年)。

高压配网

近期发展裕度=

　　log (1+负荷增长率)(

K

变电站平均负载率

)

(2)

式中,K 为进行变电站扩建或新建电源点的变电站负载率控制下限,可参考评估区域内现有变电站的主变台数配置等因素进行选取,例如双主变配置为主,可取65%,三主变配置为主可取86.7%。根据所收集的数据计算出A111和A112值,结合负荷供应能力部分的基层指标评价标准(见表2)得出它们的量化评分。

・

71・第3期　　　　　　　　　　李晓辉等:基于层次分析的配电网可靠性评估指标体系

评价指标

评价分值/分02040608090100

A111>908070605553<50 A112<01234 4.5>5 A121>706560555045<40 A122<00.51234>5

3.2　同层指标权重计算

在同层指标之间引入指标权重来区别该指标相对于其他指标的重要程度,一般采用归一化向量表示。

指标个数不多时,其权重通常由专家直接确定;指标个数较多专家难以决策时,其权重大小的确定一般采用两两比较的方式,具体步骤如下。

(1)根据互反性标度理论,将同层指标进行两两比较,得到量化的判断矩阵。

(2)采用随机一致性指标(CR)衡量判断矩阵的一致性程度。

(3)当判断矩阵一致性校验合格之后,可以按照该矩阵求解各个指标的权重,否则需要重新确定判断矩阵的部分元素并计算其随机一致性,直至获得满足一致性要求的结果为止。

(4)在上述权重计算结果的基础上,若仍存在指标权重明显与实际情况存在出入的情况,可由专家干预对部分指标的权重进行直接修正,以符合实际情况的要求。

3.3　综合评价

为了表征配电网可靠性的整体状况,在各个底层指标已经计算完成的基础上,结合同级指标的权重利用层次分析法逐层向上计算,直至计算得出整个配电网可靠性的综合评分。

S= n j=1S j W j(3)式中:S表示层次结构中任一非底层指标的评分; n(n>1)表示指标S的下层指标个数;S j表示下层指标j(1表3　指标评价标准与供电可靠率对应关系

Tab.3　Corresponding relations of index evaluation criterion and reliability rate

基准分/分可靠率/%负荷供应能力不间断供电能力停电影响控制能力供电恢复能力

6099.90

高峰期

部分受限

年平均停电频率

3次/户

故障影响范围较大

部分负荷无法转带

单次平均停电时间

3～4h/次

8099.96

高峰期

稍受影响

年平均停电频率

1～1.5次/户

故障影响范围较大

少量负荷无法转带

单次平均停电时间

3h/次

9099.99高峰期

不受影响年平均停电频率

0～0.7次/户

故障影响范围较小

少量负荷无法转带

单次平均停电时间

1～2h/次

100100.00高峰期

不受影响除特殊原因外

不发生停电

故障影响范围极小

负荷可全部转带

单次平均停电时间

0.5h/次以下

4　实例分析

应用配电网可靠性评价指标体系分析和评估某地区实际电网的可靠性,在计算基础数据收集和基层指标后,利用所设定的评价标准和权重进行统计,得到这一电网的可靠性评分情况如表4所示。

由表4可知,该电网负荷供应能力得分62.77分,水平中等略好,现状虽未发生负荷越限或明显的供电受限现象,但重载线路和重载变电站的存在将严重妨碍该电网供电可靠性的进一步提高。

表4　负荷供应能力方面可靠性评分结果Tab.4　Reliability evaluation results

in supply capability f or load

一级指标二级指标基层指标指标值A1(47.7)

A11(58.8)

A12(44)

A111(37)72.49

A112(66)　3.33

A121(16)66.33

A122(56)　1.82 A2(72.8)

A21(80)

A22(69.8)

A211(100)0

A212(0)100

A221(73)　0.67

A222(0)38.78

A223(100)0

・

72

・电力系统及其自动化学报　　　　　　　　　　　　　　第21卷表5　不间断供电能力方面可靠性评分结果

Tab.5　Reliability evaluation results in

uninterrupted supply capability

一级指标二级指标基层指标指标值

B11(—)B111(—)—

B1(86.5)B12(86.5)B121(60)10 B122(100)100 B123(85)99.6

B2(67.2)

B21(96)

B22(0)B211(96)2 B212(96)2 B213(96)98.4 B221(0)100 B222(—)—

B3(22.9)

B31(42)

B32(10.2)B311(70)70 B312(0)0 B321(17)17 B322(0)0

表6　停电影响控制能力方面可靠性评分结果Tab.6　Reliability evaluation results in control capability f or interrupted extension

一级指标二级指标基层指标指标值

C1(.5)

C11(100)

C12(85)C111(100)100 C112(100)100 C121(86)83.67 C122(85)15.08 C123(84) 6.46

C2(67.7)C21(85.8)

C22(76.4)

C23(76.4)

C24(98)

C211(79)4127

C212(92)51.85

C213(100)27

C221(92)0.86

C222(96)3180

C223(0)52.46

C231(0)41.23

C232(78)93.88

C233(0)0

C241(100)100

C242(95)74.19

C3(22.9)

C31(46.4)

C32(79)C311(46)9419 C312(47)970 C321(79)29.27 C322(—)(—)

　　由表5可知,该电网不间断供电能力得分为57.21分,水平为中等略差,主要体现在电缆均为直埋敷设,带电作业虽然项目较多,但实施范围有限。

由表6可知,该电网停电影响控制能力得分为68.6分,水平略好,但该地区线路分段不合理,负荷转带不够顺畅,用户停电连带影响严重。

由表7可知,该电网供电恢复能力得分为53.8分,水平为中等略差,主要体现在预安排作业方法落后,未来可以采用替换式检修手段,以缩短停电时间。

表7　供电恢复能力方面可靠性评分结果

Tab.7　Reliability evaluation results in

restoring supply capability

一级指标二级指标基层指标指标值

D1(76.8)D11(76.8)

D111(37)51.85

D112(66)71.70

D2(0)D21(0)

D211(0)0

D212(0)100

　　总体看来,该电网已部分实现配电自动化,带电作业技术较为成熟,负荷发展不快,但电力设施负载均较重。该电网2007年供电可靠率统计值为99.93%,用户平均停电次数1.72次/户。从以上分析可以看出,评估分析结果可以很好地揭示出该范例电网的水平及问题。

5　结论

本文从寻找可靠性的特征方面入手,结合层次分析法展现了配电网可靠性的影响因素、影响方式,并将影响因素与实际具体工作结合起来,构建了由4个特征方面,10个一级指标,20个二级指标,48个基层指标组成的配电网可靠性评价指标体系。体系既通过上层指标概括了影响可靠性的所有因素,又通过基层指标将实际生产工作水平和配电网可靠性直接关联起来,找到了实际生产与配电网可靠性之间的关系,可以完整地评价配电网可靠性。

随着新技术的不断涌现,设备水平的不断提高,配电网可靠性的具体工作也会不断发生变化。根据实际工作的不同和随着对具体工作认识的加深,在体系的应用过程中,部分基层指标的选择和判定依据也将得到进一步完善。

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作者简介:

李晓辉(1973-),男,本科,高级工程师,研究方向为配电网规划分析和电能质量技术。Email:lix iaohui-tj@sina.com 徐　晶(1982-),男,硕士,工程师,研究方向为配电网规划与运行。Email:pho enix.x ujing@gmail.co m

李　达(1986-),男,本科,工程师,研究方向为电力系统规划运行。Email:tdqsld@163.com

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・电力系统及其自动化学报　　　　　　　　　　　　　　第21卷