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随着目前配电网的快速发展和资产规模的日益扩大，以及电力行业竞争机制的逐步引入，供电企业迫切需要抓好配电网投资建设，而配电网规划工作是投资建设的基础。传统配电网规划工作一般是在关注电网存在问题及发展需求的基础上论证电网建设必要性，而弱化对项目产生的运维成本、可靠性及报废成本的研究，即在考虑成本时往往只考虑了建设成本，对配电网项目建成后的运维成本、报废成本等考虑很粗略。当前的配电网规划模式没有全面考虑到其他的综合效益，已难以适应“集约化发展、精益化管理”的要求，不利于供电企业的高效运营。因此，迫切需要以新的理念和技术进行精益化的配电网规划，实现配电网投资决策的定量化、科学化，促进配电网投资决策向精益化发展。精益化的配电网规划需要贯彻以提升设备利用效益为中心的配电网规划概念，而设备利用效益则是以配电网的经济效益和安全效能效益为核心[1,2,3]。本文在传统配电网规划方法的基础上，提出了设备利用效益的概念，研究了以提升设备利用效益为中心的配电网规划方案优选策略，并通过算例验证了该优选策略的可行性和优越性。
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由于配电网系统具有系统性和长期性的特点，从配电网规划方案的全寿命周期角度出发，在计及资金时间价值的基础上，综合考虑配电网规划期内各阶段发生的所有成本、收益等经济指标，同时考虑安全性、可靠性、设备利用率等安全效能指标并量化计入设备利用效益，得出全寿命周期经济指标和安全效能指标相协调的基于提升设备利用效益的配电网规划方案评估模型[4,5]。
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配电网规划方案设备利用效益评估模型主要由安全指标、效能指标和可反映经济性的周期成本指标和收益指标构成。年度设备利用效益EUB是用以反映规划方案在安全、成本、效能、收益四方面的整体表现，单位为万元，即年度内规划方案的设备利用效益(等年值)[6,7]。因此，规划方案综合年度设备利用效益EUB评估模型的函数表达式为：
((1)) 式中：EUB为年度设备利用效益，B为规划方案供电收益等年值；C为规划方案年度全寿命周期成本等年值；fs为安全指标因子，采用幂函数方法，评价规划方案的供电安全水平对EUB指标的综合影响；fE为效能指标因子，采用指数函数方法，评价规划方案的效能水平对EUB指标的综合影响。
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周期成本指标C是指规划方案的全寿命周期成本，包括规划方案的年度平均投资CI、年度检修运维成本CMO、年度故障损失成本CF和年度报废处置成本CD四部分[8,9,10]。规划方案全寿命周期成本的计算如式(2)所示：
((2)) CI是指规划方案资产的初始全部投资，其计算如式(3)所示：
((3)) 式中：V0为规划方案资产的初始一次性投资；i为社会折现率；L为设备期望运行的年限。
CMO包含年度检修运维消耗成本CMO1、年度运行损耗成本CMO2、年度检修运维人工成本CMO3。年度检修运维成本CMO计算如式(4)所示：
((4)) CMO1是配电网资产大修、抢修、日常检修和运行所产生的材料费和修理费等消耗成本，不包含人工成本，其计算如式(5)所示：
((5)) 式中：Sij为对应j电压等级的第i类设备规模(如变电站座数、变电容量或线路长度)；RCij为对应j电压等级的第i类设备单座变电站、单位变电容量或单位长度的年均检修运维消耗成本标准。
CMO2是指规划方案的设备运行损耗费用。其计算如式(6)所示：
((6)) 式中：ΔWz为理论线损；pg为平均购电价。
CMO3可根据设备定员标准和社会平均工资水平测算。其计算如式(7)所示：
((7)) 式中：pij为对应j电压等级的第i类设备定员；W为社会平均工资水平。
CF由两部分组成：一是因非计划停电引起的供电企业售电收入损失CF1，二是非计划停电造成的社会损失成本CF2。其计算如式(8)所示：
((8)) 不管是计算供电企业的售电收入损失还是计算非计划停电造成的社会成本，都需要求出事故后的电量损失ENS。事故后电量损失计算如式(9)所示：
((9)) 式中：LP为负荷点总数；Tj为第j个负荷点有Tj个停电持续时间；ENSjt为负荷点j第t次停电持续时间对应的电量损失。
CF1计算如式(10)所示：
((10)) 式中：ps为平均售电价；EMS为事故后的电量损失。
CF2计算采用产电比法。产电比计算如式(11)：
((11)) 式中：Ri为某一供电区域产电比；GDPi为某一供电区域内，以当年价格表示的国内生产总值；ENSi为某一供电区域内总用电量。
CF2计算如式(12)所示：
((12)) 式中：Ri为某一供电区域产电比；ENS为事故后的电量损失。
CD计算如式(13)所示：
((13)) 式中：CD1为资产报废处置过程成本；CD2为报废资产处置收入。
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安全指标因子采用幂函数方法，综合评估配电网规划方案的供电安全水平。计算如式(14)所示：
((14)) 式中：i＝1～5依次对应A＋类供电分区、A类供电分区、B类供电分区、C类供电分区，D类供电分区； fsi为各类供电分区安全指标因子，其计算如式(15)所示：
((15)) 式中：si为相应各类供电分区的安全指标；ksi为相应各类供电分区安全指标对应的调整系数。
为使安全指标具备配电网供电安全要求的特点，以《配电网规划设计技术导则》的供电安全准则作为衡量规划方案的安全指标。
当规划方案满足所对应的供电分区N-1安全准则时，则规划方案所对应的供电分区安全指标si记为0，不满足则记为1，若规划方案不属于该类供电分区，该类供电分区的安全指标则直接记为0。当各类安全指标si为0时，相应的各类安全指标因子fsi取标准值为1。
中压配电网的各类安全指标调整系数依据各类供电分区N-1安全准则不同程度的要求，以及对各类供电分区若出现不满足N-1安全准则造成的经济损失进行分析，调整系数暂取值为：ks1＝10，ks2＝20，ks3＝30，ks4＝40。各类安全指标调整系数在实际中可根据历史数据进行修正。对于中压配电网D类供电分区的安全指标S5不作要求，直接取为0，则中压配电网D类安全指标因子fs5取为1，无中压配电网D类安全指标调整系数ks5。
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效能指标因子使得在规划方案决策时，综合评估规划方案的设备利用效率和电网运行质量，其计算如式(16)所示：
((16)) 式中：E1为供电可靠性指标；E2为电压合格率指标；E3为频率合格率指标；E4为设备利用率指标；fEi为相应效能因子。其计算如式(17)所示：
((17)) 式中：Eis为相应指标Ei的考核值；kEi为相应指标Ei调整因数。根据电网公司目前情况，质量因子调整系数kE1、kE2、kE3、kE4均暂取值为10。
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收益指标是指规划方案使得电网供电能力提高而增供电量所产生的收益。规划方案供电收益B的计算如式(18)所示：
((18)) 式中：kj为规划方案所属j电压等级电网设备供电收益分摊比例；ps为平均售电价；pg为平均购电价；Wzd为增供电量等年值。Wzd的计算如式(19)所示：
((19)) 式中：ΔPi为第i年的增供负荷；Tmax为最大负荷利用小时数；L为设备期望运行的年限；i为社会折现率；n为项目运行年份；
规划方案所属j电压等级电网设备供电收益分摊比例kj的计算如式(20)所示：
((20)) 式中：Bj为规划方案所属j电压等级电网设备供电收益；Bt为规划方案所供电量的供电局电网设备供电收益；Aj为对应j电压等级电网资产总额(原值)；At为供电局电网资产总额(原值)。Sj为对应j电压等级电网变电容量；St为供电局电网变电容量。
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基于提升设备利用效益的配电网规划，是在传统现状分析的基础上加入了一些新的要素，引入设备利用效益评估模型，是一种贯彻全寿命周期理念，以提升设备利用效益为目标的规划策略，而设备利用效益则需综合考虑经济指标和安全效能指标的平衡。需要指出的是基于提升设备利用效益的配电网规划与传统配电网规划不是相互孤立的，传统配电网规划中的现状分析以及负荷预测所对应的电网问题及发展需求是作为规划项目立项的重要依据，但当有多个规划方案需要优选时，不同规划方案之间没有一个量化的工具来比较不同规划方案的优劣程度进而优选。因此，在这里引入设备利用效益评估模型，作为对配电网规划方案综合状况的量化工具，涵盖了经济指标和安全效能指标。含设备利用效益评估的配电网规划方案就是在传统配电网规划的基础上，以设备利用效益评估模型为工具，提出的一种新的配电网规划优选策略，传统配电网规划方法与设备利用效益评估模型的相互关系如图1所示。
图 1 传统配电网规划方法与设备利用效益评估模型关系示意图
Figure 1. Diagram of relationship between traditional distribution network planning method and equipment utilization benefit evaluation model
该规划策略首先是在传统配电网规划的基础上，利用传统配电网规划方法，以传统的配电网现状分析和负荷预测为导向，对配电网的现状问题与发展需求进行剖析，并以此为依据提出规划方案用以解决电网问题及发展需求。然后依据设备利用效益评估模型对配电网规划方案进行评估，并优选出设备利用效益最佳的规划方案。
综上所述，在建立设备利用效益评估模型之后，将该模型与传统电网规划中的现状分析及负荷预测相结合，形成一种新的基于提升设备利用效益的配电网规划优选策略，具体规划思路如图2所示。
图 2 基于提升设备利用效益配电网规划优选策略
Figure 2. Optimal strategy of distribution network planning based on lifting the equipment utilization benefit
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为了分析不同规划方案EUB的差别，本文就同一发展需求，采用两种中压配电网规划方案，两种方案接线方式不同，方案一为单辐射，方案二为单联络，方案二相对于方案一增加了一段联络线路及一个联络开关，两种规划方案设计图如图3所示。两种规划方案的工程建设信息如表1所示。
图 3 规划方案接线图
Figure 3. Wiring diagram of planning scheme
表 1 工程建设信息
Table 1.
Engineering construction information 工程建设信息 方案一 方案二 供电分区 C C 电压等级/kV 10 10 架空主干线路型号/mm2 LGJ-185 LGJ-240 架空主干线长度/km 3.7 4.2 架空主干线造价/(万元·km-1) 20 24 电缆线路型号/mm2 YJV22-3×240 YJV22-3×300 电缆主干线长度/km 0.8 0.8 电缆造价/(万元·km-1) 77 93 架空支线型号/mm2 LGJ-95 LGJ-95 架空支线长度/km 1.9 1.9 架空支线造价/(万元·km-1) 15 15 线路总长度/km 6.4 6.9 变压器型号 S13-500/10 S13-500/10 变压器数量/台 19 19 变压器造价/(万元·台-1) 12 12 隔离开关型号 HGW9-10/630 HGW9-10/630 隔离开关数量/台 20 20 隔离开关造价/(万元·台-1) 0.052 0.052 负荷开关型号 FZW32-12/630 FZW32-12/630 负荷开关数量/台 3 4 负荷开关造价/(万元·台-1) 4.2 4.2 熔断器型号 RW1110F/200 RW11-10F/200 熔断器数量/台 19 19 熔断器造价/(万元·台-1) 0.11 0.11 初始投资/万元 407.9 451.7 10kV配电设备基础参数如表2所示。
表 2 配电设备基础参数
Table 2.
Basic distribution equipment parameters 设备参数名称 方案一 方案二 架空主干线线路电阻r0/(Ω·km-1) 0.17 0.12 架空分支线线路电阻r0/(Ω·km-1) 0.30 0.30 电缆线路电阻r0/(Ω·km-1) 0.09 0.06 设备期望寿命L/年 25 25 10kV配电设备可靠性数据如表3所示。
表 3 可靠性数据
Table 3.
Reliability data 设备名称 故障概率λ 故障停电持续时间/h 电缆线路 2.38次·百公里-1·年-1 3.0 架空线路 11.29次·百公里-1·年-1 3.4 变压器 0.32次·百台-1·年-1 2.6 两种规划方案的负荷情况如表4所示。
表 4 负荷数据
Table 4.
Load data 负荷点数/个 负荷点/个 平均负荷/MW 最大负荷/MW 19 1～19 0.09 0.28 合计 — 1.71 5.32 两种规划方案的售电价取为0.674元/kWh，购电价取为0.450元/kWh；产电比取为8元/kWh。
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采用传统方法进行配电网规划方案优选时，通常采用对规划方案各方面差异进行定性对比分析的方法。就本算例而言，两种规划方案若从经济性方面对比，方案一的初始投资较方案二低，而且方案一和方案二均能满足该区域负荷发展需求，因此从经济性方面对比，方案一较方案二更优。两种规划方案若从安全性方面对比，方案一线路为单辐射线路，不满足“N-1安全准则”，供电安全水平不高；方案二线路为单联络，满足“N-1安全准则”，供电安全水平较高，因此从安全性方面对比，方案二较方案一更优。两种规划方案若按这种传统方法对比分析，则各有优劣，通常按规划人员的经验定性分析出该规划项目经济性或安全性的侧重，以此来优选出最终的规划方案，缺乏对于规划方案各方面差异的综合定量分析以及统一的评判标准，传统优选方法的科学性及说服力相对较弱，而且传统方法考虑经济指标时仅考虑了初始投资，弱化了运维成本等，并且未考虑全生命周期的成本，对于经济指标的分析也不够全面细致。
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方案一为单辐射线路不满足所属供电分区“N-1安全准则”，故安全指标S4为1，方案二为单联络线路满足“N-1安全准则”，故安全指标S4为0，分别将方案一和方案二的安全指标S4代入式(15)计算得到安全指标因子fs。两种规划方案的安全效能指标计算结果如表5所示。
表 5 规划方案的安全效能指标
Table 5.
Safety and efficiency performance indicators of the planning scheme 指标 方案一 方案二 安全指标因子 1.133 1.000 效能指标因子 0.996 1.006 规划方案的设备利用效益EUB评估结果如表6所示。
表 6 规划方案的设备利用效益
Table 6.
The equipment utilization benefit of the planning scheme 指标 方案一/万元 方案二/万元 年度平均投资 38.21 42.31 年度检修运维消耗成本 4.08 4.52 年度运行损耗成本 15.68 13.11 年度检修运维人工费用 2.04 2.26 年度检修运维成本 21.80 19.89 年度故障损失成本 2.33 1.45 年度报废处置成本 -1.15 -1.27 全寿命周期成本 61.19 62.38 增供电量收益 145.75 145.75 设备利用效益 76.64 82.98 方案一和方案二的评估结果对比可以看出，由于方案二采用了单联络的接线方式，虽然增加了初始投资，使得方案二的年度平均投资较高，但是年度运行损耗成本、年度故障损失成本都有所降低，而且由于方案一单辐射线路不满足“N-1安全准则”，方案一安全指标因子较方案二单联络线路的高，因此造成方案一的设备利用效益低于方案二，方案二为更优方案。
基于设备利用效益评估模型进行规划方案优选决策时，对于规划方案全生命周期成本、安全、效能和收益等方面的差异进行全方位综合定量分析，由此得到各规划方案的设备利用效益作为规划方案优选的依据，与传统规划方法相比，使得规划方案优选结果更加科学合理。
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基于提升设备利用效益的配电网规划策略不仅考虑了传统配电网规划的电网建设必要性问题，还以设备利用效益为载体，综合考虑了经济成本指标和安全效能指标。本文在建立年度设备利用效益评估模型后，提出了基于提升设备利用效益的配电网规划基本思路，并通过实际配电网规划方案优选，验证了基于提升设备利用效益的配电网规划策略的可行性和优越性，为实际配电网规划工作提供了重要的依据。
Research on Optimal Strategy of Distribution Network Planning Based on Lifting the Equipment Utilization Benefit
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摘要:
[目的] 传统配电网规划工作在关注电网存在问题及发展需求的基础上，往往只注重对电网建设改造必要性的论证，而弱化对项目产生的运行成本、可靠性及报废成本的研究，即没有全面考虑到其他的综合效益，不利于供电企业的高效运营。 [方法] 提出了设备利用效益的概念，在此基础上提出了基于提升设备利用效益的配电网规划方案评估模型和优选策略。 [结果] 算例结果表明：该评估模型对不同规划方案全生命周期成本、安全、效能和收益等方面进行综合定量分析，使得规划方案优选结果更加科学合理。 [结论] 该优选策略具有可行性和优越性，为实际配电网规划工作提供了重要的依据。 Abstract:[Introduction] The traditional distribution network planning focuses on the necessity of power grid construction based on the operation problems and development demand of power grid, and the operation cost and reliability are ignored. It’s not conductive to the efficient operation of power supply enterprises. [Method] The concept of equipment utilization benefit was put forward, and on this basis, the evaluation model and optimal strategy of distribution network planning scheme based on lifting equipment utilization benefit were proposed. [Result] The results of example show that the evaluation model makes a comprehensive quantitative analysis of life cycle cost, safety, efficiency and benefits of different planning schemes, which makes the optimization results of planning schemes more scientific and reasonable. [Conclusion] This optimal strategy has the feasibility and the superiority, has provided the important basis for the actual distribution network planning work. -
图 1 传统配电网规划方法与设备利用效益评估模型关系示意图
Fig. 1 Diagram of relationship between traditional distribution network planning method and equipment utilization benefit evaluation model
图 2 基于提升设备利用效益配电网规划优选策略
Fig. 2 Optimal strategy of distribution network planning based on lifting the equipment utilization benefit
表 1 工程建设信息
Tab. 1.
Engineering construction information 工程建设信息 方案一 方案二 供电分区 C C 电压等级/kV 10 10 架空主干线路型号/mm2 LGJ-185 LGJ-240 架空主干线长度/km 3.7 4.2 架空主干线造价/(万元·km-1) 20 24 电缆线路型号/mm2 YJV22-3×240 YJV22-3×300 电缆主干线长度/km 0.8 0.8 电缆造价/(万元·km-1) 77 93 架空支线型号/mm2 LGJ-95 LGJ-95 架空支线长度/km 1.9 1.9 架空支线造价/(万元·km-1) 15 15 线路总长度/km 6.4 6.9 变压器型号 S13-500/10 S13-500/10 变压器数量/台 19 19 变压器造价/(万元·台-1) 12 12 隔离开关型号 HGW9-10/630 HGW9-10/630 隔离开关数量/台 20 20 隔离开关造价/(万元·台-1) 0.052 0.052 负荷开关型号 FZW32-12/630 FZW32-12/630 负荷开关数量/台 3 4 负荷开关造价/(万元·台-1) 4.2 4.2 熔断器型号 RW1110F/200 RW11-10F/200 熔断器数量/台 19 19 熔断器造价/(万元·台-1) 0.11 0.11 初始投资/万元 407.9 451.7 
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表 2 配电设备基础参数
Tab. 2.
Basic distribution equipment parameters 设备参数名称 方案一 方案二 架空主干线线路电阻r0/(Ω·km-1) 0.17 0.12 架空分支线线路电阻r0/(Ω·km-1) 0.30 0.30 电缆线路电阻r0/(Ω·km-1) 0.09 0.06 设备期望寿命L/年 25 25
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表 3 可靠性数据
Tab. 3.
Reliability data 设备名称 故障概率λ 故障停电持续时间/h 电缆线路 2.38次·百公里-1·年-1 3.0 架空线路 11.29次·百公里-1·年-1 3.4 变压器 0.32次·百台-1·年-1 2.6
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表 5 规划方案的安全效能指标
Tab. 5.
Safety and efficiency performance indicators of the planning scheme 指标 方案一 方案二 安全指标因子 1.133 1.000 效能指标因子 0.996 1.006
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表 6 规划方案的设备利用效益
Tab. 6.
The equipment utilization benefit of the planning scheme 指标 方案一/万元 方案二/万元 年度平均投资 38.21 42.31 年度检修运维消耗成本 4.08 4.52 年度运行损耗成本 15.68 13.11 年度检修运维人工费用 2.04 2.26 年度检修运维成本 21.80 19.89 年度故障损失成本 2.33 1.45 年度报废处置成本 -1.15 -1.27 全寿命周期成本 61.19 62.38 增供电量收益 145.75 145.75 设备利用效益 76.64 82.98
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