基于数据包络分析的配电线路利用有效性研究

基于数据包络分析的配电线路利用有效性研究

刘东磊

（国网冀北电力有限公司大城县供电分公司河北省廊坊市大城县065900）

摘要：探讨了数据包络分析（DataEnvelopmentAnalysis，DEA）在配电线路利用有效性研究中的应用，通过对46条架空配电线路的实例研究给出了一种基于DEA的配电线路利用有效性量化评价方法。该方法从投入产出的角度构建输入、输出指标，用DEA对配电线路利用效率进行测算和评价，得出了配电线路的利用效率、非有效配电线路与其最优状况之间的差距、规模有效性总体分布情况和投入要素的冗余统计。决策者据此可采取针对性措施改善线路状况，同时也为制定配电投资和电价相关政策提供了参考依据。

关键词：运筹学；数据包络分析；配电线路利用有效性；输配电技术；电力系统

引言

在电力系统的配电侧，用尽量小的代价实现“安全、可靠、经济”供电任务意味着要提高配电资产的利用效率或效益成本比。为此，人们将注意力放在了配电网的规划上，在过去30年间许多学者从数学优化的角度提出了多种配电网优化规划模型。近年来为适应配电网的柔性规划需要，又有一些学者提出在配电网优化规划中应用多阶段动态规划[3-51和以遗传算法和蚁群最优为代表的人工智能方法，这些方法从电网规划技术经济的角度综合考虑配电网的固定费用和可变费用，通过数学优化得到最优方案。然而，由于实际规划工程受多种因素影响而变得异常复杂，很少有模型和方法能成功应用于实际规划任务。更多的是以规划工程满足预测负荷下的各种技术导则和规范并结合电网项目的经济评价结果决定配电网的建设工程。面对建设完成的配电网，供电企业需要在实践中不断完善原来的规划，以解决遇到的问题和纠正与预想的偏差。值得注意的是，在我国，长期以来对于规划建设后投入实际运行的配电网资产，很少有人关心其利用效率，关于其利用效率的研究文献就更少了。文献[12]介绍了项目后评价理论方法及其在城网改建中的应用，该方法以总体的定性或定量评价为主，用于比较地区间电网改造的综合效果和确定项目的优先顺序，但难以对电网改善工作提供具体的定量化指导信息。

1.数据包络分析

驯从生产可能集的角度对资源的利用进行评价，用综合产出与综合投入的比率度量其效率，评价其有效性，它无须考虑输入、输出要素的价格，因而一经推出就在医院、高校等公共部门和一些非盈利组织[141（很多效益无法货币化）获得应用，后来也逐渐扩展到盈利组织。在电力系统中的应用主要集中在发电领域。文献[16]应用DEA测量和评价以色列发电公司的运行效率。

2数据包络分析

DEA通过最优化过程确定权重，从而使对一组决策单元的评价更具客观性；且DEA对决策单元的评价结果与各输入、输出数据的量纲无关。DEA将每一个被评价对象称为一个决策单元（DecisionMakingUnit，DMU），决策单元包含一个输入向量X和一个输出向量y。对DMU进行投入产出总体评价时需要给输入向量和输出向量分别赋予权向量。在现实生活中价格就是一种形式的权向量，产品数量与其价格的向量积等于总产值，而原材料数量与其价格的向量积等于总成本。在数据包络分析中权向量也可以是抽象的

3评价指标及原始数据

线路长度和配电变压器容量是配电线路有代表性的静态投入要素，无功电量和线路损失电量可视为动态投入要素（尽管这种投入是被动的），产出要素是有功售电量，代表了线路的利用效果。虽然在电气工程的理论上，这些投入与产出之间并不严格满足线性关系，但从生产的角度考虑，希望投入与产出的比例具有令人满意的一致性。因而用DEA这种线性规划方法对现有线路进行规模量、配变容量的松弛量为零，表中未列出。由表2可见，线路1、5、12的0=1，属于DEA有效线路，表明这几条线路具有最好的投入产出比，其他线路的0<1，意味着这些线路以线路1、5、12构成的生产前沿面为参照。根据生产可能集原理

按照0的比例减少投入仍可保持产出不变并可达到DEA有效。考虑决策单元在有效前沿面上的投影，根据输入松弛量和0值调整输入量，得到表3所示的数值。调整后各决策单元均达到DEA有效，此时0值均为1，且松弛量均为0，因而在表3中未列出0值和松弛量。低效原因分析及改善措施线路利用效率低与电力商品不能存储有关，不能存储意味着在有大量需求时必须即时运达，这样就需要在运力上保持其充裕性，加大容量、增粗导线是提高运力的手段。

此外，低效还与规划设计和运行有关。变电站的投资约占整个配电网总费用的10％--，20％，却影响着占据了大量投资成本的配电系统的经济性，因此在配电网规划时应将110kV、35kV变电站与10kV配电网投资综合考虑。10kV线路规划设计人员对负荷不适当的估计和过度强调“容载比”造成了“过度工程”问题，使大部分线路的供电能力大大超过其负载。从运行方面来看，用户分散、负荷率低、用电时段集中导致用电量小，也是低效的原因之一，深层的原因是人们的生产生活方式，收入水平低及缺乏必要的电力消费引导。

从另一方面来看，对于负荷增长中的线路，也并非利用效率越高越好，利用效率高同时意味着线路的备用容量可能较低，线路将受过负荷的威胁，对于单电源线路的供电可靠性尤为不利。因此对这46条线路，应特别处理其效率值较高和效率值较低的两端，可采取如下措施：

（1）对于效率值为1和效率值处于0．8—1之间的线路应进一步分析其负载情况，以确定需要重点监测过负荷情况的线路，注意供电备用容量，预测负荷增长在未来几年产生的影响，为负荷转移和新线路架设积累资料。

（2）对于效率值处于0．2^0．4之间的线路，应加强电力营销，促进电力负荷和用电量增长，如条件允许，更换使用小容量变压器或用母子变也是一种经济的选择。对于其余线路，则根据其投入要素的冗余情况进行有针对性的处理。增加线路条数需要投入大量资金，有时需要增加新的电源点，一般比较困难。采取集中无功补偿，一般按配变容量的10％配置为宜，其余无功尽量实行分散随器补偿。总体上说，平抑负荷曲线、加强电力营销是增加效率的好方法。如电力营销难以奏效，平抑负荷曲线、减小配变容量也是提高线路利用效率的有效途径。

结论

用本文的基于DEA的配电线路利用有效性评价方法可得到包括配电线路利用效率、非有效线路与其理想状况的差距以及规模有效性分布和投入冗余统计等管理信息，为企业制定提高配电线路利用效率的措施提供依据，也可为相关部门制定配电投资和电价政策提供参考依据。本文的实例研究仅采用了代表月的数据。实际上线路的结构参数和运行参数在不断变化，配电线路的有效性也在变化。如将多个月的数据连续进行分析，可得到各配电线路利用效率的变化趋势，使分析工作更为细致深入本文的分析是从投入产出的角度出发，希望配电线路利用效率值越大越好，但实际上还要考虑线路的其他情况（如线路过载等因素）。因此将分析结果与实际相结合才能制定出可行的改善措施。

参考文献：

[1]方兴，郭志忠．配电网规划研究述评．电力自动化设备，2003，23（5）：71—74．FangXing，GuoZhizhong．Reviewofpowerdistributionplanning[J]．ElectricPowerAutomationEquipment，2003，23（5）：71．74．

[2]LakerviE，HolmesE．范明天译．配电网络规划与设计[M】．北京：中国电力出版社，1999．