基于5G通信的智能配电网改造经济性综合评估方式

张 晖，佘 蕊，张宁池，王艳茹

(1.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206；2.国网信息通信产业集团北京中电飞华通信有限公司通信技术中心，北京 100071)

随着经济的快速发展，中国电力消耗达到新的高度，在满足基本供电总能的需求下，有效提高用电安全和稳定性是目前电网企业更为关注的重点[1-2]。终端用电接入装置的急剧增加，对用电设备产生了更大的负担。通过将继电保护及先进通信技术引入配网中实现配网功能多样化，自动判断故障、自动隔离故障，保障了供电系统的可靠性、稳定性和安全性[3-5]。第五代移动通信技术(5th generation mobile networks，5G)在提高移动通信网络可靠性，满足大连接和时延业务的通信需求方面具有突出优势[6]，因此在电力通信领域保障配网准确定位、安全隔离方面将5G网络纳入重点考虑对象[7-8]，并得到专家学者的广泛研究，文献[9]为改善传统基于无线电力专网和有线光纤的配网差动保护所带来的稳定性差、高成本和实时性低的问题，提出了一种面向5G的配网自适应保护方案。为进一步提高配网保护过程中故障的精准定位和隔离，文献[10]提出了一种基于5G无线通信的配网差动保护方法。文献[11]针对物联网时代的所导致的大量用电设备接入带来的电网稳定和运维方面的问题开展研究，旨在通过新型的5G通信技术提高配网的建设和运维水平。文献[12]针对面向5G网络切片的智能分布式配电自动化技术开展研究，有效保障终端设备间的有效隔离，提高配网的管理和运行效率。

5G通信网络在提高配网安全稳定运行，满足大规模用电设备接入需求方面有突出的优势，但是对5G通信网络在电网应用方面经济性评估还相对较少，大部分对经济性评估的研究依然集中于较为成熟的传统业务。文献[13]提出了面向配网计量数据的粒子群评估算法。为了直观展示高能效电厂项目对高能耗用户的经济效益，文献[14]结合逼近理想解排序法(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)优化方法和灰色关联度为评估方案建立了新的决策标准，实现电力需求侧能效资源开发综合效益评价。文献[15]基于城市配网“煤改电”工程的特点，选取有针对性的多重指标，构建了经济效益评估方法，为后续工程建设提供了有效的理论依据。为实现综合能源与增量配电网协同优化规划。文献[16] 提出了一种基于综合能源优化配置的增量配电网工程投资效益测算方法。

综上所述，尽管5G通信技术在提高配网，稳定、可靠和降低运营成本方面有明显的优势，基于现有的5G关键技术对现有配网进行改造势在必行，但是，目前5G配网建设领域的技术经济学分析并不多，许多投资运营商仍对5G技术在配电网中的引用带来的成本持怀疑态度。所以技术经济的方式分析支持5G的技术至关重要。鉴于此，在综合考虑影响基于5G配电网建设经济性的一级指标新建、改造、运行和检修经济性，同时挖掘对应的多项单项指标，并结合实际供电环境，现首先建立一套针对5G配电网建设经济性的综合评估体系。使用客观赋权法和不确定层次分析相结合的方法确定单项指标权重，从而使指标权重更加客观真实，并利用模糊层次分析函数来确定单项指标评分。最后经过分析推理验证算法的有效性，同时给出相应的分析结论。

1 综合评价体系的建立

选取目前较为成熟的不确定层次分析法作为构造指标体系的基本方法。通过对目前基于现有通信技术进行配网改造调研，确定相应的四大一级指标分别为新建、改造、运行和检修经济性，同时挖掘与其直接相关的多项单项指标，最后形成了如图1所示的综合评估体系详细介绍了各类指标的含义及具体计算方法。

图1 基于5G配电建设综合评估指标体系Fig.1 Comprehensive evaluation index system based on 5G power distribution construction

1.1 新建经济性

新建经济性设备成本是指根据网络尺寸模块购买传输网络组件，并将其安装在指定位置有关的费用以及部署或租赁运营商频段和核心网所需的总体投资费用，根据购买参数的不同分为设备投资和附加投资两部分。

1.1.1 设备投资参数

基于货币本身随时间的推移经济价值发生波动的本质，在进行多个参数之间比对时，需要在同等标度的基础上进行。以年为基本标度对每次投资成本进行折算，即

(1)

(2)

式中：Ci为第i个设备的购买费用；Ai,n为现值折算为年费用的系数；k为定期回收年利率；ni为第i次投资的还款次数，即分期付款计划的期限,a。

假设在基于5G通信的配网改造的一次投资的最大值为Zmax，则设备投资参数为

(3)

式(3)中：αz为设备投资附加系数，这里取αz=0.2。

1.1.2 附加投资参数

新建的配电网投资中除了主要的主体设备的投资外，还有附加投资设备等费用，表达式为

E=(E1+E2+E3)Ai,n

(4)

式(4)中：E1、E2和E3分别为在新建配电网过程中可能产生的不可预见的材料、安装费和其他额外的附加投资。这里假设，基于5G电力物联网建设过程需要的附加投资最大值为Emax，则附加投资参数为

(5)

式(5)中：αE为设备投资附加系数，这里取αE=0.4。

1.2 改造经济性

在基于5G智能配电网改造过程中，受到技术条件和经济成本双重制约，为了节约成本，需要尽可能在原有设备的基础上通过增加新型的智能传感和采集设备以更好满足5G无线通信网络在提高配电网系统可靠和安全性的需求，主要包含设备投资成本和废弃成本

1.2.1 设备投资参数

I是将原有配电网改造成基于5G智能配电网过程中需添加设备的投资成本，再根据资金的时间价值和风险影响折算成的等年值，表达式为

(6)

式(6)中：m为建设过程中的总改造项目数；ai、Xi分别为第i项配网改造阶段的初期设备投资成本和后期可能的运行成本。假设其改造设备投资最大值为Imax，则改造设备投资参数为

(7)

式(7)中：ρI为改造设备投资附加参数，0<ρI<1，这里取ρI=0.2。

1.2.2 废弃成本参数

设备改造过程中，配网中原始破旧以及无法改造再利用的设备停止运行，进行废弃处理所需一定的费用，表达式为

Qi=biXi

(8)

式(8)中：Qi为设备i产生的废弃成本；bi为第i种设备退出运行时残值占初始投资中购置成本Xi的百分比。假设在进行5G通信配网改造过程中计划废弃设备总量为P，因此产生的总废弃成本为

(9)

式(9)中：D为废弃成本，取值可正可负，当为负时表示设备还存在一定的剩余价值。设最大值为Dmax，则改造设备投资参数为

(10)

式(10)中：ρD为改造设备投资附加参数，0<ρD<1，这里取ρD=0.2。

1.3 智能配电网运行经济性

基于实际改造后的5G通信的配电网运行状态、特点并结合数据采集过程中的难点和运算量，总结归纳出影响配网运行经济性的五项指标。

1.3.1 电压质量

基于5G通信技术对现有配电进行建设改造，其关键出发点就是提高电力网络的可靠性、安全性和电能质量，电压作为对电能质量评估的关键性因素，重点从3个方面对其开展评估。

(1)线路最大电压降落ΔU。该指标是表征企业和个人用电安全和稳定性的重要指标，是配备检测中的重点采集数据，公式为

ΔU=U1-U2

(11)

式(11)中：U1、U2分别为被测电路首末端电压值。

待评价线路最大电压降落的百分比计算公式为

η1=(ΔU/UN)×100%

(12)

式(12)中：UN为待评价线路的额定电压。

(2)母线电压。该指标是用来衡量基于5G智能配电网经济运行情况的指标之一。待评价母线电压合格率η2的计算公式为

η2=(tk/t∑)×100%

(13)

式(13)中：t∑、tk分别为待评估母线总检测时间和电压合格时间。

基于上述分析，可得出总电压质量G1为

G1=αη1+(1-α)η2

(14)

式(14)中：α为线路最大电压降落在电压质量中所占的比例，这里取α=0.5。

1.3.2 电网损耗

基于5G通信的配电网在运行过程中，即使相比于传统配电网在差动保护、用电监测、环境监控方面有明显的改善，能够有效地保障配网安全稳定的运行，但因输电线路自身结构参数和实际运行环境的影响，在长期作业下依然会产生不同程度的线损，主要从线路理论损耗率、线路统计损耗率和配变理论损耗合格3个方面考虑对改造后的电网损耗进行评估。

(1)线路理论损耗率。该指标是用于衡量线路损耗程度的重要指标，在综合考虑线路参数和运行情况下获得的理论分析值，具体公式为

ΔAL=(ΔA∑/ΔAg)×100%

(15)

式(15)中：ΔA∑为待评价线路理论线损电量；ΔAg为待评价线路供电量。

(2)线路统计损耗率。该指标是基于电能抄表的统计值计算而来，具体公式为

ΔA′L=(ΔAg-ΔAs)/ΔAg×100%

(16)

式(16)中：ΔAs为待评价线路售电量。

(3)配变理论损耗合格率。该指标衡量基于5G通信配网改造之后配网变压器对电量的损失程度，配变理论损耗率ΔP的计算公式为

ΔP=(ΔPg-ΔPs)/ΔPg×100%

(17)

式(17)中：ΔPg、ΔPs分别为流入和流出变压器的电量。配变损耗合格情况η3为

η3=(kP/k∑)×100%

(18)

式(18)中：kP、k∑分别为待评价线路符合条件的配电变压器的数量和总变压器数量。

基于上述影响电网损耗的3个具体评价指标，可得总电压损耗公式为

G2=β1ΔAL+β2ΔA′L+β3η3

(19)

式(19)中：β1、β2、β3分别为各线路参数所占的比重，这里取β1=0.25，β2=0.5，β3=0.25。

1.3.3 功率因数

作为配电网运行的重要参数之一，功率因数除了与配网电压质量、损耗有关外，还与配网无功补偿情况有关，因此在基于5G通信配网改造过程中也将其作为重点评估的指标。以线路功率因数、配变功率因数合格率作为基于5G通信配网改造过程中功率因数的具体评价指标。

(1)线路功率因数。该指标是在交流电路中体现某一线路的无功情况的重要指标因素，是线路电压和电流之间的相位差值，表达式为

cosφ=P/S

(20)

式(20)中：P为待评价线路的有功功率；S为待评价线路的视在功率。

(2)配变功率因数合格率。作为衡量待评价配变电压器运行效率的关键性指标，其主要反映线路满足条件的变压器的占比情况，具体表达式为

η4=(Kφ/K∑)×100%

(21)

式(21)中：Kφ、K∑分别为满足条件的变压器数量和总数。

根据总功率因数的相关因素如配网电压质量、配网损耗以及配网无功补偿，可得总功率因数为

(22)

1.3.4 负荷

负荷因自身的随时间的波动性，能更直观地体现电网的运行状态，反映配网改造过程中的经济安全水平。

(1)线路最佳负荷区域。该指标反映线路在某一可变负荷区域内最优运行状态。线路网损率作为影响配电线路损耗程度和有效性的关键因素，是电路经济运行区域评估的重要参考，网损率的计算公式为

(23)

式(23)中：∑ΔPt为变压器工作的时长t内产生总体损耗量；K反映了负荷占比情况，这里取K=1.1；Req为基于变压器和输电线路的等值电阻；P为监测周期内负荷的平均使用情况。

为获得网损率的最低值，对其求关于运行负荷的导数可得

(24)

ΔAmin取最小值，可获得配网运行的最佳经济效果。

(25)

考虑到配网运行的波动性，为获得紧急运行的线路最佳负荷区间。设配电网的网损率是最小网损率的α倍(α>1)，即ΔA=αΔAmin，则有

(26)

网损率ΔA为最小网损率ΔAmin的α(α=1.2)倍时的运行负荷区域为

(27)

(28)

(29)

假设经基于5G关键技术配电网改造后的经济运行区域最大值为[P]max，则经济运行参数为

(30)

线路负荷率是反映用电均衡程度的重要指标，线路负荷是否合理直接影响了该线路的安全、合理、经济运行。待评价线路负荷率Kf的计算公式为

Kf=(PL/Pmax)×100%

(31)

式(31)中：Pmax、PL分别为一定期间内待评价线路的最高负荷和平均负荷。

(2)配变负荷率。该指标是衡量供电设备在发、供、用电各环节的利用情况，是反映配网运行经济性的重要指标，其表达式为

KT=(PT/Pmax)×100%

(32)

式(32)中：PT为待评价线路配电变压器的平均负荷；Pmax为待评价线路配电变压器的最高负荷。假设KT≥0.85为符合标准。待评价线路配变负荷合格率η5公式为

η5=(Kh/K∑)×100%

(33)

式(33)中：K∑、Kh分别为变压器总数量和满足评估需要的数量。

从线路最佳负荷区域、线路负荷率、配变负荷合格率对负荷进行多角度评估，因此，总负荷的计算公式为

(34)

1.3.5 配网设备

配网设备作为衡量配网经济运行的技术评价指标之一，因此在进行基于5G通信技术的配电网改造过程中，也作为重点考量的参数。从线路绝缘化率、负载合格率等几个方面对配网设备进行经济性评估。

(1)线路绝缘化率。该指标反映线路的绝缘化水平和老化程度，是在配网改造过程中需重点考虑的部分。待评价线路的绝缘化率η7为绝缘导线长度LJ占总导线L∑的比例，具体公式为

η7=(LJ/L∑)×100%

(35)

(2)配变负载合格率。该指标反映了变压器实际负荷P占额定负荷SN的比重情况，具体公式为

η8=P/SN

(36)

基于上述参数对比分析可得总配电网设备的公式为

(37)

1.4 配电网检修经济性

电力系统的基本任务是保证用户供电的可靠性，其中包括电能质量符合要求以及供电的连续性满足用户需要。因此在进行基于5G通信的配电网改造过程应重点关注的问题，对配网改造后故障停电造成的影响及线路检修的评估显得尤为重要。

1.4.1 停电损失参数

停电损失参数F指一年内，系统发生单相接地故障导致用户停电所产生的损失，表达式为

F=ENSc

(38)

式(38)中：ENS为一年内单相接地故障导致的缺供电量；c为配电网所在地区的产电比。

1.4.2 检修维护费用参数

检修维护费用M是指一年内，对配网改造设备的维护费用以及由于系统故障所造成的维修费用，表达式为

(39)

式(39)中：n为一年内进行的维护维修次数；Ji为每次维护维修需要的费用。假设基于5G通信的配电网改造后的检修维护费用最大值为Mmax，则检修维护费用参数为

(40)

式(40)中：θF为改造设备投资附加参数，0<θF<1，取θF=0.4。

1.5 5G通信的配电网改造经济性评估体系建立

根据上述基于5G通信的配电网经济性进行分析，建立经济性评价体系，并将每个影响因素指标加上编号，如表1所示。

表1 5G通信的配电网经济性体系Table 1 Economic system of distribution grid for 5G communication

2 综合评估方法的研究

指标权重反映了指标在评估体系中的重要程度。为了使得最终的权重更具科学有效性[11]，使评估结果更具参考价值，采用不确定的层次分析法确定权重[13]。具体过程如下。

2.1 区间权重的确定

2.1.1 判断矩阵的权重向量

各专家基于目前的配电网经济运行情况同时结合5G信息通信技术对影响配网经济性因素的各项指标进行比对并打分，形成准则层、方案层的区间评判矩阵，记A=(Aij)n×m，Aij=[aij,bij]。

(41)

M=[mij]n×m为一致性矩阵，满足互反性条件。基于判断矩阵的权重向量为W=[W1,W2,…,Wn]。

(42)

2.1.2 权重误差调整

经过一致性逼近计算得到了判断矩阵M，并计算出去权重向量，考虑到随机误差，

为减少随机性带来的误差，采用一致性逼近方式计算判断矩阵，进而得出去权重向量，记ΔM1=(mij-aij)，ΔM2=(bij-mij)。ΔM1、ΔM2为A与M的极差矩阵，基于误差传递理论可得

(43)

Δ1mij=(mij-aij),Δ2mij=(bij-mij)

(44)

由此可得区间矩阵A的权重为

(45)

2.2 计算评判专家可信度计算

仅仅依靠一位专家对其进行经济性评估存在一定的片面性，同时基于不同专家自身的阅历和侧重点给出的经验结果也存在差异，所以征集了多位专家意见进行综合性的评估。利用可信度对专家评估结果判断，主要从总体相似性和局部差异性两方面考虑。

2.2.1 相似性计算

假定有m名专家对基于5G通信技术的配网改造经济性进行评判，针对各层经济性指标确定判断矩阵Al(l=1,2,…,k)。

导出向量定义：已知区间判断矩阵A(aij,bij)n×n，则导出向量为一个1×2n2的行向量，表示为：(a11,…,an1,a12,…,an2,a1n,…,ann,b11,…,bn1b12,…,bn2b1n,…,bnn)向量的相似性与夹角的余弦值成反比，记为Ai。Ai的导出向量为α、β，其中，α=(αi)，β=(βi)，这里有

(46)

(47)

2.2.2 差异性计算

(48)

式(48)中：Ek为第k个专家与所有专家评判的差异值之和。经过归一化处理，第k个专家与其他专家的差异度为

(49)

2.2.3 可信度计算

基于上述相似性和差异度的计算结果，从而确定可信度的具体表达形式为

(50)

2.3 经济性指标主客观权重计算

风险因素指标权重的确定受很多方面的因素影响，这里将风险因素权重分为两方面，主观权重ωil和客观权重ωi2。则最终权重ωi可表示为

ωi=f(ωil,ωi2)

(51)

2.3.1 主观权重计算

主观权重由多位专家根据以往经验、知识储备、能力、背景等打分计算得出。专家的权重区间为[u1,u2]，主观权重计算公式为

(52)

2.3.2 客观权重计算

(53)

式(53)中：ρi为置信度。

(54)

(55)

(4)风险因素指标最终权重计算

(56)

3 实例分析

为了验证提出的基于改进不确定层次分析评估方法的有效性，基于某配电厂实际调研及历史参数的分析，得到面向5G通信配网改造评估体系中各级指标原始数据，如表2所示。

表2 基于5G配网改造二级指标原始数据Table 2 Raw data based on 5G distribution network transformation secondary indicators

根据基于5G通信的配电网经济性评价体系，这里选择 4 位专家对准则层以及方案层风险指标进行打分，给出区间判断矩阵。由于权重计算过程烦琐，仅选择准则层展现权重的计算过程。

3.1 主观权重因子的确定

基于专家经验，得出4个判断矩阵如下。

根据式(41)可以计算出mij，则可以得出一致性矩阵，根据式(45)可以求出每位专家给出的区间矩阵的权重向量Wi如下。

W1=(0.231 8，0.309 4，0.149 5，0.312 9)

W2=(0.149 1，0.421 9，0.099 5，0.284 6)

W3=(0.216 8，0.484 7，0.108 6，0.190 0)

W4=(0.190 0，0.499 4，0.122 2，0.188 5)

根据式(49)和式(50)，可以计算得出专家1～专家4的Δ1Wi和Δ2Wi，由式(49)可以得出4位专家对于新建、改造、运行、检修4个经济因素指标的权重区间。

3.2 专家可信度计算

根据式(50)～式(54)，将导出向量的数值代入，可以计算得出4位专家的相似度、差异度以及可信度，如表 3 所示。

通过表3的计算结果，可以看出专家1与其他3位专家有着更大的差异，可信度相对较低。为了得到更加科学合理的权重，需要通过可信度来修正最终的权重结果。

表3 可信度计算Table 3 Reliability calculations

3.3 主客观权重计算

通过前面的计算，已经得到了权重区间以及可信度，根据式(52)～式(55)，将相关数值代入，可以求得风险因素主客观权重如表4所示。

表4 主观权重与客观权重结果Table 4 Subjective vs. objective weighting results

3.4 最终权重

最后，根据式(56)及主观权重和客观权重的计算结果可以求出最终权重，如表5所示。

根据前面分析可将配电网经济性分为4个一级指标，并进一步根据其一级指标的性质划分二级指标，通过二级指标对一级指标进行分析，可得出基于5G通信配电网改造的经济性指标体系，如表6所示。

通过各级指标权重结果分析发现，基于5G通信配电网改造经济性因素中，改造经济性占总成本的比重最高，因为大范围的对现有智能配电网全方位的新建在经济和人员方面投入巨大，实际实施起来难度系数较大；考虑到目前基于4G的配电网还处于相对较好的运行效果，通过购买相应的模组和终端设备进行改造可能花费的成本会更低，效率更高，能够较快地投入后期的工程实践当中。

表5 经济性因素的最终权重Table 5 Final weighting of economic factors

表6 配电网运行经济性指标体系Table 6 Economic indicator system for distribution network operation

4 结论

5G通信技术在保证配网稳定运行，有效满足故障精准定位和迅速恢复方面需求具有显著优势。但是目前5G配网建设领域的技术经济学分析并不多，许多投资运营商仍对其成本持怀疑态度。鉴于此，在综合考虑影响基于5G配电网建设经济性的一级指标新建、改造、运行和检修经济性，同时挖掘对应的多项单项指标，并结合实际供电环境，首先建立了一套针对5G配电网建设经济性的综合评估体系。使用客观赋权法和不确定层次分析法相结合的方法确定单项指标权重，从而使指标权重更加客观真实，并利用模糊层次函数来确定单项指标评分公式。最后经过分析推理可以验证算法的有效性，同时给出相应的分析结论。