交直流混合微電網網絡堅強度評估指標體系及方法

2018-03-07 15:09:20 電網技術　點擊量：評論 (0)

摘要：網絡堅強度是交直流混合微電網構建與運行的基礎,可體現系統的容量、結構合理性以及抗干擾能力。在定義網絡堅強度和描述其表現的基礎

摘要：網絡堅強度是交直流混合微電網構建與運行的基礎,可體現系統的容量、結構合理性以及抗干擾能力。在定義網絡堅強度和描述其表現的基礎上,提出了一套交直流混合微電網的網絡堅強度評估指標體系。該體系基于系統對堅強度的需求層次,衍生出結構、容量、聯絡程度、備用大小和故障轉移能力等相關指標,考慮了節點和支路的分布情況、節點和支路的供電能力以及交流和直流微網的容載比等因素。同時提出了可體現數據獨立性和波動性的獨立信息熵權法,并運用基于獨立信息熵權-層次分析-主成分分析(independentinformationentropy-analytichierarchyprocess-principalcomponentanalysis,IIE-AHP-PCA)的分層組合評價模型對網絡堅強度進行評估。通過算例證明,所提出的指標體系與評價方法合理有效。

0引言

在構建堅強智能電網的背景下,微電網作為聯系電源與負荷的重要系統,其堅強度是系統穩定、高效運行的基礎,會直接影響智能電網的堅強度,因此,對微電網的堅強度評估有重要意義。交直流混合微電網作為微電網的新興結構,還未大量開展建設,對所提出的結構進行堅強度評估有利于其建設與發展。

目前,現有研究集中于對傳統交流或直流微電網的可靠性和經濟性進行評估。文獻[1]利用短期停運的量化模型,構建了狀態變量和組件故障的關系,并基于此建立了可靠性評估模型;文獻[2]基于隨機模型研究了保護系統對系統可靠性的影響;文獻[3]構建了微網的綜合效益評估模型,說明了用戶負荷重要性程度和微網建設地點對投資合理性的影響;文獻[4]建立了包括投資建設、運行維護以及回收利用的全生命周期內經濟性評估系統。

對于堅強度的評估,目前研究中的指標體系尚不全面。文獻[5]從裕度和抗毀性2個角度對配電網的網架堅強度進行了評估,但沒有考慮網架本身的結構特點;文獻[6]僅考慮系統的結構堅強度,從支路、節點、運行情況三方面評估了結構堅強度。與堅強度相關的還有系統的魯棒性、生存性、抗毀性和脆弱性等,文獻[7]基于抽樣優化對控制策略進行了魯棒性評估;文獻[8]通過系統的生存性評估對電網中的關鍵線路進行了識別;文獻[9]基于有權網絡的抗毀性評估方法,建立了中壓配電網網絡結構的抗毀性評估模型;文獻[10]研究了復雜電力系統的固有脆弱環節識別和系統整體脆弱性評估。

而對于微電網的堅強度,尤其是交直流混合微電網的堅強度鮮有研究。為此,本文提出了一套交直流混合微電網的網絡堅強度評估指標體系。目前研究中對網絡堅強度的定義尚較狹隘,本文首先更全面地定義了微電網的網絡堅強度,然后同時考慮結構水平、供電裕度、聯絡程度以及交直流混合微電網的特點等因素,從結構、容量、聯絡程度、備用大小和故障轉移能力等角度構建了網絡堅強度的評估指標體系。接著又提出了一種新的賦權方法—獨立信息熵權法,并將該客觀賦權法與主成分分析法、層次分析法相結合,構成分層組合評價法來對各指標賦權,實現了評估。

1微電網的網絡堅強度

本文將微電網的網絡堅強度定義為其承受各種擾動時維持系統穩定的能力,是微電網的結構和容量合理性、對負荷的承受能力以及抗毀能力的綜合體現。這種能力具體表現為：

1)微網內各電源分配合理,自消納負荷能力強,僅存在少量不平衡功率。

2)微網中某元件出現故障時,故障元件下游負荷仍能正常供電。

3)在對現有負荷的供電基礎上,能承受一定的負荷增長,即有一定的供電裕度。

4)網絡的連通度較高。

2交直流混合微電網的網絡堅強度評估指標體系

2.1評估指標的選取原則

根據網絡堅強度的定義和表現,構建交直流混合微電網的網絡堅強度指標體系時,應滿足以下幾點原則：

1)指標的全面性。指標體系中的指標可全面體現評價對象的各項信息,能系統地反映網絡堅強度。

2)指標與評估目標的一致性。指標應反映評估目標,是評估目標的具體細化。

3)指標的相互獨立性。各指標之間基本互不相關。

4)指標的易獲取性。指標數據可通過簡單的計算或測量得到,且具有一定的可操作性。

2.2指標體系的構建

要構建網絡堅強度的指標體系,需明確其核心價值,而需求是價值的體現。因此,該指標體系本質上是利益相關者堅強度需求滿足程度的衡量。為保證指標系統的完整性,本文參照馬斯洛需求層次理論,并結合網絡堅強度的定義,依據利益相關者的需求不被滿足所造成的后果嚴重程度,對堅強度的需求進行層次劃分。堅強度需求的構成與其對應的一級指標如圖1所示,構架合理是底層需求,系統可靠是基本需求,故障自愈是上層需求,各需求層次由低到高、逐級提升。該方法可使指標體系層次分明、內容完備、便于應用。下面為各層次需求的影響：

1)構架合理需求。該需求不被滿足時,會給利益相關者帶來巨大的損失。

2)系統可靠需求。該需求不被滿足時,雖不至于帶來巨大的損失,但會對正常的運行帶來不利影響。

3)故障自愈需求。該需求不被滿足時,雖不會影響正常運行,但會造成運行效益的降低。

圖1堅強度的需求構成與其對應的一級指標

本文將交直流混合微電網網絡堅強度評估的指標體系分為2層。從各需求層出發,根據能力與需求的關系,構建一級指標。再將每個一級指標作為一種特性,根據其組成部分和影響因素對其進行分解,形成二級指標。一級指標是各需求下綜合能力的核心體現,反映了網絡堅強度各特性的總體情況;二級指標是堅強度需求在結構、容量、聯絡程度、備用大小以及故障轉移能力上的具體表現。

2.3各指標的含義及其計算方法

1)網絡結構水平。

網絡結構水平代表網絡中節點和支路分布情況的優劣,該指標可通過節點和支路自身分布情況與節點和支路的供電能力來衡量。因此,該一級指標可分為關鍵節點分布距離比、節點供電效能、關鍵支路分布距離比和支路供電效能這4個二級指標。

節點含權介數、支路含權介數以及關鍵節點分布距離比、關鍵支路分布距離比的定義已在文獻[6]中給出,節點/支路含權介數表征其電能傳輸能力。但文獻[6]僅考慮了網絡自身分布情況,沒有考慮到網絡構架應計及負荷的分布,只有參照負荷的分布來構建網絡,結構才更加合理。為補充現有研究的缺失,本文通過定義節點供電效能和支路供電效能來體現系統網架的供電合理性。

節點供電效能定義為各節點到大負荷的含權距離與各節點到大負荷的實際距離之比的平均值。對網絡中所有負荷從大到小進行排序,選取前m個作為大負荷。該指標可表示為

2)電源配置合理性。

電源配置合理性指系統中各電源容量的配置合理程度,該指標可細化為交流供電容載比、直流供電容載比、互補電源接入比例、儲能平抑率4個指標。

交流供電容載比指各交流微網內分布式電源總容量與負荷總量之比的平均值,體現交流微網的供電能力,其值越大,分布式電源與負荷的合理搭配程度越高,主網供電越少,線損越小。該指標可表示為

3)系統聯絡程度。

對于一個網絡圖G,網絡中任意2個節點間連通的路徑數越多,部分路徑故障時可通過其它路徑連通的概率越大,網絡的堅強度越高。在抗毀性研究[11-12]中,定義了自然連通度,該指標可有效度量網絡結構中所有節點間可替代路徑的冗余度,其計算公式為

4)系統備用水平。

系統備用包括外部和內部的備用,外部備用水平的指標為大電網支持備用(gridsupportreserve,GSR)容量占比,內部備用水平的指標包括不可再生分布式發電備用(non-renewabledistributedgenerationreserve,NDGR)容量占比和互動備用容量占比。大電網支持備用容量占比定義為

5)故障自愈能力。

故障自愈能力可通過故障時供電轉移水平來衡量,因此其二級指標包括負荷轉移率和元件合格率[5]。

交流或直流微網中某條支路發生故障時,該支路下游的負荷需要轉移到相鄰供電路徑。但由于相鄰供電路徑本身容量的限制,該支路下游負荷可能不能完全轉移到相鄰供電路徑,負荷轉移率就表征這種情況下系統對負荷供電的靈活性和可靠性,其計算公式為

3基于IIE-AHP-PCA的分層組合評價模型

3.1二級指標的評價模型

本文先對m個微網的r個二級指標建立評價模型。在同一一級指標所對應的二級指標中,每個指標之間存在一定相關性,若直接分析不僅復雜,還可能由于共線性而無法得到準確的結論。而主成分分析(principalcomponentanalysis,PCA)的核心思想是提取主成分分量,使其盡量保留完整的原有信息的同時彼此不相關,適用于對相關性較強的指標賦權[13]。因此,對二級指標值進行主成分分析,計算主成分,進而得到一級指標值[14],具體計算步驟為：