交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度評(píng)估指標(biāo)體系及方法

2018-03-07 15:09:20 電網(wǎng)技術(shù) 　點(diǎn)擊量：評(píng)論 (0)

摘要：網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度是交直流混合微電網(wǎng)構(gòu)建與運(yùn)行的基礎(chǔ),可體現(xiàn)系統(tǒng)的容量、結(jié)構(gòu)合理性以及抗干擾能力。在定義網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度和描述其表現(xiàn)的基礎(chǔ)上,提出了一套交直流混合微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度評(píng)估指標(biāo)體系。該體系基于系統(tǒng)對(duì)堅(jiān)強(qiáng)度的需求層次,衍生出結(jié)構(gòu)、容量、聯(lián)絡(luò)程度、備用大小和故障轉(zhuǎn)移能力等相關(guān)指標(biāo),考慮了節(jié)點(diǎn)和支路的分布情況、節(jié)點(diǎn)和支路的供電能力以及交流和直流微網(wǎng)的容載比等因素。同時(shí)提出了可體現(xiàn)數(shù)據(jù)獨(dú)立性和波動(dòng)性的獨(dú)立信息熵權(quán)法,并運(yùn)用基于獨(dú)立信息熵權(quán)-層次分析-主成分分析(independentinformationentropy-analytichierarchyprocess-principalcomponentanalysis,IIE-AHP-PCA)的分層組合評(píng)價(jià)模型對(duì)網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估。通過(guò)算例證明,所提出的指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)方法合理有效。

0引言

在構(gòu)建堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的背景下,微電網(wǎng)作為聯(lián)系電源與負(fù)荷的重要系統(tǒng),其堅(jiān)強(qiáng)度是系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行的基礎(chǔ),會(huì)直接影響智能電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)度,因此,對(duì)微電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)度評(píng)估有重要意義。交直流混合微電網(wǎng)作為微電網(wǎng)的新興結(jié)構(gòu),還未大量開(kāi)展建設(shè),對(duì)所提出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行堅(jiān)強(qiáng)度評(píng)估有利于其建設(shè)與發(fā)展。

目前,現(xiàn)有研究集中于對(duì)傳統(tǒng)交流或直流微電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估。文獻(xiàn)[1]利用短期停運(yùn)的量化模型,構(gòu)建了狀態(tài)變量和組件故障的關(guān)系,并基于此建立了可靠性評(píng)估模型;文獻(xiàn)[2]基于隨機(jī)模型研究了保護(hù)系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響;文獻(xiàn)[3]構(gòu)建了微網(wǎng)的綜合效益評(píng)估模型,說(shuō)明了用戶(hù)負(fù)荷重要性程度和微網(wǎng)建設(shè)地點(diǎn)對(duì)投資合理性的影響;文獻(xiàn)[4]建立了包括投資建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)以及回收利用的全生命周期內(nèi)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估系統(tǒng)。

對(duì)于堅(jiān)強(qiáng)度的評(píng)估,目前研究中的指標(biāo)體系尚不全面。文獻(xiàn)[5]從裕度和抗毀性2個(gè)角度對(duì)配電網(wǎng)的網(wǎng)架堅(jiān)強(qiáng)度進(jìn)行了評(píng)估,但沒(méi)有考慮網(wǎng)架本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn);文獻(xiàn)[6]僅考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng)度,從支路、節(jié)點(diǎn)、運(yùn)行情況三方面評(píng)估了結(jié)構(gòu)堅(jiān)強(qiáng)度。與堅(jiān)強(qiáng)度相關(guān)的還有系統(tǒng)的魯棒性、生存性、抗毀性和脆弱性等,文獻(xiàn)[7]基于抽樣優(yōu)化對(duì)控制策略進(jìn)行了魯棒性評(píng)估;文獻(xiàn)[8]通過(guò)系統(tǒng)的生存性評(píng)估對(duì)電網(wǎng)中的關(guān)鍵線(xiàn)路進(jìn)行了識(shí)別;文獻(xiàn)[9]基于有權(quán)網(wǎng)絡(luò)的抗毀性評(píng)估方法,建立了中壓配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的抗毀性評(píng)估模型;文獻(xiàn)[10]研究了復(fù)雜電力系統(tǒng)的固有脆弱環(huán)節(jié)識(shí)別和系統(tǒng)整體脆弱性評(píng)估。

而對(duì)于微電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)度,尤其是交直流混合微電網(wǎng)的堅(jiān)強(qiáng)度鮮有研究。為此,本文提出了一套交直流混合微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度評(píng)估指標(biāo)體系。目前研究中對(duì)網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度的定義尚較狹隘,本文首先更全面地定義了微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度,然后同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)水平、供電裕度、聯(lián)絡(luò)程度以及交直流混合微電網(wǎng)的特點(diǎn)等因素,從結(jié)構(gòu)、容量、聯(lián)絡(luò)程度、備用大小和故障轉(zhuǎn)移能力等角度構(gòu)建了網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度的評(píng)估指標(biāo)體系。接著又提出了一種新的賦權(quán)方法—獨(dú)立信息熵權(quán)法,并將該客觀賦權(quán)法與主成分分析法、層次分析法相結(jié)合,構(gòu)成分層組合評(píng)價(jià)法來(lái)對(duì)各指標(biāo)賦權(quán),實(shí)現(xiàn)了評(píng)估。

1微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度

本文將微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度定義為其承受各種擾動(dòng)時(shí)維持系統(tǒng)穩(wěn)定的能力,是微電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和容量合理性、對(duì)負(fù)荷的承受能力以及抗毀能力的綜合體現(xiàn)。這種能力具體表現(xiàn)為：

1)微網(wǎng)內(nèi)各電源分配合理,自消納負(fù)荷能力強(qiáng),僅存在少量不平衡功率。

2)微網(wǎng)中某元件出現(xiàn)故障時(shí),故障元件下游負(fù)荷仍能正常供電。

3)在對(duì)現(xiàn)有負(fù)荷的供電基礎(chǔ)上,能承受一定的負(fù)荷增長(zhǎng),即有一定的供電裕度。

4)網(wǎng)絡(luò)的連通度較高。

2交直流混合微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度評(píng)估指標(biāo)體系

2.1評(píng)估指標(biāo)的選取原則

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度的定義和表現(xiàn),構(gòu)建交直流混合微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度指標(biāo)體系時(shí),應(yīng)滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)原則：

1)指標(biāo)的全面性。指標(biāo)體系中的指標(biāo)可全面體現(xiàn)評(píng)價(jià)對(duì)象的各項(xiàng)信息,能系統(tǒng)地反映網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度。

2)指標(biāo)與評(píng)估目標(biāo)的一致性。指標(biāo)應(yīng)反映評(píng)估目標(biāo),是評(píng)估目標(biāo)的具體細(xì)化。

3)指標(biāo)的相互獨(dú)立性。各指標(biāo)之間基本互不相關(guān)。

4)指標(biāo)的易獲取性。指標(biāo)數(shù)據(jù)可通過(guò)簡(jiǎn)單的計(jì)算或測(cè)量得到,且具有一定的可操作性。

2.2指標(biāo)體系的構(gòu)建

要構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度的指標(biāo)體系,需明確其核心價(jià)值,而需求是價(jià)值的體現(xiàn)。因此,該指標(biāo)體系本質(zhì)上是利益相關(guān)者堅(jiān)強(qiáng)度需求滿(mǎn)足程度的衡量。為保證指標(biāo)系統(tǒng)的完整性,本文參照馬斯洛需求層次理論,并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度的定義,依據(jù)利益相關(guān)者的需求不被滿(mǎn)足所造成的后果嚴(yán)重程度,對(duì)堅(jiān)強(qiáng)度的需求進(jìn)行層次劃分。堅(jiān)強(qiáng)度需求的構(gòu)成與其對(duì)應(yīng)的一級(jí)指標(biāo)如圖1所示,構(gòu)架合理是底層需求,系統(tǒng)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(jí)提升。該方法可使指標(biāo)體系層次分明、內(nèi)容完備、便于應(yīng)用。下面為各層次需求的影響：

1)構(gòu)架合理需求。該需求不被滿(mǎn)足時(shí),會(huì)給利益相關(guān)者帶來(lái)巨大的損失。

2)系統(tǒng)可靠需求。該需求不被滿(mǎn)足時(shí),雖不至于帶來(lái)巨大的損失,但會(huì)對(duì)正常的運(yùn)行帶來(lái)不利影響。

3)故障自愈需求。該需求不被滿(mǎn)足時(shí),雖不會(huì)影響正常運(yùn)行,但會(huì)造成運(yùn)行效益的降低。

圖1堅(jiān)強(qiáng)度的需求構(gòu)成與其對(duì)應(yīng)的一級(jí)指標(biāo)

本文將交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度評(píng)估的指標(biāo)體系分為2層。從各需求層出發(fā),根據(jù)能力與需求的關(guān)系,構(gòu)建一級(jí)指標(biāo)。再將每個(gè)一級(jí)指標(biāo)作為一種特性,根據(jù)其組成部分和影響因素對(duì)其進(jìn)行分解,形成二級(jí)指標(biāo)。一級(jí)指標(biāo)是各需求下綜合能力的核心體現(xiàn),反映了網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度各特性的總體情況;二級(jí)指標(biāo)是堅(jiān)強(qiáng)度需求在結(jié)構(gòu)、容量、聯(lián)絡(luò)程度、備用大小以及故障轉(zhuǎn)移能力上的具體表現(xiàn)。

2.3各指標(biāo)的含義及其計(jì)算方法

1)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水平。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)水平代表網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)和支路分布情況的優(yōu)劣,該指標(biāo)可通過(guò)節(jié)點(diǎn)和支路自身分布情況與節(jié)點(diǎn)和支路的供電能力來(lái)衡量。因此,該一級(jí)指標(biāo)可分為關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分布距離比、節(jié)點(diǎn)供電效能、關(guān)鍵支路分布距離比和支路供電效能這4個(gè)二級(jí)指標(biāo)。

節(jié)點(diǎn)含權(quán)介數(shù)、支路含權(quán)介數(shù)以及關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)分布距離比、關(guān)鍵支路分布距離比的定義已在文獻(xiàn)[6]中給出,節(jié)點(diǎn)/支路含權(quán)介數(shù)表征其電能傳輸能力。但文獻(xiàn)[6]僅考慮了網(wǎng)絡(luò)自身分布情況,沒(méi)有考慮到網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架應(yīng)計(jì)及負(fù)荷的分布,只有參照負(fù)荷的分布來(lái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò),結(jié)構(gòu)才更加合理。為補(bǔ)充現(xiàn)有研究的缺失,本文通過(guò)定義節(jié)點(diǎn)供電效能和支路供電效能來(lái)體現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)架的供電合理性。

節(jié)點(diǎn)供電效能定義為各節(jié)點(diǎn)到大負(fù)荷的含權(quán)距離與各節(jié)點(diǎn)到大負(fù)荷的實(shí)際距離之比的平均值。對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有負(fù)荷從大到小進(jìn)行排序,選取前m個(gè)作為大負(fù)荷。該指標(biāo)可表示為

2)電源配置合理性。

電源配置合理性指系統(tǒng)中各電源容量的配置合理程度,該指標(biāo)可細(xì)化為交流供電容載比、直流供電容載比、互補(bǔ)電源接入比例、儲(chǔ)能平抑率4個(gè)指標(biāo)。

交流供電容載比指各交流微網(wǎng)內(nèi)分布式電源總?cè)萘颗c負(fù)荷總量之比的平均值,體現(xiàn)交流微網(wǎng)的供電能力,其值越大,分布式電源與負(fù)荷的合理搭配程度越高,主網(wǎng)供電越少,線(xiàn)損越小。該指標(biāo)可表示為

3)系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)程度。

對(duì)于一個(gè)網(wǎng)絡(luò)圖G,網(wǎng)絡(luò)中任意2個(gè)節(jié)點(diǎn)間連通的路徑數(shù)越多,部分路徑故障時(shí)可通過(guò)其它路徑連通的概率越大,網(wǎng)絡(luò)的堅(jiān)強(qiáng)度越高。在抗毀性研究[11-12]中,定義了自然連通度,該指標(biāo)可有效度量網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中所有節(jié)點(diǎn)間可替代路徑的冗余度,其計(jì)算公式為

4)系統(tǒng)備用水平。

系統(tǒng)備用包括外部和內(nèi)部的備用,外部備用水平的指標(biāo)為大電網(wǎng)支持備用(gridsupportreserve,GSR)容量占比,內(nèi)部備用水平的指標(biāo)包括不可再生分布式發(fā)電備用(non-renewabledistributedgenerationreserve,NDGR)容量占比和互動(dòng)備用容量占比。大電網(wǎng)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(guò)故障時(shí)供電轉(zhuǎn)移水平來(lái)衡量,因此其二級(jí)指標(biāo)包括負(fù)荷轉(zhuǎn)移率和元件合格率[5]。

交流或直流微網(wǎng)中某條支路發(fā)生故障時(shí),該支路下游的負(fù)荷需要轉(zhuǎn)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(fù)荷可能不能完全轉(zhuǎn)移到相鄰供電路徑,負(fù)荷轉(zhuǎn)移率就表征這種情況下系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷供電的靈活性和可靠性,其計(jì)算公式為

3基于IIE-AHP-PCA的分層組合評(píng)價(jià)模型

3.1二級(jí)指標(biāo)的評(píng)價(jià)模型

本文先對(duì)m個(gè)微網(wǎng)的r個(gè)二級(jí)指標(biāo)建立評(píng)價(jià)模型。在同一一級(jí)指標(biāo)所對(duì)應(yīng)的二級(jí)指標(biāo)中,每個(gè)指標(biāo)之間存在一定相關(guān)性,若直接分析不僅復(fù)雜,還可能由于共線(xiàn)性而無(wú)法得到準(zhǔn)確的結(jié)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(shí)彼此不相關(guān),適用于對(duì)相關(guān)性較強(qiáng)的指標(biāo)賦權(quán)[13]。因此,對(duì)二級(jí)指標(biāo)值進(jìn)行主成分分析,計(jì)算主成分,進(jìn)而得到一級(jí)指標(biāo)值[14],具體計(jì)算步驟為：

圖2交直流混合微電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)堅(jiān)強(qiáng)度評(píng)估指標(biāo)體系

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