交直流混合微電網(wǎng)網(wǎng)絡堅強度評估指標體系及方法

2018-03-07 15:09:20 電網(wǎng)技術　點擊量：評論 (0)

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

摘要：網(wǎng)絡堅強度是交直流混合微電網(wǎng)構建與運行的基礎,可體現(xiàn)系統(tǒng)的容量、結構合理性以及抗干擾能力。在定義網(wǎng)絡堅強度和描述其表現(xiàn)的基礎上,提出了一套交直流混合微電網(wǎng)的網(wǎng)絡堅強度評估指標體系。該體系基于系統(tǒng)對堅強度的需求層次,衍生出結構、容量、聯(lián)絡程度、備用大小和故障轉移能力等相關指標,考慮了節(jié)點和支路的分布情況、節(jié)點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。同時提出了可體現(xiàn)數(shù)據(jù)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(wǎng)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(wǎng)的背景下,微電網(wǎng)作為聯(lián)系電源與負荷的重要系統(tǒng),其堅強度是系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運行的基礎,會直接影響智能電網(wǎng)的堅強度,因此,對微電網(wǎng)的堅強度評估有重要意義。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(fā)展。

目前,現(xiàn)有研究集中于對傳統(tǒng)交流或直流微電網(wǎng)的可靠性和經(jīng)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(tài)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(tǒng)對系統(tǒng)可靠性的影響;文獻[3]構建了微網(wǎng)的綜合效益評估模型,說明了用戶負荷重要性程度和微網(wǎng)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(nèi)經(jīng)濟性評估系統(tǒng)。

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(wǎng)的網(wǎng)架堅強度進行了評估,但沒有考慮網(wǎng)架本身的結構特點;文獻[6]僅考慮系統(tǒng)的結構堅強度,從支路、節(jié)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(tǒng)的魯棒性、生存性、抗毀性和脆弱性等,文獻[7]基于抽樣優(yōu)化對控制策略進行了魯棒性評估;文獻[8]通過系統(tǒng)的生存性評估對電網(wǎng)中的關鍵線路進行了識別;文獻[9]基于有權網(wǎng)絡的抗毀性評估方法,建立了中壓配電網(wǎng)網(wǎng)絡結構的抗毀性評估模型;文獻[10]研究了復雜電力系統(tǒng)的固有脆弱環(huán)節(jié)識別和系統(tǒng)整體脆弱性評估。

而對于微電網(wǎng)的堅強度,尤其是交直流混合微電網(wǎng)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(wǎng)的網(wǎng)絡堅強度評估指標體系。目前研究中對網(wǎng)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(wǎng)的網(wǎng)絡堅強度,然后同時考慮結構水平、供電裕度、聯(lián)絡程度以及交直流混合微電網(wǎng)的特點等因素,從結構、容量、聯(lián)絡程度、備用大小和故障轉移能力等角度構建了網(wǎng)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(xiàn)了評估。

1微電網(wǎng)的網(wǎng)絡堅強度

本文將微電網(wǎng)的網(wǎng)絡堅強度定義為其承受各種擾動時維持系統(tǒng)穩(wěn)定的能力,是微電網(wǎng)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(xiàn)。這種能力具體表現(xiàn)為：

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

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

3)在對現(xiàn)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(wǎng)絡的連通度較高。

2交直流混合微電網(wǎng)的網(wǎng)絡堅強度評估指標體系

2.1評估指標的選取原則

根據(jù)網(wǎng)絡堅強度的定義和表現(xiàn),構建交直流混合微電網(wǎng)的網(wǎng)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(xiàn)評價對象的各項信息,能系統(tǒng)地反映網(wǎng)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(shù)據(jù)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(wǎng)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(xiàn)。因此,該指標體系本質(zhì)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(tǒng)的完整性,本文參照馬斯洛需求層次理論,并結合網(wǎng)絡堅強度的定義,依據(jù)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(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、逐級提升。該方法可使指標體系層次分明、內(nèi)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(tǒng)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(wǎng)網(wǎng)絡堅強度評估的指標體系分為2層。從各需求層出發(fā),根據(jù)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(jù)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(xiàn),反映了網(wǎng)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(lián)絡程度、備用大小以及故障轉移能力上的具體表現(xiàn)。

2.3各指標的含義及其計算方法

1)網(wǎng)絡結構水平。

網(wǎng)絡結構水平代表網(wǎng)絡中節(jié)點和支路分布情況的優(yōu)劣,該指標可通過節(jié)點和支路自身分布情況與節(jié)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(jié)點分布距離比、節(jié)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(jié)點含權介數(shù)、支路含權介數(shù)以及關鍵節(jié)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(jié)點/支路含權介數(shù)表征其電能傳輸能力。但文獻[6]僅考慮了網(wǎng)絡自身分布情況,沒有考慮到網(wǎng)絡構架應計及負荷的分布,只有參照負荷的分布來構建網(wǎng)絡,結構才更加合理。為補充現(xiàn)有研究的缺失,本文通過定義節(jié)點供電效能和支路供電效能來體現(xiàn)系統(tǒng)網(wǎng)架的供電合理性。

節(jié)點供電效能定義為各節(jié)點到大負荷的含權距離與各節(jié)點到大負荷的實際距離之比的平均值。對網(wǎng)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(tǒng)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(wǎng)內(nèi)分布式電源總容量與負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,分布式電源與負荷的合理搭配程度越高,主網(wǎng)供電越少,線損越小。該指標可表示為

3)系統(tǒng)聯(lián)絡程度。

對于一個網(wǎng)絡圖G,網(wǎng)絡中任意2個節(jié)點間連通的路徑數(shù)越多,部分路徑故障時可通過其它路徑連通的概率越大,網(wǎng)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(wǎng)絡結構中所有節(jié)點間可替代路徑的冗余度,其計算公式為

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)部備用水平的指標包括不可再生分布式發(fā)電備用(non-renewabledistributedgenerationreserve,NDGR)容量占比和互動備用容量占比。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(wǎng)中某條支路發(fā)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(tǒng)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(wǎng)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：