微电网运行效果评价指标体系及评价方法

 对微电网运行效果进行全面准确的评价,是促进微电网可持续、规模化健康发展的有效手段。运用鱼骨图法建立了基于源-网-荷3个维度的微电网运行效果评价指标体系,该评价指标体系充分考虑了微电网源-网-荷运行特性对微电网可靠性、协调性、经济性和优质性的影响。同时,提出使用环比评分秩和比评价方法对所提指标体系进行综合评价,该方法不仅兼顾了主客观因素,还可消除异常值对评价结果的干扰。最后,将该评价指标体系和评价方法运用于微电网示范工程评价,并对评价结果进行分析。

0 引言

近几年,我国非常重视微电网示范工程项目的开发和利用。2017年7月,为推进能源供给侧结构性改革,促进并规范微电网健康发展,结合当前电力体制改革,国家发改委和国家能源局制定了《推进并网型微电网建设试行办法》,还在全国范围内下发了《关于新能源微电网示范项目名单的通知》,有28个新能源微电网示范项目获批,其中,24个示范项目为并网型微电网,4个为独立微电网型。随着微电网技术的成熟,微电网示范工程的增多,微电网正逐步走向规模化发展。为推进微电网健康的发展和应用,研究微电网运行效果评价指标体系和综合评价方法已迫在眉睫。

微电网作为智能电网的重要组成部分,集分布式电源、配电网络和电力用户于一体,以安全可靠、智能互动、优质高效、绿色经济为运行目标,最终实现微电网源-网-荷协调运行。从微电网运行目标的角度,提出微电网运行效果评价指标体系,可以实现对微电网运行结果的全面评价。

现有关于微电网评价的研究,多是针对微电网的规划、独立型微电网运行进行评价,并网型微电网运行效果评价的研究较少。文献[8]综合考虑微电网运行中各种不确定性因素并对其进行模拟,建立基于供电保障性、能源利用经济性、环保性指标的独立微电网综合性能评价模型。文献[6]考虑孤岛微电网系统中的不同控制策略,采用层次分析法和德尔菲法对孤岛微电网的综合评价指标进行分析,对循环充电、风光柴、风光储3种控制策略下的微电网系统进行了综合评价。文献[7]基于独立微电网的自身特性,分析了影响独立微电网安全性的主要因素和不确定性因素,并从微电网本身、微电源及负荷三方面入手,提出了评价独立微电网安全性的指标体系。文献[9]在研究微电网运行性能基础上,从可靠性、优质性、经济性和环保性等方面构建微电网运行性能评价体系,提出基于最优隶属度的微电网运行性能模糊评价方法。文献[10]分析了不同电价机制、能源价格、微电网运行方式、负荷供需差异等因素对微电网内各利益主体的影响,从微电网控制、建设、运营及各利益主体等方面,对微电网进行了评估。

在微电网运行方面,IEEE制定了分布式电源、微电网与电力系统互联的IEEE 1547系列标准;我国也颁布了《GB/T 33589—2017微电网接入电力系统技术规定》和《GB/T 33593—2017分布式电源并网技术要求》。这些标准反映了微电网和分布式电源运行的基本要求,但微电网是源-网-荷结合的相对复杂的系统,并网运行的微电网还与配电网存在互动性;同时,随着微电网的建设和发展,微电网运行水平多维度的综合评价还有待深入研究。

本文结合微电网的运行特性,同时借鉴了微电网评价研究现状和相关标准,从微电网运行目标和微电网各组成部分对运行影响的角度,开展了微电网运行效果综合评价指标体系及评价方法的研究。

因为鱼骨图是一种发现问题“根本原因”或“影响因素”的分析方法,本文应用鱼骨图法根据“源-网-荷”3个维度及其相关性,提出了一套包含可靠性、协调性、经济性、优质性4个一级指标和55个二级指标的微电网运行效果综合评价指标体系,该指标体系同时表征了微电网的源-网-荷互动、多能互补等特性。此外,论文提出环比评分法(decision alternative ratia evaluation system,DARE)与秩和比法(rank-sum ration,RSR)组合的方法,即环比评分秩和比(DARE-RSR)综合评价方法,实现微电网系统运行的综合评价。最后,将该方法应用于微电网的示范工程的综合评价。

1 微电网运行效果评价体系

本文综合考虑微电网各组成模块,应用层次分析法并根据微电网的建设和运行目标,建立能够反映微电网运行效果的指标体系框架,如图1所示。

鉴于微电网运行的最终目标和核心特征是安全可靠、协调运行、优质高效、绿色经济和源-网-荷智能互动,因此确定微电网运行评价的一级指标是：可靠性、协调性、优质性和经济性,这些一级指标反映了微电网运行的主要“结果”,它们分别是由微电网运行的多个因素决定的综合指标。因为微电网运行效果是由源-网-荷及控制策略等多因素决定的,因此本文用鱼骨图法从微电网的源、网、荷3个维度分别分析影响各一级指标的主要因素,如微电网可靠性分别从电源可靠性、网络可靠性和负荷可靠性3个维度及其影响因素建立评价指标鱼骨分析图。微电网的可靠性、协调性、优质性及经济性的影响因素分别如图2—5所示。

微电网的可靠性指标集由分布式电源与储能的运行率、配电设备和监控装置的故障停运情况、用户的供电可靠性组成;协调性指标集综合考虑了电源的可控性、源-荷-储能量互济情况、微电网与配电网互动性三方面因素;优质性指标集主要反映发电和供电的电能质量;经济性指标集主要包括分布式电源的能源效率和环境效益、需求侧响应效益等指标。

2 微电网运行效果评价指标

第1节借助鱼骨图所提出的影响因素定义指标集,每个指标反映具有时空特性的微电网运行特性的一个方面。下面对其中的一些关键指标做重点介绍。

2.1 微电网可靠性指标

1)DG年发电利用率。

DG年发电利用率表征所有DG的年实际发电量相对年额定发电量的占比,用微电网内所有DG年实际发电量(单位为kW.h)与其年额定发电量(单位为kW.h)的比值表示,其中,年额定发电量指DG以装机容量运行一年所发的电量,计算公式为

2)DG年运行率。

DG年运行率表征统计年内所有DG的运行情况,用微电网内每个DG年运行时间(单位为h)与其装机容量(单位为kW)的乘积之和占每个DG年额定发电量的比值表示,计算公式为

3)清洁能源弃电率。

清洁能源弃电率指由于风光输出功率不稳定及电网接纳能力不足等原因导致的弃风和弃光电量占清洁能源年发电量的比值。计算公式如下：

4)储能系统年利用率。

储能系统年利用率可用一年内储能的放电量与其额定容量的比值的平均值反映。计算公式为

式中：ND为储能系统一年的放电次数;Ei为储能系统第i次放电释放的电量;EN为储能系统额定容量。

5)网络可靠性。

微电网的网络主要指微电网中的配送电设备,主要包括配电线路、断路器和逆变器等一次设备,微电网的可靠性还受通信、监控和保护等二次设备的影响。微电网的网络可靠性指标以一次设备和二次设备为评价对象,从其故障率、故障停运方面,提出相应指标,以反映网络的可靠性。下面以逆变器故障停运率为例,对这类指标进行解释说明。

逆变器故障停运率表征逆变器的故障停运情况,用统计时段内逆变器总故障停运时间(单位为min或s)与统计时长(单位为min或s)的比值表示,本文中,统计时间取1年,计算公式为

6)用户平均停电缺供电量占比。

用户平均停电缺供电量占比表征用户停电电量情况,用统计时段内总停电缺供电量与统计时段内期望供电量的比值表示,其中,期望供电量为实际供电量和缺供电量的和,统计时长为一年。用户平均停电缺供电量占比计算公式为

7)用户平均故障停电时间占比。

用户平均故障停电时间占比表征用户故障停电时间情况,用统计时段内所有用户因故障停电的持续时间(单位为min或s)占总用户数与统计时长乘积的比值表示,计算公式为

2.2 微电网协调性指标

微电网协调运行的本质是通过控制可控的电源和负荷实现源-网-荷能量互济和资源的最大化利用。因此,研究微电网可控性、微电网内源荷协调互动关系及微电网与配电网相互影响关系对促进微电网的发展具有重要意义。需要说明,对独立微电网进行评价时无需考虑微电网与配电网协调性指标集。下面重点介绍源荷协调性、微电网与配电网协调性指标。

首先给出2个定义：1)自发自用缺额电量。当DG总发电电量小于总负荷需求电量时,总负荷需求电量与发电电量的差即为自发自用缺额电量。2)自发自用剩余电量。当DG总发电电量大于总负荷需求电量时,发电电量与总负荷需求电量的差即为自发自用剩余电量。

具体指标为：

1)自发自用电量缺额占比。

自发自用电量缺额占比反映DG无法满足负荷电量需求的情况,用统计时段内自发自用缺额电量与总负荷需求电量的比值表示,计算公式为

2)自发自用电量剩余占比。

自发自用电量剩余占比反映DG对负荷供电后剩余电量情况,用统计时间内自发自用剩余电量与总负荷需求电量的比值表示,计算公式如下：

3)储能补充发电能力。

能量型储能系统的接入可较大提高微电网的自治能力,起到削峰填谷的作用。

储能补充发电能力表征储能对自发自用缺额电量的补充供电能力,用储能放电量与自发自用缺额电量的比值表示,计算公式为

4)储能消纳电量能力。

储能消纳电量能力表征储能对自发自用剩余电量的存储能力,用储能充电量与自发自用剩余电量的比值表示,公式为

5)功率型储能占比。

功率型储能的特点是能量释放速度快,可快速响应负荷需求。功率型储能占比表征储能快速充放电能力,用功率型储能额定容量占所有储能额定容量的比值表示,计算公式为

6)能量自平滑度。

能量自平滑度表征微电网电量的自给自足能力,用统计时间内微电网自发自用电量与总负荷供电量的比值表示,计算公式为

7)功率自平衡度。

功率自平衡度表征微电网功率的自给自足能力,用统计时间内有功功率自给自足能力的平均值表示,计算公式为

2.3 微电网优质性指标

设计微电网的优质性指标集来反映微电网内的发电和供电的电能质量。在评价分布式电源优质性方面,应充分考虑其出力具有的随机性、波动性强等特点。具体指标为。

1)DG功率变化率。

DG功率变化率表征DG功率波动情况,用统计时长内DG输出功率时序变化率的平均值表示,计算公式为

DG功率变化率表征DG功率波动情况,用统计时长内DG输出功率时序变化率的平均值表示,计算公式为

2)输出功率峰谷差占比。

输出功率峰谷差占比表征DG峰谷差异情况,用统计时长内每天DG输出功率峰谷差与负荷需求功率最大值的比值的平均值表示,计算公式为

3)供电优质性。

微电网供电优质性指标与配电网供电优质性指标相似,反映微电网内的平均电能质量。本文将微电网内负荷接入节点与微电网并网节点电能质量指标在时间、空间区域内求取平均值,以反映微电网统计时间内供电优质性特征。例如,电压偏差度和三相电压不平衡度均值计算公式分别为

2.4 微电网经济性指标

在经济性方面,除了考虑微电网的成本和效益外,本文还考虑了设备的自身耗电、DG和储能设备寿命损耗及负荷参与需求响应的经济性等情况。

1)系统设备耗电率。

设备耗电率表征微电网发电和供电设备自身耗电情况,用DG年发电量中用于微电网设备耗电量占年发电量的比值表示,计算公式为

其中,微电网与配电网年交互电量为正值时表示微电网从配电网购入电量;为负值时表示微电网向配电网售电。当被评价的微电网为独立型微电网时,微电网与配电网年交互电量为0。

2)DG设备寿命损耗率。

DG设备寿命损耗率表征DG设备的新旧程度,用DG设备已使用月数与设备额定时限(单位为月)的比值表示,公式为

3)储能设备寿命损耗率。

储能设备寿命损耗率表征储能设备的新旧情况,用储能设备已使用充放电循环次数与储能设备最大充放电次数的比值表示,计算公式为

式中：Ni为第i次充放电时折算到满充满放下的最大循环次数;N0为满充满放下的最大循坏次数;Nt为已完成充放电次数。

4)电费节约率。

电费节约率表征用户因响应动态电价政策而降低电费支出的情况,用统计时段内用户因响应动态电价节约的电费支出占原电费支出的比值表示,计算公式为

5)补偿收益占比。

补偿收益占比表征用户参与需求侧响应得到的补贴情况,由用户因参与需求侧响应而获得的补贴与原电费支出的比值表示,计算公式为

6)需求响应代价占比。

需求响应代价占比表征用户参与需求侧响应的损失情况,用用户因参与需求响应后未被满足的负荷电量与用户不参与需求响应的总负荷电量的比值表示,计算公式为

3 微电网运行效果评价方法及步骤

3.1 DARE-RSR综合评价方法

DARE方法(环比评分方法)依据专家经验将相邻指标的重要程度两两比较,得到各指标的重要系数,再由重要系数得到各指标权重。该方法是一种主观赋权方法,因具有计算简单、不需要一致性检验等优点被广泛应用,其具体计算步骤本文不再赘述。

RSR法(秩和比综合评价法)是一种有效的多指标评估方法。该方法通过计算评估对象的秩次得到无量纲统计量,再结合各指标权重得到加权RSR,最后通过RSR值的大小对评价对象的优劣直接进行排序,从而对评价对象作出综合评估。该方法的计算过程如下：

1)由原始数据编秩。

首先由m个评价对象的n个评价指标构成原始数据矩阵S=(sij)m×n,然后对各指标进行一致化处理得到极大型指标,再对各指标从小到大编秩,得到秩矩阵R=(rij)m×n。

2)计算RSR。

根据式(26)计算第j个评价对象的加权RSR。

3)对评价对象进行综合评价。

根据RSR对评价对象进行排序并作出综合评估。

DARE-RSR综合评价方法先由DARE法确定各指标权重,然后将其带入RSR法中,得到加权RSR,从而得到各评价对象的评价结果。该方法的DARE法部分反映主观因素、RSR法部分反映客观因素,从而使评价结果兼顾了主客观信息。此外,由于RSR法的基本原理是对各评价对象的秩次进行评价,可消除异常值对评价结果的干扰。

3.2 评价步骤

对于微电网运行效果的评价,首先应构建评价指标体系并确定体系所需评价的微电网属性;然后根据DARE方法确定指标权重;再计算各指标值,得到原始数据矩阵;而后通过指标的一致化处理,对各评价对象进行编秩;最后计算各评价对象的加权RSR,并结合评价结果对微电网进行分析。

微电网运行效果评价基本过程如图6所示。

4 算例分析

为验证本文所提的基于源-网-荷3个维度的微电网运行效果评价指标体系及DARE-RSR综合评价方法的有效性,本文以3个典型微电网示范工程为例,参考其相关运行数据,完成运行效果评价算例分析。其中,微电网1所在地区风光资源较好,其风光储装机容量较大;微电网2近期投入运行,其设备较新;微电网3所在地区负荷等级较高,供电质量要求较高。各微电网评价数据如表1所示。

根据表1中各微电网的指标变权重值和秩次值,应用DARE-RSR综合评价方法计算微电网各层次评价结果及综合评价结果,如表2和图7所示。

由表2的评价结果可以得到以下结论：

1)微电网3是运行效果综合评价最优的微电网,其可靠性和优质性方面综合得分较微电网1和微电网2高,这也体现了微电网3具有较高的供电质量;且微电网3的经济性和协调性在3个微电网中排名居中。综上,微电网3综合运行效果表现较优。

2)微电网1综合排名居中,其在可靠性和优质性方面表现一般;在经济运行方面表现最差;但在协调运行方面排名最高。该结果说明具有较高装机容量的微电网1虽然运行经济性较差,但源-网-荷间的协调运行能力显著提高。

3)微电网2是3个微电网中运行效果综合评价最差的微电网,其在可靠性、优质性及协调性方面均有较大的提升空间;但在经济运行方面表现优秀。

5 总结与展望

本文基于微电网相关标准及实际运行情况,应用鱼骨分析法从源-网-荷3个维度及其相关性对影响微电网运行效果——“可靠性、协调性、优质性和经济性”的主要因素进行了分析,并建立了相对全面的微电网运行效果评价指标体系。同时,提出了针对该指标体系的环比评分秩和比综合评价方法(DARE-RSR法),实现了对多个微电网运行效果的精细化评价,该方法可以消除异常值对评价结果的干扰。最后,利用算例分析验证了微电网运行效果评价指标体系及评价方法的有效性。

本文所提的微电网运行效果评价指标体系可以针对微电网工程的建设及运行结果进行评价,明确微电网的薄弱环节,为微电网改善运行和后期规划提供科学的指导。但是,为进一步改善微电网运行效果,还需要针对微电网的运行进行过程性评价,主要是对微电网运行控制、能量优化、故障处理等微电网的关键技术进行评价,这也将是微电网精细化管理的发展趋势。

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（吴鸣 赵婷婷 赵凤展 张宇 寇凌峰 周献飞）

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