交直流混合微电网网络坚强度评估指标体系及方法

摘要：网络坚强度是交直流混合微电网构建与运行的基础,可体现系统的容量、结构合理性以及抗干扰能力。在定义网络坚强度和描述其表现的基础上,提出了一套交直流混合微电网的网络坚强度评估指标体系。该体系基于系统对坚强度的需求层次,衍生出结构、容量、联络程度、备用大小和故障转移能力等相关指标,考虑了节点和支路的分布情况、节点和支路的供电能力以及交流和直流微网的容载比等因素。同时提出了可体现数据独立性和波动性的独立信息熵权法,并运用基于独立信息熵权-层次分析-主成分分析(independentinformationentropy-analytichierarchyprocess-principalcomponentanalysis,IIE-AHP-PCA)的分层组合评价模型对网络坚强度进行评估。通过算例证明,所提出的指标体系与评价方法合理有效。

关键词:交直流混合微电网;坚强度;评估;独立信息熵权法;指标体系

0引言

在构建坚强智能电网的背景下,微电网作为联系电源与负荷的重要系统,其坚强度是系统稳定、高效运行的基础,会直接影响智能电网的坚强度,因此,对微电网的坚强度评估有重要意义。交直流混合微电网作为微电网的新兴结构,还未大量开展建设,对所提出的结构进行坚强度评估有利于其建设与发展。

目前,现有研究集中于对传统交流或直流微电网的可靠性和经济性进行评估。文献[1]利用短期停运的量化模型,构建了状态变量和组件故障的关系,并基于此建立了可靠性评估模型;文献[2]基于随机模型研究了保护系统对系统可靠性的影响;文献[3]构建了微网的综合效益评估模型,说明了用户负荷重要性程度和微网建设地点对投资合理性的影响;文献[4]建立了包括投资建设、运行维护以及回收利用的全生命周期内经济性评估系统。

对于坚强度的评估,目前研究中的指标体系尚不全面。文献[5]从裕度和抗毁性2个角度对配电网的网架坚强度进行了评估,但没有考虑网架本身的结构特点;文献[6]仅考虑系统的结构坚强度,从支路、节点、运行情况三方面评估了结构坚强度。与坚强度相关的还有系统的鲁棒性、生存性、抗毁性和脆弱性等,文献[7]基于抽样优化对控制策略进行了鲁棒性评估;文献[8]通过系统的生存性评估对电网中的关键线路进行了识别;文献[9]基于有权网络的抗毁性评估方法,建立了中压配电网网络结构的抗毁性评估模型;文献[10]研究了复杂电力系统的固有脆弱环节识别和系统整体脆弱性评估。

而对于微电网的坚强度,尤其是交直流混合微电网的坚强度鲜有研究。为此,本文提出了一套交直流混合微电网的网络坚强度评估指标体系。目前研究中对网络坚强度的定义尚较狭隘,本文首先更全面地定义了微电网的网络坚强度,然后同时考虑结构水平、供电裕度、联络程度以及交直流混合微电网的特点等因素,从结构、容量、联络程度、备用大小和故障转移能力等角度构建了网络坚强度的评估指标体系。接着又提出了一种新的赋权方法—独立信息熵权法,并将该客观赋权法与主成分分析法、层次分析法相结合,构成分层组合评价法来对各指标赋权,实现了评估。

1微电网的网络坚强度

本文将微电网的网络坚强度定义为其承受各种扰动时维持系统稳定的能力,是微电网的结构和容量合理性、对负荷的承受能力以及抗毁能力的综合体现。这种能力具体表现为：

1）微网内各电源分配合理,自消纳负荷能力强,仅存在少量不平衡功率。

2）微网中某元件出现故障时,故障元件下游负荷仍能正常供电。

3）在对现有负荷的供电基础上,能承受一定的负荷增长,即有一定的供电裕度。

4）网络的连通度较高。

2交直流混合微电网的网络坚强度评估指标体系

2.1评估指标的选取原则

根据网络坚强度的定义和表现,构建交直流混合微电网的网络坚强度指标体系时,应满足以下几点原则：

1）指标的全面性。指标体系中的指标可全面体现评价对象的各项信息,能系统地反映网络坚强度。

2）指标与评估目标的一致性。指标应反映评估目标,是评估目标的具体细化。

3）指标的相互独立性。各指标之间基本互不相关。

4）指标的易获取性。指标数据可通过简单的计算或测量得到,且具有一定的可操作性。

2.2指标体系的构建

要构建网络坚强度的指标体系,需明确其核心价值,而需求是价值的体现。因此,该指标体系本质上是利益相关者坚强度需求满足程度的衡量。为保证指标系统的完整性,本文参照马斯洛需求层次理论,并结合网络坚强度的定义,依据利益相关者的需求不被满足所造成的后果严重程度,对坚强度的需求进行层次划分。坚强度需求的构成与其对应的一级指标如图1所示,构架合理是底层需求,系统可靠是基本需求,故障自愈是上层需求,各需求层次由低到高、逐级提升。该方法可使指标体系层次分明、内容完备、便于应用。下面为各层次需求的影响：

1）构架合理需求。该需求不被满足时,会给利益相关者带来巨大的损失。

2）系统可靠需求。该需求不被满足时,虽不至于带来巨大的损失,但会对正常的运行带来不利影响。

3）故障自愈需求。该需求不被满足时,虽不会影响正常运行,但会造成运行效益的降低。

图1坚强度的需求构成与其对应的一级指标

本文将交直流混合微电网网络坚强度评估的指标体系分为2层。从各需求层出发,根据能力与需求的关系,构建一级指标。再将每个一级指标作为一种特性,根据其组成部分和影响因素对其进行分解,形成二级指标。一级指标是各需求下综合能力的核心体现,反映了网络坚强度各特性的总体情况;二级指标是坚强度需求在结构、容量、联络程度、备用大小以及故障转移能力上的具体表现。

2.3各指标的含义及其计算方法

1）网络结构水平。

网络结构水平代表网络中节点和支路分布情况的优劣,该指标可通过节点和支路自身分布情况与节点和支路的供电能力来衡量。因此,该一级指标可分为关键节点分布距离比、节点供电效能、关键支路分布距离比和支路供电效能这4个二级指标。

节点含权介数、支路含权介数以及关键节点分布距离比、关键支路分布距离比的定义已在文献[6]中给出,节点/支路含权介数表征其电能传输能力。但文献[6]仅考虑了网络自身分布情况,没有考虑到网络构架应计及负荷的分布,只有参照负荷的分布来构建网络,结构才更加合理。为补充现有研究的缺失,本文通过定义节点供电效能和支路供电效能来体现系统网架的供电合理性。

节点供电效能定义为各节点到大负荷的含权距离与各节点到大负荷的实际距离之比的平均值。对网络中所有负荷从大到小进行排序,选取前m个作为大负荷。该指标可表示为

2）电源配置合理性。

电源配置合理性指系统中各电源容量的配置合理程度,该指标可细化为交流供电容载比、直流供电容载比、互补电源接入比例、储能平抑率4个指标。

交流供电容载比指各交流微网内分布式电源总容量与负荷总量之比的平均值,体现交流微网的供电能力,其值越大,分布式电源与负荷的合理搭配程度越高,主网供电越少,线损越小。该指标可表示为

3）系统联络程度。

对于一个网络图G,网络中任意2个节点间连通的路径数越多,部分路径故障时可通过其它路径连通的概率越大,网络的坚强度越高。在抗毁性研究[11-12]中,定义了自然连通度,该指标可有效度量网络结构中所有节点间可替代路径的冗余度,其计算公式为

4）系统备用水平。

系统备用包括外部和内部的备用,外部备用水平的指标为大电网支持备用(gridsupportreserve,GSR)容量占比,内部备用水平的指标包括不可再生分布式发电备用(non-renewabledistributedgenerationreserve,NDGR)容量占比和互动备用容量占比。大电网支持备用容量占比定义为

5）故障自愈能力。

故障自愈能力可通过故障时供电转移水平来衡量,因此其二级指标包括负荷转移率和元件合格率[5]。

交流或直流微网中某条支路发生故障时,该支路下游的负荷需要转移到相邻供电路径。但由于相邻供电路径本身容量的限制,该支路下游负荷可能不能完全转移到相邻供电路径,负荷转移率就表征这种情况下系统对负荷供电的灵活性和可靠性,其计算公式为

3基于IIE-AHP-PCA的分层组合评价模型

3.1二级指标的评价模型

本文先对m个微网的r个二级指标建立评价模型。在同一一级指标所对应的二级指标中,每个指标之间存在一定相关性,若直接分析不仅复杂,还可能由于共线性而无法得到准确的结论。而主成分分析(principalcomponentanalysis,PCA)的核心思想是提取主成分分量,使其尽量保留完整的原有信息的同时彼此不相关,适用于对相关性较强的指标赋

图2交直流混合微电网的网络坚强度评估指标体系

权[13]。因此,对二级指标值进行主成分分析,计算主成分,进而得到一级指标值[14],具体计算步骤为：

3.2一级指标的评价模型

3.2.1赋权方法

线性客观赋权法可分为3类：1）基于指标间相关关系的赋权法,如复相关系数法;2）指标提高难度的赋权法;3）基于指标差异程度的赋权法,如熵权法、变异系数法、灰色关联法等[15]。线性客观赋权法是根据数据本身所提供的信息进行赋权的。而指标数据所能提供的信息包括2方面：1）指标数据自身的信息,如数据波动信息;2）指标数据信息的独立性,可通过计算以某指标为因变量、其他指标为自变量进行回归的拟合优度R2,得到能提供独立信息的程度1-R2。第1类赋权法仅能提供信息的独立程度,第3类赋权法仅能提供信息的波动程度。

独立信息熵权法(independentinformation-entropyweighingmethod,IIE)是一种将第1类和第3类方法相结合的客观赋权法。其权重既能体现指标的波动信息,又能反应指标的独立程度。基于独立信息熵权法的权值求解步骤如下：

3.2.2组合赋权方法

为兼顾评价者的主观判断和评价对象的内在联系,本文采用基于离差平方和的最优组合赋权法来将主、客观权重相结合[17],其基本思想是使组合权重值与原权重值之间的偏差最小,模型[18]如下。

3.3评分方法

3.3.1指标状态值

3.3.2综合得分

4算例分析

4.1基础数据

4.1.1系统构成

本文根据2种结构(如图3和图4所示)和2种电源容量分配方案(如表1所示),构建出3种交直流混合微电网：1）微网结构为结构1,电源容量分配为方案1;2）微网结构为结构1,电源容量分配为方案2;3）微网结构为结构2,电源容量分配为方案2。交、直流微网采用Benchmark低压微网系统[20]。

图3交直流混合微电网的结构1

图4交直流混合微电网的结构2

表1电源容量分配方案

从图3、4可以看出,2个结构的差别在于,结构2中2个直流微网母线是通过DC开关相连接的,促使2个微网的电气距离变小,负荷转移能力增强。

4.1.2基础数据的计算

根据微网的结构1和结构2以及benchmark微网系统的结构,计算网络结构水平的各二级指标值。每个交流微网的负荷总功率为116.4kW,每个直流微网的负荷总功率为118.4kW,结合表1中电源容量的分配方案,计算电源配置合理性和系统备用水平的各二级指标值。根据图5,列出2种结构的邻接矩阵,求出特征值,进而得到自然连通度。计算微网1的元件合格率时,由于其各子微网没有直接连通,导致变压器或整流器故障或切除后,该微网无法得到主网或其它微网的备用支持,有6个元件会导致这种情况,因此元件合格率为60/66,同理微网3的元件合格率为64/66。通过计算得到的原始数据如表2所示,基准值与状态值见附录。

图5 2种结构的图

表2指标的原始数据

4.2权重计算

对各二级指标进行主成分分析时,取累计贡献率超过85%时前p个主成分可体现所有指标。经计算,各微电网的一级指标状态值如表3所示。

4.3计算结果及分析

经计算,各微网的一级指标状态值、权重及总得分如表4所示。可以看出,对于网络结构水平,微网3较低,主要由于其所加支路导致关键节点分布距离比和关键支路分布距离比变小;对于电源配置合理性,微网1较低,因为容量方案1相对方案2的合理性更低;对于系统联络程度,结构2所加支路促使微网3的联络程度更高;对于系统备用水平,方案2的备用容量更大,使微网2和3的备用水平更高;对于故障自愈能力,结构2的支路更多,负荷可转移路径更多,因此自愈能力更强。对比各一级指标的权重,可以得出,电源配置合理性对坚强度的影响最大,其次是网络结构水平。

观察总得分可知,微网3的得分最高,微网2次之,微网1最低,微网2和微网3的网络坚强度处于较高水平,微网1则处于中等水平。因为容量方案2相对于方案1在电源配置合理性和系统备用水平上有优势;结构2相对于结构1在系统联络程度和故障自愈能力上有优势,但在网络结构水平下的关键节点分布距离比和关键支路分布距离比上有劣势。因此,微网1相对于微网2和微网3,坚强度较低;微网3相对于微网2,坚强度略高。根据以上分析,评估结果与理论分析一致,所以该评估方法可有效评估某交直流混合微电网的坚强度,具有一定的可信度。

若单一地用网络结构水平说明网络坚强度,微网1和微网2的水平一致,且比微网3大,与各微网的整体水平不符,且不能区分微网1和微网2;若单一地用系统备用水平说明网络坚强度,则不能体现三者结构对坚强度的影响,因此,本评价体系更加客观、全面。

4.4抗毁能力的对比

以图5中支路0-1、1-2、2-3、3-4、4-5和6-7为例,从0-1开始对支路进行故障处理,计算故障支路数为1到6时各微网的得分变化率,结果如

图6所示。得分变化率可以体现系统的抗毁能力,得分变化率越小,抗毁能力越好。

可以观察到,微网3的得分变化率始终最小,

图6随故障支路数变化的各微网的得分变化率

微网1在多数情况下得分变化率最高,说明微网3相对微网1和微网2的抗毁能力较强。因此,坚强度越高,系统的结构与容量合理性越强,其抗毁能力越强。

4.5独立信息熵权法的优势

表5熵权法和独立信息熵权法的权重

Tab.5Entropyweightandindependentinformation-entropyweight

电源配置合理性和系统备用水平存在一定的相关性,而EW权重中两者的权值较大,并不合理。通过计算独立信息水平对其矫正,其独立信息比率较小,使两者的IIE权重变小。因此,独立信息熵权法的权重更加合理,其拥有现有线性客观赋权法的所有优点,可同时依据数据的独立信息和变异程度进行评价。指标数据所提供的独立信息越多,权重越大;指标信息的波动程度越大,权重越大。该方法可充分体现现有数据的特点,丰富当前客观评价体系。

5结语

本文基于结构和容量的合理性,根据坚强度的各需求层次建立了交直流混合微电网的网络坚强度评估指标体系。并运用基于IIE-AHP-PCA的分层组合评价法,对构建的三个交直流混合微电网进行坚强度评估。通过算例分析得到以下结论：

1）该指标体系可对交直流混合微电网进行有效评估,各指标可系统地体现网络坚强度的不同特征,相对于单一用网络结构水平或系统备用水平来说明网络坚强度,该方法更加客观、全面。

2）电源配置合理性对网络坚强度的影响最大,其次是网络结构水平。

3）网络坚强度越高,系统的结构与容量合理性越强,其抗毁能力越强。

4）独立信息熵权法可同时体现数据的波动程度和独立程度,使权重更加合理。

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