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。
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：
图2交直流混合微电网的网络坚强度评估指标体系
