[发明专利]一种交直流配电网供电模式评价方法

权利要求书

1.一种交直流配电网供电模式评价方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)建立配电网典型供电模式下的网络拓扑；

(2)建立交直流混合配电网评估指标体系；

(3)采用模糊熵权评价方法对典型供电模式进行评价。

2.根据权利要求1所述的一种交直流配电网供电模式评价方法，其特征在于：

所述步骤(1)中，建立配电网典型供电模式下的网络拓扑类型包括交直流配电网放射状网络拓扑结构，直流配电网放射状网络拓扑结构，交直流混合配电网放射状网络拓扑结构，交直流混合配电网双端供电网络拓扑结构及交直流混合配电网环状网络拓扑结构。

3.根据权利要求1所述的一种交直流配电网供电模式评价方法，其特征在于，所述步骤(2)建立交直流混合配电网评估指标体系具体如下：

步骤一：建立技术性评估指标体系，具体包括以下内容：

(1)网络谐波电流含量比率α：

对于交流网络，网络谐波电流含量比率定义为不同节点总谐波电流含量比率的平均值，即：

αAC=Σi=1NACIh,iAC/I0,iACNAC---(1)]]>

式中，为交流网络第i个节点的基波电流有效值，为交流网络第i个节点的总谐波电流有效值，N_AC为交流网络节点的个数，为交流网络第i个节点第k(k≥0)次谐波电流有效值；

对于直流网络，网络谐波电流含量比率定义：

αDC=Σi=1NDCIh,iDC/I0,iDCNDC---(2)]]>

式中，为直流网络第i个节点的基波电流有效值，为直流网络第i个节点的总谐波电流有效值，N_DC为直流网络节点的个数，为直流网络第i个节点第k(k≥0)次谐波电流有效值；

(2)网络平均电压畸变率ξ_avg：配电网路平均电压畸变率以不同电压节点电压畸变率的平均值来表示，即：

ξavg=Σi=1NVξiNV(3)]]>

式中，N_V为交流网络的直流网络的节点数，ξ_i为节点i的电压畸变率，可用该节点各次谐波电压的均方根值与基波电压有效值之比的百分数来表示，即：

ξi=Ui,22+Ui,32+Ui,42+...+Ui,n2Ui,12×100%---(4)]]>

式中，U_i,2,U_i,3,…,U_i,n表示节点i的各次谐波电压；对于交流网络，U_i,1表示节点i的基波分量，而对于直流网络，U_i,1表示节点i的直流分量；

(3)网络电压平均暂降幅度ΔU：

将各节点电压暂降幅度的平均值定义为网络电压平均暂降幅度；

对于交流网络，任意节点的电压暂降幅度用暂降电压的均方根值与额定电压均方根值表示，即：

ΔUAC=Σi=1NACUi-rms1/Ui-rms2NAC---(5)]]>

式中，U_i-rms1为节点i暂降电压的有效值，U_i-rms2为节点i额定电压有效值；

对于直流网络，任意节点的定义为暂降母线电压与额定母线电压的比值，即：

ΔUDC=Σi=1NDCUi-dc/Ui-dcNDC---(6)]]>

式中，U_i-dc为节点i的暂降母线电压，U_i-dc为节点i的额定母线电压；

(4)网络电压的平均偏离度d：

对于交流网络，网络电压的平均偏离度定义为各节点电压偏离度的平均值；

对于交流网络：

dAC=Σi=1NACdAC,iNAC---(7)]]>

式中，d_AC,i为交流网络节点的电压偏离度：

dAC,i=(Urated-ac,i-Uload-ac,i)Urated-ac,i×100%---(8)]]>

式中，U_rated-ac为交流网络节点i的额定电压，U_load-ac为交流网络节点i接入负荷时的实际电压；

对于直流网络：

dDC=Σi=1NDCdDC,iNDC---(9)]]>

式中，d_DC,i为直流网络节点i的电压偏离度：

dDC,i=(Urated-dc,i-Uload-dc,i)Urated-dc,i×100%---(10)]]>

式中，U_rated-dc,i为直流网络节点i额定电压，U_load-dc为直流网络节点i接入负荷时的实际电压；

(5)网络线路损耗ΔP：

网络线路损耗定义为各线路损耗之和：

ΔP=Σl=1NL(Pfrom,l-Pto,l)---(11)]]>

式中，P_from,P_to分别为配电网第l条直流或交流线路首端及末端有功功率；N_L为配电网直流和交流线路总数；

(6)网络平均线路压降ΔU^L：

网络平均线路压降定义为网络中所有线路压降的平均值；

对于交流配电网：

ΔUACL=Σl=1NACLΔUAC,lNACL---(12)]]>

ΔUAC,l≈PACRAC+QACXACUAC---(13)]]>

式中，P_AC、Q_AC分别为线路末端有功功率和无功功率；R_AC、X_AC分别为线路等效电阻和等效电抗；U_AC为线路末端节点电压有效值；N_ACL为交流线路总数；

对于直流配电网，网络平均线路压降定义为：

ΔUDCL=Σl=1NDCLΔUDC,lNDCL---(14)]]>

ΔUDC,l≈PDCRDCUDC---(15)]]>

式中，P_DC为直流线路末端有功功率；R_DC为直流电缆的等效电阻；U_DC为直流线路末端节点电压；N_DCL为直流线路总数；

(7)网络电压暂降频次N_F：电压暂降频次是指一定时间内电压暂降发生的次数，其数值越高则对敏感负荷的影响频繁程度越高，基于用户满意度的电压暂降频次估计方法如下：

NF=Σl=1NLδlLl---(16)]]>

式中，δ_l、L_l分别为第l条线路的故障率和该线路处于不满意区域的长度；

(8)网络母线电压的稳定性K_V：此指标表示网络中所有节点的平均稳定性，采用最大负荷能力作为系统的电压稳定裕度，采用功率裕度指标K_V来反映节点的强弱[11]：

KV=Σi=1NVKV,iNV---(17)]]>

KV,i=Pcr,i-Po,iPo,i---(18)]]>

式中，P_cr,i为节点i的极限功率；P_o,i为节点i的运行功率；由于直流网络不存在母线电压稳定性的问题，可认为K_V＝1；

(9)“N-1”可转供率：

“N-1”可转供率是指配电网在失去1个元件时，转供负荷占总负荷的比例：

αN-1=Σi=1NVPrec1,iΣi=1NVPload,i×100%---(19)]]>

式中，P_rec1,i为发生“N-1”故障后节点i的负荷功率；P_load,i为发生故障前节点i的负荷功率；

(10)“N-2”可转供率：

“N-2”可转供率是指配电网在失去2个元件时，转供负荷占总负荷的比例：

αN-2=Σi=1NVPrec2,iΣi=1NVPload,i×100%---(20)]]>

式中，P_rec2,i为发生“N-2”故障后节点i的负荷功率；

(11)线路利用率γ_E：

指电网处于最大负荷运行状态时，设备负载与设备额定容量的比值，主要用于量化电网中设备的负载情况：

γE=min1≤l≤NLγL,l---(21)]]>

γL,l=Pfrom,lPL,lmax---(22)]]>

式中，γ_L,l为第l条线路的负载率，即第l条线路的利用率；为线路的最大传输容量；

(12)分布式发电、储能等自备电源用户比例：该指标表示分布式电源和储能设备发电量在用户负荷中所用电量中的比例，定义如下：

Dd=Wdis-stoWload×100%---(23)]]>

式中，W_dis-sto为分布式电源和储能设备供给用户负荷的电量(kW·h)；W_load为用户负荷用电量(kW·h)；

步骤二：建立供电可靠性评估体系，具体包括以下内容：

(1)平均故障停电次数SAIFI：一年内总停电次数除以用户总数(次/用户年)；

SAIFI=Σj=1NCNjUSNC---(24)]]>

式中，N_C为用户总数；为用户j一年内的停电次数；

(2)用户平均停电持续时间SAIDI：一年内每个用户的平均停电时间；

SAIDI=Σj=1NCTjNC---(25)]]>

式中，T_j为用户j一年内停电持续总时间；

(3)供电可靠率ASAI：一年内用户的不停电小时数除以用户总共要求的供电小时数；

ASAI=Th×NC-Σj=1NCTjTh×NC---(26)]]>

式中，T_h表示规定时间内需电小时数，例如一年为单位，一般T_h＝8760；

(4)系统总电量不足指标ENS:系统在一年内因为停电造成用户总的电量损失；

ENS=Σi=1NCEloss,i---(27)]]>

式中，E_loss,i为第i次停电所造成的用户电量损失；

(5)平均停电时间CAIDI：每次故障停电的平均停电持续时间；

CAIDI=Σj=1NCTjΣj=1NCNjUS---(28)]]>

上述供电可靠性指标均可根据配电网不同设备的故障率，采用蒙特卡洛仿真方法进行计算；

(6)单位投资的持续供电时间CT

该指标反映新增或维修线路/分布式电源/储能装置的投资对可靠性的贡献，新增或维修设备均能降低相应设备的故障率，因此该指标的值越大，则表示对提高配电网供电可靠性的贡献度就越大；此指标对于提供高供电可靠性较低的放射状配电网有显著影响，而对于可靠性较高的配电网贡献度较小；

CT=min1≤i≤NECTh×ASAI,iCR,i---(29)]]>

式中，N_EC为网络中的设备类型总数；A_SAI,i表示新增或维护第i类设备后配电网的供电可靠率；C_R,i表示新增或维修第i类设备的成本：

C_R,i＝N_AM,i·(a_EC,i+w_EC,i)(30)

式中，N_AM,i为新增或维修的设备类型总数；a_EC,i为第i类设备的单价；w_EC,i为第i类设备的单位维修费用，当设备更新时，令w_EC,i＝0，当设备维修时，令a_EC,i＝0；

(7)单位投资的供电能力指标GP

该指标表示新增变压器/线路/分布式电源/储能装置的投资对配电网供电能力的贡献度，该指标的取值越大，表明单位投资对配电网供电能力的提高就越显著；

GP=min1≤i≤NECCP,iCI,i---(31)]]>

式中，C_P,i表示增加i类设备后每类设备额定容量之和的最小值：

CP,i=min1≤i≤NECΣk=1NEC,iPi,kmax---(32)]]>

式中，N_EC,i为第i类设备的总数；为第i类设备中第k个设备的额定容量；

C_I,i表示新增第i类设备的投资成本：

C_I,i＝N_add,ia_EC,i(33)

式中，N_add,i表示所增加第i类设备的数量；

本发明的步骤三：建立经济性评估指标体系，具体包括以下内容

(1)设备投资成本指标S_AC/DC

配电网规划建设的设备投资主要包括：直流电缆和交流电缆投资，用户侧逆变器和整流器投资，交流、直流变压器投资^,，交流、直流断路器投资，中压换流站(VSC)投资等；

对于交流网络，设备投资中不包括中压换流站，用户侧不包括逆变设备，设备投资的计算方法如下：

SAC/DC=Σi=1NEacNac,iaac,i.---(34)]]>

式中，N_Eac,i为第i种交流设备的台数，a_Eac,i为交流网络中第i种设备的单价，N_Eac为交流网络建设所需交流设备类型总数；

对于直流网络，网络中没有交流变压器，用户侧没有整流设备，设备投资计算方法为：

SAC/DC=Σi=1NEdcNdc,iadc,i---(35)]]>

式中，N_Edc,i为第i种直流设备的台数，a_Edc,i为直流网络中第i种设备的单价，N_Edc为直流网络建设所需交流设备类型总数；

对于交直流混合配电网，计算方法同上，只是包括了所有的关键设备；

(2)设备折旧费用D_C：

DC=Σi=1NECDCi---(36)]]>

式中，为第i类设备的年折旧费用：

DCi=SB,i·rC,i---(37)]]>

式中，S_B,i为第i类设备初期投资，r_C,i为第i类设备的年折旧率，r_C,i＝(1-λ_i)/N_Y，λ_i为第i类设备的净残值率，N_Y为第i类设备的折旧年限；

(3)单位投资的有效供电率E_R

该指标反映了新增变压器/线路/分布式电源/储能装置/无功补偿装置的投资对降低配电网线路损耗的贡献程度，E_R取值越大，表明投资对降低线路损耗的作用越明显；

ER=min1≤i≤NECΔAi%CI,i---(38)]]>

ΔAi%=ΔWiWS×100%---(39)]]>

式中，ΔA_i％为新增第i类设备后的线损率；ΔW_i表示新增设备后较未新增设备时线损的变化量(kW·h)；W_S表示未新增设备前所有电源(含储能装置)的总供电量(kW·h)；对于直流网络，无功补偿设备台数为0；

(4)单位投资最大预期售电量E_P

该指标反映在单位投资下，配电网一年内可以提供给用户的最大电量，该指标的值越大，单位投资对E_P的贡献度越高；

EP=EmaxCE---(40)]]>

式中，C_E为电网总投资，CE=SAC/DC+DC++Σk=1Nadd,i(CR,i+CI,i+CL,i),]]>反映了供电能力、供电可靠性、线路损耗等影响因素所对应的投资，即成本；E_max为电网最大预期售电量：

Emax=Th×NC×ASAI×Σj=1NCPload,j---(41)]]>

式中，P_load,j为用户j的平均有功功率；

本发明的步骤四：建立社会性评估指标体系，具体包括以下内容

以用户对电网的满意度综合得分反映配电网的社会性效益，本发明求取指标的过程中此处采用专家给分的方式，对每种供电模式以用户满意度的角度进行给分；从供电质量，规范服务，咨询服务，电费缴纳，服务管理5个方面进行评价，每方面的满分为100分，最低分为0分，模拟用户对5个方面进行打分后取平均值，通过隶属度函数，将平均值进行模糊化后作为用户满意度，再根据各个用户的权重，求出用户满意度综合得分：

GC=Σj=1NCωC,jfC,j---(42)]]>

式中，ω_C,j为用户j满意度权重，f_C,j为模糊隶属度值；

本发明的步骤五：建立环保性评估指标体系，具体包括以下内容

(1)碳减排量：火力发电发出对应绿色能源发电量所排放的二氧化碳排量，一般采用下式计算：

Eco2=0.4kg/kwh*2.493*Wg---(43)]]>

式中，W_g为绿色能源发电量，单位(kW·h)；

(2)清洁能源渗透率P_E：该指标用来反映配电网中水能、风能、太阳能等可再生能源发电量占总发电量的比率，计算公式如下：

PE=WEWsum×100%---(44)]]>

式中，W_E表示清洁能源发电量(kW·h)；W_sum为总发电量(kW·h)。

4.根据权利要求1所述的一种交直流配电网供电模式评价方法，其特征在于，所述步骤(3)采用模糊熵权评价方法对典型供电模式进行评价的具体方法如下：

步骤1确定评价指标体系与评语集

在建立了指标体系的基础上，设评语集为V＝{v₁,v₂,v₃,v₄,v₅}＝{优秀，良好，中等，合格，较差}；评语集中各值表示某一供电模式方案指标对该评语的隶属度；

步骤2评价矩阵标准化

由评价指标集可得m个待评价方案的评价矩阵：

C′=U1U2···Um=c11′c12′...c1n′c21′c22′...c2n′......cm1′cm2′...cmn′]]>

式中，c′_ij＝u_ij(i＝1,2,…m；j＝1,2,…n)；

步骤3确定指标的熵权及其综合权重集

由标准化矩阵C＝[c_ij]_m×n按照下式计算其评价指标的熵和熵权:

Hj=-kΣi=1mfijinfij,(j=1,2,...n)]]>

式中，k＝1/lnm，0≤H_j≤1，且规定当f_ij＝0时f_ijlnf_ij＝0；相应地，第j个指标的熵权定义为：

ωj=1-Hjn-Σj=1nHj]]>

式中，0≤ω_j≤1且由此可得到n个评价指标的熵权重集为ω＝{ω₁,ω₂,…,ω_n}；假设n个评价指标的专家主观权重为λ＝{λ₁,λ₂,…λ_n}，其与熵权的结合而得到的综合权重为：

aj=(ωj+μλj)/Σj=1n(ωj+μλj)]]>

式中，a_j为第j个评价指标的综合权重，μ为主观权重对于客观熵权的相对有效性系数，μ的取值范围设定为0.3＜μ＜3；若μ＝1，表示主观与客观权重以相同的权重参与进综合权重之中；进行计算后，得到由评价指标的熵权值与专家主观权重综合之后的综合指标权重向量；由此可以得出综合权重集A＝{a₁,a₂,…,a_n}，其中

步骤4构造方案的模糊评价矩阵

对于m个待评价方案，第i个方案标准化后的评价指标集为C_i＝{c_i1,c_i2,…c_in}，其第j个指标在评价集V上的模糊子集可通过其对V的隶属函数来计算，本文的隶属函数为等腰三角形隶属函数：

rij(vk)=cij-pkqk-pkpk≤cij≤qksk-cijsk-qkqk≤cij≤dk0]]>

其中r_ij(v_k)为第i个方案的第j个指标相对于评语v_k的隶属度，p_k,q_k,s_k为对应于v_k的常数，由于评价指标已经标准化，则根据5个评语取与之相对应的值，现取q₁＝0,q₂＝0.25,q₃＝0.5,q₄＝0.75,q₅＝1；为保证每个指标至少可以得到四个评语的隶属度，取等腰三角形底边为1.6；

由此，可得出第i个方案的模糊评价矩阵为：

Ri=ri1(v1)ri1(v2)...ri1(v5)ri2(v1)ri2(v2)...ri2(v5)......rin(v1)rin(v2)...rin(v5),(i=1,2,...m)]]>

步骤5求取综合评价模糊子集

第i个方案的综合评价集B_i为V上的模糊子集，通过下式计算：

B_i＝AоR＝{b_i1,b_i2,b_i3,b_i4,b_i5}

其中A为综合权重集，R_i为第i个方案的模糊评价矩阵，算子о采用M(·,+)模型，则有：

bik=Σj=1naj·rij(vk),(k=1,2,3,4,5)]]>

对B_i进行归一化处理：

b^ik=bik/Σk=15bik,(k=1,2,3,4,5)]]>

可得到第i个方案的模糊综合评价结果为：

B^i={b^i1,b^i2,b^i3,b^i4,b^i5}]]>

其中，为第i个方案相对于评语k的隶属度，表示方案i在多大程度上可以被评语k描述；

步骤6利用模糊综合评价结果对方案进行排序

模糊综合评价结果为网络拓扑的进一步选择提供了许多有用信息，利用其信息可以对m个待评价方案进行分类或者排序；给评价结果的每一个评语赋予一个分值而将其量化，可得评分集则方案i的综合得分之后可以按照Z_i大小进行排序。