長時間尺度下有源配電網網架適應性評價體系及方法

林強，眭楷，馬立紅，胡炤堃，張詩建

(1.海南電網有限責任公司電網規(guī)劃設計研究中心，海南 海口570000；2.廣州市奔流電力科技有限公司，廣東 廣州 510700)

國家“十四五”發(fā)展規(guī)劃和中央經濟工作會議提出了高質量發(fā)展方針和碳達峰、碳中和工作任務[1-2]，給配電網規(guī)劃建設提出了更高的要求，精準投資和節(jié)能減排成為電網公司發(fā)展規(guī)劃的出發(fā)點。傳統(tǒng)配電網規(guī)劃主要關注遠景年的電力電量平衡及可靠供應問題[3-4]，忽略網架演變過程中的指標變化。大量的分布式電源(distributed generator，DG)并網消納、新型負荷接入都會對長時間尺度的有源配電網網架適應性(long time scale adaptability of active distribution network，LTAADN)產生影響，即影響配電網演變網架的可靠性、經濟性、碳中和能力。開展LTAADN評價研究可為配電網發(fā)展過程中網架升級和建設資金的合理安排提供指導，對提升配電網高質量建設和構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)具有重要意義。

目前配電網網架規(guī)劃評價領域的研究集中在評估指標體系和評估方法方面，多以單斷面指標及評估為主，對LTAADN評價研究鮮有報道。在評估指標方面主要涵蓋可靠性[5]、安全性[6]、供電質量[7]、運行水平[8]、靈活性[9]等。文獻[10]考慮DG接入情況下，提出了配電網技術經濟效益評估指標體系，包括供電質量、信息化水平、成本類和收入類指標；文獻[11]側重規(guī)劃效益評估，建立基于技術效益評價、經濟效益、社會效益環(huán)境效益一體化的綜合評價體系，以整體規(guī)劃項目投資效益評價得分高低為依據，對配電網規(guī)劃方案進行綜合評價；文獻[12]側重DG接入與配電網適配性，提出包含負荷與DG匹配、凈負荷與饋線容量匹配及輸配匹配的綜合匹配指標體系；文獻[13]針對我國配電網設備利用率低的問題,計及DG的影響構建了一套有源配電網設備利用率影響因子體系。上述文獻從DG消納、可靠性、經濟性等不同角度構建了評價指標體系，但都沒有計及配電網建設的時序性，缺乏反映長時間尺度下配電網性能變化的評價指標。

在評估方法方面，主要為指標權重賦權方法的研究，包括以下3種：①基于專家經驗的主權賦權，如層次分析法[14](analytic hierarchy process，AHP)；②基于數據的客觀賦權，如熵權法[15]、主成分分析法[16]；③主客觀組合賦權[17-18]。主觀權重、客觀權重單一應用均存在主、客偏差導致的信服度缺陷[19-20]，而主客觀組合賦權可以發(fā)揮主觀賦權和客觀賦權的優(yōu)勢。文獻[21]通過線性加權進行主客觀指標的融合，但未涉及最優(yōu)加權系數研究；文獻[13]通過Pignisitic概率距離(Pignisitic probabilistic distance, PPD)優(yōu)化的證據合成進行主客觀權重的合成，但證據合成本質是尋求唯一證據目標，會較大突出單個指標的權重，不利于配電網綜合能力的評判。

針對上述問題，本文從節(jié)能減排、運行水平、網架投資3個方面構建了LTAADN的評價指標體系；在指標歸一化的基礎上，提出PPD優(yōu)化及年份加權的協(xié)調賦權方法，定量評估配電網網架在5～10年的規(guī)劃時間尺度下與負荷發(fā)展的適配性能。最后，以海南某市10 kV配電網網架為例，運用本評價指標和協(xié)調評價方法，計算并分析不同網架的長時序發(fā)展適應性，驗證本文方法的動態(tài)評價特性與指導配電網階段建設的效用，可為后續(xù)配電網高質量的分階段建設提供決策依據。

1 LTAADN評價指標體系

1.1 LTAADN分析

LTAADN評價旨在考慮負荷時序發(fā)展變化，綜合評判配電網與負荷的長期適配性能，為網架規(guī)劃的一次性投入及階段建設提供參考依據。

現有的配電網規(guī)劃評價大多基于目標年的斷面指標，進行規(guī)劃目標的評價與適配。這種評價注重目標年配電網網架建設水平，較多地一次形成規(guī)劃期內的目標網架，對規(guī)劃年內負荷發(fā)展與當前高水平建設網架是否適配，建設期間過渡網架是否合理，投資安排是否合適，均難以給出較好的答案或參考建議。

在實際應用中，配電網規(guī)劃技術人員一般在目標網架評價選擇基礎上，按照個人經驗與建設資金安排，進行建設工程項目的排布與實施，出現工程全面推進時大幅增加停電時間、一次性資金投入較大、建成后網架長時間低效率運行等問題。

針對此現狀，通過LTAADN的指標計算及評價分析，全面有效地定量評估不同網架與負荷不同發(fā)展階段的適配性能，可輔助規(guī)劃人員把握網架綜合運行水平、優(yōu)化網架改造節(jié)點、資金合理投入等。

1.2 評價指標體系構建

面向構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的戰(zhàn)略需求，本文建立LTAADN評價指標體系，如圖1所示。

圖1 LTAADN的評價指標體系

評價指標體系涵蓋節(jié)能減排、運行水平和網架投資3個方面、10個評價指標，可綜合反映配電網網架建設效益。各指標含義及計算公式如下。

a)周期DG滲透率ηDG∑定義為在規(guī)劃的5～10年周期內，考慮時序加權計算得到的綜合DG滲透率，即

(1)

(2)

式(1)、(2)中：T為規(guī)劃評價周期，一般取年份數5～10；ωy為時序加權權重；ηDG y為第y年DG裝機容量與線路最大負荷Pmaxy之比；SDG y為第y年DG裝機容量；Pmaxy為第y年線路年最大負荷。

b)周期碳減排量C∑為在規(guī)劃周期內，考慮時序加權計算得到的綜合碳排放量，即

(3)

Cy=εηDGyPmaxyhσ.

(4)

式(3)、(4)中：Cy為第y年DG最大就地消納功率與等效利用小時數、單位電量碳排放量之積；ε為DG發(fā)電效率；h為年最大負荷等效利用小時數，取2 500 h；σ為單位電量的碳排放量，取0.89 kg/kWh[22]。

c)DG平均出力率βDG為固定時間周期T內DG的平均有功出力與額定容量的比值，即

(5)

d)周期負載率ηLoad ∑為在規(guī)劃周期T內，考慮時序加權計算得到的綜合負載率，即

(6)

(7)

式中：ηLoad y為第y年饋線總負荷和饋線額定容量之比；n為節(jié)點數；SN為饋線額定容量；Pt，y為第y年節(jié)點t的有功功率。

e)周期運行損耗率ηloss ∑為在規(guī)劃周期內，考慮時序加權計算得到的綜合運行損耗率，即

(8)

(9)

(10)

f)周期供電可靠性率υ∑為在規(guī)劃周期內，考慮時序加權計算得到的綜合供電可靠率，即

(11)

(12)

式(11)、(12)中：υy為第y年系統(tǒng)平均正常運行時間與總運行時間的比值；m為可轉供10 kV線路分段數量；Ay為逐年可轉供系數；nu為線路分段開關數量；令ηy為饋線轉供負載率限值，η為饋線負載率，若η>ηy則可轉供，設置第y年的可轉供系數Ay=1，否則，Ay=0；h1y為第y年故障修復時間，單位h；h2y為第y年故障定位時間，單位h；αy為第y年10 kV配電線路故障率；L為線路總長度。

g)源荷峰荷同時率βH評估DG的削峰作用，為DG出力、基本負荷曲線疊加后的峰值與基本負荷曲線峰值之差，與DG峰值出力PDG的比值，即

(13)

h)源荷谷荷同時率βL評估DG在谷期倒送影響，為DG出力與基本負荷曲線疊加后的谷值，與基本負荷曲線谷值之比，即

(14)

(15)

(16)

2 多視角組合的LTAADN評價方法

PPD以識別框架Θ下各子集的最大距離為證據距離，可以有效度量證據距離[13]。PPD優(yōu)化可以合理、有效地分配證據比重，收斂性高、復雜度小，可以較好地降低不利證據的影響?；诖颂攸c，考慮長時間尺度指標變化特性，本文提出一種LTAADN的多視角組合評價方法，其方法流程如圖2所示。

圖2 LTAADN多視角組合評價方法

圖2中，首先采用改進層次分析法(improved analytic hierarchy process，IAHP)和改進熵權法(improved entropy weight method，IEWM)分別計算指標主客觀權重；然后基于主、客觀權重矩陣，構建PPD優(yōu)化模型并求解；基于優(yōu)化結果，運用時間加權協(xié)調(weighted coordination consider of time，WCCT)模型進行時序加權的組合賦權，進而結合指標評分表計算得出LTAADN的評價結果。

2.1 應用IAHP計算主觀權重

IAHP[23]是一種主觀賦權方法，其具有計算量小、判斷矩陣一致等特點，較為適合“多專家-多指標”二維矩陣結構內部指標權重的快速計算，采用該方法進行p位專家的主觀權重計算。基本步驟為：

a)構建判斷矩陣。令判斷指標個數為?，構建第p位專家的判斷矩陣

(17)

式中ri=χi(i+1),p，χij,p為第p位專家對第i個指標與第j個指標相比的主觀標度，具體如附錄A中表A1所示。矩陣滿足：①χij,p>0；②χji,p=1/χij,p；③χii,p=1；④χij,p=χik,pχkj,p，(i,j,k=1,…,?)。

b)求解主觀權重值。根據判斷矩陣Γp，計算得到第p位專家對于n項指標的權重矩陣

ωpr,p=(ωpri,p)p×?，

(18)

其中

(19)

式中ωpri,p為第p位專家對指標i的主觀權重。

2.2 應用IEWM計算客觀權重

IEWM[24]改善了傳統(tǒng)算法熵-權靈敏度過高問題，可以較好地根據指標變異程度確定指標j的客觀權重ωobj，計算公式為：

(20)

其中：

(21)

(22)

2.3 應用PPD計算最優(yōu)權重

PPD[25]可緩解證據沖突問題，削弱個體偏好性權重偏差對客觀事實判斷的影響，其步驟為：

a)計算Pignistic概率函數向量?；趐位專家主觀權重和客觀權重計算結果，令r=p+1，計算第u項子集的單命題Pignistic概率函數向量

Wu=(BetPu(ω1),… ,BetPu(ω?)),

u=1,2,…,r.

(23)

其中

(24)

式中：Θ為識別框架，2Θ為Θ的冪集；ψ為Θ上的信度分布函數；A為第u項子集各指標權重數值的集合；ωi為第i個指標的專家主觀權重值或客觀權重值；|A|為A的勢。

b)求解最優(yōu)權重向量。構建下述PPD優(yōu)化模型，求解最優(yōu)權重向量γ=(γ1,γ2, … ,γr)T。

(25)

2.4 時間加權權重

WCCT考慮全周期負荷動態(tài)發(fā)展特性，進行年份的時間加權權重計算，評價年份與發(fā)展目標年距離越小，其單年份斷面權重占全發(fā)展周期權重之比越大。計算模型如下：

(26)

式中y為年份，y=1, 2,…,ζ，ζ為規(guī)劃發(fā)展周期。

至此，可求得第y年組合賦權向量

κy=ωy[ωpr,pωob]γ.

(27)

3 算例分析

為驗證本文方法的有效性，本文邀請5位專家進行指標評分及主觀權重計算，采用海南某地區(qū)2組“2-1”單環(huán)網和1組“3-1”單環(huán)網配電網數據，進行客觀指標的計算，并以其中“3-1”單環(huán)網為例進行LTAADN評價。

3.1 算例數據及計算結果

指標的專家主觀權重及客觀權重計算結果見附錄A中的表A3，指標的原始數據見附錄A中的表A4。

“3-1”單環(huán)網示意圖如附錄A中圖A1所示，規(guī)劃應用年限為10年，在此時間內，配電網故障定位和檢修水平維持一定，逐年負荷呈logistic曲線發(fā)展，逐年配電網故障率近似浴盆曲線，如圖3所示。

圖3 “3-1”單環(huán)網負載率和故障率

計算得到“3-1”單環(huán)網指標的年組合賦權向量κy=ωy(0.057,0.074,0.046,0.100,0.125,0.229，0.034,0.042,0.129,0.165)T，最終求得在10年發(fā)展周期內，該網架的評價結果如圖4所示。

圖4 “3-1”單環(huán)網評價結果

由圖4可知，算例“3-1”配電網的LTAADN呈先下降再上升的凹函數曲線趨勢。前半段的下降趨勢主要由配電網損耗增加、DG滲透率下降引起，后半段的上升趨勢主要受配電網負載率增加、單位負荷線路投資降低的影響。LTAADN在第3～6年的時間段變化最為劇烈，此時負荷發(fā)展最為迅速，LTAADN表現出明顯的“谷”狀，LTAADN評價可以較好地反映負荷與網架的適配性。

3.2 LTAADN賦權分析

將本文方法與IAHP和IEWM方法進行對比，結果如圖5所示。

圖5 不同方法的權重對比

由圖5可知，IEWM與IAHP確定的權重存在明顯的差異，其中IEWM的權重分布呈“橢圓”形，無明顯側重點，IAHP的權重分布呈“機翼”形，外延突出點為單位負荷開關投資與供電可靠率。進一步基于數值結果計算主、客觀權重的差值，其中差值最大值已達0.2，已高于部分指標的權重值，在這樣的差異下，單獨使用主、客觀權重方法中的任一種，信服度均較低。在實際配電網規(guī)劃評價中，一般側重以供電可靠率為代表的可靠性和以投資為代表的經濟性，IEWM均勻權重與實際需求不符，而IAHP更偏向于經濟性部分的評價。

本文方法權重分布為不規(guī)則多邊形，分布頂點處的權重較大，其中供電可靠率、單位負荷開關投資的權重較大，反映了主觀權重的峰值特性，但受客觀權重影響，數值均減少；線路投資、開關投資反映了客觀的峰值特性，但受主觀權重的影響，前者的權重增大，后者的權重減小。本文通過PPD優(yōu)化計算的主、客觀權重二次分配，縮小了主、客觀權重的差距，差值最大值小于0.15，降低了主觀權重對融合結果的影響，并使得權重分布兼具主、客觀權重的峰值特性?？梢姳疚姆椒梢暂^好地結合主、客觀權重的優(yōu)勢，降低權重偏離。

3.3 LTAADN對比分析

除算例“3-1”網架外，新增“2-1”網架作為對比組，其由算例“3-1”網架小幅度調整而來，詳見附錄A中圖A1。計算結果如圖6所示。

圖6 多種評價結果對比

由圖6可知，IAHP和IEWM關注目標年的網架評價，其評價結果在長時間尺度下表現為常數函數。在IAHP和IEWM評價中，“2-1”網架結構評價均不如“3-1”網架，難以指導過渡期配電網建設，其結果主要受規(guī)劃末期配電網負載率較高、“2-1”網架轉供能力不足的影響。

在本文的LTAADN評價中，在負荷發(fā)展前期，“2-1”網架對負荷的適應性優(yōu)于“3-1”網架，此時配電網能滿足可靠性需求且單位負荷配電網投資較小，而在負荷發(fā)展后期，“2-1”網架與“3-1”網架的適應性曲線出現交點，交點后“3-1”網架LTAADN持續(xù)上升，且表現優(yōu)于“2-1”，運用此交點，可以較好地確定網架升級改造的節(jié)點。

以本文算例為例，從“2-1”網架建設成為“3-1”網架，需投入約10.2 km的10 kV線路，工程綜合造價約為663萬元。令資金投資的年化收益為7%，進行如下2個場景的對比：①傳統(tǒng)建設，建設開始時即以“3-1”目標網架進行建設；②階段建設，運用本文方法的評價結果，在第8年進行“3-1”網架的升級。對比結果見表1。

表1 建設效益對比

由表1可知，運用本文不同網架LTAADN評價結果的交點確定配電網網架升級時間，進行階段建設，相比于一次目標網架完全建設的傳統(tǒng)建設模式，在本算例中可獲取401.6萬的投資收益，并且配電設備的平均負載率相比于傳統(tǒng)建設提升了31%。可見，運用本文可以較好地輔助配電網規(guī)劃，取得配電網分階段建設的延緩投資收益和提升設備運行水平。

3.4 DG接入差異分析

在DG大量接入配電網的趨勢下，本文在算例網架基礎上，設置DG差異接入場景，分析不同場景下算例網架的LTAADN指標。具體場景包括：①場景1，DG類型為風電，饋線末端接入；②場景2，DG類型為光伏，饋線末端接入；③場景3，DG類型為光伏，饋線首端接入。設置DG仿真參數見表2。

表2 建設效益對比

除上述參數外，其余參數均與算例保持一致，不同網架的計算結果如圖7所示。

圖7 不同場景下“3-1”網架評價數值

由圖7可知：在場景1風電末端接入的情況下，由于算例設置風電的平均出力、峰荷同時率較低，其節(jié)能降損效果與光伏相比較弱，在負荷提升時，其網損增加量較多，評價數值曲線下降幅度較大；而在場景2光伏末端接入的情況下，算例評分數值變化幅度較小，主要由于光伏峰荷同時率較高，在負荷增長時，光伏也能較好地削減負荷峰值，進而減少網損指標的影響；在場景3中，由于DG首端接入，無法起到中壓配電網的節(jié)能降損作用，評價數值曲線下降幅度遠大于其他場景?；诖朔抡娼Y果，在配電網規(guī)劃建設過程中，應將DG置于饋線末端接入，且盡量提升DG的平均出力和源荷峰荷同時率。

4 結束語

本文研究工作內容如下：

a)從節(jié)能減排、運行水平、網架投資3個方面，構建了涵蓋10個指標的LTAADN評價指標體系，該體系可反映規(guī)劃周期的配電網DG消納能力、網損、可靠率的變化及配電網設備投資成本。

b)提出了具備權重偏離優(yōu)化和年份加權特征的LTAADN組合賦權和評價方法，算例驗證了本文方法和綜合評價指標可以準確反映評價周期內，負荷變化引起的配電網網損、設備成本、可靠性等指標變化情況。

c)通過對不同網架、不同賦權評價方法的分析，表明本文方法的動態(tài)評價方法可以獲取差異網架性能曲線的交點，以此實現合理的配電網分階段建設，提升配電網運行及投資效益。

LTAAND從可靠性和經濟性方面反映了長時序下配電網網架與負荷的適配性，為提升配電網規(guī)劃建設效益提供科學的決策依據。