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      配電網(wǎng)網(wǎng)格可靠性目標制定方法研究

      2022-03-28 09:12:08劉金生張磊趙振杰
      南方能源建設(shè) 2022年1期
      關(guān)鍵詞:配電網(wǎng)可靠性權(quán)重

      劉金生,張磊,趙振杰

      (中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司,廣東廣州 510663)

      0 引言

      行業(yè)標準《配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》(DL/T 5729—2016)[1]根據(jù)區(qū)域負荷密度強度,參考經(jīng)濟發(fā)展水平、可靠性需求,將電網(wǎng)供電區(qū)域劃分為A+、A、B、C、D、E 六類,并根據(jù)分類差異化地制定了建設(shè)標準。

      然而,供電分區(qū)以行政級別或未來負荷密度作為劃分依據(jù),在實際操作過程中,大部分供電分區(qū)劃分是依靠專家或領(lǐng)導(dǎo)經(jīng)驗定性分類,很難判斷劃分的合理性?!杜潆娋W(wǎng)規(guī)劃設(shè)計技術(shù)導(dǎo)則》規(guī)定供電區(qū)域面積劃分不宜小于5 km2,內(nèi)涵是舍棄了面積相對較小但對可靠性需求較高的地塊的需求[2-4]。

      為了進一步精益化管理配電網(wǎng),文獻[5-6]提出網(wǎng)格化供電方式,將配電網(wǎng)劃分成許多相對獨立、供電范圍不交叉的區(qū)域(供電網(wǎng)格),各供電網(wǎng)格內(nèi)實現(xiàn)典型接線。目前,文獻主要聚焦配電網(wǎng)網(wǎng)格的規(guī)劃方法,缺乏對網(wǎng)格的可靠性目標制定的研究。文獻[7]提出“自然地理要素、社會經(jīng)濟要素和電網(wǎng)要素”三要素的網(wǎng)格劃分方法;文獻[8-10]提出了網(wǎng)格負荷預(yù)測、目標網(wǎng)架構(gòu)建、過渡網(wǎng)架規(guī)劃方法和規(guī)劃流程;文獻[11]提出了一種基于改進蟻群算法的智能配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃方法,文獻[12]針對原始網(wǎng)格數(shù)據(jù)信息量相對不足時,提出了電網(wǎng)整體可靠性預(yù)測的方法。

      根據(jù)上述方法,電網(wǎng)企業(yè)目前只能制定總體可靠性目標,不能制定相應(yīng)的網(wǎng)格可靠性目標。網(wǎng)格供電可靠性目標、建設(shè)標準等仍然采用供電分區(qū)標準,部分供電可靠性需求較高的網(wǎng)格需要采用較低的可靠性目標、建設(shè)標準,不能較好地匹配配電網(wǎng)的社會效益和經(jīng)濟效益。

      本文以配電網(wǎng)網(wǎng)格化規(guī)劃為基礎(chǔ),找出不同類網(wǎng)格對可靠性的潛在需求,利用聚類分析將網(wǎng)格分類,然后再利用層次分析法找出總體可靠性目標與各類網(wǎng)格可靠性目標之間的關(guān)系,確定不同類網(wǎng)格的可靠性目標,方便以網(wǎng)格為單元差異化規(guī)劃,避免了傳統(tǒng)同一供電分區(qū)內(nèi)網(wǎng)格建設(shè)標準一致沒有考慮特殊網(wǎng)格供電需求的情況。

      1 模糊聚類分析原理

      模糊C 均值法(Fuzzy C-means,F(xiàn)CM)是一種基于給定分類數(shù)的聚類算法,其核心思想是使劃分到同一簇的樣本之間的相似度最大,而劃分到不同簇的樣本之間的相似度最小。

      FCM 把n個向量xi(i=1,2,…,n)劃分為給定的c個模糊組,并計算每組的聚類中心Ci,使目標函數(shù)達到最小。目標函數(shù)公式如下:

      式中:

      uij——隸屬度,取值為[0,1];

      m——加權(quán)值;

      c——分類數(shù)給定值;

      2 層次分析原理

      層次分析法是一種定性與定量相結(jié)合、層次化分析的方法。層次分析法主要的目的是求解最底層對最高層的相對權(quán)重。

      2.1 成對比較矩陣構(gòu)造

      對某一層而言,在比較第i個元素與第j個元素相對于上一層某個元素的重要性時,使用數(shù)量化的相對重要度aij來表示,假設(shè)共有n個樣本參與比較,則成對比較矩陣為:

      式中:

      aij通常取值為1~9 及其倒數(shù),比如aij=1 表示i與j的重要程度相等;aij=3表示i的重要程度稍強于j;aij=5表示i的重要程度強于j;aij=7表示i的重要程度很強于j;aij=9表示i的重要程度絕對強于j。

      2.2 成對比較矩陣的層次單排序與一致性檢驗

      層次單排序步驟如下:

      1)A中每行元素連乘,并開n次方,得到初始權(quán)重矩陣:

      式中:

      ——初始權(quán)重矩陣;

      aij——成對比較矩陣A的元素。

      2)對進行歸一化處理,得到權(quán)重向量w=,其中wi為:

      一致性檢驗是指成對比較矩陣允許的不一致的范圍,判斷的原理為:n階正互反矩陣A為一致性矩陣的充要條件是A的最大特征值λmax=n。

      2.3 各元素對目標層的合成權(quán)重

      從上而下逐層計算各層元素對合成目標的權(quán)重。計算公式如下:

      式中:

      k——層數(shù);

      w(k)——k層對總目標的合成權(quán)重值;

      u(k)——k層成對比較矩陣的特征向量;

      w(k-1)——k-1層對總目標的合成權(quán)重值[15]。

      3 聚類分析在網(wǎng)格劃分中的應(yīng)用

      供電網(wǎng)格的可靠性目標受到多種因數(shù)的影響,本文主要考慮政治、經(jīng)濟、負荷等因數(shù)。本文基于網(wǎng)格劃分已經(jīng)做好的基礎(chǔ)上展開,首先對每個網(wǎng)格進行政治評估,按照網(wǎng)格內(nèi)存有國家機關(guān)的重要程度由低到高在0~1 之間賦值。其次對每個網(wǎng)格進行經(jīng)濟評估,按照網(wǎng)格國內(nèi)生產(chǎn)總值、社會發(fā)展水平、商業(yè)定位由低到高在0~1 之間賦值。然后統(tǒng)計每個網(wǎng)格的負荷,對網(wǎng)格進行負荷預(yù)測,得到目標年預(yù)測負荷和預(yù)測負荷密度,對預(yù)測負荷密度數(shù)據(jù)值進行歸一化。對政治、經(jīng)濟、負荷評估數(shù)據(jù)進行加權(quán)相加,得到網(wǎng)格評估數(shù)據(jù),網(wǎng)格評估數(shù)據(jù)即為聚類分析的樣本。

      分類數(shù)的確定是聚類分析的關(guān)鍵,它需要由規(guī)劃區(qū)實際情況確定。一個區(qū)域網(wǎng)格少則幾個多則幾十個,對于規(guī)劃區(qū)域發(fā)展極度不平衡、網(wǎng)格數(shù)量較多的區(qū)域初始分類不應(yīng)過多,一般不超過五類,否則失去了實際指導(dǎo)規(guī)劃人員工作的價值。將樣本和初始分類數(shù)帶入FCM 進行迭代計算,得到FCM 的分類。樣本均值越大說明這一類網(wǎng)格對于供電可靠性的需求越大,相應(yīng)的建設(shè)標準需求也越大;相反樣本均值越小說明這一類網(wǎng)格對于供電可靠性需求越小,建設(shè)標準應(yīng)降低滿足經(jīng)濟性。

      4 層次分析在分類網(wǎng)格可靠性目標制定中的應(yīng)用

      網(wǎng)格分好類之后,利用層次分析計算每一類供電網(wǎng)格的目標平均停電時間權(quán)重。

      4.1 平均停電時間分類

      總平均停電時間按照停電類型分為故障停電時間和預(yù)安排停電時間,故障停電時間又分為外力破壞、自然災(zāi)害、公用設(shè)備故障、用戶原因、其他等。預(yù)安排停電時間主要依靠管理來減少,受規(guī)劃項目影響??;故障停電時間可以依靠裝備水平的提升、網(wǎng)架結(jié)構(gòu)地優(yōu)化等減少,受規(guī)劃項目的影響大。

      4.2 平均停電時間權(quán)重計算

      1)總目標平均停電時間權(quán)重計算

      收集各類網(wǎng)格平均停電時間的平均值,計算第i類網(wǎng)格與第j類網(wǎng)格的平均停電時間的比值,比值即為aij,初步構(gòu)建成對比較矩陣A;根據(jù)網(wǎng)格重要用戶數(shù)量、可靠性目標需求,征詢專家意見,調(diào)整aij值,aij值不應(yīng)大于9,最終形成修正后的成對比較矩陣A;根據(jù)層次單排序計算步驟,計算權(quán)重向量w;最后,計算成對比較矩陣A的最大特征值λmax,校驗一致性。若一致性校驗通過,權(quán)重向量wi即為第i類網(wǎng)格的目標平均停電時間權(quán)重。

      2)分類目標平均停電時間權(quán)重計算

      參考總平均停電時間權(quán)重計算步驟,計算權(quán)重向量w,wi即為外力破壞、自然災(zāi)害、公用設(shè)備故障、用戶原因等分類的目標平均停電時間的權(quán)重。

      5 算例分析

      以某市12 個網(wǎng)格為例,網(wǎng)格包括了市中心區(qū)、市區(qū)、工業(yè)園區(qū)、郊區(qū)鎮(zhèn),網(wǎng)格采用存量負荷自然增長加點負荷報裝的方法進行網(wǎng)格預(yù)測,結(jié)果如表1所示。

      表1 供電網(wǎng)格基礎(chǔ)資料Tab.1 Basic data of gridding

      將表格中的加權(quán)值作為樣本,初始分類值取為4,計算樣本聚類中心,分別為0.78、0.62、0.35、0.24;計算樣本與聚類中心的距離,使FCM 目標函數(shù)值最小,得到分類結(jié)果,第一類即網(wǎng)格1 類:網(wǎng)格1、網(wǎng)格2、網(wǎng)格3、網(wǎng)格10;第二類即網(wǎng)格2類:網(wǎng)格7、網(wǎng)格8、網(wǎng)格9;第三類即網(wǎng)格3 類:網(wǎng)格4、網(wǎng)格5、網(wǎng)格6;第四類即網(wǎng)格4 類:網(wǎng)格11、網(wǎng)格12。

      按照原有供電區(qū)域劃分,市中心區(qū)劃分為A+類區(qū),網(wǎng)格10 劃分為B 類區(qū)。本方案中,網(wǎng)格10的加權(quán)值是0.72,與第一類聚類中心0.78 距離最近,因此,將網(wǎng)格10 與市中心區(qū)網(wǎng)格劃分為一類,供電可靠性目標和建設(shè)標準與市中心區(qū)保持一致,這樣能更好的匹配經(jīng)濟效益和社會效益。

      首先擬定規(guī)劃區(qū)域的平均停電時間目標為3.21 h,然后統(tǒng)計計算四類供電網(wǎng)格的平均停電時間,第一類平均停電時間為0.04 h;第二類平均停電時間為0.20 h;第三類平均停電時間為0.35 h;第四類平均停電時間為0.14 h。計算四類類網(wǎng)格平均停電時間的比值,考慮可靠性需求,形成成對比較矩陣A,如表2所示。

      表2 各類網(wǎng)格成對比較矩陣ATab.2 Matrix A of gridding

      利用層次分析法計算出4 類網(wǎng)格與目標停電時間的關(guān)系,權(quán)重向量w結(jié)果如表3所示。

      表3 各類網(wǎng)格權(quán)重向量Tab.3 The eigenvectors of gridding

      按照上述關(guān)系,通過計算,網(wǎng)格1 類的平均停電時間目標為0.25 h,網(wǎng)格2類的平均停電時間目標為0.89 h;網(wǎng)格3 類的平均停電時間目標為1.70 h;網(wǎng)格4類的平均停電時間目標為0.37 h。

      按外力破壞、自然災(zāi)害、公用設(shè)備故障、用戶原因及其他、預(yù)安排停電統(tǒng)計四類平均停電時間,具體如表4所示。

      表4 按停電原因分類的平均停電時間Tab.4 The average outage time is classified according to the reason of blackout h

      計算四類的成對比較矩陣,并按照層次分析法,計算出四類網(wǎng)格外力破壞、自然災(zāi)害、公用設(shè)備故障、用戶原因及其他、預(yù)安排停電和各類網(wǎng)格預(yù)安排停電之間的占比關(guān)系如表5所示。

      表5 各類停電原因占比Tab.5 The proportion of all kinds of blackouts %

      6 結(jié)論

      網(wǎng)格化規(guī)劃目前國內(nèi)研究的重點是網(wǎng)格內(nèi)的規(guī)劃建設(shè)方法,對網(wǎng)格的建設(shè)目標、建設(shè)標準研究較少。本文聚焦配電網(wǎng)網(wǎng)格可靠性目標不易制定的難題,創(chuàng)新提出聚類分析和層次分析相結(jié)合的方法解決此問題:聚類分析將網(wǎng)格按照多維指標進行分類,層次分析將可靠性目標分解到各類網(wǎng)格,進而可為各類網(wǎng)格選擇合適的規(guī)劃建設(shè)標準,避免了高可靠性需求網(wǎng)格沿用低標準建設(shè)。

      本文提出的網(wǎng)格可靠性目標制定方法簡單實用,避免了大量復(fù)雜的迭代計算,網(wǎng)格目標按照類別進行差異化的設(shè)置,避免了網(wǎng)格全部差異化配置,導(dǎo)致的網(wǎng)格目標制定困難,難以指導(dǎo)項目建設(shè)的情況。通過算例證明,本方法提出的網(wǎng)格分解目標合理適用,能夠很好的實現(xiàn)網(wǎng)格規(guī)劃建設(shè)目標的差異化和定制化。

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