燃氣廠站光氣電微網(wǎng)供能可靠性評價

梁海濱，陳 開

(中石油昆侖燃氣有限公司燃氣技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150016)

1 概述

為實現(xiàn)燃氣廠站可再生能源利用，采用光伏發(fā)電供應燃氣廠站對降低碳排放產(chǎn)生積極作用。將光伏發(fā)電及各類供能設備加入燃氣廠站供能系統(tǒng)后，各設備的波動特性對電網(wǎng)電壓、保護機制與機理等都產(chǎn)生了較大影響，給系統(tǒng)安全運行帶來新挑戰(zhàn)[1]。光氣電微網(wǎng)(簡稱微網(wǎng))是指由太陽能、天然氣和外部電源作為供給能源，將分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關監(jiān)控和保護裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。微網(wǎng)形成不同電壓等級輸出，滿足終端用戶不同用能需求。微網(wǎng)運行過程中隱含的局部故障及風險會誘發(fā)連鎖反應，擴大事故范圍和程度，因此評價微網(wǎng)可靠性具有重要意義[2]。

由于燃氣廠站存在復雜的環(huán)境風險因素，以及微網(wǎng)運行工況的隨機性，單項供能可靠性評價指標(簡稱指標)受隨機誤差影響較大。為盡可能減小隨機誤差的不良影響，需對多項指標進行綜合分解，建立指標體系并對微網(wǎng)供能可靠性做出全面評價[3]。因此本文提出一種針對燃氣廠站微網(wǎng)的AHP(層次分析法)-模糊綜合供能可靠性評價模型，模型構(gòu)建流程包括：結(jié)合微網(wǎng)的運行調(diào)控及工藝流程特點，識別出影響微網(wǎng)供能可靠性運行的主要因素，建立微網(wǎng)供能可靠性評價指標體系；利用層次分析法計算各層指標權(quán)重，分析各指標對目標層的重要程度；采用模糊綜合評價方法，建立燃氣廠站微網(wǎng)供能可靠性評價模型；對燃氣廠站微網(wǎng)供能可靠性等級進行判斷。

2 光氣電微網(wǎng)供能可靠性評價指標體系

光氣電微網(wǎng)供能可靠性評價指標體系分為5個層次[4]，見圖1。下文系統(tǒng)均指微網(wǎng)供能系統(tǒng)。 光氣電微網(wǎng)供能可靠性為目標層，其余為指標層。

圖1 光氣電微網(wǎng)供能可靠性評價指標體系

2.1 內(nèi)部可靠性(B1)

2.1.1系統(tǒng)可靠性(C11)

① 系統(tǒng)運行時間(D11)

隨著系統(tǒng)長時間運行，光伏組件發(fā)電效率降低，系統(tǒng)供電能力下降，線路老化、設備故障等發(fā)生的概率升高，系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性降低。

② 工作環(huán)境(D12)

光伏發(fā)電為系統(tǒng)的主要發(fā)電方式，而光伏發(fā)電受天氣影響很大，直接影響系統(tǒng)供電能力。光伏組件位于室外，自然災害可能造成故障或損壞，引起電壓和能量波動，進而導致儲能設備不穩(wěn)定，影響微網(wǎng)安全。

③ 調(diào)度控制(D13)

光伏發(fā)電只在白天并網(wǎng)時輸出有功功率，利用率較低，且分布式光伏發(fā)電顯著的隨機性、間歇性等因素影響電網(wǎng)穩(wěn)定性[5]，需要進行調(diào)度控制。

2.1.2靜態(tài)可靠性(C12)[6]

① 失負荷(D21)

組件失負荷風險反映了組件事故造成系統(tǒng)故障或損失，微網(wǎng)繼續(xù)運行的可能性和危害程度。

② 過負荷(D22)

系統(tǒng)過負荷是指由于組件故障導致系統(tǒng)中設備的傳輸功率過載。組件過負荷風險反映了組件故障導致輸電功率過載的可能性和危害程度。

③ 電壓越限(D23)

系統(tǒng)電壓越限是指由于組件故障導致系統(tǒng)中母線過電壓。組件電壓越限風險反映了組件故障導致系統(tǒng)中母線過電壓發(fā)生的可能性和危害程度。

2.1.3暫態(tài)可靠性(C13)

① 光伏發(fā)電波動(D31)

光伏發(fā)電受環(huán)境影響很大，發(fā)電量與太陽輻射關系密切，光伏接入系統(tǒng)帶來功率隨機性和間歇性波動。

② 燃氣發(fā)電波動(D32)

燃氣管道泄漏、氣源中斷等故障可能導致燃氣發(fā)電機組出力迅速減小。

2.2 外部可靠性(B2)

2.2.1運營管理(C21)

主要涉及安全管理的諸多方面，其中運行維護、安全防護和監(jiān)控、應急管理最為突出。良好的運營管理才能保障微網(wǎng)安全運行，需要充分考慮人員、周邊環(huán)境、內(nèi)部物理環(huán)境、智能化系統(tǒng)的安全，能否及時反饋和控制潛在風險將直接影響微網(wǎng)的供能可靠性。

2.2.2通信安全(C22)

主要涉及通信信息安全與智能終端安全。微網(wǎng)由前端采集模塊通過傳輸協(xié)議將所測數(shù)據(jù)上傳到控制中心，或通過IP協(xié)議連接智能系統(tǒng)和核心交換機等方式上傳。各種品牌設備所用協(xié)議差異可能引起數(shù)據(jù)失真，同時通信設備可能發(fā)生故障，導致信息無法傳輸[7]。

3 光氣電微網(wǎng)供能可靠性評價

3.1 光氣電微網(wǎng)評價指標權(quán)重計算

3.1.1構(gòu)建判斷矩陣

AHP基本原理是：首先將復雜的決策問題(目標層)分解為多指標階梯式的層結(jié)構(gòu)；然后邀請若干相關專家使用標度法(按1～9標度)對同一層指標兩兩對比打分，得出平均分，判斷各指標的相對重要性；再計算出每一層各指標權(quán)重并排序；最后根據(jù)結(jié)果進行分析，得出相關結(jié)論[8]。標度法的標度劃分標準見表1，專家根據(jù)標度法構(gòu)建的各層次判斷矩陣見圖2～10。以圖2中7為例，7表示B1相對B2來說，B1很重要，圖2～10中數(shù)據(jù)意義均與此相同。

表1 標度法的標度劃分標準

指標B1B2B117B21/71

指標C11C12C13C1111/71/5C12713C1351/31

指標C21C22C2115C221/51

指標D11D12D13D1111/31/7D12311/5D13751

指標D21D22D23D2111/51/7D22511/3D23731

指標D31D32D3111/3D3231

指標E11E12E13E14E11191/53E121/911/53E135515E141/31/31/51

指標E21E22E23E24E21191/71/3E221/911/71/5E237713E24351/31

指標E31E32E33E34E31191/73E321/911/53E337515E341/31/31/51

3.1.2求解判斷矩陣

對每個判斷矩陣，將矩陣元素針對所在列進行歸一化處理，計算式為：

(1)

式中aij——歸一化處理后元素值

aij′——判斷矩陣中元素值

n——判斷矩陣階數(shù)

則權(quán)重矩陣W為：

(2)

式中W——權(quán)重矩陣

權(quán)重矩陣中元素i對應判斷矩陣中指標i的權(quán)重。

兩兩進行比較時，由于指標較多，易發(fā)生邏輯錯誤，所以需進行一致性檢驗。一致性檢驗的基本步驟如下。

① 求解判斷矩陣最大特征值，計算式為：

(3)

式中λmax——判斷矩陣最大特征值

wi——指標i的權(quán)重

② 求解判斷矩陣一致性指標CI，計算式為：

(4)

式中CI——判斷矩陣一致性指標

③ 計算一致性比率CR，計算式為：

(5)

式中CR——一致性比率

RI——平均隨機一致性指標，取值見表2

表2 平均隨機一致性指標

平均隨機一致性指標與判斷矩陣階數(shù)有關，階數(shù)越大，平均隨機一致性指標越大。當CR<0.1時，認為判斷矩陣一致性較好，說明權(quán)重計算合理；當CR≥0.1時，需重新調(diào)整判斷矩陣，直至滿足CR<0.1。

3.1.3指標權(quán)重

按上述方法計算得到各級指標權(quán)重，見表3～6。

表3 一級指標權(quán)重

表4 二級指標權(quán)重

表5 三級指標權(quán)重

表6 四級指標權(quán)重

3.2 光氣電微網(wǎng)供能可靠性的模糊綜合評價

3.2.1指標等級劃分

運用層次分析法確定指標權(quán)重后，采用模糊綜合評價法對光氣電微網(wǎng)供能可靠性進行評價。將光氣電微網(wǎng)供能可靠性評價指標劃分為5個等級：很可靠、可靠、一般、危險、很危險。

① 系統(tǒng)可靠性下的三級指標(D11、D12、D13)等級劃分：對于D11，t表示系統(tǒng)運行時間，t≤5 a為“很可靠”，5 a25 a為“很危險”。對于D12，“很可靠”為日照充足，雨雪天很少；“可靠”為日照充足，雨雪天較少；“一般”為雨雪天較多，日照較充足；“危險”為出現(xiàn)風暴，雨雪天較多；“很危險”為長期出現(xiàn)風暴，雨雪天多。對于D13，“很可靠”為在任何情況下能對各種能源合理調(diào)度，滿足負載負荷要求；“可靠”為大部分情況下能滿足對能源的合理調(diào)度，為負載提供負荷；“一般”為負載負荷大幅波動時，能合理調(diào)度，但出現(xiàn)故障時，無法調(diào)度；“危險”為負載負荷出現(xiàn)大幅波動時會出現(xiàn)無法調(diào)度的情況；“很危險”為正常運行過程中也會出現(xiàn)無法調(diào)度的情況。

② 失負荷下的四級指標(E11、E12、E13、E14)等級劃分：1 a內(nèi)失負荷發(fā)生0次為“很可靠”，發(fā)生1～2次為“可靠”，發(fā)生3～4次為“一般”，發(fā)生5～6次為“危險”，發(fā)生7次及以上為“很危險”。

③ 過負荷下的四級指標(E21、E22、E23、E24)等級劃分：1 a內(nèi)過負荷發(fā)生0次為“很可靠”，發(fā)生1～2次為“可靠”，發(fā)生3～4次為“一般”，發(fā)生5～6次為“危險”，發(fā)生7次及以上為“很危險”。

④ 電壓越限下的四級指標(E31、E32、E33、E34)等級劃分：1 a內(nèi)電壓越限發(fā)生0次為“很可靠”，發(fā)生1～2次為“可靠”，發(fā)生3～4次為“一般”，發(fā)生5～6次為“危險”，發(fā)生7次及以上為“很危險”。

⑤ 暫態(tài)可靠性下的三級指標(D31、D32)等級劃分：“很可靠”為有功輸出小幅度波動，系統(tǒng)能快速調(diào)整；“可靠”為有功輸出波動幅度較大，系統(tǒng)能及時調(diào)整；“一般”為有功輸出大幅度波動，系統(tǒng)需要較長時間調(diào)整；“危險”為系統(tǒng)有功功率不平衡，需要很長時間調(diào)整；“很危險”為系統(tǒng)有功功率不平衡，且無法恢復。

⑥ 外部可靠性下的二級指標(C21、C22)等級劃分：對于C21，“很可靠”為嚴格依規(guī)巡檢與維護，具有完備的應急管理措施；“可靠”為依規(guī)巡檢維護，偶爾拖延，具有完備應急管理措施；“一般”為依規(guī)巡檢，未依規(guī)維護，應急管理措施不完備；“危險”為未依規(guī)巡檢，很少維護，沒有應急管理措施；“很危險”為很少巡檢，幾乎不維護，沒有應急管理措施。對于C22，“很可靠”為信息傳輸及時，內(nèi)容準確，不會出現(xiàn)故障；“可靠”為信息傳輸及時，內(nèi)容準確，很少出現(xiàn)故障；“一般”為信息內(nèi)容基本準確，偶爾出現(xiàn)故障；“危險”為信息傳輸內(nèi)容準確性低，且會出現(xiàn)故障；“很危險”為信息傳輸內(nèi)容經(jīng)常出現(xiàn)故障。

3.2.2模糊綜合評價計算步驟

以黑龍江省某燃氣廠站為例，對燃氣廠站微網(wǎng)供能可靠性進行模糊綜合評價。

① 求得指標D21、D22、D23的評判向量

指標D21、D22、D23的評判向量計算式為：

T=MR

(6)

式中T——指標D21、D22、D23的評判向量

M——指標D21、D22、D23下一級指標的權(quán)重向量

R——指標D21、D22、D23的等級劃分矩陣

對于等級劃分矩陣，指標D21、D22、D23下一級指標滿足某等級就賦值1，其余等級賦值0。如D21的等級劃分矩陣見圖11。

四級指標很可靠可靠一般危險很危險E1101000E1210000E1310000E1401000

根據(jù)式(6)得D21的評判向量TD21為：

TD21=[0.283 7 0.086 9 0.567 3

[0.654 2 0.345 8 0 0 0]

同理可得D22、D23的評判向量TD22、TD23為：

TD22=[0.614 3 0.385 7 0 0 0]

TD23=[0.692 8 0.307 2 0 0 0]

② 求得指標C12的評判向量

將指標D21、D22、D23的評判向量組成指標C12的等級劃分矩陣：

根據(jù)式(6)得到指標C12的評判向量為：

TC12=[0.071 9 0.279 0 0.649 1]·

=[0.668 1 0.331 9 0 0 0]

③ 求得目標層A的評判向量

按照上述計算方法，由下一級指標評判向量依次計算得到上一級指標評判向量，最終求得目標層A評判向量：

TA=[0.488 7 0.499 5 0.011 8 0 0]

④ 判定微網(wǎng)供能可靠性等級

將微網(wǎng)供能可靠性分為5個等級：很可靠、可靠、一般、危險、很危險，采用1分制，各等級評價得分依次為1.0、0.8、0.6、0.4、0.2。微網(wǎng)供能可靠性得分計算式為：

(7)

式中P——微網(wǎng)供能可靠性得分

Tk——目標層A評判向量中等級k對應的元素

Mk——等級k的評價得分

根據(jù)式(7)得到微網(wǎng)供能可靠性得分為0.895。根據(jù)微網(wǎng)供能可靠性得分進行微網(wǎng)供能可靠性等級判定，判定標準見表7。根據(jù)表7判斷該燃氣廠站微網(wǎng)供能可靠性等級為“可靠”。

表7 微網(wǎng)供能可靠性等級判定標準

4 結(jié)論

對燃氣廠站光氣電微網(wǎng)供能可靠性評價技術(shù)進行研究，識別影響微網(wǎng)供能可靠性的主要因素，建立評價指標體系。根據(jù)層次分析法得到指標權(quán)重。結(jié)合指標權(quán)重給出微網(wǎng)供能可靠性的模糊綜合評價方法。以某燃氣廠站為例，對燃氣廠站微網(wǎng)供能可靠性進行模糊綜合評價，確定微網(wǎng)供能可靠性等級。