計及源荷不確定性的配電網(wǎng)綜合節(jié)能潛力評估方法

楊作祥，王晶晶，吳江，唐莎莎，侯斌

(重慶涪陵電力實業(yè)股份有限公司，重慶 408000)

0 引言

目前配電網(wǎng)存在負(fù)荷不匹配、線路過長、迂回供電、部分線路線徑偏小、無功補(bǔ)償不足等問題，從而導(dǎo)致配網(wǎng)線損偏高[1-5]。配電網(wǎng)的改造有利于提高電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性，對實現(xiàn)中國節(jié)能減排目標(biāo)具有重要意義[6-10]。

高比例分布式電源(distributed generation，DG)接入是配電網(wǎng)的必然趨勢，但其造成了配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行特性和控制保護(hù)日益復(fù)雜[11-14]，使得配電網(wǎng)的潮流不確定性增加，不僅給分析配電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)帶來了困難，也提高了評估配電網(wǎng)節(jié)能改造方案的難度，不利于挖掘配電網(wǎng)節(jié)能降耗的潛力[15-17]。

為了分析節(jié)能措施的效果，文獻(xiàn)[18]提出了一種配電網(wǎng)節(jié)能潛力定量計算方法，但指標(biāo)中沒有考慮安全性及經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[19]在分析配網(wǎng)損耗影響因素的基礎(chǔ)上，提出了配電網(wǎng)節(jié)能降耗潛力的評估方法，但該方法僅針對網(wǎng)損率單一指標(biāo)。文獻(xiàn)[20]提出了低壓配電臺區(qū)電壓改善潛力定量評估方法，該方法利用改進(jìn)序關(guān)系算法確定權(quán)重，進(jìn)而加權(quán)計算得到臺區(qū)電壓改善率。文獻(xiàn)[21]提出了配電網(wǎng)差異化節(jié)能規(guī)劃方法，建立了不同數(shù)據(jù)完善度下的節(jié)能潛力模型，該方法很大程度上減少了配網(wǎng)節(jié)能評估的難度，但指標(biāo)上僅傾向于網(wǎng)損率。文獻(xiàn)[22]提出了基于運(yùn)行模擬技術(shù)的節(jié)能經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方案評價方法，但未考慮方案安全性因素。文獻(xiàn)[23]提出了基于多層次模糊評估的配電網(wǎng)節(jié)能潛力綜合評價方法，但沒有體現(xiàn)指標(biāo)之間的相互影響關(guān)系。文獻(xiàn)[24]基于綜合模糊評價法對荷源聯(lián)合調(diào)峰運(yùn)行方案進(jìn)行電力節(jié)能綜合評估，但該方法無法客觀表征權(quán)重系數(shù)。綜上，目前配電網(wǎng)節(jié)能潛力評估的研究未考慮分布式電源出力和負(fù)荷功率波動性的影響，且節(jié)能潛力評估的指標(biāo)較為單一。

本文開展了計及源荷功率不確定性的配電網(wǎng)綜合節(jié)能潛力評估方法的研究，提出基于混合決策模型的綜合評估方法，進(jìn)行了改造方案的優(yōu)選。

1 功率時序場景構(gòu)建

風(fēng)速、光照強(qiáng)度會受到季節(jié)、氣候等因素的影響，導(dǎo)致風(fēng)電和光伏電源的出力具有隨機(jī)性和不確定性[25-27]。配網(wǎng)中負(fù)荷主要包括工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷及居民負(fù)荷。不同類型負(fù)荷的時序特性具有差異性，在進(jìn)行含DG配電網(wǎng)的綜合節(jié)能潛力評估時，需充分考慮配網(wǎng)潮流的隨機(jī)性和不確定性，為進(jìn)一步挖掘配電網(wǎng)節(jié)能降耗潛力提供可靠依據(jù)。

基于功率的時序性特性，采取場景縮減方法得到滿足評估計算要求的典型時序場景。本文以歐幾里得距離作為相似性劃分指標(biāo)，通過K均值聚類算法進(jìn)行聚類分析，進(jìn)而提取典型場景，具體步驟如下。

（1）首先基于DG及負(fù)荷全年樣本數(shù)據(jù)形成了N個原始場景，并隨機(jī)選擇k個場景作為初始簇心。

（2）經(jīng)挑選后的剩余場景集合為M，剩余場景為yg（g=1, 2,···,N-k)。計算出M中各場景到各初始簇心的歐幾里得距離。

（3）根據(jù)鄰近相似原則，將M中各場景分別歸類到與其距離最近的初始簇心所在的簇中，從而形成k個新的聚類集合Y。

（4）計算出各聚類中所有場景的平均值，作為k個新的聚類中心，并更新聚類中心集合O。

（5）重復(fù)步驟（2）～（4），直到聚類結(jié)果及聚類中心不再發(fā)生變化，即完成場景縮減。

（6）根據(jù)各典型時序場景中的風(fēng)速及光照強(qiáng)度，計算典型場景下風(fēng)機(jī)、光伏的出力。

2 節(jié)能降耗方案的綜合潛力評估指標(biāo)

目前，分布式電源一般就近安裝在用戶處，從而盡可能地實現(xiàn)消納。在潮流中，上游節(jié)點i與下游節(jié)點j之間線路的有功損耗ΔPij和無功損耗ΔQij分別為

式中：Uj為節(jié)點j電壓相量；Rij、Xij分別為節(jié)點i與j之間線路的電阻、電抗；Pj、Qj分別為上游饋線注入節(jié)點j的有功、無功功率。

配電網(wǎng)損耗與節(jié)點電壓大小、線路阻抗、節(jié)點注入功率等因素有關(guān)。本文設(shè)計配網(wǎng)主要節(jié)能降耗方案如下。（1）更換導(dǎo)線截面，選擇較大截面的導(dǎo)線，以便減小線路電阻，從而進(jìn)一步減小有功網(wǎng)損。（2）更換高耗能變壓器，以便降低總損耗。（3）增設(shè)無功補(bǔ)償裝置，使得節(jié)點注入無功功率減小。（4）調(diào)整線路端電壓，從而直接降低網(wǎng)損。

建立合理完善的指標(biāo)體系是進(jìn)行含DG配電網(wǎng)綜合節(jié)能潛力評估的首要前提，不僅要考慮方案的節(jié)能效果，同時還需綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和安全性等因素[25]。

本文以指標(biāo)的全面性、不重疊、獲取方便性為原則，完成評估指標(biāo)體系的初選，并結(jié)合功能聚合與相關(guān)性聚合對初選的指標(biāo)體系進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從節(jié)能性、安全性、經(jīng)濟(jì)性等3個方面建立了評估指標(biāo)體系，如圖1所示。從圖1中可以看出，本文所提指標(biāo)體系包含3個二級指標(biāo)，7個三級指標(biāo)。各個指標(biāo)互相影響，例如，網(wǎng)損改善率越大，則年節(jié)省電費將越大，需要更多的投資成本，故要有效地處理指標(biāo)間的相互關(guān)聯(lián)。

圖1 評估指標(biāo)體系Fig. 1 Evaluation index system

3 基于混合決策模型的評估方法

本文提出基于融合決策實驗與評估-網(wǎng)絡(luò)分析-逼近理想解排序（decision making trial and evaluation laboratory-analytic network process-technique for order preference by similarity to an ideal solution，DEMATEL-ANP- TOPSIS）混合決策模型的綜合評估方法，具體步驟如下。

（1）結(jié)合指標(biāo)體系，建立綜合影響關(guān)系矩陣T為

式中：X為標(biāo)準(zhǔn)化直接關(guān)系矩陣；I為單位矩陣。

（2）根據(jù)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系以及專家意見形成元素之間的比較判斷矩陣，經(jīng)一致性校驗后，通過特征向量構(gòu)造未加權(quán)超級矩陣W′，并將W′分別乘以比較矩陣從而形成已加權(quán)的超級矩陣W。對W求極限，若極限值收斂且唯一，則可得到各指標(biāo)的權(quán)重值wj（j=1,2,···,q），q為指標(biāo)個數(shù)。

（3）建立標(biāo)準(zhǔn)化方案指標(biāo)決策矩陣A。元素為ai，其為所有方案中指標(biāo)i的歸一化值。

（4）通過A求得正、負(fù)理想方案矩陣B+和B-，并計算評價對象i與最優(yōu)方案、最劣方案間的距離。

（5）本文將待評價對象i與最優(yōu)方案的貼近度計為γi，并以貼近度代表改造方案的綜合節(jié)能潛力值，即

基于DEMATEL-ANP-TOPSIS混合決策模型的綜合評估流程如圖2所示。

圖2 評估流程Fig. 2 Assessment process

4 算例分析

將本文方法應(yīng)用于IEEE-33節(jié)點配電網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行算例分析。在該網(wǎng)絡(luò)中，基準(zhǔn)電壓為12.66 kV，功率基準(zhǔn)值為300 kV·A，總負(fù)荷為3.715+j2.3 MV·A。節(jié)點 2～18、19～25、26～33 分別為居民負(fù)荷、工業(yè)負(fù)荷、商業(yè)負(fù)荷。節(jié)點12和節(jié)點20各接入一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)，該風(fēng)力發(fā)電機(jī)的切入風(fēng)速、額定風(fēng)速和切出風(fēng)速分別為3 m/s、11 m/s和20 m/s。節(jié)點4和節(jié)點30各接入一個光伏電源，其額定光照強(qiáng)度均為1 kW/m2。所有線路采用LGJ-95型號架空線路。節(jié)點14、15、16采用的變壓器型號為S9-315，其他節(jié)點變壓器型號均為S9-500。根據(jù)典型時序場景生成方法，生成典型場景?；诠?jié)能降耗原理設(shè)計了4種降耗方案，如表1所述。

表1 降耗方案Table 1 Consumption reduction plan

以特點時序場景為例，進(jìn)行潮流計算，得到節(jié)點電壓、支路和變壓器損耗如圖3所示。由圖3 a)可知，線路2—3、4—5、5—6、2 7—2 8的線損較高，因而將其更換為LGJ-120型。由圖3 b)可知，節(jié)點14、15、23因負(fù)荷較重導(dǎo)致節(jié)點電壓較低，因而在這3個節(jié)點處各接1組100 kV·A無功補(bǔ)償設(shè)備。由圖3 c)可知，節(jié)點24、25、30處的變壓器損耗較高，因而將其替換為S11-630的節(jié)能變壓器。

圖3 潮流計算結(jié)果Fig. 3 Results of power flow calculation

再次進(jìn)行潮流計算，得到不同方案相應(yīng)評估指標(biāo)的歸一化值，以此為基礎(chǔ)采用場景更替方法得出所有場景下各方案評估指標(biāo)的歸一化值，基于該數(shù)據(jù)，采用基于DEMATEL-ANP-TOPSIS混合決策模型的綜合評估方法對不同場景下各方案綜合節(jié)能潛力進(jìn)行分析，得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4 各方案的綜合節(jié)能潛力Fig. 4 Comprehensive energy saving potential of each scheme

從圖4可以看出，不同場景下各方案綜合節(jié)能潛力不同。方案3的綜合節(jié)能潛力在大部分場景下均保持較高水平，最大值為0.945 4，較方案1、方案2、方案4的節(jié)能潛力平均值增加10.1%、674.8%、566.6%。方案1在所有場景下的節(jié)能潛力均超過方案2和方案4，其最大值為0.801 1。綜上，增設(shè)無功補(bǔ)償裝置和增加導(dǎo)線截面可取得良好的綜合節(jié)能效果，后者降損效果相對偏小，但在節(jié)點電壓調(diào)節(jié)方面的效果更好。方案2在95.8%場景下的綜合節(jié)能潛力均值最小，最小值為0.096 8，說明更換高耗能變壓器的方案綜合節(jié)能效果差。方案4相較于方案2具有更好的綜合節(jié)能效果。

將本文方法計為方法1，層次分析-逼近理想解排序（analytic hierarchy process-technique for order preference by similarity to an ideal solution, AHPTOPSIS）方法計為方法2，熵權(quán)-多準(zhǔn)則妥協(xié)解排序（visekriterijumska optimizacija I kompromisno resenje, VIKOR）方法計為方法3，構(gòu)建6種場景，將3種方法應(yīng)用于表1中的降耗方案，結(jié)果如表2所示。由表2可知，方法2、方法3計算得出的各場景下同一方案的節(jié)能潛力變化趨勢與方法1基本相同。方法2及方法3對應(yīng)方案的節(jié)能潛力比方法1有所增加。方法2、方法3的指標(biāo)權(quán)重標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.170 9、0.162 8，大于方法1，說明本文所提方法指標(biāo)權(quán)重的差異性更小。綜上，本文方法能更好綜合節(jié)能性、電能質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性等方面的指標(biāo)，進(jìn)行節(jié)能方案的綜合節(jié)能潛力評估。

表2 不同評估方法的結(jié)果Table 2 Results of different evaluation methods

5 結(jié)語

本文開展了計及源荷功率不確定性的配電網(wǎng)綜合節(jié)能潛力評估方法的研究，提出基于DEMATELANP-TOPSIS綜合評估方法對改造方案進(jìn)行優(yōu)選，可更好地均衡節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性、安全性的關(guān)系，更加適用于計及不確定因素的配電網(wǎng)綜合節(jié)能潛力評估。