基于直覺(jué)模糊交叉熵的配電網(wǎng)平衡能力提升方法

裘愉濤，黃志華，盛躍峰

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司，杭州 310007；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司湖州供電公司，浙江 湖州 313000）

0 引言

平衡區(qū)是包含發(fā)電、儲(chǔ)能系統(tǒng)、負(fù)荷、聯(lián)絡(luò)線及其他控制設(shè)備的相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)單元［1-2］，可與外部電網(wǎng)或其他平衡區(qū)通過(guò)聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行功率交換，以保證供電連續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性［3］。在“雙碳”目標(biāo)下，新型配電網(wǎng)具有典型平衡區(qū)的特征，提升配電網(wǎng)平衡區(qū)的平衡能力對(duì)保障新型配電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行具有重要的工程意義。

平衡區(qū)運(yùn)行規(guī)范可概括為：即使系統(tǒng)出現(xiàn)較大擾動(dòng)，平衡區(qū)仍有義務(wù)維持每個(gè)時(shí)段的聯(lián)絡(luò)線交換功率在計(jì)劃范圍內(nèi)；通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電量和負(fù)荷通斷維持瞬時(shí)功率平衡［4-5］。相較于傳統(tǒng)的集中控制模式，平衡區(qū)之間可以利用負(fù)荷用電的不同時(shí)序特性進(jìn)行功率交換，降低發(fā)電總裝機(jī)容量和成本［6］。然而，由于設(shè)備配置的差異，不同平衡區(qū)的平衡能力參差不齊，某些時(shí)段可能不滿足運(yùn)行規(guī)范。

通過(guò)優(yōu)化配置分布式發(fā)電和儲(chǔ)能系統(tǒng)，以及與用戶簽訂協(xié)議，購(gòu)買適當(dāng)比例的可控負(fù)荷參與能源調(diào)節(jié)是提升平衡能力的有效手段。但是，目前幾乎沒(méi)有兼顧平衡能力提升效果和經(jīng)濟(jì)性的方法，存在三大問(wèn)題尚未解決。

首先，缺乏全面刻畫(huà)平衡能力的指標(biāo)體系。文獻(xiàn)［7-8］提出采用自平衡度、冗余度和可再生能源利用率作為系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。文獻(xiàn)［9］提出采用供需自平衡能力和獨(dú)立運(yùn)行能力2個(gè)指標(biāo)衡量系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。文獻(xiàn)［10］考慮分布式可控電源和儲(chǔ)能構(gòu)建隨機(jī)場(chǎng)景集，分析不同場(chǎng)景的能量平衡特性，得到對(duì)靈活性資源的需求。現(xiàn)有研究分別考慮了系統(tǒng)、電源、儲(chǔ)能等因素對(duì)區(qū)域平衡的影響，但尚未能構(gòu)建一套全面的平衡指標(biāo)體系及平衡能力量化指標(biāo)指導(dǎo)工程實(shí)踐。

其次，以提升平衡能力為目標(biāo)的平衡區(qū)優(yōu)化配置模型研究尚屬空白。目前已發(fā)表的分布式能源、儲(chǔ)能優(yōu)化配置的研究，為平衡區(qū)的資源配置提供了可行性的思路。文獻(xiàn)［11］考慮分布式能源和負(fù)荷不確定性，提出一種儲(chǔ)能優(yōu)化配置方法。文獻(xiàn)［12］考慮風(fēng)光不確定性，提出一種綜合能源系統(tǒng)魯棒優(yōu)化方法。文獻(xiàn)［13］以全壽命周期成本最低為目標(biāo)，提出一種多能互補(bǔ)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行優(yōu)化模型。上述方法主要從經(jīng)濟(jì)性角度進(jìn)行資源配置，未充分考慮區(qū)域平衡能力的提升問(wèn)題。

最后，缺乏靈活可行的平衡區(qū)能量?jī)?yōu)化運(yùn)行策略。傳統(tǒng)能量?jī)?yōu)化運(yùn)行策略通常包括不同場(chǎng)景下的發(fā)電順序、儲(chǔ)能充放電策略及切負(fù)荷順序。文獻(xiàn)［14］考慮聯(lián)絡(luò)線功率交換和儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電，抑制區(qū)域功率波動(dòng)。文獻(xiàn)［15］考慮聯(lián)絡(luò)線功率交換約束，提出一種基于儲(chǔ)能充放電成本和負(fù)荷中斷能力的優(yōu)化運(yùn)行策略。然而，上述研究難以保障平衡區(qū)在大擾動(dòng)下的聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定功率交換及瞬時(shí)功率平衡。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于直覺(jué)模糊交叉熵的配電網(wǎng)平衡指標(biāo)構(gòu)建及提升方法。首先，考慮聯(lián)絡(luò)線利用率、自平衡度、可調(diào)能源占比、可控負(fù)荷占比和可再生能源利用率，構(gòu)建5個(gè)平衡指標(biāo)。其次，采用直覺(jué)模糊交叉熵算法計(jì)算指標(biāo)權(quán)重，通過(guò)加權(quán)得到綜合判別平衡因子，用于綜合量化區(qū)域平衡能力。然后，以全壽命周期成本最小和綜合判別平衡因子最大為目標(biāo)，設(shè)備運(yùn)行、配置和平衡指標(biāo)作為約束條件，構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化配置模型，并提出考慮分時(shí)電價(jià)的平衡區(qū)能量?jī)?yōu)化運(yùn)行策略。最后，通過(guò)仿真驗(yàn)證所提方法的經(jīng)濟(jì)性和有效性。

1 平衡指標(biāo)體系及綜合判別平衡因子

典型配電網(wǎng)平衡區(qū)含風(fēng)機(jī)、光伏、柴油發(fā)電機(jī)、儲(chǔ)能系統(tǒng)及多種負(fù)荷。圖1所示為典型配電網(wǎng)平衡區(qū)結(jié)構(gòu)及能量流向。平衡區(qū)內(nèi)，負(fù)荷所需電能由風(fēng)機(jī)、光伏、柴油發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能系統(tǒng)共同提供。儲(chǔ)能系統(tǒng)用于吸收或補(bǔ)充平衡區(qū)內(nèi)多余的發(fā)電功率或功率缺額，保持功率平衡。用戶負(fù)荷可分為普通負(fù)荷和可控負(fù)荷。平衡區(qū)應(yīng)盡可能維持普通負(fù)荷的正常供電，當(dāng)出現(xiàn)非計(jì)劃停電時(shí)，需給予用戶相應(yīng)賠償；電網(wǎng)公司通過(guò)與用戶簽訂協(xié)議，購(gòu)買部分可控負(fù)荷的調(diào)控權(quán)，在負(fù)荷處安裝智能開(kāi)關(guān)。當(dāng)發(fā)電量不足時(shí)，可以按需切除可控負(fù)荷，以保持功率平衡。

圖1 配電網(wǎng)平衡區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖

本文考慮系統(tǒng)、聯(lián)絡(luò)線、負(fù)荷、分布式發(fā)電等靈活資源，多角度刻畫(huà)區(qū)域運(yùn)行狀態(tài)，定義區(qū)域平衡指標(biāo)體系；采用直覺(jué)模糊交叉熵算法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重，定義綜合判別平衡因子用于量化平衡能力。

1.1 平衡指標(biāo)體系

構(gòu)建5項(xiàng)平衡指標(biāo)，包括聯(lián)絡(luò)線利用率、自平衡度、可調(diào)能源占比、可控負(fù)荷占比，以及可再生能源利用率，定義方法如下。

1）聯(lián)絡(luò)線利用率α。α用于衡量平衡區(qū)與外界系統(tǒng)的功率交換是否按照計(jì)劃進(jìn)行，用聯(lián)絡(luò)線年傳輸功率與計(jì)劃功率的比值表示：

式中：Psell，t和Pbuy，t分別為t時(shí)段平衡區(qū)的售電功率和購(gòu)電功率；Pplan，t為t時(shí)段聯(lián)絡(luò)線的計(jì)劃功率；T為時(shí)間集合。

2）自平衡度β。β表征了平衡區(qū)內(nèi)發(fā)電功率是否滿足負(fù)荷需求，體現(xiàn)了平衡區(qū)平衡自治的能力，用平衡區(qū)內(nèi)供電量與負(fù)荷用電量的比值表示：

式中：PWG，i，t、PPV，i，t、PDE，i，t、PES，i，t分別為t時(shí)段平衡區(qū)內(nèi)WG（風(fēng)機(jī)）、PV（光伏）、DE（柴油發(fā)電機(jī)）和ES（儲(chǔ)能系統(tǒng)）的第i臺(tái)設(shè)備的輸出功率；NWG、NPV、NDE、NES分別為WG、PV、DE、ES的設(shè)備集合；Pload，i，t為第i個(gè)負(fù)荷在t時(shí)段的功率需求。

此外，自平衡度指標(biāo)受聯(lián)絡(luò)線功率影響。當(dāng)Psell，t－Pbuy，t＝0，表明t時(shí)段的各設(shè)備發(fā)電量和儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出（或輸入）功率之和等于負(fù)荷所需功率，β＝1。當(dāng)Psell，t－Pbuy，t>0，表明各設(shè)備發(fā)電量和儲(chǔ)能系統(tǒng)的出力之和大于負(fù)荷所需功率，β>1；外送電量越多，自平衡度值越大。當(dāng)Psell，t－Pbuy，t<0，表明各設(shè)備發(fā)電量和儲(chǔ)能系統(tǒng)的出力之和小于負(fù)荷所需功率，β<1；購(gòu)入電量越多，自平衡度值越小。

3）可調(diào)能源占比γ。γ表征了平衡區(qū)內(nèi)發(fā)電功率的可調(diào)能力，用可調(diào)發(fā)電功率和可調(diào)儲(chǔ)能功率之和占總發(fā)電功率和儲(chǔ)能功率之和的比例表示：

式中：PWG，ad，i、PPV，ad，i、PDE，ad，i、PES，ad，i分別為平衡區(qū)內(nèi)WG、PV、DE、ES 第i臺(tái)設(shè)備的可調(diào)功率；PWG，i、PPV，i、PDE，i、PES，i分別為平衡區(qū)內(nèi)WG、PV、DE、ES第i臺(tái)設(shè)備的額定功率。

風(fēng)機(jī)、光伏、柴油發(fā)電機(jī)和儲(chǔ)能的可調(diào)功率一般通過(guò)電網(wǎng)公司與發(fā)電機(jī)組所有者簽訂協(xié)議實(shí)現(xiàn)，通過(guò)查詢協(xié)議可以得到可調(diào)功率值。電網(wǎng)公司通過(guò)在機(jī)組并網(wǎng)點(diǎn)安裝控制裝置調(diào)節(jié)機(jī)組的上網(wǎng)電量。

4）可控負(fù)荷占比θ。θ表征了平衡區(qū)內(nèi)負(fù)荷的靈活可調(diào)水平，用可控負(fù)荷功率占總負(fù)荷功率的比例表示?？煽刎?fù)荷通常包括普通照明、空調(diào)、電動(dòng)汽車充電樁等。僅需已知每個(gè)可控負(fù)荷功率值即可，負(fù)荷自身特性不影響結(jié)果：

式中：Pload，i為第i臺(tái)負(fù)荷的額定功率；Pload，ad，i為平衡區(qū)內(nèi)第i臺(tái)負(fù)荷的可控功率。若負(fù)荷i可控，則Pload，ad，i為額定功率；若負(fù)荷不可控，則Pload，ad，i為0。

5）可再生能源利用率δ。δ是指可再生能源實(shí)際輸出功率與其最大輸出功率的比值，用于表征平衡區(qū)可再生能源消納水平：

1.2 綜合判別平衡因子

本文采用直覺(jué)模糊交叉熵算法［16-17］，計(jì)算5項(xiàng)平衡指標(biāo)的權(quán)重，通過(guò)加權(quán)得到綜合判別平衡因子。該方法既能保證平衡指標(biāo)的完整性，又能反映不同指標(biāo)的差異性，并充分考慮了決策者的客觀評(píng)價(jià)和主觀偏好，確保綜合判別平衡因子的可靠性和穩(wěn)定性，計(jì)算步驟如下。

步驟1：上述平衡指標(biāo)用εj表示（j=1，2，3，4，5）。根據(jù)直覺(jué)模糊數(shù)的定義［18-19］，指標(biāo)εj的重要程度、不重要程度和猶豫度分別用μj、vj和πj表示，并定義客觀評(píng)價(jià)值Cj=（μj，vj），且滿足式（6）：

步驟2：將客觀評(píng)價(jià)值Cj=（μj，vj）與決策者的主觀偏好值cj=（σj，ρj）的矩陣拼接，合并為包含主客觀評(píng)價(jià)信息的群體直覺(jué)模糊評(píng)價(jià)矩陣，如式（7）所示。進(jìn)而，求解每個(gè)平衡指標(biāo)的直覺(jué)模糊熵，如式（8）所示。

式中：E（）為第j個(gè)指標(biāo)的直覺(jué)模糊熵構(gòu)成的矩陣；σj、ρj、ψj分別表示第j個(gè)指標(biāo)主觀偏好值的重要程度、不重要程度和猶豫度。

步驟3：基于平衡指標(biāo)的直覺(jué)模糊熵，計(jì)算第j個(gè)指標(biāo)的權(quán)重ηj：

步驟4：根據(jù)每個(gè)平衡指標(biāo)數(shù)值及其權(quán)重，加權(quán)得到綜合判別平衡因子Hbf：

2 平衡區(qū)優(yōu)化配置模型

基于全壽命周期成本模型，計(jì)算平衡區(qū)從建設(shè)到報(bào)廢的全部費(fèi)用［20-21］，以全壽命周期成本最小且平衡因子最大為目標(biāo)建立多目標(biāo)協(xié)同規(guī)劃模型，得到平衡區(qū)內(nèi)分布式電源、儲(chǔ)能系統(tǒng)、可控負(fù)荷比例的最優(yōu)配置方案。

2.1 全壽命周期成本模型

全壽命周期成本Ctotal主要包括設(shè)備投資及維護(hù)成本Cinv、運(yùn)行成本Cop、交易成本Ctrans、可控負(fù)荷購(gòu)買成本Cad和普通負(fù)荷調(diào)控成本Ccut，如式（11）—（15）所示：

2.2 目標(biāo)函數(shù)

區(qū)域平衡能力提升，需同時(shí)考慮平衡因子提升效果和經(jīng)濟(jì)性。本文以全壽命周期成本最小且平衡因子最大為目標(biāo)，建立平衡因子提升及平衡區(qū)優(yōu)化配置模型，目標(biāo)函數(shù)如下：

式中：ηj（j=1，2，3，4，5）分別為5 項(xiàng)平衡指標(biāo)的權(quán)重。

2.3 約束條件

為確保平衡區(qū)安全運(yùn)行和平衡指標(biāo)限值范圍，還需考慮運(yùn)行約束、配置約束和平衡指標(biāo)約束。

2.3.1 運(yùn)行約束條件

平衡區(qū)運(yùn)行約束包括功率平衡約束、聯(lián)絡(luò)線功率約束、設(shè)備運(yùn)行約束、儲(chǔ)能系統(tǒng)約束，如下所示。

1）功率平衡約束

式 中：PWG，t、PPV，t、PDE，t分 別 為t時(shí)段平衡區(qū)內(nèi)WG、PV、DE 的出力；PES，t為t時(shí)段儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電功率（放電為正數(shù)）；Pload，t為t時(shí)段負(fù)荷功率需求。

2）聯(lián)絡(luò)線功率約束

式中：Prate為聯(lián)絡(luò)線額定功率；fAE，t為平衡區(qū)在t時(shí)段的購(gòu)售電狀態(tài)。當(dāng)fAE，t=1，表示平衡區(qū)處于購(gòu)電狀態(tài)。當(dāng)fAE，t=0，表示平衡區(qū)處于售電狀態(tài)。

3）機(jī)組運(yùn)行約束

式中：PX，i，min和PX，i，max分別表示設(shè)備X（X 為WG、PV或DE）第i臺(tái)機(jī)組的最小和最大出力。

4）儲(chǔ)能系統(tǒng)約束

2.3.2 配置約束條件

受地區(qū)政策、占地面積、碳排放量的影響，平衡區(qū)內(nèi)各類機(jī)組和儲(chǔ)能系統(tǒng)的配置容量應(yīng)該保持在一定范圍內(nèi)，如式（21）所示：

式中：PX為設(shè)備X（X 為WG、PV、DE 或ES）的總功率；PX，max和PX，min分別為設(shè)備X的容量配置上限和下限。

2.3.3 平衡指標(biāo)約束條件

根據(jù)平衡區(qū)運(yùn)行規(guī)范，本文所提平衡指標(biāo)和綜合判別平衡因子應(yīng)該保持在一定范圍內(nèi)，如式（22）所示：

式中：αmax和βmax分別為聯(lián)絡(luò)線利用率和自平衡度指標(biāo)上限；αmin、βmin、γmin、θmin、δmin、Hbf，min分別為聯(lián)絡(luò)線利用率、自平衡度、可調(diào)能源占比、可控負(fù)荷占比、可再生能源利用率以及綜合判別平衡因子的下限。

3 平衡區(qū)能量?jī)?yōu)化運(yùn)行策略

本文提出一種基于平衡特性和運(yùn)行規(guī)范，考慮分時(shí)電價(jià)的能量?jī)?yōu)化運(yùn)行策略。該策略用于指導(dǎo)平衡區(qū)自平衡度不在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)的聯(lián)絡(luò)線功率傳輸、儲(chǔ)能裝置充放電狀態(tài)、負(fù)荷調(diào)控，從而保證平衡區(qū)安全有序運(yùn)行。具體策略如（23）所示：

1）當(dāng)ΔPt>0，說(shuō)明t時(shí)段的WG、PV、DE 出力不能滿足負(fù)荷功率需求。此時(shí)，按照平衡區(qū)運(yùn)行要求，應(yīng)優(yōu)先調(diào)整內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，使功率平衡。首先，增大各發(fā)電機(jī)組出力，補(bǔ)充功率缺額；若仍不能滿足負(fù)荷需求，則使儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，補(bǔ)充功率缺額。若儲(chǔ)能容量不足，則需比較t時(shí)段電價(jià)csell，t和切除單位功率可控負(fù)荷成本cad，若csell，t>cad，則切除部分可控負(fù)荷；反之，則在考慮聯(lián)絡(luò)線功率傳輸限制的情況下，從外網(wǎng)購(gòu)買電能。若上述措施實(shí)施后，仍不能滿足負(fù)荷功率需求，則切除部分負(fù)荷。

2）當(dāng)ΔPt<0，說(shuō)明t時(shí)段的WG、PV、DE 出力大于負(fù)荷需求。此時(shí)，若電價(jià)處于峰值，則在考慮聯(lián)絡(luò)線功率傳輸限制的情況下，向外網(wǎng)售電；若電價(jià)處于非峰值，使儲(chǔ)能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)，消納多余的發(fā)電功率。若仍有功率剩余，則考慮減小柴油發(fā)電機(jī)出力。若上述調(diào)整均不能滿足需求，最后通過(guò)棄風(fēng)光達(dá)到功率平衡。

3）當(dāng)ΔPt=0，考慮分時(shí)電價(jià)影響，通過(guò)對(duì)電能“高賣低買”提高經(jīng)濟(jì)性。若電價(jià)處于峰值，在考慮聯(lián)絡(luò)線功率傳輸限制的情況下，增大發(fā)電機(jī)組出力，同時(shí)使儲(chǔ)能系統(tǒng)放電，向外網(wǎng)售電，實(shí)現(xiàn)盈利。若電價(jià)處于非峰值，在考慮聯(lián)絡(luò)線功率傳輸限制的情況下，從外網(wǎng)購(gòu)買電能，使儲(chǔ)能系統(tǒng)充電。

4）儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電次數(shù)會(huì)影響設(shè)備壽命，為了減少儲(chǔ)能充放電次數(shù)，本文規(guī)定，若儲(chǔ)能系統(tǒng)的剩余容量小于放電下限值，則儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)入連續(xù)充電狀態(tài)。此時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)不再向平衡區(qū)放電（即使ΔPt>0），直至儲(chǔ)能剩余容量大于規(guī)定限值。

4 算例

4.1 仿真數(shù)據(jù)

本文以某配電網(wǎng)歷史年為例進(jìn)行分析。該區(qū)域風(fēng)光資源和負(fù)荷數(shù)據(jù)如圖2 所示。其中，年平均風(fēng)速為4.87 m/s，日平均太陽(yáng)輻照度為3.64 kWh/m2。最大負(fù)荷功率需求為273.22 kW，全年負(fù)荷用電量為1.17 MWh。改造前，平衡區(qū)中設(shè)備WG、PV、DE 和ES 的現(xiàn)有功率分別為100 kW、60 kW、100 kW和200 kW；已約定可控負(fù)荷占比為5.11%；平衡區(qū)聯(lián)絡(luò)線傳輸功率計(jì)劃范圍為100～200 kW。

圖2 平衡區(qū)風(fēng)速、光照和負(fù)荷曲線

本文選用的設(shè)備參數(shù)如表1所示。其中，儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電效率為90%。

表1 設(shè)備參數(shù)萬(wàn)元/臺(tái)

平衡區(qū)的售電電價(jià)和購(gòu)電電價(jià)如表2所示，售電電價(jià)取居民電價(jià)和工商業(yè)電價(jià)的平均值。

表2 平衡區(qū)的售電電價(jià)和購(gòu)電電價(jià)元/kWh

4.2 結(jié)果分析

由于政策或示范需求，政府和電網(wǎng)公司可能對(duì)部分平衡指標(biāo)或綜合判別平衡因子有限制范圍。本文考慮平衡因子提升的2種不同場(chǎng)景，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

場(chǎng)景1：優(yōu)化配置過(guò)程中，平衡指標(biāo)或綜合判別平衡因子均無(wú)限值，以式（14）為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)果如表3所示。

場(chǎng)景2：通過(guò)優(yōu)化配置，平衡區(qū)綜合判別平衡因子至少提升20%（即Hbf，min=0.65），結(jié)果如表3所示。

由表3可知，場(chǎng)景1在不考慮綜合判別平衡因子提升效果的情況下，全壽命周期成本為236.37萬(wàn)元，綜合判別平衡因子提升14.81%。其中，WG、PV 和ES 功率分別增加了200 kW、250 kW和50 kW。通過(guò)增加WG和PV容量，可以充分利用平衡區(qū)的風(fēng)光資源，從而提高自平衡度和可調(diào)能源占比。同時(shí)，由于WG和PV出力的不確定性較大，因此ES功率也隨之增加，用于吸收多余發(fā)電功率和補(bǔ)充功率缺額。

表3 優(yōu)化配置結(jié)果

場(chǎng)景2中，綜合判別平衡因子提升了20.37%，全壽命周期成本為273.28萬(wàn)元。相較于場(chǎng)景1，場(chǎng)景2 成本提高了36.91 萬(wàn)元；綜合判別平衡因子提高了5.56%；WG、PV 和ES 功率分別增加了30 kW、50 kW 和50 kW，從而使5 項(xiàng)平衡指標(biāo)均有了較大的提升，達(dá)到綜合判別平衡因子提升的目的。其中，可調(diào)能源占比提升幅度最大，增加了19.05%。此外，兩種方案中，DE 容量均未增加，這是由于DE單機(jī)容量大，購(gòu)置成本和運(yùn)維成本均較高，因此優(yōu)化方案主要通過(guò)增加WG、PV和ES提升平衡區(qū)綜合判別平衡因子，符合經(jīng)濟(jì)性要求。

4.3 綜合判別平衡因子對(duì)優(yōu)化結(jié)果影響分析

綜合判別平衡因子提升效果的要求直接影響平衡區(qū)設(shè)備配置方案和全壽命周期成本。為分析不同綜合判別平衡因子下限要求，對(duì)優(yōu)化結(jié)果的影響，Hbf，min分別取0.6、0.7、0.8 和0.9，優(yōu)化得到各類設(shè)備容量和全壽命周期成本，如圖3所示。

圖3 不同綜合判別平衡因子下的優(yōu)化結(jié)果

如圖3所示，隨著綜合判別平衡因子提升，平衡區(qū)總裝機(jī)容量隨之增大，分別為710 kW、813 kW、850 kW 和975 kW。由于WG 和PV 的購(gòu)置成本、運(yùn)維成本和置換成本較低，因此4種情況下均大量配置了風(fēng)機(jī)和光伏機(jī)組，而DE 的容量較少，僅占總?cè)萘康?0%～16%。同時(shí)，隨著風(fēng)機(jī)和光伏容量增大，發(fā)電的隨機(jī)性和不確定性也增大，因此需要配置較大容量的儲(chǔ)能裝置進(jìn)行能量轉(zhuǎn)移和功率平衡。與之相對(duì)，隨著綜合判別平衡因子提升和總裝機(jī)容量增大，全壽命周期成本也逐漸增大，分別為236.37、273.28、324.65 和386.42 萬(wàn)元。相較于Hbf，min等于0.6 時(shí)，隨后每增大0.1，全壽命周期成本增加15.62%、18.80%和19.03%。當(dāng)Hbf，min為0.9 時(shí)，投資成本最大，此時(shí)平衡區(qū)的平衡能力維持在較高水平，確保了在平衡區(qū)運(yùn)行規(guī)范的約束下，負(fù)荷可以經(jīng)濟(jì)平穩(wěn)運(yùn)行。

4.4 可控負(fù)荷占比優(yōu)化結(jié)果分析

可控負(fù)荷占比θ體現(xiàn)了可控負(fù)荷對(duì)區(qū)域平衡的貢獻(xiàn)。根據(jù)所提算法，不同平衡指標(biāo)、綜合判別平衡因子要求下，對(duì)應(yīng)的θ不同。本節(jié)選取相關(guān)性最強(qiáng)的自平衡度βmin和綜合判別平衡因子Hbf，min兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分析，分別取值0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85 和0.90，得到每種組合下θ的優(yōu)化結(jié)果，如圖4所示。

圖4 不同平衡指標(biāo)對(duì)可控負(fù)荷占比要求

由圖4 可知，隨著自平衡度βmin增大，優(yōu)化得到的可控負(fù)荷占比θ先增大后減小，峰值位于βmin等于0.80 處。另一方面，隨著綜合判別平衡因子Hbf，min增大，θ也先增大后減小，峰值位于Hbf，min等于0.70 處。當(dāng)βmin和Hbf，min較小時(shí)，平衡區(qū)內(nèi)增加少量發(fā)電機(jī)組即可滿足平衡需求，因此對(duì)負(fù)荷調(diào)控水平的要求較低，且提升平衡能力所需成本也較少。當(dāng)βmin和Hbf，min較大時(shí)，平衡區(qū)內(nèi)總裝機(jī)容量和儲(chǔ)能裝置容量均處于較高水平，可以平衡大多數(shù)功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)移，因此無(wú)需較大的θ。

當(dāng)βmin和Hbf，min處于中間水平，通過(guò)控制負(fù)荷開(kāi)斷可平衡功率，降低配置發(fā)電容量的成本，也可滿足提升平衡能力的要求，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。上述場(chǎng)景中，當(dāng)βmin為0.75且Hbf，min為0.70時(shí)，θ最大，等于26.31%。此時(shí)綜合判別平衡因子需求較高，但自平衡度水平較低，從經(jīng)濟(jì)性考慮，只能通過(guò)增大可控負(fù)荷占比實(shí)現(xiàn)平衡能力提升。βmin和Hbf，min均為0.90 時(shí)，θ最小，等于5.78%。此時(shí)平衡區(qū)裝機(jī)容量和儲(chǔ)能裝置可以滿足能量平衡需求，因此可控負(fù)荷占比處于較低水平。

5 結(jié)論

為解決配電網(wǎng)平衡能力提升的設(shè)備優(yōu)化配置和經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，本文提出一種基于直覺(jué)模糊交叉熵的配電網(wǎng)平衡指標(biāo)構(gòu)建及提升方法。主要結(jié)論如下。

1）提出聯(lián)絡(luò)線利用率、自平衡度、可調(diào)能源占比、可控負(fù)荷占比和可再生能源利用率5項(xiàng)平衡指標(biāo)以及綜合判別平衡因子，從多角度量化區(qū)域運(yùn)行狀態(tài)和平衡能力。

2）考慮平衡區(qū)運(yùn)行規(guī)范，提出以平衡因子提升和經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)的平衡區(qū)優(yōu)化配置模型，通過(guò)約束條件限制，得到WG、PV、DE、ES 和可控負(fù)荷占比的最優(yōu)配置，實(shí)現(xiàn)平衡能力提升。

3）提出考慮分時(shí)電價(jià)的平衡區(qū)能量?jī)?yōu)化運(yùn)行策略，實(shí)現(xiàn)平衡區(qū)機(jī)組出力、儲(chǔ)能充放電、聯(lián)絡(luò)線功率傳輸和負(fù)荷的有序運(yùn)行，并提高經(jīng)濟(jì)性。仿真分析證明了所提方法的有效性。

本文算例選擇配電網(wǎng)進(jìn)行方法驗(yàn)證，所提方法還可以應(yīng)用在輸電網(wǎng)、臺(tái)區(qū)、微網(wǎng)等，后續(xù)可進(jìn)一步分析驗(yàn)證。此外，考慮風(fēng)光和負(fù)荷的隨機(jī)性以及預(yù)測(cè)的不確定性，進(jìn)一步改進(jìn)平衡能力提升方法是未來(lái)的研究方向。