CN103530823A - 基于otfn-ahp的微电网规划设计综合评价体系 - Google Patents

Abstract

本发明基于OTFN-AHP的微电网规划设计综合评价体系，属于电气信息规划技术领域。该评价方法包括：1）确定了微电网规划设计评价指标体系。2）提出了微电网评价指标的计算模型以及各指标的合理实用非线性隶属度函数模型以得出各项指标的量化值。3）结合传统层次分析法和模糊数学理论并进行了优化形成了OTFN-AHP。4）利用一种根据决策者偏好可变重心法去除排序向量的模糊性。5）根据排序向量，用非线性规划求解指标相对权重。6）根据每个指标的量化值和各指标的权重，确定微电网的优劣程度，输出微电网评价报告。该评价体系能够对不同结构的微电网规划设计方案做出科学、客观的评价，从而为决策者提供合理的参考，具有很强的现实指导意义。

Description

基于OTFN-AHP的微电网规划设计综合评价体系

技术领域

本发明属于电气信息规划技术领域，具体涉及一种微电网规划设计综合评价方法及实现。

背景技术

随着智能电网技术的发展，未来的智能大电网必然包含不同结构的微电网系统，如何更客观地评价规划阶段中不同结构微电网及其组成的微电网群的优劣性，将成为研究领域新的课题。目前微电网群概念还比较新，已有的成果多以多个分布电源接入系统为研究对象，而且研究成果中多从单一的影响指标去研究，微电网的接入能完全改变主网配电系统辐射状的拓扑特征，而微电网中分布式电源的输出功率具有随机性，含微电网的新型配电系统中潮流可能会由于微电网的运行状态不同而流向不同，即潮流双向流动，导致配电系统运行状态的不确定性大为增加，使得含微电网的新型配电系统的稳态和动态特性发生质的变化，从而影响系统的可靠性和安全性。

开发和延伸微电网能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，是实现主动式配电网的一种有效方式，是传统电网向智能电网过渡，特别是我们国家能源分布不均衡的，更需要从技术和政策上大力支持微电网建设。微电网实体建设之前，需要进行完善的规划。但目前对于微电网规划设计的系统评价方案少见于文。有鉴于此，本专利对微电网规划设计进行合理分类和分级评估，给出了完善的评价体系以及评价方法，以提高投资项目的决策水平和管理水平提供科学依据。

发明内容

为了实现上述目的，本发明提供了一种微电网规划设计综合评价方法及其实现方式，能够对不同结构的微电网规划设计方案做出科学、客观的评价，从而为决策者提供合理的参考。

本发明提供的一种微电网规划设计综合评价方法，其特征在于：(1)根据微电网特点，确定了完善的评价指标体系以及各项指标的计算模型，（2）根据指标计算模型得到的指数据，通过德尔菲法、曲线拟合等方法确定了合理的非线性隶属度函数，得到归一化之后的无量纲化值；(3)对传统的基于三角模糊数的层次分析法（TFN-AHP）进行了修正优化，在满足约束条件下最大限度减少信息损失量，形成了改进的基于三角模糊数的层次分析法（OTFN-AHP），使得到的权重排序更加合理，误差显著降低。（4）根据每项指标的无量纲值和相对权重确定微电网规划设计方案的优劣并提出相应改进方案。

进一步地，所述的微电网规划设计综合评价方法，其指标包括以下一种或多种：微电网运行电能质量，可靠性、经济型、环保性以及与大电网之间的协调性。分别详列于下：

（1）微电网电能质量包括系统电压偏差和频率偏差两项指标。

（2）微电网可靠性指标包括平均停电频率指标、系统平均停电持续时间指标和电量不足期望值。

（3）微电网运行经济性包括综合效益和投资成本。其中综合效益包括可靠性效益、节能性效益、降损效益、环境效益和延缓电网投资效益；投资成本包括初始建设成本、燃料成本、设备运行维护成本以及由设备更新成本、排污补偿、停电补偿构成的其他成本。

（4）微电网运行环保性包括可再生能源所占比例和清洁能源使用率。其中清洁能源使用率包括碳氧化物排放量、氮氧化物排放量、二氧化硫排放量以及颗粒物排放量。

（5）与大电网协调性包括孤岛平均负荷功率和并网最大交换功率。

所述的微电网综合评价方法，包括两大部分：

依据所给微电网模型计算得出的各指标实际值，通过德尔菲法、曲线拟合等方法确定隶属度函数，从而将各指标值无量纲化。

1)首先依据所提供的微电网规划设计模型以及各参数计算出各指标值。然后根据各指标定义以及国家相关标准确定：

a)各指标类型：偏大型、偏小型和适中型。

b)各指标（偏差）上下限值。

然后统一将各指标正向化度量，得到同度量处理的各评价指标的相对值

2)采用的所述OTFN-AHP排序优化模型，其特征在于：

a)利用最小均方差非线性规划模型得到指标的含模糊性排序向量；

b)根据决策者冒险与否，利用可变重心法对含模糊性的排序向量进行去模糊化;

c)根据所述去模糊的排序向量，利用非线性规划的方法确定一种既满足权重条件也不损失排序向量信息的指标权重。

本发明充分考虑到微电网的技术特点，并结合现有的大电网评价体系。从五个大指标进行综合评价，并且各个大指标包括若干小指标，各个小指标也通过若干具体方面进行度量，最为重要的是各个指标尽量保持了相互独立性。采用一个以上的指标对待评价微电网的各项指标有量纲值进行分类无量纲化，得到微电网评价所需各项指标的量化值。

再者采用了包含信息量更多的OTFN-AHP模型评价更为客观，且使用更为合理的最小均方差非线性规划法确定指标模糊排序向量，用可变重心法去模糊化得到最终的排序向量，使指标在保持原有顺序不变的情况下可以根据决策者偏好改变其排序值；最后非线性规划的方法从排序向量中确定各项指标的权重，极大的提高了微电网综合评价的准确度。采用该评价方法能够对不同结构的微电网做出一个客观严谨的评价。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例—基于OTFN-AHP模型的微电网综合评价方法的流程图；

图2是本发明实施例—基于OTFN-AHP模型的微电网的综合评价指标体系；

图3是本发明实施例—基于OTFN-AHP模型的微电网的综合评价系统的结构图。

图4是本发明实施例—基于OTFN-AHP模型的微电网的综合评价中改造后的电能质量隶属度函数图形。

图5是本发明实施例—基于OTFN-AHP模型的微电网的综合评价中污染物排放量经曲线拟合得到的隶属度函数图象模型。

图6是本发明实施例—基于OTFN-AHP模型的微电网的评价体系模式。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明是实例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

微电网是一种新型网络结构，是一组微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统单元。微电网是一个能够实现自我控制、保护和管理的自治系统，既可以与外部电网并网运行，也可以孤立运行。微电网是相对传统大电网的一个概念，是指多个分布式电源及其相关负载按照一定的拓扑结构组成的网络，并通过静态开关关联至常规电网。开发和延伸微电网能够充分促进分布式电源与可再生能源的大规模接入，实现对负荷多种能源形式的高可靠供给，是实现主动式配电网的一种有效方式，是传统电网向智能电网过渡。根据我国能源分布不平衡、能耗大的现状和微电网固有的特点，微电网项目定将越来越受到重视。于是进行合理分类和分级评估，为投资和管理提供科学依据显得至关重要。

在现有的针对电气领域的评价方法中，变异系数法、信息熵法、集对分析法和模糊集法等由于评价需要一定客观评价个体不太适合像微电网这样的新兴事物，而像神经网络这样的人工智能法更需要大量的评价客体的数据进行训练就更加不合适了。而需要专家主观意见参与进去的德尔菲法专家打分法需要耗费的大量的人力资源和时间资源也显得不是那么合适。而OTFN-AHP优化排序模型综合了大量专家的意见并且考虑到微电网作为一个新兴事物对每个指标比较不是很明确，特意加入三角模糊的概念，以此让评价更为客观严谨及时。

下面本发明将通过一个具体的实例来说明基于OTFN-AHP的微电网综合评价方法，流程见图1，所示。

步骤S101：确定微电网规划设计评价指标体系，指标体系图见图2。

步骤S102：确定各项指标值的计算模型。指标概念不是很明确或者模型不是很明显的详列于下：

1）电压偏差指标

在微电网群系统中，由于变压器、输电线、等各种用电设备的存在，特别是其中电力电子器件的大量适用，加上用电负荷的不断变化，电力系统中有功功率和无功功率始终都处在动态平衡中，系统各点的电压也时时变化，但这种变化是有一定范围限制的，这就是供电电压允许偏差限值，即规定的供电电压对系统标称电压偏差的百分数。

供电电压偏差是电能质量的一项基本指标。合理确定该偏差对电气设备的制造和运行，对电力系统的安全性和经济性都有重要意义。允许的电压偏差较小，有利于供（用）电设备的安全和经济运行，但为此要改进电网结构，增加无功电源和调压装备，同时要尽量调整用户的负荷以与电网的供电能力相适应。另一方面，供（用）电设备的允许电压偏差也反映在设备的设计原则和制造水平上。允许电压偏差大，要求设备对电压水平变化的适应性强，这需要提高产品性能，往往要增加设备的投资。对于一般电气设备，电压偏差超出其设计范围时，直接影响是恶化其运行性能，并会影响其使用寿命，甚至使设备在短时间内损坏；间接影响是可能波及相应的产品质量和数量。因此，电压偏差限值的确定是一个综合的技术经济问题。

GB/T12325－2008《电能质量供电电压偏差》（以下简称《电压偏差》）分别就35kV及以上、20kV及以下三相供电、220V单相供电电压偏差限值作了规定：

（1）35kV以上的供电电压的正、负偏差的绝对值之和不超过标称电压的10%。

（2）10kV及以下三相供电电压允许偏差为标称电压的±7%。

（3）220V单相供电电压允许偏差为标称电压的+7%、-10%。

微电网群系统电压偏差沿用以上规定。

其计算公式如下：

2）频率偏差指标

电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值差称为系统的频率偏差。频率是反映系统是否正常运行的重要指标，控制频率变化在一定的范围内是电力系统的重要任务之一。所谓电力系统频率稳定，即电力系统在受到扰动后，系统的频率可以恢复到额定频率或者允许的额定频率范围之内。电力系统恢复频率稳定的能力取决于系统发电量和负荷用电量之间的平衡能力。

微电网群系统能否安全稳定运行的重要条件是其在小信号下是稳定的。与传统电力网络相比，微电网的容量相对较小，其系统惯量相较与大电网的系统惯量甚至可以忽略不计，这使得微电网系统在孤岛运行模式下更容易受到扰动的影响。在分布式电源跳闸、负荷的投切时，微电网的低惯性很可能导致系统失去稳定。

在传统大电网中，发电机保护跳闸、短路故障或者大负荷突然增减造成的有功功率严重不平衡会造成电力系统频率的突然变化，对电力系统的安全稳定运行造成威胁。上述情况一旦发生，必须立即采取相关措施恢复系统功率平衡，使频率恢复到正常范围，以免频率失稳，防止事态的进一步恶化。造成频率失稳的主要原因是系统缺少备用容量、缺少频率控制及保护装置或者是缺少负荷或发电机响应。在微电网系统中，发电量和负荷的剧烈波动通常是造成频率失稳的主要原因。

国家标准GB/T15945-2008《电能质量电力系统频率允许偏差》规定：电力系统正常偏差允许值为±0.2Hz，当系统容量较小时，偏差值可以放宽到±0.5Hz。考虑到微电网群系统容量较小，所以可规定其偏差值在±0.5Hz。

其计算公式如下：

△f=f_re-f_N              （2）

式中：△f表示系统频率的偏差值，f_re为系统频率的实际值，f_N为系统频率的标称值。

根据已有文献资料，对于复杂电网，可靠性计算比较常见的方法是模拟法与解析法，模拟法中比较常见的是蒙特卡罗模拟方法，在对微电网群系统进行可靠性评估时，微电网群系统的负荷状态可以组成一个状态向量，而解析法的计算量会随着向量维数的增加而显著增加，但是运用蒙特卡洛模拟法就是用就是其计算收敛速度与问题的空间维数无关，而计算时间仅与维数成比例。因此做评估时，用非惯序蒙特卡罗模拟方法计算微电网群系统的可靠性指标，各指标的计算公式以及参数的含义如下。

3）系统平均停电频率指标（System Average Interruption Frequency Index，SAIFI）

微电网系统平均停电频率SAIFI(System Average Interruption frequency Index）是指每个由系统供电的用户在每单位时间内的平均停电次数，采用一年中用户停电的积累次数除以系统供电总用户数来估计，如下式所示：

式中：λ_i为编号为i的负荷的故障率（次/年），N_i为编号为i的负荷数目（个）。

4）系统平均停电时间持续时间SAIDI(System Average Interruption Duration Index)

微电网系统平均停电时间持续时间SAIDI(System Average Interruption Duration Index)是指每个由系统供电的用户在一年中经受的平均停电持续时间，采用一年中用户经受的停电持续时间的总和除以该年中由系统供电的用户总数来估计，如下式所示：

式中：U_i为负荷点的年平均停电时间（h/年）。

5）系统总电量不足指标ENS

微电网系统总电量不足指标ENS是指在某一研究周期内由于供电不足造成用户减少用电量的期望值如下式所示：

ENS=系统总的电量不足=∑E_i              （5）

式中：E_i为负荷点i因停电而损失的电量（MW）。

以上3个可靠性指标可由微电网群系统的可靠性评估得到

6）初始建设成本C_cap

建设成本根据分布式电源的配置而不同。包括各个电源装机成本、储能装置的购置成本、微电网管理控制系统的建设成本。

（a）各个电源装机成本的计算，可以参考表1。

表1电源装机成本

注：表中CHP为热电联产（combined and power）的简写

（b）微电网管理控制系统的建设成本，包括：

1）分布式电源、储能系统和负荷的控制器。

2）微电网的中央运行管理系统。

3）继电保护装置。

4）通讯系统。微电网管理控制系统的建设成本根据其规模、功能和性能的不同，以及所采用技术的成熟度不同，差别很大。

（c）储能装置购置成本的计算，可以参考表2。

表2储能装置购置成本

储能类型	年化单位电量造价/(＄/(Kw.h))
		铅酸电池	25
锂离子电池	120
		钠硫电池	85

超导磁能	200
		超级碳级电容器	85
低速飞轮系统	40
		高速飞轮系统	80

7）燃料成本C_fuel

光伏发电和风力发电都无燃料成本，微电网的燃料成本主要是燃气轮机、内燃机、燃料电池的燃料成本。计算公式如下式所示：

$C_{\mathrm{Fuel}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{l}_i{H}_i---\left(7\right)$

式中：l_i为第i种燃料的单价；H_i为第i种燃料的年消耗量。

燃料的单价是随市场供需关系的变化而变化的，具体还是需要根据项目的具体情况而定，计算时可以取燃料的平均市场价格。天然气价格/（元/m³）=1.4，一个CHP燃气轮机产单位度电耗气量大概为0.33m³/KW.h。

8）设备运行维护成本C_OM

设备运行维护费用C_OM经验计算如下：

C_OM=C_Capλ                     （8）

式中：λ通常取1.5%，C_cap为初始建设成本。

9）其它成本

（1）设备更换成本：因为不考虑设备更换，则为0万元。

（2）排污赔偿成本如下式所示：

$C_{\mathrm{Emission}}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{c}_i{M}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_i+\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Z}_i---\left(9\right)$

式中：c_i为第i项污染物的环境价值，M_i为第i项污染物的总排放量；E_i为为了减少第i项排放物所付出的成本；Z_i为监测第i项污染物附加的费用。

（3）停电补偿成本如下式所示：

$C_{\mathrm{cs}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{ieai}}{E}_{\mathrm{ensi}}---\left(10\right)$

式中：N为电网的负荷节点数，R_ieai停电损失评价率；Ｅ_ensi为研究时间段内节点i的电量不足期望值。

10）可靠性效益

微电网通过先进的电力电子技术将分布式电源、负荷和储能装置集成在一起，既可以与配电系统并网运行，也可以与配电系统解列后孤岛运行。在配电网发生停电时，微电网可通过孤岛运行来保证对本地负荷的供电，从社会的角度来看，微电网提高供电可靠性所带来的效益可用期望停电损失的减少来衡量，从而提高供电可靠性。微电网的可靠性效益的计算公式如下所示：

$V_{\mathrm{RB}}=R_{\mathrm{LEAR}}\underset{Q}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{up},Q}(r_{\mathrm{up},Q}-P_M{T}_a)P_L---\left(11\right)$

式中：Q为微电网内负荷的集合；λ_up，Q为配电网运行在负荷点Q的年均停电频率；r_up，Q为配电网运行在负荷点Q的平均停电持续时间；P_M为微电网切换到孤岛的失败概率；T_a为微电网内电源重启动的时间；P_L为微电网在孤岛运行期间所支撑的负荷的平均功率需求；R_IEAR为微电网负荷的电能中断损失率。

11）节能效益

（1）可再生能源机组的节能效益：微电网中往往采用可再生清洁能源，可以大大减少化石能源的消耗；另一方面，目前正在大力推广的热电联产，可以通过能源的综合利用，大大提高能源的利用效率。其定义式的含义主要是利用可再生能源从而减少了传统燃煤电厂发同等电量不可再生资源煤炭的消耗。计算公式如下所示：

$V_{\mathrm{ES}1}=M_c{p}_c\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{rg},i}---\left(12\right)$

式中：M_C为火电机组生产单位所消耗的煤炭量，该数值的确定可以参考国内一些大型的，并且节能效益较好的火电厂的相关数据。p_c为煤炭价格，计算时可取平均市场煤炭价格。E_rg，j为微电网第i个可再生能源分布式电源的年发电量，规划时可以取已有的相等规模的分布式电源的年发电量。

（2）小型热电联产机组的节能效益：小型热电联产往往采用天然气作为燃料，虽然比煤炭价格高，但是可以通过利用发电废热提供附加热能来提高经济效益。

其节能效益应为附加热能的价值减去相对火电厂发同等容量电能所增加的燃料成本。计算公式如下所示：

$V_{\mathrm{ES}2}=\frac{E_e\mathrm{\ϵ}}{1-\mathrm{\ϵ}}{p}_t-[\frac{E_e{p}_g}{(1-\mathrm{\ϵ})\mathrm{\η}{q}_g}-M_c{p}_c{E}_e]---\left(13\right)$

式中：E_e为热电联产机组的年发电量，评价计算时其值的确定可以根据国内热电联产机组的数据；η为热效率，即单位能量燃气能被有效利用的能量，具体参考燃气轮机组的热效率值。E为供热比，即供热能量与发电供热总能量的比值。天然气的发热值q_g可以查询国标。天然气价格P_g根据市场价格变动而变动。天然气的热价pt是指热电厂向用户的售热价格。

12）降损效益

由于分布式电源配置在负荷的附近，在送电过程中的电能损耗必然比远距离输送同等容量电能的损耗要小。微电网的降损效益与配电网的网架结构、运行方式、集中式发电的输电距离、负荷及分布式电源的分布、容量等因素密切相关其定义为微电网电源在送电过程中输送相等电量。相对远距离输电来说，节省的网络损耗。计算式如下所示：

$V_{\mathrm{LR}}=L\%\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{E}_{\mathrm{DG},i{p}_e}---\left(14\right)$

式中：L%为降损率；E_DMG，i为微电网中第i个分布式电源的年发电量；m为微电网中分布式电源的个数；p_e为火电的上网电价。L%为降损率，其值的确定可以近似为相等规模且规划合理的集中式发电站输送单位容量电能的网损率。各参数见表3。

表3各种参数数值表

13）环境效益

工程的环境效益，是指减排单位量污染物所避免的“污染损失”的价值量，因为微电网大部分用的都是可再生能源，污染物（SO2、N0x、CO2、C0、粉煤灰等）的排放相比传统的燃煤发电厂有很大的降低，以此带来的环境效益是非常可观的。相对传统的火电厂，微电网的环境效益具体计算公式如下所示：

$V_{\mathrm{EV}}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{ei}}(Q_i^{\mathrm{MQ},j}-Q_i^{\mathrm{CP}})---\left(14\right)$

式中：V_ei为第i项污染物减排的环境价值；n为污染物的种类；m为微电网中分布式电源的个数；Qi^MQ，j为微电网中第j个分布式电源第i项污染物的排放量；Qi^CP为燃煤发电机组第i项污染物的排放量。

两项排放量的计算可以表4的相关数据与微电网的年发电量的乘积确定。

表4各种发电技术的污染排放数据g/(kW.h)

14）延缓电网投资效益

微电网的合理有序建设可以降低峰荷时配电系统对电网输送容量的需求。对于配电网扩容困难的中心城区或者供电困难的偏远地区，电网公司若能在电网规划阶段综合考虑微电网在避免输／配电阻塞方面的作用，通过微电网的有序建设，就可以满足部分负荷增长的需要，从而延缓电网建设投资。具体可以用延缓电网投资的价值表示，其计算式如下式所示

$V_{\mathrm{TD}}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(1-u)P_{\mathrm{MG},i}{C}_{\mathrm{EXPD}}---\left(15\right)$

式中：C_EXPD中为电网新建单位容量所需的投资；P_MG，i为分布式电源微电网i的发电装机容量，m为分布式电源的个数。u为电网对分布式电源微电网的备用率，在分布式电源并网模式下为1；在微电网运行模式下可取20%到30%。4.4.1可再生能源所占比例

微电网群系统中，可再生能源所占比例的定位为利用清洁能源（如风能，太阳能）发电的总功率与微电网群系统的发电功率的比值。计算式如下式所示。

式中：P_PV为光伏年发电量；P_WT为风电年发电量。

15）清洁能源使用率

清洁能源使用率为微电网群系统发电所排出的各种废气与灰尘的年排放量。计算如下：碳氧化物排放量：单位为g/KW.h

$Q_{{\mathrm{CO}}_x}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{COx},i}---\left(17\right)$

氮氧化物排放量：单位为g/KW.h

$Q_{N{O}_x}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{NOx},i}---\left(18\right)$

SO₂排放量：单位为g/KW.h

$Q_{S{O}_2}=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{{\mathrm{SO}}_2,i}---\left(18\right)$

灰排放量：单位为g/KW.h

16）单位发电成本

计算式如下，单位发电成本单位为元/KW.h。

$C_{\mathrm{OE}}=\frac{C_{\mathrm{LCC}}}{P_{\mathrm{Load}}+P_{\mathrm{grid},\mathrm{sell}}}\×100\%---\left(21\right)$

17）购电电价

购电电价单位为：元/KW.h。根据市场变动取平均值。

18）售电电价

售电电价单位为：元/KW.h。取平均值。根据市场变动。

19）协调性指标

为了体现微电网孤岛带负荷能力和并网时微电网与配网之间的渗透率，分别用孤岛平均负荷功率（KW）与并网最大交换功率(KW)表示。一般微电网中的负荷不会很大，而且随着季节的变化，最大负荷会相应变化，因此统一用计算周期内的平均负荷功率表示其带负荷能力。微电网与配电网之间的渗透率不仅与微电网内部结构，配网需求有关，而且与并网政策有着紧密联系。

20）孤岛平均负荷功率

定义为微电网在孤岛运行期间所支撑的负荷平均功率。

21）并网最大交换功率

定义为微电网在并网运行期间与大电网的最大交换功率。

步骤S103，指标值的无量纲化。

评价指标分为定量指标与定性指标，定量指标是可以准确数量定义、精确衡量并能设定绩效目标的考核指标。在微电网群指标评价体系中，各指标的评价基准值是衡量该项指标是否符合规划方案基本要求的评价基准。在综合评价时，会遇到一些定性指标，通常总希望能给予量化，使量化后的指标可与其它定量指标一起使用，但是最后的评价结果往往是通过可以比较的等级来确定的。

采用隶属度函数的方法与归一化方法将评价指标一致化，所谓隶属度函数法即若对论域（研究的范围）U中的任一元素x，都有一个数A（x）∈0，1与之对应，则称A为U上的模糊集，A（x）称为x对A的隶属度。当x在U中变动时，A（x）就是一个函数，称为A的隶属函数。隶属度A（x）越接近于1，表示x属于A的程度越高，A（x）越接近于0表示x属于A的程度越低。用取值于区间（0，1）的隶属函数A（x）表征x属于A的程度高低。在本专利中，将所有指标度量正向化：各指标实际值越接近满意值，则其无量纲化值越接近1；反之，越接近0。如对停电时间利用隶属度函数法进行无量纲化，因为停电时间越少越好，则若停电时间越少，其无量纲化值应越接近1；若停电时间越长，则越接近0；若超过某个事先给定的限定值，则为0。所以建立的隶属度函数如下式所示：

$\mathrm{\μ}=\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{e^{\mathrm{aT}}},0\≤T\≤T_m\\ 0,T\≥T_m\end{array}\right.---\left(22\right)$

式中：T为停电时间，T_m为最大停电时间极限允许值。

如清洁能源利用率，利用率越高越好，建立隶属度函数如下式所示：

$\mathrm{\μ}=\left\{\begin{array}{c}\sin \left[\frac{\mathrm{\π}}{2(100-\mathrm{\δ})}\right](\mathrm{\δ}-{\mathrm{\δ}}_0),{\mathrm{\δ}}_0\≤\mathrm{\δ}\≤100\\ 0,\mathrm{\δ}\≤{\mathrm{\δ}}_0\end{array}\right.---\left(23\right)$

式中：δ为清洁能源利用率，δ₀为清洁能源利用率的最低允许值。其余指标隶属度函数的建立以此类推。

现分别对各指标的隶属度函数逐一叙述。

1）电能质量

电能质量分项指标的模糊模型的选择与确立在模糊方法中起着至关重要的作用。隶属度函数的有效与否，直接影响着最后评判结果的可信程度。在电能质量指标中，有些指标的隶属属性是相类似的。例如电压偏差与频率偏差，它们大部分都落在一定区间内，而且有接近于零的趋向，落在零值两边的概率是随机的，离零值越远出现的概率越小，很符合正态分布的特点，所以它们均可采用具有正太分布特点的高斯函数作为其隶属度函数。事实上，要使偏差为零是很困难的。因而，一般当偏差落在靠近零的一定区域内时，则可认为该项电能质量指标很好，其对应的隶属度为1。基于这种考虑，需将靠近零这一区域的隶属度函数定义为1，且对正态分布进行改造，改造后的隶属度函数如图4所示。

在电能质量二级评价指标中含有两个三级评价指标，即电压偏差和频率偏差两个标准。

电压偏差指标采用如下隶属度函数：

式中：△U表示电压偏差百分比；σ，U₁，U₂为常量，根据实际情况确定。

而频率偏差无量纲化隶属度函数与上述函数类似，即：

2）可靠性

可靠性指标下面包括三个子指标，分别为系统平均停电频率，系统平均停电持续时间，电量不足期望值。

系统平均停电频率定义为每个由系统供电的用户在每单位时间内的平均停电次数，采用一年中用户停电的积累次数除以系统供电总用户数来估计，如下式所示：

式中：λ_i为编号为i的负荷的故障率（次/年），N_i为编号为i的负荷数目（个）。

一般对于规划好的微电网，都会对SAIFI值有具体上限要求，即存在一个给定的SAIFI_max。长期运行在统计时间内，SAIFI必须小于给定的上限值。故可拟定以下隶属度函数。

系统平均停电频率持续时间计算公式为

对停电时间利用隶属度函数法进行无量纲化时，考虑到停电时间越少越好，建立的隶属度函数如下式所示：

$\mathrm{\μ}=\left\{\begin{array}{c}\frac{1}{e^{\mathrm{aT}}},0\≤T\≤T_m\\ 0,T\≥T_m\end{array}\right.---\left(28\right)$

式中：T为停电时间，T_m为最大停电时间极限允许值。

电网系统总电量不足指标ENS是指在某一研究周期内由于供电不足造成用户减少用电量的期望值如下式所示：

ENS=系统总的电量不足=∑E_i           （29）

式中：E_i为负荷点i因停电而损失的电量（MW）。

对于系统电量不足期望值拟采用直接的线性函数设置为其隶属度函数，如下式所示：

$u\left(\mathrm{ENS}\right)=1-\frac{\mathrm{ENS}}{P_s}---\left(30\right)$

式中：P_s为系统总功率。

3）经济性

在本次微电网经济性评价中采用成本效益分析法：通过比较备选项目的全部预

期效益和全部预计成本，来评价该备选项目。并将微电网综合效益定义为：在给用户供应同等容量电能的条件下，相对于常规大型燃煤发电，微电网所增加的社会效益和经济效益的总和。首先计算微电网的年化利润，方程如下：

G=V_Σ-C_Σ           （31）

其中V_Σ为综合效益，即可靠性效益、节能效益以及降损效益等所有效益之和。C_Σ为所有投资成本总和。

再将年化利润利用下式进行无量纲化：

$u\left(x\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& x\&le;0;\\ x/a& 0<x\&le;a;\\ 1& x>a;\end{array}\right.---\left(32\right)$

其中x为微电网的实际年化利润;a为期望的最大年化利润满意值。

4）环保性

环保性指标下面包括两个二级子指标，可再生能源所占比例和清洁能源使用率。可再生能源所占比例的数值即可当做隶属度函数值。而清洁能源使用率下面又包含四个子指标。分别为碳氧化合物，氮氧化合物，二氧化硫，颗粒物排放量。根据已制定的国家标准，这四个指标的都有上限值

可利用德尔菲法对给定的排放物浓度进行打分，形成若干组数据后描点。然后进行曲线拟合得到以下函数图象如图5所示，以及解析式如下：

$u\left(x_i\right)={A_{i}e}^{{-\left(\frac{x_i-B_i}{C_i}\right)}^2}---\left(33\right)$

上式中：A_i，B_i，C_i为各不同废物排放量i对应的参数。

5）协调性

协调性指标下面包括两个二级子指标：孤岛平均负荷功率和并网最大交换功率。由孤岛平均负荷功率定义可用下式表示：

$u\left(P_{\mathrm{al}}\right)=\frac{P_{\mathrm{al}}}{P_s}---\left(34\right)$

式中：P_al为孤岛平均负荷功率，P_s为系统总功率。

并网最大交换功率隶属度函数可用下式表示：

$u\left(P_{\mathrm{ex}}\right)=\frac{P_{\mathrm{ex}}}{\mathrm{\&Sigma;}{P}_{i.\max }-P_s}---\left(35\right)$

式中：P_ex为交换功率，P_i.max为第i个电源可发出的最大功率，P_s为系统功率。

步骤S104,确定各层次各指标权重方法

本专利采用了基于三角模糊数的层次分析法（TFN-AHP），指出了其存在的不足并进行了改进。故称为优化三角模糊数的层次分析法（OTFN-AHP）

AHP(Analytic Hierarchy Process)是数学家Thomas L.Saaty首先提出的。该方法将定性和定量分析有效的结合,不仅能保证决策模型的系统性和合理性,并且能让决策人员充分运用其有价值的经验和判断能力,从而为经济、建筑、交通甚至政治、教育等领域的多属性决策提供了强有力的数学支持。但决策者在决策过程中往往需要对决策方案进行两两比较,并构造互补判断矩阵,然而,当人们在构造互补判断矩阵时,需要考虑到客观事物的复杂性,所得到的判断值有时不是确定的数值点,而是以三角模糊数等模糊形式给出。

为了充分考虑个人判断中存在的模糊性，在层次分析法确定权重值的过程中，采用三角模糊数来表征判断信息，这样可以形成一个三角判断矩阵A=(ai_j)_n×n，其中ai_j是个三角模糊数，表示为

m_ij是AHP九个评价等级中的一个整数。

根据上述三角判断矩阵，利用最小均差非线性规划法求出排序向量。

如果三角模糊矩阵完全一致的话，那么三角模糊矩阵A=(ai_j)_n×n，排序向量w=(w₁,w₂,…w_n)满足

但是实际过程中评价专家往往会加入自己的主观性导致评判矩阵不一致，为此一如最小均方差的偏差函数

f_lij=(a_lijw_lj-w_li)²      ①

f_mij=(a_mijw_mj-w_mi)²      ②

f_uij=(a_uijw_uj-w_ui)²     ③

显然，为了得到合理的排序向量，希望上述偏差函数越小越好，为此建立最小均方差非线性规划模型

$\left[\begin{array}{c}\min J=\min \underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(f_{\mathrm{lij}}+f_{\mathrm{mij}}+f_{\mathrm{uij}})\\ =\min \{{(a_{\mathrm{lij}}{w}_{\mathrm{lj}}-w_{\mathrm{li}})}^2+{(a_{\mathrm{mij}}{w}_{\mathrm{mj}}-w_{\mathrm{mi}})}^2+{(a_{\mathrm{uij}}{w}_{\mathrm{uj}}-w_{\mathrm{ui}})}^2\}\end{array}\right]$

$\mathrm{st}:\left\{\begin{array}{c}0\&le;w_{\mathrm{li}}\&le;w_{\mathrm{mi}}\&le;w_{\mathrm{ui}}\&le;1\\ 0\&le;\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_{\mathrm{li}}\&le;1\&le;\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_{\mathrm{ui}}\end{array}\right.$

求解上述方程最优解即可得指标排序向量。

下面将排序排序向量去模糊化。

上述步骤得到的排序向量还是由一个三角模糊数构成的，不能直接使用，为此利用重心法对其去模糊化，规则如下：

$\left\{\begin{array}{c}{w}_i=\frac{(1+\mathrm{\&beta;})w_{\mathrm{li}}+w_{\mathrm{mi}}+(1-\mathrm{\&beta;})w_{\mathrm{ui}}}{3},\frac{w_{\mathrm{li}}+w_{\mathrm{mi}}+w_{\mathrm{ui}}}{3}<\frac{1}{n}\\ w_i=\frac{(1-\mathrm{\&beta;})w_{\mathrm{li}}+w_{\mathrm{mi}}+(1+\mathrm{\&beta;})w_{\mathrm{ui}}}{3},\frac{w_{\mathrm{li}}+w_{\mathrm{mi}}+w_{\mathrm{ui}}}{3}\&GreaterEqual;\frac{1}{n}\end{array}\right.$

上述β∈[0,1]为偏好因子，决策者越激进，β越大，指标排序差距越明显。决策者越保守，β越小，指标排序差距越不明显。但结果权重排序∑w_i≠1。下面进行修正。

w_i是由TFN-AHP优化模型和去模糊化后的排序值，其本身就包含着权重信息，只是∑w_i≠1而已。为此既希望权重尽量贴近排序值，也希望权重满足∑w_i′=1，为此我们建立以下非线性规划模型

f=min∑(w_i′-w_i)²

st:∑w_i′=1

上述非线性规划模型直接可以用拉格朗日乘子法求解，过程如下：

令L(x₁,…x_n,λ)=∑(w_i′-w_i)²+λ(∑w_i′-1)。分别求L对w′和λ的偏导数如下：

$\frac{\&PartialD;L}{\&PartialD;w_i^{\&prime;}}=2(w_i^{\&prime;}-w_i)+\mathrm{\&lambda;}=0---\left(1\right)$

$\frac{\&PartialD;L}{\&PartialD;\mathrm{\&lambda;}}=\mathrm{\&Sigma;}{w}_i^{\&prime;}-1=0---\left(2\right)$

可由（1）式知道

即修正因子为这样求出来的最终权重符合统计学要求∑w_i′=1。

步骤S105，利用步骤S103得到的各项指标的量化值和步骤S104得到的各项指标的权重，对不同结构的待选微电网规划设计方案进行评价比较。

在本专利中，由于到各底层指标即各影响因素都是通过正向化同度量得到无量纲值，如果某一指标值为0，则说明整个设计规划方案未达到标准要求，应反映到上层指标，使其度量值为0。故最后对各底层指标加权求取上层指标值时，采用如下几何平均综合模型：

$x_k=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_{k,i}\sqrt{\&prod;x_{k,i}^{w_{k,i}}}---\left(36\right)$

式中：x_k为第k层某个指标，也表示其度量值；x_k,i为x_k下第i个子指标，也表示其度量值；w_k,i为对应x_k,i所占权重。

利用上述公式进行计算，可得到电能质量、可靠性、经济性、环保性以及协调性的评价值，分别对着五项大指标进行分类比较，再者之后再综合上述五项大指标对其进行综合评价比较。为决策者提供更多参考信息，方便决策者做出相应规划。

下面进行简单实例计算示范。假设评价指标体系模式如图6所示。

设评价目标为M，它包含若干项评价内容，即第二层为内容层M_k（k=1、2、3……n，n为内容数）。内容层下面包括若干影响因素层，即影响因素M_k,i（i=1、2、3……p_k）。其中p_k为内容层M_k包含的影响因素个数。

a)由各指标定义以及实际网络参数计算各影响因素M_k,i实际值。

b)利用本专利研究得出的隶属度函数，将各影响因素指标值转化成得分F_k，i确定各项指优良。

c)通过本专利的OTFN-AHP方法确定各影响因素指标的权重w_k,i，各指标权重w_k,i>0，且

$\underset{i=1}{\overset{p_k}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_{k,i}=1.$

d)由第二步b）和第三步c）得出的结果，计算内容层M_k得分

e)同第三步c），同理计算评价目标下各评价内容M_k权重w_k，w_k>0，且

f)最后即计算评价目标的综合得分对比各规划方案的综合得分，评出优劣。完成本次评估。

需要说明的一点是：在本专利评价方法中，经济性的评价采用的是经济学中成本效益分析方法，即通过G=V_Σ-C_Σ计算微电网的年化利润，（其中V_Σ为综合效益，即可靠性效益、节能效益以及降损效益等所有效益之和。C_Σ为所有投资成本总和。）再利用本专利给出的模糊隶属度函数计算经济性指标得分F_经济性。详细步骤参见步骤S103第三小节经济性计算。

本领域技术人员可以在本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的基本原理。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权力要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些改动或变型在内。

Claims (6)

1.一种微电网规划设计综合评价方法，其特征包括： 

（1）结合现有的大电网评价体系和微电网的运行特点，创造性地提出了对微电网规划设计综合评价的完整评价指标体系。 

（2）根据微电网的特性、设计参数等提出微电网评价指标值的计算模型。 

（3）通过德尔菲法、曲线拟合等方法确定了各指标合理的非线性隶属度函数。 

（4）对传统的TFN-AHP模型进行了改进和优化，形成了改进的基于三角模糊数的层次分析法（OTFN-AHP）。 

（5）根据每项指标的无量纲值和相对权重确定微电网规划设计方案的优劣并提出相应改进方案。 

2.根据权利要求1所述的一种微电网规划设计综合评价方法，其特征在于： 

所述指标包括以下一种或多种：微电网运行的电能质量、可靠性、经济型、环保性以及与大电网之间的协调性。 

3.根据权利要求2所述的一种微电网综合评价方法，所述指标进一步包括： 

（1）微电网运行可靠性包括系统平均停电频率指标、系统平均停电持续时间指标和电量不足期望值。 

（2）微电网运行经济性包括综合效益和投资成本。 

（3）微电网运行环保性包括可再生能源所占比例和清洁能源使用率。 

（4）微电网商业运营性包括单位发电成本、购电电价和售电电价。 

（5）与大电网协调性包括孤岛平均负荷功率和并网最大交换功率。 

4.根据权利要求1所述的微电网规划设计综合评价方法，其特征在于，所述对微电网各项参数进行处理，得出微电网评价指标所需的数据并进行无量纲化，包括： 

（1）对所述微电网的各项参数，通过指标计算模型得到所述各项指标所需指标实际值； 

（2）对所述微电网各项指标建立了合理的非线性隶属度函数，分类无量纲化后得到归一化之后的指标量化值。 

5.根据权利要求1所述的微电网综合评价方法，所述OTFN-AHP排序优化模型，包括： 

（1）利用最小均方差非线性规划模型得到指标的模糊排序向量； 

（2）利用含偏好性的可变重心法对模糊排序向量进行去模糊化；得到去模糊的排序向量； 

（3）利用非线性规划方法对（2）求出的排序向量进行优化：尽量减少信息损失量下修正排序向量使∑w_i=1，其中w_i为各指标最终权重值。 

6.一种利用权利要求1-4任一项所述微电网规划设计综合评价方法与实现，其特征在于，包括：（1）输入模块，包括计算指标值所需的微电网固有参数、确定权重所需的评价三角判断矩阵和偏好因子. 

（2）指标量化模块，其用于对指标计算模型所得的实际值进行分类无量纲化，得到评价所需的各项指标归一化的量化值。 

（3）指标权重确定模块，其用于采用OTFN-AHP法确定每一个所述指标的权重； 

（4）比较模块，对待评价微电网的所述各项指标量化值进行加权求和，比较各个微电网的各项指标的优劣和综合优劣。 

（5）输出模块，根据所述比较模块和指标量化模块结果，输出含评价优劣结果和相应改进方案的评价报告。 

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