CN108805745B - 一种配电网的灵活性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种配电网的灵活性评估方法。该方法提出了包括分布式电源和负荷非同步波动、馈线间非同步波动、单相供用电、定制电力需求等在内的多个典型场景下，考核包括分布式电源消纳率、负荷消纳率、电压偏差、谐波畸变、馈线均衡度、三相均衡度、节点电压波动率、支路潮流波动率等在内的多个指标，形成典型场景‑指标体系评估矩阵，并利用熵权法和证据理论对评估矩阵进行计算，最终得到待评估配电网的综合指标，从而评估配电网的灵活性。

Description

一种配电网的灵活性评估方法

技术领域

本发明涉及配电网评估领域，尤其涉及一种配电网的灵活性评估方法。

背景技术

配电网处于整个电力系统的末端，直接面向用户。随着我国社会经济的不断发展，配电网已经成为城市发展的重要组成部分。配电网的健康发展可为提升我国经济发展速度和增强我国综合国力提供必不可少的保证。配电网运行面临着接入用户数量庞大、影响运行因素多样、波动性和不确定性等特点，具有复杂多变的运行场景。

传统配电网的调控主要有网络重构、有载调压变压器分接头调节、无功电容器组投切等调控方式。近年来在主动配电网中，网络结构的灵活调整与管理、潮流的柔性控制是配电网管理的关键难点。对配电网实施主动、柔性的潮流管理，需要釆取新的技术手段。随着电力电子技术的不断发展，以柔性多状态开关(“soft normally open point”，SNOP)为代表的多种新型调控手段开始得到人们的关注。人们需要对采用不同调控手段的配电网的灵活性进行全面比较，以便在选择适合配电网发展的最优的调控手段。

如何准确地对采用不同调控调控手段的配电网进行定量评价，尤其是如何对于配电网的灵活性和坚韧性作出定量评价，是近年来国内外深入研究的方向。

发明内容

针对以上问题及实际中配电网建设的需要，本发明提供了一种配电网的灵活性评估方法。本发明具体采用的技术方案如下：

一种配电网的灵活性评估方法包括以下步骤：

(1)计算各张待评估配电网在各个典型场景下的各项指标值，生成每张待评估配电网的典型场景-指标体系评估矩阵；

(2)利用熵权法对每张待评估配电网的典型场景-指标体系评估矩阵进行归一化，并计算每个指标的权重，综合后得到每张待评估配电网在每个典型场景下的综合指标；

(3)利用证据理论对每张待评估配电网在所有典型场景下的指标值进行Dempster规则合成，得到每张待评估配电网的唯一指标，基于该指标排序得到所有待评估配电网的灵活性最终评估结果。

作为优选，所述步骤(1)中的典型场景包含分布式电源和负荷非同步波动、馈线间非同步波动、单相供用电、定制电力需求；典型场景的数据可以由配电网的历史运行数据直接获得或者通过聚类算法或其他数据挖掘算法间接获得。

作为优选，所述步骤(1)中的指标包含分布式电源消纳率、负荷消纳率、电压偏差、谐波畸变、馈线均衡度、三相均衡度、节点电压波动率、支路潮流波动率；指标值的计算包括从源荷消纳角度计算分布式电源消纳率、负荷消纳率两个指标；从电能优质角度计算电压偏差、谐波畸变两个指标；从协调均衡角度计算馈线均衡度、三相均衡度两个指标；从应对波动角度计算节点电压波动率、支路潮流波动率两个指标。

所述的分布式电源消纳率r_DG％计算如下：

其中P_DG表示能够被电网消纳的分布式电源发出的有功功率，P_S表示分布式电源可以达到的最大有功功率；

所述的负荷消纳率r_LOAD％计算如下：

其中P_LOAD表示能够被电网消纳的分布式电源发出的有功功率，P_system表示系统所有负荷总的有功功率；

所述的电压偏差△V计算如下：

其中U_i表示节点i的电压，U_N表示系统额定电压；

所述的谐波畸变har％计算如下：

其中U_jh表示第j个节点的第h次谐波的电压分量，N表示总的节点数，O表示所有的奇次谐波构成的集合，E表示所有的偶次谐波构成的集合；

其中U_jh表示第j个节点的第h次谐波的电压分量，N表示总的节点数，O表示所有的奇次谐波构成的集合，E表示所有的偶次谐波构成的集合；

所述的馈线均衡度Z_B计算如下：

其中S_ij表示第i条支路在第j个时间点测得的负荷率，

表示所有支路在第j个时间点测得的负荷率的平均值，N_F表示具体的支路条数，N_T表示时间点总数；

所述的三相均衡度ε_L计算如下：

其中V_A，V_B，V_C分别表示A，B，C三相的电压值；

所述的节点电压波动率ρ_V计算如下：

ρ_V单位为kV/kW或为其标幺值形式，其中△U_i表示节点i的电压变化量，△P_DG表示分布式电源有功出力的变化量；

所述的支路潮流波动率ρ_Branch计算如下：

ρ_Branch单位为A/kW或为其标幺值形式，其中△I_j表示支路j的电流变化量，△P_DG表示分布式电源有功出力的变化量；

作为优选，所述的步骤(2)包含以下子步骤：

(1)对于第k张待评估配电网，共m个场景下的共n个指标g_ij构成的典型场景-指标矩阵R′_k；

其中，g_ij为第i个场景下的第j个指标的矩阵元素，i＝1,2,3,4…m；j＝1,2,3,4…n；

(2)对R′_k中的每个矩阵元素g_ij作归一化处理，得到归一化后的每个指标元素r_ij构成的标准化典型场景-指标矩阵R_k：

其中，对于属性值越大越好的指标：

对于属性值越小越好的指标：

max(g_(:,j))和min(g_(:,j))分别表示所有待评估配电网在各个场景下的第j个指标所达到的最大值和最小值；

(3)计算各个指标的熵权，其中第j个指标的熵权E_j计算如下：

(4)计算每个指标的权重，其中第j个指标的权重w_j计算如下：

(5)计算得到第k张待评估配电网在第i个场景中的综合指标值m_i(k)：

作为优选，所述的步骤(3)中的证据理论具体实施步骤如下：

(1)基于步骤(2)中得到的第k张待评估配电网在第i个场景中的综合指标值为m_i(k)，假设共有L张待评估配电网，共有m个场景，对第k张待评估配电网在各个场景下的综合指标值进行Dempster规则合成，得到最终的评估指标P_k，具体计算方式如下；

(2)对P₁至P_k进行排序，即可得到各个方案的最终排序值，从而可以比较待评估配电网的灵活性。

本发明提出了包括分布式电源和负荷非同步波动、馈线间非同步波动、单相供用电、定制电力需求等在内的多个典型场景下，考核包括分布式电源消纳率、负荷消纳率、电压偏差、谐波畸变、馈线均衡度、三相均衡度、节点电压波动率、支路潮流波动率等在内的多个指标，形成典型场景-指标体系评估矩阵，并利用熵权法和证据理论对评估矩阵进行计算，最终得到待评估配电网的综合指标，从而评估配电网的灵活性。相比于传统的配电网评估方法，本发明具有如下收益：

1、本发明提出了基于典型场景的指标评估方法，构成典型场景-指标体系矩阵，相比于现有的由各级指标构成的指标树形式，本发明考虑了配电网在多种场景下的不同运行工况，全面反映配电网的运行灵活性；

2、本发明提出了分布式电源和负荷非同步波动、馈线间非同步波动、单相供用电、定制电力需求等多个典型场景，并给出了典型场景的具体判别方法，相比现有的配电网评估方法，本发明考虑了配电网在典型场景中的指标值，所得出的指标值能够更具有代表性地全面反映配电网的实际运行工况；

3、本发明提出了分布式电源消纳率、负荷消纳率、电压偏差、谐波畸变、馈线均衡度、三相均衡度、节点电压波动率、支路潮流波动率等多个指标，并给出了指标的计算公式，能够全面反映配电网在稳态运行时的灵活性；

4、本发明提出了基于熵权法和证据理论的指标评估的综合算法，利用熵权法挖掘配电网在不同场景下的固有特性，利用证据理论综合各个典型场景下配电网的各项指标，将所述的不同配电网的典型场景-指标体系矩阵进行综合分析，最终得到对应于各张待评估配电网的唯一的灵活性指标值，并依据所述指标值对待评估配电网的灵活性进行排序。

附图说明

图1是本发明的整体流程示意图；

图2是本发明第二步的流程示意图；

图3是本发明第三步的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

参考图1，一种配电网的灵活性评估方法包括以下步骤：

(1)计算各张待评估配电网在各个典型场景下的各项指标值，生成每张待评估配电网的典型场景-指标体系评估矩阵；

本步骤中所述的典型场景包含分布式电源和负荷非同步波动、馈线间非同步波动、单相供用电、定制电力需求等多个典型场景。各个典型场景的具体内容如下：

1)分布式电源和负荷非同步波动

该典型场景具体表现为分布式电源出力达到高峰且负荷达到低谷，或者分布式电源出力达到低谷且负荷达到高峰，从而使得两者的有功功率差值的绝对值达到最大值的时刻。

选择该场景为典型场景的具体原因如下：一方面在电源侧大多数分布式电源处于不可控的状态，一方面在负荷侧同样是无法控制负荷的自然波动。例如在中午光伏出力最大的时候，负荷反而有一定减少；在入夜时光伏出力停止，城市负荷反而开始增大。这种在电源侧和负荷侧存在的自然的不协调，是配电网无法回避的常见问题，也是传统配电网运行的典型场景之一。因此在评估中需要挖掘分布式电源出力达到高峰期且负荷出力达到低谷期、分布式电源出力达到低谷期且负荷达到高峰期的典型场景，计算最大的无法消纳的分布式电源的功率、最大的无法消纳的负荷的功率。

2)馈线负荷非同步波动

该典型场景具体表现为配电网中某一条馈线负荷达到高峰且另一条馈线负荷达到低谷，从而使得两条馈线之间的有功功率差值的绝对值达到最大值的时刻。

选择该场景为典型场景的具体原因如下：配电网的负荷侧接入着各样的居民负荷、商业负荷、工业负荷，包含照明、采暖、工业生产等多样功能。负荷侧处于自然波动状态，基本不具有可控性，这意味着传统配电网直接面临着馈线间负荷的随机波动，造成配电网资源的不均衡性。因此在评估中需要挖掘馈线之间负荷波动差异达到最大值的典型场景。

3)单相供用电

该典型场景具体表现为配电网中某一相负荷达到高峰且另两相负荷达到低谷，从而使得三相之间的有功功率差值的绝对值达到最大值的时刻。

选择该场景为典型场景的具体原因如下：一般来说，传统配电网在规划时接入居民家用负荷和商业负荷多为单相入户，三相之间平均分配，达到三相间负荷均衡的目的。但是随着太阳能发电尤其是建筑光伏的快速发展，城市建筑的大量分布式建筑光伏在5kW以下时只能接入单相电源，当某个居民小区接入的建筑光伏达到一定数量时就会出现三相不平衡；随着电动汽车的发展，容易出现某个集中式充电站在单相电上过度充放电的行为。在用电高峰期容易如果不加以有序控制容易出现三相不均衡的情况，威及配网中三相负荷的安全运行。因此在评估中需要挖掘单相供用电达到最大值时的典型场景。

4)定制电力需求

该典型场景具体表现为配电网中某一节点对于电压、谐波等电能质量需要有相比国家标准和相关行业标准更为严苛要求的场景，具体的电压偏差、谐波含量等参数视具体的配电网情况而定。

选择该场景为典型场景的具体原因如下：随着居民用电和工业用电的高速发展，当下配电网对于电力供应的可靠性和电能质量提出更高的要求。在大功率电力电子设备负荷接入造成的非线性、冲击性和不平衡性的环境中，部分电力节点由于供电负荷的特殊性对于电能质量有着很高的要求，例如精密数控机床、变频调速设备、半导体制造工业等高精度高可靠性的电能负荷。因此在评估中需要挖掘配电网中对电压、谐波等有特殊需求的节点所面临的典型场景。

以上所有典型场景的具体参数视所考察配电网的具体情况而定，其分布式电源出力、负荷波动等原始数据可以由配电网的历史运行数据直接获得或者通过聚类算法或其他数据挖掘算法间接获得。

本步骤中所述的指标包括分布式电源消纳率、负荷消纳率、电压偏差、谐波畸变、馈线均衡度、三相均衡度、节点电压波动率、支路潮流波动率等多个指标；其计算包括从源荷消纳角度计算分布式电源消纳率、负荷消纳率两个指标；从电能优质角度计算电压偏差、谐波畸变两个指标；从协调均衡角度计算馈线均衡度、三相均衡度两个指标；从应对波动角度计算节点电压波动率、支路潮流波动率两个指标。

具体计算计算方法和相关标准如下：

1)分布式电源消纳率的计算方法为：

其中r_DG％表示分布式电源消纳率，P_DG表示能够被电网消纳的分布式电源发出的有功功率，P_S表示分布式电源可以达到的最大有功功率。

2)负荷消纳率的计算方法为：

其中r_LOAD％表示负荷消纳率，P_LOAD表示能够被电网消纳的分布式电源发出的有功功率，P_system表示系统所有负荷总的有功功率。

3)电压偏差的计算方法为：

其中△V表示电压偏差，U_i表示节点i的电压，U_N表示系统额定电压。

国家标准规定节点电压偏差应该控制在±7％之内。

4)谐波畸变计算如下：

其中har％表示谐波畸变，U_jh表示第j个节点的第h次谐波的电压分量，N表示总的节点数，O表示所有的奇次谐波构成的集合，E表示所有的偶次谐波构成的集合；

5)馈线均衡度的计算方法为：

其中Z_B表示馈线均衡度，S_ij表示第i条支路在第j个时间点测得的负荷率，

表示所有支路在第j个时间点测得的负荷率的平均值，N_F表示具体的支路条数，N_T表示时间点总数，视配电网具体情况而定。

6)三相均衡度的计算方法为：

其中ε_L表示三相均衡度，V_A，V_B，V_C分别表示A，B，C三相的电压值；

国家标准规定三相均衡度应达到均值2％以下，短时可达到4％。

7)节点电压波动率的计算方法为：

其中ρ_V表示节点电压波动率，单位为kV/kW，或为其标幺值形式。其中△U_i表示节点i的电压变化量，△P_DG表示分布式电源有功出力的变化量，计算中一般可假设分布式电源发生了0.01P_DG-N功率的变化量，其中P_DG-N表示分布式电源的额定有功功率。

8)支路潮流波动率的计算方法为：

其中ρ_Branch表示支路潮流波动率，单位为A/kW，或为其标幺值形式。其中△I_j表示支路j的电流变化量，△P_DG表示分布式电源有功出力的变化量，计算中一般可假设分布式电源发生了0.01P_DG-N功率的变化量，其中P_DG-N表示分布式电源的额定有功功率。

(2)参考图2，利用熵权法对每张待评估配电网的典型场景-指标体系评估矩阵进行归一化，并计算每个指标的权重，综合后得到每张待评估配电网在每个典型场景下的综合指标；

本步骤包含以下子步骤：

1)对于第k张待评估配电网，共m个场景下的共n个指标g_ij构成的典型场景-指标矩阵R′_k；

其中，g_ij为第i个场景下的第j个指标的矩阵元素，i＝1,2,3,4…m；j＝1,2,3,4…n；

2)对R′_k中的每个矩阵元素g_ij作归一化处理，得到归一化后的每个指标元素r_ij构成的标准化典型场景-指标矩阵R_k：

其中，对于属性值越大越好的指标：

对于属性值越小越好的指标：

max(g_(:,j))和min(g_(:,j))分别表示所有待评估配电网在各个场景下的第j个指标所达到的最大值和最小值；

3)计算各个指标的熵权，其中第j个指标的熵权E_j计算如下：

4)计算每个指标的权重，其中第j个指标的权重w_j计算如下：

5)计算得到第k张待评估配电网在第i个场景中的综合指标值m_i(k)：

(3)参考图3，利用证据理论对每张待评估配电网在所有典型场景下的指标值进行Dempster规则合成，得到每张待评估配电网的唯一指标，基于该指标排序得到所有待评估配电网的灵活性最终评估结果。

本步骤包含以下子步骤：

1)基于步骤(2)中得到的第k张待评估配电网在第i个场景中的综合指标值为m_i(k)，假设共有L张待评估配电网，共有m个场景，对第k张待评估配电网在各个场景下的综合指标值进行Dempster规则合成，得到最终的评估指标P_k，具体计算方式如下；

2)对P₁至P_k进行从小到大排序，按照排名先后顺序得到待评估配电网的灵活性顺序。

下面将上述方法应用于具体实施例中，以便本领域技术人员能够更好地理解本发明的效果。

实施例

发明人使用MATLAB软件编写了本方法，并针对案例数据展示每一步的实施效果。

运行环境：

Intel Core i5-4250U CPU 1.30GHz，4GB内存，Microsoft Windows 10x64

Visual Studio 2013

Matlab 2016a

实施结果：

本实施例基于采用五种不同调控手段的IEEE33节点配电网络。现假设有采用不同的调控手段下构成的五张不同的配电网需要对其进行灵活性的评估，将这五张配电网分别标记为I,II,III,IV,V。所采用的调控手段包括传统的常规开关切换、有载调压器分接头调节、无功电容器组投切、静止无功补偿器等，也包括近几年来以柔性多状态开关(“softnormally open point”，SNOP)为代表的新型调控手段。

利用本发明所述的配电网的灵活性评估方法的实施步骤如下：

第一步：计算各张配电网在所述典型场景中的各项指标，罗列如下：

表1 I号配电网的各项指标值

表2 II号配电网的各项指标值

表3 III号配电网的各项指标值

表4 IV号配电网的各项指标值

表5 V号配电网的各项指标值

第二步，利用熵权法对每张待评估配电网的典型场景-指标矩阵进行综合；

运行本方法所述的熵权法程序，得到在各个典型场景下的各张待评估配电网的综合指标，如下表6所示

表6各张待评估配电网在典型场景下的指标值

第三步，针对上述第k张待评估配电网在第i个场景中所得到的指标值，利用证据理论对所有场景下的指标值进行综合，得到对应于每一张待评估配电网的唯一的指标，并得到配电网的灵活性的最终评估。

运行本发明所述的证据理论程序，得到在各个典型场景下的各张待评估配电网的综合指标，如下表7所示：

表7各张待评估配电网的综合指标及排序

综上所述，结合本实施例的测试结果，本发明提出的一种配电网的灵活性评估方法通过在典型场景下考核配电网的多项指标，利用熵权法和证据理论等算法，能够客观、准确、高效地实现配电网调控方案的灵活性评估，并能对配电网采用何种调控方案进行排序，筛选出能显著提高配电网运行性能的最优方案。

Claims (4)

1.一种配电网的灵活性评估方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)计算各张待评估配电网在各个典型场景下的各项指标值，生成每张待评估配电网的典型场景-指标体系评估矩阵；

所述步骤(1)中的指标包含分布式电源消纳率、负荷消纳率、电压偏差、谐波畸变、馈线均衡度、三相均衡度、节点电压波动率、支路潮流波动率；指标值的计算包括从源荷消纳角度计算分布式电源消纳率、负荷消纳率两个指标；从电能优质角度计算电压偏差、谐波畸变两个指标；从协调均衡角度计算馈线均衡度、三相均衡度两个指标；从应对波动角度计算节点电压波动率、支路潮流波动率两个指标；

所述的分布式电源消纳率r_DG％计算如下：

其中P_DG表示能够被电网消纳的分布式电源发出的有功功率，P_S表示分布式电源可以达到的最大有功功率；

所述的负荷消纳率r_LOAD％计算如下：

其中P_LOAD表示能够被电网消纳的分布式电源发出的有功功率，P_system表示系统所有负荷总的有功功率；

所述的电压偏差ΔV计算如下：

其中U_i表示第j个节点的电压，U_N表示系统额定电压；

所述的谐波畸变har％计算如下：

其中U_jh表示第j个节点的第h次谐波的电压分量，N表示总的节点数，O表示所有的奇次谐波构成的集合，E表示所有的偶次谐波构成的集合；

所述的馈线均衡度Z_B计算如下：

其中S_it表示第i条支路在第t个时间点测得的负荷率，

表示所有支路在第t个时间点测得的负荷率的平均值，N_F表示具体的支路条数，N_T表示时间点总数；

所述的三相均衡度ε_L计算如下：

其中V_A，V_B，V_C分别表示A，B，C三相的电压值；

所述的节点电压波动率ρ_V计算如下：

ρ_V单位为kV/kW或为其标幺值形式，其中ΔU_j表示节点j的电压变化量，ΔP_DG表示分布式电源有功出力的变化量；

所述的支路潮流波动率ρ_Branch计算如下：

ρ_Branch单位为A/kW或为其标幺值形式，其中ΔI_i表示支路i的电流变化量，ΔP_DG表示分布式电源有功出力的变化量；

(2)利用熵权法对每张待评估配电网的典型场景-指标体系评估矩阵进行归一化，并计算每个指标的权重，综合后得到每张待评估配电网在每个典型场景下的综合指标；

(3)利用证据理论对每张待评估配电网在所有典型场景下的指标值进行Dempster规则合成，得到每张待评估配电网的唯一指标，基于该指标排序得到所有待评估配电网的灵活性最终评估结果。

2.根据权利要求1所述的一种配电网的灵活性评估方法，其特征在于所述步骤(1)中的典型场景包含分布式电源和负荷非同步波动、馈线间非同步波动、单相供用电、定制电力需求；典型场景的数据由配电网的历史运行数据直接获得或者通过聚类算法间接获得。

3.根据权利要求1所述的一种配电网的灵活性评估方法，其特征在于所述的步骤(2)包含以下子步骤：

(2-1)对于第k张待评估配电网，将需要评估的场景个数记为m，将需要评估的指标个数记为n，共m个场景下的共n个指标g_xy构成的典型场景-指标矩阵R′_k；

其中g_xy为第x个场景下的第y个指标的矩阵元素，x＝1，2，3，4...m；y＝1，2，3，4...n；

(2-2)对R′_k中的每个矩阵元素g_xy作归一化处理，得到归一化后的每个指标元素r_xy构成的标准化典型场景-指标矩阵R_k：

其中，对于属性值越大越好的指标，参数r′_xy的计算公式为：

对于属性值越小越好的指标，参数r′_xy的计算公式为：

max(g_(：，y))和min(g_(：，y))分别表示所有待评估配电网在各个场景下的第y个指标所达到的最大值和最小值；

(2-3)计算各个指标的熵权，其中第y个指标的熵权E_y计算如下：

(2-4)计算每个指标的权重，其中第y个指标的权重w_y计算如下：

(2-5)计算得到第k张待评估配电网在第x个场景中的综合指标值m_x(k)：

4.根据权利要求1所述的一种配电网的灵活性评估方法，其特征在于所述的步骤(3)中的证据理论具体实施步骤如下：

(3-1)基于步骤(2)中得到的第k张待评估配电网在第x个场景中的综合指标值为m_x(k)，假设共有L张待评估配电网，共有m个场景，对第k张待评估配电网在各个场景下的综合指标值进行Dempster规则合成，得到最终的评估指标P_k，具体计算方式如下；

(3-2)对P₁至P_k进行排序，即可得到各个方案的最终排序值，从而可以比较待评估配电网的灵活性。

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