CN111463774B - 一种基于ahp法的城市配电网自愈能力评估方法 - Google Patents

一种基于ahp法的城市配电网自愈能力评估方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及城市配电网风险分析和控制技术领域，特别是涉及一种基于AHP法的城市配电网自愈能力评估方法，包括自愈速度类、供电自愈类、负荷重要度类和经济类4个指标；对上述的4类指标分别赋予相应的初始权重，然后基于AHP法，形成带初始权重的城市配电网自愈能力评价指标集，并根据所构建的AHP法，形成判断矩阵，然后依次计算各元素对目标层的合成权重与初始权重之间的关系，形成层次总排序，并进行一致性检验；根据所构建的城市配电网自愈能力评价指标集，对不同配电网投资方案进行综合评估，得到综合提升配电网自愈能力和效果的得分最高的投资方案，根据该投资方案指导配电自动化的建设和改造。本发明解决了短时停电及其经济损失估算问题。

Description

一种基于AHP法的城市配电网自愈能力评估方法
技术领域
本发明涉及城市配电网风险分析和控制技术领域，特别是涉及一种基于AHP法的城市配电网自愈能力评估方法。
背景技术
随着配电自动化系统的建设，目前城市配电网已基本实现了配电信息数据的采集和配电自动化系统的建设，具备了出现故障后自愈的能力。所谓自愈，是指电网的自愈(Self Healing)是指其在无需或仅需少量的人为干预的情况下，利用先进的监控手段对电网的运行状态进行连续的在线诊断与评估，及时发现并快速调整，消除故障隐患；在故障发生时，能够快速隔离故障、自我恢复，不影响用户的正常供电或将故障影响降至最小。但当前缺乏对城市配电网自愈能力的评估，尚未有相关技术形成一整套指标体系，对配电网的自愈能力进行综合评估，以综合考虑经济性、负荷重要度、供电质量等指标，综合提高配电网的供电保障能力。
配电网的作用是向用户分配电能，一般采用辐射型供电方式。它直接面向用户，其中的任何故障、电能质量扰动都会影响对用户的正常供电。因此，配电网自愈功能首先是减少故障停电时间与停电次数，特别是避免目前配电网大量存在短时停电问题，提高供电可靠性；其次是优化电能质量，尤其是要解决电压骤降问题；最后是有效抵御外部攻击，提高配电网防灾防破坏能力。
虽然配电网故障一般不会给电力系统稳定带来实质性影响，其主要的危害是造成停屯和供电质量扰动，配电网自愈的目标是避免故障引起的停电与电能质量扰动或减少其影响范围与程度，进而避免或减轻用户的经济损失。配电网自愈技术主要有中性点非有效接地系统取相接地故障电流自动跟踪补偿、故障限流、短路故障继电保护、馈线自动化、电能质量控制、计划孤岛供电等。对于这些技术的应用涉及到对配电网的改造和投资，如何兼顾经济性与供电可靠性，同时保证重要负荷的供电安全，是需要综合各项指标进行量化计算的。同时，通过制定技术指标体系，科学地评价配电网的自愈能力，也是配电网自愈研究的重要内容。目前，国内外还缺乏智能电网自愈能力的评估体系。
发明内容
本发明提供一种基于AHP法的城市配电网自愈能力评估方法，该方法基于配电网自愈能力各个影响因素的内在联系，基于AHP法，巧妙构建了配电网自愈能力指标评估体系，解决了短时停电及其经济损失估算问题。
本发明的技术方案为：
一种基于AHP法的城市配电网自愈能力评估方法，包括自愈速度类指标、供电自愈类指标、负荷重要度类指标和经济类指标；
自愈速度类指标包括4种：即一级、二级、三级、四级自愈速度；
供电自愈类指标包括2种：供电故障自愈率，用户平均自愈次数；
负荷重要度类指标包括2种：节点负荷重要度和线路负荷重要度，其中节点和线路均是将配电网抽象为具有节点和线路的图；
经济类指标为配电网投资经济效益，包括2种：提高配电网自愈能力所进行的投入和停电所造成的损失；
对上述的4类指标分别赋予相应的初始权重，初始权重的值由计算机随机生成，每一类指标的初始权重值的和应为1，各类指标中的每项初始权重值的和也为1，然后基于AHP法，形成带初始权重的城市配电网自愈能力评价指标集，并根据所构建的AHP法，形成判断矩阵，然后依次计算各元素对目标层的合成权重与初始权重之间的关系，形成层次总排序，并进行一致性检验；
根据所构建的城市配电网自愈能力评价指标集，对不同配电网投资方案进行综合评估，得到综合提升配电网自愈能力和效果的得分最高的投资方案，根据该投资方案指导配电自动化的建设和改造。
进一步，一级自愈速度称为毫秒级自愈，指时间在一周波，即50Hz电网20ms以内的自愈恢复，其作用是让用户没有“感觉”，因此也可称为“无缝自愈”。
进一步，二级自愈速度称为周波级自愈，指时间在一周波以上，即20-60ms以内的自愈恢复，对普通负荷和一般敏感负荷基本无影响。
进一步，三级自愈速度称为秒级自愈，指时间在1-3s内的自愈恢复，对敏感负荷有一定影响，但对普通负荷无影响。
进一步，四级自愈速度称为分钟级自愈，指时间在1-3min内的自愈恢复，虽用户都“感觉”到停电，但短时间得到恢复，会影响敏感负荷的正常运行，但对普通负荷基本无影响。
对于停电时间超过3min的，则为不自愈，在供电可靠性指标里统计为停电。这样，自愈速度类指标就描述了智能配电网对3min之内短时停电与电压骤降的自愈恢复功能。当然，自愈速度的选择是一个技术经济问题，自愈速度越快，就意味着电网装备投入越大，因此针对具体的配电网，要从满足用户负荷要求出发，选择适中的自愈速度。
进一步，供电故障自愈率指在统计期(如一年)内故障自愈恢复的总用户数与受故障影响的总用户数的百分比值，即：
供电故障自愈率＝[∑(每次故障自愈的用户数)/∑(每次故障影响的用户数)]×100％
式中：每次故障影响的用户数指故障影响范围内线路连接的用户数；而每次故障自愈的用户数指由于配电网自愈操作供电没受故障影响或经历短暂停电后恢复供电的用户数，它是故障影响范围内连接的用户数与实际遭受停电用户数之差。故障是通过变电站保护与故障录波装置记录到的故障次数来统计，受影响的用户数是根据故障时网络运行结构与受影响线路连接的用户数来统计；而实际停电户数可通过配电终端和智能电表记录来统计。
进一步，用户平均自愈次数是每个用户在统计期(如一年)内遭受故障的平均自愈成功的次数，即：
用户平均自愈次数＝∑(每次故障自愈的户数)/总用户数(次/户·年)。
供电自愈类指标与供电可靠性指标密切相关。供电自愈类指标描述了配电网在减少故障停电方面的自愈能力，自愈能力强的配电网其供电可靠性则高。
进一步，由于配电网中每个节点不只是位置不同，而且所代表的负荷容量不同，因此将负荷量纳入到节点重要度的评估指标中，首先将节点负荷作归一化处理：
Figure BDA0002407292660000031
其中
Figure BDA0002407292660000041
为节点k的流入功率，Sbase为配电网系统的基准容量；
则网络任意节点k的负荷重要度表示为：
Figure BDA0002407292660000042
其中w和w'为网络中任意的两个互不相同的节点，则kww'为节点w和w'之间最短路径所经过的任意节点k的0-1变量，经过节点k，kww'＝0，不经过节点k，kww'＝1；
对于网络G，以下表达式成立：
Figure BDA0002407292660000043
其中cww'(k)为节点w与w'之间最短路径经过节点k的次数，表示节点w与w'之间最短路径通过节点k的重要程度；
则：
Figure BDA0002407292660000044
其中：0<Cq(k)<1，CB(k)表示为节点介数，为网络中所有最短路径中经过该节点路径的数目。
构建涵盖重要负荷的配电网自愈能力评估指标，本质上就是在重要负荷节点已知的基础上搜索配电线路集及上级负荷节点集的过程。
进一步，线路重要度评估的传统方法是基于线路介数，这种方法的片面性较为明显：不同线路额定容量是有所差别的，因此在构建线路重要度时，要计及线路最大传输容量的影响，首先将线路负荷作归一化处理：
Figure BDA0002407292660000051
其中
Figure BDA0002407292660000052
为经过节点k的线路l额定容量，Sbase为配电网系统的基准容量；
线路负荷与节点负荷度量相同，均为系统中实际负荷，且所取配电网系统基准值相同，均为系统额定容量；
则所构建的线路负荷重要度Clq(k)表示为：
Figure BDA0002407292660000053
其中lww'(k)表示节点w与w'之间最短路径通过线路l经过节点k的次数，lww'表示节点w与w'之间最短路径通过线路l的次数，Nk表示节点k与其他节点的连接次数；
由上式可知，0<Clq(k)<1，且Clq(k)越大，则该线路在整个网络中的枢纽性地位越强。
进一步，提高配电网自愈能力所进行的投入是指实现配电网自愈功能所进行的配电网二次系统建设投资，包括配电自动化系统建设、信息采集和数据处理系统建设、提升配电网自愈能力所进行的追加投资、配电网智能开关建设的投入等，这些都是根据特定重要负荷的需求，为了进一步改善配电网自愈效率而进行了配电网提升再投资；
停电所造成的损失包括经济性损失和由于重要负荷受到停电影响而造成的社会损失。
本发明涉及的层次分析法(Analytic Hierarchy Process-AHP)是一类很实用的多目标决策方法，其核心思想是通过建立清晰的层次结构来分解复杂问题，它能够有效处理各项评估指标之间的内在联系及相互独立性，从而量化并综合各个指标，灵活性、整体性和综合性较强。
由于配电网自愈能力与上述4类指标有关联，同时上述4类指标还存在着内部之间的关联性，因此可用层次分析法构建一整套城市配电网自愈能力评估体系，实现对城市配电网自愈能力的分析和量化评价。
本发明的有益效果为：
本发明的方法基于AHP法，通过对综合配电网建设投资成本、配电网自愈速度、自愈率、重要负荷自愈程度等进行综合分析，构建城市配电网自愈能力综合评价指标体系，形成对城市配电网自愈能力的综合评估，以指导城市配电网风险分析和规划建设，促进城市配电网技术管理水平稳步提升。
附图说明
图1是本发明的流程示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1：
目前国内对短时停电及其经济损失缺乏系统研究，国外也未见有对短时停电损失的估算方法的研究，对配电网自愈能力进行评估，即是对短时停电损失进行量化研究。本发明基于配电网自愈能力各个影响因素的内在联系，基于AHP法，巧妙构建了配电网自愈能力指标评估体系，解决了短时停电及其经济损失估算问题。
如图1所示，一种基于AHP法的城市配电网自愈能力评估方法，包括自愈速度类指标、供电自愈类指标、负荷重要度类指标和经济类指标，从上述4类指标选择合适的评价指标，开展城市配电网自愈能力评价指标集的构建，其中：
自愈速度类指标包括4种：即一级、二级、三级、四级自愈速度；
供电自愈类指标包括2种：供电故障自愈率，用户平均自愈次数；
负荷重要度类指标包括2种：节点负荷重要度和线路负荷重要度，其中节点和线路均是将配电网抽象为具有节点和线路的图；
经济类指标为配电网投资经济效益，包括2种：提高配电网自愈能力所进行的投入和停电所造成的损失；
对上述的4类指标分别赋予相应的初始权重，初始权重的值由计算机随机生成，每一类指标的初始权重值的和应为1，各类指标中的每项初始权重值的和也为1，然后基于AHP法，形成带初始权重的城市配电网自愈能力评价指标集，并根据所构建的AHP法，形成判断矩阵，然后依次计算各元素对目标层的合成权重与初始权重之间的关系，形成层次总排序，并进行一致性检验；
根据所构建的城市配电网自愈能力评价指标集，对不同配电网投资方案进行综合评估，得到综合提升配电网自愈能力和效果的得分最高的投资方案，根据该投资方案指导配电自动化的建设和改造。
在本实施例中，配电网自愈速度的快慢直接关系到对用户的影响程度，其中：
一级自愈速度称为毫秒级自愈，指时间在一周波，即50Hz电网20ms以内的自愈恢复，其作用是让用户没有“感觉”，因此也可称为“无缝自愈”；
二级自愈速度称为周波级自愈，指时间在一周波以上，即20-60ms以内的自愈恢复，对普通负荷和一般敏感负荷基本无影响；
三级自愈速度称为秒级自愈，指时间在1-3s内的自愈恢复，对敏感负荷有一定影响，但对普通负荷无影响；
四级自愈速度称为分钟级自愈，指时间在1-3min内的自愈恢复，虽用户都“感觉”到停电，但短时间得到恢复，会影响敏感负荷的正常运行，但对普通负荷基本无影响。
对于停电时间超过3min的，则为不自愈，在供电可靠性指标里统计为停电。这样，自愈速度类指标就描述了智能配电网对3min之内短时停电与电压骤降的自愈恢复功能。当然，自愈速度的选择是一个技术经济问题，自愈速度越快，就意味着电网装备投入越大，因此针对具体的配电网，要从满足用户负荷要求出发，选择适中的自愈速度。
在本实施例中，供电自愈类指标用于描述一个区域直至一个城市的配电网对故障的自愈恢复能力，其中：
供电故障自愈率指在统计期(如一年)内故障自愈恢复的总用户数与受故障影响的总用户数的百分比值，即：
供电故障自愈率＝[∑(每次故障自愈的用户数)/∑(每次故障影响的用户数)]×100％
式中：每次故障影响的用户数指故障影响范围内线路连接的用户数；而每次故障自愈的用户数指由于配电网自愈操作供电没受故障影响或经历短暂停电后恢复供电的用户数，它是故障影响范围内连接的用户数与实际遭受停电用户数之差。故障是通过变电站保护与故障录波装置记录到的故障次数来统计，受影响的用户数是根据故障时网络运行结构与受影响线路连接的用户数来统计；而实际停电户数可通过配电终端和智能电表记录来统计；
用户平均自愈次数是每个用户在统计期(如一年)内遭受故障的平均自愈成功的次数，即：
用户平均自愈次数＝∑(每次故障自愈的户数)/总用户数(次/户·年)
供电自愈类指标与供电可靠性指标密切相关，供电自愈类指标描述了配电网在减少故障停电方面的自愈能力，自愈能力强的配电网其供电可靠性则高。
在本实施例中，由于配电网中每个节点不只是位置不同，而且所代表的负荷容量不同，因此将负荷量纳入到节点重要度的评估指标中，首先将节点负荷作归一化处理：
Figure BDA0002407292660000081
其中
Figure BDA0002407292660000082
为节点k的流入功率，Sbase为配电网系统的基准容量；
则网络任意节点k的负荷重要度表示为：
Figure BDA0002407292660000083
其中w和w'为网络中任意的两个互不相同的节点，则kww'为节点w和w'之间最短路径所经过的任意节点k的0-1变量，经过节点k，kww'＝0，不经过节点k，kww'＝1；
对于网络G，以下表达式成立：
Figure BDA0002407292660000091
其中cww'(k)为节点w与w'之间最短路径经过节点k的次数，表示节点w与w'之间最短路径通过节点k的重要程度；
则：
Figure BDA0002407292660000092
其中：0<Cq(k)<1，CB(k)表示为节点介数，为网络中所有最短路径中经过该节点路径的数目。
构建涵盖重要负荷的配电网自愈能力评估指标，本质上就是在重要负荷节点已知的基础上搜索配电线路集及上级负荷节点集的过程。
在本实施例中，线路重要度评估的传统方法是基于线路介数，这种方法的片面性较为明显：不同线路额定容量是有所差别的，因此在构建线路重要度时，要计及线路最大传输容量的影响，首先将线路负荷作归一化处理：
Figure BDA0002407292660000093
其中
Figure BDA0002407292660000094
为经过节点k的线路l额定容量，Sbase为配电网系统的基准容量；
线路负荷与节点负荷度量相同，均为系统中实际负荷，且所取配电网系统基准值相同，均为系统额定容量；
则所构建的线路负荷重要度Clq(k)表示为：
Figure BDA0002407292660000095
其中lww'(k)表示节点w与w'之间最短路径通过线路l经过节点k的次数，lww'表示节点w与w'之间最短路径通过线路l的次数，Nk表示节点k与其他节点的连接次数；
由上式可知，0<Clq(k)<1，且Clq(k)越大，则该线路在整个网络中的枢纽性地位越强。
在本实施例中，提高配电网自愈能力所进行的投入是指实现配电网自愈功能所进行的配电网二次系统建设投资，包括配电自动化系统建设、信息采集和数据处理系统建设、提升配电网自愈能力所进行的追加投资、配电网智能开关建设的投入等，这些都是根据特定重要负荷的需求，为了进一步改善配电网自愈效率而进行了配电网提升再投资；
停电所造成的损失包括经济性损失和由于重要负荷受到停电影响而造成的社会损失。
本发明涉及的层次分析法(Analytic Hierarchy Process-AHP)是一类很实用的多目标决策方法，其核心思想是通过建立清晰的层次结构来分解复杂问题，它能够有效处理各项评估指标之间的内在联系及相互独立性，从而量化并综合各个指标，灵活性、整体性和综合性较强。
由于配电网自愈能力与上述4类指标有关联，同时上述4类指标还存在着内部之间的关联性，因此可用层次分析法构建一整套城市配电网自愈能力评估体系，实现对城市配电网自愈能力的分析和量化评价。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于AHP法的城市配电网自愈能力评估方法，其特征在于，包括自愈速度类指标、供电自愈类指标、负荷重要度类指标和经济类指标；
自愈速度类指标包括4种：即一级、二级、三级、四级自愈速度；
供电自愈类指标包括2种：供电故障自愈率，用户平均自愈次数；
负荷重要度类指标包括2种：节点负荷重要度和线路负荷重要度，其中节点和线路均是将配电网抽象为具有节点和线路的图；
经济类指标为配电网投资经济效益，包括2种：提高配电网自愈能力所进行的投入和停电所造成的损失；
对上述的4类指标分别赋予相应的初始权重，初始权重的值由计算机随机生成，每一类指标的初始权重值的和应为1，各类指标中的每项初始权重值的和也为1，然后基于AHP法，形成带初始权重的城市配电网自愈能力评价指标集，并根据所构建的AHP法，形成判断矩阵，然后依次计算各元素对目标层的合成权重与初始权重之间的关系，形成层次总排序，并进行一致性检验；
根据所构建的城市配电网自愈能力评价指标集，对不同配电网投资方案进行综合评估，得到综合提升配电网自愈能力和效果的得分最高的投资方案，根据该投资方案指导配电自动化的建设和改造；
其中由于配电网中每个节点不只是位置不同，而且所代表的负荷容量不同，因此将负荷量纳入到节点重要度的评估指标中，首先将节点负荷作归一化处理：
Figure FDA0003051717950000011
其中
Figure FDA0003051717950000012
为节点k的流入功率，Sbase为配电网系统的基准容量；
则网络任意节点k的负荷重要度表示为：
Figure FDA0003051717950000013
其中w和w'为网络中任意的两个互不相同的节点，则kww'为节点w和w'之间最短路径所经过的任意节点k的0-1变量，经过节点k，kww'＝0，不经过节点k，kww'＝1；
对于网络G，以下表达式成立：
Figure FDA0003051717950000021
其中cww'(k)为节点w与w'之间最短路径经过节点k的次数，表示节点w与w'之间最短路径通过节点k的重要程度；
则：
Figure FDA0003051717950000022
其中：0＜Cq(k)＜1，CB(k)表示为节点介数，为网络中所有最短路径中经过该节点路径的数目。
2.根据权利要求1所述的一种基于AHP法的城市配电网自愈能力评估方法，其特征在于，一级自愈速度称为毫秒级自愈，指时间在20ms以内的自愈恢复。
3.根据权利要求1所述的一种基于AHP法的城市配电网自愈能力评估方法，其特征在于，二级自愈速度称为周波级自愈，指时间在20-60ms以内的自愈恢复。
4.根据权利要求1所述的一种基于AHP法的城市配电网自愈能力评估方法，其特征在于，三级自愈速度称为秒级自愈，指时间在1-3s内的自愈恢复。
5.根据权利要求1所述的一种基于AHP法的城市配电网自愈能力评估方法，其特征在于，四级自愈速度称为分钟级自愈，指时间在1-3min内的自愈恢复。
6.根据权利要求1所述的一种基于AHP法的城市配电网自愈能力评估方法，其特征在于，供电故障自愈率指在统计期内故障自愈恢复的总用户数与受故障影响的总用户数的百分比值，即：
供电故障自愈率＝[∑(每次故障自愈的用户数)/∑(每次故障影响的用户数)]×100％
式中：每次故障影响的用户数指故障影响范围内线路连接的用户数；而每次故障自愈的户数指由于配电网自愈操作供电没受故障影响或经历短暂停电后恢复供电的户数，它是故障影响范围内连接的用户数与实际遭受停电户数之差。
7.根据权利要求6所述的一种基于AHP法的城市配电网自愈能力评估方法，其特征在于，用户平均自愈次数是每个用户在统计期内遭受故障的平均自愈成功的次数，即：
用户平均自愈次数＝∑(每次故障自愈的户数)/总用户数。
8.根据权利要求1所述的一种基于AHP法的城市配电网自愈能力评估方法，其特征在于，在构建线路重要度时，要计及线路最大传输容量的影响，首先将线路负荷作归一化处理：
Figure FDA0003051717950000031
其中
Figure FDA0003051717950000032
为经过节点k的线路l额定容量，Sbase为配电网系统的基准容量；则所构建的线路负荷重要度Clq(k)表示为：
Figure FDA0003051717950000033
其中lww'(k)表示节点w与w'之间最短路径通过线路l经过节点k的次数，lww'表示节点w与w'之间最短路径通过线路l的次数，Nk表示节点k与其他节点的连接次数；
由上式知，0＜Clq(k)＜1，且Clq(k)越大，则该线路在整个网络中的枢纽性地位越强。
9.根据权利要求1所述的一种基于AHP法的城市配电网自愈能力评估方法，其特征在于，提高配电网自愈能力所进行的投入是指实现配电网自愈功能所进行的配电网二次系统建设投资，包括配电自动化系统建设、信息采集和数据处理系统建设、提升配电网自愈能力所进行的追加投资、配电网智能开关建设的投入；
停电所造成的损失包括经济性损失和由于重要负荷受到停电影响而造成的社会损失。
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