CN113690920B - 一种用于评估配电网的交直流混合接线模式适用性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力系统配电网规划领域，特别是一种用于评估配电网的交直流混合接线模式适用性的方法，本发明从应用目的、应用效果和应用代价三个维度分析，采用定量衡量及比较的方式，将相关指标量化，评估交直流混合接线模式的适用性，清晰、明了，可比性强、适用面广。

Description

一种用于评估配电网的交直流混合接线模式适用性的方法

技术领域

本发明涉及电力系统配电网规划领域，特别是一种用于评估配电网的交直流混合接线模式适用性的方法。

背景技术

近些年来，在交流配电网的基础上建设交直流混合配电网成为了配电网的发展趋势，然而，开展交直流混合主动配电网相关技术的研究，只有几年的历史，试验性应用案例也非常有限，更谈不上长期的、广泛的运行检验。因此，构建合理、适用的交直流混合接线模式，以替代“典型接线模式”是配电网发展亟需解决的问题之一，而建立一种用于交直流混合主动配电网的交直流混合接线模式的评估方法则成为亟待解决的问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种用于评估配电网的交直流混合接线模式适用性的方法，从应用目的(application purpose，AP)、应用效果(applicationeffect，AE)和应用代价(application cost，AC)三个维度分析，采用定量衡量及比较的方式，评估交直流混合接线模式的适用性，简称PEC评估法。

实现本发明目的的技术方案，其特征在于包含以下步骤：

1.1.设应用目的的量化值的标幺值为V_P，且认为在整个应用周期内该量化值为常数1.0，得到V_P＝1.0，赋予应用目的一个方向，用单位长度矢量表示应用目的矢量，设应用代价的量化值的标幺值为V_C，并用/>表示应用代价矢量，设应用效果的量化值的标幺值为V_E，用/>表示应用效果矢量，构建指标矢量三角形；

1.2.用公式表示各矢量与指标矢量三角形角度的关系

其中为应用目的矢量，/>为应用代价矢量，/>为应用效果矢量；α为/>矢量超前单位矢量/>的角度，β为/>矢量滞后单位矢量/>的角度，应用余弦定律得到

1.3.用V_E(t)表示累计应用效果，用V_C(t)表示累计应用代价，当累计应用效果与累计应用代价的量化值均为线性函数时，得到

其中，V_C(t)和V_E(t)的单位为人民币或美元，V_C0为初始应用代价，k_C、k_E为应用代价量化值函数和应用效果量化值函数的斜率，t为时间；

1.4.在步骤1.3的公式的函数图像中，在不考虑计算误差的前提下，用两条直线分别表示V_E(t)和V_C(t)，只有当k_E>k_C时该两条直线才具有交点，该交点即为代价-效果计算平衡点t_CBP；

1.5.在步骤1.3的公式的函数图像中，在考虑V_E(t)计算值存在最大正误差以及V_C(t)计算值存在最大负误差的前提下，分别用两条虚线表示V_E(t)及V_C(t)，其交点即为代价-效果大概率平衡点t_PBP；

1.6.将代价-效果计算平衡点、代价-效果大概率平衡点分别与被评估的交直流混合接线模式的使用年限进行比较，当被评估的交直流混合接线模式的使用年限大于代价-效果计算平衡点的时间，则该模式具有计算适用性，当被评估的交直流混合接线模式的使用年限大于代价-效果大概率平衡点的时间，则该模式具有大概率适用性。

而且步骤1.6中具有计算适用性表示在不考虑计算误差的前提下，被评估的交直流混合接线模式具有适用性。

而且步骤1.6中具有大概率适用性表示在考虑计算误差的前提下，被评估的交直流混合接线模式具有适用性。

本发明的优点在于：1.交直流混合接线模式的应用目的为一种描述性指标，通常分为目的明确、目的不明确两档，表征相应选择的适用或不适用，本发明从应用目的、应用效果和应用代价三个维度分析，采用定量衡量及比较的方式，将相关指标量化，评估交直流混合接线模式的适用性，清晰、明了，可比性强。2.适用面广，无论是否考虑计算误差，均可以得出确切的结论。3.当，V_C(t)和V_E(t)不是线性函数的情况下，本方法仍可适用。

附图说明

图1是是本发明实施例提供的PEC评估法指标矢量三角形示意图；

图2是累计应用代价量化值和累计应用效果量化值均为线性函数的函数曲线图；

图3是本发明实施例提供的一种用直流环网实现多路交流配电线路互联的交直流混合接线模式的单线图；

具体实施方式

参见图1～3，以下将结合实施例对本发明做进一步说明。

本发明涉及电力系统配电网规划领域，特别是一种用于评估配电网的交直流混合接线模式适用性的方法，其特征在于包含以下步骤：

1.1.设应用目的的量化值的标幺值为V_P，且认为在整个应用周期内该量化值为常数1.0，得到V_P＝1.0，赋予应用目的一个方向，用单位长度矢量表示应用目的矢量，设应用代价的量化值的标幺值为V_C，并用/>表示应用代价矢量，设应用效果的量化值的标幺值为V_E，用/>表示应用效果矢量，构建指标矢量三角形；

1.2.用公式表示各矢量与指标矢量三角形角度的关系

其中为应用目的矢量，/>为应用代价矢量，/>为应用效果矢量；α为/>矢量超前单位矢量/>的角度，β为/>矢量滞后单位矢量/>的角度，应用余弦定律得到

1.3.用V_E(t)表示累计应用效果，用V_C(t)表示累计应用代价，当累计应用效果与累计应用代价的量化值均为线性函数时，得到

其中，V_C(t)和V_E(t)的单位为人民币或美元，V_C0为初始应用代价，k_C、k_E为应用代价量化值函数和应用效果量化值函数的斜率，t为时间；

1.4.在步骤1.3的公式的函数图像中，在不考虑计算误差的前提下，用两条直线分别表示V_E(t)和V_C(t)，只有当k_E>k_C时该两条直线才具有交点，该交点即为代价-效果计算平衡点t_CBP；

1.5.在步骤1.3的公式的函数图像中，在考虑V_E(t)计算值存在最大正误差以及V_C(t)计算值存在最大负误差的前提下，分别用两条虚线表示V_E(t)及V_C(t)，其交点即为代价-效果大概率平衡点t_PBP；

1.6.将代价-效果计算平衡点、代价-效果大概率平衡点分别与被评估的交直流混合接线模式的使用年限进行比较，当被评估的交直流混合接线模式的使用年限大于代价-效果计算平衡点的时间，则该模式具有计算适用性，当被评估的交直流混合接线模式的使用年限大于代价-效果大概率平衡点的时间，则该模式具有大概率适用性。

进一步的技术方案可以是步骤1.6中具有计算适用性表示在不考虑计算误差的前提下，被评估的交直流混合接线模式具有适用性。

进一步的技术方案也可以是步骤1.6中具有大概率适用性表示在考虑计算误差的前提下，被评估的交直流混合接线模式具有适用性。

步骤1.3中V_C0为初始应用代价，即初始投资。

实施例

图1中，当V_E＝V_C时，应用效果矢量也为单位矢量,于是/>三个单位矢量构成等边三角形，α＝60°，应用效果量化值等于应用代价量化值，此时收益刚好等于投资；

当α＝0°时，表示被评估的交直流混合接线模式刚投入，尚未产生任何应用效果，对应于应用目的完全由应用代价表征，即此时cosα＝1.0；

随着投入运营后应用效果的增加，表示“应用目的”由“应用代价矢量”/>和“应用效果矢量”/>的矢量和来表征，对应的cosα值用式求取；

当时，累计收益量化值刚好等于累计投资量化值，此时，cosα＝0.5，该点为代价-效果计算平衡点；

当时，也就是累计应用效果量化值为累计应用代价量化值的/>时，对应于α＝90°，cosα＝0，该点为代价-效果大概率平衡点；

图3是一种用直流环网实现多路交流配电线路互联的交直流混合接线模式的单线图。其中，6条交流配电线路通过交流断路器CB1至CB6、换流变压器T1至T6、换流器CONV-1至CONV-6以及限流电抗器L1至L6连接到三段直流母线构成的直流环网上。三段直流母线BUS-DC1、BUS-DC2和BUS-DC3由三个直流断路器CB-DC1至CB-DC3顺序连接成直流环网。其中红色虚线框I中为限流电抗器，其主要作用是限制直流短路电流，为应用目的和功能明确的“功能部件”(functional component)；红色虚线框II中为直流环网接线，由三段母线和三组直流断路器组成，其主要作用是连接汇聚、提供分段运行手段以及切除直流短路故障，是应用目的和功能明确的由多个“功能部件”按照一定电路拓扑关系连接在一起的“功能子系统”(functional subsystem)；而红色虚线框III中为由交流断路器、限流电抗器、直流母线段三种“功能部件”和换流变压器、双向AC/DC换流器两种装置(子系统)构成的“集成系统”(integrated system)；并且，可以把图3的整个交直流混合接线模式看作一个“上层集成系统”(upper layer integrated system)。在上述基础上，本实施例采用PEC评估法分别对功能部件、功能系统、集成系统和上层集成系统进行适用性评估。

本实施例对限流电抗器的适用性评估，考虑到限流器L1至L6作用相同，因此以L1为代表进行评估。

首先，分析L1的“应用代价”量化值函数V_C-L1(t)的计算问题，将其分为5个分量计算，具体如下：

(a)设限流电抗器L1订购费用现值为V_C1-L1-0，包括设备购买费用、采购过程相关费用、分摊的财务费用以及税费等合计费用。

(b)设安装位置面积分摊及安装基础费用现值为V_C2-L1-0，在此仅考虑一次性征地费用和土建综合费用。

(c)设包装运输和现场安装调试合计费用现值为V_C3-L1-0。

(d)设平均年运行维护费用现值为：

平均年运行维护费用现值包括分摊的常规巡视人工费用；按计划停电检查、清扫的人工费用；分摊的运维车辆费用等。其中，V_C4-L1-0为投入运行时的行业内同类型“功能部件”的年运行维护费用、α₄为运行维护费用的年均增长率、δ为利息率、t_y为投入运行的年数(从投运第一天开始至一年整为第一年，依年类推)。

(e)因为L1串联在电路中并存在着阻值随着温度变化而变化的电阻，所以需要考虑在长期运行过程中的电能损耗费用。设L1在t时刻的电阻值为：

R_L1(t)＝R_0-L1{1+σ_L1[T_L1(t)-25°])}

式中，R_0-L1为L1在摄氏25°时的电阻值，σ_L1为L1电阻的温度系数，T_L1(t)为L1运行时的导体温度；进一步，设t时刻的电价为γ(t)；则在[t₀ t₁]时间段运行时，L1消耗的电能费用为：

式中，电流单位为安倍(A)，电阻单位为欧姆(Ω)。如果将一天24小时分成N时段，并认为在第k个时段里流过L1的电流为i_L1(k)、L1的电阻值为R_L1(k)以及电价为γ(k)(元/kWh)均不变，则得到电抗器L1在j天的电能损耗费用计算式：

进一步则可得到L1在i月的电能损耗费用计算式：

最后，设利息率为δ可得到L1在t_y年的电能损耗费用现值计算式：

通过上述分析，可以得到以年为时间单位的限流电抗器L1的“应用代价”量化值函数如下：

本实施例进一步分析L1的“应用代价”量化值函数V_E-L1(t)的求取问题。L1的“应用目的”在于：在直流环网上发生单极对地短路、正负极间短路或正负极对地短路时，限制来自AC/DC换流器CONV-1的短路电流大小，以免因过大的短路电流流经CONV-1而使其损坏。实际上，在直流环网上发生短路故障的概率是极低的，也许在L1的使用年限内一次也不会发生。对于类似这样的问题，曾经有研究采用故障概率来估计承担“保护功能”的部件或装置的应用价值。比如：按照平均每M年1次的故障概率来估计直流母线发生短路故障的可能性，并认为每次故障如果没有限流电抗器L1的作用，都会造成CONV-1不同程度的损坏，从而包括CONV-1的修复费用和停运损失费用现值达到W元/次；配置限流电抗器L1，能够将短路电流限制在CONV-1能够承受的范围内时，有效保护L1免遭损坏；设限流电抗器使用寿命为LN年，则“应用效果”量化值函数为：

式中的W已经为现值，所以式中不含利息率参数。本实施例提出另一种计算V_E-L1(t)的方法，命名为“职责价值”计算法，具体如下：在实际电力系统中，有大量类似于限流电抗器L1这样承担“重要职责”的设备或“功能部件”在运行，比如，继电保护装置就是最好的例子。这类设备或“功能部件”在故障未发生时一直“坚守”其重要岗位上，履行着其“重要职责”。因此，应该承认这类设备或“功能部件”在履行岗位“重要职责”时所体现的价值，尽管其保护对象可能从未经受过预选设想的“冲击”。以上是本实施例提出“职责价值”计算法的基本理念。本实施例从市场行为的角度去考虑“职责价值”的计算问题。分析步骤如下：

(a)设置限流电抗器L1这个“岗位”的目的是保护AC/DC换流器CONV-1，从市场行为的角度讲，业主愿意按市场的价格在L1的使用寿命周期内为其承担一切正常费用，包括订购费、运输安装调试费、场地占用费、运行维护费和运行时的电能损耗费。从市场行为角度看，这些费用的总和就是L1在其使用寿命周期内的“职责价值”总值。

(b)根据步骤(a)所述，L1的订购费、运输安装调试费、场地占用费这3项体现在每年“应用效果”量化值中为(V_C1-L1-0+V_C2-L1-0+V_C3-L1-0)/LN，而运行维护费用体现在L1的每年“应用效果”量化值中为可用式(7)计算。

(c)如何根据步骤(a)所述计算L1在运行中每年消耗电能而体现其“应用效果”呢？这似乎是伪命题。但是，实际上，业主为了保护换流器CONV-1，愿意为此而支付L1消耗的能量费用。所以，问题转换为：业主愿意按什么标准每年支付这项电能消耗费？因为L1串接于换流器CONV-1的直流侧，从而CONV-1长期运行在额定工作点的情况下L1消耗的电能最多。这种极端情形下，业主应该是愿意支付L1的能量消耗费用的。于是乎，L1在CONV-1运行在额定下每年所消耗的电能费用即为L1为了坚守岗位通过消耗电能而体现的“应用效果”量化值。

(d)根据上述步骤(a)-(c)的分析，按L1“职责价值”计算得到的以年为时间单位的“应用效果”量化值函数：

式中，LN为L1的使用寿命，时间单位为年。

本实施例在对上述对限流电抗器适用性的PEC评估原理和一般过程进行了详细讨论后，继续以L1为对象开展示例评估，忽略L1电阻的温度系数，设贷款年利息率保持不变为8％，当前电价为0.5元/kWh，电价上涨率为每年1％；将一天分为12个时段，从每天零点起算；用春(3、4、5月)、夏(6、7、8月)、秋(9、10、11月)、冬(12、1、2月)每季的一个典型日时段电流曲线(如表2-3所示)代表当季度每日时段电流曲线，示例中设第一、二、三年的二月份为28天，第四年二月为29天，以此类推。

表1用于L1适用性评估的时段电流值(单位为：A)

进一步，设AC/DC换流器CONV-1额定功率为2MW，直流侧额定电压为±10kV，额定直流电流为100A；因为CONV-1直流侧正、负极均需要串接限流电抗器，所以L1由两部分组成，记为L1+、L1-，设两者电感值均为200mH、电阻值R_L1+＝R_L1-＝0.65Ω(即将CONV-1直流侧最大短路电流限制在16kA以下)，L1使用寿命为20年；预估整租L1的订购费用、运输安装调试费用、场地占用费用之和的现值为75万元；整租L1的年运行维护费用现值为0.8万元/年，并且年增长率为10％。

根据上述数据和设定值，计算得到示例整租L1的V_C-L1(t_y)和V_E-L1(t_y)如式(16)所示(认为每年年末结算支付)，20年的计算结果如表2所示。

表2示例L1的“应用代价”和“应用效果”量化值现值(单位为：万元)

从表2可以看出，本实施例中的L1在运行至第12年末，已经越过了“代价-效果计算平衡点”CBP；而当使用至第20年末，也就是已经到达使用年限时，L1的应用已经非常接近“代价-效果大概率平衡点”PBP，此时非常接近/>因此，经过所提出的PEC评估法评估，在本实施例中L1具有适应性。

Claims (3)

1.一种用于评估配电网的交直流混合接线模式适用性的方法，其特征在于包含以下步骤：

1.1.设应用目的的量化值的标幺值为V_P，且认为在整个应用周期内该量化值为常数1.0，得到V_P＝1.0，赋予应用目的一个方向，用单位长度矢量表示应用目的矢量，设应用代价的量化值的标幺值为V_C，并用/>表示应用代价矢量，设应用效果的量化值的标幺值为V_E，用/>表示应用效果矢量，构建指标矢量三角形；

1.2.用公式表示各矢量与指标矢量三角形角度的关系

其中为应用目的矢量，/>为应用代价矢量，/>为应用效果矢量；α为/>矢量超前单位矢量/>的角度，β为/>矢量滞后单位矢量/>的角度，应用余弦定律得到/>

1.3.用V_E(t)表示累计应用效果，用V_C(t)表示累计应用代价，当累计应用效果与累计应用代价的量化值均为线性函数时，得到

其中，V_C(t)和V_E(t)的单位为人民币或美元，V_C0为初始应用代价，k_C、k_E为应用代价量化值函数和应用效果量化值函数的斜率，t为时间；

1.4.在步骤1.3的公式的函数图像中，在不考虑计算误差的前提下，用两条直线分别表示V_E(t)和V_C(t)，只有当k_E>k_C时该两条直线才具有交点，该交点即为代价-效果计算平衡点t_CBP；

1.5.在步骤1.3的公式的函数图像中，在考虑V_E(t)计算值存在最大正误差以及V_C(t)计算值存在最大负误差的前提下，分别用两条虚线表示V_E(t)及V_C(t)，其交点即为代价-效果大概率平衡点t_PBP；

1.6.将代价-效果计算平衡点、代价-效果大概率平衡点分别与被评估的交直流混合接线模式的使用年限进行比较，当被评估的交直流混合接线模式的使用年限大于代价-效果计算平衡点的时间，则该模式具有计算适用性，当被评估的交直流混合接线模式的使用年限大于代价-效果大概率平衡点的时间，则该模式具有大概率适用性。

2.根据权利要求1所述的一种用于评估配电网的交直流混合接线模式适用性的方法，其特征在于：步骤1.6中具有计算适用性表示在不考虑计算误差的前提下，被评估的交直流混合接线模式具有适用性。

3.根据权利要求1所述的一种用于评估配电网的交直流混合接线模式适用性的方法，其特征在于：步骤1.6中具有大概率适用性表示在考虑计算误差的前提下，被评估的交直流混合接线模式具有适用性。