CN114282793A - 一种综合能源系统的弹性恢复特性评估方法、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种综合能源系统的弹性恢复特性评估方法、设备及介质。首先，考虑综合能源系统的灾时抵御能力与灾后恢复能力，构建综合能源系统的弹性恢复特征评估指标体系；然后基于BWM方法计算系统各评估指标的主观权重；接着，基于反熵权法计算系统各评估指标的客观权重；其次，基于最小熵原理将各评估指标的主观权重与客观权重组合得到综合权重；最后，基于TOPSIS法对综合能源系统的弹性恢复特性进行综合评估。本发明针对极端灾害情况下综合能源系统的弹性恢复特性提出评估方法，考虑系统的灾时抵御能力与灾后恢复能力，全面评估系统的弹性恢复特性，为计及弹性恢复特性的综合能源系统优化配置方案的评估提供了合理的方法支撑。

Description

一种综合能源系统的弹性恢复特性评估方法、设备及介质

技术领域

本发明涉及综合能源系统的弹性恢复技术领域，特别涉及一种BWM-反熵权法和TOPSIS法的综合能源系统的弹性恢复特性评估方法、设备及介质。

背景技术

综合能源系统以多能协同互补为主要特征，可以通过冷/热/电/气等多种能源间的耦合转换提升系统运行的经济性、可靠性性和灵活性。综合能源系统的多能互补特性，可使其在极端灾害下具有较强的抵御能力。但是在低碳化转型的背景下，综合能源系统面临的扰动形式更为丰富。一方面，出力具有波动性和随机性的大规模可再生能源的接入，会使系统面临持续的随机扰动，给综合能源的供需平衡带来严峻的挑战。另一方面，各类能源的互补性更深、耦合面更广，极端灾害带来扰动的影响更大。

为减少极端灾害对综合能源系统稳定运行的影响，对计及弹性恢复特性的综合能源系统的各优化配置方案的全面评估显得极为重要。传统的评价方法分为主观赋权法和客观赋权法，各有利弊，无法获得最优的指标权重。

综上所述，有必要建立全面具体的系统弹性恢复特性的评估指标体系，提出合理的评估方法对综合能源系统的弹性恢复特性进行更加合理有效地评估。

发明内容

本发明的目的是提供一种综合能源系统的弹性恢复特性评估方法、设备及介质，考虑系统的灾时抵御能力与灾后恢复能力，提出相应的评估指标体系和评估方法，能够对综合能源系统的弹性恢复特性提供更加全面的评估，为计及弹性恢复特性的综合能源系统的优化配置提供了理论支撑。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种综合能源系统的弹性恢复特性评估方法，包括：

S1，考虑综合能源系统的灾时抵御能力与灾后恢复能力，构建综合能源系统的弹性恢复特征评估指标体系；

S2，采用BWM方法计算综合能源系统各评估指标的主观权重；

S3，基于综合能源系统待评估的m个配置方案，采用反熵权法计算综合能源系统各评估指标的客观权重；

S4，采用最小熵原理对综合能源系统各评估指标的主观权重和客观权重进行重组合，得到各评估指标的综合权重；

S5，对综合能源系统待评估的每个配置方案的弹性恢复特性，根据各评估指标的综合权重并采用TOPSIS法进行综合评估，从中选择最优配置方案。

进一步地，步骤S1构建的弹性恢复特征指标体系中，灾时抵御能力的评估指标包括系统抵御系数、失负荷速度和失负荷率，灾后恢复能力的评估指标包括关键负荷恢复速度、关键负荷恢复率和负荷总恢复系数。

进一步地，各评估指标分别为：

(1)系统抵御系数δ_D，是指综合能源系统在极端灾害发生后抵御灾变的性能系数，计算式为：

式中：

为节点i在t时刻失负荷量，P_L.i为节点i的负荷量，T_d为系统抵御时间，T为综合能源系统从极端灾害发生至全面恢复的运行时间，n为综合能源系统的节点总数；

(2)失负荷速度

是指综合能源系统在极端灾害发生后系统的平均失负荷速度，计算式为：

式中：

为节点i的失负荷量，T_loss为综合能源系统在灾害发生后的负荷降额时间；

(3)失负荷率

体现综合能源系统遭到极端灾害破坏的严重程度，量化计算式为：

(4)关键负荷恢复速度

反映综合能源系统在灾后恢复期间单位时间的关键负荷恢复量，计算式为：

式中：

为第i关键节点在t时刻恢复的关键负荷功率；

为综合能源系统中关键负荷的恢复时间，n_key为综合能源系统的关键节点总数；

(5)关键负荷恢复率

是指在灾后恢复阶段得到有效供能时，关键负荷的恢复量所占总关键负荷量的比率，计算式为：

式中：

为节点i的关键负荷恢复量，

为节点i的关键负荷量；

(6)负荷总恢复系数

是指综合能源系统在极端灾害发生后，系统逐步恢复供能的性能系数。

式中：γ_i为负荷i的重要性系数，

为负荷i在t时刻的负荷恢复量，T_re为系统中所有负荷的恢复时间。

进一步地，步骤S2具体为：

S2.1：根据决策者准则，从综合能源系统的所有n个评估指标中选取最优评估指标x_B和最劣评估指标x_W；比较最优评估指标x_B相对于每个评估指标x_j(j＝1,2,...,n)的重要性c_Bj，构建第一判断向量C_B＝(c_B1,c_B2,...,c_Bn)；以及比较每个评估指标x_j(j＝1,2,...,n)相对于最劣评估指标x_W的不重要性，构建第二判断向量C_W＝(c_1W,c_2W,...,c_nW)^T；

S2.2：建立评估指标权重的数学规划问题：

式中：

为最优评估指标x_B的权重，

为最劣评估指标x_W的权重，

为任意评估指标x_j的主观权重；

S2.3：求解评估指标权重的数学规划问题，得到所有评估指标的最优权重

进一步地，步骤S3具体为：

S3.1：计算每个配置方法的各评估指标值x_ij(i＝1,2,...,m；j＝1,2,...,n)，得到指标矩阵X＝(x_ij)_m×n；

S3.2：对指标矩阵进行正则化处理，即采用向量规范化法得到无量纲化的指标矩阵R＝(r_ij)_m×n，其中：

S3.3：计算各评估指标的反熵值e_j：

式中，0≤p_ij≤1且

S3.4：根据各评估指标的反熵值，计算各评估指标的客观权重

进一步地，步骤S4具体为：基于最小熵原理将主观权重和客观权重进行组合，用拉格朗日乘子法求解各评估指标的综合权重：

式中，

和ω_j分别为第j个评估指标x_j的客观权重、主观权重和综合权重，n为评估指标的个数。

进一步地，步骤S5具体为：

S5.1：按照下列计算式计算指标加权规范化的决策矩阵V：

式中，R＝(r_ij)_m×n是由指标矩阵X＝(x_ij)_m×n正则化处理得到的无量纲化的指标矩阵，x_ij为第i个配置方案的第j个评估指标值；W＝(ω₁,ω₂,...,ω_n)为各评估指标的综合权重满足ω_i＞0，

V_ij为决策矩阵V中第i行第j列的元素；

S5.2：确定正理想解

和负理想解

式中：V⁺为正理想解集，V^-为负理想解集，当j为效益型指标时越大越好，当j为成本型指标时越小越好；

S5.3：计算每个配置方案i的最优理想解的欧式距离

和最差理想解的欧式距离

S5.4：计算每个配置方案i的相对贴合度τ_i：

S5.5：选择相对贴合度最大的配置方案，即为综合能源系统的最优配置方案。

一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现上述任一项所述的综合能源系统的弹性恢复特性评估方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的综合能源系统的弹性恢复特性评估方法。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明考虑综合能源系统的灾时抵御能力与灾后恢复能力，确定了系统抵御系数、失负荷速度、失负荷率、关键负荷恢复速度、关键负荷恢复率和负荷总恢复系数六个评估指标，全面评估综合能源系统的弹性恢复特性。本发明采用BWM方法计算各项评估指标的主观权重，可有效避免专家打分的模糊性与随意性，还可以极大简化计算过程；采用反熵权法计算各项评估指标的客观权重；基于最小熵原理将BWM方法所得的主观权重与反熵权法所得的客观权重组合得到各评估指标的综合权重；最后，基于TOPSIS法对综合能源系统的弹性恢复特性进行综合评估，为综合能源系统的弹性恢复特性评估提供了一种新思路。

附图说明

图1综合能源系统的弹性恢复特性评估方法流程图；

图2弹性恢复特性评估指标体系示意图。

具体实施方式

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种综合能源系统的弹性恢复特性评估方法，考虑系统的灾时抵御能力与灾后恢复能力，建立弹性恢复特性评估指标体系，提出基于BWM-反熵权法与TOPSIS法的评估方法，能够对综合能源系统的弹性恢复特性进行更加全面具体的评估，为计及弹性恢复特性的综合能源系统优化配置和运行等发展提供理论支撑。

本实施例所述一种综合能源系统的弹性恢复特性评估方法，如附图1所示，包括以下步骤：

步骤S1：以综合能源系统为研究对象，分析系统在极端灾害情况下的运行状态，构建综合能源系统的弹性恢复特性评估指标体系。

该步骤S1构建的弹性恢复特征评估指标体系，综合考虑了灾时抵御能力与灾后恢复能力，如图2所示。其中灾时抵御能力的评估指标包括系统抵御系数、失负荷速度和失负荷率，灾后恢复能力的评估指标包括关键负荷恢复速度、关键负荷恢复率和负荷总恢复系数。该六项评估指标划分为成本型指标和效益型指标，失负荷速度、失负荷率隶属于成本型指标；系统抵御系数、关键负荷恢复速度、关键负荷恢复率和负荷总恢复系数隶属于效益型指标。下面分别对每个评估指标进行解释。

(1)系统抵御系数

系统抵御系数是指综合能源系统在极端灾害发生后抵御灾变的性能系数，计算式为：

式中：δ_D为系统抵御系数，

为节点i在t时刻失负荷量，P_L.i为节点i的负荷量，T_d为系统抵御时间，T为综合能源系统从极端灾害发生至全面恢复的运行时间，n为综合能源系统的节点总数。

(2)失负荷速度

失负荷速度是指综合能源系统在极端灾害发生后系统的平均失负荷速度，计算式为：

式中：

为失负荷速度，

为节点i的失负荷量，T_loss为综合能源系统在灾害发生后的负荷降额时间。

(3)失负荷率

极端灾害情况下失负荷率是指综合能源无法完全抵御灾害所造成的影响，导致部分负荷失去供电。失负荷率体现综合能源系统遭到极端灾害破坏的严重程度，数值越小反映系统自身抗灾能力越强，量化计算式为：

式中：

为失负荷率。

(4)关键负荷恢复速度

电力负荷一般按照其重要程度分为第一类负荷、第二类负荷和第三类负荷。第一类负荷通常为医院、火箭发射基地等，中断供电会造成人身伤亡危险或重大设备损坏，对政治和经济造成重大损失。第二类负荷通常为大型企业工厂等，发生停电会造成大量减产和设备故障，或者局部地区的交通受阻，应当采取措施避免缺供。第三类负荷是除第一类负荷、第二类负荷之外的一般负荷，这类负荷短时停电所造成的影响不大，通常为小城镇、农村居民用电等。同样地，综合能源系统中的热负荷、冷负荷、气负荷等都可按照上述原则划分，确定各节点负荷的关键性。

关键负荷恢复速度是反映综合能源系统在灾后恢复期间单位时间的关键负荷恢复量，计算式为：

式中：

为关键负荷恢复速度，

为第i关键节点在t时刻恢复的关键负荷功率；

为综合能源系统中关键负荷的恢复时间，n_key为综合能源系统的关键节点总数。

(5)关键负荷恢复率

关键负荷恢复率是指在灾后恢复阶段得到有效供能时，关键负荷的恢复量所占总关键负荷量的比率，计算式为：

式中：

为关键负荷恢复率，

为节点i的关键负荷恢复量，

为节点i的关键负荷量。

(6)负荷总恢复系数

负荷总恢复系数是指综合能源系统在极端灾害发生后，系统逐步恢复供能的性能系数。

式中：

为负荷总恢复系数，γ_i为负荷i的重要性系数，

为负荷i在t时刻的负荷恢复量，T_re为系统中所有负荷的恢复时间。

步骤S2：采用BWM方法计算综合能源系统各评估指标的主观权重。具体为：

S2.1：在评估指标集X＝(x₁,x₂,...,x_n)中，根据决策者准则从中选取最优评估指标x_B和最劣评估指标x_W；决策者采用1-9分制进行比较评分，比较最优准则与其余准则的重要性，构建第一判断向量C_B＝(c_B1,c_B2,...,c_Bn)，其中，c_Bj代表最优指标x_B与指标x_j相比的重要性，1代表同等重要，9代表极端重要。同样的，比较其余准则与最劣准则的不重要性，构建第二判断向量C_W＝(c_1W,c_2W,...,c_nW)^T，其中，c_jW代表指标x_j与最劣指标x_W相比的最不重要性，1代表同等不重要，9代表极端不重要。

表1最优准则打分表

指标	x<sub>1</sub>	x<sub>2</sub>	...	x<sub>n</sub>
					C<sub>B</sub>	c<sub>B1</sub>	c<sub>B2</sub>	...	c<sub>Bn</sub>

表2最劣准则打分表

指标	x<sub>1</sub>	x<sub>2</sub>	...	x<sub>n</sub>
					C<sub>W</sub>	c<sub>1W</sub>	c<sub>2W</sub>	...	c<sub>nW</sub>

S2.2：建立评估指标权重的数学规划问题：

式中：

为最优评估指标x_B的权重，

为最劣评估指标x_W的权重，

为任意评估指标x_j的主观权重，取全部

中最大的一个，使其最小化。

S2.3：求解评估指标权重的数学规划问题，得到所有评估指标的最优主观权重

具体可将上述问题转换以下式(9)后再求解：

步骤S3：基于综合能源系统待评估的m个配置方案，采用反熵权法计算综合能源系统各评估指标的客观权重。

反熵权法是在熵权法基础上改进的指标赋权方法，它采用熵值的反熵进行计算，指标波动性越强，熵值越小，权重系数越大。步骤S3具体为：

S3.1：设综合能源系统有m个待评估的配置方案，共n个评估指标，本实施例n＝6。计算每个配置方法的各评估指标值x_ij(i＝1,2,...,m；j＝1,2,...,n)，得到指标矩阵X＝(x_ij)_m×n：

S3.2：对指标矩阵进行正则化处理，即采用向量规范化法得到无量纲化的指标矩阵R＝(r_ij)_m×n，转换关系如式(12)所示：

S3.3：计算各评估指标的反熵值e_j：

式中，0≤p_ij≤1且

S3.4：根据各评估指标的反熵值，计算各评估指标的客观权重：

式中：

为反熵权法所得各评估指标的客观权重。

S4，采用最小熵原理对综合能源系统各评估指标的主观权重和客观权重进行重组合，得到各评估指标的综合权重。具体为：基于最小熵原理将主观权重和客观权重进行组合，用拉格朗日乘子法求解各评估指标的综合权重：

式中，

和ω_j分别为第j个评估指标x_j的客观权重、主观权重和综合权重，n为评估指标的个数。

S5，对综合能源系统待评估的每个配置方案的弹性恢复特性，根据各评估指标的综合权重并采用TOPSIS法进行综合评估，从中选择最优配置方案。具体为：

S5.1：按照下列计算式计算指标加权规范化的决策矩阵V：

式中，权重满足ω_i＞0,

S5.2：确定正理想解

和负理想解

式中：V⁺为正理想解集，V^-为负理想解集，当j为效益型指标时越大越好，当j为成本型指标时越小越好；

S5.3：计算每个配置方案i的最优理想解的欧式距离

和最差理想解的欧式距离

式中：

为正理想解V⁺中的元素；

为负理想解V^-中的元素；

S5.4：计算每个配置方案i的相对贴合度τ_i：

S5.5：选择相对贴合度最大的配置方案，即为综合能源系统的最优配置方案。

将m个配置方案的相对贴近度按大小排序，相对贴近度越大表示该配置方案越有优，反之则越差，相对贴近度最大的方案即为最优方案，也即综合能源系统弹性恢复性能最优的优化运行方案。

以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种综合能源系统的弹性恢复特性评估方法，其特征在于，包括：

S1，考虑综合能源系统的灾时抵御能力与灾后恢复能力，构建综合能源系统的弹性恢复特征评估指标体系；

S2，采用BWM方法计算综合能源系统各评估指标的主观权重；

S3，基于综合能源系统待评估的m个配置方案，采用反熵权法计算综合能源系统各评估指标的客观权重；

S4，采用最小熵原理对综合能源系统各评估指标的主观权重和客观权重进行重组合，得到各评估指标的综合权重；

S5，对综合能源系统待评估的每个配置方案的弹性恢复特性，根据各评估指标的综合权重并采用TOPSIS法进行综合评估，从中选择最优配置方案。

2.根据权利要求1所述的一种综合能源系统的弹性恢复特性评估方法，其特征在于，步骤S1构建的弹性恢复特征指标体系中，灾时抵御能力的评估指标包括系统抵御系数、失负荷速度和失负荷率，灾后恢复能力的评估指标包括关键负荷恢复速度、关键负荷恢复率和负荷总恢复系数。

3.根据权利要求2所述的一种综合能源的弹性恢复特性评估方法，其特征在于，各评估指标分别为：

(1)系统抵御系数δ_D，是指综合能源系统在极端灾害发生后抵御灾变的性能系数，计算式为：

式中：

为节点i在t时刻失负荷量，P_L.i为节点i的负荷量，T_d为系统抵御时间，T为综合能源系统从极端灾害发生至全面恢复的运行时间，n为综合能源系统的节点总数；

(2)失负荷速度

是指综合能源系统在极端灾害发生后系统的平均失负荷速度，计算式为：

式中：

为节点i的失负荷量，T_loss为综合能源系统在灾害发生后的负荷降额时间；

(3)失负荷率

体现综合能源系统遭到极端灾害破坏的严重程度，量化计算式为：

(4)关键负荷恢复速度

反映综合能源系统在灾后恢复期间单位时间的关键负荷恢复量，计算式为：

式中：

为第i关键节点在t时刻恢复的关键负荷功率；

为综合能源系统中关键负荷的恢复时间，n_key为综合能源系统的关键节点总数；

(5)关键负荷恢复率

是指在灾后恢复阶段得到有效供能时，关键负荷的恢复量所占总关键负荷量的比率，计算式为：

式中：

为节点i的关键负荷恢复量，

为节点i的关键负荷量；

(6)负荷总恢复系数

是指综合能源系统在极端灾害发生后，系统逐步恢复供能的性能系数。

式中：γ_i为负荷i的重要性系数，

为负荷i在t时刻的负荷恢复量，T_re为系统中所有负荷的恢复时间。

4.根据权利要求1所述的一种综合能源的弹性恢复特性评估方法，其特征在于，步骤S2具体为：

S2.1：根据决策者准则，从综合能源系统的所有n个评估指标中选取最优评估指标x_B和最劣评估指标x_W；比较最优评估指标x_B相对于每个评估指标x_j(j＝1,2,…,n)的重要性c_Bj，构建第一判断向量C_B＝(c_B1,c_B2,...,c_Bn)；以及比较每个评估指标x_j(j＝1,2,…,n)相对于最劣评估指标x_W的不重要性，构建第二判断向量C_W＝(c_1W,c_2W,...,c_nW)^T；

S2.2：建立评估指标权重的数学规划问题：

式中：

为最优评估指标x_B的权重，

为最劣评估指标x_W的权重，

为任意评估指标x_j的主观权重；

S2.3：求解评估指标权重的数学规划问题，得到所有评估指标的最优权重

5.根据权利要求1所述的一种综合能源的弹性恢复特性评估方法，其特征在于，步骤S3具体为：

S3.1：计算每个配置方法的各评估指标值x_ij(i＝1,2,...,m；j＝1,2,...,n)，得到指标矩阵X＝(x_ij)_m×n；

S3.2：对指标矩阵进行正则化处理，即采用向量规范化法得到无量纲化的指标矩阵R＝(r_ij)_m×n，其中：

S3.3：计算各评估指标的反熵值e_j：

式中，0≤p_ij≤1且

S3.4：根据各评估指标的反熵值，计算各评估指标的客观权重

6.根据权利要求1所述的一种综合能源系统的弹性恢复特性评估方法，其特征在于，步骤S4具体为：基于最小熵原理将主观权重和客观权重进行组合，用拉格朗日乘子法求解各评估指标的综合权重：

式中，

和ω_j分别为第j个评估指标x_j的客观权重、主观权重和综合权重，n为评估指标的个数。

7.根据权利要求1所述的一种综合能源系统的弹性恢复特性评估方法，其特征在于，步骤S5具体为：

S5.1：按照下列计算式计算指标加权规范化的决策矩阵V：

式中，R＝(r_ij)_m×n是由指标矩阵X＝(x_ij)_m×n正则化处理得到的无量纲化的指标矩阵，x_ij为第i个配置方案的第j个评估指标值；W＝(ω₁,ω₂,...,ω_n)为各评估指标的综合权重满足ω_i＞0，

V_ij为决策矩阵V中第i行第j列的元素；

S5.2：确定正理想解

和负理想解

式中：V⁺为正理想解集，V^-为负理想解集，当j为效益型指标时越大越好，当j为成本型指标时越小越好；

S5.3：计算每个配置方案i的最优理想解的欧式距离

和最差理想解的欧式距离

S5.4：计算每个配置方案i的相对贴合度τ_i：

S5.5：选择相对贴合度最大的配置方案，即为综合能源系统的最优配置方案。

8.一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器中存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器实现如权利要求1～7中任一项所述的方法。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～7中任一项所述的方法。

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