多元主體下有源配電網規劃方案協同評估研究

馮磊

（云南電網有限責任公司電網規劃建設研究中心，昆明 650011）

0 前言

隨著電力市場的發展，配電網規劃愈漸成為復雜的非線性決策過程，與此同時分布式電源、儲能、電動汽車的接入使得傳統配電網逐步向有源配電網轉變，配電網規劃中涉及的各投資主體都對規劃方案提出了更高的要求，如何綜合各方利益對有源配電網規劃方案進行科學全面的評估成為當前亟需解決的問題。

目前，國內外已有一些對于有源配電網可靠性以及環境效益的評估研究成果報道。文獻[1]在計及分布式發電效益成本的基礎上，構建了考慮節能減排指標的主動配電網低碳優化模型。文獻[2-3]分別使用序貫蒙特卡洛模擬法、點估計法對含分布式電源的主動配電網進行可靠性評估。文獻[4]綜合考慮配電公司與分布式電源投資商的利益，構建了主動配電網多目標規劃模型。文獻[5-6]分別針對終端電力用戶和電網企業，從安全性、優質性和高效性等方面對雙方需求進行了探討，構建了反映智能電網體系中用戶需求和電網企業需求的評估指標體系，但未考慮環境效益指標及設備投資主體。文獻[7]計及了用戶參與度對主動配電網經濟價值的影響，結合技術及經濟指標對主動配電網實際案例進行了協調評估。文獻[8]構建了含分布式電源的城市配電網規劃方案評價指標體系，采用層次分析法對方案進行綜合評價，但未考慮參與投資的多利益主體。以往配電網規劃方案評估研究主要集中于采用合適評估方法協助同一利益主體獲取綜合最優的規劃方案，如層次分析法[9]、熵權法[10]、逼近理想點法[11]、數據包絡法[12]等，鮮少有計及電力市場環境下多利益主體進行協同評估的研究。

本文建立了有源配電網規劃方案評價指標體系，并對有源配電網規劃過程涉及的各利益主體進行了指標劃分。針對單個主體，采用帶有層次分析法（Analytic Hierarchy Process,AHP）約束錐的超效率數據包絡線（Super-Efficiency Data Envelopment Analysis, SEDEA）交叉評估法進行方案的優選排序；針對多元主體，建立了基于滿意度和一致性的專家權重優化模型。最后以我國某地有源配電網三種待選規劃方案為例對本文所構建的指標體系及評估方法進行驗證分析。

1 有源配電網規劃評價指標體系

根據有源配電網的技術特性以及相關部門對電網規劃、運行性能的要求[13]，從可靠性、安全性、經濟性及技術發展性等方面建立有源配電網規劃方案評價指標體系。

1.1 評價指標體系構建

結合傳統配電網規劃評估指標，將有源配電網規劃方案評價指標集劃分為可靠性、安全性、經濟性及技術發展性四類，其中技術發展性指標包含環境及用戶類指標。構建有源配電網規劃方案評價指標體系如圖1所示。

圖1 有源配電網規劃方案評估指標集

考慮到有源配電網規劃過程中涉及多利益方，將投資主體劃分為四類：配電企業、DG投資商(Distributed Generation Owner,DGO)、EES投資商(Electrical Energy Storage Owner,EESO)以及需求側集成服務商(Demand Response Aggregator,DRA)。根據參與投資的不同主體對圖1中的指標集進行劃分，得到考慮不同利益主體的有源配電網規劃方案評價指標體系，如圖2所示。

圖2 考慮多元利益主體的有源配電網評價指標體系

1.2 評價指標計算方法

基于建立的有源配電網規劃方案評價指標體系，對諸如系統平均停電頻率、停電持續時間等傳統評價指標和分布式電源滲透率、低碳收益等技術發展性指標進行計算。

1.2.1 傳統評價指標

1.2.1.1 可靠性指標

采用系統平均停電頻率、系統平均停電持續時間及系統供電可靠率衡量系統供電可靠性水平。具體計算公式參考文獻[14]。

采用重要負荷供電可靠率、重要負荷缺供電量指標衡量負荷可靠性水平：

1）重要負荷供電可靠率SAIUIg

規定時間內重要負荷節點g的有效供電總時間與要求的總供電小時數之比：

式中：ug為負荷點g的平均停電持續時間（h/年）DG/EES接入點供電可靠率SAIUIdg/SAIUIees與SAIUIg計算原理類似，篇幅限制不再具體討論。

2）重要負荷缺供電量CAIDIg

規定時間內由于系統故障而使重要負荷節點g損失的電量：

式中：Rg為重要負荷節點g的位置集合；Pav,g為重要負荷節點g的平均負荷值(kW).ni為負荷節點i的用戶數。

參考文獻[14]中基于對偶抽樣蒙特卡羅法計算含DG的主動配電網的可靠性指標。

1.2.1.2 安全性指標

1）系統整體安全性指數ISI

結合文獻[15]中對配電網安全性指標的分析，提出系統整體安全性指數ISI。通過計算系統在“N-1”條件下不同重要程度負荷的轉移率來定量評價有源配電網整體的供電安全性水平。

式中：N為系統中可能會發生故障的元件總數；Rj為第j個元件故障影響的負荷節點集合；γi表示負荷等級因子，γi∈{1 ,2,3,5}，分別表示三級、二級、一級和特級負荷；pj,i表示在第j個元件故障時負荷i成功轉供的概率，pj,i∈[0,1]。

2）系統停電風險指數ENSRI

考慮重要程度不同的負荷節點、負荷等級因子γi，系統停電風險指數ENSRI可定義為：

式中：uj為系統中元件j的平均停電持續時間(h/年)；Rj為元件j故障后影響的負荷節點位置集合；Fj為元件j的不可靠度，Fj= 1?e?λj Pav,i為負荷節點i的平均負荷值(kW).

1.2.1.3 經濟性指標

1）配電企業投資VGC

配電企業投資包括投資成本與系統運行費用。投資成本包括線路擴容、主動控制系統、電力電子與通信系統三部分；而系統運行費用則包含系統設備維護、網損、DG、EES及電網購電的相關成本。

2）DG、EES、DSM投資成本VDG/EES/DSM

計及DG、EES以及DSM的投資成本：

式中：V1為DG投資年費用，V2為DG年運行費用。類似地，可得VEES/DSM的計算公式。

3）配電企業的年平均經濟收益WGC

配電企業的經濟收益主要來自延緩投資和售電收益：

式中：Wsd，Wyh，Wins分別為配電企業的平均售電收益，延緩投資收益以及規劃前配電企業的原始收益（萬元）；cav，，分別為平均售電電價（元/kWh）以及單位容量DG/EES對應的年等效緩建價（元）；,分別為節 點i上DG機組的額定裝機容量（MW）及EES裝置的額定蓄電量（kVAh）；RDG,REES表示系統中DG節點/EES節點位置集合；M為配電企業的總售電量（MWh），其計算公式如下：

式中：T為所研究時段持續時間（h）；為時段t內負荷節點i處DG/EES/DR及外部電網向系統的注入（充放電）功率（MW）；為饋線的網絡損失功率（MW）。

4）DG投資商的經濟收益W：DG投資商的經濟收益來自售電收益：DG

式中：Tmax為DG的年利用最大小時數；cDG為DG對應的上網標桿電價（元/kWh）；cbt為新能源并網補貼電價（元/kWh）。類似地，可得到EES投資商經濟收益WEES與需求側集成投資商經濟收益WDR。其中求解WDR中的cDR應為配電企業向需求側集成服務商購買可中斷服務的價格（元/kWh）。

5）DG運行效率ηDG

式中：PΣDG表示其余電源注入配網的有功功率；同理，可得到EES的運行效率指標表達式。

6）系統對DG的綜合利用能力ξDG

式中：為最優潮流下節點i處DG機組的功率削減值（MW）；Pi,DG為負荷節點i處的DG出力（MW）；Pij,lossPij,loss為線路ij上的功率損耗（MW）。

1.2.2 技術發展性指標

1.2.2.1 環境類指標

1）分布式電源滲透率：選取能量滲透率作為分布式電源滲透率的評價指標，定義為分布式電源全年提供的電量占系統負荷全年耗電總量的百分比。

2）低碳收益指標WC：有源配電網低碳收益主要考慮有能源終端收益與電能配送收益：

其中，WC1/WC2分別為終端能源環節/電能配送環節的低碳收益，定義為：

式中：εc,coal為主網的碳排放系數（kg/gce）；ccoal為主網單位電量對應的煤耗（gce/kWh）；ηloss為系統網損的預期降低率。

1.2.2.2 用戶類指標

用戶類指標包括階梯電價實行用戶比例及需求響應參與用戶比例指標，反映電網與用戶之間的信息互動能力及用戶電價響應能力水平，可根據規劃方案基本數據得到。

2 單主體有源配電網規劃評估

基于有源配電網規劃方案評價指標體系，采用帶有AHP約束錐的SE-DEA交叉效率評估方法對各個待選規劃方案的投資利用率進行分析，從而獲得單主體下有源配電網規劃方案的優劣排序和方案偏好。

2.1 AHP約束錐構建

層次分析法采用相對標度將決策主體的判斷標量化，通過求解判斷矩陣得出各指標的權重[16-17]。本文根據層次分析法構建AHP約束錐[18]的流程如下：

1）輸入及輸出指標規范化：以圖1有源配電網規劃方案評估指標集為研究對象，將隸屬于主體k的成本型指標作為輸入指標，收益型指標作為輸出指標，得到m個輸入指標xki(1 ≤i≤m)及s個輸出指標ykj(1 ≤j≤s)。采用式（14）對輸入及輸出指標值進行規范化處理：

2）求解輸入及輸出指標的9標度判斷矩陣：各決策主體根據9級標度法分別對xki及ykj之間的重要性程度進行打分，構建輸入輸出9標度判斷矩陣按AHP方法對矩陣進行一致性校驗，一般取一致性比率C.R＜0.1認為判斷矩陣的一致性可以接受。

3）求取輸入及輸出指標權重：根據指標體系的層次關系，自上而下求解每層指標相對于總目標的權重，得到具有輸入及輸出指標權重向量及

4）構建AHP多面閉凸錐：設分別為輸入輸出判斷矩陣的最大特征值，令構造指標的AHP偏好約束錐矩陣以及AHP多面閉凸錐：

2.2 SE-DEA交叉效率評估方法

數據包絡分析法是研究同類型生產決策單元(Decision Making Unit，DMU)相對有效性的有力工具[19-20]。對于n種有源配電網待選規劃方案，定義方案k的效率評價指數ekk為其總輸出與總輸入比值：

根據交叉效率值的大小即可對有源配電網規劃方案進行決策排序，取交叉效率值最大的規劃方案為最優方案。

當決策單元數目相對于輸入與輸出指標總數目較少時經常會出現若干單元的的情形，無法判斷方案優劣。因此，采用超效率DEA模型（SE-DEA）對交叉效率矩陣的對角元素進行改進：

2.3 AHP約束錐SE-DEA交叉效率評估

將AHP約束錐納入SE-DEA交叉效率評估模型中：

求解上式即可得出各規劃方案的輸入及輸出指標向量以及超效率值。帶有AHP約束錐的SE-DEA交叉效率評估模型構建流程如圖3所示。

圖3 帶有AHP約束錐的SE-DEA交叉效率評估模型構建流程圖

3 多元主體有源配電網規劃協同評估

在電力市場環境下，為實現有源配電網規劃投資群體利益最優，需構建信息交互、權重調整的協同評估機制，從而使具有不同偏好的利益主體做出一致性較高的方案選擇。

3.1 多元主體協同評估問題描述

假設有源配電網規劃建設有k個投資決策主體參與，協同評估的專家群體為K{dm,m=1,...,k}，備選的規劃方案集為P{bn,n=1,...,p}。為第t輪決策者m的專家權重，∈ (0,1)且有根據第t輪的專家權重及其對規劃方案的偏好信息，集結得到群決策的方案權重，通過對專家權重λm的自適應調整獲得最終方案權重向量R=[r1,r2,...rp]T，選擇最優的有源配電網規劃方案作為決策結果。

3.2 多元主體協同評估流程

1）多元主體偏好信息一致化：假設有源配電網規劃方案的主體m提供p個規劃方案的偏好信息：滿足將偏好信息化為互反判斷矩陣Hm=[hij]p×p，hij=ei/ej。

2）群體偏好信息集結和基于灰色關聯度的滿意度函數：對各專家的偏好信息矩陣進行一致化處理后，得到k個對于規劃方案集P的互反判斷矩陣[A1,A2,...,Ak]，其中將其最大特征值對應的特征向量歸一化可求出主體m對p個方案的權重向量則群體偏好通過WAA集結算子[21]得出

式中，a*ij表示群體認為方案bi優于bj的程度。同理可得有源配電網方案集中各方案的權重向量

以群偏好為參考序列，個體偏好為比較序列，衡量各規劃評估專家對于結果的滿意度及群偏好與個體偏好的一致度，構建基于灰色關聯度的滿意度函數：

a根據專家個體偏好矩陣Am與群體偏好矩陣 A*，計算關聯系數矩陣

式中，η∈[0,1]為分辨系數。

b對于有源配電網規劃決策主體dm，計算個體偏好于群體偏好的灰色關聯度：

c構建基于灰色關聯度的專家個體滿意度函數，如圖4所示。

圖4 滿意度函數

因此基于灰色關聯度的個體滿意度函數Ym(lm)可表示為：

d基于滿意度和一致性的專家權重優化

為了在專家個體權重可變范圍內獲取一致性和滿意度最優的規劃方案，構建如下優化模型：

式中：目標函數θ的第一項最大化個體專家對群決策方案的滿意度，第二項最小化專家意見偏好與群決策偏好的距離，λ0為專家初始權重。

4 算例分析

以我國北方某實際待建區域為例，結合本文建立的評價指標體系對有源配電網相關規劃方案進行綜合評估。

4.1 算例參數

待規劃電網電壓等級為10kV，預計規劃年最大負荷20MW，年用電量1.27×105MWh，電網已有1座110/10kV變電站，92條規劃可選線路以及22個負荷節點，如圖5(a)所示。該地區初步擬定的3個有源配電網規劃建設方案如圖5(b)(c)(d)所示。

圖5 待規劃的區域及待選規劃方案

4.2 評價指標計算

根據2.2節各項指標計算方法，得到各規劃方案的評價指標結果。

4.3 規劃方案綜合評估

4.3.1 單主體下規劃方案評估

4.3.1.1 配電企業

方案3的系統整體安全系數指標偏離約束區間，不滿足配電企業的規劃要求，因此將方案3從待選方案集中剔除。對彈性指標進行帶有AHP約束錐的SE-DEA交叉效率評估如下：

1）將隸屬于配電企業的彈性評估指標集分為C41輸入及C32/C43/C52輸出指標，并根據式（14）進行規范化處理；

2）收集專家偏好信息，采用AHP法得到各指標主觀權重向量w =[0.1522,0.6847,0.1631]T；

3）構造輸出指標的AHP約束錐矩陣：

4）計算得到各規劃方案的交叉效率值

根據結果可知，面向配電企業的方案排序為方案1＞方案3＞方案2，方案1與3較方案2具有更優的投入產出水平，但由于方案3有剛性指標偏離約束區間，因此修正后排序為方案1＞方案2（方案3剔除）。

4.3.1.2 DG/EES投資商與DSM集成商

由于對應剛性指標校核均滿足約束，因此對彈性指標進一步評估：

各主體對應的彈性評價指標均為單投入單產出指標，因此可按各主體總投資成本與總經濟收益的比值得到不同方案下的投資利用率：根據結果可知，面向DG/EES投資商時的最優方案為方案1，面向DSM集成商時的最優方案為方案3。綜合面向配電企業的方案評估結果，可知在考慮多元主體的差異性需求時，規劃方案的排序結論可能不一致，因此難以應用一個簡單的排序結果來兼顧不同利益主體的需求。

4.3.2 多元主體下規劃方案協同評估

2）收集各主體專家的偏好信息，形成4種主體下對3種方案的互反判斷矩陣Hm：

3）得到初始群體偏好信息矩陣A*,0，歸一化后得到初始方案權重向量w0：

4）取分辨系數η=0.9，根據各主體偏好矩陣Am與群體偏好矩陣A*,0，計算關聯系數初始矩陣Fm和各主體與群體的灰色關聯度初始矩陣L0：

5）設置滿意度函數及滿意值區間[0.85,0.93,1.0]，對專家個體權重進行優化計算，得到一致性和滿意度最優的群體偏好矩陣A*、各主體滿意度向量Y及各方案的最終權向量W：

由W可知，采用有源配電網規劃方案多主體協同評估方法得到的方案排序為方案1＞方案2＞方案3，配電企業及EES投資商對于排序的滿意度較高，而DG投資商及需求側集成商對于排序的滿意度較低，但仍可接受，因此選取方案1作為兼顧多主體利益需求的有源配電網最優規劃方案。

由結果可知，在本文的專家權重設置前提下，由于配電企業的專家初始權重較高（0.557），使其在協同評估過程中起主導作用，在其他主體的滿意度允許區間內，群偏好向配電企業的偏好靠攏。

5 結束語

本文建立了有源配電網規劃方案的評價指標體系，并分別從單主體與多元利益主體的角度提出了綜合主客觀因素的評估方法，算例表明面向多元主體的協同評估可以獲得兼顧各個主體利益的規劃方案。主要得出結論如下：

1）文中所提評價指標體系計及了有源配電網的主要技術特征，并對規劃過程涉及的各利益主體進行了指標劃分，可從不同主體的角度對規劃方案的性能進行全面有效的評價。

2）當某主體的專家初始權重設置較高時，其在協同評估中將會起主導作用。然而，隨著未來分布式可再生能源和儲能等技術的發展，各利益主體的專家權重和滿意度區間將會發生變化，最終的評估結果亦會隨之改變。

由于配電網規劃過程中涉及的不同主體初始專家權重構成復雜，后續應考慮投資成本、運營角色以及國家政策等因素的影響，對初始專家權重進行進一步的研究分析。此外，由于有源配電網中的需求側響應機制復雜，如何在評估指標及計算方法中有效計及不同類型的柔性負荷和不同激發機制的需求側響應亦值得未來進一步討論。