基于合環(huán)裝置與改進(jìn)TOPSIS 法的用電可靠性評(píng)估

胡 迪，鄧德祥，顏 佳，曾 霖

（武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430072）

在當(dāng)前我國(guó)大力建設(shè)智能電網(wǎng)的實(shí)際情況下，如何建設(shè)一個(gè)智能的供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)暫時(shí)仍未有一個(gè)完整的方案。但通過(guò)國(guó)內(nèi)外智能電網(wǎng)的發(fā)展可知，智能電網(wǎng)應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)在供電網(wǎng)絡(luò)的配網(wǎng)調(diào)度部分，而配網(wǎng)調(diào)度能力的強(qiáng)弱與配電自動(dòng)化水平的高低相關(guān)。因此，實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化不僅要提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，更要利用增強(qiáng)供電網(wǎng)絡(luò)的供電質(zhì)量、權(quán)衡供電網(wǎng)絡(luò)企業(yè)的利益等重要手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)[1-3]。

由于發(fā)展現(xiàn)狀、自然條件、歷史背景、經(jīng)濟(jì)實(shí)力等因素的影響，當(dāng)前供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r兩極分化的情況較為嚴(yán)重[4]，即城市供電網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，技術(shù)較為先進(jìn)；而農(nóng)村供電網(wǎng)絡(luò)普遍而言普及率較低，技術(shù)較為落后，智能化程度差。因此，結(jié)合現(xiàn)有的成熟技術(shù)，對(duì)農(nóng)村的配電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行快速改造、重建或者升級(jí)，建設(shè)適應(yīng)農(nóng)村特點(diǎn)的智能電網(wǎng)有著重要意義[5-7]。

文中分析了智能電網(wǎng)的自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及智能電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性和可靠性，提出了采用合環(huán)裝置與改進(jìn)TOPSIS 法來(lái)建立用電可靠性分析的評(píng)估模型，基于該模型的評(píng)估結(jié)果從而提升分析對(duì)象的優(yōu)選方案，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)智能電網(wǎng)配電自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性優(yōu)化與提升。

1 配電自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

配電自動(dòng)化系統(tǒng)的組成復(fù)雜，系統(tǒng)的設(shè)備也應(yīng)根據(jù)其所處的環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。一般而言，在城市供電網(wǎng)絡(luò)中，配電自動(dòng)化系統(tǒng)主要包括主站系統(tǒng)、變電站系統(tǒng)、終端系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等；而農(nóng)村配電網(wǎng)由于其規(guī)模小、信息集中等特點(diǎn)，配電自動(dòng)化系統(tǒng)一般分為主站系統(tǒng)、終端系統(tǒng)和通信系統(tǒng)3 個(gè)部分[8-10]。配電自動(dòng)化系統(tǒng)的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)示意

1.1 主站系統(tǒng)

主站系統(tǒng)是配電自動(dòng)化系統(tǒng)中監(jiān)控和管理的核心，其建立在光纖網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上。為了便于不同人員的操作以及使整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)器系統(tǒng)統(tǒng)一化，主站系統(tǒng)采用協(xié)調(diào)調(diào)制的集成設(shè)計(jì)，并采用支持跨平臺(tái)處理的操作系統(tǒng)[11]。主站系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集各個(gè)子站系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)中的配網(wǎng)部分進(jìn)行有效的監(jiān)控、配置、管理，協(xié)調(diào)分配各個(gè)子站系統(tǒng)之間所占用的資源，從而使整個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)達(dá)到最優(yōu)。因此，主站系統(tǒng)應(yīng)該符合國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，具有高可靠性、高安全性、高性價(jià)比和高可擴(kuò)展性[12]。

1.2 子站系統(tǒng)

在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中，變電站系統(tǒng)處于中間位置，具有連接上下的作用，主要安裝在變電站或配電網(wǎng)框架承載的開(kāi)閉站。其主要完成的功能有：能夠自動(dòng)識(shí)別檢測(cè)出配網(wǎng)中發(fā)生故障的線路，對(duì)配網(wǎng)終端實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理，在相應(yīng)區(qū)域完成線路故障的定位和隔離，并與主站系統(tǒng)一起修復(fù)故障線路。

此外，由于子站系統(tǒng)擁有較為強(qiáng)大的信息處理能力，所以其也可以作為自動(dòng)化系統(tǒng)中的區(qū)域中心，為其他設(shè)備提供相應(yīng)的服務(wù)，減輕主站系統(tǒng)的壓力。

1.3 通信網(wǎng)絡(luò)

在配電自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，可以根據(jù)三級(jí)框架劃分通信網(wǎng)絡(luò)，該三級(jí)框架對(duì)應(yīng)主站系統(tǒng)、變電站系統(tǒng)和終端系統(tǒng)這3 部分[13]。

通信網(wǎng)絡(luò)是配電自動(dòng)化系統(tǒng)中的關(guān)鍵，其連接著主站系統(tǒng)、子站系統(tǒng)以及配電網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備。因此，其必須擁有較高的確定性、可靠性及穩(wěn)定性，才能確保在高需求量的情況下也可正常運(yùn)行。目前，在配電自動(dòng)化系統(tǒng)中，常用的通信方式有以太網(wǎng)（IPV4）、光纖（SDH）、無(wú)線網(wǎng)（CDMA）、電力線等。在自動(dòng)化配電系統(tǒng)中，通信網(wǎng)絡(luò)會(huì)根據(jù)其通信特點(diǎn)以及成本等實(shí)際需求綜合考慮，采用最優(yōu)的通信方式[14-15]。在一個(gè)配電系統(tǒng)中，通常會(huì)有多種通信方式。例如，在城市配電網(wǎng)絡(luò)中，光纖由于可靠性高、不易受干擾等優(yōu)點(diǎn)為主要的通信方式。而在農(nóng)村的配電網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)由于設(shè)施費(fèi)用較低、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)是主要的通信方式。

1.4 終端系統(tǒng)

終端系統(tǒng)是指在一個(gè)配電自動(dòng)化系統(tǒng)中最接近用戶的設(shè)備，主要作用是對(duì)其范圍內(nèi)的用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析、局部控制以及故障信息的監(jiān)測(cè)、處理與故障恢復(fù)等，其對(duì)應(yīng)的設(shè)備包含但不限于開(kāi)閉所、配電站等。

2 智能電網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性的分析與優(yōu)化

2.1 智能電網(wǎng)不良動(dòng)態(tài)分析

為了能夠更好地對(duì)智能配電網(wǎng)中的不良動(dòng)態(tài)進(jìn)行分析，文中選取了某市某區(qū)域的智能配電網(wǎng)進(jìn)行分析，其智能配電網(wǎng)的整體架構(gòu)如圖2 所示。從圖中可以看到，該智能配電網(wǎng)的架構(gòu)包含有常見(jiàn)的設(shè)備，如電動(dòng)汽車、普通的柔性負(fù)載、分布式電源系統(tǒng)等，這些設(shè)備從原理上與傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)類似[16-19]。因此，在配電網(wǎng)的實(shí)際使用過(guò)程中，這些設(shè)備所處的部分會(huì)與整個(gè)主電網(wǎng)之間產(chǎn)生相互作用，這種作用會(huì)導(dǎo)致配電網(wǎng)出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。顯而易見(jiàn)，這種低頻震蕩是智能電網(wǎng)不良動(dòng)態(tài)問(wèn)題的一個(gè)體現(xiàn)。

圖2 智能配電網(wǎng)示例系統(tǒng)

其次，區(qū)域電網(wǎng)中包含風(fēng)力發(fā)電與光發(fā)電。因現(xiàn)有技術(shù)有限，這兩種發(fā)電方式均不是持續(xù)性發(fā)電，存在間歇發(fā)電的特性，因此在配電網(wǎng)內(nèi)部的節(jié)點(diǎn)與支路中，會(huì)較為頻繁地出現(xiàn)大波動(dòng)過(guò)程，這樣的波動(dòng)勢(shì)必會(huì)造成某些節(jié)點(diǎn)的電壓或者線路功率超過(guò)限制。此為智能電網(wǎng)不良動(dòng)態(tài)的另一個(gè)體現(xiàn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，文中采用PSCAD/EMTDC 仿真系統(tǒng)，在研究過(guò)程中構(gòu)建了圖3 所示的配電網(wǎng)模型。

圖3 智能配電網(wǎng)示例系統(tǒng)仿真模型

1）當(dāng)圖中F 點(diǎn)因接地造成短路類型故障時(shí)，區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的風(fēng)力發(fā)電廠、光發(fā)電機(jī)以及普通的燃?xì)獍l(fā)電廠所輸出的電力功率將會(huì)出現(xiàn)大幅度的波動(dòng)。通過(guò)仿真可知，普通的燃?xì)獍l(fā)電廠功率振蕩的時(shí)間長(zhǎng)達(dá)15 s。

2）當(dāng)區(qū)域電網(wǎng)中的風(fēng)力發(fā)電站遭受到惡劣天氣（如陣風(fēng)等）時(shí)，光發(fā)電機(jī)將會(huì)受到影響，引起小型的擾動(dòng)。普通發(fā)動(dòng)機(jī)所遭受的影響基本為0，但系統(tǒng)所形成的波動(dòng)將會(huì)沿110 kV高壓配電線路向系統(tǒng)傳播。

在仿真分析中，為了降低分析的難度，更加直接地展現(xiàn)不良動(dòng)態(tài)對(duì)智能配電網(wǎng)動(dòng)態(tài)過(guò)程的影響，并未考慮實(shí)際中分布式電源對(duì)配電網(wǎng)的影響。同時(shí)，上文僅從配電網(wǎng)發(fā)生短路、遭受突發(fā)天氣影響兩個(gè)方面對(duì)其動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析。顯然，這種簡(jiǎn)單的分析并不能詳實(shí)地展現(xiàn)出智能配電網(wǎng)是如何產(chǎn)生不良動(dòng)態(tài)以及其不良動(dòng)態(tài)會(huì)有何種影響等。但上文的這種分析對(duì)如何優(yōu)化現(xiàn)有智能配電網(wǎng)，降低其不良動(dòng)態(tài)發(fā)生的幾率具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

2.2 智能電網(wǎng)的動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化

通過(guò)上文分析可知，智能電網(wǎng)在工作中會(huì)出現(xiàn)不良的動(dòng)態(tài)過(guò)程，通常，這種過(guò)程表現(xiàn)為配電網(wǎng)中某個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓或者某條線路的功率短時(shí)間頻繁地出現(xiàn)超過(guò)其設(shè)定上限的波動(dòng)。在諸多情況下，節(jié)點(diǎn)電壓與支路功率之間是相互影響的。因此，要減少智能電網(wǎng)中不良動(dòng)態(tài)過(guò)程的出現(xiàn)，從結(jié)構(gòu)上可以采取使用較少的連接阻抗，改變諸如風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電或光伏發(fā)電的能量產(chǎn)生系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓的方法。文中采用合環(huán)裝置的方法對(duì)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行優(yōu)化，該方法通過(guò)研究如何對(duì)供電中的能量進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償以及對(duì)區(qū)域電網(wǎng)中的電氣聯(lián)絡(luò)關(guān)系進(jìn)行相應(yīng)的改善，從而達(dá)到優(yōu)化不良動(dòng)態(tài)過(guò)程的目的。該裝置的具體結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 合環(huán)裝置示意圖

從動(dòng)力學(xué)的角度來(lái)看，狀態(tài)量之間的相位關(guān)系一般可以用來(lái)表示各個(gè)子系統(tǒng)之間聯(lián)系的緊密程度。放到智能配電網(wǎng)中而言，每個(gè)子系統(tǒng)之間的聯(lián)系越緊密，發(fā)生振蕩的可能性越小。但單純地改善子系統(tǒng)之間的緊密程度，可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)電路諧振以及環(huán)流等問(wèn)題。文中所提出的合環(huán)裝置采用兩個(gè)背向的AC/DC 換流器作為合環(huán)部件，從而解決此問(wèn)題。同時(shí)，可以為AC/DC 配置超級(jí)電容器等儲(chǔ)能裝置，在改善子系統(tǒng)緊密程度的基礎(chǔ)上兼顧有功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償作用，具體實(shí)現(xiàn)如圖4 所示。

3 智能電網(wǎng)可靠性提升分析

智能電網(wǎng)的可靠性是電網(wǎng)運(yùn)行的重要指標(biāo)。從用戶的角度來(lái)看，并不關(guān)注該區(qū)域的供電方式、供電水平等，而是更加注重供電質(zhì)量、供電能力等方面。同時(shí)，停電、供電不足、供電質(zhì)量差等問(wèn)題會(huì)導(dǎo)致用電設(shè)備工作異常問(wèn)題更加嚴(yán)重。尤其是供電質(zhì)量問(wèn)題，從區(qū)域電網(wǎng)的性能來(lái)說(shuō)，其并沒(méi)有較為嚴(yán)重的影響。但對(duì)于用戶而言，供電質(zhì)量差所造成的危害遠(yuǎn)比停電所造成的危害更加嚴(yán)重。因此，在研究某電網(wǎng)是否具有可靠性時(shí)，更應(yīng)從用戶的角度去考慮。

3.1 智能電網(wǎng)可靠性指標(biāo)

為了更好地評(píng)估智能電網(wǎng)的可靠性，需要首先確定評(píng)估可靠性的指標(biāo)。考慮到電網(wǎng)企業(yè)的實(shí)際需要與電網(wǎng)業(yè)務(wù)的面向用戶特性，文中針對(duì)供電可靠性、用戶體驗(yàn)性以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行評(píng)估。智能電網(wǎng)可靠性指標(biāo)詳情如圖5 所示，其中供電可靠性主要包括孤島充裕度概率、負(fù)載轉(zhuǎn)供效率和可靠性指標(biāo)完成率。用戶體驗(yàn)度主要包括用電可靠性、用電滿意度、用戶負(fù)載等級(jí)和電壓合格率4 個(gè)指標(biāo)。經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)主要包括投資運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本以及產(chǎn)電比兩個(gè)方面。

圖5 智能電網(wǎng)可靠性指標(biāo)體系圖

3.2 智能電網(wǎng)可靠性對(duì)象優(yōu)選

不同于傳統(tǒng)方法使用幾何距離計(jì)算相對(duì)貼近度，文中在TOPSIS 方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，使用變權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度來(lái)計(jì)算待選對(duì)象與理想對(duì)象之間的相對(duì)貼近度。灰色關(guān)聯(lián)度可以反映兩個(gè)數(shù)據(jù)序列之間的相似性，灰色關(guān)聯(lián)度越大，兩個(gè)對(duì)象之間的相似性越高，待選對(duì)象越符合優(yōu)選條件，反之亦然。

文中基于變權(quán)灰色關(guān)聯(lián)度改進(jìn)的TOPSIS 方法對(duì)智能電網(wǎng)可靠性對(duì)象進(jìn)行優(yōu)選，模型流程如圖6所示。

圖6 智能電網(wǎng)優(yōu)選流程

4 實(shí)例分析

為了驗(yàn)證文中所提出方法的有效性，以某地區(qū)5個(gè)新型智能配電網(wǎng)為例進(jìn)行分析，5 個(gè)配電網(wǎng)的各項(xiàng)可靠性指標(biāo)數(shù)據(jù)如表1 所示。5 個(gè)配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)完成率、用電可靠率、電壓合格率以及用電滿意度差距較小，而孤島充裕度和用戶負(fù)荷等級(jí)差距較大，因此，后兩個(gè)指標(biāo)是主要需要評(píng)估的指標(biāo)。

表1 調(diào)研所得的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

如表2 所示，傳統(tǒng)熵權(quán)法各指標(biāo)權(quán)值分配差異過(guò)大，精確度不足。AHP 方法與綜合賦權(quán)法賦值結(jié)果與表1 差異較大，無(wú)法突出各指標(biāo)對(duì)最終評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，容易引起評(píng)估誤差。文中所使用的改進(jìn)熵權(quán)法可以有效均衡各評(píng)估指標(biāo)，同時(shí)重點(diǎn)評(píng)估孤島充裕度指標(biāo)，因此是最優(yōu)選擇。

表2 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

智能電網(wǎng)是對(duì)分布式能源、配用電互動(dòng)、微網(wǎng)等多種技術(shù)、功能的有機(jī)集成，其通過(guò)可視化界面、專家系統(tǒng)、機(jī)器學(xué)習(xí)、智能配電仿真等多方面技術(shù)，實(shí)現(xiàn)配電系統(tǒng)與用電用戶之間的交流互動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電力能源的智能供給與分配。隨著專家系統(tǒng)等技術(shù)進(jìn)一步的發(fā)展成熟，智能電網(wǎng)的發(fā)展也趨于成熟。但由于智能電網(wǎng)所面臨的城市、城鄉(xiāng)結(jié)合、農(nóng)村等環(huán)境的不同，若智能電網(wǎng)的進(jìn)一步整合，配電自動(dòng)化技術(shù)如何適應(yīng)不同的場(chǎng)景，仍需要不斷地探索及研究。