基于熵權(quán)法的新能源接入風(fēng)險(xiǎn)模糊綜合評(píng)價(jià)

李小偉, 林信, 黃麗娟, 陳楚, 周琳, 宋馨

(1.廣西電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心,廣西,南寧 530023;2.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣西電力設(shè)計(jì)研究院有限公司,能源規(guī)劃研究中心,廣西,南寧 530023)

0 引言

新能源出力具有高度不確定性,接入傳統(tǒng)電網(wǎng)會(huì)導(dǎo)致供電質(zhì)量產(chǎn)生波動(dòng),影響電網(wǎng)供電穩(wěn)定性。利用風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法能準(zhǔn)確、有效地分析新能源接入對(duì)電網(wǎng)的威脅,從而確保電力供應(yīng)安全。

有學(xué)者在這方面展開了相關(guān)研究:文獻(xiàn)[1]分析了新能源電力系統(tǒng)概率風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的應(yīng)用現(xiàn)狀和技術(shù)路線,指出概率分析評(píng)估能有效地對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行量化分析,但概率評(píng)估計(jì)算復(fù)雜、缺乏實(shí)際應(yīng)用;文獻(xiàn)[2]綜合新能源滲透率和新能源并網(wǎng)后的系統(tǒng)脆弱性,提出了新能源消納風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo),評(píng)估電網(wǎng)對(duì)新能源的消納能力;文獻(xiàn)[3]建立了風(fēng)、光并網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,考慮了新能源接入點(diǎn)和氣候影響;文獻(xiàn)[4]從經(jīng)濟(jì)性方面構(gòu)建了新能源接入效益評(píng)估體系,對(duì)新能源接入后電網(wǎng)的運(yùn)行效率和投資效益進(jìn)行了評(píng)估。上述研究各自選擇某個(gè)方面分析新能源接入對(duì)電網(wǎng)的影響,但缺乏綜合、全面的評(píng)估新能源接入下的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

根據(jù)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)和新能源特性[5],遵循評(píng)價(jià)體系的系統(tǒng)性、科學(xué)性及可操作性原則建立了兩級(jí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系,如圖1所示。新能源接入的風(fēng)險(xiǎn)主要源自其出力的間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性帶來的高度不確定性,因而本文將其電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)影響分為結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)、技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn),每類風(fēng)險(xiǎn)包含若干評(píng)價(jià)子因素。

圖1 新能源接入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

2 模糊綜合評(píng)價(jià)模型

模糊綜合評(píng)價(jià)以模糊理論為基礎(chǔ),結(jié)合定性和定量因素,能對(duì)由相互關(guān)聯(lián)、相互制約的眾多因素構(gòu)成的復(fù)雜系統(tǒng)做出更合理的綜合評(píng)價(jià)[6]。

2.1 模糊評(píng)價(jià)因素集和評(píng)語集

2.2 評(píng)估因素隸屬函數(shù)

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估因素包括定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)。定性數(shù)據(jù)采用模糊統(tǒng)計(jì)法,邀請(qǐng)專家對(duì)各因素進(jìn)行評(píng)語打分,按照評(píng)語比例計(jì)算隸屬度。

為消除定量數(shù)據(jù)的量綱影響,并滿足隸屬函數(shù)的輸入值屬于[0,1]區(qū)間,需要將原始定量數(shù)據(jù)歸一化。設(shè)某個(gè)定量因素的原始值為x,v為其歸一化值,則根據(jù)該因素屬于成本型還是效益型,歸一化公式分別為式(1)、式(2):

(1)

(2)

其中,L為國標(biāo)/企標(biāo)閾值。

初始定量型數(shù)據(jù)除以因素最大閾值后可作為評(píng)估數(shù)據(jù)。為了提高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性,根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)和風(fēng)險(xiǎn)特性,確定定量數(shù)據(jù)的隸屬函數(shù)由高斯函數(shù)和梯形函數(shù)組合而成,如圖2所示。各個(gè)評(píng)語的隸屬函數(shù)依次如下:

圖2 隸屬函數(shù)分布圖

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

各風(fēng)險(xiǎn)因素由模糊統(tǒng)計(jì)法或隸屬函數(shù)生成模糊評(píng)估矩陣?；谝蛩仡悇eUt建立的評(píng)估矩陣Rt為

(8)

2.3 確定子因素權(quán)重

(1) 計(jì)算子因素i的第j個(gè)評(píng)估值所占比重:

(9)

(2) 計(jì)算子因素i的信息熵:

(10)

(11)

2.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

第t類風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)估結(jié)果為

Bt=Wt°Rtt∈(1,2,…,N)

(12)

式中,“°”為乘加模糊算子M(·,+),N個(gè)風(fēng)險(xiǎn)類別評(píng)估結(jié)果構(gòu)成綜合評(píng)估矩陣R={B1,B2,…,BN}。風(fēng)險(xiǎn)因素類別權(quán)重向量A=(a1,a2,…,aN)表示不同風(fēng)險(xiǎn)類別在綜合評(píng)估中的重要程度,A值根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)設(shè)定。R與類別權(quán)重A模糊乘加得到最終評(píng)價(jià)結(jié)果:

B=(bj)=A°Rj=1,2,…,m

(13)

新能源接入的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)為

V=maxbj

(14)

3 新能源接入風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

本文提出的新能源風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估模型計(jì)算流程如圖3所示,具體包括以下幾個(gè)步驟:

圖3 新能源風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型流程

步驟1 分析網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和新能源接入特性,確定評(píng)估因素閾值,采集風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估基礎(chǔ)數(shù)據(jù);

步驟2 聘任專家對(duì)定性因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)語打分,仿真獲得定量因素?cái)?shù)據(jù)值;

步驟3 依據(jù)模糊統(tǒng)計(jì)法和式(3)～式(7)的隸屬函數(shù)計(jì)算定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)隸屬度,按類別建立模糊評(píng)估矩陣;

步驟4 按據(jù)式(11)確定各類別子因素權(quán)重;

步驟5 按照式(12)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)類別評(píng)估,分析評(píng)估對(duì)象在各類別下的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

步驟6 依據(jù)式(13)進(jìn)行綜合評(píng)估,由式(14)確定綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

4 算例分析

本文選擇南方某省新建的200 kW風(fēng)儲(chǔ)項(xiàng)目為算例。該地有著豐富的陸海風(fēng)能和光伏資源,新能源裝機(jī)容量逐年提高,電網(wǎng)規(guī)劃需要考慮新能源接入帶來的風(fēng)險(xiǎn)。該項(xiàng)目接入電壓220 kV,基于IEEE-39節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)作為接入點(diǎn)仿真獲得定量因素?cái)?shù)據(jù)值。聘請(qǐng)7位電網(wǎng)公司運(yùn)營(yíng)管理人員和4位學(xué)術(shù)專家對(duì)定性指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語打分。

4.1 風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)估矩陣和權(quán)重

對(duì)定性和定量數(shù)據(jù)模糊化得到4個(gè)模糊風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估矩陣R1～R4:

利用熵權(quán)法計(jì)算各類別子因素客觀權(quán)重:

根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)設(shè)定風(fēng)險(xiǎn)類別權(quán)重:

A=(0.283 0.447 0.106 0.164)。

4.2 模糊綜合評(píng)價(jià)

分別對(duì)算例項(xiàng)目進(jìn)行類別風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,結(jié)果如表1所示。表1中黑色加粗?jǐn)?shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)值為評(píng)估結(jié)果。

表1 模糊評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)最大隸屬度原則分析表1可以得到:所評(píng)項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)處于“較高風(fēng)險(xiǎn)”,需要優(yōu)化網(wǎng)架結(jié)構(gòu),提高輸送能力;運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)都為“較低風(fēng)險(xiǎn)”,目前電網(wǎng)運(yùn)行管理方式和技術(shù)能力能滿足該項(xiàng)目的接入;經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)也為“低風(fēng)險(xiǎn)”,不會(huì)導(dǎo)致過多的經(jīng)濟(jì)成本和額外開銷;項(xiàng)目的綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估為“低風(fēng)險(xiǎn)”,表明該新能源接入不會(huì)對(duì)本地電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重影響,而且能帶來新的效益和利潤(rùn)增長(zhǎng),但電網(wǎng)未來規(guī)劃需要重點(diǎn)考慮新能源接入對(duì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的影響。

5 總結(jié)

針對(duì)新能源接入對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)問題,本文提出了一種基于熵權(quán)法的模糊綜合評(píng)估體系。評(píng)估體系綜合考慮結(jié)構(gòu)、運(yùn)行、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性等4個(gè)方面,構(gòu)建了4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)類別和19個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素組成的兩級(jí)評(píng)估體系。本文構(gòu)建了融合高斯函數(shù)和梯形函數(shù)的隸屬函數(shù)處理定量因素?cái)?shù)據(jù),并利用熵權(quán)法消除權(quán)重設(shè)定中的主觀影響,采用兩級(jí)模糊算子實(shí)現(xiàn)類別風(fēng)險(xiǎn)和綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。算例分析表明,本文所提出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系可實(shí)現(xiàn)新能源接入電網(wǎng)的有效評(píng)估,為電網(wǎng)規(guī)劃提供參考依據(jù)。