【精彩论文】计及源荷不确定性的配电网综合节能潜力评估方法

计及源荷不确定性的配电网综合节能潜力评估方法

杨作祥, 王晶晶, 吴江, 唐莎莎, 侯斌

（重庆涪陵电力实业股份有限公司，重庆 408000）

摘要：为实现对有源配电网节能潜力的有效评估，研究配电网节能改造方案的评估方法。利用K均值聚类方法进行配电网典型场景提取，采用前推回代法进行典型场景下潮流计算。根据潮流计算结果制定节能改造方案。构建含有多个指标的综合节能潜力评估指标体系，提出了具有混合决策模型的综合评估方法。通过仿真算例验证了所提方法的有效性。

引文信息

杨作祥, 王晶晶, 吴江, 等. 计及源荷不确定性的配电网综合节能潜力评估方法[J]. 中国电力, 2022, 55(8): 151-156, 164.

YANG Zuoxiang, WANG Jingjing, WU Jiang, et al. Assessment method of comprehensive energy saving potential of distribution network considering source-load power uncertainty[J]. Electric Power, 2022, 55(8): 151-156, 164.

引言目前配电网存在负荷不匹配、线路过长、迂回供电、部分线路线径偏小、无功补偿不足等问题，从而导致配网线损偏高^[1-5]。配电网的改造有利于提高电力系统经济性，对实现中国节能减排目标具有重要意义^[6-10]。高比例分布式电源(distributed generation，DG)接入是配电网的必然趋势，但其造成了配电网的网络结构、运行特性和控制保护日益复杂^[11-14]，使得配电网的潮流不确定性增加，不仅给分析配电网薄弱环节带来了困难，也提高了评估配电网节能改造方案的难度，不利于挖掘配电网节能降耗的潜力^[15-17]。为了分析节能措施的效果，文献[18]提出了一种配电网节能潜力定量计算方法，但指标中没有考虑安全性及经济性。文献[19]在分析配网损耗影响因素的基础上，提出了配电网节能降耗潜力的评估方法，但该方法仅针对网损率单一指标。文献[20]提出了低压配电台区电压改善潜力定量评估方法，该方法利用改进序关系算法确定权重，进而加权计算得到台区电压改善率。文献[21]提出了配电网差异化节能规划方法，建立了不同数据完善度下的节能潜力模型，该方法很大程度上减少了配网节能评估的难度，但指标上仅倾向于网损率。文献[22]提出了基于运行模拟技术的节能经济运行方案评价方法，但未考虑方案安全性因素。文献[23]提出了基于多层次模糊评估的配电网节能潜力综合评价方法，但没有体现指标之间的相互影响关系。文献[24]基于综合模糊评价法对荷源联合调峰运行方案进行电力节能综合评估，但该方法无法客观表征权重系数。综上，目前配电网节能潜力评估的研究未考虑分布式电源出力和负荷功率波动性的影响，且节能潜力评估的指标较为单一。

本文开展了计及源荷功率不确定性的配电网综合节能潜力评估方法的研究，提出基于混合决策模型的综合评估方法，进行了改造方案的优选。

1  功率时序场景构建风速、光照强度会受到季节、气候等因素的影响，导致风电和光伏电源的出力具有随机性和不确定性^[25-27]。配网中负荷主要包括工业负荷、商业负荷及居民负荷。不同类型负荷的时序特性具有差异性，在进行含DG配电网的综合节能潜力评估时，需充分考虑配网潮流的随机性和不确定性，为进一步挖掘配电网节能降耗潜力提供可靠依据。基于功率的时序性特性，采取场景缩减方法得到满足评估计算要求的典型时序场景。本文以欧几里得距离作为相似性划分指标，通过K均值聚类算法进行聚类分析，进而提取典型场景，具体步骤如下。（1）首先基于DG及负荷全年样本数据形成了N个原始场景，并随机选择k个场景作为初始簇心。（2）经挑选后的剩余场景集合为M，剩余场景为y_g （g=1, 2,···, N−k)。计算出M中各场景到各初始簇心的欧几里得距离。（3）根据邻近相似原则，将M中各场景分别归类到与其距离最近的初始簇心所在的簇中，从而形成k个新的聚类集合Y。（4）计算出各聚类中所有场景的平均值，作为k个新的聚类中心，并更新聚类中心集合O。（5）重复步骤（2）~（4），直到聚类结果及聚类中心不再发生变化，即完成场景缩减。

（6）根据各典型时序场景中的风速及光照强度，计算典型场景下风机、光伏的出力。

2  节能降耗方案的综合潜力评估指标

目前，分布式电源一般就近安装在用户处，从而尽可能地实现消纳。在潮流中，上游节点i与下游节点j之间线路的有功损耗∆P_ij和无功损耗∆Q_ij分别为

式中：U_j为节点j电压相量；R_ij、X_ij分别为节点i与j之间线路的电阻、电抗；P_j、Q_j分别为上游馈线注入节点j的有功、无功功率。配电网损耗与节点电压大小、线路阻抗、节点注入功率等因素有关。本文设计配网主要节能降耗方案如下。（1）更换导线截面，选择较大截面的导线，以便减小线路电阻，从而进一步减小有功网损。（2）更换高耗能变压器，以便降低总损耗。（3）增设无功补偿装置，使得节点注入无功功率减小。（4）调整线路端电压，从而直接降低网损。建立合理完善的指标体系是进行含DG配电网综合节能潜力评估的首要前提，不仅要考虑方案的节能效果，同时还需综合考虑经济性和安全性等因素^[25]。

本文以指标的全面性、不重叠、获取方便性为原则，完成评估指标体系的初选，并结合功能聚合与相关性聚合对初选的指标体系进行结构优化，从节能性、安全性、经济性等3个方面建立了评估指标体系，如图1所示。从图1中可以看出，本文所提指标体系包含3个二级指标，7个三级指标。各个指标互相影响，例如，网损改善率越大，则年节省电费将越大，需要更多的投资成本，故要有效地处理指标间的相互关联。

图1  评估指标体系

Fig.1  Evaluation index system

3  基于混合决策模型的评估方法

本文提出基于融合决策实验与评估-网络分析-逼近理想解排序（decision making trial and evaluation laboratory-analytic network process-technique for order preference by similarity to an ideal solution，DEMATEL-ANP- TOPSIS）混合决策模型的综合评估方法，具体步骤如下。

（1）结合指标体系，建立综合影响关系矩阵T为

式中：X为标准化直接关系矩阵；I为单位矩阵。（2）根据网络关系以及专家意见形成元素之间的比较判断矩阵，经一致性校验后，通过特征向量构造未加权超级矩阵W′，并将W′分别乘以比较矩阵从而形成已加权的超级矩阵W。对W求极限，若极限值收敛且唯一，则可得到各指标的权重值w_j（j=1,2,···,q），q为指标个数。（3）建立标准化方案指标决策矩阵A。元素为a_i，其为所有方案中指标i的归一化值。

（4）通过A求得正、负理想方案矩阵B⁺和B^–，并计算评价对象i与最优方案、最劣方案间的距离

（5）本文将待评价对象i与最优方案的贴近度计为γ_i，并以贴近度代表改造方案的综合节能潜力值，即

基于DEMATEL-ANP-TOPSIS混合决策模型的综合评估流程如图2所示。

图2   评估流程

Fig.2  Assessment process

4  算例分析将本文方法应用于IEEE-33节点配电网络中进行算例分析。在该网络中，基准电压为12.66 kV，功率基准值为300 kV·A，总负荷为3.715+j2.3 MV·A。节点2~18、19~25、26~33分别为居民负荷、工业负荷、商业负荷。节点12和节点20各接入一台风力发电机，该风力发电机的切入风速、额定风速和切出风速分别为3 m/s、11 m/s和20 m/s。节点4和节点30各接入一个光伏电源，其额定光照强度均为1 kW/m²。所有线路采用LGJ-95型号架空线路。节点14、15、16采用的变压器型号为S9-315，其他节点变压器型号均为S9-500。根据典型时序场景生成方法，生成典型场景。基于节能降耗原理设计了4种降耗方案，如表1所述。表1  降耗方案Table 1  Consumption reduction plan

以特点时序场景为例，进行潮流计算，得到节点电压、支路和变压器损耗如图3所示。由图3 a)可知，线路2—3、4—5、5—6、27—28的线损较高，因而将其更换为LGJ-120型。由图3 b)可知，节点14、15、23因负荷较重导致节点电压较低，因而在这3个节点处各接1组100 kV·A无功补偿设备。由图3 c)可知，节点24、25、30处的变压器损耗较高，因而将其替换为S11-630的节能变压器。

图3  潮流计算结果

Fig.3  Results of power flow calculation

再次进行潮流计算，得到不同方案相应评估指标的归一化值，以此为基础采用场景更替方法得出所有场景下各方案评估指标的归一化值，基于该数据，采用基于DEMATEL-ANP-TOPSIS混合决策模型的综合评估方法对不同场景下各方案综合节能潜力进行分析，得到的结果如图4所示。

图4  各方案的综合节能潜力

Fig.4  Comprehensive energy saving potential of each scheme
从图4可以看出，不同场景下各方案综合节能潜力不同。方案3的综合节能潜力在大部分场景下均保持较高水平，最大值为0.945 4，较方案1、方案2、方案4的节能潜力平均值增加10.1%、674.8%、566.6%。方案1在所有场景下的节能潜力均超过方案2和方案4，其最大值为0.801 1。综上，增设无功补偿装置和增加导线截面可取得良好的综合节能效果，后者降损效果相对偏小，但在节点电压调节方面的效果更好。方案2在95.8%场景下的综合节能潜力均值最小，最小值为0.096 8，说明更换高耗能变压器的方案综合节能效果差。方案4相较于方案2具有更好的综合节能效果。将本文方法计为方法1，层次分析-逼近理想解排序（analytic hierarchy process-technique for order preference by similarity to an ideal solution, AHP-TOPSIS）方法计为方法2，熵权-多准则妥协解排序（visekriterijumska optimizacija I kompromisno resenje, VIKOR）方法计为方法3，构建6种场景，将3种方法应用于表1中的降耗方案，结果如表2所示。由表2可知，方法2、方法3计算得出的各场景下同一方案的节能潜力变化趋势与方法1基本相同。方法2及方法3对应方案的节能潜力比方法1有所增加。方法2、方法3的指标权重标准差分别为0.170 9、0.162 8，大于方法1，说明本文所提方法指标权重的差异性更小。综上，本文方法能更好综合节能性、电能质量、经济性等方面的指标，进行节能方案的综合节能潜力评估。

表2  不同评估方法的结果

Table 2  Results of different evaluation methods

5  结语本文开展了计及源荷功率不确定性的配电网综合节能潜力评估方法的研究，提出基于DEMATEL-ANP-TOPSIS综合评估方法对改造方案进行优选，可更好地均衡节能性、经济性、安全性的关系，更加适用于计及不确定因素的配电网综合节能潜力评估。（责任编辑　杨彪）

作者介绍

杨作祥（1965—），男，工程师，从事配电网节能优化技术研究，E-mail：[e-mail];

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王晶晶（1992—），女，通信作者，工程师，从事配电网节能优化技术研究，E-mail：[e-mail].

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编辑：于静茹审核：方彤

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