基于合環(huán)裝置與改進TOPSIS 法的用電可靠性評估

胡 迪，鄧德祥，顏 佳，曾 霖

（武漢大學電子信息學院，湖北武漢 430072）

在當前我國大力建設智能電網的實際情況下，如何建設一個智能的供電網絡系統(tǒng)暫時仍未有一個完整的方案。但通過國內外智能電網的發(fā)展可知，智能電網應當體現(xiàn)在供電網絡的配網調度部分，而配網調度能力的強弱與配電自動化水平的高低相關。因此，實現(xiàn)配電自動化不僅要提高網絡的可靠性，更要利用增強供電網絡的供電質量、權衡供電網絡企業(yè)的利益等重要手段，來實現(xiàn)智能電網[1-3]。

由于發(fā)展現(xiàn)狀、自然條件、歷史背景、經濟實力等因素的影響，當前供電網絡發(fā)展狀況兩極分化的情況較為嚴重[4]，即城市供電網絡發(fā)展迅速，技術較為先進；而農村供電網絡普遍而言普及率較低，技術較為落后，智能化程度差。因此，結合現(xiàn)有的成熟技術，對農村的配電網絡進行快速改造、重建或者升級，建設適應農村特點的智能電網有著重要意義[5-7]。

文中分析了智能電網的自動化系統(tǒng)結構以及智能電網的動態(tài)特性和可靠性，提出了采用合環(huán)裝置與改進TOPSIS 法來建立用電可靠性分析的評估模型，基于該模型的評估結果從而提升分析對象的優(yōu)選方案，最終實現(xiàn)對智能電網配電自動化系統(tǒng)的可靠性優(yōu)化與提升。

1 配電自動化系統(tǒng)結構

配電自動化系統(tǒng)的組成復雜，系統(tǒng)的設備也應根據其所處的環(huán)境進行調整。一般而言，在城市供電網絡中，配電自動化系統(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；而農村配電網由于其規(guī)模小、信息集中等特點，配電自動化系統(tǒng)一般分為主站系統(tǒng)、終端系統(tǒng)和通信系統(tǒng)3 個部分[8-10]。配電自動化系統(tǒng)的網格結構如圖1 所示。

圖1 網架結構示意

1.1 主站系統(tǒng)

主站系統(tǒng)是配電自動化系統(tǒng)中監(jiān)控和管理的核心，其建立在光纖網絡的基礎上。為了便于不同人員的操作以及使整個供電網絡中服務器系統(tǒng)統(tǒng)一化，主站系統(tǒng)采用協(xié)調調制的集成設計，并采用支持跨平臺處理的操作系統(tǒng)[11]。主站系統(tǒng)主要負責采集各個子站系統(tǒng)的實時數(shù)據，同時對整個供電網絡中的配網部分進行有效的監(jiān)控、配置、管理，協(xié)調分配各個子站系統(tǒng)之間所占用的資源，從而使整個供電網絡的工作狀態(tài)達到最優(yōu)。因此，主站系統(tǒng)應該符合國際工業(yè)標準的要求，具有高可靠性、高安全性、高性價比和高可擴展性[12]。

1.2 子站系統(tǒng)

在配電自動化系統(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框架承載的開閉站。其主要完成的功能有：能夠自動識別檢測出配網中發(fā)生故障的線路，對配網終端實現(xiàn)自動化管理，在相應區(qū)域完成線路故障的定位和隔離，并與主站系統(tǒng)一起修復故障線路。

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

1.3 通信網絡

在配電自動化系統(tǒng)結構中，可以根據三級框架劃分通信網絡，該三級框架對應主站系統(tǒng)、變電站系統(tǒng)和終端系統(tǒng)這3 部分[13]。

通信網絡是配電自動化系統(tǒng)中的關鍵，其連接著主站系統(tǒng)、子站系統(tǒng)以及配電網絡中的終端設備。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行。目前，在配電自動化系統(tǒng)中，常用的通信方式有以太網（IPV4）、光纖（SDH）、無線網（CDMA）、電力線等。在自動化配電系統(tǒng)中，通信網絡會根據其通信特點以及成本等實際需求綜合考慮，采用最優(yōu)的通信方式[14-15]。在一個配電系統(tǒng)中，通常會有多種通信方式。例如，在城市配電網絡中，光纖由于可靠性高、不易受干擾等優(yōu)點為主要的通信方式。而在農村的配電網絡中，以太網由于設施費用較低、擴展性強等特點是主要的通信方式。

1.4 終端系統(tǒng)

終端系統(tǒng)是指在一個配電自動化系統(tǒng)中最接近用戶的設備，主要作用是對其范圍內的用戶數(shù)據進行采集分析、局部控制以及故障信息的監(jiān)測、處理與故障恢復等，其對應的設備包含但不限于開閉所、配電站等。

2 智能電網動態(tài)特性的分析與優(yōu)化

2.1 智能電網不良動態(tài)分析

為了能夠更好地對智能配電網中的不良動態(tài)進行分析，文中選取了某市某區(qū)域的智能配電網進行分析，其智能配電網的整體架構如圖2 所示。從圖中可以看到，該智能配電網的架構包含有常見的設備，如電動汽車、普通的柔性負載、分布式電源系統(tǒng)等，這些設備從原理上與傳統(tǒng)的發(fā)電機類似[16-19]。因此，在配電網的實際使用過程中，這些設備所處的部分會與整個主電網之間產生相互作用，這種作用會導致配電網出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。顯而易見，這種低頻震蕩是智能電網不良動態(tài)問題的一個體現(xiàn)。

圖2 智能配電網示例系統(tǒng)

其次，區(qū)域電網中包含風力發(fā)電與光發(fā)電。因現(xiàn)有技術有限，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，因此在配電網內部的節(jié)點與支路中，會較為頻繁地出現(xiàn)大波動過程，這樣的波動勢必會造成某些節(jié)點的電壓或者線路功率超過限制。此為智能電網不良動態(tài)的另一個體現(xiàn)。

針對上述問題，文中采用PSCAD/EMTDC 仿真系統(tǒng)，在研究過程中構建了圖3 所示的配電網模型。

圖3 智能配電網示例系統(tǒng)仿真模型

1）當圖中F 點因接地造成短路類型故障時，區(qū)域電網內的風力發(fā)電廠、光發(fā)電機以及普通的燃氣發(fā)電廠所輸出的電力功率將會出現(xiàn)大幅度的波動。通過仿真可知，普通的燃氣發(fā)電廠功率振蕩的時間長達15 s。

2）當區(qū)域電網中的風力發(fā)電站遭受到惡劣天氣（如陣風等）時，光發(fā)電機將會受到影響，引起小型的擾動。普通發(fā)動機所遭受的影響基本為0，但系統(tǒng)所形成的波動將會沿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)不良動態(tài)對智能配電網動態(tài)過程的影響，并未考慮實際中分布式電源對配電網的影響。同時，上文僅從配電網發(fā)生短路、遭受突發(fā)天氣影響兩個方面對其動態(tài)過程進行分析。顯然，這種簡單的分析并不能詳實地展現(xiàn)出智能配電網是如何產生不良動態(tài)以及其不良動態(tài)會有何種影響等。但上文的這種分析對如何優(yōu)化現(xiàn)有智能配電網，降低其不良動態(tài)發(fā)生的幾率具有較強的指導作用。

2.2 智能電網的動態(tài)特性優(yōu)化

通過上文分析可知，智能電網在工作中會出現(xiàn)不良的動態(tài)過程，通常，這種過程表現(xiàn)為配電網中某個節(jié)點的電壓或者某條線路的功率短時間頻繁地出現(xiàn)超過其設定上限的波動。在諸多情況下，節(jié)點電壓與支路功率之間是相互影響的。因此，要減少智能電網中不良動態(tài)過程的出現(xiàn)，從結構上可以采取使用較少的連接阻抗，改變諸如風力發(fā)電、水力發(fā)電或光伏發(fā)電的能量產生系統(tǒng)的節(jié)點電壓的方法。文中采用合環(huán)裝置的方法對動態(tài)特性進行優(yōu)化，該方法通過研究如何對供電中的能量進行動態(tài)補償以及對區(qū)域電網中的電氣聯(lián)絡關系進行相應的改善，從而達到優(yōu)化不良動態(tài)過程的目的。該裝置的具體結構如圖4 所示。

圖4 合環(huán)裝置示意圖

從動力學的角度來看，狀態(tài)量之間的相位關系一般可以用來表示各個子系統(tǒng)之間聯(lián)系的緊密程度。放到智能配電網中而言，每個子系統(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，可能會導致出現(xiàn)電路諧振以及環(huán)流等問題。文中所提出的合環(huán)裝置采用兩個背向的AC/DC 換流器作為合環(huán)部件，從而解決此問題。同時，可以為AC/DC 配置超級電容器等儲能裝置，在改善子系統(tǒng)緊密程度的基礎上兼顧有功功率的動態(tài)補償作用，具體實現(xiàn)如圖4 所示。

3 智能電網可靠性提升分析

智能電網的可靠性是電網運行的重要指標。從用戶的角度來看，并不關注該區(qū)域的供電方式、供電水平等，而是更加注重供電質量、供電能力等方面。同時，停電、供電不足、供電質量差等問題會導致用電設備工作異常問題更加嚴重。尤其是供電質量問題，從區(qū)域電網的性能來說，其并沒有較為嚴重的影響。但對于用戶而言，供電質量差所造成的危害遠比停電所造成的危害更加嚴重。因此，在研究某電網是否具有可靠性時，更應從用戶的角度去考慮。

3.1 智能電網可靠性指標

為了更好地評估智能電網的可靠性，需要首先確定評估可靠性的指標。考慮到電網企業(yè)的實際需要與電網業(yè)務的面向用戶特性，文中針對供電可靠性、用戶體驗性以及經濟性進行評估。智能電網可靠性指標詳情如圖5 所示，其中供電可靠性主要包括孤島充裕度概率、負載轉供效率和可靠性指標完成率。用戶體驗度主要包括用電可靠性、用電滿意度、用戶負載等級和電壓合格率4 個指標。經濟性指標主要包括投資運營維護成本以及產電比兩個方面。

圖5 智能電網可靠性指標體系圖

3.2 智能電網可靠性對象優(yōu)選

不同于傳統(tǒng)方法使用幾何距離計算相對貼近度，文中在TOPSIS 方法的基礎上進行了進一步改進，使用變權灰色關聯(lián)度來計算待選對象與理想對象之間的相對貼近度。灰色關聯(lián)度可以反映兩個數(shù)據序列之間的相似性，灰色關聯(lián)度越大，兩個對象之間的相似性越高，待選對象越符合優(yōu)選條件，反之亦然。

文中基于變權灰色關聯(lián)度改進的TOPSIS 方法對智能電網可靠性對象進行優(yōu)選，模型流程如圖6所示。

圖6 智能電網優(yōu)選流程

4 實例分析

為了驗證文中所提出方法的有效性，以某地區(qū)5個新型智能配電網為例進行分析，5 個配電網的各項可靠性指標數(shù)據如表1 所示。5 個配電網的可靠性指標完成率、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荷等級差距較大，因此，后兩個指標是主要需要評估的指標。

表1 調研所得的統(tǒng)計數(shù)據

如表2 所示，傳統(tǒng)熵權法各指標權值分配差異過大，精確度不足。AHP 方法與綜合賦權法賦值結果與表1 差異較大，無法突出各指標對最終評價結果的影響，容易引起評估誤差。文中所使用的改進熵權法可以有效均衡各評估指標，同時重點評估孤島充裕度指標，因此是最優(yōu)選擇。

表2 各評價指標的權重計算結果

5 結束語

智能電網是對分布式能源、配用電互動、微網等多種技術、功能的有機集成，其通過可視化界面、專家系統(tǒng)、機器學習、智能配電仿真等多方面技術，實現(xiàn)配電系統(tǒng)與用電用戶之間的交流互動，從而實現(xiàn)電力能源的智能供給與分配。隨著專家系統(tǒng)等技術進一步的發(fā)展成熟，智能電網的發(fā)展也趨于成熟。但由于智能電網所面臨的城市、城鄉(xiāng)結合、農村等環(huán)境的不同，若智能電網的進一步整合，配電自動化技術如何適應不同的場景，仍需要不斷地探索及研究。