微電網規劃方案的評價指標計算和空間距離評價方法

金 強，張紅斌，宋子洋，賈清泉,*，汪湘晉

(1. 國網經濟技術研究院有限公司，北京 102209；2. 燕山大學 電氣工程學院，河北 秦皇島 066004； 3. 國網浙江省電力公司 電力科學研究院，浙江 杭州 310014)

0 引言

微電網是由分布式電源、儲能、負荷以及監控保護裝置等組成的小型發供電系統。微電網在可再生能源利用、節能減排、提高供電可靠性等很多方面具有良好的性能優勢[1-2]。近年來微電網技術已經從實驗室轉向工程應用[3]，技術理論成果豐富[4-7]。微電網規劃方案的合理性對微電網建設運營的成效至關重要，是決定微電網能否發揮經濟、社會和環境效益的關鍵環節[8]。微電網規劃方案在制定過程中通常難以同時兼顧多種性能，需要在方案形成后進行技術經濟綜合評價[9]，保證各項性能指標的合理性，并權衡不同方案的性能優劣。因此開展微電網技術經濟綜合評價研究具有重要意義。

微電網技術經濟評價主要涉及評價指標的確定和綜合評價方法的構建。目前微電網評價方法主要采取各指標加權的方式，權重可采取主觀法、客觀法或主客觀結合的方法。文獻[10]考慮供電可靠性、適應性及其他技術經濟指標，建立了交、直流微電網綜合評估指標并采用改進層次分析法進行加權綜合評價。文獻[11]從可靠性、優質性、經濟性及環保性4個方面采用模糊綜合評價方法對孤島微電網進行評價。文獻[12]針對園區微電網組成及特點，考慮經濟性、可靠性和能耗、環保等方面，基于主客觀結合的層次分析法-改進熵權法確定指標權重，建立VIKOR多準則方法對方案進行排序。文獻[13]提出交直流混合微電網的網絡堅強度評價指標。文獻[14]應用VIKOR法對備選方案綜合排序和選優。文獻[15]采用環比法確定指標權重，利用秩和比評價方法進行綜合評價。上述文獻中，主觀權重方法依靠人的主觀經驗確定評價權重，主觀性強；客觀評價法則通過對比待選方案的方式進行評價，評價體系受評價對象影響，不能獨立存在。另一類文獻在優化配置中考慮多指標需求[9,16-17]。文獻[9]通過多目標優化配置得到Pareto解集，再采用模糊隸屬函數表示滿意度并找到最優解，其本質上仍是對備選方案進行評價。文獻[16-17]等則在優化配置模型中除考慮物理約束外，加入了一定的指標性約束，但受指標可表示性和優化模型的限制，方法只能從某個側面反映部分評價指標，難以將全部性能指標列入優化模型。為規范微電網工程項目評價工作，中國電力企業聯合會制定了《微電網規劃設計評價導則》(T/CEC 106—2016)[18]，對微電網規劃設計的評價范圍、評價指標從宏觀上做了規定，但對于指標含義及計算方法仍缺乏可操作性。

通過上述分析可以看出，相關文獻主要研究微電網規劃的評價方法，少有關注評價指標的獲取問題。微電網規劃方案與性能指標之間的關系是復雜間接的，如何有效獲取性能指標是開展評價的前提。而且，評價過程受待評方案集的影響，是對方案集中各方案進行相互比選、相對排序，導致評價尺度不統一，較優方案集與較劣方案集的評價結果無法區分。工程實際中更需要關注每個規劃方案的絕對水平。

本文分析探討了微電網評價指標的特征屬性并給出可操作的指標計算式；依據天氣數據生成風、光發電的時序模型，建立了應用時序生產模擬手段計算間接指標的策略。構建了評價指標的多維空間表示，提出一種基于指標空間距離的微電網性能評價方法并論述了其作用和優勢。算例分析驗證了本文方法的有效性。

1 微電網規劃方案的評價指標

1.1 評價指標的類型分析

根據文獻[18]，微電網規劃設計方案優選性評價指標包括組成架構評價、技術性評價和效益評價等三類，每類指標又包含多個具體指標。根據微電網評價指標的含義，某些指標越大越有利，如能源綜合利用率；某些指標則越小越有利，如交換功率峰谷差率。因而評價指標依據屬性的不同可分為收益性指標和成本性指標兩類。另外，文獻[18]給出的微電網評價指標，部分指標可根據微電網規劃設計參數按指標定義直接求出，本文稱為直接指標；有些指標則需根據微電網運行統計特性間接獲得，這類指標稱為間接指標。直接指標計算比較簡單，本文不再贅述。對于間接指標，本文結合文獻[18]和微電網特點做了進一步明確和改進，并建立基于功率的指標計算式，使之更具可操作性。本文列出的微電網間接指標見表1，這些指標分別適用于并網型或獨立型微電網，在評價中應合理選擇。

表1 微電網間接評價指標及其屬性Tab.1 The list of indirect index for microgrid evaluation

1.2 間接評價指標及其含義

1) 分布式電源自用率

適用于并網型微電網，表示為年消納分布式電源的電量與分布式電源發電量的比值，

(1)

式中，Po(t)為t時刻微電網通過并網點向外網反送功率；Pg(t)為t時刻微電網中分布式電源總發電功率；Δt為時段時長，對于小時級時長Δt=1。

2) 微電網持續供電能力

適用于并網型微電網。衡量微電網在任何時刻一旦進入孤島狀態，能夠為重要負荷供電的平均持續時間。設t時刻發生孤島，則孤島后微電網能夠為重要負荷持續供電的時間T(t)應滿足

(2)

式中，Wes(t)為儲能系統在t時刻的儲電量；PL(t)為微電網負荷用電功率；ηc為重要負荷的占比。

求出每個時段發生孤島的持續供電時間T(t)，對一年內各段T(t)取平均，得到平均持續供電時間(h)

(3)

3) 用戶供電可靠性

用來表征獨立型微電網因電源供電能力不足引起的供電可靠性。并網型微電網由于有主網作供電保障，不需考慮供電不足問題。

(4)

式中，PL,r(t)為微電網停電負荷功率。

4) 可再生能源棄電率

獨立型微電網棄風棄光的發電量與理論發電量之比。并網型微電網多余風光電量可由主網消納，一般不存在棄風棄光，不需考慮該指標。

(5)

式中，Pwt(t)和Ppv(t)分別為風機和光伏理論發電功率；Pwt,r(t)和Ppv,r(t)為棄風、棄光功率。

5) 儲能年等效全放電次數

用來評價微電網儲能容量的利用水平，

(6)

式中，Pes,d為t時刻儲能放電功率，充電狀態該值為0；Wes,n為儲能系統的額定儲存容量。該指標對并網型和獨立型微電網均適用。

6) 交換功率峰谷差率

指并網型微電網與主網交換功率的年最大峰谷差與微電網最大用電負荷之比，

(7)

式中，Po,m為微電網向外網倒送最大功率；Pi,m為微電網從外網吸收的最大功率，PL,m為微電網最大負荷量。

7) 電量自平衡度

微電網內分布式電源的年發電量與微電網內部負荷的年用電量之比，如(8)式。該指標用來考核并網型微電網內部源荷配置的平衡性。獨立微電網負荷用電量全部由分布式電源提供，不需考核該指標。

(8)

8) 年化石能源替代比

微電網可再生能源年發電量折合燃煤量與微電網建設投資規模之比，單位為噸/萬元。

(9)

式中，PSC為每度電的標準煤耗，CI為微電網項目建設投資成本，Wa為風、光實發電量，

該指標對獨立型和并網型微電網均適用。

2 微電網間接評價指標的時序生產模擬計算方法

上述間接指標需要統計微電網全年運行數據才能得出具體數值，但在規劃設計階段無法獲得真實運行數據。隨機生產模擬是通過模擬電網實際運行行為來間接獲得運行數據的一種有效手段[19-20]，因而微電網規劃的指標數據可采用隨機生產模擬方式獲得，本節建立基于時序生產模擬的微電網間接指標計算方法。

2.1 天氣數據驅動的風光時序模型

本文研究微電網規劃方案評價，是工程建設前的評價。微電網不同規劃方案對間接指標的影響存在復雜關系，不能建立表達式直接表示。本文提出采用時序生產模擬手段確定微電網間接評級指標，首先需要建立合理的模擬運行場景。微電網運行場景涉及各時段風光發電功率水平，具有很強的隨機不確定性，加上地域差異，出力難以預測。考慮風光發電僅受天氣因素影響，歷史天氣數據可真實獲得；而且雖然每天的天氣隨機性很強，但從年的尺度上反映天氣因素是具有統計有效性的。故本文采取典型年天氣數據生成風光出力數據的策略，避免了風光預測數據的不準確性，且可操作性強。

變速恒頻風機功率與風速的關系可表示為

式中，Pwt,n為單臺風機額定功率；ν(t)為風速；νc為切入風速；νf為切出風速；νr為額定風速。

光伏輸出功率與太陽輻射照度、環境溫度有關，

(11)

式中，Ppv,r為單塊光伏安裝容量；Mpv為光伏塊數，Gst=1 000 W/m2，為標準條件太陽輻射照度；Kst=25 ℃為標準條件光伏電池板溫度；k為功率溫度系數；Gs(t)為t時刻太陽實際輻射照度；Kc(t)為t時刻光伏板溫度。光伏板溫度可通過環境溫度估算，即

，

(12)

式中，Ko(t)為t時刻環境溫度。

選取歷史典型年進行分析，以小時為單位建立變量的年時序模型，從氣象數據庫中獲取典型年小時級氣溫Ko(t)、風速ν(t)和光照Gs(t)，代入式 (10)、(11)并根據規劃配置容量可得到風機的年出力時序Pwt(t)和光伏年出力序列Ppv(t)。

負荷的時序模型PL(t)可根據微電網負荷特性參數按典型負荷曲線生成，工程中容易實現。

2.2 微電網的運行行為建模

2.2.1 獨立型微電網的運行模型

獨立型微電網不與大電網連接，處于完全獨立狀態，因而不存在與主網的能量交互，發、儲、用電完全在微電網內部實時平衡[21]。

獨立型微電網的基本運行過程體現為，當微電網分布式電源發電功率大于負荷用電功率且儲能荷電狀態(State of Charge, SOC)未達上限時，則儲能充電；當發電功率大于用電功率且儲能SOC已達上限，考慮到風電運行成本大于光伏，則優先棄風再棄光；當發電功率小于用電功率且儲能SOC未達下限時，則儲能放電；當發電功率小于用電功率且儲能SOC已達下限時，則實施削減負荷。運行過程中需要考慮儲能充放電的功率約束，超出儲能充放電功率約束的差額功率仍需通過棄風棄光或削減負荷來平衡。同時，若微電網中含有燃氣輪機等可控分布式電源，為降低燃料消耗和保障供電，功率平衡優先利用儲能調節，其次啟用可控分布式電源調節，最后通過削減負荷調節。另需說明，由于本文微電網模擬運行是為了規劃評價，因而可不考慮電網約束及網損。

設ΔP(t)為獨立型微電網功率差額，SOCmax、SOCmin分別為儲能最大和最小荷電狀態，Pc,n為可控分布式電源的額定功率，Pc(t)為可控分布式電源的實時發電功率，Pes,n為儲能系統的額定功率，Pes,d(t)為儲能系統的放電功率，Pes,c(t)為儲能系統的充電功率，PL,r(t)為負荷削減功率，Pwt,r(t)為棄風功率，Ppv,r(t)為棄光功率，則獨立型微電網的運行模型如圖1所示。

2.2.2 并網型微電網的運行模型

并網型微電網與大電網相連，除自我運行、自我管控外，還與主網有能量交互。因而并網型微電網的運行過程涉及內部發用電環節的供、需、儲狀態以及微電網與主網的能量交易，具體運行模型與微電網運營模式有關。相關工作已有專門研究[6,21-22]，限于篇幅，本文不做深入討論。

2.3 間接指標分析的時序生產模擬流程

在建立微電網風、光、荷時序模型的基礎上，根據微電網運行行為模型就可以進行時序生產模擬并計算微電網性能指標，具體步驟為：

1) 讀取微電網規劃方案基礎數據，包括源、儲、荷參數及微網類型、屬性等；

2) 選取典型年，獲取天氣數據并構建風、光的年時序模型；根據微網用戶特征構建負荷的年時序模型；

3) 設時段初值t=1，儲能初值SOC=50%；電價等交易參數合理給定初值；間接指標各變量初值設為0；

4) 讀取t時段風光荷時序數據，代入微電網運行模型；

5) 根據微電網運行模型得到的相應時段的功率值， 按1.2節計算相關指標的增量，并累加到指標變量中；計算儲能SOC；

6) 若并網型微電網在該時段進入孤島狀態，則按式(2)計算微電網持續供電時間并累加；

7) 令t=t+1，返回步驟4)，直到t=8 760；

8) 最終得出典型年各指標的統計計算值。

3 微電網規劃的指標空間評價方法

3.1 指標的狀態空間表示

微電網每一種規劃方案可對應得出一組評價指標值，該組指標值等價于刻畫微電網內在屬性的一種宏觀狀態。一系列規劃方案可對應于微電網在內、外部結構或參數變化下產生的一族狀態。因此可以構建規劃方案的指標空間表征，每一種評價指標構成指標空間的一個維度，每個規劃方案可表征為指標空間的一個點。

為衡量微電網規劃性能，首先需對規劃方案設定一組指標容許值理想值。指標容許值表示一個規劃指標只有優于該容許水平才有建設價值。指標理想值是規劃指標可以達到的理想狀態值。指標容許值和理想值可根據工程經驗和專家論證結合機理分析來形成。設指標個數為n，X=(x1,x2,…,xn)為指標值，A=(a1,a2,…,an)為指標容許值，P=(p1,p2,…,pn)為指標理想值，將各指標以容許值和理想值為尺度進行一致化處理，將具有不同物理屬性的指標量變換為指標狀態量。收益性指標為

(13)

成本性指標為

(14)

從而可建立指標空間S=(s1,s2,…,sn)，指標容許值對應空間的坐標原點。顯然，只有si>0的規劃方案才是可行方案，該空間稱為可行空間。

圖1 獨立型微電網時序生產模擬運行模型Fig.1 Time sequence simulated production operation modeling of stand-alone microgrid

3.2 基于指標空間的微電網性能評價

根據建立的指標空間，在可行空間中指標狀態值越大，則距離原點越遠，方案的綜合性能越優。同時，在距離相等的條件下各項指標狀態越均衡則方案越好。本文依據這種特性建立微電網性能評價方法。

由3個指標組成的指標空間如圖2所示。在可行空間建立一條經原點且與各軸夾角相等(三維空間時夾角為54.73°)的射線l，則位于射線上的點其指標均衡性最好。對于n維指標空間，設可行空間任一點S，S點在射線l上的投影為S′，取S′到坐標原點的歐式距離作為評價微電網性能的判據，表達式如(15)式所示。若S的坐標為(s1,s2,…,sn)，S′的坐標為(s′,s′,…,s′)，則根據余弦定理可得出s′的計算如(16)式所示。

圖2 指標狀態空間Fig.2 Index state space

(15)

(16)

可見，基于指標空間的評價方法能夠直接給出規劃方案的絕對水平，不受其他方案的影響。當改變某一規劃參數時，通過多次生產模擬可以得到指標隨參數變化的軌跡，從而反映出規劃參數與方案性能的關系。根據方案或參數變化過程的綜合指標狀態軌跡可以看出軌跡變化趨勢和最佳綜合指標的位置，從而找到最佳指標對應的規劃參數。另外，對可行空間劃分成不同的區域，可以表征規劃方案的性能等級。本文沿l方向對可行空間等間隔劃分為4個區域，見圖2中I、II、III、IV，分別代表優、良、中、合格4個等級，則根據規劃方案所在區域就可以確定其性能等級。

4 算例分析

以一個某海島獨立型微電網為案例進行規劃方案評價。該微電網最高負荷為900 kW，最低負荷為400 kW。根據規劃方案，該系統配置有1臺750 kW風力發電機，1組300 kW光伏陣列，2臺100 kW柴油發電機，1組2 000 kW·h電池儲能。微電網工程投資相關數據如表2，生產模擬和指標計算相關參數如表3。

表2 算例微電網工程建設投資Tab.2 Project investment of studied microgrid

表3 算例微電網運行參數Tab.3 Operation parameters of the studied microgrid

開發了工具軟件從氣象網站讀取某地區2018年全年每天24個時段的氣溫、風速、陰晴數據。由于光照數據未提供，故依據相關算法[23]推算出光照強度。選取某天部分時段的天氣數據如表4。根據以上規劃和運行參數對該獨立微電網按2.3的步驟進行全年共8 760時段的時序生產模擬，微電網運行過程依據圖1模型。用MATLAB對全年進行時序模擬，得出相應功率累計值并根據獨立微電網有關的間接性能指標定義求出相關指標值如表5。設置的指標容許值和理想值也列于表5中。根據式(15)求得該方案下微電網綜合性能指標為1.38。

儲能是微電網配置的關鍵設備，為了對比不同規劃方案的評價效果，在該方案的基礎上改變儲能配置容量，重新進行時序生產模擬，得到多個方案的綜合評價結果列于表6。從表6可以看出，儲能容量為1 600 kW·h時綜合性能指標最優。這是由于若儲能配置過大，雖然對微電網可靠性有利，但整體技術性能不高。

表4 2018年12月6日部分天氣數據Tab.4 Part of the weather data for Dec. 06, 2018

表5 獨立微電網間接指標計算結果Tab.5 Results of indirect index for the microgrid

表6 不同儲能參數的綜合評價結果Tab.6 Evaluation results of microgrid with different parameter of energy storage

5 結論

本文建立了應用時序生產模擬技術實現的間接指標獲取方法，基于歷史天氣數據和微電網運行模型構建了間接指標計算流程。以指標容許值為基準將規劃方案映射到指標空間，構建了基于指標空間距離的微電網性能評價判據。算例驗證了本文方法的有效性。本文方法具有以下優點：

1) 指標的獲取利用天氣數據和時序模擬技術，數據來源真實可信，技術手段可操作，指標計算結果可靠。

2) 在指標空間表征和評判規劃方案，使評價尺度具有一致性，評價結果具備可比性和可視化效果。

3) 指標的狀態軌跡對調整規劃參數、提高規劃性能具有指導價值。同時，利用可行空間的劃分，可以表征規劃方案的性能等級。