基于改進層次分析法的配電網指標評估

何璇，高崇，曹華珍，李陽，余濤

(1.廣東電網有限責任公司電網規劃研究中心， 廣州 510080； 2.華南理工大學 電力學院， 廣州 510080)

0 引 言

隨著我國配電網發展程度不斷提高，越來越多的分布式能源接入配電網[1-4]。大量分布式能源因其具有安全、清潔等特點，在接入配電網后，能帶來突出的環境效應。傳統的配電網指標評估體系往往只考慮安全性指標以及可靠性指標，缺乏對配電網環保效應的考量，因此，傳統的配電網指標已不再適用于對高比例新能源接入配電網的分析評價。

對于配電網的指標評估國內外已有不少研究，但多針對于傳統配電網。文獻[5]研究了基于需求響應的配電網供電能力值評估。文獻[6]基于改進潮流發提出了配電網供電能力評估體系。針對新能源配電網的指標評估也有部分研究。文獻[7]提出了基于層次分析的配電網綜合評估方法。文獻[8]提出了新能源集中接入配電網可拓層次評估方法。文獻[9] 利用層次分析法，模糊綜合評估和德爾菲法對配電網進行指標評估。文獻[10] 利用模糊隸屬度評分函數給出了配電網指標的合理等級原則，并用層次分析法對配電網指標進行評估。但是上述方法采用層次分析法均只使用一種權重計算方式，可靠性不高。

為了解決分布式能源接入配電網后形成的新能源配電網缺乏科學全面的評價指標這一問題，建立了包含環保指標的配電網評估體系。同時，針對傳統層次分析法往往只采用一種賦權計算方法導致賦權易失準的問題，采用了改進的層次分析法計算配電網指標權重。通過建立科學、全面的指標體系以及對指標的準確計算賦權，實現對新能源配電網發展建設的科學指導。

1 高比例新能源接入配電網指標評估體系

為實現對含高比例新能源接入配電網的準確評估，建立了三層結構的新能源配電網指標評估體系，分別從設備運行狀態、供電電能質量、經濟性指標以及環保指標五個角度出發對配電網進行評估。整體指標評估體系結構如圖1所示。

圖1 高比例新能源接入配電網指標評估體系

1.1 設備運行狀態

配電網包含許多設備，設備的運行狀態將影響整個配電網的工作狀態[11-13]。設備運行狀態主要與設備運行年限、設備故障率等直接有關，因此從設備層次出發，制定設備運行狀態指標如下:

(1)設備運行年限A1。設備的運行年限將影響設備的性能以及設備的故障率等，當運行年限過長時，設備的運行效率將下降，故障率將上升。具體計算式如下：

(1)

(2)設備運行無故障率A2。具體計算式如下：

(2)

式中Ts為設備無故障運行時間；T為設備運行總時間。

(3)設備過載率A3。設備過載率與設備故障率有關，且設備若長期處于過載，可說明配網結構設置的不合理性。具體計算式如下：

(3)

式中NG為發生過載的設備數。

1.2 可靠性指標

可靠性是配電網評估的重要指標，選取用戶平均停電時間、供電可靠率以及用戶平均停電次數作為可靠性評估指標，具體如下：

(1)用戶平均停電時間B1。用戶平均停電時間具體計算式如下：

(4)

式中TTi為一個統計周期內每戶停電時間；N為總用戶數。

(2)供電可靠率B2。供電可靠率為定量衡量事故造成的停電對用戶的影響，具體計算式如下：

(5)

式中T為一個統計周期總時長。

(3)用戶平均停電次數。具體計算式如下：

(6)

1.3 經濟性指標

配電網建設運行及維護需要大量成本，因此需要對配電網經濟性進行指標評估。選取線損率，設備初始投資成本，設備年維護成本，設備折舊費用作為經濟性指標。具體指標計算式如下。

(1)線損率C1。配電網中電能損耗較大會影響經濟發展，造成能源浪費，并且存在一定的安全隱患。因此線損率是重要的經濟性指標[14-15]。具體計算式如下：

(7)

式中W1為售電量；W2為供電量。

(2)設備初始投資成本C2。設備初始投資成本定義為配電網設備的初始購置成本。具體計算式如下：

C2=∑NPCP

(8)

式中NP為設備P的數量；Cp為設備P的單價。

(3)設備年維護成本C3。從全生命周期成本角度考慮，對設備使用過程中產生的維護成本納入考量。具體計算式如下：

(9)

式中MP為設備P的全生命周期維護總費用；L為設計運行年限。

(4)設備折舊費用C4。具體計算式如下：

C4=∑NPSP

(10)

式中SP為設備P報廢后的回收價。

1.4 環保指標

傳統配電網對環保指標考慮較少，而大量分布式電源接入后，其清潔能源發電可替代部分傳統火力發電，因此新能源配電網較傳統配電網在環保效應上有顯著提升。選取清潔能源發電占比、CO2、減排量、SO2減排量、氮化物減排量作為環保指標。具體如下:

(1)清潔能源發電占比E1。分布式電源廣泛采用可再生清潔能源發電，因此較火力發電可減少污染物排放。具體計算式如下：

(11)

式中Ω為分布式電源集合；Pi為第i個分布式電源的有功功率；Ti為第i個分布式電源的并網時間；W為統計期內總發電量。

(2)CO2減排量E2。用分布式電源替代部分火力發電，兩種發電方式之間存在排放差，這部分差值可具體量化如下：

(12)

式中a1為燃煤機組標準煤耗；a2為標準煤的CO2排放量。

(3)SO2減排量E3。具體計算式如下：

(13)

式中b2為標準煤的SO2排放量。

(4)氮化物減排量E4。具體計算式如下：

(14)

式中c2為標準煤的氮化物排放量。

2 改進的層次分析法

2.1 層次分析法的一般步驟

層次分析法一般按照四個步驟計算指標權重。介紹如下[16-18]:

步驟一：構造遞階層次結構模型。通過分析整體對象，將各個影響因素按照不同屬性及其歸類分成不同層級。低層次因素影響高層次，高層次因素支配低層級；

步驟二：構造各層次中所有判斷矩陣。對于每一層中的所有元素而言，其重要性需要具體量化。通過數字1～9來量化兩元素之間的重要程度差別。構造判斷矩陣A=(aij)n×n；

步驟三：計算權向量并做一致性檢驗。計算判斷矩陣最大特征值，然后計算一致性指標CI。

(15)

式中λmax為判斷矩陣的最大特征值。

通過檢驗一致性比例來檢驗一致性，具體如下：

(16)

步驟四：計算組合權向量并做一致性檢驗。經過步驟三后，計算各元素對目標的組合權重，同時通過檢驗一致性比例來檢驗一致性。

2.2 基于改進方法計算權重向量

傳統層次分析法在計算權重時只利用單一方法計算，通常只使用特征向量法。雖然采用單一方法計算過程簡便，但由于單一方法穩定性不足，容易造成賦權失準的情況。因此采用改進方法計算權重向量W。改進方法為包含幾何平均法、算數平均法、特征向量法以及最小二乘法的組合算法，具體如下：

(1)幾何平均法計算權重W：

(17)

式中aij為構造的判斷矩陣中元素。即將判斷矩陣中元素按行相乘后再開n次方，最后將所得向量歸一化得到權重向量。

(2)算術平均法計算權重W：

(18)

算術平均法即將判斷矩陣中元素按列歸一化后各列相加，再除以判斷矩陣的列數n。

(3)特征向量法計算權重W：

AW=λmaxW

(19)

式中A為構造的判斷矩陣；λ為判斷矩陣的最大特征值向量。

(4)最小二乘法計算權重W：

(20)

式中wi為權重向量中元素，代表各指標權重。

在針對同一模型計算權重時，即使構造同樣的判斷矩陣，采用不同的權重計算方法所得權重值依然可能存在很大差異，所得權重可靠性不高，且針對不同模型時計算差值可能更大，算法適用性不強。因此文中利用上述四種方法分別計算出權重后，對四種方法得來的權重進行取平均值處理，將平均值作為各指標的最終權重。采用改進的層次分析法計算權重綜合考慮多種方法的優點，可彌補單一方法在可靠性及適用性上的不足。

3 算例計算及分析

以廣東某地區沿海地區配電網兩個片區為例進行算例分析。該地區風力和光伏發電等新能源資源豐富，考慮風電和光伏發電建設成本的不斷降低等因素，近年來當地分布式新能源接入比例不斷提高。針對該地區配電網建立指標評估體系。根據兩片區基礎數據，每個指標中以表現較優的片區值為基準，對各指標以百分制進行折算，得到各指標得分值見表1。同時根據第2章所提各元素計算式，由相關運維人員組成專家組評估得出各指標重要度。

3.1 指標權重計算

基于改進層次分析法中所提四種方法對指標權重進行計算。準則層各屬性對目標層重要度矩陣M、準則層中設備運行狀態A、電能質量B、經濟性C、環保性矩陣D分別如下：

表1 兩片區各指標的分值

分別利用幾何平均法、算術平均法、特征向量法和最小二乘法求權重。以幾何平均法計算準則層各屬性對目標層重要性矩陣M的權重系數為例，根據式(17)，可得：

計算可得：W1=0.399 3。

類似的，根據式(18)～式(20)計算可得算數平均法權重計算結果，特征向量法計算結果以及最小二乘法計算結果，計算結果見表2～表6。

表2 準則層各屬性對目標層重要性矩陣M的權重系數

表3 設備運行狀態判斷矩陣A的權重系數

表4 供電可靠性判斷矩陣B的權重系數

表5 經濟性判斷矩陣C的權重系數

表6 環保性判斷矩陣D的權重系數

上述指標計算均通過一致性檢驗。計算結果顯示，采用不同方法計算權重時各矩陣權重系數存在差異，表2中利用幾何平均法以及算數平均法計算W4時計算差值占比達29.61%。因此采用單一方法計算權重時，不同方法的計算結果差異可能很大。

3.2 各指標合成權重計算

對上述四種方法所求權重取平均值作為層次權重值，接著計算各指標對目標層的綜合權重向量，并檢驗一致性。具體計算結果見表7。

表7 各指標綜合權重系數

采用單一方法計算的權重值與利用綜合方法計算的權重值對比見圖2。

圖2 權重結果對比

由圖2可見，采用綜合方法計算的權重曲線總體介于各單一方法計算的權重曲線之間，而各單一方法計算的權重曲線在B1，C1處數值存在較大差異。反映在實際應用中，即單一算法可靠性不強，計算結果受所選取的算法影響較大，而采用綜合方法計算能削減因方法選取不同帶來的計算差異，算法適應性及可靠性更高。

3.3 配電網綜合評估及分析

表7已得出各指標綜合權重系數，根據下式可得出配電網綜合評估值：

(21)

式中S為配電網綜合評估值;Wi值為第i個指標的權重系數;Gi為第i個指標的初始分值。

根據式(21)求得配電網片區1和片區2的綜合評估值，如表8所示。

表8 各片區綜合評估值

由表8可以看出，片區1的綜合評估值高于片區2，原因在于片區2建設較早，設備運行狀態較差，且新能源接入率較片區1低，可采取擴大新能源接入規模，更換老舊設備等措施提高評估值。

4 結束語

從傳統配電網以及接入大量分布式電源的配電網的區別入手，建立了包含設備運行狀態、供電可靠性、電能質量、經濟性以及環保性指標的配電網指標評估體系。與傳統配電網評估體系相比，本評估體系充分考慮了分布式電源接入配電網后的環保效應，適用于含高比例新能源接入的配電網評估。在指標賦權計算中，采用了改進的層次分析法，以四種權重計算方法代替原有單一計算方法，削弱了因權重計算方法選擇不同而造成的權重計算差異，使得賦權結果可靠性更高。該方法可為未來含高比例新能源接入的配電網規劃設計與優化運行提供理論參考。