基于熵權(quán)法的新能源接入風(fēng)險模糊綜合評價

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)會導(dǎo)致供電質(zhì)量產(chǎn)生波動,影響電網(wǎng)供電穩(wěn)定性。利用風(fēng)險評估方法能準(zhǔn)確、有效地分析新能源接入對電網(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)險評估的應(yīng)用現(xiàn)狀和技術(shù)路線,指出概率分析評估能有效地對電力系統(tǒng)進(jìn)行量化分析,但概率評估計算復(fù)雜、缺乏實際應(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)險指標(biāo),評估電網(wǎng)對新能源的消納能力;文獻(xiàn)[3]建立了風(fēng)、光并網(wǎng)風(fēng)險評估模型,考慮了新能源接入點和氣候影響;文獻(xiàn)[4]從經(jīng)濟(jì)性方面構(gòu)建了新能源接入效益評估體系,對新能源接入后電網(wǎng)的運行效率和投資效益進(jìn)行了評估。上述研究各自選擇某個方面分析新能源接入對電網(wǎng)的影響,但缺乏綜合、全面的評估新能源接入下的電網(wǎng)風(fēng)險。

1 風(fēng)險評估指標(biāo)體系

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

圖1 新能源接入風(fēng)險評估指標(biāo)體系

2 模糊綜合評價模型

模糊綜合評價以模糊理論為基礎(chǔ),結(jié)合定性和定量因素,能對由相互關(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價[6]。

2.1 模糊評價因素集和評語集

2.2 評估因素隸屬函數(shù)

風(fēng)險評估因素包括定性數(shù)據(jù)和定量數(shù)據(jù)。定性數(shù)據(jù)采用模糊統(tǒng)計法,邀請專家對各因素進(jìn)行評語打分,按照評語比例計算隸屬度。

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估數(shù)據(jù)。為了提高風(fēng)險評估的準(zhǔn)確性,根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃經(jīng)驗和風(fēng)險特性,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。各個評語的隸屬函數(shù)依次如下:

圖2 隸屬函數(shù)分布圖

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

各風(fēng)險因素由模糊統(tǒng)計法或隸屬函數(shù)生成模糊評估矩陣。基于因素類別Ut建立的評估矩陣Rt為

(8)

2.3 確定子因素權(quán)重

(1) 計算子因素i的第j個評估值所占比重:

(9)

(2) 計算子因素i的信息熵:

(10)

(11)

2.4 模糊綜合評價

第t類風(fēng)險模糊評估結(jié)果為

Bt=Wt°Rtt∈(1,2,…,N)

(12)

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

B=(bj)=A°Rj=1,2,…,m

(13)

新能源接入的風(fēng)險評估等級為

V=maxbj

(14)

3 新能源接入風(fēng)險評估流程

本文提出的新能源風(fēng)險綜合評估模型計算流程如圖3所示,具體包括以下幾個步驟:

圖3 新能源風(fēng)險評估模型流程

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

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

步驟3 依據(jù)模糊統(tǒng)計法和式(3)～式(7)的隸屬函數(shù)計算定性數(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)險類別評估,分析評估對象在各類別下的風(fēng)險等級。

步驟6 依據(jù)式(13)進(jìn)行綜合評估,由式(14)確定綜合風(fēng)險等級。

4 算例分析

本文選擇南方某省新建的200 kW風(fēng)儲項目為算例。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。該項目接入電壓220 kV,基于IEEE-39節(jié)點系統(tǒng)作為接入點仿真獲得定量因素數(shù)據(jù)值。聘請7位電網(wǎng)公司運營管理人員和4位學(xué)術(shù)專家對定性指標(biāo)進(jìn)行風(fēng)險評語打分。

4.1 風(fēng)險模糊評估矩陣和權(quán)重

對定性和定量數(shù)據(jù)模糊化得到4個模糊風(fēng)險評估矩陣R1～R4:

利用熵權(quán)法計算各類別子因素客觀權(quán)重:

根據(jù)電網(wǎng)規(guī)劃經(jīng)驗設(shè)定風(fēng)險類別權(quán)重:

A=(0.283 0.447 0.106 0.164)。

4.2 模糊綜合評價

分別對算例項目進(jìn)行類別風(fēng)險評估和綜合風(fēng)險評估,結(jié)果如表1所示。表1中黑色加粗?jǐn)?shù)據(jù)所對應(yīng)風(fēng)險值為評估結(jié)果。

表1 模糊評價結(jié)果

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

5 總結(jié)

針對新能源接入對電網(wǎng)產(chǎn)生的風(fēng)險問題,本文提出了一種基于熵權(quán)法的模糊綜合評估體系。評估體系綜合考慮結(jié)構(gòu)、運行、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性等4個方面,構(gòu)建了4個風(fēng)險類別和19個風(fēng)險因素組成的兩級評估體系。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)處理定量因素數(shù)據(jù),并利用熵權(quán)法消除權(quán)重設(shè)定中的主觀影響,采用兩級模糊算子實現(xiàn)類別風(fēng)險和綜合風(fēng)險評估。算例分析表明,本文所提出的風(fēng)險評估體系可實現(xiàn)新能源接入電網(wǎng)的有效評估,為電網(wǎng)規(guī)劃提供參考依據(jù)。