【城市电网运行状态的综合评估方法综述6400字】

城市电网运行状态的综合评估方法综述目录TOC\o"1-3"\h\u8934城市电网运行状态的综合评估方法综述 1253441.1综合评判指标体系的建立 224351.2综合评判过程分析与建模 2126571.2.1模糊互补判断矩阵的构建 3141971.2.2判断矩阵一致性检验 4316001.2.3去模糊化得到指标权重 5325341.2.4指标层数据标准化处理 5205621.3基于IEEE33节点配电网的算例分析 6100531.3.1IEEE33节点配电网概述 6258321.3.2指标层权重求解 7156681.3.3FAHP程序编写 10139861.3.4指标层数据求解 15249791.3.5不同负荷水平下城市电网运行状态判断 191.1综合评判指标体系的建立为实现城市电网运行状态的综合评估，本文需要通过FAHP得到各评价指标的权重。FAHP的第一步是构建系统递阶型的层次结构，从城市配电网的内部网络联系、系统容量、电能质量、电压、负荷这5个角度出发，结合城市电网运行特点及其影响因素，构建如图3-1所示的综合评判指标体系[15-24]。图3-1城市电网运行状态综合评判指标体系其中第一层为目标层(Objective)，第二层为准则层(Criterion)，第三层为评价指标层(Index)。1.2综合评判过程分析与建模图3-2是FAHP数学建模的流程图。图3-2FAHP数学建模流程图1.2.1模糊互补判断矩阵的构建模糊互补判断矩阵R表示以上一层次中的某元素为基准，将本层次中的各元素相对于该基准进行两两元素重要性的比较。假设元素C为上一层次中基准指标，且C同下一层次中的元素a1,a2,a3,…,an均有联系，则R可表示(3-1)在方阵R中，对应元素是rij。rij表示与指标j相比，i的重要程度。考虑到人主观判断的模糊性，在指标重要性判断的互补判断矩阵中，引入三角模糊数代替传统层析分析法打分表中的1，3，5，7，9。具体步骤如下：(1)采用专家群体评判各元素间的重要程度，利用三角模糊数M=(s,m,u)来表达他们的观点。引入三角模糊数后，对于两两元素的比较，专家群体的评判不再局限于某个具体的标度，而是将自己的意愿限定在一个区间内，假设请p位专家(地位等同)给出判断矩阵，让他们对每组指标进行重要性比较，根据专家评语各自得到一组三角模糊数(s1,m1,u1),(s2,m2,u3),…,(sn,mn,un)。将三角模糊数与专家评语一一对应，为方便查询，建立如表3-1所示的对照表。表3-1专家评语与三角模糊数对照表专家评语评语等级三角模糊数明显不重要1(0，0，0.25)不重要2(0，0.25，0.5)同等重要3(0.25，0.5，0.75)重要4(0.5，0.75，1)明显重要5(0.75，1，1)(2)整合模糊数。设最终所得三角模糊数为r，则计算方法为(3-2)根据专家系统打分情况以及现场实际情况进行参考，对于每组两两比较的指标可得到模糊数互补判断矩阵R。(3-3)1.2.2判断矩阵一致性检验满足一致性要求是应用判断矩阵的基础，但是一般情况下所求得的互补判断矩阵的一致性往往难以达到，为了使得互补判断矩阵具有实际应用的意义，检验与修正互补判断矩阵以致其满足一致性要求是十分必要的。由于模糊互补判断矩阵中含有模糊数，故通过求取核算子矩阵，检验核算子矩阵的一致性[25,26]，即可间接检验模糊互补判断矩阵的一致性。定理1：对于三角模糊数，若0<s≤m≤u<1，则该三角模糊数的核算子为(3-4)定理2：对于模糊互补判断矩阵R=(rij)n×n，令其核算子矩阵为R′=(rij′)n×n，则R为一致性互补判断矩阵的充要条件是其一致性指标为。其中一致性指标的计算公式为(3-5)设一致性临界指标值为X，一般X取0.2。当d′<X时，认为该判断矩阵的一致性能够接受。不一致矩阵调整为一致矩阵的步骤如下[27]：(1)计算核算子矩阵R′的特征值矩阵；(2)计算的偏差矩阵，找到最大偏差值，对最大偏差值进行修正。1.2.3去模糊化得到指标权重当模糊互补判断矩阵满足一致性后，需要通过去模糊化来计算求得被比较元素对于该准则的最终相对权重。其中三角模糊数M(s,m,u)的期望值E(M)为(3-6)式中，λ的选择取决于决策者的愿意承担风险指数。当0≤λ<5时，表示决策者拒绝风险；当λ=0.5时，表示决策者对风险保持中立；当0.5<λ≤1时，表示决策者追求风险。为进一步消除专家评价的偏好或偏坏程度过大的不良影响，取λ=0.5，即E(M)=[s+2m+u]/4。设每层有n个指标，每个指标的权重计算方法为(3-7)根据数学期望值对其去模糊化和归一化处理后，即可得该层各指标权重向量W=[W1,W2,…,Wn]T。1.2.4指标层数据标准化处理对评价指标层的数据进行缩放，使得它们落入较小的特定间隔，删除数据的单位边界，并将其转换为纯无量纲值，以便可以比较和加权不同的单位或大小指标。评估指标通常分为效益型、成本型和区间型。数值越大越好的指标称为效益型指标(Positiveindicator)；数值越小越好的指标称为成本型指标(Reverseindicator)；数值越接近于某个区间越好的的指标称为区间型指标(Moderateindex)。在城市电网运行状态综合评价体系中，属于效益型指标的有分层合理度、分区合理度、电磁环网程度、有功备用容量、无功备用容量、静态电压稳定裕度；属于成本型指标的有线损率、母线电压越限率、最大电压偏移量、系统平均负载率、系统潮流熵、线路重过载率；属于区间型指标的有分布式能源接入率。在指标层所获的实际数据矩阵X=(xij)m×1中，效益型指标xij的标准化公式如式(3-8)所示，成本型指标xij的标准化公式如式(3-9)所示。(3-8)(3-9)对于区间型指标，首先要对数据类型进行一致化处理，将其转化为正向指标，设某个区间型数据指标为xij，则一致化处理后的x′ij为(3-10)式中，[a,b]为的最佳稳定区间；c=max{a-m,M-b}；M和m分别为可能取值的最大值和最小值。将x′ij代入效益型指标公式中进行求解即可得到区间型指标的标准化值。经过对指标层数据的标准化处理后，标准化指标满足，其中最优值为0，最劣值为1。设准则层各因素之间的权重向量为WA，评价指标层各因素之间的权重向量为WB，指标层实际数据归一化处理后所得向量为Z，则综合评价值F=ZWAWB，F∈[0,1]。其中F越趋近于0表示城市电网运行状态越安全，反之F越趋近于1表示城市电网运行状态越不安全。1.3基于IEEE33节点配电网的算例分析1.3.1IEEE33节点配电网概述IEEE33节点配电系统是研究配电网常用的标准算例[28,29]。其基本参数情况列入表3-2中。表3-2IEEE33节点电网基本参数基准电压/kV主干支路数目/条联络开关支路数目/条网络总负荷/MVA三相功率基准值/MVA12.663251.72+j2.310IEEE33节点的支路阻抗与节点负荷详情见附录A，IEEE33节点配电系统的拓扑结构图见图3-3。图3-3IEEE33节点配电系统的拓扑结构图1.3.2指标层权重求解按照章节1.2的数学模型，对所构建的评价指标体系建立相应的模糊互补判断矩阵。现请三位电力系统方面的专家分别对所构造的模糊互补判断矩阵RO-C、RC1-x1、RC2-x2、RC3-x3、RC4-x4、RC5-x5进行两两元素重要性比较，按照1.2.1节中的表3-1给出评语，三位专家的原评语内容详情见附录B。将三位专家的评语转换为三角模糊数，综合模糊判断矩阵中的元素以三位专家判断矩阵各元素的算术平均值作为填充。经过取平均值后所构造的各层各级的综合模糊判断矩阵为通过章节1.3.2中所提到的方法对以上各模糊判断矩阵进行一致性检验，首先求得模糊互补判断矩阵RO-C、RC1-x1、RC2-x2、RC3-x3、RC4-x4、RC5-x5的核矩阵为将核矩阵代入式(3-4)，求得，认为模糊互补判断矩阵的一致性可以接受。将核矩阵代入式(3-4)，求得，认为模糊互补判断矩阵的一致性可以接受。当n=2时，由于判断矩阵本身就具备完全一致性，所以判断其一致性的过程显得不必要。模糊互补判断矩阵与模糊判断矩阵均为2阶矩阵，故无需判断其一致性。将核矩阵代入式(3-4)，求得，认为模糊互补判断矩阵的一致性可以接受。将核矩阵代入式(3-4)，求得，认为模糊互补判断矩阵的一致性可以接受。将代入式3-6，求得准则层的模糊权重为：去模糊化后得。同理，可求得评价指标层的模糊权重为分别对、、、、去模糊化后得。。。。。综上，得到评价指标层的各指标相对于目标层的权重如表3-3所示。表3-3评价指标体系的各指标权重准则层对目标层的权重WO-C评价指标层对准则层的权重WC-x评价指标层对目标层的权重WO-x=WO-C×WC-x内部网络联系(0.1357)分层合理度(0.3126)0.04242分区合理度(0.3126)0.04242电磁环网程度(0.3748)0.05086容量(0.2136)有功备用容量(0.5467)0.11678无功备用容量(0.4533)0.09682电能质量(0.1585)线损率(0.3709)0.05879分布式能源接入率(0.6291)0.09971电压(0.1938)母线电压越限率(0.3541)0.06862静态电压稳定裕度(0.2919)0.05657最大电压偏移量(0.3541)0.06862负荷(0.2984)系统平均负载率(0.3541)0.10566系统潮流熵(0.2919)0.08710线路重过载率(0.3541)0.105661.3.3FAHP程序编写由章节1.2的大量公式可以看出，要想通过模糊层次分析法求得评价指标层的权重，必然要经过很多繁杂公式的计算。为了简便计算，通过MATLAB软件对FAHP求解权重的过程进行分模块编程，程序模块分别为专家打分系统模块(expert_score)、一致性检验模块(consistency_check)以及权重求解模块(weight_calculation)。程序流程图如图3-4所示。图3-4FAHP程序流程图专家打分系统模块中的部分程序和运行结果分别如图3-5、3-6所示。图3-5专家打分过程图3-6专家打分结果一致性检验模块中的程序分为两部分，一部分是核算子求解，一部分是通过所求得的核矩阵进行一致化检验，所编写的部分程序和运行结果分别如图3-7、3-8所示。图3-7一致性检查过程图3-8一致性检查结果权重求解模块中的程序分为两部分，一部分将原始模糊判断矩阵进行权重求解，一部分是对求解后的模糊权重进行去模糊化处理，所编写的部分程序和运行结果分别如图3-9、3-10所示。图3-9权重计算过程图3-10权重计算结果章节1.3.2中的全部数据均由以上这三个模块编程求得，达到了减轻计算量的目的，避免了手工计算的繁琐和高出错率。1.3.4指标层数据求解依据1.1小节城市电网运行状态综合评价指标体系中的评价指标层，对各指标依次进行分析求解。(1)内部网络联系。城市电网需要优化网络结构、降低电压转换次数以及简化电压等级。一般来说，大中型城市的电网不超过五个电压转换等级。假设IEEE33节点配电网内部网络联系中的分层分区合理度、电磁环网程度满足基本要求，具体参数如表3-4所示。表3-4IEEE33节点配电网内部网络联系分层合理度(%)分区合理度(%)电磁环网程度(%)858580即在IEEE33节点配电系统中、、的值为(3-10)(3-11)(3-12)(2)备用容量。根据百分数估计法的计算原则进行综合考量，整个电网系统最大发电负荷的13%左右一般为城市电网的总备用容量。由此可得有功备用容量与无功备用容量的计算式为(3-13)(3-14)式中，P表示系统的有功负荷量(MVA)；Q表示系统的无功负荷量(MVar)。(3)电能质量。本文中的电能质量主要从两方面进行分析求解，这两个方面分别为线损率和分布式能源接入率。其中线损率是一个重要的经济性指标。线损率的计算式为(3-15)式中，P表示系统的有功负荷量(MVA)；表示系统的有功线损量(MVA)。现如今，国家对清洁性能源进行大力倡导，这使得许多清洁的分布式能源大量接入电网，如太阳能电源、风力发电电源等，所以分布式能源接入率这一指标也是考量城市电网运行状态的一项很重要的标准。将分布式电源接入节点电压最低点，18号节点为IEEE33节点配电系统中的节点电压最低点。在线路末端18节点处接入4个额定功率为100kW的太阳能电池方阵。在某个节点上接入分布式电源，可以直接用该节点的功率减去分布式电源的容量，将分布式电源可以视为负的负载[30]。接入分布式电源后的IEEE33节点拓扑图如图3-11所示。图3-11接入分布式电源的IEEE33节点拓扑图设定分布式电源接入率为接入分布式电源的节点数占总节点数的比率。由此可得分布式电源接入率为(3-16)式中，n表示系统接入分布式电源的节点数；N表示系统总节点数。(4)电压。对于加入分布式电源的IEEE33节点配电网，各节点电压的标幺值通过MATPOWER工具箱对其进行潮流计算得到。因为10kV及以下供电电压允许偏差为额定电压的，所以将0.93~1.07作为节点电压标幺值的限制范围，电压越限(Voltagelimit)则指的是低于或高于这一限制范围的情况。假设在某运行状态下所对应的母线电压越限率(Voltageoverrunrate)[15]指标求解方法为(3-17)式中，B为投运的母线数量(条)；LB为发生电压越限(Voltagelimit)的母线数量(条)。静态电压稳定裕度(Staticvoltagestabilitymargin)[31]是指电力系统当前运行点距离电压失稳所保留的裕度，反应静态电压的安全水平。常用连续潮流法进行求解，其计算式为(3-18)式中，UZ表示正常情况下的母线电压(pu)；UC表示电压失稳时的临界点电压(pu)。连续潮流(Continuousflow)也称延拓潮流，其基本原理是使负载率从0开始逐步增长，分别计算不同负载率下所对应的节点电压值，当负载率增加到某一值时发生电压崩溃，此时的电压值即为电压失稳时的临界点电压值。在MATPOWER潮流计算工具包中的CPF功能可以对连续潮流进行快速求解，其相关求解程序见图3-12。图3-12CPF连续潮流计算的相关程序在引入分布式电源后的IEEE33节点配电系统中，选取节点33为关键节点，因为在节点18加入分布式电源后，节点33就变成了处于母线末端且距离发电装置最远的节点，所以只要保证节点33的功率供应，就能保持整个系统的稳定。通过调用MATPOWER中的连续潮流计算功能，经过27次迭代求得该节点的PV曲线[32]如图3-13所示。图3-1333节点处的PV曲线在图3-13中，λ为负载增长率(%)；VoltageMagnitude为随负载增长时第33节点的标幺值电压(pu)；UC为拐点处的电压值(pu)。将UC代入公式3-18中即可求得33节点处的静态电压稳定裕度。取接入分布式电源前后各节点电压偏差的最大值为最大电压偏差。设N节点系统中接入分布式电源前后节点i处的节点电压值分别为Uiq和Uih，由此可得最大电压偏差的计算式为(3-19)(5)负荷。线路i的负载率(Lineloadrate),通常指的是该线路实际负载率(Actualloadfactor)与最大传输功率(Maximumtransmissionpower)的比值。由此可得线路i的负载率的计算式为(3-20)式中，Fi表示系统运行时线路i的实际传输功率(kW)；Fimax表示线路i的最大传输功率(kW)。线路平均负载率为各线路负载率的算术平均值，设系统内共有L条线路投运，由此可得线路平均负载率的计算式为(3-21)由于IEEE33配电系统为中压配电系统，在中压配电网中常用架空线YGJL-70，查电工手册得，YGJL-70在10kV线路中的最大传输容量为4131kW。给定常数序列,针对本文情况取U={0，0.1，···，1.0}。用表示负载率的线路条数，对不同负载率区间内的线路条数概率化，其概率化的计算式为(3-22)式中，P(k)表示负载率ui∈(Uk,Uk+1]的线路条数占总线路条数的比率(%)。按照熵理论(Entropytheory)，定义电网潮流熵[29]指标的计算方法为(3-23)式中，C为常数，通常取值为ln10。对于辐射型、非典型接线的配电网来说，当负载率超过80%时，线路被视为重载、过载线路。将线路的重过载率指标计入城市电网运行状态的综合评价指标中是十分必要的。设定线路重过载率的计算式为(3-24)式中，LM表示重过载线路数目(条)；L表示配电网某运行状态下投运的线路数目(条)。1.3.5不同负荷水平下城市电网运行状态判断选用IEEE33节点配电网进行算例分析。为避免不必要的计算量，结合城市配电网自身特征，对IEEE33节点模型提出以下两点假设[28]：(1)将首段节点处等效为理想电源(Idealpowersupply)；(2)保持所接入的太阳能电池组的输出功率恒定无变化；接入分布式电源前后的IEEE33节点配电系统如图3-14所示。图3-14接入分布式电源前后的IEEE33节点配电系统图在图3-14中，bus表示节点数；Mag表示节点电压标幺值(pu)；蓝线表示接入分布式电源前各节点的电压标幺值；绿线表示接入分布式电源后各节点的电压标幺值；红线表示最大电压偏差阈值。评价指标层数据繁杂，为方便求解通过MATLAB软件设计GUI计算界面如图3-15所示，只需在界面左侧各指标计算按钮的回调函数中进行编程，即可将各指标所求得的数据在界面右侧进行对应显示，十分方便。在加入分布式电源的基础上分析不同负荷水平下城市配电网运行状态的趋势变化。以原始负荷水平下的配电网数据为基准值，依次调整负荷水平为原始负荷水平的80%，85%，9