一种地方电网与能源基地直流送端系统并网模式优选方法与流程

本发明属于电力系统规划与运行领域，具体涉及一种基于多属性决策的地方电网与能源基地直流送端系统并网模式优选方法。

背景技术：

大量能源基地直流外送工程如俄罗斯-河北、蒙古-天津等投入运行，以实现清洁能源大规模、大范围、高效率优化配置。这些能源基地一般位置偏僻，装机容量大，远离送受端主网，通常直接通过直流输电系统送至受端，即孤岛接入模式。近年来，由于经济利益原因，能源基地近端的地方电网也有与能源基地直流外送系统并网的需求，但与我国电网大区域联网不同，这些地方电网规模小、网架结构弱，当采用联网接入模式运行时，地方电网虽然可以得到直流外送系统的支持，但会使得直流送端系统运行状态复杂，且可能使得送端出现较为严重的电压稳定等问题。因此，合理选择地方电网与能源基地直流送端系统并网模式，获得满足能源基地、地方电网、直流外送系统等多方的技术经济要求，是目前直流送端规划设计面临的新问题。

目前对于直流输电系统的相关研究，由于大多送端系统接线简单，受端系统相对更加复杂，因而研究直流受端系统特性的成果很多。由于地方电网与能源基地直流送端系统并网模式是发展中的特殊新问题，目前相关规划指标系统研究还未有报道。

关于指标体系的综合评价方法已有不少研究，目前通常使用的方法有主观赋权法和客观赋权法。对于主观赋权法，多采用层次分析法，但存在过度依赖专家意见的问题，通常采用改进层次分析法弥补该缺点。但上述改进所得到的指标权重仍是专家意见的体现，没有充分利用客观数据。因此，为了克服以上缺点，也采用客观赋权法对电网规划指标体系进行评价。该方法减少了决策者的工作量，但不适用于客观数据不足的场合。

技术实现要素：

针对现有研究的不足，本发明提供了一种基于多属性决策的地方电网与能源基地直流送端系统并网模式优选方法，为直流系统送端并网模式选择提供参考。

本发明内容说明如下。

步骤一：针对地方电网与能源基地直流送端系统，建立并网模式综合评价指标体系，计算各方案的评价指标值：

地方电网与能源基地直流送端系统并网模式选择具有复杂性和多面性，需要选取多个指标对评价系统进行描述。本发明从系统静态安全性、暂态稳定性角度建立评价系统的技术指标；以能源基地与地方电网的联络支路投资成本、送端系统网损和直流输电年均收益作为经济性指标；同时采用送端系统5、10年容量比差指标定量刻画地方电网与能源基地直流送端系统的短期和中长期发展规模，如附图2所示。本发明选取系统设计水平年的最大正常运行方式作为技术和经济指标的计算依据。

s1：选取静态安全分析指标，包括：

1)算数平均潮流裕度容量

该指标用于反映地方电网与能源基地直流送端系统的运行状况和网络结构在技术上的合理性，定义为

式中：ssmax为线路的极限输送容量，一般可取热稳极限容量；ss为线路的潮流；r为线路总数。

2)静态n-1合格率

该指标反映了系统安全运行能力的强弱，定义为

式中：l0为系统任一线路无故障断开会导致线路、变压器过载的线路数；la为线路总数。

3)几何平均短路电流裕度比

该指标以送端系统母线发生三相短路为故障方式，进行短路电流计算，反映了系统母线带负荷能力的强弱，定义为

式中：ias为母线允许短路电流；isf为母线三相短路电流；k为母线总数。

4)有效短路比

该指标用于反映地方电网与能源基地直流送端系统电压稳定性的强弱，可表示为

式中：sc为直流输电系统换流母线处三相短路容量；qcn为换流站交流母线电压取额定值时交流滤波器和无功补偿电容器所产生的无功功率；pdcn为直流额定功率。

有效短路比escr越大，送端系统电压稳定性越强，对于给定的系统有一个确定的临界短路比(criticalshortcircuitratio，cscr)作为划分直流送端系统是否正常运行的临界指标。原则上有效短路比应大于临界短路比。当escr＜cscr时，直流输电系统无功补偿设备附近容易出现动态过电压，抗扰动能力极弱，容易产生电压失稳等问题，系统无法正常运行。

s2：选取暂态安全分析指标，包括：

1)暂态n-1合格率

该指标用于反映电网受到单一元件故障扰动后，其功角、电压和频率的稳定性。借鉴《电力系统安全稳定导则》，考虑故障发生概率，确定暂态n-1校验故障为

①直流输电线路单极闭锁，持续10周波解锁；

②直流送端系统任一线路单相瞬时接地故障重合成功；

③联络线无故障断开不重合。

根据系统的功角、电压和频率特征，确定暂态n-1校验判据为

①在第一摇摆周期内，能源基地和地方电网中任意两台机组相对功率角，且呈减幅振荡；

②送端系统受扰动后，各节点电压能在50周波内恢复到0.8p.u～1.2p.u；

③故障切除后，不发生频率崩溃，频率高于52hz的时间不超过10周波，送端系统频率恢复到48hz～52hz。

由此可计算出以上3种故障的通过率，即暂态n-i合格率。对于孤岛接入模式，故障③不作校验。

2)暂态n-2合格率

该指标用于反映电网抵御较严重故障扰动的能力。与暂态n-1类似，确定暂态n-2校验故障为

①直流输电线路双极闭锁，持续10周波解锁；

②能源基地和地方电网的送出线路单相永久性故障重合不成功及无故障三相断开不重合。暂态n-2校验判据同暂态n-1所述，由此可计算出以上2种故障的通过率，即暂态n-2合格率。

s3：选取经济性指标，包括：

1)投资成本

该指标主要用于评估采用不同接入模式联络线和联络变的投资费用。对于孤岛接入模式，投资成本为0。

2)年损耗

年损耗为

δwz＝δpmaxτmax(5)

式中：δpmax为最大负荷时直流输电系统的功率损耗；τmax为最大功率损耗时间。

3)年均收益

该指标用于反映高压直流输电工程每年所获得的平均收益，表示为

l＝pta(6)

式中：p为高压直流输电工程的平均有功功率；t为年平均运行小时数；a为上网电价。

s4：选取发展规模指标。

送端系统5年后容量比定义为

式中：spow(5)、sloc(5)和sdc(5)分别为5年规划后的能源基地发电容量、地方电网发电容量以及直流输送容量。当sloc(5)为负数时，表示地方电网为用电区。

同理可以得到送端系统10年后容量比r10。r5和r10分别用于反映短期、中长期地方电网与能源基地直流送端系统的发展规模。对于给定直流外送系统，存在最大直流输送容量，也存在设计规划最优值ropt。在未来发展中，地方电网与能源基地的发电容量之和不能超过roptsdc(5)，且不能有过多的剩余容量，以防利用率过低。

送端系统5年后容量比差定义为

d5＝|r5-ropt|(8)

同理可得送端系统10年后容量比差d10。d5、d10越小，送端系统的发展规模越好。

s5：计算各方案的评价指标值。

一般地，直流送端系统并网模式方案有2种，即联网接入模式和孤岛接入模式，依次为方案1和2，可以用上述已选取的11个评价指标对这2种方案进行定量描述。鉴于此，本发明首先按照上述图1中指标层所示的指标顺序对评价指标进行编号，自左至右依次为1,2，...，11，然后根据上述各个评价指标的定义，分别计算方案1和2的评价指标值xij，由此得到评价指标矩阵为

x＝(xij)2×11(9)

其中xij表示方案i的第j个评价指标值，i＝1,2；j＝1,2,...,11。

步骤二：选取评价指标的组合权重：

并网模式的优选实质是考虑技术、经济和发展规模影响的多目标评价问题。由于评价指标的重要性一般是不同的，且重要程度可以用权系数，即权重来反映，因此权重的变化将直接影响综合评价结果的科学合理性。权重选取方法分为主观赋权法和客观赋权法，两种方法各有利弊。鉴于此，本发明根据步骤一所述的综合评价指标体系，采用层次分析法进行主观权重的选取；根据步骤一所求得的各方案评价指标值，采用熵权法选取客观权重；最后通过线性加权法进行组合权重的选取，既能体现决策者的主观愿望，又能客观地运用各方案的评价指标值。

s1：计算主观权重。

对于步骤一所述的综合评价指标体系，其准则层有4个一级指标，指标层有11个二级指标，第h个一级指标下有lh个二级指标，h＝1,2,3,4，对应lh依次为4,2,3,2，方案层有2个待评价方案。

依据专家意见，采用0-10标度法构造准则层相对于目标层的判断矩阵a，同理构造指标层相对于准则层的4个判断矩阵b1、b2、b3和b4。

根据a、b1、b2、b3和b4的最大特征值以及与之对应的特征向量，进行一致性检验。若满足检验，最大特征值所对应的特征向量即为该层相对于上一层的单排序权重向量；若不满足检验，需要根据专家意见对判断矩阵进行修正并重新检验，直至满足为止。

设准则层相对于目标层的单排序权重向量为α＝(a1,a2,a3,a4)^t，指标层中第h个一级指标下的lh个二级指标相对于准则层的单排序权重向量为βh＝(βh1,βh2,...,βhlh)^t，则第h个一级指标下的lh个二级指标相对于目标层的总排序权重向量为

由此求得指标层11个二级指标相对于目标层的总排序权重，即主观权重向量为

s2：计算客观权重。

对于步骤一所求得的各方案评价指标值xij，考虑各评价指标的量纲差异，其标准化值为

则第j个指标的熵为

ej反映了所有方案的第j个指标的数据差别程度，ej越小，说明该指标的各方案数据差别越大。特殊地，当yij＝0时，令yijlnyij＝0。

取第j个指标的客观权重为

woj反映了评价指标所包含的信息量的多寡程度，woj越大，说明第j个指标包含的信息量越多，该指标的重要性越大。

由此得到11个指标的客观权重向量为

wobj＝(wo1,wo2,...,wo11)^t(15)

s3：计算组合权重。

则组合权重向量为

w＝k1wsub+k2wobj＝(w1,w2,...,w11)^t(16)

式中：k1和k2为权重系数，且满足k1+k2＝1。

步骤三：提出基于多属性决策的并网模式优选方法：

s1：计算各评价指标的相对优属度。

根据各评价指标的属性差异，可将指标分为越大越优型和越小越优型。对于步骤一所求得的各方案评价指标值xij，取各方案的第j个评价指标的最大值为xmaxj，最小值为xminj。

对于越大越优型指标，其相对优属度为

对于越小越优型指标，其相对优属度为

rij反映了第i个方案，第j个评价指标的相对优劣程度，rij越大，则该指标越优。由此可以得到相对优属度矩阵为

r＝(rij)2×11(19)

s2：计算各方案的相对贴近度。

根据步骤二所求得的组合权重以及上一步求得的相对优属度矩阵，加权优属度矩阵g可表示为

g＝(gij)2×11＝(wjrij)2×11(20)

gij反映了考虑组合权重后第i个方案，第j个指标的相对优属度数据。

设加权优属度矩阵的理想点为p⁺＝(p1,p2,...,pj,...,p11)^t、负理想点为p^-＝(0,0,...,0,...,0)^t，其中，pj＝max(g1j,g2j)。

令gi＝(gi1,gi2,...,gi11)^t，则方案i相对于理想点p⁺的贴近度ti为

贴近度ti反映了方案i贴近于最优方案的相对程度，贴近度越小，则该方案越贴近于最优方案。

根据t1,t2进行优选排序，ti值越小，则该方案越优。

本发明提供了一种基于多属性决策的地方电网与能源基地直流送端系统并网模式优选方法，其特点和效果是：本发明建立的指标体系能够较好地反映地方电网与能源基地直流送端系统的特点；在选取权重时，充分考虑主客观因素的影响；本发明所提的方法计算简单，结果直观，能够为地方电网与能源基地直流送端系统并网模式选择提供一定的参考。

附图说明

图1为本发明中一种地方电网与能源基地直流送端系统并网模式优选方法整体流程图。

图2为本发明中并网模式综合评价指标体系。

图3为优选实例中联网接入模式。

图4为优选实例中孤岛接入模式。

具体实施方式

下面结合附图，对一优选实例进行详细说明。应强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

附图1为本发明提供的基于多属性决策的地方电网与能源基地直流送端系统并网模式优选方法整体流程图，具体包括如下步骤：

步骤一：针对地方电网与能源基地直流送端系统，建立并网模式综合评价指标体系，计算各方案的评价指标值：

地方电网与能源基地直流送端系统并网模式选择具有复杂性和多面性，需要选取多个指标对评价系统进行描述。本发明从系统静态安全性、暂态稳定性角度建立评价系统的技术指标；以能源基地与地方电网的联络支路投资成本、送端系统网损和直流输电年均收益作为经济性指标；同时采用送端系统5、10年容量比差指标定量刻画地方电网与能源基地直流送端系统的短期和中长期发展规模，如附图2所示。本发明选取系统设计水平年的最大正常运行方式作为技术和经济指标的计算依据。

s1：选取静态安全分析指标，包括：

1)算数平均潮流裕度容量

该指标用于反映地方电网与能源基地直流送端系统的运行状况和网络结构在技术上的合理性，定义为

式中：ssmax为线路的极限输送容量，一般可取热稳极限容量；ss为线路的潮流；r为线路总数。

2)静态n-1合格率

该指标反映了系统安全运行能力的强弱，定义为

式中：l0为系统任一线路无故障断开会导致线路、变压器过载的线路数；la为线路总数。

3)几何平均短路电流裕度比

该指标以送端系统母线发生三相短路为故障方式，进行短路电流计算，反映了系统母线带负荷能力的强弱，定义为

式中：ias为母线允许短路电流；isf为母线三相短路电流；k为母线总数。

4)有效短路比

该指标用于反映地方电网与能源基地直流送端系统电压稳定性的强弱，可表示为

式中：sc为直流输电系统换流母线处三相短路容量；qcn为换流站交流母线电压取额定值时交流滤波器和无功补偿电容器所产生的无功功率；pdcn为直流额定功率。

有效短路比escr越大，送端系统电压稳定性越强，对于给定的系统有一个确定的临界短路比(criticalshortcircuitratio，cscr)作为划分直流送端系统是否正常运行的临界指标。原则上有效短路比应大于临界短路比。当escr＜cscr时，直流输电系统无功补偿设备附近容易出现动态过电压，抗扰动能力极弱，容易产生电压失稳等问题，系统无法正常运行。

s2：选取暂态安全分析指标，包括：

1)暂态n-1合格率

该指标用于反映电网受到单一元件故障扰动后，其功角、电压和频率的稳定性。借鉴《电力系统安全稳定导则》，考虑故障发生概率，确定暂态n-1校验故障为

①直流输电线路单极闭锁，持续10周波解锁；

②直流送端系统任一线路单相瞬时接地故障重合成功；

③联络线无故障断开不重合。

根据系统的功角、电压和频率特征，确定暂态n-1校验判据为

①在第一摇摆周期内，能源基地和地方电网中任意两台机组相对功率角，且呈减幅振荡；

②送端系统受扰动后，各节点电压能在50周波内恢复到0.8p.u～1.2p.u；

③故障切除后，不发生频率崩溃，频率高于52hz的时间不超过10周波，送端系统频率恢复到48hz～52hz。

由此可计算出以上3种故障的通过率，即暂态n-i合格率。对于孤岛接入模式，故障③不作校验。

2)暂态n-2合格率

该指标用于反映电网抵御较严重故障扰动的能力。与暂态n-1类似，确定暂态n-2校验故障为

①直流输电线路双极闭锁，持续10周波解锁；

②能源基地和地方电网的送出线路单相永久性故障重合不成功及无故障三相断开不重合。暂态n-2校验判据同暂态n-1所述，由此可计算出以上2种故障的通过率，即暂态n-2合格率。

s3：选取经济性指标，包括：

1)投资成本

该指标主要用于评估采用不同接入模式联络线和联络变的投资费用。对于孤岛接入模式，投资成本为0。

2)年损耗

年损耗为

δwz＝δpmaxτmax(5)

式中：δpmax为最大负荷时直流输电系统的功率损耗；τmax为最大功率损耗时间。

3)年均收益

该指标用于反映高压直流输电工程每年所获得的平均收益，表示为

l＝pta(6)

式中：p为高压直流输电工程的平均有功功率；t为年平均运行小时数；a为上网电价。

s4：选取发展规模指标。

送端系统5年后容量比定义为

式中：spow(5)、sloc(5)和sdc(5)分别为5年规划后的能源基地发电容量、地方电网发电容量以及直流输送容量。当sloc(5)为负数时，表示地方电网为用电区。

同理可以得到送端系统10年后容量比r10。r5和r10分别用于反映短期、中长期地方电网与能源基地直流送端系统的发展规模。对于给定直流外送系统，存在最大直流输送容量，也存在设计规划最优值ropt。在未来发展中，地方电网与能源基地的发电容量之和不能超过roptsdc(5)，且不能有过多的剩余容量，以防利用率过低。

送端系统5年后容量比差定义为

d5＝|r5-ropt|(8)

同理可得送端系统10年后容量比差d10。d5、d10越小，送端系统的发展规模越好。

s5：计算各方案的评价指标值。

一般地，直流送端系统并网模式方案有2种，即联网接入模式和孤岛接入模式，依次为方案1和2，可以用上述已选取的11个评价指标对这2种方案进行定量描述。鉴于此，本发明首先按照上述图1中指标层所示的指标顺序对评价指标进行编号，自左至右依次为1,2，...，11，然后根据上述各个评价指标的定义，分别计算方案1和2的评价指标值xij，由此得到评价指标矩阵为

x＝(xij)2×11(9)

其中xij表示方案i的第j个评价指标值，i＝1,2；j＝1,2,...,11。

步骤二：选取评价指标的组合权重：

并网模式的优选实质是考虑技术、经济和发展规模影响的多目标评价问题。由于评价指标的重要性一般是不同的，且重要程度可以用权系数，即权重来反映，因此权重的变化将直接影响综合评价结果的科学合理性。权重选取方法分为主观赋权法和客观赋权法，两种方法各有利弊。鉴于此，本发明根据步骤一所述的综合评价指标体系，采用层次分析法进行主观权重的选取；根据步骤一所求得的各方案评价指标值，采用熵权法选取客观权重；最后通过线性加权法进行组合权重的选取，既能体现决策者的主观愿望，又能客观地运用各方案的评价指标值。

s1：计算主观权重。

对于步骤一所述的综合评价指标体系，其准则层有4个一级指标，指标层有11个二级指标，第h个一级指标下有lh个二级指标，h＝1,2,3,4，对应lh依次为4,2,3,2，方案层有2个待评价方案。

依据专家意见，采用0-10标度法构造准则层相对于目标层的判断矩阵a，同理构造指标层相对于准则层的4个判断矩阵b1、b2、b3和b4。

根据a、b1、b2、b3和b4的最大特征值以及与之对应的特征向量，进行一致性检验。若满足检验，最大特征值所对应的特征向量即为该层相对于上一层的单排序权重向量；若不满足检验，需要根据专家意见对判断矩阵进行修正并重新检验，直至满足为止。

设准则层相对于目标层的单排序权重向量为α＝(a1,a2,a3,a4)^t，指标层中第h个一级指标下的lh个二级指标相对于准则层的单排序权重向量为βh＝(βh1,βh2,...,βhlh)^t，则第h个一级指标下的lh个二级指标相对于目标层的总排序权重向量为

由此求得指标层11个二级指标相对于目标层的总排序权重，即主观权重向量为

s2：计算客观权重。

对于步骤一所求得的各方案评价指标值xij，考虑各评价指标的量纲差异，其标准化值为

则第j个指标的熵为

ej反映了所有方案的第j个指标的数据差别程度，ej越小，说明该指标的各方案数据差别越大。特殊地，当yij＝0时，令yijlnyij＝0。

取第j个指标的客观权重为

woj反映了评价指标所包含的信息量的多寡程度，woj越大，说明第j个指标包含的信息量越多，该指标的重要性越大。

由此得到11个指标的客观权重向量为

wobj＝(wo1,wo2,...,wo11)^t(15)

s3：计算组合权重。

则组合权重向量为

w＝k1wsub+k2wobj＝(w1,w2,...,w11)^t(16)

式中：k1和k2为权重系数，且满足k1+k2＝1。

步骤三：提出基于多属性决策的并网模式优选方法：

s1：计算各评价指标的相对优属度。

根据各评价指标的属性差异，可将指标分为越大越优型和越小越优型。对于步骤一所求得的各方案评价指标值xij，取各方案的第j个评价指标的最大值为xmaxj，最小值为xminj。

对于越大越优型指标，其相对优属度为

对于越小越优型指标，其相对优属度为

rij反映了第i个方案，第j个评价指标的相对优劣程度，rij越大，则该指标越优。由此可以得到相对优属度矩阵为

r＝(rij)2×11(19)

s2：计算各方案的相对贴近度。

根据步骤二所求得的组合权重以及上一步求得的相对优属度矩阵，加权优属度矩阵g可表示为

g＝(gij)2×11＝(wjrij)2×11(20)

gij反映了考虑组合权重后第i个方案，第j个指标的相对优属度数据。

设加权优属度矩阵的理想点为p⁺＝(p1,p2,...,pj,...,p11)^t、负理想点为p^-＝(0,0,...,0,...,0)^t，其中，pj＝max(g1j,g2j)。

令gi＝(gi1,gi2,...,gi11)^t，则方案i相对于理想点p⁺的贴近度ti为

贴近度ti反映了方案i贴近于最优方案的相对程度，贴近度越小，则该方案越贴近于最优方案。

根据t1,t2进行优选排序，ti值越小，则该方案越优。

下面通过一优选实例来说明本发明提出的基于多属性决策的地方电网与能源基地直流送端系统并网模式优选方法。

步骤一：针对地方电网与能源基地直流送端系统，建立并网模式综合评价指标体系，计算各方案的评价指标值：

以某实际±500kv/3000mw直流工程为例，采用本发明所提的综合评价指标体系和优选方法，对送端系统并网模式进行优选。根据规划，该直流工程送端系统并网模式方案有2种，即联网接入模式和孤岛接入模式，如附图3和附图4所示。其中能源基地机组额定容量为6×600mw，厂用负荷为6×48mw；直流系统无功补偿容量为950mvar；地方电网的发电机组额定容量为120mw，本地负荷为150mw，功率因数为0.85；联络变变比为110/525kv，联络线长度为98km。

取ropt＝0.9，地方电网负荷5年规划后增大为200mw，10年后增大为250mw。采用bpa为仿真工具，得到两种接入模式的评价指标值，如表1所示。

表1评价指标计算结果

步骤二：选取评价指标的组合权重：

由上述所提的层次分析法，可求得评价指标的主观权重；由式(9)、(12)、(13)和(14)可求得基于熵权法的客观权重；最后根据式(16)，取k1＝k2＝1/2，可求得评价指标的组合权重，各指标的权重计算结果如表2所示。由此得出不同类型指标的权重计算结果，如表3所示。

可见，根据专家意见获得主观权重，其中经济性指标的权重最大；而从客观权重来看，技术指标的权重最大；综合考虑主客观因素，技术指标的组合权重最大，经济性指标次之，发展规模指标最小。因此，从指标体系结构看，决定模式选择结果最重要的是技术指标，其次是经济性指标，最后是发展规模指标。

表2指标权重计算结果

表3不同类型指标权重计算结果

步骤三：提出基于多属性决策的并网模式优选方法。

根据评价指标的属性特征，可以确定越大越型指标有算数平均潮流裕度容量、静态n-1合格率、有效短路比、暂态n-1合格率、暂态n-2合格率和年均收益指标，越小越优型指标有几何平均短路电流裕度比、投资成本、年损耗、送端系统5和10年后容量比差。则分别由式(17)、(18)可求得相对优属度矩阵为

由式(19)，可求得加权优属度矩阵为

由式(21)，对联网接入、孤岛接入模式分别求其对理想点的相对贴近度，可得t1＝0.1150，t2＝0.0738。因此，在现有结构下，地方电网是负荷区，选择方案2(孤岛接入模式)更合适。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。