一种中低压直流配电系统电压等级序列的确定方法与流程

本发明涉及一种电压等级序列的确定方法。特别是涉及一种中低压直流配电系统电压等级序列的确定方法。

背景技术：

随着国家节能减排战略的逐步实施和相关技术的日益进步，直流电源与直流负荷日益增加，新能源发电技术逐渐成熟，电网直流负荷日益增加，将直流配电网作为交流配电网的有效补充、形成交直流混联的形态，将成为未来配电网的发展趋势。在交流配电系统中，直流电源和负荷需要通过变流装置接入系统，如能直接接入相应等级的交流配电网，可以减少变流设备的使用，降低损耗，提高配电效率和经济性。因此，选择合适的的电压等级序列对直流配电系统的规划工作有重要的指导意义。

目前，国内外针对直流配电系统的研究主要集中在系统结构、控制方式及保护等方面，对直流配电系统电压等级序列确定方法的研究还较少。在现阶段直流配电系统的规划设计中，电压等级确定主要依据是直流配电网的接入对象，即接入的电源、负荷等设备，根据接入对象的电压等级来确定直流配电网的电压等级。未能考虑到直流配电系统的电压等级下是否能满足负荷需求，缺乏对系统中多个电压等级之间匹配程度的研究。

针对现阶段电压等级确定的不足，本发明所提出的直流电压等级序列的确定方法

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够更加科学合理地确定直流配电系统电压等级的中低压直流配电系统电压等级序列的确定方法。

本发明所采用的技术方案是：一种中低压直流配电系统电压等级序列的确定方法，包括如下步骤：

1)直流配电系统待选电压等级序列确定，包括：直流设备标称电压等级确定和待选电压等级序列确定；

2)计算直流配电系统可靠性评价指标，包括分别计算直流配电系统可靠性评价指标和直流配电系统经济性评价指标；

3)建立直流配电系统电压序列综合评估模型，是由系统层指标权重、可靠性指标权重、经济性指标权重和适应性指标权重构成。

本发明的一种中低压直流配电系统电压等级序列的确定方法，在考虑直流配电网接入对象的电压等级的基础上，对规划区域负荷的发展情况进行分析，所选的电压等级应能满足供电容量和供电半径的要求，同时考虑到所选电压等级与其所衔接的交流电源等级的配合，还考虑了不同电压等级下建设投资、运行维护以及过渡改造的费用，能够更加科学合理地确定直流配电系统的电压等级。

附图说明

图1是本发明中待选电压等级序列选择的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种中低压直流配电系统电压等级序列的确定方法做出详细说明。

直流配电系统电压等级序列确定问题可看作是在规划区域负荷发展情况已知的情况下，在满足负荷容量需求的基础上，通过系统的可靠性、经济性以及适应性分析选择合适的电压等级序列。

其中，系统的可靠性与供电能力有关，主要包括线路的供电容量、供电距离以及电压偏差等方面；经济性主要包括建设投资经济性和运行维护经济性两个方面；适应性主要从对未来负荷发展，直流负荷的便利接入，关键设备的制造水平，组成交直流配电网等方面进行判断。

本发明的一种中低压直流配电系统电压等级序列的确定方法包含直流配电系统待选电压等级序列确定、评价指标计算方法和电压序列综合评估模型三个步骤。

本发明的一种中低压直流配电系统电压等级序列的确定方法，包括如下步骤：

1)直流配电系统待选电压等级序列确定，包括：直流设备标称电压等级确定和待选电压等级序列确定；是通过规划区域内直流负荷的类别确定中、低压配电系统中所有的可能电压等级。对可能的电压等级进行排列，确定所有可能的待选电压等级序列。其中，

(1.1)所述的直流设备标称电压等级确定，包括：

(1.1.1)根据中国电力企业联合会标准t/cec107-2016直流配电电压中规定的中压直流配电系统标称电压等级可知，将中、低压直流配电系统标称电压分为优选电压等级和备选电压等级两种，其中，优选电压等级包括±10kv、±3kv、±1500v、±750v、±380v和±110v；备选电压等级包括±20kv和±600v；

(1.1.2)根据规划区域内存在的直流负荷选择对应的接入电压等级，

中压直流配电系统的主要任务是完成大型分布式能源的接入与消纳，并为中压负荷提供接口。低压直流配电系统主要是为轨道交通、小型分布式能源提供合理的接口，也为大部分家用负荷供电。为使直流配电系统更加标准化，防止出现级差过小，电压等级过多带来的重复变电、设备制造等方面的问题，应从标称电压中选择。

在已知中、低压直流配电系统标称电压的基础上，通过分布式电源发展现状、行业标准以及常见直流负荷的电压等级可得到不同直流设备可能接入的标称电压等级。应根据规划区域内存在的直流负荷选择对应的接入电压等级。具体如下：

(1.1.2.1)对于光伏储能分布式电源，根据发电容量的不同，接入的电压等级如下：

对于发电容量大于400kw的光伏储能分布式电源，接入±20kv、±10kv电压等级；

对于发电容量大于8kw且小于等于400kw的光伏储能分布式电源，接入±380v电压等级；

对于发电容量小于等于8kw的光伏储能分布式电源，接入±110v电压等级；

(1.1.2.2)对于发电容量小于5kw的小型风力发电厂，接入电压等级为±20kv或±10kv；

(1.1.2.3)对于城市轨道交通，如地铁、直流牵引等，接入电压等级为±3kv或±1500v或±750v或±600v；

(1.1.2.4)对于船舰供电系统，接入电压等级为±3kv或±1500v或±750v；

(1.1.2.5)工业直流负载，接入电压等级为±1500v或±750v；

(1.1.2.6)电动汽车作为负荷充电时，接入电压等级为±750v或±380v；

(1.1.2.7)楼宇供电系统，接入电压等级为±380v；

(1.1.2.8)企业数据中心，接入电压等级为±380v或±110v；

(1.1.2.9)通信中直流负荷，接入电压等级为±380v或±110v；

(1.1.2.10)家用负荷，接入电压等级为±380v或±110v。

(1.2)所述的待选电压等级序列确定，如图1所示，是在确定的直流设备标称电压等级中，选择规划区域内已有设备的电压等级，对所选择的已有设备的电压等级u1、u2…um进行排列，得到所有的电压等级序列l1、l2…ln，并逐一判断每个电压等级序列是否满足相邻两级电压之比um/um+1不小于2这一原则，满足的电压等级序列，作为待选电压等级序列，不满足的电压等级序列，则舍去，即得到全部的待选电压等级序列。

2)计算直流配电系统可靠性评价指标，包括分别计算直流配电系统可靠性评价指标和直流配电系统经济性评价指标；其中，

(2.1)所述的计算直流配电系统可靠性评价指标，包括线路供电距离和线路供电容量，其中：

所述线路供电距离l的计算公式如下：

式中，lloss为线路损耗率；ρ为电阻率(ω·m)；j为经济电流密度(a/mm²)；un为直流电压等级(v)；

在直流线路中，电压损耗率和线路损耗率在数值上是相等的，根据《电能质量供电电压允许偏差》中的相关规定可得出直流线路的电压损耗率规定值。关于交流50hz系统电压偏差规定，相同电压等级的直流配电系统选择相同供电电压偏差，因此，对应于直流配电网，10kv及以下供电电压允许偏差为额定电压的±7％。

当系统的出线形式为单极接线形式时，将线路供电距离l代下式中，求出线路供电容量p单极：

式中，s为线路的截面积(mm²)；δu％为电压损耗率；

当系统的出线形式为双极接线形式时，将线路供电距离l带下式中，求出线路供电容量p双极：

(2.2)所述的直流配电系统经济性评价指标c的计算公式如下：

c＝cl+cv+cr+cl-loss+cc-loss+cm(4)

其中，

cl为电缆的购买总成本，表示如下：

cl＝m0·l0(5)

其中，m0为电缆单价；l0表示输送距离；

cv为单个变流器的购买成本，表示如下：

cv＝mv·pv(6)

其中，mv为变流器的单位容量价格；pv为额定容量；

在通流能力一定的情况下，变流器的额定电压越高，容量越大，相应的成本也就越高。因此，变流器的价格与其额定电压呈正相关关系。

cr为直流断路器的单个购买成本，表示如下：

cr＝mr·ur(7)

其中，ur为直流断路器的额定电压；mr为相关系数；

直流断路器极数选择是由直流线路的电压等级直接决定的，且电压越高，所需极数越多，价格也就越高；另外直流断路器的通断电流能力与其工作电压也呈正相关关系，耐压和过流能力越高，成本也越高。

cl-loss为线路损耗成本，表示如下：

cl-loss＝m1·δploss＝m1·lloss·pl·n(8)

其中，m1为单位千瓦时的价格；δploss为线路的损耗，δploss＝lloss·pl，lloss为线路损耗率；pl为线路输送容量；n为系统运行年限；

线路损耗δploss与线路输送容量pl有关，而线路输送容量pl受电压等级的影响。

cc-loss为变流器损耗成本，表示如下：

cc-loss＝m1·(1-ηc)·pv·n＝m1·ηloss·pv·n(9)

其中，ηc为变流器转换效率；pv为变流器输送容量；ηloss为变流器损耗率；

变流器损耗主要指开关损耗和导通损耗，开关损耗受控制方式影响，导通损耗则与流过的电流有关。当变流器传输功率不变时，电压等级越高，电流越小，导通损耗也就越小。变流器损耗率ηloss和变流器转换效率ηc之间存在ηloss+ηc＝1的关系；

cm为系统的输送功率维护成本，表示如下：

cm＝0.02m1·pt·n(10)

其中，pt为系统的输送功率；

变流器的转换效率越高，损耗成本越小。变流器的转换效率与电压等级有关，在传输功率一定的情况下，对于相同结构的变流器组合，电压等级越高变流器转换效率越大。直流配电网的维护成本与输送功率近似呈正相关关系。

电缆的购买总成本、变流器购买总成本和直流断路器购买总成本之和构成总体建设成本；

为可用电缆、变流器和直流断路器的成本之和表示，由此可知，合理选择直流电压等级能够有效减少直流设备的投资，降低建设成本。

线路损耗成本、变流器损耗成本以及系统的输送功率维护成本之和构成总体运行维护成本。

3)建立直流配电系统电压序列综合评估模型，是由系统层指标权重、可靠性指标权重、经济性指标权重和适应性指标权重构成。

为对电压等级序列的性能进行综合性量化评估，需同时考虑直流配电网的各项指标，经济性评价指标，可靠性评价指标以及适应性评价指标。由于各个指标的作用并不同等重要，应合理确定权重。本发明的方法主要采用层次分析法确定指标权重，第一层为综合评价，第二层为系统层，包括经济性评价指标、可靠性评价指标、适应性评价指标，第三层则为对应第二层的各类指标。其中，

(3.1)系统层指标权重

对于综合评价体系系统层的可靠性评、经济性、适应性三个评价指标，按照经济性评价指标重要性高于可靠性评价指标重要性，经济性评价指标重要性高于适应性评价指标重要性，可靠性评价指标重要性高于适应性评价指标这一重要性排序，首先建立系统层指标判断矩阵ax：

得到系统层指标判断矩阵ax最大特征值λmax＝3.009，对应的特征向量为(0.4660.8470.257)^t，通过如下两式计算判断矩阵的一致性比例cr：

式中，ci表示判断矩阵ax的一致性指标；ri表示随机性指标；a表示矩阵维数；

得到系统层指标判断矩阵ax的一致性比例cr≈0.008＜0.1，符合一致性，将特征向量(0.4660.8470.257)^t归一化后，得到系统层指标权重w1为(0.2970.5400.163)^t；

(3.2)可靠性指标权重

可靠性指标包括线路供电距离和线路供电容量两个部分，按照线路供电容量重要性高于线路供电距离，建立可靠性指标判断矩阵ak；

得到可靠性指标判断矩阵ak最大特征值λmax＝2，对应的特征向量为(0.8940.447)^t，根据公式(12)和公式(13)得到可靠性指标判断矩阵ak的一致性比例cr＝0＜0.1，符合一致性，将特征向量(0.8940.447)^t归一化后，得到可靠性指标权重w21为(0.6670.333)^t；

(3.3)经济性指标权重

经济性指标包括总体建设成本和总体运行维护成本两个部分，按照总体建设成本重要性高于总体运行维护成本，建立经济性指标判断矩阵aj：

得到经济性指标判断矩阵aj最大特征值λmax＝2，对应的特征向量为(0.8940.447)^t；根据公式(12)和公式(13)得到经济性指标判断矩阵aj的一致性比例cr＝0＜0.1，符合一致性，将特征向量(0.8940.447)^t归一化后，得到经济性指标权重w22为(0.6670.333)^t；

(3.4)适应性指标权重

适应性指标包括关键设备的制造水平、交流配网衔接便利性以及满足直流电压等级序列确定原则三个部分；由于适应性评价指标为非量化指标，对适应性评价指标进行模糊数据处理，基于vague集群决策方法，在不确定环境下将适应性评价指标转化为一定的指标取值。

根据vague集群决策方法中的语言变量等级：好、较好、中、较差和差，将不同等级的适应性评价指标分类五个等级，定义为：好对应1，较好对应0.8，中对应0.5，较差对应0.3和差则对应0；

按照满足直流电压等级序列确定原则重要性高于交流配网衔接便利性，直流电压等级序列确定原则重要性高于关键设备的制造水平重要性，交流配网衔接便利性重要性高于关键设备的制造水平重要性，建立适应性指标判断矩阵as；

得到适应性指标判断矩阵as最大特征值λmax＝3.054，对应的特征向量为(0.8020.5050.318)^t；根据公式(12)和公式(13)得到适应性指标判断矩阵as的一致性比例cr≈0.046＜0.1，符合一致性，将特征向量为(0.8020.5050.318)^t归一化后，得到适应性指标权重w23为(0.4930.3110.196)^t；

将可靠性指标权重、经济性指标权重和适应性指标权重分别与系统层指标权重相乘后，进行归一化处理，得到可靠性、经济性、适应性各指标权重为w＝(0.1980.0990.3600.1800.0800.0510.032)^t，其中，0.198为线路供电容量的权重，0.099为线路供电距离的权重，0.360为总体建设成本的权重，0.180为总体运行维护成本的权重，0.080为直流电压等级序列确定原则的权重，0.051为交流配网衔接便利性的权重，0.032为关键设备的制造水平的权重；

(3.5)建立直流配电系统电压序列综合评估模型

根据直流配电系统可靠性评价指标和直流配电系统经济性评价指标，以及不同等级的适应性评价指标得到各待选电压等级序列下的指标数据zp×q；对所述的指标数据zp×q其进行无量纲化处理以及模糊数据处理，以最大值为基准将处理后的指标数据进行归一化，得到待选电压等级下的各个指标评估值z’p×q，通过下式分别对各个指标评估值z’p×q按照权重w进行加权计算，得到对应的各个加权标准化指标z”p×q：

zij”＝zij'×wj(17)

其中，zij”为各个加权标准化指标z”p×q中的元素；，zij’为各个指标评估值z’p×q中的元素；wj为权重w中的元素；

确定各个正向指标z⁺与负向指标z^-的最大与最小值，其中，正向指标z⁺包括：线路供电距离和线路供电容量、关键设备的制造水平、交流配网衔接便利性和直流电压等级序列确定原则，负向指标z^-包括：总体建设成本和总体运行维护成本；

正向指标的最大值与负向指标的最小值对应正理想解，而正向指标的最小值与负向指标的最大值对应负理想解，从而确定加权标准化指标z”p×q的正理想解zj⁺与负理想解zj^-；

根据如下各式求得全部待选电压等级序列到正理想解与负理想解的欧氏距离的di⁺和di^-，以及相对贴近度d，选择全部待选电压等级序列中距离正理想解距离最小，相对贴合度也最小的待选电压等级序列作为最优的直流中、低压电压等级序列：

其中，p为待选电压等级序列的个数；q为指标数据zp×q中指标的个数；i为元素zij”在为加权标准化指标z”p×q中所处的行数；j为元素zij”在为加权标准化指标z”p×q中所处的列数。