基于熵权-层次分析法的储能电站并网安全评价方法与流程

1.本发明涉及储能电站接入电网的安全性评估领域，具体涉及一种基于熵权-层次分析法的储能电站并网安全评价方法。


背景技术：

2.随着社会经济不断发展，以光伏发电以及风力发电为主要代表的新能源发电占全国电力供应的比重逐年上涨。但是，新能源发电具有间歇性、波动性的特点，大规模并网使电能质量下降，甚至导致系统失稳，加大电网调度的难度。因此，电力系统不得不拒绝新能源发电，弃风、弃光问题普遍存在，严重制约了能源结构转型。
3.大规模储能电站作为解决新能源发电给电网带来的问题的有效手段，随着其技术不断完善，成本逐年下降已经开始广泛应用电网中。一方面储能具备良好的静态特性，可以利用峰谷差来进行调节，提高可再生能源消纳水平。另一方面，储能系统具有极快的响应速度，能够对电网情况变化迅速做出反应，几乎能够实时跟踪区域控制误差。
4.但对储能电站进行并网安全综合评价评估时，需要考虑的影响因素众多，并且某些因素具有很强的不确定性，增加了储能电站并网安全综合评价体系的难度。这就要求在建立综合评价指标的基础上，采用合理的评价方法建立评价模型，得出科学的评价结果。由于各方面影响对应的评价指标属性不同，它们通常具有不同的量纲和数量级，利用现有技术很难保证评价值的一致性，评价过程中存在主观性、模糊性等问题，导致评价结果的可信度和准确性不高。


技术实现要素：

5.为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种基于熵权-层次分析法的储能电站并网安全评价方法。
6.为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：一种基于熵权-层次分析法的储能电站并网安全评价方法，包括：根据预先构建的储能电站并网安全综合评价指标体系，综合熵权法和层次分析法计算评价指标体系中各指标的综合权重；基于待评价储能电站的运行数据，计算储能电站并网安全综合评价指标体系中的各指标值；根据各指标对应的综合权重和指标值，计算待评价储能电站的并网安全情况。
7.进一步地，所述预先构建的储能电站并网安全综合评价指标体系，包括三层评价指标；在第一层：安全综合评价指标包括电池安全性指标和涉网安全性指标；在第二层：包括均与第一层电池安全性指标对应的电池单体指标和电池不一致性指标，还包括均与第一层涉网安全性指标对应的电能质量指标和可靠性指标；在第三层：包括均与第二层电池单体指标对应的电池质量比能量、电池质量比功
率、电池体积比能量、电池体积比功率、电池容量保持率及电池内阻保持率；还包括均与第二层电池不一致性指标对应的电池内阻不一致性、电池容量不一致性和电池端电压不致性；还包括均与第二层电能质量指标对应的电压偏差超标率、电压波动超标率、谐波畸变超标率、谐波电流超标率、频率超标率和电压不平衡度超标率；还包括均与第二层可靠性指标对应的变压器可靠性、线路可靠性、变压器过载率和线路过载率。
8.所述电池质量比能量的计算式为：所述电池质量比功率的计算式为：所述电池体积比能量的计算式为：所述电池体积比功率的计算式为：所述电池容量保持率的计算式为：式中，为容量保持率，为电池簇的实际可用容量，为电池出厂初始容量；所述电池内阻保持率的计算式为：式中，为电池内阻保持率，为电池50％soc放电直流内阻，为电池初始50％soc放电直流内阻。
9.进一步地，所述电池内阻不一致性、电池容量不致性和电池端电压不一致性的计算式分别为：式中，为电池内阻的均方差，用于量化所述电池内阻不一致性；为第i个单体电池的内阻，为所有单体电池的内阻平均值，为电池单体个数；为容量的均方差，用于量化所述电池容量不一致性；为第i个单体电池的容量，为所有单体电池容量的平均值；为第
i个单体电池的端电压，为所有单体电池的端电压平均值；为电池端电压的均方差，用于量化所述电池端电压不一致性。
10.进一步地，所述电压偏差超标率、电压波动超标率、谐波畸变超标率、谐波电流超标率、频率超标率和电压不平衡度超标率，是指pcc点在储能电站接入电网后的评价指标，计算式为分别为：计算式为分别为：计算式为分别为：计算式为分别为：计算式为分别为：计算式为分别为： 。
11.进一步地，所述变压器可靠性、线路可靠性、变压器过载率和线路过载率，分别是指储能电站接入电网后，不满足n-1的变压器的增加比例、不满足n-1的线路的增加比例、过载变压器的增加比例、过载线路的增加比例，计算式分别为：载变压器的增加比例、过载线路的增加比例，计算式分别为：载变压器的增加比例、过载线路的增加比例，计算式分别为：载变压器的增加比例、过载线路的增加比例，计算式分别为： 。
12.进一步地，评价指标体系中各指标的综合权重计算方法为：采用层次分析法确定评价指标体系中各指标占对应上层指标的主观权重；采用熵权法确定评价指标体系中各指标占对应上层指标的客观权重；基于主观权重和客观权重，采用最小二乘法的组合优化方法计算各指标占对应上层指标的综合权重。
13.进一步地，采用最小二乘法的组合优化方法计算综合权重，具体包括：首先，通过最小二乘法计算与各主观权重和客观权重的偏差最小的综合权重，建立目标函数和约束条件如下：
式中，为评价对象的个数，为评价指标的个数，为第个评价对象的第个评价指标的评分值，为关于综合权重的目标函数；然后，采用拉格朗日方法求解各指标占对应上层指标的综合权重。
14.进一步地，根据各指标对应的综合权重和指标值，计算待评价储能电站的并网安全情况的方法为：对于除最低层以外的其他每个指标：根据其对应的下层各指标所占的综合权重及指标值，计算该指标的评分值，并作为该指标的指标值；按指标体系从下往上的顺序依次计算各指标值，最终得到最顶层指标值，即为储能电站的并网安全情况。
15.有益效果本发明提出一种基于熵权(ew)-层次分析法(ahp)的储能电站并网安全评价方法，运用层次分析法和熵权法分别对储能电站并网安全进行综合评价，并通过权重值的计算对不同指标对储能电站并网安全情况进行识别。本发明能够及时了解储能电站并网安全情况，进而及时对故障情况采取有效措施，避免威胁电网运行安全及危害储能电站自身安全运行。
16.本发明通过考虑储能电站自身安全特性，主要以储能电池安全指标为依据，同时结合储能电站接入电网后的适应性情况，对其进行优选，为大容量储能电站的并网运行提供参考，提高储能电站参与电网调度的安全性。
17.本发明采用ew-ahp方法将层次分析法和熵权法相结合，既可以根据不同储能电站的实际情况制定相适应的指标体系评价方法，也可以降低主观因素的影响，有效提高合理性和准确度，整体上保证了评价结果的客观性和可靠性，能够科学全面评价储能电站并网安全，参与对电网的主动支撑。
附图说明
18.图1是本技术实施例所述方法的流程示意图；图2是本技术实施例所述方法中预先构建的储能电站评价指标体系。
具体实施方式
19.下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
20.本实施例提供一种基于熵权-层次分析法的储能电站并网安全评价方法，参考图1所示，包括：步骤1，根据预先构建的储能电站并网安全综合评价指标体系，综合熵权法和层次分析法计算评价指标体系中各指标的综合权重。
21.（一）储能电站并网安全综合评价指标体系所述预先构建的储能电站并网安全综合评价指标体系，参考图2所示，包括三层评
价指标；在第一层：安全综合评价指标包括电池安全性指标和涉网安全性指标；在第二层：包括均与第一层电池安全性指标对应的电池单体指标和电池不一致性指标，还包括均与第一层涉网安全性指标对应的电能质量指标和可靠性指标；在第三层：包括均与第二层电池单体指标对应的电池质量比能量、电池质量比功率、电池体积比能量、电池体积比功率、电池容量保持率及电池内阻保持率；还包括均与第二层电池不一致性指标对应的电池内阻不一致性、电池容量不一致性和电池端电压不致性；还包括均与第二层电能质量指标对应的电压偏差超标率、电压波动超标率、谐波畸变超标率、谐波电流超标率、频率超标率和电压不平衡度超标率；还包括均与第二层可靠性指标对应的变压器可靠性、线路可靠性、变压器过载率和线路过载率。分别介绍如下：1、电池安全性指标1-1电池单体指标电池单体指标共包含六个指标，分别为电池质量比能量、电池质量比功率、电池体积比能量、电池体积比功率、电池容量保持率及电池内阻保持率。
22.(1)电池质量比能量：(2)电池质量比功率：(3)电池体积比能量：(4)电池体积比功率：(5)电池容量保持率：式中，为容量保持率，为电池簇的实际可用容量，为电池出厂初始容量。
23.(6) 电池内阻保持率：式中，为电池内阻保持率，为电池50％soc放电直流内阻，为电池初始50％soc放电直流内阻。
24.2、电池不一致性指标：电池单体不一致性评价主要包含内阻、容量和端电压三个方面的不一致性的计算。计算式分别为：
式中，为电池内阻的均方差(ω)，用于量化所述电池内阻不一致性；为第个单体电池的内阻(ω)，为所有单体电池的内阻平均值(ω)，为电池单体个数；为容量的均方差(ah)，用于量化所述电池容量不一致性；为第个单体电池的容量(ah)，为所有单体电池容量的平均值(ah)；为电池端电压的均方差(v)，用于量化所述电池端电压不一致性；为第个单体电池的端电压(v)，为所有单体电池的端电压平均值(v)。
25.3、电能质量指标(1)电压偏差超标率 ，储能电站接入电网时，pcc点的电压偏差超标的比例。
26.(2电压波动超标率，储能电站接入电网时，pcc点的电压波动超标的比例。
27.(3)谐波畸变超标率，储能电站接入电网时，pcc点的电压总谐波畸变率超标的比例。
28.(4)谐波电流超标率，储能电站接入电网时，pcc点的谐波电流超标的比例 。
29.(5)频率超标率，储能电站接入电网时，pcc点的频率超标的比例。
30.(6)电压不平衡度超标率，储能电站源接入电网时，pcc点的负序电压不平衡度超标的比例。
31.4、可靠性指标(1)变压器可靠性, 储能电站接入电网后，不满足n-1的变压器的增加比例。
32.(2) 线路可靠性, 储能电站接入电网后，不满足n-1的线路的增加比例。
33.(3) 变压器过载率，储能电站接入电网后，过载变压器的增加比例。
34.(4) 线路过载率，储能电站接入电网后，过载线路的增加比例。
35.（二）层次分析法计算主观权重从专家经验角度出发，运用层次分析法对评价体系各指标的相对重要性进行量化，确定相关指标的主观权重，包括：（1）构建反映两两指标重要性大小的判断矩阵：其中，代表第三层指标的个数，表示指标和指标之间相比的重要程度，当时，，当时，。的大小根据专家经验由1-9比较尺度得出。
36.（2）进行一致性检验：判断矩阵的一致性指标和一致性比率。
37.其中,为判断矩阵的最大特征值，为判断矩阵的平均随机一致性指标。
38.（3）计算判断矩阵的最大特征值所对应的特征向量，即该层次指标相应的权向量，对应各指标的权重值。
39.其中,表示第个评价指标的主观权重，为第行每一元素的乘积的n次方根，。
40.（三）熵权法计算客观权重对于储能电站而言，不同储能电站由于规模，类型的差异，指标数值存在差异性，采用熵权法能够根据指标的差异确定指标的重要程度，该方法依赖于数据本身的离散性，是一种客观赋权法，用于计算以上各个指标的客观权重。
41.在使用熵权法计算客观权重时，需要依据若干个储能电站（作为评价对象）的各指
标评价得分，具体地：（1）对n个评价对象，以及个评价指标，令为第个评价对象的第个评价指标的评价得分, 构建关于被评价对象的多项指标集合的评价指标矩阵如下：（2）进行归一化处理，针对正向指标和负向指标分别进行处理。
42.式中，分别是正向指标和负向指标归一化处理后第个评价对象的第个评价指标的评价得分。
43.（3）对标准化处理后的各指标进行比重化变换，计算指标比重。
44.（4）计算各指标对应的熵值和信息熵冗余度。
45.（5）计算各指标的客观权重。
46.（四）综合主观权重和客观权重基于主客观权重计算结果，采用最小二乘法的组合优化方法得到评价指标的组合权重。
47.层次分析法和熵权法分别属于主观赋权法和客观赋权法，两种方法都有各自的缺陷，层次分析法很大程度上受人为因素干扰严重，但熵权法获得的权重也主要反映各指标直接的差异程度但并不是指标的重要程度，因此本实施例采用熵权法-层次分析法（ew-ahp）组合权重计算方法，采用最小二乘法的组合优化方法。具体地：首先，通过最小二乘法计算与各主观权重和客观权重的偏差最小的综合权重，建立目标函数和约束条件如下：
式中，为评价对象的个数，为评价指标的个数，为第个评价对象的第个评价指标的评分值，为关于综合权重的目标函数；然后，采用拉格朗日方法求解各指标占对应上层指标的综合权重。
48.比如，对于倒数第二层的“电池单体指标”，其包括下一层共6个指标，则按上述计算式计算该6个指标值，以及按上述综合权重计算方法得到该6个指标占“电池单体指标”的综合权重。对于更上层指标“电池安全性指标”，按照上述相同的方法根据下层对应的各指标计算占其对应上层指标的综合权重。
49.步骤2，基于待评价储能电站的运行数据，计算储能电站并网安全综合评价指标体系中的最低层各指标值。
50.步骤3，根据各指标对应的综合权重和指标值，计算待评价储能电站的并网安全情况。
51.对于除最低层以外的其他每个指标：根据其对应的下层各指标所占的综合权重及指标值，计算该指标的评分值，并作为该指标的指标值；。
52.式中，r为待计算指标的评分值，为待计算指标对应下层指标的编号，为待计算指标对应下层所包括的指标数量，和分别为待计算指标对应下层第个指标的综合权重和指标值。
53.按指标体系从下往上的顺序依次计算各指标值，最终得到最顶层指标值，即为储能电站的并网安全情况。进而可对储能电站并网安全综合情况进行识别。
54.以上实施例为本技术的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本技术总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本技术要求保护的范围之内。