[發明專利]一種輸電網結構形態評估方法

有效

• 申請號: 201911156696.6
• 申請日: 2019-11-22
• 公開（公告）號: CN110969347B
• 公開（公告）日: 2023-08-18
• 發明（設計）人: 崔國柱;汪湲;王砥凡;王飛;魏飛;牟宏;張成相;王春義;蔣德玉;孫偉;顧潔;盧兆軍;王東陽;張杰;謝紅濤
• 申請（專利權）人: 國網山東省電力公司臨沂供電公司
• 主分類號: G06Q10/0639
• 分類號: G06Q10/0639;G06Q50/06
• 代理公司: 北京東方盛凡知識產權代理有限公司 11562
• 代理人: 張雪

1.一種輸電網結構形態評估方法，其特征在于：包括以下步驟：

步驟一：確定電力系統綜合評價指標選取的基本原則

利用電網結構拓撲特性和運行特性以及指標數據的獲取性難易、計算難度反映電網的特性；

步驟二：確立描述實際電網的拓撲結構時的簡化原則

(1)不考慮發電廠和變電站的主接線結構，把發電機和低壓側母線上連接的電源和負荷均抽象為在相應母線上注入一定的有功功率；

(2)電網拓撲模型中的節點只包括電源點、負荷節點、和中間節點，忽略大地零點，并且各個節點均默認為完全相同無差別的節點；

(3)忽略傳輸線電壓等級的差異、不同傳輸線的物理結構特性和電氣參數特征的不同，即認為所有傳輸線的拓撲特性都是相同的，且所有的邊都不考慮其權重；

(4)在電網拓撲模型中，將所有輸電線、變壓器支路都抽象為邊，且所有邊都不考慮其方向；

(5)不考慮并聯的電容支路，將同桿并架的輸電線進行合并，形成一個簡單圖；

步驟三：基于復雜網絡理論的電網結構類指標

根據步驟二的簡化規則，將一個具體網絡抽象為一個無向無權網絡G＝(V,E)，其中V表示網絡中所有節點的集合，E表示所有邊的集合，節點數為n,邊數為l，根據經典復雜網絡理論中的定義描述網絡結構特性：

(1)節點度k

在復雜網絡中，節點i的度數k_i定義為與該節點相連接的所有邊l的數量，

其中：k_i為節點i的度數，l_ij為節點i與節點j相連的邊，

節點的度越大則表明該節點在整個網絡中的重要性越高，網絡中每個節點都有各自的度，對所有節點i的度數k_i求和并取平均值即可得到整個網絡的節點平均度，記為k，

其中：k_i為節點i的度數，n為總節點數，

(2)節點度分布P(k)

網絡中節點度的分布狀況可由分布函數P(k)來表示，即該網絡中所有度為k的節點在整個網絡的節點中所占比例，

其中：n_k是節點度數為k的節點數，n為總節點數，

對所述節點度的分布狀況進行累計分布的形式表征，公式為：

其中：P(k)節點度分布函數，k為節點度，γ為度分布指數，

(3)節點度相關k_nn

一個度數為k的節點連接到另一個度數為k'節點的概率與k有關，引入條件概率P_c(k'|k)，定義為從度數為k的節點指向度數為k'節點的概率，

P_c(k'|k)＝P_c(k')≈k'P(k')??????????????????(2-5)

其中：k'為節點度數，P(k')表示一個節點的度為k'的概率，

度相關即通過測量度數為k的節點的平均最近鄰接連通性得到，判斷連接的節點是否具有相同的屬性，如相似度，

其中：k'為節點度數，條件P_C(k'|k)表示一個節點度為k的節點指向度為k'的節點的概率，

(4)網絡直徑D

網絡中節點i和j之間距離d_ij的定義為將這兩個節點相連的最短路徑所經過的邊數，所以網絡的直徑D則定義為網絡中任意兩個節點之間的距離的最大值，

D＝max?d_ij???????????????????????(2-7)

其中：d_ij為節點i與節點j之間的最短路徑所經過的邊數，

(5)特征路徑長度L

在網絡的拓撲結構中，特征路徑長度用于定義網絡中任意兩節點之間距離的平均值，所述平均值用于衡量一個網絡中的質量或信息傳輸效率，

其中：n為總節點數，d_ij為節點i與節點j間最短路徑所經過的邊數，從全局角度來看，特征路徑長度用于計算復雜網絡中每兩兩配對的節點之間的最短距離；

(6)介數b

介數是衡量節點在網絡中的中心性的一個標準指標，通過計算經過一個節點的最短路徑數目，給出節點在路徑規劃中的重要性信息，假定網絡中兩節點間的能量或者信息在傳播過程中沿著節點間的最短路徑，節點或邊在網絡傳播過程中所起的作用則根據給節點或邊通過的最短路徑次數來表征，次數越多則貢獻越大，其重要性也相應更大：

其中：n_jk為連接節點j和k的最短路徑數，n_jk(i)為連接節點j和k并通過節點i的最短路徑數，

(7)聚類系數C

聚類系數是描述一個網絡的集聚性的參數，用于衡量網絡節點聚集和離散的程度，假設節點i與k_i個節點直接相連，那么對于無向網絡來說，這k_i個相鄰節點之間可能存在的的邊數最大為而實際存在的邊數為E_i，則節點i的聚類系數定義為實際邊數E_i與可能存在的總邊數的比值：

其中：k_i為節點i鄰近的節點數，E_i為節點i與鄰近節點相連的實際邊數，從幾何角度可以定義為：

對整個網絡所有節點的聚類系數C_i求平均即可得到網絡的聚類系數C：

其中：C_i為節點i的聚類系數，n為總節點數，0≤C≤1，如果C＝0，則說明整個網絡的所有點都是孤立的，沒有互相的連接，如果C＝1，則說明網絡中所有節點兩兩之間都有邊連接，網絡的C越大，表明整個網絡的聚集程度越高；

(8)效率E

將公式(2-8)中的求和僅限于屬于最大連接的節點對，考慮測地線的調和平均值，并引入網絡效率的定義：

其中：n為總節點數，測地線的邊數d_ij為兩節點i、j之間的距離，其倒數即為兩節點間的效率，對網絡中所有節點對的效率取平均值，得到整個網絡的全局效率；

(9)容錯概率f_c

根據復雜網絡理論，網絡連接部分的條件為：

其中：k為節點度數，P(k)為節點度分布函數，

對于隨機刪除的節點來說，其容錯概率定義為：

考慮到電網各節點指數度分布，得到k＝γ以及k²＝2γ²，所以：

其中：γ為節點度分布指數；

步驟四：其他指標

考慮電網運行時的安全可靠問題，以及高比例清潔能源與分布式發電技術的接入，使得電網在運行過程中面臨著不確定性的問題，選取如下指標以實現電網全方面綜合的評價：

a、可靠性類指標：指電力系統按照規定條件下的質量和數量標準，將電力從電源端輸送電力至受電端以滿足供電負荷電力和電量需求的能力，通過定量的可靠性指標進行度量；

(1)線路負載率

該指標反映輸電網220kV線路的利用率,具體分為線路最大負載率、最小負載率和平均負載率：

220千伏線路最大負載率＝線路年最大有功功率/線路熱穩極限(2-17)；

220千伏線路最小負載率＝線路年最小有功功率/線路熱穩極限(2-18)；

220千伏線路平均負載率＝線路年平均有功功率/線路熱穩極限(2-19)；

(2)容載比Rs

指在規定供電區域內的變電設備總容量與相對應的總負荷的比值，采用如下方法估算容載比：

其中:Sei為該電壓等級變電站i的主變壓器容量，Pmax為該電壓等級下的全網最大預測負荷，

(3)系統供電可靠率I_ASA

系統供電可靠率的定義為在一定規定時間內系統不停電的小時總數和要求滿足的總供電小時數之比：

其中：g為負荷節點；Ω_F為系統中所有類型的負荷節點的位置集合；為節點g的用戶數；u_g為負荷點g的平均停電持續時間，

(4)系統平均停電持續時間I_SAID

系統平均停電持續時間為在一定規定時間內系統中平均每個用戶經受的總停電時間：

其中：u_g為負荷點g的平均停電持續時間；為節點g的用戶數；

b、安全性類指標：指電力系統在發生事故時的安全性以及避免級聯故障而不引起系統崩潰和大面積停電的能力，

(1)系統平均停電頻率I_SAIF

系統平均停電頻率為在一定規定時間內電網平均經受的持續性停電的次數：

其中：λ_g為負荷點g的年故障停運頻率；為節點g的用戶數，

(2)系統整體安全性指數I_IS

供電安全性是指故障條件下，系統轉供負荷的能力，提出系統整體安全性系數I_IS.系統通過計算在系統“N-1”條件下不同重要程度負荷的轉移率來定量評價有源配電網整體的供電安全性水平：

式中：m為電力系統中可能會發生故障的第m個元件；Ω_m為第m個元件故障時影響的負荷節點的集合；EN為電力系統中可能會發生故障的元件總數；w_g表示負荷的重要程度，w_g∈{1,2,3,5}，分別為三級負荷、二級負荷、一級負荷和特級負荷；τ_mg為表征在第m個元件故障時負荷g成功轉供的概率，τ_mg∈[0,1]，τ_mg值越大則代表轉供的成功率越大；

(3)系統停電風險指數I_ENSR

系統停電風險指數IENSR以表征系統的抗風險能力：

式中：u_m為系統中元件m的平均停電持續時間；F_m為元件不可靠度，其中w_g表示負荷的重要程度；τ_mg為表征在第m個元件故障時負荷g成功轉供的概率；S_g為負荷點g的停運容量；

c、經濟性類指標：指電網在運行時，供電成本低，發電能源消耗少并且網損率小；

(1)電網網絡損耗率L_n

以線損率作為評價電網的網絡損耗情況：

L_n＝(供電量-售電量)/供電量×100％?????????(2-26)

(2)系統投資成本f_inv

電力系統投資成本主要考慮輸電線路的建設成本：

其中，f_inv表示投資成本，c_i-j為節點i和j之間單條輸電線路造價，n_i-j為節點i和j之間新建輸電線路的數量；

(3)單位電網投資增售電量

表示單位電網投資對應的增售電量，反映出電網投資的經濟效益：

單位電網投資增售電量＝(當年售電量-上一年售電量)/上年電網投資????(2-27)；

d、環保性類指標：包括接入分布式電源和高比例可再生能源的電網所帶來的環保效應包括節約的碳排放帶來的低碳效應、可再生能源滲透率以及節省的土地；

(1)可再生能源滲透率

(2)低碳收益E_c

根據下式求得：

其中，ε_c,coal為主網的碳排放系數；c_coal為主網單位電量對應的煤耗；P_w,g,t為時段t內外部電網向待規劃電網的注入功率；Δt為時段t的持續時間，而在終端用電環節產生低碳收益E_C2：

其中，為全網負荷率每提升1個百分點，燃煤機組煤耗的下降幅度；Δξ_t為第t階段負荷率超出預計水平的比例；

因此有：

E_C＝E_C1+E_C2????????????????(2-31)；

步驟五：電力系統綜合評價方法

根據步驟三和步驟四建立的評價指標，選擇兩種方法應用于綜合決策并對其進行比較，一種是熵權法和TOPSIS法相結合，另一種是秩和比法，

a、熵權法與TOPSIS法相結合

(1)熵權法

依據每個指標體現出的重要程度大小對其賦予合理的權重占比，基于各指標的權重獲取總體評價目標的貢獻度，綜合評價的核心和重點為確定各個綜合評價指標的權重，

具體計算過程如下：

1)建立評價指標樣本矩陣

目前有3個待評估的電網規劃方案S₁,S₂,S₃；采用23個評價指標進行評價，分別為A₁,A₂,...A₂₃.設第i個規劃方案S_i在評價指標A_j下的值為p_ij，建立3×23階指標樣本矩陣P：

2)建立規范化的無量綱指標

規范化處理方法如下：

令

效益型指標規范化公式：

成本型指標規范化公式：

3)確定各指標的權重

根據熵的定義得到評價指標的熵為：

式中則第j個指標的熵權為：

取各指標的權重向量為：w＝(w₁,w₂,...,w₂₃)^T；

(2)TOPSIS法

應用TOPSIS法進行評價，主要步驟如下：

1)形成決策矩陣

現有參與綜合評價的多指標體系的規劃方案集為S＝(S₁,S₂,S₃)，指標集為A＝(A₁,A₂,...A₂₃)，方案S_i下指標A_i的值為p_ij，則形成的決策矩陣P為：

2)將決策矩陣規范化

規范化決策矩陣B＝(b_ij)_m×n：

根據各指標權重構成加權規范矩陣C＝(c_ij)_m×n，各指標權重向量為w：

c_ij＝w_j·b_ij????????????????????(3-8)

3)確定正理想解C⁺和負理想解C^-

設正理想解C⁺的第j個指標值為負理想解的第j個指標值

對于正理想解：

對于負理想解：

4)計算各評價對象距離正理想解與負理想解的遠近程度方案S_i到正理想解的距離為：

方案S_i到負理想解的距離為：

5)計算各方案綜合評價指數

按照f_i⁺的大小對各評價方案的優劣次序進行排列；

b、熵權法與秩和比法結合

秩和比法的具體計算過程如下：

1)編秩

根據n個評價對象的m個評價指標構建n行m列矩陣，得到每個指標評價對象的秩，對于A₁,A₂,...A₂₃指標樣本，其順序統計量是A₍₁₎,A₍₂₎,...A₍₂₃₎，若A_i＝A_(k)，則稱k為A_i在樣本中的秩，記為R_i，對每一個i＝1,...23,稱R_i是第i個統計量，R₁，...,R_n總稱為秩統計量，對效益型指標按從小到大的順序編秩，成本型指標按從大到小的順序編秩，同一指標數據相同的則編平均秩，得到的秩矩陣記為R＝(R_ij)_n×m；

2)計算秩和比

根據秩和比的數學表達，結合電網規劃方案綜合評估的特點，秩和比法的計算表達式為：

其中：n為待評價規劃方案數目，m為評價指標數，R為根據評價對象排序得到的每組指標的秩次，

當各評價指標的權重不同時，計算加權秩和比WRSR，其計算公式為：

其中w_j為第j個評價指標的權重，

3)計算概率單位

將得到的WRSR的值由小到大排列，列出各組頻數f_i，計算各組的累積頻數Σf_i，然后計算累積頻率p_i：

p_i＝Σf_i/n???????????????????????????(3-16)

然后將p_i轉換為概率單位Probit_i，Probit_i為標準正態分布的p_i分位數u加5；

4)計算直線回歸方程

將累積頻率所對應的概率單位Probit_i作為自變量，以WRSR_i的值為因變量，計算直線回歸方程：

WRSR＝a+b×Probit???????????????????(3-17)

5)分檔排序

基于得到的回歸方程推算對應的WRSR估計值，對評價對象進行分檔排序。