風電群輸電規劃評價指標體系和方法.pdf

風電群輸電規劃評價指標體系和方法肖帥1，張巖2，章德1，禹海峰1，李夢驕11. 國網湖南省電力有限公司經濟技術研究院，湖南 長沙 410004；2. 國網能源研究院有限公司，北京 102209摘 要內陸山地風電、湖區風電等風電群，具有風電分布范圍廣、單個風電容量小等特點。針對風電群的送出，首先，從經濟性、安全性和適應性等方面，建立了一套適用于風電群輸電規劃的綜合評價指標體系；然后，綜合考慮評價指標的主客觀權重，利用基于矩估計理論的最優組合賦權方法確定各指標的最優組合權值，并將灰色關聯分析法和余弦排序法結合，提出改進的灰色關聯分析法，用以更加準確合理地對各個方案進行優選；最后，利用所提出的評價指標體系和評價方法對湖南某山地風電群輸電規劃進行了研究。研究結果驗證了所提出評價指標體系和評價方法的有效性和可行性。關鍵詞風電群；輸電規劃；評價指標體系；矩估計理論；改進灰色關聯分析中圖分類號 TM715.3 文獻標志碼 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2017030820 引言風能因其環保節能、運行成本穩定、分布范圍廣泛等特點，正逐漸成為中國能源可持續發展戰略的重要組成部分。內陸山地風電、湖區風電等風電群，具有風電分布范圍廣、單個風電容量小等特點?，F在國內風電正處于一個高速發展期，大部分內陸風電即將陸續開發，而風電群輸電規劃研究是風電能夠可靠送出和消納的基礎。因此，研究并建立一套全面系統的風電群輸電規劃綜合評價指標和評價方法，對于科學規劃風電送出具有重要的理論意義和實踐指導作用。當前國內外對風電接入電網以及輸電規劃方案優選開展了廣泛而深入的研究。文獻[1-6]闡述了大規模風電接入對電網的影響，介紹了風電并網的影響因素，對于風電群輸電規劃評價指標的選擇具有借鑒作用。文獻[7-8]分別介紹了層次分析法和模糊優選在輸電規劃方案優選中的應用，這兩種方法有效處理了綜合決策中的不確定性和專家判斷的模糊性。文獻[9]基于熵權法客觀確定權重，未考慮主觀因素影響。文獻[10]和文獻[11]分別基于矩估計理論賦權和熵權法賦權的灰色關聯分析優選方法，對特高壓落點布局和輸電網規劃方案進行綜合優選決策，對于風電群輸電規劃方案優選有一定的借鑒作用。文獻[12]將余弦排序法應用到電力系統中，實現電網規劃的優選決策?？傮w來看，國內外對于風電的研究主要集中在大規模風電接入對電力系統的影響，對于風電輸電規劃的評價指標和評價方法研究較少。本文首先建立了一套適用于風電群輸電規劃的評價指標體系，然后通過基于矩估計理論的最優組合賦權方法確定各評價指標的權值，并將灰色關聯分析法和余弦排序法相結合，綜合考慮“距離”與“角度”的信息，能更加準確地評價各個方案，并擇優選取推薦方案，最后利用改進的灰色關聯分析法，從經濟性、安全性和適應性等方面對湖南某山地風電群輸電規劃方案進行了評價優選。1 風電群輸電規劃的評價指標體系1.1 經濟性指標經濟性指標主要反映不同規劃方案建設成本和對電網網絡損耗的改善程度，主要包括一次投資和電能損失費用2個二級指標。1.1.1 一次投資一次投資是指保證風電群送出所付出的一次性成本，主要包括風電場升壓站及匯集線工程投資和風電送出系統配套工程投資。由于風電群的送出工程不是一次建成，而是按一定時序建設，需要將未來的投資折算成現值。收稿日期2017?03?27； 修回日期2019?08?01。第 52 卷 第 10 期中國電力Vol. 52, No. 102019 年 10 月ELECTRIC POWER Oct. 2019115CM n∑i1Mi1r0i 1（1）CM Mir0式中為一次投資折現值；為第i年的一次投資；為折現率。1.1.2 電能損失費用電能損失費用指標衡量電網運行有功功率損耗的成本，包括風電送出線路的有功功率損耗和除風電場送出線路以外網絡的有功功率損耗。CO CWCS（2）CW N∑i1Wi1r0i 1 T CE（3）CS N∑i1S i1r0i 1 T CE（4）CO CWCSWiS i r0CE TN式中電能損失費用現值；為風電送出線路電能損失費用現值；為網絡電能損失費用現值；為第i年風電送出線路有功功率損耗；為第i年網絡有功功率損耗；為折現率；為單位電能損失費用；為電網運行時間；為風電群經濟使用年限。1.2 安全性指標安全性指標反映風電群接入后，系統的潮流分布、母線節點電壓水平以及電網在發生故障事故時能否保持穩定運行的能力。主要包括潮流分布指標、母線節點電壓水平指標、N–1校核指標、電壓穩定水平指標、暫態穩定校核指標、穿透功率極限指標等6個二級指標，其中前3個指標是基于潮流計算得到線路輸送功率和節點電壓等數據，后3個指標是基于暫態穩定計算得到負荷增長率、切機切負荷量、系統最大風電裝機規模等數據。1.2.1 潮流分布指標潮流分布指標[10]反映風電群接入系統后，各電壓等級線路上輸送的潮流將發生變化，可能出現部分線路重載、過載的情況，威脅電網安全穩定運行。潮流分布指標通過計算各輸電線路允許最大輸送功率與實際輸送潮流之差，來衡量線路的潮流輸送裕度，指標值越大，說明電網既能滿足線路熱穩極限，又具有安全的運行裕度。PNL∑j1S jmax S jNL（5）S jmaxS jNL式中為第j條線路在一定條件下的允許最大輸送功率；為第j條線路的實際輸送功率；為統計的線路總條數。1.2.2 母線節點電壓水平指標VBlimit母線節點電壓水平指標反映風電群接入后母線節點電壓是否存在越限及越限幅度。母線節點電壓越限值為VBlimit Nb∑i1maxfVi Vmax;Vmin Vi;0g（6）Vi i Vmax VminNb式中為第個節點的電壓；，分別為節點電壓有效值的上、下限；為系統節點數。1.2.3 N–1校核指標N–1校核指標是指與風電送出相關的一條線路或一臺主變故障時，為保障電網的靜態穩定安全，風電群需要切除風機的功率，其主要考慮其他線路或主變能否將風電送出，通過計算N–1故障時風電群失去的功率來表征。PGLOSS ∑i2SVPG Sicos （7）SiPG SV式中為線路額定容量或主變最大上網容量；為風機有功出力；為線路或主變的功率因數角；為風電送出線路或主變的集合。1.2.4 電壓穩定水平指標PL電壓穩定性指標[13]包括靜態電壓穩定性指標和暫態電壓穩定性指標。靜態電壓穩定性指標是尋找系統的電壓崩潰點，通?？紤]逐步增加負荷或傳輸功率，直到系統電壓崩潰，使得電壓崩潰的最小負荷水平為電壓崩潰點。而系統當前運行負荷水平與到達電壓崩潰點時的負荷水平的距離，稱之為負荷裕度，本文以負荷增長量來表征靜態電壓穩定性指標，即有PL P0 （8）P0 式中為系統初始負荷；為負荷增長率。暫態電壓穩定性指標是校核系統發生故障和風電場發生擾動對電壓穩定性產生的影響。其中系統故障包括供電區域內部分線路和主變故障以及部分發電機組故障切機，風電場擾動包括風速變化的擾動以及風電場故障切機的擾動。1.2.5 暫態穩定校核指標暫態穩定校核指標是指電網故障時，為保障電網的暫態穩定安全采取的切機切負荷措施，包中國電力第 52 卷116括風電場故障時，引起的系統需要切除的負荷及系統故障時，需要風電群棄風的功率。其數學描述為PTS P1 P2（9）PTS P1P2式中為故障需切負荷或切機功率；為原穩定狀態負荷值或風電場出力；為新穩定狀態負荷值或風電場出力。1.2.6 穿透功率極限指標PP風電場穿透功率極限定義為在電網保持安全穩定運行且母線電壓、線路輸送潮流等電氣量指標不越限時，區域電網能夠承受的最大風電場裝機規模與電網運行的最大負荷百分比[14-15]。即有PP PWPS100（10）PWPS式中為某區域電網能夠承受的最大風電場裝機；為電網運行的最大負荷。1.3 適應性指標1.3.1 區域電力需求指標區域電力需求指標反映區域電網電力供需平衡狀況，體現風電接入后是否能實現風電的就地消納。該指標通過對擬送電區域的電力電量平衡來確定，可分成通過新建升壓站外送、通過已有公用變電站外送和就地消納送入風電等情況。1.3.2 風電送出可靠性指標風電送出可靠性指標反映風電送出線路故障時對風電送出的影響，主要考慮風電送出線路的故障率及回路數。山地風電送出線路的故障率主要受所在地區覆冰的影響，故障率與覆冰厚度相關，可參考各地區覆冰情況加以分析。1.3.3 風電群實施難度指標風電群實施難度主要體現在升壓站建設難度和風電送出線路架設難度兩個方面。升壓站選擇受限于海拔高度以及場地規模，輸電線路路徑選擇應盡量避開民房密集區等環境敏感目標。綜合考慮風電群實施難度，盡量減少項目對地方規劃及環境的影響，同時實施難度的增加對于風電群的投資也會相應增大。1.3.4 風電群過渡難度指標風電群過渡難易程度反映電網規劃項目對風電群輸電規劃方案的影響，某些電網規劃項目不能如期投產將使部分風電送出困難，甚至無法送出。電網規劃項目對風電送出的影響可分成不影響風電送出、影響部分風電送出和影響全部風電送出3個等級。1.3.5 風電群發展適應性指標風電群發展適應性主要反映風電投產時序對輸電規劃的影響。風電群一般由多個業主開發，風電投產時序具有不確定性，某些風電場若不能如期投產將造成經濟損失，可能導致推薦方案的改變，甚至導致某些風電無法送出。風電群投產時序對風電送出的影響可分成不影響風電送出、電網提前投資導致經濟損失和影響風電送出3個等級。1.3.6 近區電網調度運行指標近區電網調度運行指標主要反映風電接入對電網調度運行的影響。常見影響近區電網調度運行的情況有一是風電“T”接電網主供線路，影響線路的可靠性；二是風電裝機容量超過線路輸送容量引起線路開環或母線聯絡開關打開；三是風電接入后影響近區電源和負荷轉移由其他變電站供帶。2 綜合改進灰色關聯分析和矩估計理論賦權的優選決策方法2.1 基于灰色關聯分析法和余弦排序法的改進優選方法2.1.1 灰色關聯分析法灰色關聯分析法是比較方案序列向量與理想最優序列向量曲線幾何形狀的相似程度來選擇最佳方案的方法，序列曲線幾何形狀越相似，則說明比較方案越接近最優方案[10]。n mxxijn m設有個待選方案，每個方案對應有項比較指標，首先對評價指標的數據進行無量綱處理，處理后的方案集對指標集的評價矩陣記為。xopt [xopt1;xopt2; ;xoptm]令為理想方案，若指標對應值越大越好，則理想方案應取各方案中的最大值；若指標對應值越小越好，則理想方案應取各方案中的最小值。xopt xi j ij與關于第個指標的關聯系數為ij mini minjxoptj xij maxi maxjxoptj xijxoptj xij maxi maxjxoptj xij（11）第 10 期 肖帥等風電群輸電規劃評價指標體系和方法117式中為分辨系數，一般取0.5。2.1.2 余弦排序法余弦排序法[12]是通過方案序列向量與理想最優序列向量之間夾角（取銳角）的余弦值來判斷兩者的關聯程度。列向量夾角越小，則夾角余弦值越大，說明關聯度越大，方案越接近理想最優；反之亦然。xi fxi1;xi2; ;ximg mfai1;ai2; ;aimgxoptoaj xioaijfoa1;oa2; ;oamgfoai1;oai2; ;oaimg oaj oaijij ij將方案表示為一個維坐標系。選取空間某點作為公共起點，以理想方案對應的指標值作為終點，形成有向線段；以評價方案對應的指標值作為終點，形成有向線段。電網規劃理想方案有向線段集為，電網規劃評價方案有向線段集為，有向線段與的夾角為。由向量空間模型得夾角的余弦值為cos ij xijxoptjvt m∑j1x2ijvt m∑j1x2optj（12）2.1.3 改進的灰色關聯分析法結合灰色關聯分析法與余弦排序法提出了改進的灰色關聯分析法。該方法綜合“距離”與“角度”的信息，既能彌補灰色關聯分析法距離相同的方案無法比較的不足，又能彌補余弦排序法角度相同的方案無法比較的不足。j基于改進的灰色關聯分析法，第i個方案的第個指標的關聯系數為ij ijcos ij（13）ij關聯系數不僅能比較曲線之間的距離，而且能比較曲線之間的角度，兩者結合能更好地比較兩者之間的關聯程度。i第個評價方案與理想方案的關聯度為i m∑j1wj ij（14）wj j式中為指標對應的權重。比較各方案與理想方案在“距離”信息、“角度”信息的相似程度，進行優選排序，從待選方案中擇優選取。2.2 基于矩估計理論的最優組合賦權基于矩估計法的最優組合賦權[16]將主觀賦權方法與客觀賦權方法相結合，既照顧到決策者的主觀偏好，又做到決策的客觀真實性。mW [1;2; ;m] pk pj jk假設個評價指標的組合權重組成為，再從主觀權重集合中抽取個樣本，從客觀權重集合中抽取個樣本。對于各評價指標對應的綜合權重，需要使得與個主、客觀權重的偏差小?；谏鲜龇治?，可得到組合權重優化模型為8minBp∑s1m∑j1gjs j2k p∑t1m∑j1gjt j2stm∑j1j 1; 0≤j≤1（15）j j gjs;gjts tj ; 式中為第個指標的組合權重值；分別為通過第種主觀賦權方法和第種客觀賦權方法對第個指標計算得到的賦權結果；分別為主觀權重和客觀權重的相對重要程度系數。jgjs gjt對于第個評價指標，計算指標的主觀權重和客觀權重的期望值為8Egjsp∑s1gjsp 1≤s≤pEgjtk p∑t1gjtk p 1≤t≤k p（16）基于矩估計理論的思想，對于第j個指標，其主觀權重和客觀權重的相對重要程度系數分別為8j EgjsEgjsEgjtj EgjtEgjsEgjt（17）mm對于個指標，視作從2個總體中分別取出個樣本，同樣按照矩估計理論的思想，主觀權重和客觀權重的相對重要程度系數分別為8m∑j1jm∑j1jm∑j1jm∑j1jmm∑j1jm∑j1jm∑j1jm∑j1jm（18）中國電力第 52 卷118利用拉格朗日函數法求解式（15），得到j m p∑s1gjs k p∑t1gjt m∑j1 p∑s1gjs k p∑t1gjtm[ p k p] 1m（19）2.3 風電群輸電規劃方案優選決策步驟通過上述分析，基于矩估計理論賦權和改進的灰色關聯分析優選方法決策風電群輸電規劃優選方案的具體步驟如下（1）建立風電群輸電規劃的評價指標體系；（2）確定風電群輸電規劃待比選的方案；（3）計算待比選方案的評價指標值，由專家組成評判組，得到風電群輸電規劃評價的決策矩陣；（4）確定風電群輸電規劃評價指標的主觀權重集和客觀權重集；（5）主觀和客觀賦權方法相結合，確定風電群輸電規劃各評價指標的最優組合權重；（6）在已知風電群輸電規劃評價指標權重的基礎上，基于改進的灰色關聯分析優選方法進行方案優選；（7）推薦風電群輸電規劃最佳方案。3 算例分析3.1 某縣域風電群輸電規劃比選方案某縣域風電群包括10個風電場，總裝機容量600 MW，風電場位置分散，由不同風電業主開發。該縣有一座220 kV變電站，主變容量2180 MV·A；小水電資源豐富，裝機容量100 MW；規劃年最大負荷為245 MW?？紤]全部風電按70出力全部接入該縣電網，則存在最大電力盈余380 MW，超過現有主變容量。但總體來看，風電群70以上的時間風電出力不超過30，風電群在大多數時間能夠實現就地消納。綜合考慮各風電場地理位置、裝機規模、出力特性以及區域內電網結構，擬定3個備選方案。方案一和方案二以110 kV電壓等級接入，方案一全部風電就近接入縣域內110 kV電網；方案二將100 MW風電通過1回110 kV線路送至相鄰縣域電網消納。方案三將全部風電匯集至220 kV升壓站，以220 kV電壓等級接入電網。從經濟性來看，方案一就近接入但需提前擴建220 kV主變，較方案二投資大，方案三需升壓至220 kV，一次投資最大，但電能損失費用最小。從安全性來看，110 kV電壓等級接入方案可實現就地消納，潮流分布、電力需求、N–1校核等方面優于220 kV電壓等級接入系統方案；反之，在穿越功率極限、電壓穩定性等方面，220 kV電壓等級接入系統方案更優。從適應性來看，110 kV電壓等級接入系統方案送出可靠性更高、實施更為容易、發展適應性更好；220 kV電壓等級接入系統方案則調度運行更為方便。3.2 某縣域風電群輸電規劃方案優選采用本文提出的風電群輸電規劃的評價指標和評價方法對比選方案進行優選決策?；贐PA軟件，進行了上述3個輸電規劃方案的計算分析模型建模，經濟性和安全性指標計算結果如表1所示。計算各比選方案的評價指標值，由專家組成評判組，得到包括經濟性、安全性和適應性各個指標的評價等級（見表2），并形成決策矩陣。3.2.1 最優組合權重計算本文選用層次分析法[7]和專家咨詢法計算各評價指標的主觀權重，計算結果分別為W1[0.095,0.091,0.062,0.071,0.075,0.066,0.087,0.079,0.083,0.058,0.083,0.054,0.050,0.046]；W2[0.097,0.093,0.086,0.080,0.076,0.070,0.074,0.070,0.086,0.060,0.058,表 1 各方案指標值Table 1 The index value of each scheme評價指標指標名稱方案一方案二方案三一次投資一次投資折現值/萬元13 500 12 000 15 000電能損失費用電能損失費用相對值/萬元1 500 1 500 0潮流分布潮流分布/MW 114 110 85節點電壓水平節點電壓越限值/kV 0 0 0電壓穩定性負荷增長率/ 39 41 75N–1校核風電群失去功率/MW 0 0 5暫態穩定校核切機切負荷量/MW 0 0 0穿越功率極限風電最大裝機與系統負荷比值/ 18 18 30電力需求最大電力盈余/MW 380 310 ?40過渡難度影響風電規模/MW 50 0 0第 10 期 肖帥等風電群輸電規劃評價指標體系和方法1190.054,0.050,0.046]。選用獨立信息數據波動法[17]和熵權法[9]計算各評價指標的客觀權重，計算結果分別為W3[0.117,0.060,0.077,0.000,0.088,0.077,0.000,0.088,0.076,0.074,0.069,0.075,0.075,0.123]；W4[0.089,0.033,0.094,0.033,0.033,0.094,0.033,0.033,0.094,0.094,0.094,0.094,0.094,0.089]。在上述基礎上，綜合考慮主客觀權重，采用基于矩估計理論的賦權方法確定各個指標的最優組合權重為W[0.100,0.070,0.080,0.047,0.068,0.076,0.050, 0.068,0.085,0.071,0.076,0.069,0.067,0.075]。由結果可以看出，當基于主觀評價方法和基于客觀評價方法的權值不同時，基于矩估計理論的賦權方法能結合主、客觀兩種方法，給出綜合評價權重，評價結果更加全面。3.2.2 改進灰色關聯分析法關聯度計算得出各評價指標的綜合權重之后，分別通過灰色關聯分析法、余弦排序法和改進灰色關聯分析法對各備選方案進行比選，推薦最佳方案，表3顯示了備選方案與最優方案的關聯度。由表3所示的評價結果表明，方案二為最佳方案。綜合來看，方案二的一次投資及電能損失費用最小，安全性和適應性均較好，說明了本文提出的方法的合理性。另外，利用基于矩估計理論賦權，考慮主觀和客觀因素影響，結合灰色關聯分析法和余弦排序法的綜合優選方法得到的最終優選結果，與單獨運用余弦排序法、灰色關聯分析法進行優選的結果相一致，但所提出方法的優選結果較其他2種方法區別度更大。因此，本文所提出的方法有效可行，較其他2種方法有一定優勢。4 結語（1）建立了一套適用于風電群輸電規劃的評價指標體系，該指標體系從經濟性、安全性以及適應性等方面對風電群輸電規劃方案進行全面評價。（2）將灰色關聯分析法和余弦排序法結合，提出了改進的灰色關聯分析法，該方法綜合考慮“距離”與“角度”的信息，能更加準確地評價各個方案。（3）將上述成果應用于湖南某山地風電群輸電規劃方案選擇中，運用結果證明了所提出評價指標體系和評價方法在實際工程中有效、可行。本文的研究成果對科學規劃風電送出有較強的理論和實踐指導作用，具有一定的工程應用價值。參考文獻田書欣, 程浩忠, 曾平良, 等. 大型集群風電接入輸電系統規劃研究綜述[J]. 中國電機工程學報, 2014, 3410 1566–1574.TIAN Shuxin, CHENG Haozhong, ZENG Pingliang, et al. 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State Grid Energy Research Institute Co., Ltd., Beijing 102209, ChinaAbstract Wind power cluster, such as inland mountain wind power and lake wind power, has the characteristics of wide-rangedistribution and low power capacity of single wind farm. A comprehensive uation inds framework is established fortransmission planning of wind power cluster based on economy, security and adaptability of power grid. And then, with acomprehensive consideration of subjective weights and the objective weights, the moment estimation theory-based optimalcombination weighting is used to determine the optimal combination weight of each index, and an improved gray relationalanalysis is proposed through combination of gray correlation analysis and cosine sorting , to uate each schememore accurately and reasonably. At last, the proposed uation inds framework and uation are applied to the windpower cluster transmission planning in Hunan Province, which has verified their effectiveness and feasibility.Keywords wind power cluster; transmission planning; uation index framework; moment estimation theory; improved grayrelational analysis上接第30頁A Symmet