基于合环装置与改进TOPSIS 法的用电可靠性评估

胡 迪，邓德祥，颜 佳，曾 霖

（武汉大学电子信息学院，湖北武汉 430072）

在当前我国大力建设智能电网的实际情况下，如何建设一个智能的供电网络系统暂时仍未有一个完整的方案。但通过国内外智能电网的发展可知，智能电网应当体现在供电网络的配网调度部分，而配网调度能力的强弱与配电自动化水平的高低相关。因此，实现配电自动化不仅要提高网络的可靠性，更要利用增强供电网络的供电质量、权衡供电网络企业的利益等重要手段，来实现智能电网[1-3]。

由于发展现状、自然条件、历史背景、经济实力等因素的影响，当前供电网络发展状况两极分化的情况较为严重[4]，即城市供电网络发展迅速，技术较为先进；而农村供电网络普遍而言普及率较低，技术较为落后，智能化程度差。因此，结合现有的成熟技术，对农村的配电网络进行快速改造、重建或者升级，建设适应农村特点的智能电网有着重要意义[5-7]。

文中分析了智能电网的自动化系统结构以及智能电网的动态特性和可靠性，提出了采用合环装置与改进TOPSIS 法来建立用电可靠性分析的评估模型，基于该模型的评估结果从而提升分析对象的优选方案，最终实现对智能电网配电自动化系统的可靠性优化与提升。

1 配电自动化系统结构

配电自动化系统的组成复杂，系统的设备也应根据其所处的环境进行调整。一般而言，在城市供电网络中，配电自动化系统主要包括主站系统、变电站系统、终端系统、通信系统等；而农村配电网由于其规模小、信息集中等特点，配电自动化系统一般分为主站系统、终端系统和通信系统3 个部分[8-10]。配电自动化系统的网格结构如图1 所示。

图1 网架结构示意

1.1 主站系统

主站系统是配电自动化系统中监控和管理的核心，其建立在光纤网络的基础上。为了便于不同人员的操作以及使整个供电网络中服务器系统统一化，主站系统采用协调调制的集成设计，并采用支持跨平台处理的操作系统[11]。主站系统主要负责采集各个子站系统的实时数据，同时对整个供电网络中的配网部分进行有效的监控、配置、管理，协调分配各个子站系统之间所占用的资源，从而使整个供电网络的工作状态达到最优。因此，主站系统应该符合国际工业标准的要求，具有高可靠性、高安全性、高性价比和高可扩展性[12]。

1.2 子站系统

在配电自动化系统中，变电站系统处于中间位置，具有连接上下的作用，主要安装在变电站或配电网框架承载的开闭站。其主要完成的功能有：能够自动识别检测出配网中发生故障的线路，对配网终端实现自动化管理，在相应区域完成线路故障的定位和隔离，并与主站系统一起修复故障线路。

此外，由于子站系统拥有较为强大的信息处理能力，所以其也可以作为自动化系统中的区域中心，为其他设备提供相应的服务，减轻主站系统的压力。

1.3 通信网络

在配电自动化系统结构中，可以根据三级框架划分通信网络，该三级框架对应主站系统、变电站系统和终端系统这3 部分[13]。

通信网络是配电自动化系统中的关键，其连接着主站系统、子站系统以及配电网络中的终端设备。因此，其必须拥有较高的确定性、可靠性及稳定性，才能确保在高需求量的情况下也可正常运行。目前，在配电自动化系统中，常用的通信方式有以太网（IPV4）、光纤（SDH）、无线网（CDMA）、电力线等。在自动化配电系统中，通信网络会根据其通信特点以及成本等实际需求综合考虑，采用最优的通信方式[14-15]。在一个配电系统中，通常会有多种通信方式。例如，在城市配电网络中，光纤由于可靠性高、不易受干扰等优点为主要的通信方式。而在农村的配电网络中，以太网由于设施费用较低、扩展性强等特点是主要的通信方式。

1.4 终端系统

终端系统是指在一个配电自动化系统中最接近用户的设备，主要作用是对其范围内的用户数据进行采集分析、局部控制以及故障信息的监测、处理与故障恢复等，其对应的设备包含但不限于开闭所、配电站等。

2 智能电网动态特性的分析与优化

2.1 智能电网不良动态分析

为了能够更好地对智能配电网中的不良动态进行分析，文中选取了某市某区域的智能配电网进行分析，其智能配电网的整体架构如图2 所示。从图中可以看到，该智能配电网的架构包含有常见的设备，如电动汽车、普通的柔性负载、分布式电源系统等，这些设备从原理上与传统的发电机类似[16-19]。因此，在配电网的实际使用过程中，这些设备所处的部分会与整个主电网之间产生相互作用，这种作用会导致配电网出现震荡现象。显而易见，这种低频震荡是智能电网不良动态问题的一个体现。

图2 智能配电网示例系统

其次，区域电网中包含风力发电与光发电。因现有技术有限，这两种发电方式均不是持续性发电，存在间歇发电的特性，因此在配电网内部的节点与支路中，会较为频繁地出现大波动过程，这样的波动势必会造成某些节点的电压或者线路功率超过限制。此为智能电网不良动态的另一个体现。

针对上述问题，文中采用PSCAD/EMTDC 仿真系统，在研究过程中构建了图3 所示的配电网模型。

图3 智能配电网示例系统仿真模型

1）当图中F 点因接地造成短路类型故障时，区域电网内的风力发电厂、光发电机以及普通的燃气发电厂所输出的电力功率将会出现大幅度的波动。通过仿真可知，普通的燃气发电厂功率振荡的时间长达15 s。

2）当区域电网中的风力发电站遭受到恶劣天气（如阵风等）时，光发电机将会受到影响，引起小型的扰动。普通发动机所遭受的影响基本为0，但系统所形成的波动将会沿110 kV高压配电线路向系统传播。

在仿真分析中，为了降低分析的难度，更加直接地展现不良动态对智能配电网动态过程的影响，并未考虑实际中分布式电源对配电网的影响。同时，上文仅从配电网发生短路、遭受突发天气影响两个方面对其动态过程进行分析。显然，这种简单的分析并不能详实地展现出智能配电网是如何产生不良动态以及其不良动态会有何种影响等。但上文的这种分析对如何优化现有智能配电网，降低其不良动态发生的几率具有较强的指导作用。

2.2 智能电网的动态特性优化

通过上文分析可知，智能电网在工作中会出现不良的动态过程，通常，这种过程表现为配电网中某个节点的电压或者某条线路的功率短时间频繁地出现超过其设定上限的波动。在诸多情况下，节点电压与支路功率之间是相互影响的。因此，要减少智能电网中不良动态过程的出现，从结构上可以采取使用较少的连接阻抗，改变诸如风力发电、水力发电或光伏发电的能量产生系统的节点电压的方法。文中采用合环装置的方法对动态特性进行优化，该方法通过研究如何对供电中的能量进行动态补偿以及对区域电网中的电气联络关系进行相应的改善，从而达到优化不良动态过程的目的。该装置的具体结构如图4 所示。

图4 合环装置示意图

从动力学的角度来看，状态量之间的相位关系一般可以用来表示各个子系统之间联系的紧密程度。放到智能配电网中而言，每个子系统之间的联系越紧密，发生振荡的可能性越小。但单纯地改善子系统之间的紧密程度，可能会导致出现电路谐振以及环流等问题。文中所提出的合环装置采用两个背向的AC/DC 换流器作为合环部件，从而解决此问题。同时，可以为AC/DC 配置超级电容器等储能装置，在改善子系统紧密程度的基础上兼顾有功功率的动态补偿作用，具体实现如图4 所示。

3 智能电网可靠性提升分析

智能电网的可靠性是电网运行的重要指标。从用户的角度来看，并不关注该区域的供电方式、供电水平等，而是更加注重供电质量、供电能力等方面。同时，停电、供电不足、供电质量差等问题会导致用电设备工作异常问题更加严重。尤其是供电质量问题，从区域电网的性能来说，其并没有较为严重的影响。但对于用户而言，供电质量差所造成的危害远比停电所造成的危害更加严重。因此，在研究某电网是否具有可靠性时，更应从用户的角度去考虑。

3.1 智能电网可靠性指标

为了更好地评估智能电网的可靠性，需要首先确定评估可靠性的指标。考虑到电网企业的实际需要与电网业务的面向用户特性，文中针对供电可靠性、用户体验性以及经济性进行评估。智能电网可靠性指标详情如图5 所示，其中供电可靠性主要包括孤岛充裕度概率、负载转供效率和可靠性指标完成率。用户体验度主要包括用电可靠性、用电满意度、用户负载等级和电压合格率4 个指标。经济性指标主要包括投资运营维护成本以及产电比两个方面。

图5 智能电网可靠性指标体系图

3.2 智能电网可靠性对象优选

不同于传统方法使用几何距离计算相对贴近度，文中在TOPSIS 方法的基础上进行了进一步改进，使用变权灰色关联度来计算待选对象与理想对象之间的相对贴近度。灰色关联度可以反映两个数据序列之间的相似性，灰色关联度越大，两个对象之间的相似性越高，待选对象越符合优选条件，反之亦然。

文中基于变权灰色关联度改进的TOPSIS 方法对智能电网可靠性对象进行优选，模型流程如图6所示。

图6 智能电网优选流程

4 实例分析

为了验证文中所提出方法的有效性，以某地区5个新型智能配电网为例进行分析，5 个配电网的各项可靠性指标数据如表1 所示。5 个配电网的可靠性指标完成率、用电可靠率、电压合格率以及用电满意度差距较小，而孤岛充裕度和用户负荷等级差距较大，因此，后两个指标是主要需要评估的指标。

表1 调研所得的统计数据

如表2 所示，传统熵权法各指标权值分配差异过大，精确度不足。AHP 方法与综合赋权法赋值结果与表1 差异较大，无法突出各指标对最终评价结果的影响，容易引起评估误差。文中所使用的改进熵权法可以有效均衡各评估指标，同时重点评估孤岛充裕度指标，因此是最优选择。

表2 各评价指标的权重计算结果

5 结束语

智能电网是对分布式能源、配用电互动、微网等多种技术、功能的有机集成，其通过可视化界面、专家系统、机器学习、智能配电仿真等多方面技术，实现配电系统与用电用户之间的交流互动，从而实现电力能源的智能供给与分配。随着专家系统等技术进一步的发展成熟，智能电网的发展也趋于成熟。但由于智能电网所面临的城市、城乡结合、农村等环境的不同，若智能电网的进一步整合，配电自动化技术如何适应不同的场景，仍需要不断地探索及研究。