计及“源-荷”特性的交直流混合配电网能效评估

梁继深，康 丽

(东莞理工学院 电子工程与智能化学院，广东 东莞 523808)

0 引 言

能源问题是当今社会的热点问题，社会发展对于能源的需求日益提升，世界能源在不断减少，能源短缺问题逐渐成为需要面对和解决的难题。应对能源紧缺的现状，需要减少能源浪费，提高能源利用率。电网作为电能的传输载体，每年电网输配电过程中会损耗大量的电能，根据相关资料显示，电能损耗约占总发电量的28%～33%[1]。提高能源利用效率，减少电网的能量浪费是缓解能源紧缺问题的关键。在电网的电能损耗中，配电网的损耗严重，提高配电网的能效可以有效降低电网损耗。光伏发电等分布式电源的出现和直流配电技术的应用为减少能源浪费和电网损耗带来了机遇。光伏发电经过升压等处理后形成的直流电源可以直接通过靠近负荷的直流配电网进行配电和使用，另外由于分布式光伏发电多采用就地消纳的方式进行送电，靠近负荷中心，减少了配电网换流过程中的电能损耗，提高了配电网的能效水平。此外，直流配电网能够提升电能质量和用户体验，因此交直流混合配电网逐渐开始广泛应用。但是分布式光伏发电接入交直流配电网时，其与交流电源相比的特性差异,会使配电网呈现不同的潮流特性，在对交直流混合配电网进行能效评估时，有必要将分布式电源的“源”相关特性能效指标与直流负荷相关的“荷”特性能效指标考虑在内，充分考虑分布式电源和直流负载对于交直流混合配电网能效的影响。因此，基于交直流混合配电网的发展现状，有必要开展计及与分布式电源及直流负荷相关的“源-荷”特性能效指标的交直流混合配电网的能效评估。

目前配电网能效评估研究对象基本是交流配电网，针对交直流混合配电网的能效评估研究还相对较少。文献[2]建立了交直流混合配电系统评价指标体系，包含经济性、社会性和技术性指标，但未考虑配电系统结构和配电设备对能效的影响。文献[3]提出了包含配电网规划、设备参数和设备运行状态的评估体系，但是针对直流配电相关指标不够详细。文献[4-5]提出的能效指标体系包含了直流配电网相关指标，但是没有综合考虑有关微电网和分布式电源接入配电网给配电网带来的影响，指标选取不够全面。文献[6]对分布式电源接入配电网进行能效评估，考虑了分布式电源对于传统交流配电网的影响。文献[7]对中低压配电网进行了能效评估，但是指标不够全面，且没有涉及直流配电网。文献[8-9]对传统交流输配电网进行了相关的能效评估，但仍然缺少对直流配电网能效水平的研究。

结合现有针对配电网能效评估的研究，本文提出计及“源-荷”特性能效指标的交直流混合配电网能效评估指标体系。传统层次分析法需要校验判断矩阵的一致性，计算量较大，并且步骤较多，考虑到这些缺点，同时能效评估中指标较多[10]，因此文中采用G-1法求能效指标权重，并计算能效水平得分。

1 指标分析

1.1 指标体系的建立

建立配电网能效指标体系：O={配电网能效水平}，A={中压配电网，配电变压器，低压直流配电网，低压交流配电网}，B={静态指标，动态指标，能耗指标}，以及P层中的基础指标。参考国家相关的能耗标准[11-16]和相关文献[3,17]建立计及“源-荷”特性的交直流混合配电网能效指标体系如图1所示。

图1 计及“源-荷”特性的交直流混合配电网能效指标体系

1.2 指标体系说明

中压配电网、配电变压器、低压直流配电网和低压交流配电网的能效水平直接反映交直流混合配电网的能效水平，因此选择这4个指标作为A层的能效指标。为了能够更详细表征每个部分与能效相关的指标，B层指标中还根据指标特性分为静态指标、动态指标和能耗指标。由于分布式电源多采用就地消纳的方式，一般在靠近负荷中心的配电网中连接并实现配电，因此将与分布式电源、直流负载相关的能效指标归到低压配电网部分建立能效指标体系，进行能效评估。

此文的创新点在于提出了分布式电源接入距离规范性和直流负载占比这2个与“源-荷”相关的能效指标。由于分布式电源接入配电网位置距离负荷越远，输电距离越长，输电过程中产生的消耗越多，因此提出分布式电源接入距离规范性来表征分布式电源与负荷之间的距离给配电网能效水平带来的影响。另外，直流负载占比不同，需要经过变流达到配电目的的电能容量不同，变流过程中产生的能源损耗也不同，所以有必要用直流负载占比来表征直流负载容量对于配电网能效水平的影响。此外，还综合考虑分布式电源容量占比、分布式电源功率因数、储能装置位置规范性、储能容量占比和储能装置充放电效率等与分布式电源相关的能效指标对交直流混合配电网能效的影响，结合其他与配电网能效相关的指标，此文提出了更加完整的交直流混合配电网能效评估指标体系。

2 能效评估模型

目前，在众多的能效评估模型中，无论是对交流配电网的能效评估还是对其他对象的能效评估当中，较多使用层次分析法计算能效指标的权重和目标能效水平。层次分析法虽然原理较为简单，但是由于需要校验指标判断矩阵的一致性，在能效指标数目较多时，如果判断矩阵的一致性不满足要求，需要调整判断矩阵，那么指标权重计算的计算量将大幅增加，计算复杂度增高[5]。配电网能效评估指标较多，考虑到计算难度，同时为了能够充分利用专家在能效评估方面的经验优势，提高能效评估的性能，文中选用G-1法计算配电网能效指标权重。

2.1 求取指标状态值

指标原始值和基准值的比值称为指标状态值[18]。根据指标的属性差异，可将指标分为正向指标和逆向指标，和能效水平是正相关的指标为正向指标，反之为逆向指标。根据不同的指标属性选取不同方法求取指标状态值。

若指标为正向指标，指标的状态值为

若指标为逆向指标，指标的状态值为

式中：Ss为指标状态值，S0为指标原始值，Sb为指标基准值。

2.2 G-1法确定能效指标权重

2.2.1 能效指标重要性排序

根据专家经验，对文中提出的能效指标体系中P层中的能效指标依据其对目标的重要性进行排序。假设以某个A层指标为目标对对应的P层中m个指标进行重要性排序，排序集合可记为X={x1,x2,…,xm}，在重要性排序集合中，x1表示重要程度第1的指标，xm表示重要程度第m的指标。

2.2.2 指标相对重要程度

基于确定的能效指标重要性排序，根据G-1法比较尺度表来确定相邻指标之间的相对重要性。G-1法比较尺度表如表1所示，rk表示指标重要性排序X中相邻指标xk-1相对于xk的重要程度，且rk可表示为

式中：pk-1、pk分别表示能效指标xk-1、xk的权重。

表1 G-1法比较尺度表

2.2.3 指标权重

基于上述专家意见可以得到能效指标相对重要度rk，可以计算每个指标的权重，如下式：

式中：pn为能效指标重要性排序中第n位指标的权重，n为某A层指标为目标时对应P层指标的个数，即其对应的指标重要性排序中指标的个数。

计算对应重要性排序X中第k个指标的权重，算式为

pk-1=rkpk(k=n,n-1,…,3,2)

式中：pk为能效指标重要性排序中第k个能效指标的权重；pk-1为能效指标重要性排序中第k-1个能效指标的权重。

根据上述式子，可以计算得到每个指标的权重，完成对计及“源-荷”特性的交直流混合配电网能效评估中相关能效指标的权重计算。

2.3 评估分值

结合指标的状态值矩阵S和权重矩阵W，得到最终配电网的综合分值，表现为配电网的综合能效水平，其计算式如下：

V=WS

式中：S为状态值矩阵，W为权重矩阵，V为综合能效水平矩阵。

除了得到表征整个交直流混合配电网能效水平的综合分数外，还可以得到每个A层指标的分数，根据分数可以直观发现配电网中能效水平相对薄弱的环节，进行对应的改进从而提高配电网的能效水平。

3 算例分析

为了验证所提指标对交直流混合配电网能效水平的影响，验证能效指标体系的合理性，基于文献[3-5,19-20]中的算例分析并进行算例修改，形成2个改进后的算例：1)计及“源-荷”特性指标的交直流混合配电网N1；2)传统指标体系的交直流混合配电网N2。

基于文中提出的能效指标体系，并采用G-1法对能效指标进行权重计算，得到P层指标的权重如表2所示，2个改进算例对应各指标的分值如表3和表4所示。

表2 P层各指标权重

通过对比表3和表4中的各部分能效评分，引入了计及“源-荷”特性的能效指标后，其交直流混合配电网的能效分值较原始的交直流混合配电网的能效分值更高，具有更高的能效水平，这个差别主要体现在低压直流配电网的能效水平。由于引入了计及“源-荷”特性的能效指标，使得交直流混合配电网的能效指标更加完整，能够更加详细和准确地显示配电网的能效水平。分布式电源接入位置靠近负荷中心，一方面减少了交流输电过程中带来的电能损耗，同时由于分布式电源就地消纳的特点，其与交流输配电相比，距离负荷中心更近，带来的输配电损耗也更低。此外，由于直流负载的加入，光伏发电等分布式电源所发的直流电可以直接给直流负载供电，直流负载占比不同，直接影响交直流配电网中变流器的使用情况，减少变流器在变流过程带来的电能损耗，提高了交直流混合配电网的能效水平。

表3 N1配电网指标分值和综合分值

表4 N2配电网指标分值和综合分值

4 结 语

提出了计及“源-荷”特性的能效指标，建立更加全面的交直流混合配电网能效指标体系。通过对不同算例的分析可知，计及“源-荷”特性能效指标的交直流混合配电网能效评估可以获得更全面的评价，充分考虑了分布式电源接入位置对配电网能效的影响，同时还考虑了直流负载率对于交直流混合配电网能效水平的影响。通过对2个不同能效指标体系算例采用G-1法进行能效评估计算，证明了所提能效指标体系的合理性和有效性。在实际工程应用中，可以结合文中提出的能效指标体系，从而实现更加全面的能效评估，获得更加详细的能效评估结果。