梁繼深，康 麗

(東莞理工學(xué)院 電子工程與智能化學(xué)院，廣東 東莞 523808)

0 引 言

能源問題是當(dāng)今社會的熱點(diǎn)問題，社會發(fā)展對于能源的需求日益提升，世界能源在不斷減少，能源短缺問題逐漸成為需要面對和解決的難題。應(yīng)對能源緊缺的現(xiàn)狀，需要減少能源浪費(fèi)，提高能源利用率。電網(wǎng)作為電能的傳輸載體，每年電網(wǎng)輸配電過程中會損耗大量的電能，根據(jù)相關(guān)資料顯示，電能損耗約占總發(fā)電量的28%～33%[1]。提高能源利用效率，減少電網(wǎng)的能量浪費(fèi)是緩解能源緊缺問題的關(guān)鍵。在電網(wǎng)的電能損耗中，配電網(wǎng)的損耗嚴(yán)重，提高配電網(wǎng)的能效可以有效降低電網(wǎng)損耗。光伏發(fā)電等分布式電源的出現(xiàn)和直流配電技術(shù)的應(yīng)用為減少能源浪費(fèi)和電網(wǎng)損耗帶來了機(jī)遇。光伏發(fā)電經(jīng)過升壓等處理后形成的直流電源可以直接通過靠近負(fù)荷的直流配電網(wǎng)進(jìn)行配電和使用，另外由于分布式光伏發(fā)電多采用就地消納的方式進(jìn)行送電，靠近負(fù)荷中心，減少了配電網(wǎng)換流過程中的電能損耗，提高了配電網(wǎng)的能效水平。此外，直流配電網(wǎng)能夠提升電能質(zhì)量和用戶體驗(yàn)，因此交直流混合配電網(wǎng)逐漸開始廣泛應(yīng)用。但是分布式光伏發(fā)電接入交直流配電網(wǎng)時，其與交流電源相比的特性差異,會使配電網(wǎng)呈現(xiàn)不同的潮流特性，在對交直流混合配電網(wǎng)進(jìn)行能效評估時，有必要將分布式電源的“源”相關(guān)特性能效指標(biāo)與直流負(fù)荷相關(guān)的“荷”特性能效指標(biāo)考慮在內(nèi)，充分考慮分布式電源和直流負(fù)載對于交直流混合配電網(wǎng)能效的影響。因此，基于交直流混合配電網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀，有必要開展計及與分布式電源及直流負(fù)荷相關(guān)的“源-荷”特性能效指標(biāo)的交直流混合配電網(wǎng)的能效評估。

目前配電網(wǎng)能效評估研究對象基本是交流配電網(wǎng)，針對交直流混合配電網(wǎng)的能效評估研究還相對較少。文獻(xiàn)[2]建立了交直流混合配電系統(tǒng)評價指標(biāo)體系，包含經(jīng)濟(jì)性、社會性和技術(shù)性指標(biāo)，但未考慮配電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和配電設(shè)備對能效的影響。文獻(xiàn)[3]提出了包含配電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)備參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的評估體系，但是針對直流配電相關(guān)指標(biāo)不夠詳細(xì)。文獻(xiàn)[4-5]提出的能效指標(biāo)體系包含了直流配電網(wǎng)相關(guān)指標(biāo)，但是沒有綜合考慮有關(guān)微電網(wǎng)和分布式電源接入配電網(wǎng)給配電網(wǎng)帶來的影響，指標(biāo)選取不夠全面。文獻(xiàn)[6]對分布式電源接入配電網(wǎng)進(jìn)行能效評估，考慮了分布式電源對于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)的影響。文獻(xiàn)[7]對中低壓配電網(wǎng)進(jìn)行了能效評估，但是指標(biāo)不夠全面，且沒有涉及直流配電網(wǎng)。文獻(xiàn)[8-9]對傳統(tǒng)交流輸配電網(wǎng)進(jìn)行了相關(guān)的能效評估，但仍然缺少對直流配電網(wǎng)能效水平的研究。

結(jié)合現(xiàn)有針對配電網(wǎng)能效評估的研究，本文提出計及“源-荷”特性能效指標(biāo)的交直流混合配電網(wǎng)能效評估指標(biāo)體系。傳統(tǒng)層次分析法需要校驗(yàn)判斷矩陣的一致性，計算量較大，并且步驟較多，考慮到這些缺點(diǎn)，同時能效評估中指標(biāo)較多[10]，因此文中采用G-1法求能效指標(biāo)權(quán)重，并計算能效水平得分。

1 指標(biāo)分析

1.1 指標(biāo)體系的建立

建立配電網(wǎng)能效指標(biāo)體系：O={配電網(wǎng)能效水平}，A={中壓配電網(wǎng)，配電變壓器，低壓直流配電網(wǎng)，低壓交流配電網(wǎng)}，B={靜態(tài)指標(biāo)，動態(tài)指標(biāo)，能耗指標(biāo)}，以及P層中的基礎(chǔ)指標(biāo)。參考國家相關(guān)的能耗標(biāo)準(zhǔn)[11-16]和相關(guān)文獻(xiàn)[3,17]建立計及“源-荷”特性的交直流混合配電網(wǎng)能效指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 計及“源-荷”特性的交直流混合配電網(wǎng)能效指標(biāo)體系

1.2 指標(biāo)體系說明

中壓配電網(wǎng)、配電變壓器、低壓直流配電網(wǎng)和低壓交流配電網(wǎng)的能效水平直接反映交直流混合配電網(wǎng)的能效水平，因此選擇這4個指標(biāo)作為A層的能效指標(biāo)。為了能夠更詳細(xì)表征每個部分與能效相關(guān)的指標(biāo)，B層指標(biāo)中還根據(jù)指標(biāo)特性分為靜態(tài)指標(biāo)、動態(tài)指標(biāo)和能耗指標(biāo)。由于分布式電源多采用就地消納的方式，一般在靠近負(fù)荷中心的配電網(wǎng)中連接并實(shí)現(xiàn)配電，因此將與分布式電源、直流負(fù)載相關(guān)的能效指標(biāo)歸到低壓配電網(wǎng)部分建立能效指標(biāo)體系，進(jìn)行能效評估。

此文的創(chuàng)新點(diǎn)在于提出了分布式電源接入距離規(guī)范性和直流負(fù)載占比這2個與“源-荷”相關(guān)的能效指標(biāo)。由于分布式電源接入配電網(wǎng)位置距離負(fù)荷越遠(yuǎn)，輸電距離越長，輸電過程中產(chǎn)生的消耗越多，因此提出分布式電源接入距離規(guī)范性來表征分布式電源與負(fù)荷之間的距離給配電網(wǎng)能效水平帶來的影響。另外，直流負(fù)載占比不同，需要經(jīng)過變流達(dá)到配電目的的電能容量不同，變流過程中產(chǎn)生的能源損耗也不同，所以有必要用直流負(fù)載占比來表征直流負(fù)載容量對于配電網(wǎng)能效水平的影響。此外，還綜合考慮分布式電源容量占比、分布式電源功率因數(shù)、儲能裝置位置規(guī)范性、儲能容量占比和儲能裝置充放電效率等與分布式電源相關(guān)的能效指標(biāo)對交直流混合配電網(wǎng)能效的影響，結(jié)合其他與配電網(wǎng)能效相關(guān)的指標(biāo)，此文提出了更加完整的交直流混合配電網(wǎng)能效評估指標(biāo)體系。

2 能效評估模型

目前，在眾多的能效評估模型中，無論是對交流配電網(wǎng)的能效評估還是對其他對象的能效評估當(dāng)中，較多使用層次分析法計算能效指標(biāo)的權(quán)重和目標(biāo)能效水平。層次分析法雖然原理較為簡單，但是由于需要校驗(yàn)指標(biāo)判斷矩陣的一致性，在能效指標(biāo)數(shù)目較多時，如果判斷矩陣的一致性不滿足要求，需要調(diào)整判斷矩陣，那么指標(biāo)權(quán)重計算的計算量將大幅增加，計算復(fù)雜度增高[5]。配電網(wǎng)能效評估指標(biāo)較多，考慮到計算難度，同時為了能夠充分利用專家在能效評估方面的經(jīng)驗(yàn)優(yōu)勢，提高能效評估的性能，文中選用G-1法計算配電網(wǎng)能效指標(biāo)權(quán)重。

2.1 求取指標(biāo)狀態(tài)值

指標(biāo)原始值和基準(zhǔn)值的比值稱為指標(biāo)狀態(tài)值[18]。根據(jù)指標(biāo)的屬性差異，可將指標(biāo)分為正向指標(biāo)和逆向指標(biāo)，和能效水平是正相關(guān)的指標(biāo)為正向指標(biāo)，反之為逆向指標(biāo)。根據(jù)不同的指標(biāo)屬性選取不同方法求取指標(biāo)狀態(tài)值。

若指標(biāo)為正向指標(biāo)，指標(biāo)的狀態(tài)值為

若指標(biāo)為逆向指標(biāo)，指標(biāo)的狀態(tài)值為

式中：Ss為指標(biāo)狀態(tài)值，S0為指標(biāo)原始值，Sb為指標(biāo)基準(zhǔn)值。

2.2 G-1法確定能效指標(biāo)權(quán)重

2.2.1 能效指標(biāo)重要性排序

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，對文中提出的能效指標(biāo)體系中P層中的能效指標(biāo)依據(jù)其對目標(biāo)的重要性進(jìn)行排序。假設(shè)以某個A層指標(biāo)為目標(biāo)對對應(yīng)的P層中m個指標(biāo)進(jìn)行重要性排序，排序集合可記為X={x1,x2,…,xm}，在重要性排序集合中，x1表示重要程度第1的指標(biāo)，xm表示重要程度第m的指標(biāo)。

2.2.2 指標(biāo)相對重要程度

基于確定的能效指標(biāo)重要性排序，根據(jù)G-1法比較尺度表來確定相鄰指標(biāo)之間的相對重要性。G-1法比較尺度表如表1所示，rk表示指標(biāo)重要性排序X中相鄰指標(biāo)xk-1相對于xk的重要程度，且rk可表示為

式中：pk-1、pk分別表示能效指標(biāo)xk-1、xk的權(quán)重。

表1 G-1法比較尺度表

2.2.3 指標(biāo)權(quán)重

基于上述專家意見可以得到能效指標(biāo)相對重要度rk，可以計算每個指標(biāo)的權(quán)重，如下式：

式中：pn為能效指標(biāo)重要性排序中第n位指標(biāo)的權(quán)重，n為某A層指標(biāo)為目標(biāo)時對應(yīng)P層指標(biāo)的個數(shù)，即其對應(yīng)的指標(biāo)重要性排序中指標(biāo)的個數(shù)。

計算對應(yīng)重要性排序X中第k個指標(biāo)的權(quán)重，算式為

pk-1=rkpk(k=n,n-1,…,3,2)

式中：pk為能效指標(biāo)重要性排序中第k個能效指標(biāo)的權(quán)重；pk-1為能效指標(biāo)重要性排序中第k-1個能效指標(biāo)的權(quán)重。

根據(jù)上述式子，可以計算得到每個指標(biāo)的權(quán)重，完成對計及“源-荷”特性的交直流混合配電網(wǎng)能效評估中相關(guān)能效指標(biāo)的權(quán)重計算。

2.3 評估分值

結(jié)合指標(biāo)的狀態(tài)值矩陣S和權(quán)重矩陣W，得到最終配電網(wǎng)的綜合分值，表現(xiàn)為配電網(wǎng)的綜合能效水平，其計算式如下：

V=WS

式中：S為狀態(tài)值矩陣，W為權(quán)重矩陣，V為綜合能效水平矩陣。

除了得到表征整個交直流混合配電網(wǎng)能效水平的綜合分?jǐn)?shù)外，還可以得到每個A層指標(biāo)的分?jǐn)?shù)，根據(jù)分?jǐn)?shù)可以直觀發(fā)現(xiàn)配電網(wǎng)中能效水平相對薄弱的環(huán)節(jié)，進(jìn)行對應(yīng)的改進(jìn)從而提高配電網(wǎng)的能效水平。

3 算例分析

為了驗(yàn)證所提指標(biāo)對交直流混合配電網(wǎng)能效水平的影響，驗(yàn)證能效指標(biāo)體系的合理性，基于文獻(xiàn)[3-5,19-20]中的算例分析并進(jìn)行算例修改，形成2個改進(jìn)后的算例：1)計及“源-荷”特性指標(biāo)的交直流混合配電網(wǎng)N1；2)傳統(tǒng)指標(biāo)體系的交直流混合配電網(wǎng)N2。

基于文中提出的能效指標(biāo)體系，并采用G-1法對能效指標(biāo)進(jìn)行權(quán)重計算，得到P層指標(biāo)的權(quán)重如表2所示，2個改進(jìn)算例對應(yīng)各指標(biāo)的分值如表3和表4所示。

表2 P層各指標(biāo)權(quán)重

通過對比表3和表4中的各部分能效評分，引入了計及“源-荷”特性的能效指標(biāo)后，其交直流混合配電網(wǎng)的能效分值較原始的交直流混合配電網(wǎng)的能效分值更高，具有更高的能效水平，這個差別主要體現(xiàn)在低壓直流配電網(wǎng)的能效水平。由于引入了計及“源-荷”特性的能效指標(biāo)，使得交直流混合配電網(wǎng)的能效指標(biāo)更加完整，能夠更加詳細(xì)和準(zhǔn)確地顯示配電網(wǎng)的能效水平。分布式電源接入位置靠近負(fù)荷中心，一方面減少了交流輸電過程中帶來的電能損耗，同時由于分布式電源就地消納的特點(diǎn)，其與交流輸配電相比，距離負(fù)荷中心更近，帶來的輸配電損耗也更低。此外，由于直流負(fù)載的加入，光伏發(fā)電等分布式電源所發(fā)的直流電可以直接給直流負(fù)載供電，直流負(fù)載占比不同，直接影響交直流配電網(wǎng)中變流器的使用情況，減少變流器在變流過程帶來的電能損耗，提高了交直流混合配電網(wǎng)的能效水平。

表3 N1配電網(wǎng)指標(biāo)分值和綜合分值

表4 N2配電網(wǎng)指標(biāo)分值和綜合分值

4 結(jié) 語

提出了計及“源-荷”特性的能效指標(biāo)，建立更加全面的交直流混合配電網(wǎng)能效指標(biāo)體系。通過對不同算例的分析可知，計及“源-荷”特性能效指標(biāo)的交直流混合配電網(wǎng)能效評估可以獲得更全面的評價，充分考慮了分布式電源接入位置對配電網(wǎng)能效的影響，同時還考慮了直流負(fù)載率對于交直流混合配電網(wǎng)能效水平的影響。通過對2個不同能效指標(biāo)體系算例采用G-1法進(jìn)行能效評估計算，證明了所提能效指標(biāo)體系的合理性和有效性。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以結(jié)合文中提出的能效指標(biāo)體系，從而實(shí)現(xiàn)更加全面的能效評估，獲得更加詳細(xì)的能效評估結(jié)果。