[发明专利]一种输电网结构形态评估方法

权利要求书

1.一种输电网结构形态评估方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：确定电力系统综合评价指标选取的基本原则

利用电网结构拓扑特性和运行特性以及指标数据的获取性难易、计算难度反映电网的特性；

步骤二：确立描述实际电网的拓扑结构时的简化原则

(1)不考虑发电厂和变电站的主接线结构，把发电机和低压侧母线上连接的电源和负荷均抽象为在相应母线上注入一定的有功功率；

(2)电网拓扑模型中的节点只包括电源点、负荷节点、和中间节点，忽略大地零点，并且各个节点均默认为完全相同无差别的节点；

(3)忽略传输线电压等级的差异、不同传输线的物理结构特性和电气参数特征的不同，即认为所有传输线的拓扑特性都是相同的，且所有的边都不考虑其权重；

(4)在电网拓扑模型中，将所有输电线、变压器支路都抽象为边，且所有边都不考虑其方向；

(5)不考虑并联的电容支路，将同杆并架的输电线进行合并，形成一个简单图；

步骤三：基于复杂网络理论的电网结构类指标

根据步骤二的简化规则，将一个具体网络抽象为一个无向无权网络G＝(V,E)，其中V表示网络中所有节点的集合，E表示所有边的集合，节点数为n,边数为l，根据经典复杂网络理论中的定义描述网络结构特性：

(1)节点度k

在复杂网络中，节点i的度数k_i定义为与该节点相连接的所有边l的数量，

其中：k_i为节点i的度数，l_ij为节点i与节点j相连的边，

节点的度越大则表明该节点在整个网络中的重要性越高，网络中每个节点都有各自的度，对所有节点i的度数k_i求和并取平均值即可得到整个网络的节点平均度，记为k，

其中：k_i为节点i的度数，n为总节点数，

(2)节点度分布P(k)

网络中节点度的分布状况可由分布函数P(k)来表示，即该网络中所有度为k的节点在整个网络的节点中所占比例，

其中：n_k是节点度数为k的节点数，n为总节点数，

对所述节点度的分布状况进行累计分布的形式表征，公式为：

其中：P(k)节点度分布函数，k为节点度，γ为度分布指数，

(3)节点度相关k_nn

一个度数为k的节点连接到另一个度数为k'节点的概率与k有关，引入条件概率P_c(k'|k)，定义为从度数为k的节点指向度数为k'节点的概率，

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

其中：k'为节点度数，P(k')表示一个节点的度为k'的概率，

度相关即通过测量度数为k的节点的平均最近邻接连通性得到，判断连接的节点是否具有相同的属性，如相似度，

其中：k'为节点度数，条件P_C(k'|k)表示一个节点度为k的节点指向度为k'的节点的概率，

(4)网络直径D

网络中节点i和j之间距离d_ij的定义为将这两个节点相连的最短路径所经过的边数，所以网络的直径D则定义为网络中任意两个节点之间的距离的最大值，

D＝max d_ij                       (2-7)

其中：d_ij为节点i与节点j之间的最短路径所经过的边数，

(5)特征路径长度L

在网络的拓扑结构中，特征路径长度用于定义网络中任意两节点之间距离的平均值，所述平均值用于衡量一个网络中的质量或信息传输效率，

其中：n为总节点数，d_ij为节点i与节点j间最短路径所经过的边数，从全局角度来看，特征路径长度用于计算复杂网络中每两两配对的节点之间的最短距离；

(6)介数b

介数是衡量节点在网络中的中心性的一个标准指标，通过计算经过一个节点的最短路径数目，给出节点在路径规划中的重要性信息，假定网络中两节点间的能量或者信息在传播过程中沿着节点间的最短路径，节点或边在网络传播过程中所起的作用则根据给节点或边通过的最短路径次数来表征，次数越多则贡献越大，其重要性也相应更大：

其中：n_jk为连接节点j和k的最短路径数，n_jk(i)为连接节点j和k并通过节点i的最短路径数，

(7)聚类系数C

聚类系数是描述一个网络的集聚性的参数，用于衡量网络节点聚集和离散的程度，假设节点i与k_i个节点直接相连，那么对于无向网络来说，这k_i个相邻节点之间可能存在的的边数最大为而实际存在的边数为E_i，则节点i的聚类系数定义为实际边数E_i与可能存在的总边数的比值：

其中：k_i为节点i邻近的节点数，E_i为节点i与邻近节点相连的实际边数，从几何角度可以定义为：

对整个网络所有节点的聚类系数C_i求平均即可得到网络的聚类系数C：

其中：C_i为节点i的聚类系数，n为总节点数，0≤C≤1，如果C＝0，则说明整个网络的所有点都是孤立的，没有互相的连接，如果C＝1，则说明网络中所有节点两两之间都有边连接，网络的C越大，表明整个网络的聚集程度越高；

(8)效率E

将公式(2-8)中的求和仅限于属于最大连接的节点对，考虑测地线的调和平均值，并引入网络效率的定义：

其中：n为总节点数，测地线的边数d_ij为两节点i、j之间的距离，其倒数即为两节点间的效率，对网络中所有节点对的效率取平均值，得到整个网络的全局效率；

(9)容错概率f_c

根据复杂网络理论，网络连接部分的条件为：

其中：k为节点度数，P(k)为节点度分布函数，

对于随机删除的节点来说，其容错概率定义为：

考虑到电网各节点指数度分布，得到k＝γ以及k²＝2γ²，所以：

其中：γ为节点度分布指数；

步骤四：其他指标

考虑电网运行时的安全可靠问题，以及高比例清洁能源与分布式发电技术的接入，使得电网在运行过程中面临着不确定性的问题，选取如下指标以实现电网全方面综合的评价：

a、可靠性类指标：指电力系统按照规定条件下的质量和数量标准，将电力从电源端输送电力至受电端以满足供电负荷电力和电量需求的能力，通过定量的可靠性指标进行度量；

(1)线路负载率

该指标反映输电网220kV线路的利用率,具体分为线路最大负载率、最小负载率和平均负载率：

220千伏线路最大负载率＝线路年最大有功功率/线路热稳极限(2-17)；

220千伏线路最小负载率＝线路年最小有功功率/线路热稳极限(2-18)；

220千伏线路平均负载率＝线路年平均有功功率/线路热稳极限(2-19)；

(2)容载比Rs

指在规定供电区域内的变电设备总容量与相对应的总负荷的比值，采用如下方法估算容载比：

其中:Sei为该电压等级变电站i的主变压器容量，Pmax为该电压等级下的全网最大预测负荷，

(3)系统供电可靠率I_ASA

系统供电可靠率的定义为在一定规定时间内系统不停电的小时总数和要求满足的总供电小时数之比：

其中：g为负荷节点；Ω_F为系统中所有类型的负荷节点的位置集合；为节点g的用户数；u_g为负荷点g的平均停电持续时间，

(4)系统平均停电持续时间I_SAID

系统平均停电持续时间为在一定规定时间内系统中平均每个用户经受的总停电时间：

其中：u_g为负荷点g的平均停电持续时间；为节点g的用户数；

b、安全性类指标：指电力系统在发生事故时的安全性以及避免级联故障而不引起系统崩溃和大面积停电的能力，

(1)系统平均停电频率I_SAIF

系统平均停电频率为在一定规定时间内电网平均经受的持续性停电的次数：

其中：λ_g为负荷点g的年故障停运频率；为节点g的用户数，

(2)系统整体安全性指数I_IS

供电安全性是指故障条件下，系统转供负荷的能力，提出系统整体安全性系数I_IS.系统通过计算在系统“N-1”条件下不同重要程度负荷的转移率来定量评价有源配电网整体的供电安全性水平：

式中：m为电力系统中可能会发生故障的第m个元件；Ω_m为第m个元件故障时影响的负荷节点的集合；EN为电力系统中可能会发生故障的元件总数；w_g表示负荷的重要程度，w_g∈{1,2,3,5}，分别为三级负荷、二级负荷、一级负荷和特级负荷；τ_mg为表征在第m个元件故障时负荷g成功转供的概率，τ_mg∈[0,1]，τ_mg值越大则代表转供的成功率越大；

(3)系统停电风险指数I_ENSR

系统停电风险指数IENSR以表征系统的抗风险能力：

式中：u_m为系统中元件m的平均停电持续时间；F_m为元件不可靠度，其中w_g表示负荷的重要程度；τ_mg为表征在第m个元件故障时负荷g成功转供的概率；S_g为负荷点g的停运容量；

c、经济性类指标：指电网在运行时，供电成本低，发电能源消耗少并且网损率小；

(1)电网网络损耗率L_n

以线损率作为评价电网的网络损耗情况：

L_n＝(供电量-售电量)/供电量×100％         (2-26)

(2)系统投资成本f_inv

电力系统投资成本主要考虑输电线路的建设成本：

其中，f_inv表示投资成本，c_i-j为节点i和j之间单条输电线路造价，n_i-j为节点i和j之间新建输电线路的数量；

(3)单位电网投资增售电量

表示单位电网投资对应的增售电量，反映出电网投资的经济效益：

单位电网投资增售电量＝(当年售电量-上一年售电量)/上年电网投资    (2-27)；

d、环保性类指标：包括接入分布式电源和高比例可再生能源的电网所带来的环保效应包括节约的碳排放带来的低碳效应、可再生能源渗透率以及节省的土地；

(1)可再生能源渗透率

(2)低碳收益E_c

根据下式求得：

其中，ε_c,coal为主网的碳排放系数；c_coal为主网单位电量对应的煤耗；P_w,g,t为时段t内外部电网向待规划电网的注入功率；Δt为时段t的持续时间，而在终端用电环节产生低碳收益E_C2：

其中，为全网负荷率每提升1个百分点，燃煤机组煤耗的下降幅度；Δξ_t为第t阶段负荷率超出预计水平的比例；

因此有：

E_C＝E_C1+E_C2                (2-31)；

步骤五：电力系统综合评价方法

根据步骤三和步骤四建立的评价指标，选择两种方法应用于综合决策并对其进行比较，一种是熵权法和TOPSIS法相结合，另一种是秩和比法，

a、熵权法与TOPSIS法相结合

(1)熵权法

依据每个指标体现出的重要程度大小对其赋予合理的权重占比，基于各指标的权重获取总体评价目标的贡献度，综合评价的核心和重点为确定各个综合评价指标的权重，

具体计算过程如下：

1)建立评价指标样本矩阵

目前有3个待评估的电网规划方案S₁,S₂,S₃；采用23个评价指标进行评价，分别为A₁,A₂,...A₂₃.设第i个规划方案S_i在评价指标A_j下的值为p_ij，建立3×23阶指标样本矩阵P：

2)建立规范化的无量纲指标

规范化处理方法如下：

令

效益型指标规范化公式：

成本型指标规范化公式：

3)确定各指标的权重

根据熵的定义得到评价指标的熵为：

式中则第j个指标的熵权为：

取各指标的权重向量为：w＝(w₁,w₂,...,w₂₃)^T；

(2)TOPSIS法

应用TOPSIS法进行评价，主要步骤如下：

1)形成决策矩阵

现有参与综合评价的多指标体系的规划方案集为S＝(S₁,S₂,S₃)，指标集为A＝(A₁,A₂,...A₂₃)，方案S_i下指标A_i的值为p_ij，则形成的决策矩阵P为：

2)将决策矩阵规范化

规范化决策矩阵B＝(b_ij)_m×n：

根据各指标权重构成加权规范矩阵C＝(c_ij)_m×n，各指标权重向量为w：

c_ij＝w_j·b_ij                    (3-8)

3)确定正理想解C⁺和负理想解C^-

设正理想解C⁺的第j个指标值为负理想解的第j个指标值

对于正理想解：

对于负理想解：

4)计算各评价对象距离正理想解与负理想解的远近程度方案S_i到正理想解的距离为：

方案S_i到负理想解的距离为：

5)计算各方案综合评价指数

按照f_i⁺的大小对各评价方案的优劣次序进行排列；

b、熵权法与秩和比法结合

秩和比法的具体计算过程如下：

1)编秩

根据n个评价对象的m个评价指标构建n行m列矩阵，得到每个指标评价对象的秩，对于A₁,A₂,...A₂₃指标样本，其顺序统计量是A₍₁₎,A₍₂₎,...A₍₂₃₎，若A_i＝A_(k)，则称k为A_i在样本中的秩，记为R_i，对每一个i＝1,...23,称R_i是第i个统计量，R₁，...,R_n总称为秩统计量，对效益型指标按从小到大的顺序编秩，成本型指标按从大到小的顺序编秩，同一指标数据相同的则编平均秩，得到的秩矩阵记为R＝(R_ij)_n×m；

2)计算秩和比

根据秩和比的数学表达，结合电网规划方案综合评估的特点，秩和比法的计算表达式为：

其中：n为待评价规划方案数目，m为评价指标数，R为根据评价对象排序得到的每组指标的秩次，

当各评价指标的权重不同时，计算加权秩和比WRSR，其计算公式为：

其中w_j为第j个评价指标的权重，

3)计算概率单位

将得到的WRSR的值由小到大排列，列出各组频数f_i，计算各组的累积频数Σf_i，然后计算累积频率p_i：

p_i＝Σf_i/n                           (3-16)

然后将p_i转换为概率单位Probit_i，Probit_i为标准正态分布的p_i分位数u加5；

4)计算直线回归方程

将累积频率所对应的概率单位Probit_i作为自变量，以WRSR_i的值为因变量，计算直线回归方程：

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

5)分档排序

基于得到的回归方程推算对应的WRSR估计值，对评价对象进行分档排序。