李 赟，聶 丹，楊 帆，李彥斌，張 峰

(1.華北電力大學 經濟與管理學院，北京 102206； 2.國電聯(lián)合動力技術有限公司，北京 100039)

基于可信性理論的含大規(guī)模可再生能源電網脆弱性評價

李 赟1，聶 丹1，楊 帆2，李彥斌1，張 峰1

(1.華北電力大學 經濟與管理學院，北京 102206； 2.國電聯(lián)合動力技術有限公司，北京 100039)

由于大規(guī)模消納可再生能源的電網作為一個復雜系統(tǒng)，其脆弱性問題是不容忽視的。為了以增強其安全穩(wěn)定性，提高網絡的可靠性，基于可信性理論來對大規(guī)模消納可再生能源造成的電網脆弱性影響進行全面、科學地評價研究。首先建立了基于大規(guī)模消納可再生能源的電網脆弱性評價指標體系；然后利用可信性理論和粗糙集—粒子群優(yōu)化法構建了一個多層次模糊綜合評估模型。最后利用該模型對實例進行了分析評估，驗證了模型的可行性與可靠性。通過系統(tǒng)、準確、科學地辨識電網中存在的脆弱點，對大規(guī)模消納可再生能源的電網脆弱特性做出評價是一項具有十分重大意義的研究。

可再生能源；脆弱性；粗糙集—粒子群算法；可信性理論

0 引 言

針對化石能源日益枯竭和氣候環(huán)境持續(xù)惡化的問題，全世界各國都十分關注。所以，能源行業(yè)乃至世界各國的首要任務便是大力發(fā)展安全、經濟、高效、清潔的能源。任何事物都具有兩面性，可再生能源發(fā)電也不例外，一方面它有著低污染、充足性的優(yōu)點，另一方面也存在能量密度低、出力不穩(wěn)定等缺點，具有隨機性和間歇性[1]。若大規(guī)模消納這些能源，必定會對電網的安全穩(wěn)定運行帶來一定的風險。同時，電網在接納可再生能源時，由于其間歇性和隨機性的運行特點以及不穩(wěn)定的輸出特性與不可控的源動力，使電網在結構和運行上不可避免地會出現(xiàn)某些難以預料的脆弱特性[2,3]。因此，對大規(guī)模消納可再生能源的電網脆弱性進行評價，可以對威脅電網安全運行的脆弱點進行控制或采取相應的預防措施。

由于電網脆弱性是一個新興的概念，對于這方面的研究還不夠完善，目前還沒有公認的定義和統(tǒng)一的判定標準[4]。根據(jù)已有的研究文獻來看，電網脆弱性是指網絡在正常運行或不確定因素的作用下，系統(tǒng)無法繼續(xù)穩(wěn)定運行的概率[5]。國外學者主要從電網系統(tǒng)的線路故障和狀態(tài)故障兩方面進行研究，提出了多種脆弱性指標的選取標準對電網的脆弱性進行分析研究。Tucho針對現(xiàn)代電力系統(tǒng)的復雜性，將電網系統(tǒng)按電能的生產和應用流程層劃分為發(fā)電、輸電以及配電3個子系統(tǒng)分別進行脆弱性評價[6]。Dwivedi從系統(tǒng)中母線、發(fā)電機及傳輸線路的脆弱性角度出發(fā)，提出了電網脆弱性的指標[7]。國內學者對于電網脆弱性研究的分析側 重點不同，提出了多種評價理論方法，有復雜網絡理論、風險理論、暫態(tài)穩(wěn)定分析等等。這些研究為電網脆弱性評價提供了重要的理論基礎[8-12]。

通過文獻綜述可知，國內外對于可再生能源發(fā)電間歇性和電網脆弱性的研究已經具有一定的理論基礎，但是多數(shù)研究還處于探討階段，成果也偏重于理論分析，較難應用于實踐當中。本文構建大規(guī)模消納可再生能源對電網脆弱性多因素影響體系，采用可信性理論構建了電網的脆弱性評價模型，并結合某西北某電網進行實證分析，來驗證模型的準確性。最后給出了相應的建議，對于指導電網的安全運行具有一定的實踐意義。

1 含大規(guī)模可再生能源的電網脆弱性評價指標建立

在對大規(guī)?？稍偕茉床⒕W的運行機制和影響詳細分析后，得出電網可能出現(xiàn)脆弱性的環(huán)節(jié)包括發(fā)電、輸變電、配電、用電和調度5個主要部分，針對這些環(huán)節(jié)展開具體研究以找到各自的脆弱源，在此基礎上構建大規(guī)模消納可再生能源的電網脆弱性指標體系，以全面系統(tǒng)反映可再生能源并網所帶來的影響，如表1所示。

2 基于可信性理論的評估模型

可信性理論是基于模糊論公理化而產生的，由于在實際生活中存在著大量的隨機事件，它們的結果并不確定。而含大規(guī)模可再生能源的電網本身的不確定性同時包含著模糊性和隨機性，可信性理論的提出能夠綜合考慮二者關系[13,14]。

圖1 含大規(guī)模可再生能源的電網脆弱性評價指標體系Fig.1 Evaluation index system of power grid vulnerability with large scale renewable energy

2.1 可信性理論

本文所用到的關于可信性理論的相關概念如下。

定理1: 設ε是用隸屬度函數(shù)μ定義的一個模糊變量，則對任意子集B，可信性測度的計算公式為

(1)

稱為可信性反演定理。

2.2 權重的確定

本文先采用粗糙集—粒子群優(yōu)化算法對信息決策表進行屬性約簡，隨后再計算各指標的權重。

粒子群優(yōu)化算法是一種基于種群智能的、帶有隨機策略的優(yōu)化算法，主要應用方式是在掌握了某一種群信息的基礎上，在所有值域范圍內進行搜索，不斷地進行信息優(yōu)化，已找到整個范圍內的最優(yōu)解。它的優(yōu)點是易于實現(xiàn)、搜索范圍廣、收斂速度快，具有廣泛的適用范圍[15]。

定義1：在迭代計算過程中，種群除了要滿足個體最優(yōu)和全局最優(yōu)外，還要以粒子群的中心為依據(jù)，保證在粒子更新的過程中都是圍繞這個中心進行的。計算公式如下：

(2)

β：收斂因子，

(3)

p:隨機因子，

(4)

式中:c1、c2為[0,1]之間的隨機數(shù)；Mbest為整個種群的中心位置，用每個粒子的個體最優(yōu)來確定，

(5)

式中：m為粒子個數(shù)；pbestid為第i個粒子個體最優(yōu)的第d維。

基于粗糙集為粒子群優(yōu)化的屬性約簡算法的流程如下：

第1步，明確粒子群的數(shù)量p，設定最大的迭代數(shù)量tmax，通過計算信息決策表中中各屬性的重要度來對整個粒子群進行初始化；

第2步，根據(jù)定義的適應度函數(shù)計算所得的結果確定pbest和gbest；

第3步，根據(jù)函數(shù)公式(2)對粒子進行更新，并得出粒子位置的二進制轉換形式；

第4步，將得到的粒子群二進制串與屬性集合的判定標準對照，即是否滿足結果為一個約簡和屬性集個數(shù)能夠全面反映評價內容的兩項要求，若粒子x滿足標準，則斷定該屬性集合R已經達到最優(yōu)約簡。若粒子x沒有滿足標準，則轉到第二步繼續(xù)，直至得出最優(yōu)解。

基于粗糙集—粒子群優(yōu)化的屬性約簡算法流程圖如圖2所示。

圖2 基于粗糙集—粒子群優(yōu)化的屬性約簡算法流程圖 Fig.2 Attribute reduction algorithm based on rough sets and particle swarm optimization

在進行了粗糙集—粒子群優(yōu)化的屬性約簡算法后，本文將利用基于粗糙集條件信息熵的權重確立公式，對已經約簡后的決策表進行計算。

(6)

(7)

(8)

在決策表中，條件屬性的信息熵可以推導出以下3條定理：

基于粗糙集的條件信息熵的權重確定方法可以把使主客觀相結合，避免過分約簡，更加具有合理性和高效性。

2.3 算法步驟

可信性理論在電網脆弱性評價的應用不僅可以克服傳統(tǒng)模糊方法的主觀性問題，還可以使評價結果更加直接明了，便于人們的理解。因此，本文將采用可信性理論對基于大規(guī)模消納可再生能源的電網脆弱性進行評價，保證所得評價結果的科學性、合理性、準確性。

采用可信性理論對基于大規(guī)模消納可再生能源的電網脆弱性評價流程如下：

第1步，根據(jù)大規(guī)?？稍偕茉床⒕W建立相應的脆弱性評價指標體系。

第2步，采用基于粗糙集理論—粒子群優(yōu)化算法獲取指標的綜合權重。

第3步，將基于大規(guī)模消納可再生能源的電網脆弱狀態(tài)劃分為幾個不同的區(qū)間，并針對每一指標在不同的區(qū)間內設置科學的判定依據(jù)。

第4步，通過專家先進的知識和熟練的經驗對每一指標所處的電網脆弱性區(qū)間進行打分，利用專家調研法得出各指標在每一區(qū)間vl(l=1,2,…k)上的隸屬度gij。

第6步，將二級指標的權重與可信性測度矩陣相乘進行線性變換，得到其在不同區(qū)間上的脆弱性評價向量：

(9)

第7步，將一級指標的權重與可信性測度矩陣相乘進行線性變換，得到電網整體的脆弱性評價向量：

(10)

由向量B可知脆弱源在所有評語上的可信性分布，進而根據(jù)可信性最大原則確定基于大規(guī)模消納可再生能源的電網脆弱性狀態(tài)，并采取相應的措施。

3 算例分析

本算例以我國西北某電網為例進行說明。該電網所處地區(qū)風資源及建設條件非常適合大型風電場的開發(fā)建設，同時，太陽能資源也十分豐富。近年來，該地區(qū)憑借自身的地理優(yōu)勢積極推進可再生能源的建設步伐，目前已規(guī)劃的風電場有8處，裝機容量達到1100萬kW；光伏電站有2處，裝機容量已超過500萬kW。截至2015年6月底，該地區(qū)實現(xiàn)風電并網容量830萬kW，光電并網容量110萬kW，年均發(fā)電量超過80億kW時，總裝機容量分別占到全省和全國的60%和6%。

據(jù)了解，目前該地區(qū)正在投資建設關于風光儲電網融合項目，規(guī)劃總裝機容量為40萬kW，包括20萬kW的風電裝機容量、15萬kW的光伏裝機容量以及5萬kW的儲能裝置?；陲L光儲電網聯(lián)合可以為以后實現(xiàn)多種可再生能源互補利用開創(chuàng)了新的發(fā)展模式，也為后續(xù)項目的建設提供了技術、經驗參考。

3.1 確定權重

根據(jù)公式(8)可計算出每一個指標的權重值，并對所得的結果進行歸一化處理，從而可得到各指標最終的權重值，結果見表1。

通過上表可知，由基于條件信息熵的粗糙集理論算法計算而得的各一級指標的權重分別為0.221、0.236、0.151、0.169、0.223，其中權重最大的是輸變電環(huán)節(jié)和調度環(huán)節(jié)，二級指標中，權重最大的指標設備老舊率，其次是技術支持度，權重最小的指標為控制協(xié)調性和自然災害率。上述各級指標權重與可再生能源發(fā)電現(xiàn)狀以及某西北電網的脆弱性實際情況相符，隨著我國可再生能源的加速發(fā)展，基礎設備的堅強程度、先進技術的應用規(guī)模等一系列因素均會對可再生能源并網項目的脆弱性造成很大影響。

表1 電網脆弱性評價指標權重

基于粗糙集條件信息熵的權重確定方法可以有效避免傳統(tǒng)計算方法中可能出現(xiàn)冗余屬性權重為0的情況，因此更加精確、合理，大大提高了權重確定方法的普遍適用性和實用性。

3.2 評價結果

根據(jù)上文，可信性測度構建為可信性測度矩陣根據(jù)上文，可信性測度構建為可信性測度矩陣Ci，通作模糊線性變換，得出一級指標Xi的可信性綜合評估向量，計算結果如下：

最后，對可信性綜合評估矩陣C再次進行模糊線性變換，得出該電網在評語等級上的可信性綜合評估向量，計算結果如下：

通過上述實證分析，評價結果如表2所示。

表2 評價結果

對評價結果具體分析如下：

(1)該電網在評語集上的可信性分布為(0.157,0.273,0.233,0.185, 0.152)，根據(jù)最大隸屬度原則可知，該電網處于穩(wěn)定狀態(tài)，但是也在不斷趨近與值得關注的狀態(tài)。因此需要加大對該電網的脆弱性監(jiān)控和管理，以防患于未然。

(2)通過比較各級指標的權重及可信性測度評估向量可以看出，配電環(huán)節(jié)、用電環(huán)節(jié)和調度環(huán)節(jié)的主要影響因素均處于安全狀態(tài)，降低了該電網的脆弱性程度。

(3)通過分析比較所得的各一級指標權重值及可信性綜合評估向量，我們可以得出該電網的脆弱狀態(tài)的主要集中于發(fā)電環(huán)節(jié)和輸變電環(huán)節(jié)。

因此在基于大規(guī)模消納可再生能源的電網建設中，重點從以下兩方面著手降低電網的脆弱性。一方面，要加強對我國宏觀經濟形勢、政策走向的關注，適應、引領行業(yè)的發(fā)展，降低外部環(huán)境對大規(guī)模消納可再生能源的電網脆弱性影響；另一方面，加大技術投入，突破可再生能源發(fā)電并網的關鍵技術，包括控制技術、輸電技術、調度技術和儲能技術等各個方面，實現(xiàn)可再生能源并網友好、控制職能、輸電可靠、多能互補的目標。同時，加強電網上下游的溝通，減少供給端、需求端的信息不對稱。

4 結 論

本文從大規(guī)模消納可再生能源的角度對電網的脆弱性進行分析，首先建立了從發(fā)電環(huán)節(jié)、輸變電環(huán)節(jié)、配電環(huán)節(jié)、調度環(huán)節(jié)和用電環(huán)節(jié)五個維度考慮的風險指標體系，為電網的脆弱性評價提供了良好的基礎。其次可信性理論運用到基于大規(guī)模消納可再生能源的電網脆弱性評價中。最后將該模型應用到西北某電網中，對其進行脆弱性評價，取得了良好的效果，進而驗證了指標體系與評價模型的有效性與實用性。

未來，堅強智能電網能夠為風能、太陽能等各類間歇性、隨機性能源的接入和消納提供一個平臺，實現(xiàn)可再生能源的大規(guī)模、集約化開發(fā)，而本文所提出電網脆弱性評價指標和方法可以很好地應用于該領域，為可再生能源發(fā)展規(guī)劃、電網安全防御體系構建提供決策依據(jù)。

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Vulnerability Evaluation of Power Grid with Large Scale Renewable Energy Sources Based on Credibility Theory

LI Yun1, NIE Dan1, YANG Fan2, LI Yanbin1, ZHANG Feng1
(1.School of Economics and Management, North China Electric Power University, Beijing 102206, China;2.Guo Dian United Power Technology Company, Beijing 100039, China)

Large scale renewable energy grid is a complex system whose vulnerability cannot be ignored. In order to enhance its stability and improve the reliability of the network, this article makes a comprehensive and scientific evaluation research on vulnerability influence of large scale renewable energy grid on the basis of credibility theory. First of all, evaluation index system is established for vulnerability of large scale renewable energy grid. Then a multi-level fuzzy comprehensive evaluation model is built by using credibility theory and rough set—the particle swarm optimization method. Finally, this model is used to evaluate cases and its feasibility and reliability are verified. It is of great significance to make vulnerability evaluation of large scale renewable energy grid on a systematic, accurate and scientific basis.Key words：renewable energy; vulnerability; rough sets and particle swarm optimization algorithm; credibility theory

2016-03-17.

國家自然科學基金重點項目(71471058);中央高?；究蒲袠I(yè)務費專項資金資助項目(JB2016169).

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2016.06.12

TM711

A

1007-2691(2016)06-0074-06

李赟(1990-)，女，博士研究生，研究方向為能源管理；聶丹(1992-)，女，博士研究生，研究方向為電力企業(yè)管理。