陳喆，劉宗揚(yáng)，李家淇，黃學(xué)勁，王睿喆，李海波，江坷滕

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000；2.清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，四川 成都 610213)

隨著可再生能源與電動汽車的快速發(fā)展，未來城市中低壓配電網(wǎng)的發(fā)展需要考慮大量分布式可再生能源和充電站的接入，城市配電網(wǎng)的升級改造面臨巨大挑戰(zhàn)。與交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)具有更大的供電能力、更高的傳輸效率、更緊湊的安裝布置方案[1-4]，且可減少分布式電源、充電樁的并網(wǎng)環(huán)節(jié)及損耗[5]。此外，采用直流柔性互聯(lián)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多條交流饋線間的功率支援，解決目前交流配電網(wǎng)整體容載比虛高、局部地區(qū)供電能力不足的矛盾，并且能夠提升可再生能源的接入比例，有效提高原有交流配電網(wǎng)的供電能力與可靠性[6]。

城市中低壓直流配電網(wǎng)的規(guī)劃方向應(yīng)該參考傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)，從獨(dú)立的端對端系統(tǒng)發(fā)展到多端系統(tǒng)，先以局部供電網(wǎng)的形態(tài)接入現(xiàn)有交流配電網(wǎng)，形成交直流混合配電網(wǎng)；然后對交流電網(wǎng)進(jìn)行改造、升級和替代，逐步形成直流配電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)電網(wǎng)的融通供電和過渡[5-9]。制訂合理的電壓等級序列是電網(wǎng)規(guī)劃的前提與基礎(chǔ)，既要考慮與現(xiàn)有交流配電網(wǎng)的兼容，滿足融通供電、電網(wǎng)容量、負(fù)荷需求等邊界條件；又要考慮可再生能源接入、供電能力和技術(shù)水平等的約束，滿足經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性和普遍適用性；還要具備高度前瞻性，為未來大規(guī)模建設(shè)的直流配電網(wǎng)體系提供關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和主要電壓等級支撐，適應(yīng)未來電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)變化[9-13]。

近年來，對直流配電系統(tǒng)電壓等級的評價(jià)與選取取得了豐富的理論成果，包括電壓等級選取依據(jù)的分析、評價(jià)方法、評價(jià)指標(biāo)和評價(jià)模型等[14-22]。部分學(xué)者參照交流配電系統(tǒng)電壓等級的制訂方法，提出采用級倍數(shù)[14]、幾何均值[16]、“舍二求三”[17]等方法，進(jìn)行直流配電系統(tǒng)電壓等級制訂、規(guī)劃和驗(yàn)證，但是忽略了現(xiàn)有交流系統(tǒng)融通供電和可再生能源接入等實(shí)際情況，缺乏對經(jīng)濟(jì)性、安全性的評價(jià)分析和計(jì)算[16-17]。

在此基礎(chǔ)上，有學(xué)者從多個(gè)宏觀層面對電壓等級的評價(jià)選取進(jìn)行了理論分析。文獻(xiàn)[18]采用模糊綜合評價(jià)法，選取供電能力、經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性等宏觀指標(biāo)，進(jìn)行電壓等級序列的評價(jià)選取，但是各指標(biāo)的評分結(jié)果缺少理論計(jì)算，結(jié)論缺乏說服力。文獻(xiàn)[19]結(jié)合可再生能源和現(xiàn)有輸電工程的兼容性，針對不同負(fù)荷率的城市，分別提出直流配電網(wǎng)電壓等級配置方案，但是缺少理論依據(jù)。文獻(xiàn)[20]特別關(guān)注不同電壓等級下直流配電網(wǎng)與現(xiàn)有交流配電網(wǎng)的融通互聯(lián)，提出相應(yīng)的電壓等級序列，但是缺少對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的分析。文獻(xiàn)[12]采用解釋結(jié)構(gòu)模型詳細(xì)梳理各影響因素的層次關(guān)系，基于模糊綜合評價(jià)法，選取380 V作為低壓電壓等級，但是指標(biāo)集的計(jì)算過程和評判結(jié)果高度模糊化，缺乏客觀性。文獻(xiàn)[21選取優(yōu)劣解距離法對評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，分別從可靠性、經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性進(jìn)行計(jì)算分析，但是沒有考慮可再生能源接入與現(xiàn)有交流電網(wǎng)的融通互聯(lián)。文獻(xiàn)[22]在理論上提出電壓等級的選取應(yīng)該考慮配電半徑、故障保護(hù)和經(jīng)濟(jì)成本，但是計(jì)算過程僅考慮了損耗和適應(yīng)性，分析計(jì)算過于簡單，缺乏理論支撐。以上研究主要從電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行電壓等級規(guī)劃，缺少對可再生能源和用戶側(cè)適應(yīng)性的調(diào)研分析。

目前直流配電網(wǎng)電壓等級的規(guī)劃研究一般嘗試通過單一模型來求解適用于不同電壓等級的最優(yōu)解，一方面缺乏對現(xiàn)有交流用電設(shè)備兼容方面的考慮，另外針對未來大規(guī)模電動汽車、可再生能源接入的場景考慮不足，難以適應(yīng)交流配電網(wǎng)融通供配電的要求。因此，本文針對不同電壓等級(依據(jù)GB/T 35727—2017《中低壓直流配電電壓導(dǎo)則》劃分電壓等級)應(yīng)用不同方法選取合適的電壓等級，主要開展以下工作：①基于電纜改造和器件耐壓水平等因素，確定入戶的直流電壓等級。②結(jié)合幾何均值原理和工程實(shí)際，給出直流電壓備選集；針對大規(guī)模電動汽車接入場景，通過廣泛調(diào)研直流充電樁電壓等級，提出低壓直流電壓等級。③考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、供電能力和適應(yīng)性，建立綜合評價(jià)最優(yōu)模型，通過模糊綜合評估方法，求解得到滿足城市交流配電網(wǎng)融通供電的中壓直流配電電壓等級，并利用技術(shù)成熟度進(jìn)行校驗(yàn)。④根據(jù)“舍二求三”原則，對本文所提出的電壓等級體系進(jìn)行合理性校驗(yàn)。

1 直流配電電壓序列構(gòu)建方法

1.1 融通型城市直流配電網(wǎng)典型場景

融通型城市直流配電網(wǎng)是指直流配電網(wǎng)通過電壓源換流器(voltage source converter，VSC)連接到現(xiàn)有交流電網(wǎng)形成的配電網(wǎng)，其典型應(yīng)用場景如圖1所示[9]。系統(tǒng)通過四端柔性直流配電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)10 kV交流配電層面的功率融通，主要包括“源-網(wǎng)-荷”3個(gè)層面的功率融通：當(dāng)交流線路出現(xiàn)負(fù)載率過高或故障的情況下，直流配電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)功率支援，同時(shí)分布式電源、儲能及充電站可通過DC/DC直接并入直流配電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“源端”的融通發(fā)電。其次，各個(gè)負(fù)荷點(diǎn)可通過多個(gè)電源回路實(shí)現(xiàn)取電，使得系統(tǒng)具有更高的靈活性與供電可靠性，實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)”的融通供電。最后，考慮到民用電氣設(shè)備變頻化和直流化趨勢越來越明顯，低壓直流建筑近幾年得到了快速發(fā)展，未來民用低壓直流建筑也可直接通過DC/DC并網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)“負(fù)荷”的融通取電。

圖1 直流配用電的典型場景

1.2 自下而上的中低壓直流電壓等級構(gòu)建方法

電網(wǎng)等級的合理布局能有夠效降低電網(wǎng)的綜合運(yùn)行費(fèi)用。大量研究和經(jīng)驗(yàn)表明，當(dāng)相鄰電壓等級滿足幾何均值約束時(shí)，系統(tǒng)上下級電壓等級更為合理，變電設(shè)施便于生產(chǎn)、安裝和檢修，具有較好的經(jīng)濟(jì)性[15]。因此，直流配電網(wǎng)電壓等級的初步制訂可以參照幾何均值原理，首先根據(jù)住宅、充電樁等負(fù)荷用電情況，給出基本電壓等級，然后依此推導(dǎo)城市中低壓直流配電網(wǎng)電壓等級體系[19]。

在確定低壓直流電壓等級之前，首先需要考慮IGBT、MOSFET、GaN和SiC等寬禁帶器件的耐壓水平。常用器件中，IGBT的電壓等級較少，一般分為600 V和1 200 V兩類。MOSFET器件有較多的電壓等級，尤其是300 V以下，300 V電壓等級以下的MOSFET器件有很多不同產(chǎn)品，包括100 V、150 V、200 V、250 V、300 V等，而300 V以上電壓等的產(chǎn)品相對較少。GaN和SiC等寬禁帶器件由于自身器件的原因，更多情況下使用較高的電壓等級，比如GaN器件均超過650 V，SiC也都在1 200 V以上。

其次，對于換流器來說，計(jì)及關(guān)斷過電壓抑制、紋波電流吸收、阻尼控制等，其會大量使用各類型電容，其中直流濾波電容對直流電壓等級的影響較大。直流濾波電容器的電容主要以電解電容為主，所以電壓等級最高為450 V，可以滿足400 V或800 V(需要串聯(lián))的應(yīng)用。此外，光伏發(fā)電、交流電動機(jī)變頻驅(qū)動、電動汽車驅(qū)動器和充電機(jī)等領(lǐng)域的電力電子器件主要采用600 V和1 200 V電壓等級，并形成了包含直流濾波電容在內(nèi)的較完善的配件體系。

再次，文獻(xiàn)[23]根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合電纜敷設(shè)和改造情況，分別從電擊防護(hù)、導(dǎo)體經(jīng)濟(jì)性、供電能力、改造成本等方面分析指出，我國建筑物的直流電壓等級范圍位于[0.19 kV/0.38 kV，0.24 kV/0.48 kV](單極接線級間電壓/雙極接線級間電壓，本文所述電壓等級主要依據(jù)單級接線中的極間電壓)，該電壓帶在安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等方面具有綜合優(yōu)勢。

綜上所述，結(jié)合電纜敷設(shè)和改造情況，本文建議采用0.19 kV/0.38 kV作為入戶的低壓直流電壓等級，既可以保障客戶用電安全，又可以滿足大部分器件的耐壓水平。因此，根據(jù)幾何均值原理推算的直流電壓等級以及現(xiàn)有交流電壓等級如圖2所示。

圖2 基于幾何均值原理的電壓等級序列

由圖2分析結(jié)果可知，基于幾何均值原理推算的部分直流電壓等級(0.38 kV、5.76 kV)能夠直接與現(xiàn)有交流電壓等級實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，但還需考慮可靠性、供電能力、可再生能源消納等問題，分析絕緣配合、傳輸距離、運(yùn)維技術(shù)發(fā)展及器件生產(chǎn)水平等的影響，方便可再生能源發(fā)電設(shè)施、充電樁等直流設(shè)備并入。其中，超低壓直流電壓作為戶用電壓，主要影響因素為其安全性和節(jié)能性，與供電距離和容量相關(guān)性不大，因此推薦人體安全電壓48 V作為超低壓直流電壓，形成±0.048 kV/0.19 kV/0.38 kV的建筑低壓電壓等級體系。

1.3 低壓直流電壓等級確定

1.3.1 電動汽車等其他直流負(fù)荷電壓等級

目前電動汽車和數(shù)據(jù)中心都是典型的直流負(fù)荷，其中數(shù)據(jù)中心直流母線的電壓一般是0.4 kV，與0.38 kV接近。對于電動汽車來說，由圖2可知，在入戶低壓電壓等級0.19 kV/0.38 kV的基礎(chǔ)上，結(jié)合幾何均值原理，推算得到0.75 kV/1.48 kV作為低壓電壓等級。結(jié)合實(shí)際生活場景，該電壓等級主要供電動汽車等大容量直流設(shè)備充電使用。隨著電動汽車在城市的大規(guī)模發(fā)展，其在提高能量消納的同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)能量儲存，將形成一個(gè)規(guī)?？捎^的儲能市場，有效幫助電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)削峰填谷。因此，應(yīng)當(dāng)針對電動汽車充電，選取合適的低壓電壓等級。本文調(diào)研了電動汽車市場上主流充電接口電壓，見表1。

表1 電動汽車市場主流充電接口電壓統(tǒng)計(jì)

由表1可知，為了適應(yīng)目前交流電網(wǎng)民用電電壓等級，調(diào)研對象中37.5%的電動汽車采用0.22 kV作為標(biāo)準(zhǔn)充電電壓等級。但是為了實(shí)現(xiàn)大功率和高效快充，以比亞迪、寶馬等品牌為代表的62.5%的電動汽車選擇0.75 kV作為充電接口電壓。0.75 kV不僅可以提高充放電功率，而且便于與1.5 kV配電網(wǎng)連接。隨著充電電池性能的提升和充放電技術(shù)的成熟，電動汽車充電電壓有望直接使用1.5 kV，便于與地鐵牽引供電電壓相連。

綜上所述，考慮到電動汽車充電接口電壓的現(xiàn)狀和未來趨勢，以及還要與現(xiàn)有配電網(wǎng)融通供電，本文建議將1.5 kV(±0.75 kV)納入直流配電網(wǎng)電壓等級的規(guī)劃設(shè)計(jì)，形成±0.048 kV/0.19 kV/0.38 kV/0.75 kV/1.5 kV的低壓電壓等級體系。

1.3.2 城市中低壓直流電壓等級備選方案

根據(jù)現(xiàn)有理論分析和工程實(shí)例，表2整理了城市中低壓直流配電網(wǎng)電壓等級序列推薦值及選取依據(jù)，為電壓等級的進(jìn)一步篩選提供備選方案。

表2 城市中低壓直流電壓等級備選方案

2 直流電壓等級綜合評價(jià)優(yōu)選模型

中壓電壓等級的選取過程中，不僅需要計(jì)及所推薦電壓等級的直流電網(wǎng)與交流電網(wǎng)之間的融通供電，還需要考慮工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性、供電能力和適應(yīng)性。建立直流配電系統(tǒng)電壓等級綜合評價(jià)指標(biāo)體系如圖3所示。

圖3 直流配電系統(tǒng)電壓等級綜合評價(jià)指標(biāo)體系

綜合評價(jià)模型表示為

(1)

式中：bi為電壓等級i的綜合得分；n為評價(jià)因素?cái)?shù)量；ωk為第k個(gè)評價(jià)因素的權(quán)重因子；μk，i為第k個(gè)評價(jià)因素電壓等級i對應(yīng)的隸屬度函數(shù)值。

2.1 經(jīng)濟(jì)性

工程經(jīng)濟(jì)性分析主要包括投資成本、運(yùn)行成本和回收期分析，并選取合適的隸屬度函數(shù)進(jìn)行歸一化分析。對于中低壓配電網(wǎng)工程來說，系統(tǒng)投資成本主要集中在斷路器、變壓器和相關(guān)變流器等設(shè)備。運(yùn)行成本主要指工程實(shí)施及運(yùn)行過程中的正常支出，包括傳輸損耗以及年運(yùn)行維護(hù)等正常運(yùn)行帶來的支出損耗消費(fèi)。

系統(tǒng)損耗費(fèi)用

Ftra=(Pline+Pcon)Sh=(0.002RI2+PcapCrate)Sh.

(2)

式中：Pline為線路損耗；Pcon為換流站損耗；S為相應(yīng)電壓等級的輸配電價(jià)，本文取0.15元/kWh；h為利用時(shí)間，本算例選取為6 000 h；R為線路阻抗；I為線路傳輸電流；Pcap為傳輸容量；Crate為換流站損耗率，本文取1.6%。線路傳輸造成的損失可等效估算為系統(tǒng)總投資的5%[18]。

直流配電工程的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用主要指系統(tǒng)硬件設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用Fopr，計(jì)算方法為

Fopr=foprCtotal.

(3)

式中：fopr為運(yùn)行維護(hù)費(fèi)率，本文取1.8%；Ctotal為工程總造價(jià)，包含電纜、斷路器、變壓器、換流器等設(shè)備的成本，以及變電站(換流站)的建設(shè)成本。

為了分析直流配電系統(tǒng)的投資收益能力，本文采用投資收益率finv和回收期N進(jìn)行量化評估，投資收益率的計(jì)算方法為

(4)

式中：P1為售電負(fù)荷量，本項(xiàng)目中售電量取傳輸負(fù)荷量Pcap的80%；Pd為工程首付款；Pr為總銀行還款額。以等額本息還款法為例，假設(shè)貸款額為總工程造價(jià)的50%，貸款年利率為5.9%，貸款期限為25年。

投資回收期計(jì)算方法如下：

(5)

式中:Itotal為總工程投資；Cincome為年投資收益。

為了將經(jīng)濟(jì)性評估結(jié)果歸一化，利用降梯形函數(shù)進(jìn)行描述分析[24]，經(jīng)濟(jì)性隸屬度μ1數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

(6)

式中：Ni為電壓等級i下的投資回收期；Nmax和Nmin分別為最長和最短投資回收期，根據(jù)工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，最短投資回收期和最長投資回收期分別為10年和25年。

2.2 供電能力

線路的供電能力可以通過負(fù)荷矩λdc來量化計(jì)算，計(jì)算方法為[18]

(7)

式中：Udc為雙極直流供電線路的電壓；eU為電壓損耗相對值，取7%；r0dc為線路單位長度的直流電阻，銅芯電纜的線路單位長度的直流電阻取為0.000 307 Ω/km。

不同電壓等級對應(yīng)的負(fù)荷矩區(qū)別較大，難以直觀對比，因此本項(xiàng)目采用項(xiàng)目總投資與負(fù)荷矩的比值對系統(tǒng)電壓等級進(jìn)行綜合評估，并定義該比值為造價(jià)系數(shù)fcost，其計(jì)算方法為

fcost=Ctotal/λdc.

(8)

引入負(fù)線性隸屬度函數(shù)對造價(jià)系數(shù)進(jìn)行評價(jià)，供電能力隸屬度μ2計(jì)算方法為

(9)

式中系數(shù)符號加下標(biāo)max、min分別表示中壓電壓等級的最高造價(jià)系數(shù)和最低造價(jià)系數(shù)。

2.3 適應(yīng)性

直流配電系統(tǒng)與交流配電系統(tǒng)的互聯(lián)互通需要通過換流器，以VSC為例，當(dāng)VSC采用正弦脈寬調(diào)制時(shí)，其兩側(cè)交直流電壓間的換算關(guān)系[12]表示為

(10)

式中：M為調(diào)制比，取值范圍為0.8～1.0；Uac為交流相電壓有效值，其取值參照圖2所示的現(xiàn)有交流電壓等級。

本文提出交直流電壓的差異度，對交直流電網(wǎng)間的接入復(fù)雜度進(jìn)行量化評估，差異度越小說明規(guī)劃的直流系統(tǒng)與現(xiàn)有交流系統(tǒng)的兼容性越好，所需變壓設(shè)備越少。差異度

(11)

(12)

3 中壓直流電壓等級算例分析

由表2可知，±10 kV便于光伏接入和配電容量的擴(kuò)增，±8 kV常用于高壓配電，便于改造。因此±10 kV和±8 kV作為中壓電壓等級各有優(yōu)勢，需要進(jìn)行綜合評價(jià)和對比分析，支撐中壓電壓等級的選取。根據(jù)上文所建立的綜合評價(jià)最優(yōu)模型，分別選取經(jīng)濟(jì)性、供電能力和適應(yīng)性等評價(jià)指標(biāo)及相應(yīng)的隸屬度函數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，然后通過模糊綜合評價(jià)方法，進(jìn)行電壓等級的綜合評估。

3.1 經(jīng)濟(jì)性

為了對多級直流配電網(wǎng)進(jìn)行投資成本分析，首先進(jìn)行各電壓等級的投資成本和運(yùn)行成本分析，然后計(jì)算其投資回收期，最后采用相應(yīng)的隸屬度函數(shù)，對±10 kV和±8 kV電壓等級的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行量化計(jì)算。根據(jù)各設(shè)備造價(jià)進(jìn)行整體估算，不同電壓等級下的造價(jià)參數(shù)見表3。

表3 中低壓工程造價(jià)預(yù)估表

由表3可知，對于城市中低壓直流配電工程，其造價(jià)與電壓等級呈正相關(guān)，變電站(換流站)的建設(shè)成本為工程造價(jià)的主要影響因素。根據(jù)式(3)—(6)得出的相關(guān)經(jīng)濟(jì)性參數(shù)見表4。

表4 經(jīng)濟(jì)性評價(jià)結(jié)果

由表4可知，±10 kV電壓等級高，對設(shè)備絕緣水平要求高，初始投資和銀行還款額相應(yīng)增加，并且運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也高，因此投資回收期較長，投資收益率較低，與其成正相關(guān)的隸屬度函數(shù)值相應(yīng)較小。

3.2 供電能力

根據(jù)式(7)—(9)，系統(tǒng)供電能力主要通過負(fù)荷矩進(jìn)行量化評估，結(jié)合工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，中壓電壓等級的最低造價(jià)系數(shù)fcost，min和最高造價(jià)系數(shù)fcost，max分別為1萬元/(MW·km)和2.5萬元/(MW·km)，則各電壓等級負(fù)荷矩和造價(jià)系數(shù)的計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 供電能力評價(jià)結(jié)果

由式(7)可知，電壓相對損耗和傳輸線路相同情況下，負(fù)荷矩與電壓等級的平方成正相關(guān)，表5的分析結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了該特性，以±10 kV電壓等級下負(fù)荷矩為代表的供電能力約為±8 kV電壓等級下供電能力的1.56倍。結(jié)合不同電壓等級總投資，±10 kV傳輸情況下，傳輸1 MW·km電能投資約1.43萬，造價(jià)系數(shù)明顯低于±8 kV，節(jié)約了系統(tǒng)用能投資，具有顯著的經(jīng)濟(jì)意義，因此描述±10 kV供電能力的負(fù)線性隸屬度較高。

3.3 適應(yīng)性

由圖2可知，與±10 kV和±8 kV電壓等級相鄰的現(xiàn)有交流電壓等級包括6 kV、10 kV和35 kV，結(jié)合式(10)可得相應(yīng)約束上下限和平均值見表6。

表6 交流電壓等級適應(yīng)性約束條件

結(jié)合式(11)和式(12)，±10 kV和±8 kV電壓等級下與交流電網(wǎng)相匹配的適應(yīng)性參數(shù)見表7。

表7 適應(yīng)性評價(jià)結(jié)果

±10 kV和±8 kV均位于交流電壓10 kV和35 kV形成的[4.59 kV，16.07 kV]區(qū)間內(nèi)?！? kV直流電網(wǎng)需要通過變壓器接入35 kV交流電網(wǎng)，±10 kV與現(xiàn)有±35 kV交流電網(wǎng)能夠形成較好的匹配，與現(xiàn)有交流系統(tǒng)的兼容性好，所需變壓設(shè)備較少，可以降低現(xiàn)有交流電網(wǎng)的工程改造工作量。

3.4 評價(jià)模型的求解

模糊層次分析法是將評價(jià)對象的屬性、指標(biāo)進(jìn)行分層，逐層合成指標(biāo)得到綜合評價(jià)指標(biāo)的方法。在層次分析中，利用指標(biāo)間的重要性對比確定指標(biāo)的權(quán)重，從而對指標(biāo)進(jìn)行合成。模糊層次分析法利用模糊一致判斷矩陣對各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行重要性比較，改進(jìn)了層次分析法判斷矩陣一致性檢驗(yàn)、權(quán)重求取方面的問題。模糊一致判斷矩陣S為n×n的矩陣，其元素具有以下性質(zhì)：

(13)

式中sij代表第i個(gè)指標(biāo)與第j個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系，取值為0.5時(shí)，表示2個(gè)指標(biāo)同等重要，取值越大表示指標(biāo)i越重要。模糊一致判斷矩陣可以由專家打分等方法，通過統(tǒng)計(jì)專家的意見得出，專家打分后生成的模糊一致判斷矩陣為

(14)

在得到模糊一致判斷矩陣后，即可由矩陣計(jì)算得到模糊層次分析法各指標(biāo)的權(quán)重，從而確定層次指標(biāo)間的關(guān)系及計(jì)算更高層次的指標(biāo)。權(quán)重計(jì)算方法為

(15)

式中β為決定權(quán)重分辨率的參數(shù)，參數(shù)越大代表重要的指標(biāo)權(quán)重值越高，而非重要指標(biāo)權(quán)重值越低。本文分辨率參數(shù)β為105，則得到權(quán)重系數(shù)向量為(0.4，0.3，0.3)，由此得到中低壓直流系統(tǒng)電壓等級評價(jià)指標(biāo)結(jié)果見表8。

表8 城市中壓電壓等級評價(jià)結(jié)果

模糊評價(jià)的算子主要有最大最小算子、乘和最大算子、乘加算子等，這些算子都以一定的權(quán)重選擇最優(yōu)的1個(gè)指標(biāo)或合成全部指標(biāo)，對評價(jià)對象進(jìn)行定量評價(jià)。例如乘加算子先將評價(jià)指標(biāo)與權(quán)重相乘，然后加和得到合成評價(jià)指標(biāo)。

當(dāng)綜合考慮系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性、供電能力和技術(shù)成熟度時(shí)，10 kV電壓等級由于供電能力和適應(yīng)性高，綜合得分也最高(0.53分)，因此推薦作為中壓直流配電網(wǎng)電壓等級。

考慮到直流電壓等級越高，其供電能力越強(qiáng)，線路損耗越低，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性越好，但同時(shí)絕緣要求增大。對于10 kV系統(tǒng)，由于一般采用中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，因此絕緣水平是按照線電壓配置的，交流10 kV電纜的絕緣水平能夠滿足±10 kV直流系統(tǒng)的要求，無需新增加投資。

3.5 中壓直流電壓等級評價(jià)結(jié)果的驗(yàn)證

從20世紀(jì)90年代末開始，國內(nèi)日益重視對技術(shù)成熟度評估的研究。我國于2009年6月實(shí)施的GB/T 22900—2009《科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目評價(jià)通則》，為科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目的投入產(chǎn)出效率評價(jià)提供了科學(xué)規(guī)范的方法，實(shí)現(xiàn)了對科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目的量化管理，并給出了基礎(chǔ)研究項(xiàng)目、應(yīng)用研究項(xiàng)目、開發(fā)研究項(xiàng)目的技術(shù)就緒水平(technology readiness level，TRL)量表。TRL定義引用自2009版美國技術(shù)就緒評估手冊，其分為硬件TRL和軟件TRL兩種，本文主要介紹硬件TRL，其基本等級劃分與定義見表9。

表9 硬件技術(shù)就緒水平的定義

中低壓直流系統(tǒng)工程的建設(shè)研究以及相關(guān)直流設(shè)備的研發(fā)生產(chǎn)處于初級階段，可以基于TRL對不同電壓等級直流設(shè)備的技術(shù)成熟度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，從而對該直流電壓等級的實(shí)際應(yīng)用可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)告，國內(nèi)目前已建成或正建設(shè)的中低壓直流工程項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)情況見表10。并且認(rèn)為已投運(yùn)工程中所采用的電壓等級設(shè)備已達(dá)到TRL9階段，在真實(shí)系統(tǒng)中能夠成功執(zhí)行任務(wù)，得到檢驗(yàn)；尚未投運(yùn)的工程所采用的電壓等級設(shè)備達(dá)到TRL8階段，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試與演示驗(yàn)證，真實(shí)系統(tǒng)研制完成并證明合格。不同電壓等級的TRL統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表11。

表10 國內(nèi)目前已建成或正建設(shè)的中低壓直流工程項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)

表11 直流系統(tǒng)不同電壓等級TRL統(tǒng)計(jì)

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，目前已投運(yùn)的直流系統(tǒng)工程中，接近一半的工程采用了±10 kV作為標(biāo)準(zhǔn)電壓等級。由此可見，工程應(yīng)用中對±10 kV的研究應(yīng)用較為充分，技術(shù)成熟度較高，有良好的應(yīng)用前景。

3.6 城市中低壓直流電壓等級的檢驗(yàn)

在城市中低壓直流配電網(wǎng)電壓等級的設(shè)計(jì)過程中，電壓等級的極差倍數(shù)需要控制在合理范圍。極差過大會導(dǎo)致供電范圍不能合理覆蓋，增加出線和線路損耗，同時(shí)對變壓器等設(shè)備的制造也提出了更高要求；極差過小將導(dǎo)致不能充分發(fā)揮各電壓等級的作用，供電范圍交叉覆蓋，增加變電次數(shù)和設(shè)備投資。

因此，國際電工委員會提出了“舍二求三”原則，即中高壓領(lǐng)域中，相鄰兩級電壓之比應(yīng)該靠近或超過3，不應(yīng)小于2[18]。本文所提的電壓等級序列檢驗(yàn)結(jié)果如下：0.19/0.048=3.96，0.38/0.19=2，0.75/0.38=1.97，1.5/0.75=2，10/1.5=6.67。

因?yàn)椤吧岫笕痹瓌t主要適用于中高壓和高壓輸配電，低壓側(cè)由于用電主題和設(shè)備的差異，一般極差接近2也是可以接受的。檢驗(yàn)結(jié)果表明，通過上述步驟形成的中低壓直流配電網(wǎng)電壓等級基本滿足“舍二求三”的核心原則。因此，通過本文提出的針對不同電壓等級采用不同側(cè)重的自下而上的規(guī)劃方法，規(guī)劃的城市中低壓直流配電網(wǎng)電壓等級間的極差符合國際電工委員會電壓標(biāo)準(zhǔn)，具備合理性和可行性。

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)分布式能源、充電樁等直流負(fù)荷的廣泛接入，同時(shí)滿足與現(xiàn)有交流電網(wǎng)的融通供電，合理的城市直流配電網(wǎng)電壓等級體系起著關(guān)鍵作用。本文通過研究分析得出以下結(jié)論：

a)推薦人體安全電壓±0.048 kV作為戶用電壓，具有較優(yōu)的安全性和節(jié)能性；

b)推薦±0.19 kV/0.38 kV作為用戶側(cè)低壓直流電壓等級序列，保障客戶用電安全，滿足大部分器件的耐壓水平，便于電纜的施工改造、直流充電樁、數(shù)據(jù)中心和分布式電源接入；

c)推薦±0.75 kV/1.5 kV納入直流電壓等級序列，供電覆蓋范圍合理，滿足直流充電樁的接入和發(fā)展趨勢；

d)推薦±10 kV作為中壓直流電壓等級，在經(jīng)濟(jì)性、供電能力、適應(yīng)性等方面的綜合性能較優(yōu)。

通過“舍二求三”原則對所提電壓等級的合理性和可行性的檢驗(yàn)，本文推薦±0.048 kV/0.19 kV/0.38 kV/0.75 kV/1.5kV/10 kV作為城市中低壓直流電壓等級序列。