梁海濱，陳 開

(中石油昆侖燃?xì)庥邢薰救細(xì)饧夹g(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150016)

1 概述

為實(shí)現(xiàn)燃?xì)鈴S站可再生能源利用，采用光伏發(fā)電供應(yīng)燃?xì)鈴S站對(duì)降低碳排放產(chǎn)生積極作用。將光伏發(fā)電及各類供能設(shè)備加入燃?xì)鈴S站供能系統(tǒng)后，各設(shè)備的波動(dòng)特性對(duì)電網(wǎng)電壓、保護(hù)機(jī)制與機(jī)理等都產(chǎn)生了較大影響，給系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來新挑戰(zhàn)[1]。光氣電微網(wǎng)(簡稱微網(wǎng))是指由太陽能、天然氣和外部電源作為供給能源，將分布式電源、儲(chǔ)能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、相關(guān)監(jiān)控和保護(hù)裝置匯集而成的小型發(fā)配電系統(tǒng)。微網(wǎng)形成不同電壓等級(jí)輸出，滿足終端用戶不同用能需求。微網(wǎng)運(yùn)行過程中隱含的局部故障及風(fēng)險(xiǎn)會(huì)誘發(fā)連鎖反應(yīng)，擴(kuò)大事故范圍和程度，因此評(píng)價(jià)微網(wǎng)可靠性具有重要意義[2]。

由于燃?xì)鈴S站存在復(fù)雜的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)因素，以及微網(wǎng)運(yùn)行工況的隨機(jī)性，單項(xiàng)供能可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)(簡稱指標(biāo))受隨機(jī)誤差影響較大。為盡可能減小隨機(jī)誤差的不良影響，需對(duì)多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行綜合分解，建立指標(biāo)體系并對(duì)微網(wǎng)供能可靠性做出全面評(píng)價(jià)[3]。因此本文提出一種針對(duì)燃?xì)鈴S站微網(wǎng)的AHP(層次分析法)-模糊綜合供能可靠性評(píng)價(jià)模型，模型構(gòu)建流程包括：結(jié)合微網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)控及工藝流程特點(diǎn)，識(shí)別出影響微網(wǎng)供能可靠性運(yùn)行的主要因素，建立微網(wǎng)供能可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系；利用層次分析法計(jì)算各層指標(biāo)權(quán)重，分析各指標(biāo)對(duì)目標(biāo)層的重要程度；采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法，建立燃?xì)鈴S站微網(wǎng)供能可靠性評(píng)價(jià)模型；對(duì)燃?xì)鈴S站微網(wǎng)供能可靠性等級(jí)進(jìn)行判斷。

2 光氣電微網(wǎng)供能可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

光氣電微網(wǎng)供能可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系分為5個(gè)層次[4]，見圖1。下文系統(tǒng)均指微網(wǎng)供能系統(tǒng)。 光氣電微網(wǎng)供能可靠性為目標(biāo)層，其余為指標(biāo)層。

圖1 光氣電微網(wǎng)供能可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

2.1 內(nèi)部可靠性(B1)

2.1.1系統(tǒng)可靠性(C11)

① 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間(D11)

隨著系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行，光伏組件發(fā)電效率降低，系統(tǒng)供電能力下降，線路老化、設(shè)備故障等發(fā)生的概率升高，系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性降低。

② 工作環(huán)境(D12)

光伏發(fā)電為系統(tǒng)的主要發(fā)電方式，而光伏發(fā)電受天氣影響很大，直接影響系統(tǒng)供電能力。光伏組件位于室外，自然災(zāi)害可能造成故障或損壞，引起電壓和能量波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致儲(chǔ)能設(shè)備不穩(wěn)定，影響微網(wǎng)安全。

③ 調(diào)度控制(D13)

光伏發(fā)電只在白天并網(wǎng)時(shí)輸出有功功率，利用率較低，且分布式光伏發(fā)電顯著的隨機(jī)性、間歇性等因素影響電網(wǎng)穩(wěn)定性[5]，需要進(jìn)行調(diào)度控制。

2.1.2靜態(tài)可靠性(C12)[6]

① 失負(fù)荷(D21)

組件失負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)反映了組件事故造成系統(tǒng)故障或損失，微網(wǎng)繼續(xù)運(yùn)行的可能性和危害程度。

② 過負(fù)荷(D22)

系統(tǒng)過負(fù)荷是指由于組件故障導(dǎo)致系統(tǒng)中設(shè)備的傳輸功率過載。組件過負(fù)荷風(fēng)險(xiǎn)反映了組件故障導(dǎo)致輸電功率過載的可能性和危害程度。

③ 電壓越限(D23)

系統(tǒng)電壓越限是指由于組件故障導(dǎo)致系統(tǒng)中母線過電壓。組件電壓越限風(fēng)險(xiǎn)反映了組件故障導(dǎo)致系統(tǒng)中母線過電壓發(fā)生的可能性和危害程度。

2.1.3暫態(tài)可靠性(C13)

① 光伏發(fā)電波動(dòng)(D31)

光伏發(fā)電受環(huán)境影響很大，發(fā)電量與太陽輻射關(guān)系密切，光伏接入系統(tǒng)帶來功率隨機(jī)性和間歇性波動(dòng)。

② 燃?xì)獍l(fā)電波動(dòng)(D32)

燃?xì)夤艿佬孤?、氣源中斷等故障可能?dǎo)致燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組出力迅速減小。

2.2 外部可靠性(B2)

2.2.1運(yùn)營管理(C21)

主要涉及安全管理的諸多方面，其中運(yùn)行維護(hù)、安全防護(hù)和監(jiān)控、應(yīng)急管理最為突出。良好的運(yùn)營管理才能保障微網(wǎng)安全運(yùn)行，需要充分考慮人員、周邊環(huán)境、內(nèi)部物理環(huán)境、智能化系統(tǒng)的安全，能否及時(shí)反饋和控制潛在風(fēng)險(xiǎn)將直接影響微網(wǎng)的供能可靠性。

2.2.2通信安全(C22)

主要涉及通信信息安全與智能終端安全。微網(wǎng)由前端采集模塊通過傳輸協(xié)議將所測數(shù)據(jù)上傳到控制中心，或通過IP協(xié)議連接智能系統(tǒng)和核心交換機(jī)等方式上傳。各種品牌設(shè)備所用協(xié)議差異可能引起數(shù)據(jù)失真，同時(shí)通信設(shè)備可能發(fā)生故障，導(dǎo)致信息無法傳輸[7]。

3 光氣電微網(wǎng)供能可靠性評(píng)價(jià)

3.1 光氣電微網(wǎng)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

3.1.1構(gòu)建判斷矩陣

AHP基本原理是：首先將復(fù)雜的決策問題(目標(biāo)層)分解為多指標(biāo)階梯式的層結(jié)構(gòu)；然后邀請(qǐng)若干相關(guān)專家使用標(biāo)度法(按1～9標(biāo)度)對(duì)同一層指標(biāo)兩兩對(duì)比打分，得出平均分，判斷各指標(biāo)的相對(duì)重要性；再計(jì)算出每一層各指標(biāo)權(quán)重并排序；最后根據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，得出相關(guān)結(jié)論[8]。標(biāo)度法的標(biāo)度劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1，專家根據(jù)標(biāo)度法構(gòu)建的各層次判斷矩陣見圖2～10。以圖2中7為例，7表示B1相對(duì)B2來說，B1很重要，圖2～10中數(shù)據(jù)意義均與此相同。

表1 標(biāo)度法的標(biāo)度劃分標(biāo)準(zhǔn)

指標(biāo)B1B2B117B21/71

指標(biāo)C11C12C13C1111/71/5C12713C1351/31

指標(biāo)C21C22C2115C221/51

指標(biāo)D11D12D13D1111/31/7D12311/5D13751

指標(biāo)D21D22D23D2111/51/7D22511/3D23731

指標(biāo)D31D32D3111/3D3231

指標(biāo)E11E12E13E14E11191/53E121/911/53E135515E141/31/31/51

指標(biāo)E21E22E23E24E21191/71/3E221/911/71/5E237713E24351/31

指標(biāo)E31E32E33E34E31191/73E321/911/53E337515E341/31/31/51

3.1.2求解判斷矩陣

對(duì)每個(gè)判斷矩陣，將矩陣元素針對(duì)所在列進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算式為：

(1)

式中aij——?dú)w一化處理后元素值

aij′——判斷矩陣中元素值

n——判斷矩陣階數(shù)

則權(quán)重矩陣W為：

(2)

式中W——權(quán)重矩陣

權(quán)重矩陣中元素i對(duì)應(yīng)判斷矩陣中指標(biāo)i的權(quán)重。

兩兩進(jìn)行比較時(shí)，由于指標(biāo)較多，易發(fā)生邏輯錯(cuò)誤，所以需進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。一致性檢驗(yàn)的基本步驟如下。

① 求解判斷矩陣最大特征值，計(jì)算式為：

(3)

式中λmax——判斷矩陣最大特征值

wi——指標(biāo)i的權(quán)重

② 求解判斷矩陣一致性指標(biāo)CI，計(jì)算式為：

(4)

式中CI——判斷矩陣一致性指標(biāo)

③ 計(jì)算一致性比率CR，計(jì)算式為：

(5)

式中CR——一致性比率

RI——平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，取值見表2

表2 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

平均隨機(jī)一致性指標(biāo)與判斷矩陣階數(shù)有關(guān)，階數(shù)越大，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)越大。當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣一致性較好，說明權(quán)重計(jì)算合理；當(dāng)CR≥0.1時(shí)，需重新調(diào)整判斷矩陣，直至滿足CR<0.1。

3.1.3指標(biāo)權(quán)重

按上述方法計(jì)算得到各級(jí)指標(biāo)權(quán)重，見表3～6。

表3 一級(jí)指標(biāo)權(quán)重

表4 二級(jí)指標(biāo)權(quán)重

表5 三級(jí)指標(biāo)權(quán)重

表6 四級(jí)指標(biāo)權(quán)重

3.2 光氣電微網(wǎng)供能可靠性的模糊綜合評(píng)價(jià)

3.2.1指標(biāo)等級(jí)劃分

運(yùn)用層次分析法確定指標(biāo)權(quán)重后，采用模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)光氣電微網(wǎng)供能可靠性進(jìn)行評(píng)價(jià)。將光氣電微網(wǎng)供能可靠性評(píng)價(jià)指標(biāo)劃分為5個(gè)等級(jí)：很可靠、可靠、一般、危險(xiǎn)、很危險(xiǎn)。

① 系統(tǒng)可靠性下的三級(jí)指標(biāo)(D11、D12、D13)等級(jí)劃分：對(duì)于D11，t表示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，t≤5 a為“很可靠”，5 a25 a為“很危險(xiǎn)”。對(duì)于D12，“很可靠”為日照充足，雨雪天很少；“可靠”為日照充足，雨雪天較少；“一般”為雨雪天較多，日照較充足；“危險(xiǎn)”為出現(xiàn)風(fēng)暴，雨雪天較多；“很危險(xiǎn)”為長期出現(xiàn)風(fēng)暴，雨雪天多。對(duì)于D13，“很可靠”為在任何情況下能對(duì)各種能源合理調(diào)度，滿足負(fù)載負(fù)荷要求；“可靠”為大部分情況下能滿足對(duì)能源的合理調(diào)度，為負(fù)載提供負(fù)荷；“一般”為負(fù)載負(fù)荷大幅波動(dòng)時(shí)，能合理調(diào)度，但出現(xiàn)故障時(shí)，無法調(diào)度；“危險(xiǎn)”為負(fù)載負(fù)荷出現(xiàn)大幅波動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)無法調(diào)度的情況；“很危險(xiǎn)”為正常運(yùn)行過程中也會(huì)出現(xiàn)無法調(diào)度的情況。

② 失負(fù)荷下的四級(jí)指標(biāo)(E11、E12、E13、E14)等級(jí)劃分：1 a內(nèi)失負(fù)荷發(fā)生0次為“很可靠”，發(fā)生1～2次為“可靠”，發(fā)生3～4次為“一般”，發(fā)生5～6次為“危險(xiǎn)”，發(fā)生7次及以上為“很危險(xiǎn)”。

③ 過負(fù)荷下的四級(jí)指標(biāo)(E21、E22、E23、E24)等級(jí)劃分：1 a內(nèi)過負(fù)荷發(fā)生0次為“很可靠”，發(fā)生1～2次為“可靠”，發(fā)生3～4次為“一般”，發(fā)生5～6次為“危險(xiǎn)”，發(fā)生7次及以上為“很危險(xiǎn)”。

④ 電壓越限下的四級(jí)指標(biāo)(E31、E32、E33、E34)等級(jí)劃分：1 a內(nèi)電壓越限發(fā)生0次為“很可靠”，發(fā)生1～2次為“可靠”，發(fā)生3～4次為“一般”，發(fā)生5～6次為“危險(xiǎn)”，發(fā)生7次及以上為“很危險(xiǎn)”。

⑤ 暫態(tài)可靠性下的三級(jí)指標(biāo)(D31、D32)等級(jí)劃分：“很可靠”為有功輸出小幅度波動(dòng)，系統(tǒng)能快速調(diào)整；“可靠”為有功輸出波動(dòng)幅度較大，系統(tǒng)能及時(shí)調(diào)整；“一般”為有功輸出大幅度波動(dòng)，系統(tǒng)需要較長時(shí)間調(diào)整；“危險(xiǎn)”為系統(tǒng)有功功率不平衡，需要很長時(shí)間調(diào)整；“很危險(xiǎn)”為系統(tǒng)有功功率不平衡，且無法恢復(fù)。

⑥ 外部可靠性下的二級(jí)指標(biāo)(C21、C22)等級(jí)劃分：對(duì)于C21，“很可靠”為嚴(yán)格依規(guī)巡檢與維護(hù)，具有完備的應(yīng)急管理措施；“可靠”為依規(guī)巡檢維護(hù)，偶爾拖延，具有完備應(yīng)急管理措施；“一般”為依規(guī)巡檢，未依規(guī)維護(hù)，應(yīng)急管理措施不完備；“危險(xiǎn)”為未依規(guī)巡檢，很少維護(hù)，沒有應(yīng)急管理措施；“很危險(xiǎn)”為很少巡檢，幾乎不維護(hù)，沒有應(yīng)急管理措施。對(duì)于C22，“很可靠”為信息傳輸及時(shí)，內(nèi)容準(zhǔn)確，不會(huì)出現(xiàn)故障；“可靠”為信息傳輸及時(shí)，內(nèi)容準(zhǔn)確，很少出現(xiàn)故障；“一般”為信息內(nèi)容基本準(zhǔn)確，偶爾出現(xiàn)故障；“危險(xiǎn)”為信息傳輸內(nèi)容準(zhǔn)確性低，且會(huì)出現(xiàn)故障；“很危險(xiǎn)”為信息傳輸內(nèi)容經(jīng)常出現(xiàn)故障。

3.2.2模糊綜合評(píng)價(jià)計(jì)算步驟

以黑龍江省某燃?xì)鈴S站為例，對(duì)燃?xì)鈴S站微網(wǎng)供能可靠性進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)。

① 求得指標(biāo)D21、D22、D23的評(píng)判向量

指標(biāo)D21、D22、D23的評(píng)判向量計(jì)算式為：

T=MR

(6)

式中T——指標(biāo)D21、D22、D23的評(píng)判向量

M——指標(biāo)D21、D22、D23下一級(jí)指標(biāo)的權(quán)重向量

R——指標(biāo)D21、D22、D23的等級(jí)劃分矩陣

對(duì)于等級(jí)劃分矩陣，指標(biāo)D21、D22、D23下一級(jí)指標(biāo)滿足某等級(jí)就賦值1，其余等級(jí)賦值0。如D21的等級(jí)劃分矩陣見圖11。

四級(jí)指標(biāo)很可靠可靠一般危險(xiǎn)很危險(xiǎn)E1101000E1210000E1310000E1401000

根據(jù)式(6)得D21的評(píng)判向量TD21為：

TD21=[0.283 7 0.086 9 0.567 3

[0.654 2 0.345 8 0 0 0]

同理可得D22、D23的評(píng)判向量TD22、TD23為：

TD22=[0.614 3 0.385 7 0 0 0]

TD23=[0.692 8 0.307 2 0 0 0]

② 求得指標(biāo)C12的評(píng)判向量

將指標(biāo)D21、D22、D23的評(píng)判向量組成指標(biāo)C12的等級(jí)劃分矩陣：

根據(jù)式(6)得到指標(biāo)C12的評(píng)判向量為：

TC12=[0.071 9 0.279 0 0.649 1]·

=[0.668 1 0.331 9 0 0 0]

③ 求得目標(biāo)層A的評(píng)判向量

按照上述計(jì)算方法，由下一級(jí)指標(biāo)評(píng)判向量依次計(jì)算得到上一級(jí)指標(biāo)評(píng)判向量，最終求得目標(biāo)層A評(píng)判向量：

TA=[0.488 7 0.499 5 0.011 8 0 0]

④ 判定微網(wǎng)供能可靠性等級(jí)

將微網(wǎng)供能可靠性分為5個(gè)等級(jí)：很可靠、可靠、一般、危險(xiǎn)、很危險(xiǎn)，采用1分制，各等級(jí)評(píng)價(jià)得分依次為1.0、0.8、0.6、0.4、0.2。微網(wǎng)供能可靠性得分計(jì)算式為：

(7)

式中P——微網(wǎng)供能可靠性得分

Tk——目標(biāo)層A評(píng)判向量中等級(jí)k對(duì)應(yīng)的元素

Mk——等級(jí)k的評(píng)價(jià)得分

根據(jù)式(7)得到微網(wǎng)供能可靠性得分為0.895。根據(jù)微網(wǎng)供能可靠性得分進(jìn)行微網(wǎng)供能可靠性等級(jí)判定，判定標(biāo)準(zhǔn)見表7。根據(jù)表7判斷該燃?xì)鈴S站微網(wǎng)供能可靠性等級(jí)為“可靠”。

表7 微網(wǎng)供能可靠性等級(jí)判定標(biāo)準(zhǔn)

4 結(jié)論

對(duì)燃?xì)鈴S站光氣電微網(wǎng)供能可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)進(jìn)行研究，識(shí)別影響微網(wǎng)供能可靠性的主要因素，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。根據(jù)層次分析法得到指標(biāo)權(quán)重。結(jié)合指標(biāo)權(quán)重給出微網(wǎng)供能可靠性的模糊綜合評(píng)價(jià)方法。以某燃?xì)鈴S站為例，對(duì)燃?xì)鈴S站微網(wǎng)供能可靠性進(jìn)行模糊綜合評(píng)價(jià)，確定微網(wǎng)供能可靠性等級(jí)。