一种考虑多项指标的柔直系统建设方案综合性比选方法与流程

1.本发明属于柔性直流电力系统技术领域，具体涉及一种考虑多项指标的柔直系统建设方案综合性比选方法。


背景技术：

2.柔性直流输电技术具体指基于电压源型换流器(vsc)的高压直流输电技术(vsc-hvdc)。在我国，模块化多电平换流器(mmc)是电压源型换流器的主流拓扑，mmc采用全控器件与脉冲调制技术，克服了常规直流输电技术中存在的换相失败、不能接入弱交流系统等问题，具有良好的发展前景。目前，国内已有多个采用了柔性直流输电技术的工程投运，如昆柳龙特高压多端直流工程和张北多端mmc直流工程。
3.事实上，柔性直流输电技术主要应用于大型交直流混联电网，而大型交直流混联电网的典型结构特点和运行特性为：高直流占比、大容量、强可控性、脆弱性和耦合特性，这些特点使得交直流混联电网始终面临着一些安全性和稳定性问题。而为了应对这些问题，柔性直流输电系统建设方案将带给电网的影响是值得分析的，因此有必要基于对设备作用、系统运行特性以及建设成本等因素的考虑，研究柔性直流输电系统的不同建设方案的综合性比选方法。
4.显然，针对柔直输电系统的综合性比选可以被看作一种多目标决策/优化问题，对此目前数学家们所取得的研究成果是值得我们借鉴的。例如文献[t.saaty.a scaling method for priorities in hierarchical structures.journal of mathematical psychology,1977,15,234
–
281]的层次分析法(ahp)自诞生以来就在多准则决策问题中应用广泛，该方法用于计算主观权重系数；而文献[jafar rezaei.best worst multi criteria decision making method.omega,2015,53:49-57]的最优最差法(bwm)是另一种常用的主观权重系数计算方法，该方法需要比较数据较少、结果可靠性较好
[4]
；而客观权重计算方法包括文献[raman kumar,sehijpal singh,paramjit singh bilga,jatin,jasveer singh,sunpreet singh,et al.revealing the benefits of entropy weights method for multi-objective optimization in machining operations:a critical review.journal of materials research and technology-jmr&t,2021,10:1471-1492]的熵权法、文献[majid behzadian,s.khanmohammadi otaghsara,morteza yazdani,joshua ignatius.a state-of the-art survey of topsis applications.expert systems with applications,2012,39:13051-13069]的topsis法以及文献[d.diakoulaki,g.mavrotas,l.papayannakis.determining objective weights in multiple criteria problems-the critic method.computers&operations research,1995,22(7):763-770]的批评家法等。


技术实现要素：

[0005]
鉴于上述，本发明提供了一种考虑多项指标的柔直系统建设方案综合性比选方
法，该方法在指标归一化、可行方案初筛和指标权重计算等工作的基础上绘制可行方案的“技术得分-成本曲线”，可用于为方案选择提供建议。
[0006]
一种考虑多项指标的柔直系统建设方案综合性比选方法，包括如下步骤：
[0007]
(1)对于提供的任一柔直系统建设方案，结合区域电网的实际工况以及涉及设备的电气参数，计算该方案下区域电网的各技术性指标；
[0008]
(2)对各技术性指标的计算结果进行归一化处理；
[0009]
(3)根据各技术性指标归一化后的计算结果初步筛选出若干可行方案；
[0010]
(4)计算确定各技术性指标的主观权重系数；
[0011]
(5)根据各技术性指标归一化后的计算结果，计算确定各技术性指标的客观权重系数；
[0012]
(6)根据主观权重系数以及客观权重系数计算确定各技术性指标的综合权重系数；
[0013]
(7)确定各可行方案中设备的合理容量范围；
[0014]
(8)在设备合理取值范围内计算并绘制各可行方案的技术得分与成本关系曲线；
[0015]
(9)比较各可行方案的技术得分与成本关系曲线，选择出其中最优或相对较优的方案并给出建议的设备容量范围。
[0016]
进一步地，在综合性比选方法中，对于设备种类及设备建设地点相同，而设备参数不同的柔直系统建设方案，则视为同一种方案。
[0017]
进一步地，所述区域电网的技术性指标共有6项，分别为最小短路电流裕度、最小局部负荷裕度、最小输电通道暂稳裕度、最小线路热稳裕度、单一故障后的最大频率变化率、直流系统换相失败相关母线的最大占比。
[0018]
进一步地，所述步骤(3)中对于任一柔直系统建设方案，若其满足以下条件则视为可行方案，且步骤(7)在确定设备的合理容量范围时也需满足以下条件；
[0019][0020]
其中：rj表示应用该方案下区域电网第j个技术性指标归一化后的计算结果，r
j0
表示未应用该方案下区域电网第j个技术性指标归一化后的计算结果，j为自然数且1≤j≤n，n为区域电网的技术性指标数量。
[0021]
进一步地，所述步骤(4)中采用最优-最差法计算确定各技术性指标的主观权重系数。
[0022]
进一步地，所述步骤(5)中采用熵权法计算确定各技术性指标的客观权重系数。
[0023]
进一步地，所述步骤(6)中采用最小鉴别信息原理计算确定各技术性指标的综合权重系数。
[0024]
进一步地，所述步骤(8)的具体实现方式为：对于任一可行方案，首先在该方案涉及设备的合理容量范围内均匀选取多个容量水平，然后在每种设备容量水平下计算该可行方案的技术得分s和估算成本f，进而在以f为横坐标s为纵坐标的平面直角坐标系中确定各种设备容量水平下计算结果所对应的点，最后将这些点连接成曲线即该可行方案的技术得分与成本关系曲线。
[0025]
进一步地，所述技术得分s的计算表达式如下：
[0026][0027]
其中：rj表示应用该方案下区域电网第j个技术性指标归一化后的计算结果，wj表示第j个技术性指标的综合权重系数，j为自然数且1≤j≤n，n为区域电网的技术性指标数量。
[0028]
进一步地，所述估算成本f的计算表达式如下：
[0029][0030]
其中：f1表示方案中与设备容量无关的成本(例如用地成本、设计验算成本等)，f2表示方案中与设备容量有关的成本(例如设备造价、运行损耗等)，a表示方案中设备的单位容量可变成本，sk表示方案中第k个设备的容量，k为大于0的自然数。
[0031]
本发明综合性比选方法正是综合考虑了bwm法、熵权法和最小鉴别信息原理的应用，在指标归一化、可行方案初筛和指标权重计算等工作的基础上绘制可行方案的“技术得分-成本曲线”，为方案选择提供建议；除了可以指导柔直系统的规划建设，本发明也可以为其他电力技术的应用方案的比选提供参考。
附图说明
[0032]
图1为本发明柔直系统建设方案综合性比选方法的流程示意图。
[0033]
图2～图4分别为本发明实施例中柔直系统建设方案
①
～
③
的示意图。
[0034]
图5为为本发明实施例中柔直系统建设方案
①
～
③
对应的技术得分-成本曲线图。
具体实施方式
[0035]
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
[0036]
如图1所示，本发明考虑多项指标的柔直系统建设方案综合性比选方法，包括如下步骤：
[0037]
(1)针对每一种柔直系统建设方案，依次计算6项技术指标：
①
最小的短路电流裕度、
②
最小的局部负荷裕度、
③
最小的输电通道暂稳裕度、
④
最小的线路热稳裕度、
⑤
最大的单一故障后频率变化率、
⑥
最大的直流系统换相失败相关母线占比。计算时，各方案规划的设备的参数均取缺省值或最典型值。
[0038]
需要说明的是：本发明综合性比选方法始终将设备种类及设备建设地点相同、而仅仅设备参数不同的方案当作同一种方案；本发明方法仅用于对已知的柔直系统建设方案进行综合比选，而各建设方案的最初提出应由专业人士使用其他手段完成。
[0039]
(2)依次在每一种方案应用后的情况下，对每一项指标的计算结果进行归一化。具体而言，使用下面式(1)对指标
①
～
④
的计算结果进行归一化，使用式(2)对指标
⑤
～
⑥
的计算结果进行归一化：
[0040]
[0041][0042]
式中：r
jmax
是指标j被允许的取值的上限，r
jmin
是指标j被允许的取值的下限，r
ij
表示应用方案i后指标j的计算结果，而r
ij
是r
ij
的归一化结果。需要说明的是，r
jmax
和r
jmin
应由专业人士根据电网实际情况和有关规定确定，并且对于参与同一次比选的所有方案应取相同数值。
[0043]
(3)根据步骤(2)所得的指标归一化计算结果，初步筛选出可行方案。具体而言，将应用后能使下式成立的方案初步视为可行方案：
[0044][0045]
式中：δr
ji
表示受方案i应用后指标j的变化量，r
j0
表示未应用任一可行方案时系统中指标j的归一化计算结果。
[0046]
(4)使用最优-最差法计算各技术指标的主观权重系数，具体过程如下：
[0047]
首先，根据电力系统实际情况和步骤(2)的计算结果，在6项指标中选出最优指标和最差指标，这里“最优”表示最重要而“最差”表示最不重要。
[0048]
接下来，依次用1到9之间的整数表示最优指标相对于其他指标的优先程度，并形成如下式所示的向量：
[0049]
pb＝(p
b1
,p
b2
,...,p
b6
)
[0050]
式中：p
bj
表示最优指标相对于指标j的优先程度，取不小于1且不大于9的整数。需要说明的是，p
bj
越大，则最优指标相对于指标j的优先程度越高；显然，表示最优指标相对于自身的优先级的元素p
bb
的值为1。
[0051]
类似地，依次用1到9之间的整数表示其他指标相对于最差指标的优先程度，并形成如下式所示的向量：
[0052]
pw＝(p
1w
,p
2w
,...,p
6w
)
[0053]
式中：p
jw
表示指标j相对于最差指标的优先程度，同样取不小于1且不大于9的整数。需要说明的是，p
jw
越大，则指标j相对于最差指标的优先程度越高；显然，表示最差指标相对于自身的优先级的元素p
ww
的值为1。
[0054]
然后，求解以下优化问题就可以得到各项指标的主观权重系数：
[0055][0056]
求解后，wj'即指标j的主观权重系数，wb'即最优指标的主观权重系数，ww'即最差指标的主观权重系数。
[0057]
(5)使用熵权法计算各技术指标的客观权重系数，具体过程如下：
[0058]
如果步骤(3)筛选出了m种可行方案，则各指标的熵值可按下式计算：
[0059][0060]
式中：ej表示指标j的熵值，而r
ij
是步骤(2)中得到的应用方案i后指标j的归一化计算结果。
[0061]
据此，可以按下式计算各指标的客观权重系数：
[0062][0063]
求解后，w
j”即指标j的客观权重系数。
[0064]
(6)为使综合权重尽可能不偏向于主观和客观权重中的任意一项，采用最小鉴别信息原理建立优化模型以确定综合权重，即求解下式：
[0065][0066]
式中：wj是指标j的综合权重系数，w是由各指标的综合权重系数构成的向量。
[0067]
(7)类似于步骤(2)，根据下式确定各可行方案中设备的合理容量范围：
[0068][0069]
具体而言，针对每一种可能的设备容量水平，都要重新计算r
ij
和δr
ji
并判断这一不等式是否成立；这样，应用每种方案时能令此不等式成立的设备容量水平的集合就是所求的合理容量范围。
[0070]
(8)针对各可行方案绘制“技术得分-成本曲线”。
[0071]
具体而言，针对可行方案i，先在此前确定的合理范围内尽量多地选取不同的设备容量水平，然后在每种容量水平下计算方案i的技术得分si和估算成本fi，计算式如下：
[0072][0073][0074]
式中：f
1i
表示应用方案i时与设备容量等无关或关联程度可以忽略的成本，例如用地成本、设计验算成本等；f
2i
表示应用方案i时与设备容量有关的成本，例如设备造价、运行损耗等；a
ik
是方案i中设备k的单位容量可变成本，s
ik
是方案i中设备k的容量。
[0075]
在得到多种设备容量水平下的si和fi后，在以fi为横坐标si为纵坐标的平面直角坐标系中绘出表示每种设备容量水平下的计算结果的点，并将这些对应方案i的点连接成长度有限的曲线——即方案i的“技术得分-成本曲线”。
[0076]
(9)比较不同方案的“技术得分-成本曲线”，选择出其中最优或较优的方案并给出建议的设备容量范围。
[0077]
根据华东电网十四五规划结果，2025年时江苏的风电装机规模预计将达到约32000mw，其中海上风电装机规模可达16870mw。有分析表明，在大规模海上风电接入江苏电网后，跨过长江的南北向输电通道普遍负载较重，在检修或故障时可能会出现过载情况。针对这一问题，已有机构提出了利用苏通gil过江走廊中预留的空间建设过江柔直系统的设想，设想中的柔直系统方案主要有3种：
①
建设两端柔直系统，换流站落在长江两岸的南通地区和常熟地区，如图2中圆圈和虚线所示；
②
建设三端柔直系统，换流站落在长江两岸的南通地区和常熟地区，如图3中圆圈和虚线所示；
③
建设三端柔直系统，换流站落在南通地区、常熟地区和海上风电集中馈入的如东地区，如图4中圆圈和虚线所示。需要说明的是，这3种方案是为了说明本发明的实施方式而选出的例子，并不代表江苏电网中建设过江柔直系统的全部可能性。
[0078]
下面，使用本发明综合性比选方法对上述3种方案进行比选：
[0079]
首先，针对应用每一种方案后的情况，在各换流站容量均为2000mva(典型值)时计算6项技术指标，并按表1所示r
jmax
和r
jmin
对结果进行归一化。
[0080]
表1
[0081][0082]
归一化结果如表2所示：
[0083]
表2
[0084][0085]
根据上表可以看出，这3种方案都具有可行性。
[0086]
在计算主观权重系数时，将指标
④
选为最优指标，将指标
⑥
选为最差指标。在此基础上，可以人为给定向量pb和pw的值：
[0087]
pb＝(5,3,2,1,3,9)
[0088]
pw＝(2,3,5,9,3,1)
[0089]
据此，可以计算出各指标的主观权重系数，按序号依次为：w1'＝0.08120，w2'＝0.13675，w3'＝0.20513，w4'＝0.39743，w5'＝0.13675，w6'＝0.04274。
[0090]
接下来，根据各换流站容量均为1000mva时的指标归一化计算结果，可以计算出各指标的客观权重系数，按序号依次为：w1"＝0.16650，w2"＝0.16651，w3"＝0.16652，w4"＝0.16747，w5"＝0.16650，w6"＝0.16650。
[0091]
然后，计算各指标的综合权重系数。计算结果按序号依次为：w1＝0.12301，w2＝0.15964，w3＝0.19553，w4＝0.27294，w5＝0.15964，w6＝0.08924。
[0092]
最后，结合工程经验，设各方案中单个换流站的容量均为1000～2000mva，则方案
①
的总容量范围为2000～4000mva，而方案
②
/方案
③
的总容量范围为3000～6000mva。分析表明，在上述容量范围内，3种方案都是可行的。据此，可以绘制上述3种方案的技术得分-成本曲线，如图5所示。
[0093]
根据图5可以认为，方案
②
可能是上述3种方案中最优的。而根据技术得分-成本曲线的趋势，可以建议方案
②
中各换流站容量选择1500mva。
[0094]
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明，熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。