燃气厂站光气电微网供能可靠性评价

梁海滨，陈 开

(中石油昆仑燃气有限公司燃气技术研究院，黑龙江 哈尔滨 150016)

1 概述

为实现燃气厂站可再生能源利用，采用光伏发电供应燃气厂站对降低碳排放产生积极作用。将光伏发电及各类供能设备加入燃气厂站供能系统后，各设备的波动特性对电网电压、保护机制与机理等都产生了较大影响，给系统安全运行带来新挑战[1]。光气电微网(简称微网)是指由太阳能、天然气和外部电源作为供给能源，将分布式电源、储能装置、能量转换装置、相关监控和保护装置汇集而成的小型发配电系统。微网形成不同电压等级输出，满足终端用户不同用能需求。微网运行过程中隐含的局部故障及风险会诱发连锁反应，扩大事故范围和程度，因此评价微网可靠性具有重要意义[2]。

由于燃气厂站存在复杂的环境风险因素，以及微网运行工况的随机性，单项供能可靠性评价指标(简称指标)受随机误差影响较大。为尽可能减小随机误差的不良影响，需对多项指标进行综合分解，建立指标体系并对微网供能可靠性做出全面评价[3]。因此本文提出一种针对燃气厂站微网的AHP(层次分析法)-模糊综合供能可靠性评价模型，模型构建流程包括：结合微网的运行调控及工艺流程特点，识别出影响微网供能可靠性运行的主要因素，建立微网供能可靠性评价指标体系；利用层次分析法计算各层指标权重，分析各指标对目标层的重要程度；采用模糊综合评价方法，建立燃气厂站微网供能可靠性评价模型；对燃气厂站微网供能可靠性等级进行判断。

2 光气电微网供能可靠性评价指标体系

光气电微网供能可靠性评价指标体系分为5个层次[4]，见图1。下文系统均指微网供能系统。 光气电微网供能可靠性为目标层，其余为指标层。

图1 光气电微网供能可靠性评价指标体系

2.1 内部可靠性(B1)

2.1.1系统可靠性(C11)

① 系统运行时间(D11)

随着系统长时间运行，光伏组件发电效率降低，系统供电能力下降，线路老化、设备故障等发生的概率升高，系统可靠性和稳定性降低。

② 工作环境(D12)

光伏发电为系统的主要发电方式，而光伏发电受天气影响很大，直接影响系统供电能力。光伏组件位于室外，自然灾害可能造成故障或损坏，引起电压和能量波动，进而导致储能设备不稳定，影响微网安全。

③ 调度控制(D13)

光伏发电只在白天并网时输出有功功率，利用率较低，且分布式光伏发电显著的随机性、间歇性等因素影响电网稳定性[5]，需要进行调度控制。

2.1.2静态可靠性(C12)[6]

① 失负荷(D21)

组件失负荷风险反映了组件事故造成系统故障或损失，微网继续运行的可能性和危害程度。

② 过负荷(D22)

系统过负荷是指由于组件故障导致系统中设备的传输功率过载。组件过负荷风险反映了组件故障导致输电功率过载的可能性和危害程度。

③ 电压越限(D23)

系统电压越限是指由于组件故障导致系统中母线过电压。组件电压越限风险反映了组件故障导致系统中母线过电压发生的可能性和危害程度。

2.1.3暂态可靠性(C13)

① 光伏发电波动(D31)

光伏发电受环境影响很大，发电量与太阳辐射关系密切，光伏接入系统带来功率随机性和间歇性波动。

② 燃气发电波动(D32)

燃气管道泄漏、气源中断等故障可能导致燃气发电机组出力迅速减小。

2.2 外部可靠性(B2)

2.2.1运营管理(C21)

主要涉及安全管理的诸多方面，其中运行维护、安全防护和监控、应急管理最为突出。良好的运营管理才能保障微网安全运行，需要充分考虑人员、周边环境、内部物理环境、智能化系统的安全，能否及时反馈和控制潜在风险将直接影响微网的供能可靠性。

2.2.2通信安全(C22)

主要涉及通信信息安全与智能终端安全。微网由前端采集模块通过传输协议将所测数据上传到控制中心，或通过IP协议连接智能系统和核心交换机等方式上传。各种品牌设备所用协议差异可能引起数据失真，同时通信设备可能发生故障，导致信息无法传输[7]。

3 光气电微网供能可靠性评价

3.1 光气电微网评价指标权重计算

3.1.1构建判断矩阵

AHP基本原理是：首先将复杂的决策问题(目标层)分解为多指标阶梯式的层结构；然后邀请若干相关专家使用标度法(按1～9标度)对同一层指标两两对比打分，得出平均分，判断各指标的相对重要性；再计算出每一层各指标权重并排序；最后根据结果进行分析，得出相关结论[8]。标度法的标度划分标准见表1，专家根据标度法构建的各层次判断矩阵见图2～10。以图2中7为例，7表示B1相对B2来说，B1很重要，图2～10中数据意义均与此相同。

表1 标度法的标度划分标准

指标B1B2B117B21/71

指标C11C12C13C1111/71/5C12713C1351/31

指标C21C22C2115C221/51

指标D11D12D13D1111/31/7D12311/5D13751

指标D21D22D23D2111/51/7D22511/3D23731

指标D31D32D3111/3D3231

指标E11E12E13E14E11191/53E121/911/53E135515E141/31/31/51

指标E21E22E23E24E21191/71/3E221/911/71/5E237713E24351/31

指标E31E32E33E34E31191/73E321/911/53E337515E341/31/31/51

3.1.2求解判断矩阵

对每个判断矩阵，将矩阵元素针对所在列进行归一化处理，计算式为：

(1)

式中aij——归一化处理后元素值

aij′——判断矩阵中元素值

n——判断矩阵阶数

则权重矩阵W为：

(2)

式中W——权重矩阵

权重矩阵中元素i对应判断矩阵中指标i的权重。

两两进行比较时，由于指标较多，易发生逻辑错误，所以需进行一致性检验。一致性检验的基本步骤如下。

① 求解判断矩阵最大特征值，计算式为：

(3)

式中λmax——判断矩阵最大特征值

wi——指标i的权重

② 求解判断矩阵一致性指标CI，计算式为：

(4)

式中CI——判断矩阵一致性指标

③ 计算一致性比率CR，计算式为：

(5)

式中CR——一致性比率

RI——平均随机一致性指标，取值见表2

表2 平均随机一致性指标

平均随机一致性指标与判断矩阵阶数有关，阶数越大，平均随机一致性指标越大。当CR<0.1时，认为判断矩阵一致性较好，说明权重计算合理；当CR≥0.1时，需重新调整判断矩阵，直至满足CR<0.1。

3.1.3指标权重

按上述方法计算得到各级指标权重，见表3～6。

表3 一级指标权重

表4 二级指标权重

表5 三级指标权重

表6 四级指标权重

3.2 光气电微网供能可靠性的模糊综合评价

3.2.1指标等级划分

运用层次分析法确定指标权重后，采用模糊综合评价法对光气电微网供能可靠性进行评价。将光气电微网供能可靠性评价指标划分为5个等级：很可靠、可靠、一般、危险、很危险。

① 系统可靠性下的三级指标(D11、D12、D13)等级划分：对于D11，t表示系统运行时间，t≤5 a为“很可靠”，5 a25 a为“很危险”。对于D12，“很可靠”为日照充足，雨雪天很少；“可靠”为日照充足，雨雪天较少；“一般”为雨雪天较多，日照较充足；“危险”为出现风暴，雨雪天较多；“很危险”为长期出现风暴，雨雪天多。对于D13，“很可靠”为在任何情况下能对各种能源合理调度，满足负载负荷要求；“可靠”为大部分情况下能满足对能源的合理调度，为负载提供负荷；“一般”为负载负荷大幅波动时，能合理调度，但出现故障时，无法调度；“危险”为负载负荷出现大幅波动时会出现无法调度的情况；“很危险”为正常运行过程中也会出现无法调度的情况。

② 失负荷下的四级指标(E11、E12、E13、E14)等级划分：1 a内失负荷发生0次为“很可靠”，发生1～2次为“可靠”，发生3～4次为“一般”，发生5～6次为“危险”，发生7次及以上为“很危险”。

③ 过负荷下的四级指标(E21、E22、E23、E24)等级划分：1 a内过负荷发生0次为“很可靠”，发生1～2次为“可靠”，发生3～4次为“一般”，发生5～6次为“危险”，发生7次及以上为“很危险”。

④ 电压越限下的四级指标(E31、E32、E33、E34)等级划分：1 a内电压越限发生0次为“很可靠”，发生1～2次为“可靠”，发生3～4次为“一般”，发生5～6次为“危险”，发生7次及以上为“很危险”。

⑤ 暂态可靠性下的三级指标(D31、D32)等级划分：“很可靠”为有功输出小幅度波动，系统能快速调整；“可靠”为有功输出波动幅度较大，系统能及时调整；“一般”为有功输出大幅度波动，系统需要较长时间调整；“危险”为系统有功功率不平衡，需要很长时间调整；“很危险”为系统有功功率不平衡，且无法恢复。

⑥ 外部可靠性下的二级指标(C21、C22)等级划分：对于C21，“很可靠”为严格依规巡检与维护，具有完备的应急管理措施；“可靠”为依规巡检维护，偶尔拖延，具有完备应急管理措施；“一般”为依规巡检，未依规维护，应急管理措施不完备；“危险”为未依规巡检，很少维护，没有应急管理措施；“很危险”为很少巡检，几乎不维护，没有应急管理措施。对于C22，“很可靠”为信息传输及时，内容准确，不会出现故障；“可靠”为信息传输及时，内容准确，很少出现故障；“一般”为信息内容基本准确，偶尔出现故障；“危险”为信息传输内容准确性低，且会出现故障；“很危险”为信息传输内容经常出现故障。

3.2.2模糊综合评价计算步骤

以黑龙江省某燃气厂站为例，对燃气厂站微网供能可靠性进行模糊综合评价。

① 求得指标D21、D22、D23的评判向量

指标D21、D22、D23的评判向量计算式为：

T=MR

(6)

式中T——指标D21、D22、D23的评判向量

M——指标D21、D22、D23下一级指标的权重向量

R——指标D21、D22、D23的等级划分矩阵

对于等级划分矩阵，指标D21、D22、D23下一级指标满足某等级就赋值1，其余等级赋值0。如D21的等级划分矩阵见图11。

四级指标很可靠可靠一般危险很危险E1101000E1210000E1310000E1401000

根据式(6)得D21的评判向量TD21为：

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的评判向量TD22、TD23为：

TD22=[0.614 3 0.385 7 0 0 0]

TD23=[0.692 8 0.307 2 0 0 0]

② 求得指标C12的评判向量

将指标D21、D22、D23的评判向量组成指标C12的等级划分矩阵：

根据式(6)得到指标C12的评判向量为：

TC12=[0.071 9 0.279 0 0.649 1]·

=[0.668 1 0.331 9 0 0 0]

③ 求得目标层A的评判向量

按照上述计算方法，由下一级指标评判向量依次计算得到上一级指标评判向量，最终求得目标层A评判向量：

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

④ 判定微网供能可靠性等级

将微网供能可靠性分为5个等级：很可靠、可靠、一般、危险、很危险，采用1分制，各等级评价得分依次为1.0、0.8、0.6、0.4、0.2。微网供能可靠性得分计算式为：

(7)

式中P——微网供能可靠性得分

Tk——目标层A评判向量中等级k对应的元素

Mk——等级k的评价得分

根据式(7)得到微网供能可靠性得分为0.895。根据微网供能可靠性得分进行微网供能可靠性等级判定，判定标准见表7。根据表7判断该燃气厂站微网供能可靠性等级为“可靠”。

表7 微网供能可靠性等级判定标准

4 结论

对燃气厂站光气电微网供能可靠性评价技术进行研究，识别影响微网供能可靠性的主要因素，建立评价指标体系。根据层次分析法得到指标权重。结合指标权重给出微网供能可靠性的模糊综合评价方法。以某燃气厂站为例，对燃气厂站微网供能可靠性进行模糊综合评价，确定微网供能可靠性等级。