海上风电场集电系统拓扑结构综合评估方法

海上风电场集电系统拓扑结构综合评估方法
【专利摘要】本发明公开了一种海上风电场集电系统拓扑结构设计方案的综合评估方法，结合拓扑结构的经济性评估和可靠性评估两个方面，可根据评估人员的要求调整两方面所占比重，用于对比海上风电场集电系统的多个设计方案。为方便评估多个海上风电场集电系统设计方案，本方法以百分制和权重的形式对设计方案进行评分；在成功构建海上风电场集电系统经济性模型和可靠性模型之后，对设计方案的经济成本进行预估，并通过分析故障情况计算可靠性指标；最后根据评估人员所需权重比例分别计算相对的经济性得分和可靠性得分，从而获得综合评估得分。该得分可直观反映多个集电系统设计方案的优劣性，为工程设计提供参考。
【专利说明】
海上风电场集电系统拓扑结构综合评估方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种海上风电场集电系统拓扑结构综合评估方法，结合拓扑结构的经 济性评估和可靠性评估两个方面，可根据评估人员的要求调整两方面所占比重，用于对比 海上风电场集电系统的多个设计方案。
【背景技术】
[0002] 随着世界范围内对清洁能源的日益关注，海上风电事业也正在如火如荼的发展。 海上风电具有资源利用高，可利用小时长，不占用陆地资源，以及绿色发电等诸多优点，然 而，却受到高昂的建造成本和部分关键技术的制约。作为海上风电场的重要组成部分的集 电系统，其经济成本也占据了海上风电场总成本的很大部分。因此对海上风电场集电系统 设计方案进行经济性评估是设计时一项十分重要的工作。除此之外，集电系统的可靠性不 仅关系着其运行的可靠性、能量的输出，也直接关系着海上风电场的经济效益，同时也是一 项评估项目可实施性的重要指标。综上所述，上述两个方面是衡量海上风电场集电系统设 计方案的重要标准。
[0003] 海上风电场集电系统的经济性评估和可靠性评估以往都是分开进行，在得到具体 数据的基础上由评估人员根据两类评估的结果自行选择合适方案。但是并没有将上述两方 面综合起来进行评估的具体方法。

【发明内容】

[0004] 发明目的：针对现有技术中存在的问题，为方便评估多个海上风电场集电系统设 计方案，本发明提供一种海上风电场集电系统拓扑结构综合评估方法，以百分制和权重的 形式对设计方案进行评分;在成功构建海上风电场集电系统经济性模型和可靠性模型之 后，对设计方案的经济成本进行预估，并通过分析故障情况计算可靠性指标ELGC(Energy Loss GenerationCapacity，发电容量损失期望值）；最后根据评估人员所需权重比例分别 计算相对的经济性得分和可靠性得分，从而获得综合评估得分。该得分可直观反映多个集 电系统设计方案的优劣性，为工程设计提供参考。
[0005] 技术方案:一种海上风电场集电系统拓扑结构综合评估方法，首先对海上风电场 集电系统的经济成本进行简单分析，从而建立集电系统拓扑结构的经济性模型，对海上风 电场集电系统进行成本预估。然后基于传统火力发电，将海上风电场的复杂拓扑结构简单 化，并选取环型和树型两类基本拓扑结构作为分析实例，采用解析法分析故障情况，进行可 靠性建模。
[0006] -种海上风电场集电系统拓扑结构综合评估方法，包括：
[0007] 步骤一:经济性建模
[0008] 海上风电场集电系统的经济成本主要包括投资和损失，具体又可以分为建造投资 成本、运营维护成本和故障损失这三大类。
[0009] 1、建造投资成本
[0010]建造投资成本主要是指集电系统建造时期投入的总成本。包括施工人员费用、主 要材料的投资费用、施工用水用电费用、运输费用。
[0011]施工人员的总费用计算如公式(1)所示
[0013]式⑴中Cper为施工人员总费用，Nper代表施工人员的种类数，例如运输人员，海缆 施工人员，风力发电价架设人员等。Ρ:代表第i类员工的每小时需支付的费用，h代表该类员 工需要工作的小时数，Yi代表该类员工需要的总数。
[0014] 集电系统的主要材料的投资费用计算公式如(2)所示。
[0015] Cmat - Cwtg+Cline+Cswt+Cstation+Celse (2)
[0016] 式(2)中Cmat代表集电系统的主要材料投资费用，Cwtg是指风力发电价及其配套箱 式变压器的投资以及建造成本，由公式(3)计算所得。
[0017] Cwtg=(Pwtg+Cinst)*Nwtg (3)
[0018] pwtg代表每台风力发电价及其箱式变压器的单价。
[0019] Nwtg代表该海上风电场中风力发电价的数目。
[0020] Cinst代表风力发电价的安装施工建造单价。
[0021] 式(2)中Cline3为海底电缆的投资成本，该投资成本中又可分为高压海底电缆投资 成本，记为C HV;以及中压海底电缆投资成本，记为CMV。由公式(4)计算所得。
[0022] Cline = Chv+Cmv (4)
[0023] 式中的高压海底电缆投资成本为高压海底电缆的铺设长度L与每单位长度的成本 Phv乘积，如式(5)。
[0024] Chv = Phv*L (5)
[0025] 中压海底电缆投资成本为各型号海缆成本的总和，计算公式如(6)所示。
[0027]式中阶代表中压海底电缆的不同型号总数，代表该型号中压海缆的单价，包括海 缆单价和铺设备用，1』代表该型号中压海缆的铺设长度。
[0028] 式(2)中的Cswt代表开关设备所需要的投资成本，在选定开关配置方式后首先需要 统计所需开关设备的数量N swt，并选定所用开关设备的型号。由式(7)计算所得。式中Pswt为 开关设备单价。
[0029] Cswt = Nswt*Pswt (7)
[0030] 式(3)中的CstatlcinS海上升压站的建造总成本，C&Jg的是其他所需材料的投资成 本。
[0031] 2、运营维护成本
[0032] 海上风电场的运营和维护成本主要包括运营时线路上造成的电能损耗所带来的 损失Clinelcise，以及维护海上风电场正常工作所花费的维护费C maint用两大部分。
[0033]运营损失的费用可由（8)计算所得。
[0034] Clinelose = 3T>l<Tonline*Xlose (8)
[0035] 其中31代表上网电价(元/kw · 1〇，Τ〇ηηη(3代表该海上风电场上网的生命周期，即预 期工作的总时间(h)，x lcise3代表每单位时间内产生的线路损耗(kw · h)。
[0036]集电系统的维护费用的预估为：
[0038]式中Mline3(j)表示j型号的海缆平均每年每单位长度的维护费用，Mswt为每个开关 设备每年预计的维护费用，Mwtg为每个风力发电价平均每年的维护费用，为该海上风电 场预计的运营年数。
[0039] 3、故障损失
[0040] 故障损失：
[0041] Ci〇st = 3T*EENS*1000 (10)
[0042] Cim是海上风电场的故障损失，EENS是年电力不足期望值(MW · h/a)。
[0043] 基于上述成本建立的海上风电场集电系统经济性模型如式（11)所示。
[0044] Ctotal - Cper+Gmat+Cele&wat+Ctrans+Clinelose+Gmaint+Clost ( 11 )
[0045] 步骤二:可靠性建模
[0046] 目前电力系统发输电部分的评估方式大致可以分为解析法和蒙特卡罗模拟法两 大类。
[0047] 解析法是基于马尔可夫数学模型的方法，主要思路是枚举可能产生的所有故障， 思路清晰并且分析准确，利用概率论相关知识对模型进行推导，构建数学公式，适合分析一 些相对不太复杂的小系统，或者将电力系统进行一些简化之后再使用。本方法涉及的可靠 性建模是针对环型和树型两种拓扑结构的具体方法，其主要目的是计算综合评估系统中所 需的可靠性指标ELGC。任意其他可得到该指标的可靠性建模方法在实际运行中均具有相同 效果。
[0048] 采用先简化电力系统再使用解析法的方式对集电系统进行可靠性建模。
[0049] 集电系统的内部元件有很多，为了简化问题，本方法暂时只考虑风力发电价、箱式 变压器以及海缆馈线以及传统型开关配置方式下的开关，这四类元件的可靠度，并以此作 为标准进行可靠性分析。上述元件的可用度表如表1所示。
[0050] 表1元件可用度、不可用度符号表
[0052]对于不同地理位置的风力发电价和海缆，暂不考虑其环境影响，因此假设只要型 号相同，上述表格中的数值均相同。
[0053]在进行可靠性模型的建立时也将对环型和树型两种典型拓扑情况分别进行建模。
[0054] 第一，集电系统树型拓扑结构的可靠性模型
[0055] 树型拓扑结构的传统开关配置方式是只在该串与汇流母线的连接处安装开关。海 缆馈线是指该小串风力发电价与开关相连接的海缆。
[0056]共有相同型号的风力发电价η台，其中第一根馈线上的风力发电价数用Ni表示，第 二根馈线上的风力发电价数目用N2表示，该型号的输出功率记为pw，以及馈线两根，开关一 个。该风力发电价串在正常状态下可看做一台输出功率为nPw传统发电机组。
[0057] 由于海上风电机及其箱式变压器目前都是配套出现，其可靠度可用Awt代替。与Aw 和 At 的关系为:Awt=AwAt 和 Uwt= 1-Aw4t
[0058] 在有两根馈线海缆的情况下，集电系统的故障状态有以下5种：
[0059] 1)第一种故障情况是两根馈线和开关均正常工作，馈线上的风力发电价可能出现 故障状态。第一根馈线上的故障风力发电价数(包括箱式变压器故障情况)为X，第二跟馈线 上的故障风力发电价数目为y。
[0060]出现该类故障的概率Psi为：
[0061 ] PS1 = /l.sw令GVUv/1-巧(13)
[0062] 式中x的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0063] 该状态下的发电损失量为：（x+y)Pw。
[0064] 因此该状态的ELGC为：
[0066] 2)第二种故障情况是第一根馈线故障，第二根馈线正常工作，开关也无故障出现， 出现风力发电价故障的数目同情况1)一样。
[0067] 出现该类故障的概率Ps2为：
[0068] Ps2 = (15)
[0069] 式中x的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0070] 该状态下的发电损失量为：（x+N2)Pw。
[0071] 因此该状态的ELGC为：
[0073]
[0074] 3)第三类故障情况是，第二根馈线故障，第一根馈线正常工作，开关也无故障出 现，出现风力发电价故障的数目同情况1)一样
[0075]出现该类故障的概率Pss为：
[0076] Ps3 = AswAfC^AwtN1~xU, vtx UfCyN2AwtN2-yU wty (17)
[0077] 式中x的取值范围是：[0，此];7的取值范围是：[0，N2]。
[0078] 该状态下的发电损失量为"Ni+y^w。
[0079] 因此该状态的ELGC为：
[0081] 4)第四类故障情况是两根馈线均故障，此时所有风力发电价的发电量均无法输 出。
[0082]出现该类故障的概率PS4为：
[0084]式中X的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0085] 该状态下的发电损失量为：（Ni+NdPw。
[0086] 因此该状态的ELGC为：
[0088] 5)第五类故障情况是开关出现故障，此时同情况四相同，所有的风力发电价的发 电量均无法输出。
[0089] 出现该类故障的概率Ps5为：
[0091]式中X的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0092] 该状态下的发电损失量为：（见+他此。
[0093] 因此该状态的ELGC为：
[0095] 整个树型拓扑结构的发电量损失期望值ELGC为：
[0096] ELGC - ELGCi (2^)
[0097] 第二，集电系统环型拓扑结构的可靠性模型
[0098]单个环型由Λ+Ν2台同型号风力发电价组成，馈线1和馈线2也相同。在上半部分的 馈线出现故障时，风力发电价1~他所发电量可以经过冗余海缆流入馈线2并汇入母线。在 此情况下，需要考虑馈线2的海缆是否可以承受额外的电流，本方法中用常量e表示馈线可 以额外承受的风力发电价台数。
[0099] 1)第一种故障情况是两根馈线和开关均正常工作，该情况与树型结构一致。第一 根馈线上的故障风力发电价数(包括箱式变压器故障情况)为X，第二跟馈线上的故障风力 发电价数目为y。
[0100]出现该类故障的概率Psl为：
[0102] 式中X的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0103] 该状态下的发电损失量为：（x+y)Pw。
[0104] 因此该状态的ELGC为：
[0106] 2)第二种故障情况是第一根馈线故障，第二根馈线正常工作，开关也无故障出现，出现风力发电价故障的数目同情况1)一样。
[0107]出现该类故障的概率Ps2为：
[0109] 式中X的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0110] 但在计算该状态的发电损失量时，需要考虑故障馈线中剩余正常工作的风力发电 价台数，与正常工作的馈线可承受的额外风力发电价台数e的数值关系。
[0111] A)如果，则代表馈线2只能额外承受数目为e的风力发电价所发电量。此时 系统的发电损失量为：（Ni+y_e)Pw。
[0112] 因此该状态的ELGC为：
[0114] B)如果Ni-xfe，则代表馈线2可以承受所有正常工作的风力发电价所发的电量， 此时系统的发电损失量为：（χ+y) Pw
[0115] 因此该状态的ELGC为：
[0117] 3)第三类故障情况是，第二根馈线故障，第一根馈线正常工作，开关也无故障出 现，出现风力发电价故障的数目同情况1)一样。
[0118]出现该类故障的概率Ps3为：
[0120]式中X的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0121] 同第二类情况一样，此时需要讨论馈线1是否可以承受馈线2中正常工作状态的风 力发电价所发的电量。
[0122] A)如果N2_y>e，则代表馈线1只能额外承受数目为e的风力发电价所发电量。此时 系统的发电损失量为：（N2+ X-e)Pw。
[0123] 因此该状态的ELGC为：
[0125] B)如果N2_y<e，则代表馈线2可以承受所有正常工作的风力发电价所发的电量， 此时系统的发电损失量为：（x+y) Pw
[0126] 因此该状态的ELGC为：
[0128] 4)第四类故障情况是两根馈线均故障，此时所有风力发电价的发电量均无法输
出。
[0129] 出现该类故障的概率Ps4为：
[0130] Ps4 = A,wUfC^AwtN1~xU wtx UfCyN2AwtN2-yU wty (32)
[0131] 式中x的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0132] 该状态下的发电损失量为"Ni+NdPw。
[0133] 因此该状态的ELGC为：
[0135] 5)第五类故障情况是开关出现故障，此时同情况四相同，所有的风力发电价的发 电量均无法输出。
[0136] 出现该类故障的概率Ps5为：
[0137] PsS = UswCtAwtN1-xUwt x g2AwtN2-yUwt y (34)
[0138] 式中x的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0139] 该状态下的发电损失量为"Ni+NdPw。
[0140] 因此该状态的ELGC为：
[0142] 整个环型拓扑结构的发电量损失期望值ELGC为：
[0143] ELGC = TKtELGQ (36)
[0144] 步骤三:综合评估
[0145] 采用百分制的评分方式，在确定经济性评估的权重之后可由式(a)、（b)、（c)计算 所得。
[0148] 综合评分=经济性评分+可靠性评分 （c)
[0149] 上述公式(a)中Ctcltal是指海上风电场集电系统经济建造总成本，一般在完成海上 风电场进集电系统拓扑结构设计之后可以通过经济性模型进行预估。
[0150] Cpre是指的该海上风电场预计投资费用，一般在海上风电场立项规划时就已经确 定d表示的是经济因素在综合评估中所占的权重比，该数值由设计人员自行决定，以反映 经济评估在综合评估中的重要性，取值范围是Se(〇，i)。计算所得"经济性评分"是一个数 值在100以内的无单位数。
[0151] 公式(b)中ECGL是指集电系统设计方案的发电容量损失期望值;Ppre3表示该海上风 电场规划时的容量；（ι-s)标明可靠性评估在综合评估中所占的比重。计算所得"可靠性评 分"也是一个数值在100以内的无单位数。
[0152] 综合评分是上述经济性评分和可靠性评分的和，标明了该方案在百分制情况下的 "得分"。综合评分在比较多个集电系统拓扑结构设计方案时，可以很直观的反映各方案优 劣情况。得分越高，该方案在经济性和可靠性两方面的表现越好。
【附图说明】
[0153]图1为传统开关配置方式的树型结构的示意图；
[0154] 图2为传统开关配置方式的环型拓扑结构示意图。
【具体实施方式】
[0155] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价 形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0156] 步骤一:经济性建模
[0157] 在经济型模型建立之前首先需要明确集电系统经济成本的组成类别。海上风电场 集电系统的经济成本主要包括投资和损失，具体又可以分为建造投资成本、运营维护成本 和故障损失这三大类。
[0158] 1、建造投资成本
[0159] 建造投资成本主要是指集电系统建造时期投入的总成本。包括施工人员费用、主 要材料的投资费用、施工用水用电费用、运输费用。
[0160] 施工人员的总费用计算如公式(1)所示
[0162] 式（1)中Cper为施工人员总费用，Nper代表施工人员的种类数，例如运输人员，海缆 施工人员，风力发电价架设人员等。Pi代表第i类员工的每小时需支付的费用，Ti代表该类员 工需要工作的小时数，Yi代表该类员工需要的总数。
[0163] 集电系统的主要材料投资费用包括风力发电价、海缆、开关设备的采购费用、海上 升压站的建造费用，还有施工需要的其他辅助材料分采购费用，例如钢筋、水泥等。主要材 料的投资费用计算公式如(2)所示。
[01 64] Cmat - Cwtg+Cline+Cswt+Cstation+Celse (2)
[0165] 式(2)中Cmat代表集电系统的主要材料投资费用，Cwtg是指风力发电价及其配套箱 式变压器的投资以及建造成本，由公式(3)计算所得。
[0166] Cwtg = (Pwtg+Cinst) *Nwtg (3)
[0167] Pwtg代表每台风力发电价及其箱式变压器的单价。
[0168] Nwtg代表该海上风电场中风力发电价的数目。
[0169] Cinst代表风力发电价的安装施工建造单价。
[0170]式(2)中Cline3为海底电缆的投资成本，该投资成本中又可分为高压海底电缆投资 成本，记为CHV;以及中压海底电缆投资成本，记为CMV。由公式(4)计算所得。
[0171] Cline = Chv+Cmv (4)
[0172] 式中的高压海底电缆投资成本计算比较简单，为高压海底电缆的铺设长度L与每 单位长度的成本Phv乘积，如式(5)。
[0173] Chv = Phv*L (5)
[0174] 值得一提的是，高压海底电缆的造价十分昂贵，每千米约为1100万元，是中压海底 电缆的6-10倍，因此高压海底电缆的投资成本占据了海底电缆总成本的很大一部分。
[0175] 中压海底电缆考虑到所承受的最大载流量可由不同，因此在设计初期对海底电缆 选型时可选择不同海缆型号，因此中压海底电缆投资成本为各型号海缆成本的总和，计算 公式如(6)所示。
[0176] CMV = Hj^Pj * lj (6)
[0177] 式中阶代表中压海底电缆的不同型号总数，代表该型号中压海缆的单价，包括海 缆单价和铺设备用，1』代表该型号中压海缆的铺设长度。
[0178]式(2)中的Cswt代表开关设备所需要的投资成本，在选定开关配置方式后首先需要 统计所需开关设备的数量Nswt，并选定所用开关设备的型号。由式(7)计算所得。式中Pswt为 开关设备单价。
[0179] Cswt = Nswt*Pswt (7)
[0180] 式(3)中的Cstaticin为海上升压站的建造总成本，单个海上升压站的建造成本与其 电气设计紧密相关，例如升压站使用的变压器个数、型号、高低压仓位的数量、造价，以及该 海上升压站所选用的建造方式等。Cd%指的是其他所需材料的投资成本。
[0181] 施工用水用电费用Ceie&wat以及运输费用Ctrans相对比较复杂，与工程的实际开展时 间，以及运输条件、天气等问题均相关。
[0182] 2、运营维护成本
[0183] 海上风电场的运营和维护成本主要包括运营时线路上造成的电能损耗所带来的 损失Clinelcise，以及维护海上风电场正常工作所花费的维护费C maint用两大部分。
[0184] 运营损失的费用可由（8)计算所得。
[0185] Clinelose= ^^Tonline^Xlose (8)
[0186] 其中π代表上网电价(元/kw · 1〇，Τ〇ηηη(3代表该海上风电场上网的生命周期，即预 期工作的总时间（h)，X lcise3代表每单位时间内产生的线路损耗(kw · h)，可通过集电系统线 路中的具体数值计算所得，也可通过统计手段进行预估。
[0187] 集电系统的维护费用主要来自于对线路中的开关设备、风力发电价、海缆等进行 的检修、维护和保养费用。考虑到每一个海上风电的实际运行环境都不尽相同，集电系统的 维护费用很难进行准确的计算。但是可以借鉴对其他已建成海上风电场的运行经验，进行 大致的预估。
[0188] cmaint = Mline(j) * Lj + Mswt * Nswt + Mwtg * Nwtg) * Year (9)
[0189] 式中Mline3(j)表示j型号的海缆平均每年每单位长度的维护费用，Mswt为每个开关 设备每年预计的维护费用，M wtg为每个风力发电价平均每年的维护费用，为该海上风电 场预计的运营年数。
[0190] 上述(9)未考虑到随着设备使用时间的增加维护费用也可能同时增加，因为不同 设备的使用时间与其故障率之间的关系比较复杂也并不明确，很难得到精确的变化曲线， 与此同时该式本质上是对维护费用的一个笼统预估，并不精确。
[0191] 3、故障损失
[0192] 故障损失主要考虑的是由于风力发电价或者其他设备的故障，影响风电场出力的 情况下，产生的经济损失。可以借鉴其他电力系统在故障损失方面的计算方法来预估海上 风电场的故障损失。
[0193] Ci〇st = 3i*EENS*1000 (10)
[0194] Cim是海上风电场的故障损失，EENS是年电力不足期望值(MW · h/a)，是集电系统 可靠性评估的一个指标，反映了集电系统一年因故障导致的停电量。
[0195] 基于上述成本建立的海上风电场集电系统经济性模型如式（11)所示。
[01 96] Ctotal - Cper+Gmat+Cele&wat+Ctrans+Clinelose+Gmaint+Clost ( 11 )
[0197] 步骤二:可靠性建模
[0198] 发电容量损失期望值(Expected Loss of Generation Capacity，ELGC)可以表不 发电系统由于故障导致的发电量损失的期望值。对于集电系统来说，就是表示考虑各种可 能故障时，在发电处损失的电量值。该量与EENS的具体差别就是只考虑发电机所所示的电 量，忽略其他输电设备导致的电能损失。具体计算如下：
[0199] ELGC = Efii Ci Pt (12)
[0200] 式中，Pi代表产生某种故障的概率，Ci代表该故障情况下的损失的发电量，N代表该 系统可能出现的故障状态总数目。
[0201] 本方法中将采用先简化电力系统再使用解析法的方式对集电系统进行可靠性建 模。
[0202] 集电系统的内部元件有很多，为了简化问题，本方法暂时只考虑风力发电价、箱式 变压器以及海缆馈线以及传统型开关配置方式下的开关，这四类元件的可靠度，并以此作 为标准进行可靠性分析。上述元件的可用度表如表1所示。
[0203] 表1元件可用度、不可用度符号表
[0206] 对于不同地理位置的风力发电价和海缆，暂不考虑其环境影响，因此假设只要型 号相同，上述表格中的数值均相同。
[0207] 在进行可靠性模型的建立时也将对环型和树型两种典型拓扑情况分别进行建模， 同时选用传统型开关配置方式作为模板。
[0208] 第一，集电系统树型拓扑结构的可靠性模型
[0209] 针对树型，传统型开关配置方式如图1所示。
[0210]如图所示，树型拓扑结构的传统开关配置方式是只在该串与汇流母线的连接处安 装开关。海缆馈线是指该小串风力发电价与开关相连接的海缆，图中所示两根馈线为一种 特殊情况，仅供分析考虑。
[0211]图中共有相同型号的风力发电价η台，其中第一根馈线上的风力发电价数用仏表 示，第二根馈线上的风力发电价数目用他表示，该型号的输出功率记为Pw，以及馈线两根，开 关一个。该风力发电价串在正常状态下可看做一台输出功率为nP w传统发电机组。
[0212] 由于海上风电机及其箱式变压器目前都是配套出现，其可靠度可用Awt代替。与Aw 和 At 的关系为:Awt=AwAt 和 Uwt= l-AwAt
[0213] 在有两根馈线海缆的情况下，集电系统的故障状态有以下5种：
[0214] 1)第一种故障情况是两根馈线和开关均正常工作，馈线上的风力发电价可能出现 故障状态。第一根馈线上的故障风力发电价数(包括箱式变压器故障情况)为X，第二跟馈线 上的故障风力发电价数目为y。
[0215]出现该类故障的概率psl为：
[0216]匕尸 4yi/w/ (1J)
[0217]式中x的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0218] 该状态下的发电损失量为：（x+y)Pw。
[0219] 因此该状态的ELGC为：
[0221] 2)第二种故障情况是第一根馈线故障，第二根馈线正常工作，开关也无故障出现， 出现风力发电价故障的数目同情况1)一样。
[0222]出现该类故障的概率匕2为：
[0223] Ps2 = AswUfC^AwtN1-xU wtx-AfC^AwtN2- yUw/ (1
[0224] 式中x的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0225] 该状态下的发电损失量为：（x+N2)Pw。
[0226] 因此该状态的ELGC为：
[0228] 3)第三类故障情况是，第二根馈线故障，第一根馈线正常工作，开关也无故障出 现，出现风力发电价故障的数目同情况1)一样
[0229] 出现该类故障的概率Ps3为：
[0230] Ps3 = A^AfC^A^1-^ UfCi；2Awtm-yU wty (17)
[0231] 式中x的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0232] 该状态下的发电损失量为"Ni+WPw。
[0233] 因此该状态的ELGC为：
[0235] 4)第四类故障情况是两根馈线均故障，此时所有风力发电价的发电量均无法输 出。
[0236] 出现该类故障的概率Ps4为：
[0237] Ps4 = AswUfC^AwtN1-xU wtx lJfCyN2AwtN2~yU xvty (19)
[0238] 式中x的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0239] 该状态下的发电损失量为
[0240] 因此该状态的ELGC为：
[0242] 5)第五类故障情况是开关出现故障，此时同情况四相同，所有的风力发电价的发 电量均无法输出。
[0243] 出现该类故障的概率Ps5为：
[0244] Ps5 = (21)
[0245] 式中x的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0246] 该状态下的发电损失量为"Ni+NdPw。
[0247] 因此该状态的ELGC为：
[0249] 整个树型拓扑结构的发电量损失期望值ELGC为：
[0250] ELGC = Σ?=1 ELGCi (23)
[0251] 第二，集电系统环型拓扑结构的可靠性模型
[0252] 在允许海缆冗余的情况下，本文选择环型的拓扑结构，如图2所示为任一环型拓扑 结构使用传统开关配置方式的图示。
[0253] 图2中单个环型由台同型号风力发电价组成，馈线1和馈线2也相同。在上半部 分的馈线出现故障时，风力发电价1~仏所发电量可以经过冗余海缆流入馈线2并汇入母 线。在此情况下，需要考虑馈线2的海缆是否可以承受额外的电流，本方法中用常量e表示馈 线可以额外承受的风力发电价台数。
[0254] 1)第一种故障情况是两根馈线和开关均正常工作，该情况与树型结构一致。第一 根馈线上的故障风力发电价数(包括箱式变压器故障情况)为X，第二跟馈线上的故障风力 发电价数目为y。
[0255] 出现该类故障的概率以为：
[0256] PS1 = A^AfC^A^1-^^ AfC^AwtN2-yUwt y (24)
[0257] 式中x的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0258] 该状态下的发电损失量为：（x+y)Pw。
[0259] 因此该状态的ELGC为：
[0261] 2)第二种故障情况是第一根馈线故障，第二根馈线正常工作，开关也无故障出现， 出现风力发电价故障的数目同情况1)一样。
[0262] 出现该类故障的概率Ps2为：
[0263] Ps2 = AswU,C^AwtN1~xUwt x AfCyN2AwtN2~yU xvty (26)
[0264] 式中x的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0265] 但在计算该状态的发电损失量时，需要考虑故障馈线中剩余正常工作的风力发电 价台数，与正常工作的馈线可承受的额外风力发电价台数e的数值关系。
[0266] A)如果见3>6，则代表馈线2只能额外承受数目为e的风力发电价所发电量。此时 系统的发电损失量为：（Ni+y_e)Pw。
[0267] 因此该状态的ELGC为：
[0269] B)如果Ni-xfe，则代表馈线2可以承受所有正常工作的风力发电价所发的电量， 此时系统的发电损失量为：（χ+y) Pw
[0270] 因此该状态的ELGC为：
[0272] 3)第三类故障情况是，第二根馈线故障，第一根馈线正常工作，开关也无故障出 现，出现风力发电价故障的数目同情况1)一样。
[0273] 出现该类故障的概率Ps3为：
[0274] Ps3 = A^AfC^A^^U^-UfG^A^2-^/ (29)
[0275] 式中x的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0276] 同第二类情况一样，此时需要讨论馈线1是否可以承受馈线2中正常工作状态的风 力发电价所发的电量。
[0277] A)如果N2_y>e，则代表馈线1只能额外承受数目为e的风力发电价所发电量。此时 系统的发电损失量为：（N2+ X-e)Pw。
[0278] 因此该状态的ELGC为：
[0280] B)如果N2_y<e，则代表馈线2可以承受所有正常工作的风力发电价所发的电量， 此时系统的发电损失量为：（χ+y) Pw
[0281] 因此该状态的ELGC为：
[0283] 4)第四类故障情况是两根馈线均故障，此时所有风力发电价的发电量均无法输 出。
[0284] 出现该类故障的概率Ps4为：
[0285] = AswUfanAwtN1- xUwtx UfC^2AwtN2~yU wty (32)
[0286] 式中x的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0287] 该状态下的发电损失量为：（见+他此。
[0288] 因此该状态的ELGC为：
[0290] 5)第五类故障情况是开关出现故障，此时同情况四相同，所有的风力发电价的发 电量均无法输出。
[0291 ]出现该类故障的概率Ps5为：
[0292] Ps5 = C^2AwtN2~yUw/ (34)
[0293] 式中x的取值范围是：[0，见];7的取值范围是：[0，N2]。
[0294] 该状态下的发电损失量为：（见+他此。
[0295] 因此该状态的ELGC为：
[0297] 整个环型拓扑结构的发电量损失期望值ELGC为：
[0298] ELGC = Σ^ι ELGCi (36)
[0299] 步骤三:综合评估
[0300] 海上风电场集电系统的主要评估分为经济性和可靠性两个方面，但是在实际工程 中，通过上述两方面分别进行评估不利于对多个方案进行整体性评价，因此提出一种结合 经济性和可靠性两方面的综合评估方法。
[0301] 该方法采用百分制的评分方式，在确定经济性评估的权重之后可由式(a)、（b)、 (C)计算所得。
[0304] 综合评分=经济性评分+可靠性评分 （c)
[0305] 上述公式(a)中Ctcltal是指海上风电场集电系统经济建造总成本，一般在完成海上 风电场进集电系统拓扑结构设计之后可以通过经济性模型进行预估。
[0306] Cpre是指的该海上风电场预计投资费用，一般在海上风电场立项规划时就已经确 定d表示的是经济因素在综合评估中所占的权重比，该数值由设计人员自行决定，以反映 经济评估在综合评估中的重要性，取值范围是Se(〇，i)。计算所得"经济性评分"是一个数 值在100以内的无单位数。
[0307] 公式(b)中ECGL是指集电系统设计方案的发电容量损失期望值;Ppre3表示该海上风 电场规划时的容量；（ι-s)标明可靠性评估在综合评估中所占的比重。计算所得"可靠性评 分"也是一个数值在100以内的无单位数。
[0308] 综合评分是上述经济性评分和可靠性评分的和，标明了该方案在百分制情况下的 "得分"。综合评分在比较多个集电系统拓扑结构设计方案时，可以很直观的反映各方案优 劣情况。得分越高，该方案在经济性和可靠性两方面的表现越好。
【主权项】
1. 一种海上风电场集电系统拓扑结构综合评估方法，其特征在于：首先对海上风电场 集电系统的经济成本进行分析，从而建立集电系统拓扑结构的经济性模型，对海上风电场 集电系统进行成本预估;然后基于传统火力发电，将海上风电场的复杂拓扑结构简单化，采 用解析法分析故障情况，进行可靠性建模。2. 如权利要求1所述的海上风电场集电系统拓扑结构综合评估方法，其特征在于，经济 性建模包括： 海上风电场集电系统的经济成本主要包括投资和损失，具体又可以分为建造投资成 本、运营维护成本和故障损失这三大类； 建造投资成本主要是指集电系统建造时期投入的总成本，包括施工人员费用、主要材 料的投资费用、施工用水用电费用、运输费用； 施工人员的总费用计算如公式(1)所示：(1) 式（1)中Cper为施工人员总费用，Nper代表施工人员的种类数，Pi代表第i类员工的每小 时需支付的费用，T1代表该类员工需要工作的小时数，Y1代表该类员工需要的总数； 集电系统的主要材料的投资费用计算公式如(2)所示： Cmat - Cwtg+Cline+Cswt+Cstation+Celse ( 2 ) 式(2)中(：_代表集电系统的主要材料投资费用，Cwtg是指风力发电价及其配套箱式变 压器的投资以及建造成本，由公式(3)计算所得； Cwtg - ( Pwtg+Ginst) *Nwtg ( 3 ) Pwtg代表每台风力发电价及其箱式变压器的单价， Nwtg代表该海上风电场中风力发电价的数目， Cinst代表风力发电价的安装施工建造单价， 式(2)中Ciine3为海底电缆的投资成本，该投资成本中又可分为高压海底电缆投资成本， 记为Chv;以及中压海底电缆投资成本，记为Cmv;由公式(4)计算所得； Cline - ChV+CmV ( 4 ) 式中的高压海底电缆投资成本为高压海底电缆的铺设长度L与每单位长度的成本Phv乘 积，如式(5); Chv=Phv*L (5) 中压海底电缆投资成本为各型号海缆成本的总和，计算公式如(6)所示；(Φ 式中阶代表中压海底电缆的不同型号总数，代表该型号中压海缆的单价，包括海缆单 价和铺设备用，Ij代表该型号中压海缆的铺设长度； 式(2)中的Cswt代表开关设备所需要的投资成本，在选定开关配置方式后首先需要统计 所需开关设备的数量Nswt，并选定所用开关设备的型号；由式(7)计算所得;式中Pswt为开关 设备单价：(7) 瓦口）甲的UtatiCin^S海上升压站的建造总成本，Celse指的是其他所需材料的投资成本； 海上风电场的运营和维护成本主要包括运营时线路上造成的电能损耗所带来的损失 Clinelcise,以及维护海上风电场正常工作所花费的维护费Cmaint用两大部分； 运营损失的费用可由（8)计算所得。其中代表上网电价(元/kw· WJcinline代表该海上风电场上网的生命周期，即预期工 作的总时间(h) ,Xlcise3代表每单位时间内产生的线路损耗(kw · h); 集电系统的维护费用的预估为：式中Mline(j)表示j型号的海缆平均每年每单位长度的维护费用，Mswt为每个开关设备每 年预计的维护费用，Mwtg为每个风力发电价平均每年的维护费用，Ye3ar为该海上风电场预计 的运营年数； 故障损失的计算为： Ci〇st = 3i*EENS*1000 (10) Cicist是海上风电场的故障损失，EENS是年电力不足期望值(Mff · h/a)。 基于上述成本建立的海上风电场集电系统经济性模型如式（11)所示。3. 如权利要求1所述的海上风电场集电系统拓扑结构综合评估方法，其特征在于，对电 力系统的可靠性建模采用先简化电力系统再使用解析法的方式对集电系统进行可靠性建 模； 集电系统的内部元件有很多，为了简化问题，只考虑风力发电价、箱式变压器以及海缆 馈线以及传统型开关配置方式下的开关，这四类元件的可靠度，并以此作为标准进行可靠 性分析;AW表示风力发电价的可用度，U w表示风力发电价的不可用度，At表示箱式变压器的 可用度，Ut表示箱式变压器的不可用度，A f表示馈线海缆的可用度，Uf表示馈线海缆的不可 用度，Asw表示开关的可用度，U sw表示开关的不可用度。4. 如权利要求3所述的海上风电场集电系统拓扑结构综合评估方法，其特征在于，集电 系统树型拓扑结构的可靠性模型： 共有相同型号的风力发电价η台，其中第一根馈线上的风力发电价数用N1表示，第二根 馈线上的风力发电价数目用N2表示，该型号的输出功率记为Pw，以及馈线两根，开关一个;该 风力发电价串在正常状态下可看做一台输出功率为nP w传统发电机组； 由于海上风电机及其箱式变压器目前都是配套出现，其可靠度可用Awt代替；与Aw和At的 ? Awt-AwAt矛口 Uwt - I-AwAt 在有两根馈线海缆的情况下，集电系统的故障状态有以下5种： 1)第一种故障情况是两根馈线和开关均正常工作，馈线上的风力发电价可能出现故障 状态;第一根馈线上的故障风力发电价数(包括箱式变压器故障情况)为X，第二跟馈线上的 故障风力发电价数目为y; 出现该类故障的概率匕:为： 式中X的取值范围是JO^1Ly的取值范围是：[0，N2]; 该状态下的发电损失量为：（χ+y) Pw; (13) 因此该状态的ELGC为：2) 第二种故障情况是第一根馈线故障，第二根馈线正常工作，开关也无故障出现，出现 风力发电价故障的数目同情况1)一样； m视该悉册β音的擗衮先.(丨气） 式中X的取值范围是JO^1Ly的取值范围是：[0，N2]; 该状态下的发电损失量为：（X+N2)Pw; 因此该状态的ELGC为：3) 第三类故障情况是，第二根馈线故障，第一根馈线正常工作，开关也无故障出现，出 现风力发电价故障的数目同情况1)一样 出现该类故障的概率Ps3为：(17) 式中X的取值范围是JO^1Ly的取值范围是：[0，N2]; 该状态下的发电损失量为：（Ndy)Pw; 闵此该状杰的ELGC为：4) 第四类故障情况是两根馈线均故障，此时所有风力发电价的发电量均无法输出； 出现该类故障的概率Ps4为：(卜)） 瓦甲X的耿但氾围定：LU，Ni」；y的耿但氾围定：LU，N2」； 该状态下的发电损失量为：（Ni+N2)Pw; 因此该状态的ELGC为：5) 第五类故障情况是开关出现故障，此时同情况四相同，所有的风力发电价的发电量 均无法输出； 出现该类故障的概率Ps5为： (21) 式中X的取值范围是Jo^1Ly的取值范围是：[0，N2]; 该状态下的发电损失量为：（Ni+N2)Pw; 闵此该状杰的mrTc为，整个树型拓扑结构的发电量损失期望值ELGC为：(23)。5.如权利要求3所述的海上风电场集电系统拓扑结构综合评估方法，其特征在于，集电 系统环型拓扑结构的可靠性模型： 单个环型由NdN2台同型号风力发电价组成，馈线1和馈线2也相同；在上半部分的馈线 出现故障时，风力发电价1~他所发电量可以经过冗余海缆流入馈线2并汇入母线；在此情 况下，需要考虑馈线2的海缆是否可以承受额外的电流，本方法中用常量e表示馈线可以额 外承受的风力发电价台数； 1) 第一种故障情况是两根馈线和开关均正常工作，该情况与树型结构一致。第一根馈 线上的故障风力发电价数(包括箱式变压器故障情况)为X，第二跟馈线上的故障风力发电 价数目为y; 出现该类故障的概率匕:为：(24) 式中X的取值范围是：LO，化」；y的取值范围是：L〇，N2」； 该状态下的发电损失量为：（χ+y) Pw; 因此该状态的ELGC为：2) 第二种故障情况是第一根馈线故障，第二根馈线正常工作，开关也无故障出现，出现 风力发电价故障的数目同情况1)一样； m孤该悉故瞳的槭銮为，(26) 式中X的取值范围是JO^1Ly的取值范围是：[0，N2]; 但在计算该状态的发电损失量时，需要考虑故障馈线中剩余正常工作的风力发电价台 数，与正常工作的馈线可承受的额外风力发电价台数e的数值关系； A)如果N1-Oe,则代表馈线2只能额外承受数目为e的风力发电价所发电量;此时系统的 发电损失量为：（Ni+y_e)Pw; 因此该状态的ELGC为：(27) B)如果N1-Ke,则代表馈线2可以承受所有正常工作的风力发电价所发的电量，此时系 统的发电损失量为：（χ+y) Pw 闵此该状杰的RLGC为：3) 第三类故障情况是，第二根馈线故障，第一根馈线正常工作，开关也无故障出现，出 现风力发电价故障的数目同情况1)一样； 出现该类故障的概率Ps3为：09) 式中X的取值范围是外〇，則；7的取值范围是：[〇，他」； 同第二类情况一样，此时需要讨论馈线1是否可以承受馈线2中正常工作状态的风力发 电价所发的电量； A) 如果N2_y>e，则代表馈线1只能额外承受数目为e的风力发电价所发电量;此时系统的 发电损失量为 ：（N2+x-e)Pw; 因此该状态的ELGC为：(30) B) 如果N2_y〈e，则代表馈线2可以承受所有正常工作的风力发电价所发的电量，此时系 统的发电损失量为：（χ+y) Pw 闵此该状杰的ELGC为：4) 第四类故障情况是两根馈线均故障，此时所有风力发电价的发电量均无法输出； 出现该类故障的概率Ps4为： 式中X的取值范围是JO^1Ly的取值范围是：[0，N2]; 该状态下的发电损失量为：（Ni+N2)Pw; 因此该状态的ELGC为： (32)5)第五类故障情况是开关出现故障，此时同情况四相同，所有的风力发电价的发电量 均无法输出； 出现该类故障的概率Ps5为：(34) 式中X的取值范围是JO^1Ly的取值范围是：[0，N2]; 该状态下的发电损失量为：（Ni+N2)Pw; 因此该状态的ELGC为：整个环型拓扑结构的发电量损失期望值ELGC为： ELGC = Y^iELGCi (36)6.如权利要求1所述的海上风电场集电系统拓扑结构综合评估方法，其特征在于，综合 评估采用百分制的评分方式，在确定经济性评估的权重之后可由式(a)、(b)、（c)计算所得： 经济性评分=X 100 X 5 (a) ^pre 可Vrlkif 分=fCGL X loo X (1-5) (b) Ppre 综合评分=经济性评分+可靠性评分 （C) 上述公式(a)中Ctcital是指海上风电场集电系统经济建造总成本，一般在完成海上风电 场进集电系统拓扑结构设计之后可以通过经济性模型进行预估； Cpre是指的该海上风电场预计投资费用，一般在海上风电场立项规划时就已经确定；δ 表示的是经济因素在综合评估中所占的权重比，该数值由设计人员自行决定，以反映经济 评估在综合评估中的重要性，取值范围是S e (〇，1)。计算所得"经济性评分"是一个数值在 100以内的无单位数； 公式(b)中ECGL是指集电系统设计方案的发电容量损失期望值;Ppre表示该海上风电场 规划时的容量；（1-0标明可靠性评估在综合评估中所占的比重。计算所得"可靠性评分"也 是一个数值在100以内的无单位数； 综合评分是上述经济性评分和可靠性评分的和，标明了该方案在百分制情况下的"得 分"；综合评分在比较多个集电系统拓扑结构设计方案时，可以很直观的反映各方案优劣情 况;得分越高，该方案在经济性和可靠性两方面的表现越好。
【文档编号】H02J3/00GK106026079SQ201610331687
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】罗宇超, 傅质馨
【申请人】河海大学