电力系统电能质量综合评估

发布时间：2016-07-15 08:58

1  绪论 

1.1  课题研究的背景及意义
从上世纪开始，经济发展势头迅猛以及人们对生活质量要求的提高，大量的高科技、高性能的电子产品随即产生[1]。这些电器设备内的非线性电子器件造成的不平衡性对系统的电能质量造成严重的干扰，降低了电能质量的水平；大规模的特高压交直流电网的构建促进了电能的远距离传输，也是实现大电网互联的必要条件，是以牺牲电网结构变化为前提的。综上，冲击性的非线性负荷的投入使用以及大电网的互联在给人们生活带来便利的同时却引起电能质量的恶化  [2-4]。谐波、电压偏差、三相不平衡度、电压波动和闪变、频率偏差等几项稳态电能质量指标的研究比较广泛，国内外很多学者对此进行了深入的研究，而对于瞬时过电压、暂时过电压、电压凹陷以及短时间中断等暂态电能质量问题的研究至今有部分学者进行了研究，但研究还不够彻底 [5]。为构建全球能源互联网，推动以清洁和绿色方式满足全球电力需求，风能、太阳能等新能源得到了更加广泛的研究与应用。由于这些新能源受自然条件的影响而具有的波动性、间歇性、随机性以及不可调性等特点，造成并网后电能质量变差。就风力发电机而言，都装有大量的电力电子器件，其非线性性质无疑会大大降低电能质量的水平，使系统产生大量的谐波；另外风力发电机组的出力随风力大小而波动，风力大小的变化则导致电网电压的波动；大容量风电机组或者多台风电机组同时并网或者离网会导致主网电压的骤升或骤降等一系列的暂态、稳态电能质量问题  [6,7]。电能质量问题严重影响着正常的生产生活方式[8]。首先，电能质量问题将影响着整个电力系统的安全稳定运行。电能质量问题会恶化一次系统的运行情况，甚至会造成安全运行事故；导致二次系统中部分设备退出运行造成严重后果。其次，电能质量问题造成的电能污染将危害电力用户的用电设备以及用户生产产品的质量。 
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1.2  课题研究现状 
电能质量是具有多指标属性的，不同用户对电能质量评估指标的要求程度有各自的需要，电能质量的各指标不能去“平等对待”,单纯评估某一项指标并不能全面合理地反应其整体情况。因此，众多国内外学者对如何将多个指标科学、合理地综合量化为单指标做了一系列的研究与探讨。综合国内外学者多年的研究总结电能质量综合评估方法主要分为:模糊数学方法[13-15]、概率统计和矢量代数方法[16]、人工神经网络等智能方法[17]以及其他方法。基于模糊数学理论的方法只能根据人为主观经验求取隶属度函数，其确定方法不够客观，对评估结果造成一定的差异；基于概率统计和矢量代数的方法进行评估时，影响评估结果的主要因素是基准值的选取，不同基准值标幺化后得到的数值存在一定的差异；基于智能算法的方法建模复杂、计算繁琐，必须先进行大量的训练以后才能更准确地评估。另外，还有各种新型的电能质量综合评估方法如基于可拓云、雷达图和动态时间弯曲距离等方法的电能质量综合评估，各有自己的优缺点，可以根据不同场合、不同需要选择合适的方法。 电能质量问题作为当今的一个热点研究课题，国外对该焦点的触觉敏锐，很早就开始了深入的研究，取得了一定的成果，不得不承认国内对于该课题的研究起步相对较晚对电能质量综合评估的研究还不成熟，至今没有一个科学的、权威的、广泛使用的电能质量综合评估模型。早在上世纪九十年代，美国国家电科院为更好的了解产生的电能质量问题与用户端的设备及习惯之间的关系，对二百多个监测点进行了长时间的监测用得到的数据进行深入的研究。加拿大经过不断地研究总结出 69 个稳态因素和 37 个暂态因素对电能质量有影响，经过一定的对比得到 25 项指标来反应电能质量的优劣，为构建电能质量综合评估体系提供了科学依据。伊朗电网通过与国际各种电能质量标准相比较，研究了两个电压等级的各项电能质量指标在同一尺度下的评估[18]。 
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2  电力系统电能质量评估指标 

电能质量（Power Quality）即电力系统中交流电的质量优劣水平。理想的电能是工频、标称电压的完整对称的正弦波，在三相交流系统中，三相电压、电流相量的幅值相等，且相位互差 120o。但实际系统中，这种理想状态在是不存在。因随着经济、科技的不断发展电网的用电负荷越来越多样化，冲击性、不平衡负荷等外来干扰，大量非线性的电力电子设备的使用，发电机、变压器等用电设备的非线性运行，运行操作的失误等原因将使电能质量的水平下降。电压、频率和波形是电能质量的衡量指标。供电质量、用电质量、电压质量和电流质量是优质供电的四个衡量标准。

2.1 电能质量单项评估指标 
影响电能质量的因素比较多，其中主要的评估指标[33,34]包括：电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、三相不平衡度、暂态电压、供电可靠性以及非技术性性指标等。根据我国电力系统供电电压偏差的实际情况，参考国际上电能质量的相关标准，我国制定并颁布了 GB/T12325-2008《电能质量 供电电压偏差》，详细规定了 35kV 及以下供电电压允许的电压偏差范围,35kV 以上的电压等级没有直接用电设备，没有做更严格的要求。因为用电设备大多是通过降压变压器接入到供电系统，合理的选择降压变压器的分接头位置就能调节不符合要求的电压，起到一定得调压作用，具体情况如表 2.1 所示。另外对供电点短路容量较小、供电距离较长以及对供电电压偏差有特殊要求的用户,由供、用电双方协议确定。 为便于各种电气设备的设计以及批量生产，都按额定电压来制造，当电压偏差较大，会使电网和电气设备的安全、稳定、经济运行产生极大的影响[35,36]。系统的工作电压偏低时，系统频率可能不稳定，从而导致电力系统频率崩溃甚至解列系统。 
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2.2  电能质量单项指标标准化处理
电能质量评价指标分为成本型（极小型）、效益型（极大型）、适中型（区间型）。各单项评价指标具有不同的单位和量纲，因此需要对指标进行标准化处理。其中对于成本型指标，其数值越小电能质量越好；对于供电可靠性以及非技术性指标则属于效益型指标供电可靠性越高越好，非技术性（服务性）指标越高也就代表服务质量越高。指标的标准化处理主要包括线性标准化处理和非线性标准化处理。标准化主要分为两个步骤：首先，一致化处理，可以将极小型和适中型都化为极大型；然后，无量纲化处理，处理方法较多，可根据不同需要选择。 至今，电能质量综合评估都是采用单项电能质量指标标准化处理（一致化和去量纲化）后加权综合，单项电能质量指标就成本型、效益型、适中型区别对待进行标准化处理，降低了评估速度，并且标准化过程可能导致数据的丢失、计算错误等。建立统一标度下电能质量指标体系可以加速评估，有利于模型的推广。 
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3  未确知测度理论 .......... 22 
3.1 不确定性信息 ..... 22 
3.2  未确知测度理论 ........ 23 
3.3  本章小结 .... 24 
4  主客观权重相结合的电能质量综合评估 .......... 25
4.1  单一赋权法的权重确定 .... 25 
4.1.1  主观赋权法 ...... 25 
4.1.2  客观赋权法 ...... 30 
4.2  确定综合权重 .... 33
4.3  变权 .... 34 
4.3.1  局部变权 .......... 34 
4.3.2 TOPSIS ...... 35 
4.4  电能质量综合评估方法 .... 36
4.5  基于未确知测度的电能质量综合评估步骤 .... 43 
4.6  本章小结 .... 49 
5  基于未确知测度的仿真实例 ...... 50 
5.1  仿真实例 .... 50
5.2  本章小结 .... 56 

5  基于未确知测度的仿真实例 

5.1  仿真实例 

以 5 个待评估点的电能质量数据进行评价，主要针对电压偏差、频率偏差、谐波、电压波动和闪变、暂态压降、三相不平衡度、供电可靠性、服务性指标这九项指标，电能质量原始数据同表 4.6。由熵权法得各指标的权重为（0.1277、0.1136、0.1362、0.1052、0.1161、0.2749、0.1140、0.0039、0.0084），Delphi 法得各指标权重为（0.0758、0.1501、0.1489、0.1223、0.0474、0.1741、0.0808、0.0918、0.1088），由加法原理计算综合权重为（0.0967、0.1354、0.1438、0.1154、0.0750、0.2148、0.0941、0.0564、0.0684）。 由表 5.2 可知，可拓云和 DTW 方法评估结果完全一致，未确知测度方法所得评估结果，当取置信度 ? ?0.6时评估结果同上述两种方法的评估结果；当取置信度 ? ?0.7时大致与上述两种方法一致，不同的是评估点 1、2 的评估等级比另两种方法的等级稍低，因为置信度越高，评估要求更严格。因此要求不同的情况下选择不同的置信度以满足要求。对比 DTW 方法与未确知测度方法评估分数排序，两种方法排序完全一致，排列顺序为评估点 1＞评估点 3＞评估点 4＞评估点 5＞评估点 2。,DTW 方法中所得各评估点分数分别为 80.0734、65.5681、72.2118、68.9994、67.1792，为方便比较分析，化为五分制分别为 4、3.28、3.62、3.45、3.36。对比后两种方法如图 5.11 所示。由图可知使用未确知测度方法评估所得到每个评估点的评估结果差别相对较大，更容易区分两评估点的电能质量水平。 

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结论

社会和科技的进步赋予了电能质量更多新的内容，建立一套合理的电能质量综合评估体系是对电能质量标准化管理的需要。本文基于电能质量的研究背景及现实需要，在大量分析电能质量综合评估方法的基础上，提出了一种新的电能质量综合评估方法，，得到一些研究成果和结论。 电能质量的优劣受多个指标因素的影响，其影响因素存在一定的不确定性。针对我国现有的标准以及现阶段学者对该方面的研究，对谐波、电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、三相不平衡度、暂态电压、供电可靠性以及非技术性性指标从指标的获取、国家标准规定、产生原因及危害方面进行了分析总结。针对评估过程中需要数据处理，总结了指标标准化的方法。介绍统一型电能质量指标，与传统指标形成对比。该指标无需多余的数据处理，简化了评估步骤。 论文针对电力系统电能质量综合评估相关问题展开了研究，在综合分析现有电能质量综合评估方法的基础上，结合综合评估需求和特点，在深入研究未确知测度理论基础上，将其引入电力系统电能质量综合评估领域中，建立了电能质量综合评估体系。 由于专家知识结构以及事实的不确定性和模糊性，选用三角模糊数表示模糊权重，采用 Delphi 与三角模糊数相结合的方法计算主观权重，并总结了 Delphi 计算方法，采用熵权法计算客观权重，利用加法原理结合主客观权重求取综合权重,既满足了用电方的实际需求，又遵从了电能质量指标数据客观反映的信息。 针对效益型、成本型指标的不同，根据划分的等级区间，运用未确知测度理论分别构造其直线型未确知测度函数，计算得到单项指标的未确知测度值，结合综合权重确定综合测度值，根据置信度识别准则判定待评估点的电能质量等级。 
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参考文献(略) 

本文编号：71461