（电力系统及其自动化专业论文）基于labview的电能质量综合在线评估.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于l a b v i e w 的电能质量综合在线 评估，是本入在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：j 童日 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：王皇导师签名： 日期；2 翌z ：2 ：眵 华北电力大学硕士学位论文 1 1 电能质量问题概述 第一章引言 随着电力行业的发展，建立规范的电力市场是当前电力改革的主要任务之一。 在电力市场环境下，电能是一种商品，具有质量属性。在市场竞争中，供电部门和 电力用户都将更加关注电能的质量优劣。而随着我国国民经济的蓬勃发展、电力网 负荷急剧增长，特别是非线性、冲击性负荷容量的不断增长，非线性设备如各种电 力整流设备、电弧炉、大容量调速电机、电力牵引机车等在电力系统中的广泛使用， 对供电系统电能质量造成了严重的污染。因此，合理解决电能质量问题已成为电力 工作者所面临的重要任务。 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电【l 】。但是由于人们看问题的角度不同， 所以迄今为止，对电能质量的技术含义仍存在着不同的认识，还不可能给出一个准 确统一的定义。一种被普遍接受和采用的技术名词和定义方法是：从工程实用角度 出发，将电能质量概念进一步具体分解并给出解释，其内容如下： ( 1 ) 电压质量。给出实际电压与理想电压间的偏差，以反映供电部门向用户分 配的电力是否合格。电压质量通常包括电压偏差、电压频率偏差、电压不平衡、电 压瞬变现象、电压波动与闪变、电压暂降( 暂升) 与中断、电压谐波、电压陷波、 欠电压和过电压。 ( 2 ) 电流质量。电流质量与电压质量密切相关。为了提高电能的传输效率，除 了要求用户汲取的电流是单一频率正弦波形外，还应尽量保持该电流波形与供电电 压同相位。电流质量通常包括电流谐波、问谐波或次谐波、电流相位超前与滞后、 噪声等。 ( 3 ) 供电质量。它包括技术含义和非技术含义两部分。技术含义有电压质量和 供电可靠性；非技术含义是指服务质量，包括供电部门对用户投诉与抱怨的反应速 度和电力价目的透明度等。 ( 4 ) 用电质量。它包括一些非技术含义，如用户是否按时、如数缴纳电费等。 上述关于电能质量的定义与解释反应了供用电双方的相互作用和影响以及责 任和义务。虽然其含义很工程化，但对理解和认识电能质量是很有实用价值的。强 化电能质量概念，提高对电能质量重要性的认识已经成为当代电力系统的需要。电 能作为商品进入市场后，电能质量问题更加突出，电力企业之间的市场竞争理念得 到加强，与此同时也极大促进了电力用户开始关注和认识各种电能质量现象。越来 华北电力大学硕士学位论文 越多的电力用户根据自身需要向电力部门提出了高质量供电的要求，甚至有选择地 通过签订供用电合同和质量协议加以保证。供用电双方在达成电力买卖后，如果用 电方受到电力干扰而影响其正常生产，则可以通过经济或者法律手段来解决。电力 用户的需求正在由原来的电量需求向高可靠性、优质供电和合理电价的需求转变。 1 2 本课题的研究意义 我国对电能质量的研究逐步深入，从九十年代初开始已经相继颁布了电能质量 中有关电压偏差、谐波、电压波动和闪变等问题的相关标准。随着冲击性、非线性 负荷的不断增多，谐波、电压波动、三相不平衡等传统电能质量问题变得更加恶化； 而大量基于计算机系统的控制设备和电子装置等一类敏感负荷的出现又使暂时过 电压和瞬态过电压、电压暂降以及短时间间断等一些以前未被人们所重视的电能质 量问题逐渐显现。近年来，由于电能质量引发的问题和事故呈上升趋势，因电能质 量不合格造成的经济损失也在不断增加，据报道，由于一次电压暂降而使某生产线 重新启动需花费5 0 ，0 0 0 元；某玻璃制品厂工频5 个周期的电压间断，造成损失约 2 0 0 ，0 0 0 元；某计算机中心2 秒的供电间断引起约6 0 0 ，0 0 0 元的损失；在美国由于 电能质量降低，每年所引起的损失达1 3 3 亿美元【2 棚，越来越多的用户要求高质量， 高可靠性的电能，因此对电能质量的管理及评估工作势在必行。 世界各国对电能质量( 如电压、负荷、频率、可靠性等) 都制定了一系列标准， 但一方面这些标准只能用来确定供电合格与不合格，却不能确定质量的好坏，由于 电能质量是由多指标体现的，是多指标的有机综合，所以这种两极化的质量标准不 能全面、真实、自然地反映电能质量的性质：另一方面一个电网中各种电能质量问 题往往同时存在，并不单一，不同电能质量问题对不同设备均有不同的影响，特别 是当多个电能质量问题共同存在时，不同的组合对设备的影响是十分复杂的问题， 因此仅就单项指标进行评估不能满足要求。与此同时，世界各国都在对传统的电力 管理体制进行改革，其目标是建立开放的电力市场，通过引进竞争机制，提高电力 生产各个环节的效率，降低运营成本，最终使电力生产的各环节和用户从中受益。 在电力市场环境下，电能作为一种商品，同其它商品一样，具有质量属性。电能质 量不同，成本就不同，因而电能的价格也应该不同。这样才能够体现电能质量，实 现优质优价，从而和供电公司追求利润最大化一致，而且也可以提高供电公司改善 电能质量，实现优质供电的积极性。对于供电公司来说，优质供电需要更多的投资， 更优秀的管理，因而也应该得到更多的回报。 综上所述，在电力市场模式下，必须改变传统的电能质量评价模式，拓宽质量 内涵，并建立一种完善的客观的评估管理体系，将质量指标进行综合评价，得出一 2 华北电力大学硕士学位论文 个量化的描述，以作为全面考核电能质量和修正电价的依据，寻找切实有效的管理 方法，最终实现电能的按质定价，以满足用户的多质量要求同时也给予供电公司相 应的激励。 1 3 本课题的研究现状 1 3 1 单项指标的评估 随着电能质量受到越来越多的重视，各国都建立了相应的电能质量标准，从九 十年代初，我国已经相继制定颁布了六项电能质量系列的国家标准，它们分别是电 能质量供电电压允许偏差( g b t1 2 3 2 5 - 2 0 0 3 ) 、电能质量电力系统频率允许偏 差( g b t1 5 9 4 5 1 9 9 5 ) 、电能质量公用电网谐波( g b t 1 4 5 4 9 - 1 9 9 3 ) 、电能质量 电压波动和闪变( o b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 、电能质量三相电压允许不平衡度( g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 和电能质量暂时过电压和瞬态过电压( g b t1 8 4 8 1 - 2 0 0 1 ) 。目前国 内外的研究，一方面主要是根据各个单项指标对电能质量进行评估。另一方面由于 电压暂降与短时间间断对一些重要负荷的影响较为严重，国外有专家认为电压暂降 与短时间间断已上升为最重要的电能质量问题之一，国内外专家对电压暂降与短时 间间断的评估也作了大量的工作。单项指标的评估，可以具体问题具体对待，有利 于根据不同问题确定不同的评估方法，有利于解决某一电能质量问题。但是单项指 标的评估忽略了不同电能质量问题间的相互联系，也忽略了用户对不同电能质量问 题的敏感度。电能质量是由多项质量内容组成，在某些场合例如对供电部门电能质 量考核、评价用户对供电质量满意度以及给电能合理定价时，对电能质量的综合评 估更具有意义。 1 3 2 电能质量的综合评估 随着电力系统的发展，整个电网各个节点的电能质量各不一样，需要对各个电 能质量的综合评估，来了解整个电网整体的电能质量状况。随着电力的市场化，电 能质量不透明的状况需要改变，电力用户需要电能质量的一些直观的综合评价结果 来作为参考，这就需要将若干个不同的电能质量指标进行综合分析。电能质量综合 评估国内外研究的相对较少。它是以各个单项指标的评估为基础的。但它也不是将 六项的评估结果简单的综合。文献【5 8 】提出了一种应用模糊原理综合多项评估指 标，实现电能质量定量评价的方法；文献【9 】提出先用层次分析法确定用户对各电压 质量问题的敏感程度，然后再根据得到的权重因子进行模糊综合评价；文献【1 0 】提 出了两个电能质量综合评估指标，分别为供电电能质量指标q c 和电网电能质量指 3 华北电力大学硕士学位论文 标q n 。其中q c 考虑了负荷的特性，在一定程度上反应了用户对电能质量的满意度， 是一个相对指标；q n 是一个绝对指标，反映了电能质量的实际严重程度。文献 1 1 1 3 l 运用p g - ，坐标变换的方法将电压电流从a b c 三相转换到p - q - r 坐标系中，然后重新定义 瞬时功率并将瞬时功率细分，并在此基础上定义了一些电能质量指标，以此来评价电 能质量。文献1 1 4 1 基于能量空间，提出了波形距离的概念，并定义了能量偏差系数 来评价电压质量。以上方法从不同角度对电能质量进行了综合评估，其结果都一定 程度地反映了被评估点的电能质量水平。 1 3 3 网络化的电能质量综合评估 近年来，国家技术监督局陆续颁布了六项电能质量国家标准，使得电能质量的 监测管理工作纳入了法制化轨道，随之带动了电能质量监测技术的发展。当前电能 质量分析仪主要分成三类，分别是手持式谐波分析仪、便携式多功能电能质量分析 仪、电能质量远程监测仪。手持式谐波分析仪主要测量谐波，功能单一，多数不具 备综合测量、分析、判断功能。便携式多功能电能质量分析仪，可分析多个电能质 量指标，但多用于专项测量，监测不连续，多为定时测量，对数据的自动统计分析 和历史数据的对比功能不强。电能质量远程监测仪大多用于对公共连接点电能质量 的连续测量，统计和对比功能有限，给出的测量结果不直观，缺乏超标报警、自动 诊断等综合控制功能。上述装置大多需要技术人员到现场测试，需要人工抄表、根 据测量数据进行汇总、统计分析、对电网的电能质量水平进行评价。这种电能质量 监测和管理模式存在着明显的局限性，如实时性差、监测指标少、工作量大、效率 低、缺乏判断依据。为了有效的进行电能质量的监测与分析，必须大面积的安装电 能质量监测系统，因此，便携式的电能质量分析仪无论在经济性还是在有效性方面 都已不再具有优越性，取而代之的将是网络型的电能质量监测与分析系统。本课题 正是要开发一种网络型的电能质量综合评估系统。 1 。4 论文的主要工作 通过对电能质量问题背景以及电能质量评估方法现状的分析可以看出，电能质 量的综合评估已经日益受到人们的重视。由于电能质量问题中，电压质量问题与用 户损失联系更为紧密，有定义认为电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当是 恒定频率和恒定幅值的正弦波形电压与连续供电【l 】。因此本文在分析电能质量问题 时，站在用户立场，重点讨论了电压质量问题，提出了一套电压质量的综合评估管 理体系。通过对电压质量的评估，确定供电质量的水平。本文主要工作包括两个方 面：基于可拓学的电能质量综合评估方法的研究和电能质量的在线综合评估的实 4 华北电力大学硕士学位论文 现。 1 4 1 基于可拓学的电能质量综合评估 1 9 8 3 年，蔡文教授在科学探索报上发表了一篇文章可拓集合与不相容问题， 又在1 9 9 4 年由科学技术文献出版社出版了他的著作物元模型及其应用，标志着 我国的一门原刨性科学可拓学的诞生。经过2 0 多年的发展，无数专家的不懈 探索，可拓学已经应用到工业、农业、军事、经济、生物、医学等领域。可拓学用 形式化的工具，从定性与定量两个角度去研究解决矛盾问题的规律和方法，其理论 支柱是物元理论和可拓集合理论，逻辑细胞是物元。 本文将可拓学与层次分析法相结合，提出一种电能质量评估的新方法。首先用 可拓学中的物元和相关函数理论，将待评价的量与评价区间的关系量化，形成关联 值矩阵；然后用层次分析法得到电能质量各指标的权重；最后用基于可拓学的综合 评价方法对电能质量进行评价，将评价结果进行统计，得到电能质量的具体量化等 级。 1 4 2 基于l a b v i e w 的电能质量综合在线评估 在研究电能质量综合评估方法的基础上，研制一个基于l a b v i e w 的网络化电 能质量综合评估系统。本评估系统与本课题组开发的电能质量在线监测系统相结 合，能够实现以下功能： ( 1 ) 能够对实时在线监测时的电能质量数据进行综合评估。 ( 2 ) 能够对储存在数据库中的历史数据进行综合评估。 ( 3 ) 针对不同用户对电能质量敏感度不同的情况，可以制定不同的权值，得到有侧 重的电能质量评估结果有助于电力市场环境下的按质定价。 ( 4 ) 能够将分析评估的结果，以直方图的形式直观的表达出来。 ( 5 ) 生成统计报表。 最后，对电能质量综合评估系统进行了实验及结果分析。实验内容主要是用本 文的电能质量综合在线评估系统与本课题组开发的电能质量在线监测系统相结合 搭建实验平台；对实验室的0 3 8 k v 电压进行了短期监测，并对监测点的电能质量进 彳亍了综合评估，对本文提出的综合评估方法进行了验证。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电能质量评估方法概述 2 1 建立完整评估体系的意义和方法 如果要对电能质量的优劣有一个清楚的了解，那么电能质量的评估就要求标准 化、规范化，就必须建立一套相对完善的电能质量评估体系，对电能质量进行科学 的评价。进行电能质量评估有以下几个作用 1 4 1 ：( 1 ) 是评价某个电网或某个供电点 电能质量优劣的主要方法；( 2 ) 是进行电能质量治理的先决条件；( 3 ) 是调查干扰 源的发射干扰和敏感用户所承受干扰的手段；( 4 ) 是供用电双发制定供电合同及明 确电能质量责任的重要依据：( 5 ) 是电能商品按质定价的重要参考。但由于长期以 来国内对电能质量的重视程度不够，所进行的评估项目不多、积累的经验不足，再 加上对电能质量评估的相关研究也太少，所以至今国内尚无一套完善的评估体系， 限制了电能质量评估工作的开展。 一般的说，针对某一具体评估内容，“指标体系+ 评估方法；评估体系”。电能 质量评估内容多，而每项的评价指标、方法又各异。因此应该先对各项电能质量问 题分别建立评估子体系，各子体系有自己的指标和评估方法且彼此之间相对独立。 同时还应该建立综合评估子体系，根据各项质量问题评估的结论，再运用综合评估 的指标和方法，作综合评估【1 0 】。最后根据各单项指标的评估子体系的评估结果以及 综合评估的结果对电能商品进行经济管理，最终实现电能的按质定价。按照这一思 想所建立的电能质量评估管理体系模型如图2 1 所示。 整个体系的结构特点是既对各项电能质量加以区分，各单项评估自成体系，在 实际中可根据具体情况作单项评估或整体综合评估，突出了灵活性。同时又将各个 不同质量问题的评价都统一在屯能质量评估这一个大的框架下，各分项的指标总和 构成总的指标体系，各分项的评估方法综合构成了总的评估方法，突出了整体性。 在完成评估后在本文第五章中根据评估方法提出管理方法，利用评估结果对电能质 量进行经济管理，从而形成了一套完整的评估管理体系。 2 2 电能质量监测在评估中的应用 电能质量的评估多是以测量数据为基础，对测量数据计算和统计分析而得出评 估结论的。电能质量监测结果是评估数据的直接来源，是质量评估的重要前提。 电能质量监测仪的采样速率要求足够高，能够记录稳态及瞬交的电压电流波 形，测量精度要高，并能对所测得的数据作必要的数据处理和计算，如f f t 变换、 6 华北电力大学硕士学位论文 电压偏差评估子体系 亘至亘三至三 。匪至圣至囹 频率偏差评估子体系 垂三亘圣亘至 = = 蘸基至匿圈 电压波动与闪交 评估子体系 谐波评估子体系 电压三相不平衡 评估子体系 电压暂降短时间间断l 电压暂降短时间l - l 电压暂降短时间 评估子体系 l间断指标r 1 间断评估方法 综合电能质量 评估子体系 电能质量 经济管理 图2 - 1 电能质量评估管理体系模型 f i g 2 - 1t h em o d e lo fp o w e rq u a l i we v a l u a t i o na n dm a n a g e m e n ts y s t e m 序分量计算等。对各项电能质量的测量条件和数据处理方法，也要符合国标的规定。 电能质量监测按测量时间长短分为连续监测和短期监测。连续监测是将监测仪 器安装在电网中的固定监测点上，对电能质量长期监测，以统计超标情况和变化趋 势。监测点一般选取各变电所的母线、电网公共连接点、干扰负荷和敏感负荷的进 线端等。而短期监测则多用于电网电能质量的定期普查评估和比较各种干扰负荷或 补偿设备投入前后对电网电能质量的影响等。 本文评估所用数据均来自于本课题组开发的网络化电能质量监测与分析系统 对o 3 8 k v 的公共连接点的短期监测，该监测系统是根据虚拟仪器的概念建立的电能 质量监测与分析系统。硬件上采用霍尔型磁平衡电压传感器与n i 公司的d a q 数据 采集板实现数据的采集，软件上利用n i 公司的虚拟仪器软件l a b v i e w 编制了电能 质量监测与分析系统程序的界面以及采集、计算、存储、统计分析、报表等功能模 块，实现了五项稳态电能质量指标的监测与分析功能。 2 3 现有评估方法概述 2 3 1 单项指标的评估方法 电能质量单项指标评估是针对确定的评估指标，根据监测所获得的数据以及当 地负荷类型特点作指标计算和统计分析，或根据当地电网的结构参数及负荷模型作 仿真计算，最后得出指标值和评估结论。 7 华北电力大学硕士学位论文 到目前为止，国家技术监督局先后组织制定并颁布了六项电能质量国家标准 3 5 4 0 1 。由于电压暂降与短时间间断对一些重要敏感负荷的影响较为严重。电压暂降 与短时间间断指标也越来越受到重视。文献【1 6 】将供电可靠性的评估指标原理引入 对电压暂降与短时间间断的评估中，给出了类似子s a r f i 的指标，如系统平均有效 值变化频率( 删尺胁) 。s a r f i x 是指在监测期内对评估对象内的每个用户，经历短 时间有效值变化次数的平均值。其计算式为： s a r f i x = 擎 。1 = 等 ( 2 ) x 为规定电压的有效值阈值，f 为由于测量事件i 的，承受电压偏差大于工( 电 压骤升) 或小于x ( 电压暂降) 的用户数，n t 为被评价对象区域内供应电力的用户 数。文献 1 7 1 1 1 s 建立了电压暂降的指标体系，并提出一种电压暂降评估的解析法： 线路逐段分析法。该方法的原理是依次考虑每条可能发生故障的线路，以一定的步 长对该线路进行逐段分析，调用故障分析程序，计算得到敏感负荷所联结的p c c 处 的电压幅值和持续时间玖。然后结合用户的敏感曲线，计算负荷点和系统的电 压暂降指标。文献 1 5 1 在供用电双方签订的有关暂降的合同中定义了“暂降分数” 的概念。文中定义s a g s c o r e = l 一( 玖+ + 嘲，3 ，、b 、为测量点各相暂降电压 标么值，如果一相或两相电压由于中性点漂移而大于l p u ，则按l p u 计算。文中 还对暂降的定义做出了规定：1 ) 只有三相中的一相电压低于0 7 5 p u 才计为发生 一次暂降；2 ) 由用户造成的暂降不计入在内；3 ) 1 5 分钟内只根据最严重的一次暂 降计算分值；4 ) 如果在1 5 分钟内发生电压中断，则任何测量到的暂降都不计入在 内。 根据电压偏差、频率偏差、电压波动和闪变、电压谐波、三相电压不平衡以及 电压暂降和短时间间断的特征( 没有包括国标暂时过电压和瞬态过电压) ，可将 各单项指标的评估方法分为如下三类； ( 1 ) 电压偏差和频率偏差的产生是与负荷需求和运行相关的，无功和有功的 不平衡是造成电压偏差和频率偏差的主要原因。对这两种质量问题，我们往往关注 偏差值的大小和偏差持续时间。对电压和频率在评估期间内作连续监测，并对监测 的数据作简单计算和统计，求出相应指标即可。 ( 2 ) 电压波动和闪变、电压谐波、三相电压不平衡问题可归为一类，三者都 是由于特殊负荷工作时电流的不规则吸取或注入( 谐波) 而引起的电压变化。这些 特殊负荷容量一般较大，如电力机车、电弧炉、大容量整漉装置等另外家用电器 单台容量虽不大，但在某些地区却占相当大的负荷比重，产生的谐波等质量问题也 不容忽视。对这三种质量问题评估的方法，主要有预测法和实测法。预测法指在电 网规划、建设阶段或干扰负荷接入电网之前通过计算、仿真的方法对可能出现的质 华北电力大学硕士学位论文 量问题进行评价。实测法指对现有的电网监测并对澳4 得的数据作指标计算和统计分 析，评价三种质量问题在时间空间上的分布特点和严重程度。 用预测法评估，供电部门必须先掌握这些特殊负荷详细资料。比如负荷的工作 方式、容量、所处位置、工作时段等。根据这些资科，再加上电网参数的数学模型， 就可以对此类质量问题作预测分析了。预测分析法通常是先根据电网的结构和参数 作网络的等值电路图。计算谐波时，网络参数应是该次谐波的参数；计算三相不平 衡时，应用三相序的参数。然后根据负荷的特性得到负荷工作时吸取或注入( 谐波) 电流，就可计算出因负荷不规则电流而引起的公共点电压变动量来。最后求取各项 指标。具体的预测计算方法也很多，可参阅文献0 9 - 2 1 。用预测方法分析时，各计 算量的数学模型如网络结构、参数、负荷的工作电流必须有一定的准确性，否则会 有较大的误差。 用实测法评估此类质量问题，主要是根据监测仪测量的数据作统计分析和指标 计算。在较先进的一类监测仪中一般已经对数据作了计算处理，一些质量问题的部 分指标，都是可以从监测仪输出数据中直接得到的。更多的是建立数据库对这些数 据进行统计分析工作，现已有不少成熟且功能强大的监测数据分析软件可以利用， 如f l u k e 公司的s c e n a r i o 分析软件，可节省大量的人工计算。 ( 3 ) 电压暂降与短时间间断的评估方法大多借鉴可靠性评估方法【”1 1 2 2 1 2 3 1 。但 与可靠性问题不同的是，电压长时间间断会给所有负荷造成影响，而电压暂降与短 时间间断只会给一些高新技术产业中的敏感性负荷产生影响，例如：可编程逻辑控 制器( p l c ) 、可调速电机( a s d ) 等。也就是说电压暂降与短时间问断与负荷的敏 感程度有关。因此，在评估这类问题时要与用户的敏感度相结合。而确定某点电压 暂降和短时间间断发生时它们的几个特征量，则是通过选择电力系统的部分站点进 行长期电能质量实地监测或对系统进行随机预估的方法。相比而言，前者更准确， 但受到所需费用高和监测周期长的限制。而随机预估会很好地解决这两个问题，它 又可分为临界距离法和故障点法【2 2 】【2 3 1 ，临界距离法计算简单，在系统结构未知的情 况下也可以应用，但它只能计算线路故障时的暂降幅值，不能将变电站、母线等故 障情况加以考虑，同时它没有记及暂降持续时间对敏感负荷的影响；而故障点法可 考虑各种情况及各特征量的影响，但它相对复杂，且计算量大。文献f 2 6 将两种方 法结合，综合各自的优点，提高了准确度、减少了计算量。最后将实测或随机预估 而得到的电压暂降和短时间间断发生次数进行统计，与各类敏感性负荷的敏感度曲 线( 如美国信息工业协会制定的i t i c 曲线) 相结合，统计出评估对象范围内受影响 的总次数，可以求出剐脚巩等指标来。 电能质量监测和评估一定程度上是以电能质量分析为基础的。随着对电能质量 现象的深入研究，电能质量分析方法得到了不断地创新和发展，这又促使了电能质 9 华北电力大学硕士学位论文 量监测方法和评估方法的改进。近年来，许多学者利用小波变换、人工神经网络、 分形等方法来分析电能质量现象，并将这些方法应用于电能质量监测和评估当中， 已取樽了不少的成果。 2 3 2 综合评估方法 国家标准和许多文献中，对上述各项电能质量问题都有比较完善的评估指标和 评估方法，但将电能质量作为一个整体，作综合评估，却还少见。一个电网中各种 电能质量问题往往同时存在，并不单一。不同电能质量问题对不同设备均有不同的 影响，特别是当多个电能质量问题同时存在时，不同的组合对设备的影响是十分复 杂的问题，这使得电能质量的综合评估难以总结出一种准确、有效的方法。然而当 对供电部门电能质量考核、评价用户对供电质量满意度以及给电能合理定价时，电 能质量的综合评估却十分有必要。 现有的综合评价方法主要可分为两类，第一类综合评估方法是以各项的评估为 基础，综合多项指标得出综合指标对电能质量加以评估；第二类是从能量角度对电 能质量加以评估。 ( 1 ) 对于第一类评估方法，文献【5 9 】提出了应用模糊原理综合多项评估指标， 实现电能质量综合评估。文献【5 】先确定评价对象的因素论集，该集的元素即为各评 价指标；然后确定评语等级论域，例如可以把电能质量分为优质，合格，低质，不 合格四个等级；再确定各个指标对各等级的隶属度，最终得到反映电能质量状况的 各指标的定量描述，即隶属度集；最后确定指标隶属度样本集，根据择近原则，判 断隶属度集属于哪个等级。文献 6 8 】利用模糊综合评价方法对电能质量进行综合评 价。其步骤前两步与文献 5 】所提出的方法一样，即确定因素论集和评语等级论域， 第三步为确定各个指标对各等级的隶属度，形成模糊关系矩阵；第四步，利用公式 b = ao r ，得到综合评价结果集，其中为权重向量，表示各指标的权重。但是文 献【6 8 】中没有提出权重的求取方法。文献 9 提出了用层次分析法( a h p ) 确定各指 标的权重，然后用模糊综合评价对电能质量进行综合评价。 文献 1 0 1 提出用两个电能质量综合评估指标来对电能质量进行综合评估。这两个 指标是：供电电能质量指标q c 和电网电能质量指标q n 。它们的计算式如下： 三 q c = k c i q i ( 2 2 ) q = k 吼 i - 1 = ) ) ( 2 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 其中再为单项评估指标数，q t 即为各单项的质量级别值，按其质量在评测期间的严 重程度评定。疋i 按质量问题对用户负荷的危害程度来制定，它与负荷的特点及其所 占供电容量的比重有关，如某配网内的负荷对电压短时间断和暂降比较敏感的负荷 比重高且造成的损失大。则该质量阀题的权重也相应较大。k 是各质量问题的权 重，它是q i 的函数，其值大小与各质量问题的质量级别值有关。q c 考虑了负荷的特 性，在一定程度上反应了用户对电能质量的满意度，是一个相对指标；q 是一个绝 对指标，反映了电能质量的实际严重程度。 ( 2 对于第二类评估方法，文献【1 2 】【1 3 】利用定义瞬时功率来评价电能质量， 该方法通过p 唧r 坐标变换1 1 1 1 将电压电流从a 、b 、c 三相转换到p 口，坐标系中，重 新定义了瞬时功率，然后将瞬时功率细分，瞬时有功被分为正序有功和畸变有功， 瞬时无功被分为交替功率( a l t e r n a t i n gp o w e r ) 和交互功率( i n t e r a c t i v ep o w e r ) ，详。 细介绍了各功率的意义，并在此基础上定义了一些电能质量指标，如有功畸变因子 a p d f ，有功转移因子a p t f 等以此来判定电能质量。 文献【1 4 1 建立一个综合指标以实现从用户侧评价所连接的公共连接点( p c c ) 上的电压质量。采用基于能量空间的电压质量指标，并根据此指标对电压质量进行 评价，该方法定义实际电压波形与理想电压波形之间的距离： - 劂。k 扣叫2 ( 2 - 4 ) ，三 其中酬。( f ) - 舶小 以及能量偏差系数， v q d f ( t , t + 1 ) 一丽e d 稠( t , t + r ) ( 2 - 5 ) 其中肋( f ，r + z ) 一妻i “；( f l 出，t 【o 刀，腮眦“刁- f 塞：o 如- 3 辜；( f ) ，“t 为实际的瞬时电压，“。( f ) 为理想瞬时电压。 2 4 综合评估中用户的敏感度问题 电能质量的综合评估，与各单项指标的评估以及用户对不同电能质量问题的敏 感程度密切相关。不同的用户对同一公共连接点电压的评估结果不相同。因此在对 电能质量综合评估之前，首先要确定用户对各种电能质量问题的敏感程度。 1 1 华北电力大学硕士学位论文 电能质量综合评估之前，首先要确定用户对各种电能质量问题的敏感程度。 2 0 世纪8 0 年代，美国计算机商业设备制造者协会( c o m p m e r b u s i n e s s e q u i p m e m m a n u f a c t u r i n ga s s o c i a t i o n c b e m a ，现已改称i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yi n d u s t r y c o u n c i l i t i c 信息技术工业协会) 基于大型计算机对电能质量的要求，提出了电压 允许的c b e m a 曲线，以防止电压扰动造成计算机及其控制装置误动和损坏。该曲 线是根据大型计算机的实验数据和历史数据绘制的。对于其他敏感性负荷的 c b e m a 曲线，可参照该曲线并根据实际情况制定。c b e m a 改称信息技术工业协 会后，其所属的第三技术委员会对图2 2 的曲线进行了修订，后称其为i t i c 曲线i i j 。 该曲线目前常被用于电压暂降的评估当中。 敏感程度的确定是韭常复杂的问题，只有通过对供电区内负荷的调研和研究电 能质量指标恶化对电气设备和负荷的影响后，才能确定出一个比较合理的权重值。 1l o1 0 0 c y c l e 图2 - 2c b e m a 曲线 f i g 2 - 2c b e m a c u r y e 文献 2 4 详细讲述了这方面的工作以及取得的成果。 华北电力大学硕士学位论文 第三章基于可拓学的电能质量综合评估 目前，以各项指标的评估为基础评估的评价方法多数基于模糊评价方法。文献【3 】 给出了各电能质量指标的模糊模型，形成隶属度集，根据择近原则来判断电能质量等级。 文献 4 】采用模糊综合评价方法进行评价，但未给出权重的确定方法。文献【5 】用层次分 析法( a n a l y s i so fh i e r a r c h yp r o c e s s ，a h i ) 得到主观权重，然后将主观权重修正形成可 变的综合权重，结合模糊方法进行综合评价。 模糊评价方法的核心就是如何将待评价量与评价区间的关系用模糊的方法进行量 化，但如果待评价量与数个评价区间隶属度相近，则归属区间难以确定。本文采用了可 拓学作为量化的数学工具，并结合文献【5 】中的层次分析法，提出了基于可拓学的电能质 量综合评估方法。 3 1 可拓学介绍 1 9 8 3 年，蔡文教授在科学探索报上发表了一篇文章可拓集合与不相容问题，又 在1 9 9 4 年由科学技术文献出版社出版了他的著作物元模型及其应用，标志着我国 的一门原创性科学可拓学的诞生。经过2 0 多年的，无数专家的不懈探索，可拓学 已经应用到工业、农业、军事、经济、生物、医学等领域。可拓学用形式化的工具，从 定性与定量两个角度去研究解决矛盾问题的规律和方法，其理论支柱是物元理论和可拓 集合理论，逻辑细胞是物元。 3 1 1 物元模型 人们通过大量的实例发现，处理矛盾时，必须将事物、特征及相应的量值一起来考 虑，才能更贴切地描述客观事物变化过程，构思出解决矛盾的方法，把解决矛盾问题的 过程形式化。为此可拓学理论引入了有事物、特征和相应量值构成的三元组一物元，作 为描述事物的基本元素。 ( 1 ) 事物：为区别和认识事物，用名称来代表它们。事物按照属性可分为个事物和 类事物，按照事物的存在性可分为存在事物和期望事物。 c 2 ) 特征：定义为一切能够表示事物的性质、功能、行为状态以及事物问关系的征 象，按照解决问题的需要可分为三类：功能特征、性质特征、实意特征。 ( 3 ) 量值：事物关于某一特征的数量、程度或范围称为该事物关于这一特征的量值。 量值可分为数量化量值和非数量化量值，用实数及某一量纲来表示的量值称为数量化量 值；使用描述性文字而非实数表示的量值称为非数量化量值。以范围或集合表示的量值 1 3 华北电力大学硕士学位论文 称为量域。后面将用到的经典域和节域概念就是量域的例子。 以给定事物的名称特征c 和关于特征的量值v 组成有序三元组作为描述事物 月= o r , c , 们 的基本元，简称物元。其中，由 7 ；f 口c 确定，记作 v = f ( 川 一个事物有多个特征，如果事物以竹个特征q ， 表示v l ，v 2 描述，则表示为： 3 1 2 关联函数 ( 3 1 ) ( 3 2 ) c 2 ，c 。和相应的量值描述，则 惜阁i 在解决实际问题时，遇到的是各种样的实际情况，问题的矛盾程度是用事物关于某 个量值符合要求的程度表述的，事物的量值可分为数量值和非数量值，非数量值必须通 过数量化变成数量值，然后利用可拓集合在实轴上研究事物与量值之间的关系，而可拓 集合是用关联函数来刻画的，因此，我们要建立实轴上的关联函数，才能使解决矛盾的 过程定量化成为可能。利用物元理论和关联函数进行可拓分析的过程如图3 - 1 ： 给定论域矿和特征c 的量域w q 上 对事物n e v , 作r 2 a v , c , c a v ) ) 0 c 御量化为如，得r 。似c ，别 上 规定关于量值得要求x 和 上 建立实轴上得关联函数置 上 计算例表示c 俐符合要求程度 0 x 伍j x 俐表示符合要求程度 图3 - 1 事物可拓分析过程框图 f i g 3 - 1b a s i cs t e po f e x t c n i c sa n a l y s i s 1 4 华北电力大学硕士学位论文 定义设为论域，x 是u 对实域，的一个映射，t 为给定的对元素的变换，称 a ( r ) - - o , , y ，j ，) f “u ，j ，= k ) l ) ，。= k ( 她) e i ( 3 - 4 ) 为论域u 上关于元素变换的一个可拓集合，y = x ( 甜) 为j ( r ) 的关联函数，= 足( 死) 为 盈r ) 关于变换r 的关联函数，称为可拓函数。则称 互= ( 材，y ) i u u ，) ，= 足 ) ( ，+ ) ( 3 5 ) 为论域u 上的一个可拓集合，y = k ( 甜) 为a c t ) 的关联函数。x 0 ) 为甜关于j ( r ) 的关 联度，称： 互= u l u u ，x 0 ) o ( 3 - 6 ) 为a 的正域。 互= p l 钳u ，譬o ) 吣 ( 3 7 ) 为a 的负域。 五= u l u e u ，k ( 村) = o ( 3 8 ) 为a 的零界，显然，若群e 五则u e 复且 互。 总之，经典集合用0 ，1 描述事物具有某种性质与否，而可拓集合用( m ，佃1 的实数 来表示事物具有某种性质的程度，正数表示具有该性质程度，负数表示不具有该性质程 度，零则表示既具有该性质又不具有该性质。 关联函数首先定义了“距”的概念来表达坐标轴上一个点与一个区间的关系：为了 建立实数域上的关联函数，首先把实变函数中距离的概念拓广为距的概念，作为把定性 描述扩大为定量描述的基础。 把点与区间的位置关系用定量的形式精确表示：设x o = ，则点x 关于盖。的 “距”为： 贴m ，= | r 一半l - 字 b 在可拓学中“距”的概念与经典数学中“距离”的概念有所不同：当点在区间之外 时，距与距离表达的含义相同：当点在区间之内时，距是负值，而距离为零。 关联函数将一个点与两个不同区间的关系定义为“位置”：设x o = ， x = ，且x o 亡彳，则点x 关于x o ，x 的“位置”为： 。瓴盖o ，柳= p 玲- 1 鹏工o ) ：篡 ( 3 1 0 ) 在“距”和“位置”概念的基础上，针对最优取值x 0 在x o = 中所处位置不 同，定义了不同关联函数。 所谓最优取值x o ，指x = x o 的时候，取得最佳效果。如：q - 程预算为5 1 0 万元， 则最优预算为5 万元。洗澡水合适温度为4 0 一4 5 摄氏度，某人感觉最佳温度为4 4 摄氏度。 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 当最优取僵x o = ( 口+ b ) ，2 时： 七= 瓦p ( 鬲x , x 历o ( 3 - 1 1 ) ( 2 ) 当最优取值和( 口+ b ) 2 ： = 畿岩( 3 - 1 2 ) p ( x ，x o ，x o ) 分为左侧距公式和右侧距公式，分别表示最优取值x o 位亍= x o 口，b 左半部 分和右半箭分时的“距一： 左侧距公式：p ( x ，x o ，x o ) = 4 一x 工s a x b ，x x o x o e ( 口，( 口+ 6 ) 2 )( 3 - 1 3 ) 皇二竺o a ) ，x ( ”o ) 口一工o l a x ，x x o i x - b ，x b 右侧距公式：p ( x ，x o ，x o ) = 翮( ( a + b ) 2 ，b )( 3 1 4 ) i 要竺( 6 一x ) ，x e ( 砘6 ) l 口一x o 特别的，当最优取值x o = 口时： a - xxa 舯 m = p ( a , a , x o ，= 也o ：篡 关联函数计算结果具有以下性质： k ( x ) = o 表示“既是又非”的元素，即零界元素。 k ( x ) 0 表示属于正域的元素。 素( ( 3 1 8 ) 表示评价电能质量等级的全体。( c 1 ，d - ) 表示c l ( 电压偏差) 的所有评价等级的总 的范围。 ( 3 ) 待评估物元 将一组待评估的电能质量的数据用物元形式表示，具体形式如下： r = n oc lx 1i c 2x 2i o 船i ( 3 1 9 ) c x 。j c jx ，i o 代表待评估的一组电能质量数据。柏为实测的c l ( 电压偏差) 的值。 3 2 2 关联函数计算 在确定了电能质量评估的经典域物元、节域物元和待评估物元后，可以用可拓学中 的关联函数将待评估物元与经典域物元、节域物元的关系进行量化。 关联函数把物元中的的元素映射到实轴上，表述实轴上的一个点x 与两个区问： x o ：( a 。6 ) 、x = ( c ，d ) 且舶e x 的量化关系。当关联函数大于零，表示该元素具有此性质； 当关联函数小于零，表示该元素不具有该性质；当关联函数等于零，表示该元素既具有 该性质，又不具有该性质，为零界元素。通过关联函数，可以定量地描述任意元素与该 区间套关联的程度，而且对同一范围内的元素，也可以通过关联函数的大小区分出不同 的层次。通过关联值的计算，可以将待评估的电能指标和各质量等级的关系量化。 3 3 指标权重的确定 层次分析法( t h ea n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s 简称a h p ) 是美国运筹学家 t l s a t t y 于7 0 年代所创立的一种定性与定量分析相结合的多目标决策方法，其本 质是试图使人的思维条理化、层次化。用a h p 作系统分析，首先在对系统深入了解 华北电力大学硕士学位论文 的基础上把问题层次化。即充分利用入的经验和判断把各个因素分成层次予以量 化，然后对决策方案的优劣进行排序。具体做法是根据问题的性质和要达到的总目 标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素间的相互关联影响及隶属关系，将 因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型，最终把系统分析归结 为最底层相对于最高层的相对重要性权值的确定。根据权值大小对问题进行排序。 a h p 的基本步骤可分为4 步，即建立问题的层次递阶结构、确定比较判断矩阵、层 次单排序( 计算相对权重及检验) 和层次总排序。 3 。3 1 建立层次递阶结构 对于决策问题，通常可以划分为目标层，表示解决问题的目的，即层次分析要 达到的总目标；准则层，表示采取某些措施、政策、方案来实现预定目标所涉及的 中间环节，一般又可分为策略层、约束层、准则层；方案层，表示要选用的解决问 题的各种措施、政策、方案等。在层次模型中，用作用线表明上一层因素与下一层 因素之间的联系。如果某个因素与下一层次所有因素均有联系，则称这个因素与下 一层存在着完全层次关系。但经常存在的是不完全层次关系，即某个因素仅与下一 层次中某部分因素联系。当我们评估电能质量时，可建立如图3 2 所示的电能质量 评估层次模型。 图3 - 2 电能质量评估层次模型 f i g 3 2h i e r a r c h ym o d e lo fp o w e rq u a l i t ye v a l u a t i o n 图3 - 2 所示的电能质量评估层次模型考虑较多的指标，在实际评估中由于单项 指标可监测性、评估方法的确定等条件的限制，有些指标尚不能列入评价体系中。 1 9 华北电力大学硕士学位论文 随着电能质量问题的深入研究也可以在层次结构中增加新的评估指标。 3 3 2 判断矩阵的构成 在确定的递阶层次机构中，每一个元素和该元素支配的下一层元素构成一子区 域，对于子区域内的各元素采用专家咨询法来构建若干个判断矩阵。 设a 层元素m 与下层元素召l ，岛，焉有联系，则判断矩阵如表3 1 所示。 表3 - 1 与a t 有联系的丑层元素判断矩阵 t a b l e3 - lt h e j u d g m e n tm a t r i xo