（电力系统及其自动化专业论文）基于电力市场的电压质量综合评估.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于电力市场的电压质量综合评估， 是本人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己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：垫整 日期：之! 盟簦! ! 1 312 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 e t 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1 作者签名： 日 期：蹙缝! ! 虽! ! 璺日期：幽堂 o ， 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 电能既是一种经济、实用、清洁且容易控制和转换的能源形态，又是电力部门 向电力用户提供，由发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品。如今，电能作 为走进市场的商品，与其他商品一样，无疑也应要求高质量。 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电i 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、间谐波或次谐波、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。它包括电流质量和非技术含义等，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 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，用电方 受到的任何电力干扰而影响其正常生产都可以通过经济或者法律手段来解决。电力 华北电力大学硕士学位论文 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 美元；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 美元；某计算机中心2 秒的供电间断引起约6 0 0 ，0 0 0 美元的损失；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【。”，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 电能质量是亩多指标体现的，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 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。 2 华北电力大学硕士学位论文 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 一1 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( g 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 t1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) j n 电能质量暂时过电压和瞬态过电压( g b t1 8 4 81 - 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己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。 13 ，2 电能质量的综合评估 对电能质量的综合评估，国内外研究的相对较少。电能质量的综合评估是以各 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 卜 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 l 卜【1 3 运用p g - 厂坐标变换的方法将电压电 流从a b c 三相转换到p 盯叫坐标系中，然后重新定义瞬时功率并将瞬时功率细分，并在 此基础上定义了些电能质量指标，以此来评价电能质量。文献【1 4 】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。 华北电力大学硕士学位论文 13 3 电能质量管理 传统意义上的电能质量仅仅指供电可靠性和频率指标。因此，以往在涉及到供 电质量水平问题时，往往多用供电可靠率和每户平均停电次数等主要指标来评价计 算。有关可靠性的管理研究己经有了一些进展。文献 1 5 】 1 6 提出基于可靠性指标的 可靠性定价，即根据用户以及供电公司双方要求确定p b r ( p e r f o r m a n c e b a s e d r a t e ) 图，主要是确定奖励和惩罚点以及最高奖励金额和最高惩罚金额，然后根据供电可 靠性指标在一段时间内的概率分布图确定供电公司在该段时间内所受的惩罚金额 或奖励金额。文献【1 7 】提出以签订可靠性保险合同的方式降低用户损失，提高供电 公司改善电能质量的积极性，同时间接的将可靠性与电价联系起来。可靠性保险分 离了配电网传输电能的服务和电能质量辅助服务，使褥用户可以根据自身的需要通 过购买保险来购买相应的可靠性。有关除供电可靠性以外的电能质量经济管理的研 究相剥较少，文献【1 8 给出了签订供用电合同保障电能质量的样本，在规定中偏重 于考虑供电可靠性。文献【1 9 举出了美国c h r y s l e rc o r p o r a t i o n 和f o r dm o t o r c o m p a n y 以及g e n e r a lm o t o r sc o r p o r a t i o n 与d e t r o i te d i s o n 供电公司签订的关于电 能质量的合同，该合同主要考虑了电压暂降，合同提出了暂降的评估方法以及赔偿 措施。这些单一的配电侧电能质量管理方法存在以下几个弊端：缺乏提高电能质量 的激励机制、电能质量扰动的风险分配不合理、不能根据用户的需要提供合理的电 能质量、电能质量的价值不明确。这种管理方法不能指导供电方做出正确的电能质 量投资决策。电力市场的实施，电能作为普通商品进入市场，“多质量电能供应” 和“按质定价”已成为必然。 1 4 本文的主要工作 通过对电能质量问题背景以及电能质量评估方法和经济管理的研究现状的分 析可以看出，电能质量的综合评估以及经济管理已经目益受到人们的重视。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 。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，并在此基础上利用保险理论对电压质量进行经济管理。 本文的主要工作包括： ( 1 ) 论述建立完整的评估体系的意义和方法，比较现有的评估方法，指出现 有评估方法存在的问题，并针对这些问题提出新的综合评估体系，该体系先通过基 于可变权重的综合评估方法对电压质量进行综合评估，得到新的评估指标；然后利 d 华北电力大学硕士学位论文 用新的算法计算当电压质量不合格时用户所消耗的电量；最后将保险机制运用到电 压质量管理中去，初步实现了电能的按质定价。 ( 2 ) 新评估方法的研究。运用层次分析法确定用户对不同电压质量问题的敏 感程度，得到电压质量问题的主观权重；再运用模糊方法得到电压质量问题的客观 权重，结合主观权重与客观权重最终得到电压质量的可变权重；接着运用模糊综合 评价方法对电压质量进行评估，得到评估指标，并对评估指标进行统计；最后运用 算例证明了该评估方法的合理性。 ( 3 ) 电压质量不合格情况下用户用电量新算法的提出。介绍了p q 一，变换理 论及其功率定义，并在此基础上提出了稳态电压质量问题下用户消耗能量的计算方 法：介绍暂态电压质量问题下用户消耗能量的计算方法，最终得到电压质量问题下 消耗的总能量，并定义了总的偏差能量因子。 ( 4 ) 保险机制在电压质量经济管理中的应用。为了将电压质量与电价联系起 来，实现电能的按质定价，以及多质量供电，将保险机制引入了电压质量的经济管 理当中。首先介绍了签订保险合同的必要性，然后提出了电压质量保险合同的基本 内容，对用户和供电公司的利益以及保险合同的可行性进行了分析，最后运用算例 进一步证明了签订保险合同后用户和供电公司双方的利益变化。 在这一套电压质量评估体系中，从评估出发，最终提出用保险合同理论对电压 质量进行经济管理。 华北电力大学硕士学位论文 第二章电压质量评估方法概述 2 1 建立完整评估体系的意义和方法 对电压质量评估要标准化、规范化，对电压质量的优劣有一个清楚的了解，就 必须建立一套相对完善的电压质量评估体系，对电压质量进行科学的评价。进行电 压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压质量优劣的 主要方法；( 2 ) 是进行电压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压质量责任 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压质 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，限制了电压质量 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l l 。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电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，能够记录稳态及瞬变的电压电流波 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 三至至童垂至三，= 爿三垂至受酉 频率偏差评估子体系 电压波动与闪变 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 评估子体系 综合电能质量 评估子体系 图2 - 1 电能质量评估管理体系模型 f i g2 - 1t h e m o d e lo f p o w e rq u a l k ye 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以及暂态电能质量的监测与分析功能。 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。 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。 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 2 0 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，给出了类似于s a r f l 的指标，如系统平均有效值变化 频率( 期彤协) 。s a r f l 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。其许算式为： s a r f l ，= 静 ( 2 1 ) x 为规定电压的有效值阈值，j 为由于测量事件j 的，承受电压偏差大于x ( 电 压骤升) 或小于芏( 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 2 1 2 2 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k 和持续时间d 。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 9 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 = 卜( 比十+ ) 3 ，以、比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1 pu ，则按1 pu 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次暂 降计算分值：4 ) 如果在15 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( 没有包括国标暂对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 特殊负荷容量般较大，如电力机车、电弧炉、大容量整流装置等。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测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。根据这些资料，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 2 3 】 2 5 】。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 2 l 】【2 6 】。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间断与负荷的敏 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1 2 6 】【2 ”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 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j s a 艘l 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方法为基础的。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 9 华北电力大学硕士学位论文 能质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，己取得了不少的成果。 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台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 卜【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 卜 s i n 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 = a 。r ，得到综合评价结果集，其中a 为权重向量，表示各指标的权重。但是文 献 6 卜 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 i - 1 t ) 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 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 w 。它们的计算式如下： g c = k 训q f = l q n = k 。f q f 1 0 慨，= 0 功 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 其中”为单项评估指标数，玑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。舷，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，则该质量问题的权重也相应较大。是各质量问题的权 重，它是毋的函数，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 1 3 1 利用定义瞬时功率来评价电能质量， 该方法通过p g r 坐标变换【“1 将电压电流从口、b 、c 三相转换到p g r 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 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： 1 厂，3 i l p 删= ( ( f ) ，o ) ) = ij ：峨( f 净l ( 2 4 ) 其中，旧o ) ：i 壹k o ) 一”h 刚21 2 。 ik = 1f 以及能量偏差系数， v q 眺t + t ) = 黝 ( 2 5 ) 其中e d ( t ，+ r ) = 譬耋睢。牡，r 【0 刀，n e w ( t , r + 矽= i 砉“；o 边= 。等t ”：o ) ，何 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 电压质量的综合评估，与各单项指标的评估以及用户对不同电压质量问题的敏 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 电压质量综合评估之前，首先要确定用户对各种电压质量问题的敏感程度。 华北电力大学硕士学位论文 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 u t e r b u s i n e s s e q u i p m e n t m a n u f a c t u r i n g a 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 y i 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压质量的要求，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。该吐 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【l 】。 该曲线目前常被用于电压暂降的评估当中。 敏感程度的确定是非常复杂的问题，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。 l6 1 4 l2 l 0 8 o6 04 uil1 0l o o c y c l e 图2 - 2c b e m a 曲线 f i g 2 2c b e m ac u r v e 文献 2 卜【4 详细讲述了这方面的工作以及取得的成果。 前面所述的综合评估方法，出发点不同，最后所得指标在一定程度上都反映了 电能质量水平，但这些方法也有不足之处。有的方法未考虑不同用户对电压质量问 题的敏感程度，有的虽然考虑了但未给出用户敏感度的量化方法，有的评估方法不 能反映单项电压质量问题的严重度。因此本文在提出的综合评估方法中，侧重点放 在用户敏感度的确定上，即不同电压质量问题权重的制定上。在确定了可变综合权 重后，又利用模糊综合评价方法对电压质量进行了综合评估，并给出了结果统计方 法，定义了电压质量合格率。该方法将在第三章中给出详细的介绍。 m臼卜一zo兰叫o-ioo 华北电力大学硕士学位论文 第三章基于可变权重的电压质量模糊综合评价 本章对电压质量的综合评估进行了研究，考虑到不同用户对不同电压质量问题 的敏感程度有很大差别，以及实际评估中，不同电压质量问题的严重度不同，提出 了一种基于可变综合权重的电压质量综合评估方法，该方法有利于区分电压质量等 级，实现了电压质量的定性和定量评价。 3 1 电能质量评价指标 电能质量评定应从技术性和非技术性两方面进行f l 。技术性方面是从供电电能 质量的角度衡量，称为技术性指标：非技术性方面是从服务质量角度衡量，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，称为服务性指标。技 术性指标包括电压质量、频率质量和供电可靠性3 个方面。电压质量又可分为稳态 电压质量和暂态电压质量。稳态电压质量可以从电压偏差、电压波动和闪变、电压 波形畸变以及三相电压不平衡等方面来衡量；暂态电压质量可以从暂降、暂升、瞬 时间断、暂时过电压和瞬态过电压、脉冲等方面来衡量。从供电质量的角度来说， 这些质量指标不仅与偏离标准的程度有关，而且还与偏离标准所持续的时间有关。 3 2 各项指标权值的确定 指标权重的确定方法大致可分为主观赋权法和客观赋权法f 2 8 】 2 ”。主观赋权法是 根据决策分析者对各指标的主观重视程度而赋权的一类方法，层次分析法( a h p ) 就属于主观赋权法。客观赋权法是指利用指标所反映的客观信息确定权重的一种方 法，主观赋权法客观性差，但解释性强：客观赋权法确定的权系数虽然在大多数情 况下客观性较强，但有时会与各指标实际重要程度相悖，而且解释性较差，对所得 的结果难以给出明确的解释。为了兼顾不同用户对指标的偏好不同的特点，并力争 减小主观随意性，使对指标的赋权达到主观与客观的统一，本文在a h p 基础上提出 了一种新的综合赋权方法。该方法先利用a h p 对各项指标进行主观赋权，在评价过 程中，又根据具体指标值进行客观赋权，最后得到一个可随被评价对象具体质量情 况变化的可变综合权重。 3 3 层次分析法介绍“ 3 2 l 层次分析法( t h ea n a l y t i c h 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 1 3 华北电力大学硕士学位论文 tl 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 的基础上把问题层次化，即充分利用人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，表示采取某些措旎、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 1 所示的电能质量 评估层次模型。 图3 - 1 电能质量评估层次模型 f i g 3 1h i e r a r c h ym o d e lo f p o w e rq u a l i t ye v a l u a t i o n 1 4 华北电力大学硕士学位论文 图3 1 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。 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，对于予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a t 与下层元素b 1 ，b 2 ，鼠有联系，则判断矩阵如表3 1 所示。 表3 - 1 与m 有联系的b 层元素判断矩阵 t a b l e3 - 1t h e j u d g m e n tm a t r i xo f e l e m e n t si nb h i e r a r c h yc o r r e s p o n d i n gt o a a kb tb 2 b 。 b lb 1 1b 1 2 b l 。 b 2b 2 lb 2 2 b 2 b 。b 。lb n l b 。 其中6 ，表示对于爿e 而言，其下一层任意元素岛对目相对重要性的数值表现。通 常b 。取l ，2 ，3 ，9 及它们的倒数，其含义如表3 - 2 所示。 表3 - 2 元素两两对比时的重要性等级及其赋值 t a b l e3 - 2t h ei m p o r t a n c eo fe l e m e n t sa n dt h ev a l u ew h e nc o m p a r i n gt h e m 显然，对于任何判断矩阵都有6 庐1 ，6 。= l b 。判断矩阵的值根据客观数据、专 家意见和分析者的认识综合给出。理想的判断矩阵b = ( 6 ，) 满足：( 1 ) b , j 0 ；( 2 ) 6 ，= 1 6 ”i ，产1 一，刀；( 3 ) 6 。= 1 即b 为正互反矩阵；( 4 ) 6 。= 6 i k b 灯 i ，k = l ， ， 肌由于电压质量问题对不同的用户影响不同，不同的用户对电压质量问题的评价 就不相同，因此对于电压质量的评估可根据不同类型的专家库( 由不同类型用户组 成) 确定各质量问题的权重。 3 3 3 进行层次单排序并进行一致性检验 华北电力大学硕士学位论文 3 331 层次单排序 所谓层次单排序是指，根据判断矩阵计算对于上一层某元素而言本层次与之有 联系的元素重要性次序的权值。它是对层次所有元素针对上一层而言的重要性进行 排序的基础。 层次单排序可以归结为计算判断矩阵的特征值和特征向量问题，即对判断矩阵 b ，计算满足b w = 2 。w 的特征值与特征向量。式中，a 。为b 的最大特征值，w 为相应于a 。的正规化特征向量。把w 的分量m 作为对应元素单排序的权值。 当精度要求不高时，可以用近似算法来计算权值。具体步骡如下； ( 1 ) 将b 中的元素按行相乘，乘积记做m = 兀 o = 1 ，功； ( 2 ) 将这些乘积开拧次方根，方根记作霹= ：m f( j h t ，n ) ； ( 3 ) 将方根组成的向量旷= - 瓦】r 归一化，得w = - 1 k r ，其中 w ，= l ( f = 1 ，胛) ，即主特征向量； 砺 计算主特征帆a x = 善潞舯c 删两删的第，个魑 ( n 聊，表示”w 的第i 个分量( i = 1 ，7 ) 。 33 32 一致性检验 根据正矩阵理论，可以证明b 矩阵具有唯一的非零最大特征根 。，且a 。，= ， ， 这时矩阵b 称为一致性矩阵，一致性矩阵b 满足：国一村) 。w = 0 ，其中矿为b 矩 阵的对应于特征根值盯的唯一列向量，反映了各种因素相对于上一层某项的重要 程度。然而对复杂事物的各因素，人们采用量量比较时，不可能做到完全一致，从 而存在估计误差，并导致特征根及特征向量也有偏差，为了避免误差太大，所以应 该对判断矩阵b 的一致性进行衡量。当b 完全一致时，因b t - 1 ，则有丑= = 肛， 因此存在唯一的非零的特征根a = = ”；而当b 存在判断不一致时，一般有 矗。，l 口此时五。+ 五产= n ，于是有。一玎= 一丑。将k 。一聆的平 均值定义为判断矩阵一致性的指标，即定义；a ：一n - 1 ：j = 至# m a x 为检验判断矩 华北电力大学硕士学位论文 阵的一致性指标。a 值越大，判断矩阵的完全一致性就越差。一般只要c i e o 1 0 时， 即认为判断矩阵是可以接受的，否则就需要重新进行两两比较判断。 判断矩阵的维数 越大，判断的一致性将越差，为此引入判断矩阵的平均随机 性一致性指标肼见表3 3 ，并取更为合理的c 尺来衡量判断矩阵一致性的指标。定 义c r 为： c r ：里 彤 当c r 小于01 0 时，认为判断矩阵具有良好的一致性。 表3 - 3 矩阵阶数为1 1 0 的r i 值 t a b l e3 3r io f t h em a t r i xw i t ht h er a n ko f1 1 0 3 3 4 层次总排序( 计算综合权重及检验) 利用同一层次中所有层次单排序的结果，就可以计算针对上一层次而言本层次 所有元素重要性的权值，这就是层次总排序。 设有目标层a ，准则层b ，子准则层c 构成层次模型，如果已经求得目标层对 准则层b l ，b 2 b 3 的相对权重向量为1 ) = ( ”1 ”，w 2 ( “w k ( 1 ) ) 。和准则层6 。( 卢l ，2 一d 对子准则层c l ，c 2 ，“的相对权重向量为2 ) = ( w l f ( 2 ，w 2 f ( ”w 。f ( 2 ) 1 ，l = 1 ，2 ，k 。 那么子准则层c 。，c 2 一c 。对目标而言，其相对权重是通过权重肜1 ) 与晰( 2 ( 辟1 ，2 一功 组合而成，即 w j = t ，2 一n 向量( 2 ) = ( v l ( ”，v 2 ”v n ( 2 ) ) 7 即为目标层对各子准则层的相对权重向量。 总排序的一致性指标a 为： k c i = w j ( 1 ) c i ， ，= 1 k r i = y w j o ) r l ， ，= 1 产1 ，2 ，弹 c r ：一c i r l 其中c 巧、码为准则层对目标层单排序的一致陛指标。 w o 瑚 = 啦， 华北电力大学硕士学位论文 综上所述，上述层次分析法的步骤可表示成如图3 - 2 的流程。 否 设计被评价对象的层次结构模型 专家咨询，并对每位专家分层列写 判断矩阵群 用特征向量法求每个判断矩阵的权 重向量 对判断矩阵进行一致性 检验，是否满足要求 、r l f 用权重向量综合法( 加权几何平均) 求各判断矩阵的权重向量 求合成权重向量 图3 2 层次分析法求权重向量的算法 f i g3 - 2t h ea l g o r i t h mo f w e i g h t v e c t o ru s i n g a h p 3 4 模糊综合评判方法介绍【3 3 】 模糊综合评价是在考虑多种因素的影响下，运用模糊数学工具对某事物做出综 合评价。模糊综合评价的数学模型涉及三个要素： ( 1 ) 因素集泸细1 ，t ，2 ，“。) ，是由评价对象各因素构成的集合； ( 2 ) 决断集肛f v l ，、，2 ，h ) ，是由将评价对象分成的各个等级