（电力系统及其自动化专业论文）电能质量仿真决策系统的研究和设计.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t p r o b l e m sa b o u tp o w e rq u a l i t yw e r er a i s e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rn e t w o r k a n d m o d e ms o c i e t y i tw a sa l s oan e wr e q u e s tf o rt h er e s e a r c ho fp o w e rs y s t e m s s i n c ep o w e rq u a l i t y s y s t e m a t i ca p p l i c a t i o nw a sn o tp e r f e c t , a l li n t e g r a t i v ec o n c e p to fp o w e rq u a l i v ys o l u t i o n ，v i z p o w e rq u a l i t ys i m u l a t i o na n dd e c i s i o n - m a k i n gs y s t e mf p q s d s ) w a sr a i s e di nt h i s p a p e r p q s d sw a sd e s i g n e dt op e r f o r mac o n t i n u o u sp r o g r e s sf o rp o w e rq u a l i t ya b o u tm o n i t o r i n g ，d a t a i n t e g r a t i n g , a n a l y s i s ，d e c i s i o n - m a k i n g a n d f i l t e r i n g i tc o n s i s t e do f as e t o f u n i f o r m ，s e q u e n t i a l a n d r e a s o n a b l et e c h n i q u e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp q s d s ，r e s e a r c h e sh a v e b e e nd o n eo nh a r m o n i c s o u r c ep r a c t i c a lm o d e l ，h a r m o n i ce l i m i n a t i n gd e c i s i o n - m a k i n ga n dp o w e rq u a l i t ye v a l u a t i o n t h e m a i nc o n t e n t sa r ea sf o i l o w s ： ( 1 ) b a s e do nt h ec e n t r a lp r o b l e m sr e s e a r c h e di np o w e rq u a l i t ya n dr e q u i r e m e n tb y f i e l d w o r ke n g i n e e r s ，f r a m e w o r ko fp q s d sw a sb r o u g h tf o r w a r d m a i nf e a m r e so ft h es y s t e m w e r ec a r e f u l l yd e s i g n e d t h r e ep h r a s eh a r m o n i cp o w e rf l o wa n de x p e r td e c i s i o ns y s t e mw a s d i s c u s s e di nd e t a i l ( 2 ) a c c o r d i n gt or e s e a r c h e so nh a r m o n i cs o l l r c em o d e l s ，m e a n w h i l e ，a i m i n ga tp q s d s d e v e l o p m e n t , as i m p i ea n dp r a c t i c a lm o d e li sr a i s e d m a i nh a r m o n i cs o u r c e ，s u c ha st h r e ep h a s e f u l lc o n t r o lb r i d g ec i r c u i t ，s i n g l ep h a s ec a p a c i t o rf i l t e r i n gc i r c u i ta n da r cf t l r n a c e ，w e r ec o n c e r n e d t h em o d e lb a l a n c e dt h es i m p l e n e s sa n da c c u r a c y , a n dc a r ls a t i s f ye n g i n e e r i n gc o m p u t e ( 3 ) o n eo f t h em a i np r o b l e m sa b o u tp o w e rq u a l i t y , v i z h a r m o n i ce l i m i n a t i n gw a sa n a l y z e d t h ew a yt oc h o o s et h ep a r a m e t e ro fp a s s i v ef i l t e ra n da c t i v ef i l t e rw a sg i v e r l t h ep r o g r e s so f e x p e r td e c i s i o nt os o l v et h ep r o b l e mw a s , p r i m a r i l yd i s c u s s e d ( 4 ) s m a r tc l i e n tt e c h n o l o g yw a si n d u c t e dt op q s d s i tw a sc o m b i n e dw i t hi e c 6 1 9 7 0 s t a n d a r d i tc a np r o v i d ed a t ai n t e g r a t i o nm e t h o di n c l u d i n gd a t af l o w , c o m m u n i c a t i o na n d a p p l i c a t i o nl a y e r , s ot h a tv a r i o u sd a t ao b t a i n e db yd i f f e r e n tc o m p a n ya n dd i f f e r e n td e v i c e sc a nb e c o n s i s t e n t l ya n a l y z e di no n ed a t a b a s e ( 5 ) am u l t i l e v e lf u z z yc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oe v a l u a t ep q t h ep qs t a n d a r d sa r er e f e r e n c e da n dk e yf a c t o r st h a ti n f l u e n c ep qa r ee x t r a c t e d n ”s ef a c t o r sa r e d i v i d e di n t ot w ol e v e l st oa s s e s sp q b yc o n s t r u c t i n gm e m b e r s h i pf u n c t i o n sf o ra l lt h ef a c t o r s s e p a r a t e l ya c c o r d i n g 缸t h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa n db yd e t e r m i n i n gt h ew e i g h t so fe a c hf a c t o ru s i n g i m p r o v e da n a l y t i ch i e r a r c h yp r o c e s s ( a h e ) ，am o d e lw h i c hc a nc l a s s i f yp qi n t of i v eg r a d e si s d e s i g n e d k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y , s i m u l a t i o na n dd e c i s i o n - m a k i n gs y s t e m ，h a r m o n i c ，h a r m o n i cs o u r c e ， f i l t e r i n g ，f u z z yc o m p r e h e m i v ee v a l u a t i o n ，s m a r tc l i e n t 绪论 1 绪论 1 1 引言【1 卅 随着我国工农业生产的发展，非线性负荷在现代工业中的应用大量增加。如冶金、化工、 矿山等部门大量使用晶闸管整流电源，工业生产中大量使用变频调速装置，电气化铁道中采 用单相整流供电的机车，高压直流输电中的换流站以及小型钢厂使用的电弧炉等，这些典型 的非线性负荷将从电网吸收或注入谐波电流，从而引起电网电压畸变。目前，国际己公认“谐 波污染”为电网的公害。另外，由于其它非线性、冲击性负荷的增加，以及电网内外发生故 障造成的电压的不对称、动态电压下降、波动等和谐波一起严重地恶化了电网电能质量，降 低了电网供电的可靠性。另一方面用户对电能质量提出了比传统的机电产品更新更高的要 求。由于电压下降、谐波等电能质量问题将使产品质量下降甚至导致生产过程中断，从而造 成巨大的经济损失。因此，电能质量问题已引起国内外专家学者的严重关注。 国外有关电能质量控制的研究正掀起高潮，从所适用的功率理论的扩展，到电能质量评 价指标体系的建立；从全国性的电能质量普查、监测到用户终端电气环境的定义；各种电能 质量问题分析方法的提出，以及用户电力技术( c u s t o mp o w e r ) 等电能质量控制技术的研究 和装置的开发正深入进行。国外已提出并开发了许多改善和提高电能质量的装置。目前， 国内在电能质量控制方面的研究大多局限在谐波问题的范围内，也提出和开发了一些改善和 提高电能质量的电能质量补偿装置，但与国外还有明显的差距。 1 - 2 电能质量仿者决策系统的研究意义 近年来，一方面，用电负荷日趋复杂化和多样化，如半导体整流和逆变装置以及变频调 速装置等电力电子设备的应用，这些具有非线性、谐波丰富、冲击性和不平衡特征的负荷会 影响到供电电网，给电能质量提出了新的问题。另一方面，用户对供电可靠性的要求越来越 高，众多基于计算机、微处理器控制的精密电子和电力电子装置在电力系统大量使用，对供 电质量的敏感程度越来越高，尤其是对供电系统的暂态性能也提出了要求。目前，尤其是国 内，对电能质量问题还是以监测分析为主，存在以下几个方面的问题： 监测点的配置需要大量的费用，系统中不可能大范围进行实施，而且采集得到的海 量数据只能够以报表的形式人工进行检查和分析，这样对数据的利用率就相当的 低。 系统中有很多节点的电能质量情况比较重要，但是又不便于安装监测装置，这些信 息通过便携式电能质量测试仪器去现场定期获得，以报表打印的形式供系统运行人 员分析和存档，不能有效地与系统数据库中的数据形成数据网，进行全面系统的分 析。 对于电能质量中比较引人关注的谐波问题，主要停留在监测治理的水平，对于系统 中谐波扩散规律等没有科学的分析方法，当系统的结构需要有改变的时候，如系统 中有新的谐波源进入时，运行人员很难迅速对系统电能质量问题的变化做出准确的 判断。 运行人员对于系统中各种电能质量的判断和处理方式完全凭借自己丰富的运行经 验，而不是科学的理论依据。这样，对于复杂的问题尤其是系统中新出现的问题， 东南大学硕士学位论文 在决策过程中就会存在困难。 所以建立一套成熟完善并且功能强大的仿真决策系统对于系统中电能质量问题的仿真、 治理、研究具有十分重要的意义。 1 3 相关问题的研究现状 1 3 1 电能质量监测 目前引起电能质量污染的负荷类型和数量越来越多，要全面掌握电能质量污染的实时状 况，首先必须通过实时的监测手段直接获取电能质量的相关信息，才能做到有的放矢。这是 进行电能质量综合治理的基础和前提。近年来，国内外一些相关企业对电能质量监测技术的 应用和发展进行了大量的探索和研究，开发应用了在线型、离线型、智能型、系统型等众多 监测设备，监测技术的应用已日趋成熟。国外，如美国d r a n e t z 公司研制的手持便携式电能 质量分析仪p p 4 3 0 0 和在线网络监测系统s i g n a t u r e s y s t e m 最近己在我国上海浦东等地区得 到了推广应用并取得较好的现场效果。在线网络监测系统s i g n a t u r e s y s t e m 是一种具有多层 次电能质量分析和电能管理的系统，由数据采集、信息中转和应用软件3 部分组成，应用于 变电站和大用户的电能质量监测，包括查找干扰原因和电能需求管理。可利用以太网、光纤 通信网或m o d e m 构成远程网络监测系统，传送完整的电能质量图像。可捕捉谐波和进行暂 态脉冲波形分析。有些设置了“应答模块”，可判别干扰信号的方向、来源和位置，实现大 规模多点分布和多用户同时监测。同时，由于使用了工业标准化协议和格式，可与s c a d a 、 e m s 等相兼容。美国f l u c k 公司推出的f 4 3 型电能质量测试仪【lj ，是一种结合了电能质量分 析功能、万用表功能和示波器功能为一体的手持式仪器。f 4 3 可测量电压和电流的波形、计 算谐波，捕捉电压瞬变和骤升骤降及浪涌电流的显示。 国内，如深圳领步公司研制的p q m 电能质量在线监控系统是在电能质量综合治理工程 经验基础上，应用数字化技术开发的实时监测系统，使复杂运算和大量的数据存储快速、准 确。可监测三相各次谐波电压、电流、功率及谐波含有率，监测三相电压、电流总谐波畸变 率、电压偏差、电压不平衡度、负序电压、负序电流及三相电压的波动和闪变等，具有信息 收发控制功能、数据处理功能、图形报表输出功能等。同时，具备现场显示功能和多种通信 控制方式，能满足远程集中监控的要求。北京航天华辉自动化技术有限公司与瑞典联合电力 公司合作，专门开发了全中文的电能质量分析评估软件，该软件依据国家关于电能质量的五 个标准，能将u 9 0 0 f 便携式电能质量分析仪和u p 2 2 1 0 在线式电能质量检测装置测量记录 的数据进行综合的统计、计算和分析，自动生成测量结果的报告。江苏电力科学院研制的电 网电能质量监测及数据管理系统，基于电力广域网实现了分层、分级管理，为建立能覆盖区 域电网的实时电能质量监测及相关数据管理创造了条件，并且己在江苏电网中实现，对提高 电网电能质量的监督管理和集中控制水平起着重要作用。 1 3 2 电能质量分析和计算 电能质量的分析和计算涉及到对各种干扰源和电力系统的数学模型，需要相应的检测仪 器、分析软件和工程方法对各种电能质量问题进行系统的分析和计算，才能对电能质量存在 的问题做出准确的判断，为解决和改善电能质量问题提供有效的依据。 由于电能质量干扰源的性质各异，干扰的频谱从零赫兹到吉赫兹，电网在不同干扰形态 作用下呈现不同的性能，分析计算的准确性不仅取决于数学模型和计算方法，还有赖于系统 2 绪论 电网基础资料的可信程度。因此，单靠建立数学机理模型的方法是很难对电能质量的各种问 题准确分析和计算的，数学模型中必需计及现场实际数据以及修正改进的过程。 近年来，应用数字技术分析电能质量的各种方法已得到运用，包括：分析谐波在电网中 的分布；分析各种扰动源引起的波形畸变及在网络中的传播；分析各种电能质量控制装置在 解决相关问题方面的作用；多个控制装置的协调以及与其他控制器的综合控制等问题。 电能质量仿真分析主要采用以下三种方法： 1 时域仿真法 时域仿真法主要是利用各种时域仿真程序对电能质量中的各种暂态现象进行研究 的一种方法，也是目前电能质量分析中应用得最为广泛的方法。目前较为通用的时域 仿真程序有e m t p 、e m t d c 、n e t o m a c 、b p a 等系统暂态仿真程序和s p i c e 、p s p i c e 、 m a t l a b 、s a b e r 等电力电子仿真程序两大类。由于这些仿真程序的不断发展，其 功能日益强大，还可利用它们进行电力设备，元件的建模和电力系统的谐波分析。 2 频域分析法 频域分析法主要用于谐波问题的分析计算，包括频率扫描，谐波潮流计算等。考虑 到一些非线性负荷的动态特性，近年来又提出了一种建立在常规谐波潮流计算方法的 基础上，利用e m t p 等时域仿真程序对非线性负荷进行仿真计算的混合谐波潮流的计 算方法，可求出各次谐波动态电流矢量，从而获得动态谐波潮流的计算结果。 3 变换法 变化法主要指f o u r i e r 变换法、短时f o u r i e r 变换法和小波变换法。 电能质量的仿真国内外作了大量研究，文献 1 2 】介绍了一套电能质量实验室仿真和实 验的平台；文献 1 3 提出了用软件对现场获取的波形进行处理的方法，同时确定其中的电 能质量问题分类；文献 1 5 1 7 】分别讨论了一些改善电能质量的装置的仿真应用。这些研究 主要是从局部的波形和装置出发，针对局部问题进行研究，很少从整个系统的角度研究电能 质量的 1 3 3 电能质量决策 决策支持系统是从计算机辅助决策系统演变而来，在计算机学科近年来迅速发展起来的 一个重要分支。由于决策支持系统能成功地帮助决策者用数据和模型去解决非程序化决策问 题，具有很好的实用价值，因此已在许多领域中得到应用。目前在电力系统中有关决策支持 系统应用的讨论有很多。也已经有人开发研制出了应用于电力系统的决策支持系统。 决策支持系统在电力系统中应用的研究是从开发研制有关研究对象的软件包和计算机 模型辅助决策系统开始的。软件包是包含多个应用于某个研究领域的计算程序的软件集合。 而计算机模型辅助决策系统一般是用单个典型的模型解决某类的决策问题。文 1 4 1 结合实际 规划环境，建立一个配电系统规划的知识库系统，系统中采用了面向对象的数据结构表示。 文 1 8 】介绍了用于在线配电系统控制和操作的决策支持系统。文 1 9 1 介绍了决策支持系统在 电力系统负荷预报中的应用。文 2 0 介绍了用于电源规划的模糊决策支持系统。 总体来讲，目前所研制的决策支持系统都是一些应用数学模型的集合，而对决策模型的 研究比较少，因而决策的功效不够高；而且系统的智能化程度都不高。这些不足在很大程度 上影响了决策支持系统在电力系统中的应用水平和实用价值。 为了提高系统的决策水平和决策的自动化程度，近年来有不少人提出把人工智能技术加 入到决策支持系统中去，形成智能决策支持系统。但有关智能决策支持系统的构想，目前还 处于探讨阶段。文 2 1 1 介绍了一个宏观经济智能决策支持系统的构想，认为一个智能决策支 持系统应该是一个具备功能集成、方法集成、软件工具集成的系统。文 2 2 讨论了广泛意义 - 3 东南大学硕士学位论文 上的智能决策支持系统的总体结构。提出了面向对象技术在系统中的应用。但到目前为止， 现在真正意义上的智能决策支持系统还没有人实现。 在电能质量方面，文献 2 3 】介绍了以监测为主的巴西电网电能质量管理系统，同时也提 出了监测点优化配置这一决策功能的研究设想。文献 2 4 、2 5 1 将启发式推理规则和理论上的 各种系统运行参数约束结合起来，研究了配电网无功控制专家系统的开发，文献 2 6 1 在此基 础上研究开发了一套专家系统，可以保持额定电压、功率因素，限制谐波电流电压畸变率在 规定范围以内，该软件能够确定最优的电容器组的配置。可以确定是否使用谐波补偿滤波器， 指出最佳的滤波器和相应的谐振频率。还可以针对谐振频率和谐波补偿确定相应的电能损耗 问题。真正实现了电能质量的仿真决策。在一个特定的方面弥补了电能质量专家决策系统的 空白，但是并没有给出针对电能质量问题从数据获取、仿真计算到决策的比较全面地解决方 案，并且知识库本身也需要进一步的扩充。对于日益严重的电能质量问题，从监测点的安装、 治理装置的安装到电网污染情况的分析，目前还是根据地区行业专家的经验来给出相应的解 决方案，缺乏一套完整意义上的决策系统。 文献 2 7 1 介绍了电能质量监测和其智能化的发展历程和今后的方向。其中特别指出未来 该领域的发展方向应包括： 系统能够获取需要的所有数据，这些数据不局限于电压和电流，还要包含如时间等其他 参数： 装置获取的数据必须可以迁移到其他的地方，可以进行其他用途，而不只是保留在便携 式设备上； 获取的电能质量数据要能和其他的数据源进行整合，用户更关心的是电能质量所产生的 后果和影响； 最重要的，数据必须要转化为信息，从而产生决策。 1 3 4 电能质量综合评估 对电力系统的电能质量指标进行综合评估非常困难。一般而言，电力系统在运行过程中 电能质量的各项指标接近系统标称值，就可以认为电能质量是达到标准要求的。但是当电能 质量的多个指标共同作用在一个系统中时，其不同的组合结果对电力系统运行的不利影响和 对电气设备性能的降低，甚至损坏都是十分复杂的问题，加之不同电气设备在不同条件下对 电压干扰的敏感度不同。因此如何给出综合的技术与经济评价仍然是非常困难的，目前尚无 一个准确的和普遍认可的定量综合评估计算方法。i l u j 1 4 本文的主要工作 综上所述，电能质量的研究和应用方面存在着以下需要改进的方面： ( 1 ) 电能质量的监测数据很多，但是数据提供统计信息、表达潜在问题的能力却不是很 强，数据的利用率较低。 ( 2 ) 对于电能质量尤其是其中的谐波问题不能够进行有效的仿真计算，不能为系统运行 人员提供决策依据。 ( 3 ) 缺乏完善的电能质量专家决策系统。 ( 4 ) 电能质量问题的研究内容较分散，没有针对着一系列问题的完善的解决方案。 本文从上述电能质量分析和决策相关问题的研究现状和需要出发，以已有电能质量仿真 系统为基础，结合实际现场运行的需要，提出了p q s d s 的框架；围绕p q s d s 的开发，在 实用谐波源模型、谐波治理智能决策和电能质量分析评估方面进行了研究，主要工作和成果 d 绪论 如下： ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 提出了p q s d s 的框架，以该领域的研究方向和现场实际需要为前提，仔细地分析和 设计该系统的具体功能，同时对其中关键的三相谐波潮流算法和专家决策功能进行 了详细的讨论。 根据已有的各种谐波源模型的研究，结合仿真决策系统的开发，提出了一种简单实 用的谐波源模型，平衡了模型的简单实用性和精确性，能够完全满足系统的工程应 用。 分析了电能质量中的主要问题之一即谐波问题的治理方案，包括无源l c 滤波和有 源滤波。主要讨论通过专家决策的方法提供优化的治理方案的过程。 引入智能客户端开发技术，将它和c6 1 9 7 0 标准相结合，从数据、通信和应用层 提供了一种电能质量数据集成的方法，使不同厂家的监测装置获得的数据和各种便 携式电能质量监测仪器现场测得的数据能够整合到一个数据库系统中，进行一致完 整的分析。为仿真决策功能提供数据。 提出了用模糊综合评估对电能质量进行评估的方法，该方法可以综合考虑电能质量 相关的各因素的表现，给出综合合理的电能质量评估结果。 东南大学硕士学位论文 2电能质量仿真决策系统 p q s d s 的开发是在电能质量问题研究的基础上进行的，系统的设计旨在将目前最关心 的电能质量问题和已有的监测手段结合起来，利用核心的三相谐波仿真算法分析网络谐波的 分布，用专家决策的方式给出一系列不同类别的结论和处理方案建议。 2 1 电能质量概述 电能是一种经济、清洁并且易于控制和转化的能源，在更加追求环境保护，绿色消费的 二十一世纪，电能将成为终端能源消耗的主要形式。电能又是电力企业向电力用户提供的一 种特殊产品，作为市场经济中的产品( 商品) ，就必须像其他产品一样讲究质量，随着社会对 商品质量认识的提高，电能质量自然成为供用电各方关注的热点。 电力企业已完全剥离政府职能，成为社会企业的一员，其企业行为，包括生产，销售， 产品质量都必须接受政府和社会的监督，虽然在电力市场化的初期，公众最关注的是供电的 可靠性和收费的合理性，但是随着市场的规范和电网的发展，特别是配电网络的发展，供电 可靠和收费合理是供电企业向社会承诺的最基本的内容。随之而来的是对电能质量的要求， 电力企业要在电力市场化中赢得声誉，争取主动，必须重视电能质量。 现代工业的发展也对提高供电的可靠性，改善电能质量提出了越来越高的要求，在现代 企业中，由于变频调速驱动器、机器人、自动生产线、精密的加工工具、可编程控制器、计 算机信息系统的日益广泛应用，对电能质量的控制提出了日益严格的要求。这些设备对电源 的波动和各种干扰十分敏感，任何供电质量的恶化都将影响这些设备工作的正确性，对生产 过程和产品质量造成危害。 此外，电力系统的发展要求加强对电能质量的控制。一方面，电网的运行要追求高效益， 扩大用户，鼓励用电，特别是高耗电企业的用电，但是这些设备的用电又会导致电网谐波、 负序，电压波动和闪变，反过来造成对电网的污染和干扰，给电力系统的安全稳定运行带来 直接的和间接的影响和危害。例如，电气化铁路所产生的谐波和负序，冶炼负荷所产生的谐 波和电压波动与闪变。另一方面，电源的发展，电力供过于求，各发电企业为多余电力寻找 出路。 电力系统的安全经济运行也依赖于对电能质量的控制。电力系统是一个整体，一旦局部 受到污染和干扰而造成区域性的故障，有可能酿成系统事故。研究和试验已经证明，电网污 染影响电能计量的准确性，其结果是供电企业向污染源企业少收电费，电量损失可达千分 之几。m 踟 电力系统中各种扰动引起的电能质量问题主要可分稳态和暂态两大类。稳态电能质量问 题以波形畸变为特征，主要包括谐波、间谐波、波形下陷以及噪声等：暂态电能质量问题通 常是以频谱和暂态持续时间为特征，可分脉冲暂态和振荡暂态两大类。 2 1 1 电能质量定义及分类 对于越来越多的电能质量问题，i e e e 给出了电能质量( p o w e rq u a l i t y ) 的技术定义： 合格电能质量的概念是指，给敏感设备提供的电力和设置的接地系统是均适合于该设备正常 工作的。同时对电能质量问题进行了比较系统的分类，见表2 1 。 6 电能质量仿真决策系统 表2 1i e e e 制定的电力系统电磁现象的特性参数及分类 类别典型频谱 典型持续时间 典型电压幅值 纳秒级5 n s 上升 l r n s 瞬变现象 低频 5 k h z0 3 5 0 m s 0 4 p u 振荡中频 5 5 0 0 m z2 0us 0 - 8 p u 高频0 5 - 5 姚 5us 0 4 p u 暂降o 5 3 0 周波 0 1 - - 4 ) 9 p u 瞬时 暂升 o 5 3 0 周波 1 1 1 8 p u 中断0 5 周波3 s l m i n 0 8 - 0 9 p u 动 过电压 l m i n 1 1 1 2 p u 电压不平衡稳态 o 5 一2 支流偏置稳态 0 0 1 谐波 0 1 0 0 t h 稳态 0 2 0 波形畸变间谐波0 - 6 k h z稳态o 2 陷波 稳态 噪声宽带稳态 o 1 电压波动 2 5 2 ( i i ) 1 4 1 l o 及2 2 0 1 3 2 工频过电压1 0 p u = 电能质量3 5 6 6压 c v 3 。谐振过电压和操 g b 厂r 作过电压 1 0 p u = 暂时过电3 1 0 1 1 4 3 1 8 4 8 1 4 2u q 3 压和瞬态 注1 指工频峰值电压 - 2 0 0 1 3 除统计过电压( 不小于 过电压 2 u m 2 5 2 ( i ) 和 2 5 2 ( 1 i ) 分别指线路断路器两侧 该值的概率为0 0 2 ) # f ，凡 变电所的线路 未说明的操作过电压限值 2 操作过电压限值 均为最大操作过电压( 不 空载线路合闸、单相重合闸、成功的三相重合闸、非 小于该值的概率为 对称故障分闸及振荡解列过电压限值 0 0 0 1 4 ) 电压等级( k v ) 过电压限值( p u ) 4 瞬态过电压还对空载 8 电能质量仿真决策系统 5 0 02 0 线路分闸过电压、断路器 3 3 02 2 +开断并联补偿装置及变压 1 1 0 2 5 23 o 器等过电压限值作出了规 + 表示该过电压相对地统哥操作过电压 定 2 2 智能决策支持系统简介 2 2 1 决策 决策是针对某个问题，为了实现一个目标或一组目标，从可实现该目标且可以相互更换 替代的行动方案中，选定一个最合适方案的行为。 决策按采用的方法可分为经验决策和科学决策。长期以来，人们都是凭经验进行决策， 属于经验决策的范畴。随着科学技术的发展，各项管理工作日益复杂，领导者凭自己的经验、 知识和胆略来作出决定难免出现重大失误。因此，经验决策逐步被科学决策所取代。 科学决策m l 般可以分为以下几个阶段：提出决策问题、确定决策目标、确定价值标 准、拟定决策方案、分析评估方案、选择行动方案、决策方案实施。科学决策过程见图2 1 。 图2 1 科学决策过程示意图 为提高科学决策的水平，用计算机来辅助决策已经成为人们的共识。辅助决策的方式可以分 为以下三种m j ： 1 ) 以数据形式的辅助决策 这是最基本的辅助决策方式。数据能反映事物的数量化特征。管理信息系统( m 【s ) 在 数量上为决策者提供决策并起辅助决策的作用。 2 ) 以模型和方法形式的辅助决策 人们在事物的发展过程中寻找到其发展的规律，建立相应的模型和方法，按模型和方法 的思想指导决策行动。模型辅助决策系统( m a d s ) 建立辅助决策的模型，为决策者在 模型和方法上提供决策依据。 3 ) 以决策方案形式的辅助决策 模型和数据是相连的。随着模型辅助决策系统的发展，决策支持系统( d s s ) 的产生成 为必然。决策支持系统由人机交互系统、数据库、模型库等组成，它是以决策方案的形 式辅助决策的。 9 东南大学硕士学位论文 2 2 2 决策支持系统( 0 s s ) 决策支持系统是7 0 年代由美国的m s s c o t tm o r t o n 首先提出的，迅速发展起来的新型 计算机学科。 对于决策支持系统，目前还没有非常确切的定义，只能从不同的侧面来描述它： k e e n & s c o t t m o r t o n ：d s s 着眼于管理者的决策行为与需要，同时要扩展他们的能力， 其目的在于在半结构化决策中辅助管理者而不是代替管理者进行决策，从而改善决策的效果 而不是效率。 s p r a g u e ：d s s 是一类基于数据处理系统又兼有其他类型信息系统屙| 生的计算机信息系 统，其目的是为组织结构中的管理人员与知识工作者提供决策支持。 b o n c z e k ：d s s 是一个包含有关问题领域内的知识系统( k s ) ，能接收与描述所处理问 题的语言系统( l s ) 以及利用k s 和l s 来解决具体管理任务的问题处理系统( p p s ) 等三 部分组成的计算机信息系统。 决策支持系统处理问题的过程主要有以下几个步骤： 1 ) 收集信息：将各种信息装入系统。 2 ) 问题识别：完成对实际问题转换成计算机进行求解的鉴别。 3 ) 模型生成：建立表述问题的模型。 4 ) 问题求解：进行分析计算。 5 ) 方案选择：选择最优的可行方案。 决策支持系统是在管理信息系统和模型辅助决策系统的基础上发展起来的，但它跟后两 者有所不同。管理信息系统是由人、计算机结合的对管理信息进行收集、传递、储存、加工、 维护和使用的系统。模型辅助决策系统是决策者利用模型程序在计算机上运行，计算出结果， 得到辅助决策信息。而决策支持系统是综合利用各种数据、信息、知识，特别是模型技术， 辅助各级决策者解决半结构化决策问题的人机交互系统。决策支持系统跟模型辅助决策系统 最主要的区别在于决策支持系统中增加了模型库及模型管理系统，并建立了模型库和数据库 的有机结合。 决策支持系统和专家系统都能起到辅助决策的作用，但它跟专家系统也有所不同。专家 系统辅助决策的方式是属于定性分析，而决策支持系统辅助决策的方式是属于定量分析。 决策支持系统与智能技术结合产生的智能决策支持系统和支持群体决策的群体决策支 持系统是决策支持系统的两个发展方向。 2 2 3 智能决策支持系统( i d s s ) 为了提高决策支持系统的决策功效，人们提出智能决策支持系统。智能决策支持系统是 决策支持系统和智能技术的集成。它可用下式来表示： ：+ 其中，h i 是人的智能，a i 是人工智能，“+ ”表示“结合”。“结合”的方式通常有三种： 1 ) d s s 和人工智能并重的i d s s 结构。 这种集合结构由人机友好用户界面完成对d s s 和人工智能的控制和调度，根据问题的 需要协调d s s 和人工智能的运行。从地位上来看，d s s 和人工智能并重。 2 ) d s s 为主体的i d s s 结构。 1 0 电能质量仿真决策系统 这种集成结构体现了以定性分析为主，结合定量分析的特点。用人工智能的方法对d s s 中的模型进行管理、选择、组合。 3 ) 人工智能为主体的i d s s 结构。 这种集成结构体现了以定性分析为主，结合定量分析的特点。用人工智能的方法对d s s 中的模型进行管理、选择、组合。 在具体的i d s s 中，根据实际问题的需要，可同时采用以上的结合方法。 i d s s 充分发挥了人工智能解决定性分析问题的特点，又发挥了决策支持系统定量分析问题 的特点，做到定性分析和定量分析的有机结合，使解决问题的能力和范围得到一个大的发展。 2 3 电能质量仿真决策系统功能 2 3 1 系统框架结构 p q s d s 是以电能质量数据库为基础，三相谐波潮流分析为核心，结合了数据集成、数 据分析和专家决策的电能质量解决方案，系统的整体框架如图2 - 2 所示， 东南大学硕士学位论文 广一一一一一一 i i 电能质黻数据陵 i i 榆索于系统睡 il _ 万露i 丽蒜l 一 魂罢i 一 卜 图2 2 电能质量仿真决策系统框架 各模块的主要作用为： 友舻用户夯厘玩人与计算机之间进行友好的交互。决策者的指令和意志通过友好用户界面传 给系统，而系统的运行效果就是通过友好用户界面体现出来的。 竣捃篮毫采用s q ls e r v e r 2 0 0 0 ，并针对电能质量问题而设计，设计的标准参考了i e c 6 1 9 7 0 ( c i m ) 系列文件，根据电能质量问题所特有的性质进行了修改。 模垄0 教菇筹罂子莠豸荭将电能质量分析中所用到的模型看作对象，按类进行封装，通过消 息激活对象，从而进行模型库的管理。主要的管理功能有模型库建立、面向对象的模型查询 和面向对象的模型修改。 图缪襄及箕筹翟子莠参蠡主要是图形库的建立和查询。 三裙辔浣濒流产多参利用基于解耦补偿理论的基波谐波部分解耦潮流算法对电网谐波潮流 进行分析，其中谐波源根据电网的监测结果或运行人员的要求在系统的公共连接点设置。 鲁簏磨彷其戒菱耋白每通过w e b 的方式将电能质量仿真的结果展示给用户。 1 2 爹蚓 各零+ 电能质量仿真决策系统 智锗瑟各发布；通过手机、p d a 等智能设备发布电能质量仿真的结果。 知掘擘及菇管理子莠豸苎主要是知识库的建立和查询。 减赢彭局多犀旌绣z 器基于消息驱动，把各库作为对象，通过消息的传递来协调各库之间的 关系和相互之间的信息传递。 眢：齄雾户端莠练将已有监测系统的监测数据和手持式电能质量设备获得的数据进行转换传 输，利用可支持断开连接的特性，实现数据的整合。 鲁彪厦量专家获筢通过对整合后的数据进行分析挖掘，给出一系列关于电能质量方面的决 策建议。 鲁彪赁量裁揖捡亲矛乏练对已有的大量电能质量检测数据进行高效、方便的检索。 本文后几章将围绕p q s d s 的开发，在其中的谐波源实用模型、谐波智能决策和电能质 量评估方面进行讨论。 2 3 2 三相谐波潮流仿真计算 2 3 2 1 电力系统元件谐波模型 文献 2 8 给出了电力系统元件的谐波模型，如表2 3 所示 表2 3 电力系统元件谐波模型 2 3 2 2 三相谐波潮流计算口9 3 6 】 鉴于高次谐波对基波的影响较小，因此采用基波与谐波部分解耦的潮流算法。即，在计 算基波潮流的时候，只考虑典型低次谐波的影响，忽略高次谐波对基波的影响。此算法的基 本计算流程如下： 东南大学硕士学位论文 a ) 采用基于对称分量坐标的p q 解耦法计算基波潮流，确定节点基波电压u n m ( o 。 c ) 根据各低次谐波对应的节点电压初值u 搿( 力= 2 ，3 ，) ( 第一次迭代时，设其初值为 o ) ，代入式( 2 1 ) 可得节点低次谐波注入电流i 搿( 办= 2 ，3 ，) 。 d ) 解线性方程1 1 n 2 ( o h = 喵u n 。( 。h ，可得节点低次谐波电压的修正值u l n 2 ( o h ( h = 2 , 3 ，) 。 e ) 计算各低次谐波的正序有功，无功不平衡量只j 、纠川；总有功、无功不平衡量 计算尸= 纰o + 蛔，鲤= 科 + 斜们，如果m a x i pl w 形式表达，c f 表示可能性，w 是阈值： 规则4 ：i f 节点存在电能质量问题 t h e n 存在闪变 w h e n c f f l i c k w f l i c k 1 6 电能质量仿真决策系统 2 3 4 3 推理机 系统采用了正向推理的形式，控制知识推理的运行。 这里应遵循两点： 应立即排除已否定的前提所对应的结论 不应对同一前提提问多次 2 3 5 电能质量智能报表分析系统 图2 4 推理机流程图 仿真和电能质量数据分析最主要目的就是让用户或者运行人员能够清楚地看到一定范 围内电能质量的状况、统计数据、专家决策给出的建议等，所以最终的信息发布是非常重要 的。 考虑到不同的用户对于信息查询的内容和方式是不同的，对信息关心的重点也是不同 的，系统将提供三种不同的信息发布功能。首先，运行人员能够很容易的从系统图形上看到 仿真的一些主要结果，同时能够根据要求看到仿真过程中关键变量曲线变化图和数据报表； 异地用户( 包括电能质量中心领导和关键负荷用户) 可以通过浏览器方式通过网络查询仿真 的结果；最后，上网不方便的用户可以利用w a p 手机或者p d a 通过无线网络查询仿真的 数据。 图2 5 基于w e b 的电能质量报表 1 7 东南大学硕士学位论文 图2 6 基于p d a 的电能质量评估系统 2 4 电能质量仿真决策系统研究的实际意义和应用前景分析 由于电能质量问题( 比如谐波问题) 的日趋重要，建立一套成熟完善并且功能强大的仿 真决簧系统对于系统中电能质量问题的仿真、治理、研究具有十分重要的意义。而目前，各 种有关电能质量的系统绝大部分只具有监测分析功能。如果被监测的电网结构稍有改动，就 导致测量装置的重新布置以及系统的重新设置，适应性较弱；并且大部分系统都不具各分析 决策功能，在得到测量数据以后无法给出治理的意见。另一方面，电能质量监测点和各种便 携式监测装置获得的大量数据分散存储在数据库和报表中，没有进行统一归并整理，也不能 提供更多的具有决策意义的信息。这里所构建的p q s d s ，是针对电能质量所涉及的问题，提 供从一个典型电压等级网络的计算机仿真到典型污染负荷的数学模型，并通过这些模型对由 污染负荷所引起的电能质量问题进行仿真分析和研究。系统利用基于解耦补偿理论的基波 一谐波部分解耦潮流算法对整个系统进行谐波潮流计算，同时大量整合系统中的电能质量数 据，利用决策功能对这些信息进行分析，给出建议。 p q s d s 在现场的应用中可以体现出两大作用。首先，对于现场采集数据的分析决策功能 可以为实际运行提供良好的决策支持：另一方面，系统的研究状态可以对假想