江蘇電網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估方法及應(yīng)用

韋永忠 ，鄭愛霞 ，袁曉冬 ，陳 兵

(1.江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇南京211103)

隨著江蘇電網(wǎng)建設(shè)的迅速發(fā)展，電網(wǎng)與負(fù)荷構(gòu)成出現(xiàn)新的變化趨勢(shì)，其對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量帶來的負(fù)面影響引起電力部門和電力用戶的高度關(guān)注。一方面，江蘇省內(nèi)電氣化鐵路、風(fēng)電等特殊重點(diǎn)負(fù)荷接入電網(wǎng)，其固有的波動(dòng)性和并網(wǎng)所需整流電力電子設(shè)備的使用，給電網(wǎng)帶來諧波、波動(dòng)與閃變、三相不平衡、電壓暫降等電能質(zhì)量問題[1-4]，惡化了電網(wǎng)單項(xiàng)指標(biāo)的水平；另一方面，隨著科技的發(fā)展，工業(yè)設(shè)備采用的新型設(shè)備和用戶智能家用電器的使用，對(duì)電能質(zhì)量的要求越來越高，電力用戶對(duì)電能的需求已從供電量向優(yōu)質(zhì)供電轉(zhuǎn)變。因此，為保證電網(wǎng)的供電安全和滿足用戶的供電要求，對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行電能質(zhì)量評(píng)估，針對(duì)評(píng)估結(jié)果，采取相應(yīng)的措施來提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，對(duì)提升江蘇電網(wǎng)安全性和社會(huì)影響度有重要的作用。目前，對(duì)電能質(zhì)量評(píng)估研究方法較多[5-8]，依據(jù)不同的關(guān)注度，電能質(zhì)量評(píng)估分為單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估和綜合評(píng)估兩部分。電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)體系的復(fù)雜性和相關(guān)性，決定了對(duì)其評(píng)估的方向性，即如何科學(xué)、客觀地將多指標(biāo)問題綜合成單一量化指標(biāo)。本文將介紹江蘇電網(wǎng)在電能質(zhì)量方面所做的研究及已建成的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況。

1江蘇電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

江蘇電網(wǎng)率先開展了電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，目前該系統(tǒng)有321臺(tái)終端監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)1 032個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，這些監(jiān)測(cè)設(shè)備已安裝在全省180多個(gè)變電站，并正常運(yùn)行，為開展電能質(zhì)量評(píng)估創(chuàng)造了良好的條件。江蘇電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署如圖1所示。江蘇電網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估是分層實(shí)現(xiàn)的，如圖2所示。根據(jù)電網(wǎng)實(shí)際需求，對(duì)電能質(zhì)量評(píng)估分為單個(gè)指標(biāo)評(píng)估和綜合電能質(zhì)量評(píng)估，評(píng)估結(jié)果分為優(yōu)秀、良好、中等、較差4個(gè)等級(jí)。最終按照市（縣）變電站、母線和線路的層次顯示評(píng)估等級(jí)。

2單電能質(zhì)量指標(biāo)評(píng)估

單電能質(zhì)量指標(biāo)評(píng)估是電能質(zhì)量評(píng)估的基礎(chǔ)，可使供電方和用戶了解每項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)的具體狀況。江蘇電網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估包含如下指標(biāo)：電壓偏差、電壓總諧波、電壓三相不平衡度、短時(shí)間閃變、長(zhǎng)時(shí)間閃變、2～25次電壓諧波、2～25次電流諧波。針對(duì)用戶和供電方實(shí)際情況，評(píng)估過程中采用的標(biāo)準(zhǔn)可以為國(guó)標(biāo)或用戶所需的敏感設(shè)備的電能指標(biāo)要求。該評(píng)估系統(tǒng)具有一定的靈活性，可滿足不同用戶的電能質(zhì)量要求。

就江蘇電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)而言，除了短閃和長(zhǎng)閃，其他上述指標(biāo)的數(shù)據(jù)間隔為1～3 min，短閃為10 min，長(zhǎng)閃為2 h。每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每天上傳的數(shù)據(jù)量是一定的，故可設(shè)定日數(shù)據(jù)完整度閾值，例如可設(shè)定為額定數(shù)據(jù)量的一半，只有當(dāng)數(shù)據(jù)完整度超過閾值時(shí)，該日數(shù)據(jù)才有效。由于電能質(zhì)量評(píng)估以月為單位，故對(duì)數(shù)據(jù)完整的天數(shù)也應(yīng)設(shè)定閾值，可為該月天數(shù)的一半（取整），只有數(shù)據(jù)完整的天數(shù)超過閾值，該月評(píng)估才有效。

正常情況下，電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)滿足國(guó)標(biāo)限值，且大多數(shù)情況下，其值低于國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值的50%。當(dāng)發(fā)生超標(biāo)情況時(shí)，評(píng)估應(yīng)能突出該超標(biāo)情況。例如：某電能質(zhì)量指標(biāo)的90%時(shí)間符合國(guó)標(biāo)，10%時(shí)間超出國(guó)標(biāo)，在此種情況下，評(píng)估認(rèn)為該指標(biāo)的電能質(zhì)量水平偏低。為了反映電能質(zhì)量指標(biāo)的這種特性，在評(píng)估時(shí)需要選擇適當(dāng)方法突出超情況對(duì)電能質(zhì)量水平的影響。該問題的有效解決方法是：建立符合上述要求的單個(gè)數(shù)據(jù)評(píng)分函數(shù)，在得到每個(gè)數(shù)據(jù)評(píng)分的基礎(chǔ)上，進(jìn)行加權(quán)平均，得到該日數(shù)據(jù)評(píng)估分?jǐn)?shù)。本文采用單個(gè)數(shù)據(jù)評(píng)估函數(shù)為：

其中TH為不同指標(biāo)相對(duì)應(yīng)的國(guó)標(biāo)或者用戶自定義標(biāo)準(zhǔn)閾值。由于不同指標(biāo)的TH不相同，因此以t=x/TH可以得到單個(gè)數(shù)據(jù)占標(biāo)準(zhǔn)限值的百分比，以此作為變量，則上述評(píng)估函數(shù)對(duì)所有單個(gè)指標(biāo)均適用。原表達(dá)式變換為：

S（t）的函數(shù)曲線如圖3所示，可以看出函數(shù)曲線滿足上述評(píng)估思想。由圖中可知，當(dāng)t=1時(shí)，即單個(gè)數(shù)據(jù)等于相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)閾值時(shí)，對(duì)應(yīng)的函數(shù)值為60，在此種情況下，對(duì)應(yīng)的電能質(zhì)量等級(jí)為合格。當(dāng)t＞1時(shí)，函數(shù)曲線迅速下降，即單個(gè)數(shù)據(jù)超過限值時(shí)，最終評(píng)估得分值快速減低。例如，當(dāng)數(shù)據(jù)為限值的2倍時(shí)，即t=2時(shí)，評(píng)估得分為1.1分，對(duì)應(yīng)的電能質(zhì)量等級(jí)為較差；同樣，當(dāng)所有數(shù)據(jù)為限值的一半時(shí)，得分為90分，對(duì)應(yīng)的電能質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)秀；理想情況為t=0，評(píng)分得分為100分。由此可見，此函數(shù)可以適用于不同指標(biāo)下的限值，且能滿足電能質(zhì)量指標(biāo)的特性，突出超標(biāo)在評(píng)估中的影響。

圖3單個(gè)數(shù)據(jù)評(píng)估函數(shù)圖

在得到該月每一天評(píng)估值SD_i后，進(jìn)行加權(quán)平均，得到該月該指標(biāo)最終評(píng)分值SM，其中wi為不同評(píng)估分?jǐn)?shù)段的系數(shù)，N為該月數(shù)據(jù)完整天數(shù)。單個(gè)指標(biāo)的評(píng)估流程如圖4所示。

圖4單個(gè)電能質(zhì)量指標(biāo)月評(píng)估流程

3綜合電能質(zhì)量評(píng)估

電能質(zhì)量綜合評(píng)估，可以從整體上考察電能質(zhì)量水平的優(yōu)劣程度。江蘇電網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)采用了項(xiàng)目前期的關(guān)于電能質(zhì)量評(píng)估研究成果：基于灰色理論的電能質(zhì)量綜合評(píng)估。灰色系統(tǒng)理論中的灰色關(guān)聯(lián)分析（GRA）[9]是通過計(jì)算對(duì)象間的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度,從整體上定量分析對(duì)象間的關(guān)聯(lián)程度和影響程度，GRA的評(píng)估步驟為：分析數(shù)據(jù)特征獲取比較序列和標(biāo)準(zhǔn)序列，獲取序列間的差異信息并建立差值舉證，計(jì)算灰關(guān)聯(lián)度。該方法可以保留電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，相比電能質(zhì)量模糊評(píng)估方法，避免了模糊區(qū)間確定的非客觀性，而且計(jì)算簡(jiǎn)潔易于實(shí)現(xiàn)。

基于灰色理論的電能質(zhì)量評(píng)估方法的步驟為：（1） 標(biāo)準(zhǔn)矩陣的構(gòu)建；（2） 數(shù)據(jù)矩陣的建立；（3） 絕對(duì)差矩陣的建立；（4）與理想樣本的關(guān)聯(lián)度。每步的詳細(xì)過程可參考文獻(xiàn)[9]。

綜合評(píng)估用到的7個(gè)單個(gè)指標(biāo)為電壓偏差、短閃、長(zhǎng)閃、電壓三相不平衡度、電壓總諧波、偶次諧波最大含有量、奇次諧波最大含有量。選取了2種樣本作為灰色理論數(shù)據(jù)矩陣中的參考矩陣，即：理想樣本、標(biāo)準(zhǔn)樣本。理想樣本選取（0，0，0，0，0，0，0），表示7個(gè)電能質(zhì)量指標(biāo)工頻下的理想狀態(tài)。理想樣本是理論上電能質(zhì)量的理想狀態(tài)，實(shí)際中電能質(zhì)量總存在一定的偏差。標(biāo)準(zhǔn)樣本可依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際情況建立，本文采用的標(biāo)準(zhǔn)樣本如表1所示，評(píng)估樣本則根據(jù)每日測(cè)量數(shù)據(jù)的單個(gè)指標(biāo)評(píng)估結(jié)果形成。

表1理想樣本和標(biāo)準(zhǔn)樣本

根據(jù)對(duì)7個(gè)指標(biāo)關(guān)注程度及各地電能質(zhì)量特性，建立不同的判斷矩陣。一般情況下，江蘇電網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估系統(tǒng)采用的判斷矩陣為：

該判斷矩陣A的最大特征值為λmax=7.07，CR=0.008 8＜0.1，符合一致性要求，則最大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量并歸一化為：w=（0.158，0.158，0.120，0.138，0.126，0.126，0.172）。

評(píng)估樣本根據(jù)當(dāng)月每天的單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估結(jié)果確定。在已知單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估結(jié)果的情況下，構(gòu)造評(píng)估函數(shù)反函數(shù)，求取該評(píng)估得分對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化測(cè)量數(shù)據(jù)t=x/TH。例如，通過上述評(píng)分函數(shù)得到的評(píng)分值為60分，在評(píng)分函數(shù)曲線上，其對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為1，即測(cè)量數(shù)據(jù)等于其國(guó)標(biāo)閾值；若其平均得分為90，曲線上對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)為0.5，即測(cè)量數(shù)據(jù)為國(guó)標(biāo)閾值的0.5倍，現(xiàn)給出上述評(píng)估函數(shù)反函數(shù)如下：

依據(jù)上述所形成的標(biāo)準(zhǔn)樣本及評(píng)估樣本，以及所確定的各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，便可以利用灰色理論計(jì)算評(píng)估樣本與標(biāo)準(zhǔn)樣本的關(guān)聯(lián)度。其中關(guān)聯(lián)度的性質(zhì)為：（1） r∈[0，1]，r值越大，說明數(shù)據(jù)樣本越接近標(biāo)準(zhǔn)樣本，其電能質(zhì)量水平越高；r值越小，評(píng)估樣本越偏離標(biāo)準(zhǔn)樣本，其電能質(zhì)量水平越低。r=0，其評(píng)估得分為0，r=1，其評(píng)估得分為100；（2）評(píng)估樣本的r值隨標(biāo)準(zhǔn)樣本的不同而不同。

上述標(biāo)準(zhǔn)樣本，即 Q1，Q2，Q3，Q4，其評(píng)分得分為97.68，90，60，1.1。在關(guān)聯(lián)度與綜合預(yù)評(píng)分值曲線中，取 4 個(gè)點(diǎn)（r1，97.68），（r2，90），（r3，60），（r4，1.1），并且參照單數(shù)據(jù)評(píng)估曲線建立r∈[0，1]完整曲線，表達(dá)式如下：

計(jì)算得到該月每天的綜合得分后，如果數(shù)據(jù)完整的天數(shù)滿足要求，利用加權(quán)平均的方法得到該月的綜合評(píng)估得分。

4 變電站、縣、市電能質(zhì)量評(píng)估

一般而言，變電站會(huì)有多條母線和線路，在完成母線和線路評(píng)估的基礎(chǔ)上，利用加權(quán)平均法，綜合這些母線和線路，可得到變電站的電能質(zhì)量評(píng)估結(jié)果。

式中：Sge_i為某條母線線路的某個(gè)電壓類電流類指標(biāo)的評(píng)估分?jǐn)?shù)；n為該變電站所有母線線路條數(shù)；Sstation為該變電站該指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果。

一個(gè)縣級(jí)單位內(nèi)包含多個(gè)變電站，在得到這些變電站的評(píng)估結(jié)果之后，利用加權(quán)平均的方法，可以得到該縣級(jí)單位的電能質(zhì)量情況。

式中：Sstation為某變電站某指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果；n為該縣擁有的變電站數(shù)量；Scounty為某指標(biāo)的評(píng)估結(jié)果。

一個(gè)市由多個(gè)縣級(jí)單位組成，在每個(gè)縣級(jí)單位的評(píng)估結(jié)果上，利用加權(quán)平均的方法可以得到該市級(jí)單位的母線電能質(zhì)量情況。

式中：Scounty為該縣的評(píng)估結(jié)果；n為該市擁有的縣級(jí)單位數(shù)量；Scity為該市的評(píng)估結(jié)果。

5江蘇電網(wǎng)電能質(zhì)量評(píng)估實(shí)例

目前，已完成了江蘇電網(wǎng)2010年8～12月份的電能質(zhì)量評(píng)估工作。8月份江蘇電網(wǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)概況如表2所示。

表2 8月份江蘇省總體監(jiān)測(cè)點(diǎn)概括

在8月份已評(píng)估的99個(gè)變電站中，電能質(zhì)量狀況總體來說優(yōu)良。其中有6個(gè)較差等級(jí)，17個(gè)中等等級(jí)，23個(gè)良好等級(jí)，53個(gè)優(yōu)秀等級(jí)。但是，一部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)電能質(zhì)量狀況長(zhǎng)期不好，超標(biāo)相當(dāng)嚴(yán)重，有待改善?？h級(jí)公司和市級(jí)公司的評(píng)估結(jié)果為：縣級(jí)公司中2個(gè)較差，11個(gè)中等，13個(gè)良好，12個(gè)優(yōu)秀；市級(jí)公司中3個(gè)中等，8個(gè)良好，1個(gè)優(yōu)秀。

6結(jié)束語

本文介紹了電能質(zhì)量研究背景和綜合評(píng)估研究現(xiàn)狀，闡述了江蘇電網(wǎng)在電能質(zhì)量評(píng)估方面開展的相關(guān)工作，結(jié)合已研究的電能質(zhì)量綜合評(píng)估算法，提出科學(xué)的單個(gè)指標(biāo)、綜合指標(biāo)的電能質(zhì)量評(píng)估方法。并利用加權(quán)平均的思想對(duì)變電站、市（縣）級(jí)供電公司進(jìn)行了電能質(zhì)量評(píng)估，形成了江蘇電網(wǎng)完整的評(píng)估體系。評(píng)估結(jié)果的形象化展示有助于對(duì)電能質(zhì)量問題做進(jìn)一步的了解。利用典型監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的進(jìn)行單項(xiàng)指標(biāo)評(píng)估、綜合評(píng)估測(cè)試結(jié)果表明，所提的方法具有實(shí)用性和效率高等特點(diǎn)，為省網(wǎng)電能質(zhì)量工作的開展提供了參考。有助于調(diào)度和規(guī)劃部門及時(shí)的發(fā)現(xiàn)問題，也有利于實(shí)現(xiàn)電能按質(zhì)定價(jià)和供電雙方指定合同，有利于電能質(zhì)量市場(chǎng)的建立。

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