基于灰色關(guān)聯(lián)分析的電網(wǎng)設(shè)備利用率評估研究

王 楓，周 斌，胡濟(jì)洲，李 卉，劉 潔

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司，湖北 武漢 430077)(2.天津天大求實電力新技術(shù)股份有限公司，天津 300384)

分布式配電網(wǎng)的建設(shè)使得對電網(wǎng)設(shè)備優(yōu)化管理的要求不斷提高?；陔娋W(wǎng)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行電網(wǎng)輸出穩(wěn)定性評價和質(zhì)量分析，建立電網(wǎng)設(shè)備利用率優(yōu)化模型，根據(jù)電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)維狀況進(jìn)行輸出穩(wěn)定性控制，可提高電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)維管理和優(yōu)化控制能力。研究電網(wǎng)設(shè)備的利用率評估模型，根據(jù)電網(wǎng)設(shè)備輸出參數(shù)分析模型，進(jìn)行電網(wǎng)設(shè)備安全管理，可提高電網(wǎng)設(shè)備的利用率。由此，相關(guān)的電網(wǎng)設(shè)備利用率評估方法研究受到人們的極大關(guān)注[1]。

傳統(tǒng)方法中，對電網(wǎng)設(shè)備利用率的評估方法有基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的電網(wǎng)設(shè)備利用率評估方法、基于空間均衡配置的電網(wǎng)設(shè)備利用率評估方法以及基于PID學(xué)習(xí)的電網(wǎng)設(shè)備利用率評估方法等[2-3]，通過構(gòu)建電網(wǎng)設(shè)備利用率的參數(shù)融合模型，結(jié)合質(zhì)量管理進(jìn)行電網(wǎng)設(shè)備利用率評估。倪有源等[4]構(gòu)建了基于支持向量機(jī)學(xué)習(xí)的電網(wǎng)設(shè)備利用率評估模型，通過特征提取和對電網(wǎng)用電設(shè)備的輸出參數(shù)進(jìn)行均衡調(diào)節(jié)，評估電網(wǎng)設(shè)備利用率，但該方法下電網(wǎng)設(shè)備利用率評估的輸出穩(wěn)定性欠佳，應(yīng)用的自適應(yīng)性也不理想；楊興等[5]提出了基于分布式信息管理的電網(wǎng)設(shè)備利用率評估方法，該方法通過建立配電網(wǎng)設(shè)備利用率評估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，采用混合雙饋入直流輸電控制，實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備利用率評估，但該方法的計算復(fù)雜度較高，輸出穩(wěn)定性也有待提高。

針對上述傳統(tǒng)方法存在的問題，本文提出基于灰色關(guān)聯(lián)分析的電網(wǎng)設(shè)備利用率評估模型。結(jié)合參數(shù)辨識和約束特征解析分析方法識別電網(wǎng)設(shè)備利用率的相關(guān)參數(shù)，采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法調(diào)節(jié)電網(wǎng)設(shè)備的利用性能和穩(wěn)態(tài)增益，實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備利用率的優(yōu)化評估。仿真測試結(jié)果驗證了本文方法在提高電網(wǎng)設(shè)備利用率評估準(zhǔn)確性方面具有明顯的優(yōu)勢。

1 電網(wǎng)設(shè)備利用率約束參數(shù)評估及特征分析

1.1 參數(shù)評估

為實現(xiàn)基于灰色關(guān)聯(lián)分析的電網(wǎng)設(shè)備利用率評估，結(jié)合參數(shù)融合辨識方法，分析電網(wǎng)設(shè)備的利用率參數(shù)約束評價；結(jié)合顯著度參數(shù)約束和特征辨識方法，構(gòu)建電網(wǎng)設(shè)備的輸出功率因素解析模型，通過正序和負(fù)序之間的頻率耦合特征分析，進(jìn)行約束特征解析模型設(shè)計；結(jié)合模糊度辨識和特征優(yōu)化控制，進(jìn)行電網(wǎng)用電設(shè)備的電壓擾動與電流響應(yīng)分析[6]。得到電網(wǎng)設(shè)備的輸出功率-電壓關(guān)系曲線如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)設(shè)備輸出功率-電壓關(guān)系

構(gòu)建模糊度辨識模型，通過統(tǒng)計特征分析方法，優(yōu)化辨識正、負(fù)序之間的轉(zhuǎn)換控制和參數(shù)[7]，得到配電網(wǎng)設(shè)備利用率評估的參數(shù)自適應(yīng)解析控制模型為：

(1)

式中：M為配電網(wǎng)設(shè)備利用率評估的參數(shù)自適應(yīng)解析控制模型；φ為模糊度；ha(x)為a個配電網(wǎng)設(shè)備利用率參數(shù)優(yōu)化辨識函數(shù)，a為參數(shù)個數(shù)；u(k)為電網(wǎng)設(shè)備利用率評估的模糊狀態(tài)特征方程。

分析電網(wǎng)設(shè)備正序和負(fù)序之間的功率差異性，通過交流側(cè)相序阻抗參數(shù)識別，進(jìn)行配電網(wǎng)設(shè)備利用率評估和模糊度辨識[8]，得到配電網(wǎng)設(shè)備利用率的參量控制模型為：

ρ(t)=Δφ-Δh(x)+d(t)

(2)

式中：ρ(t)為配電網(wǎng)設(shè)備利用率的參量控制模型；Δφ為模糊度；Δh(x)為配電網(wǎng)設(shè)備利用率參數(shù)優(yōu)化辨識函數(shù)；d(t)為時間函數(shù)。

根據(jù)配電網(wǎng)設(shè)備利用率的參量控制模型，分析設(shè)備利用率指標(biāo)，以角頻率Φ為自變量，分析電網(wǎng)設(shè)備利用率參數(shù)的模糊決策，得到電網(wǎng)設(shè)備利用率分布的分區(qū)調(diào)度模型，進(jìn)而得到電網(wǎng)設(shè)備利用率自適應(yīng)評價函數(shù)F為：

(3)

式中：fΦ為電網(wǎng)設(shè)備利用率函數(shù)。

構(gòu)建電網(wǎng)設(shè)備利用率評估頻率耦合模型，結(jié)合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制，分析頻率耦合因素，再結(jié)合耦合頻率解析和功率因素控制[9]，得到電網(wǎng)設(shè)備利用率評估的耦合分量X為：

(4)

式中：xi為電網(wǎng)設(shè)備利用率評估耦合函數(shù)；ω為頻率耦合因素；bi為拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制量。

根據(jù)電網(wǎng)設(shè)備利用率評估耦合分量，結(jié)合頻率耦合特性進(jìn)行電網(wǎng)利用率參數(shù)評價，得到輸入、輸出旋轉(zhuǎn)矢量。建立擾動頻率分量抑制模型，得到并網(wǎng)特征量Sb：

(5)

式中：c為最大擾動頻率值；mi為不同頻率的耦合電流分量負(fù)序擾動電壓；pi為擾動頻率分類抑制函數(shù)。

根據(jù)擾動頻率分量抑制模型，得到配電網(wǎng)設(shè)備利用率評估的參數(shù)解析模型，根據(jù)并網(wǎng)特征量完成電網(wǎng)設(shè)備的利用率優(yōu)化評估[10]。

1.2 電網(wǎng)設(shè)備的利用率指標(biāo)特征分析

以電網(wǎng)設(shè)備的最大功率點跟蹤性能分析設(shè)備指標(biāo)，將電網(wǎng)設(shè)備的輸出穩(wěn)態(tài)功率、輸出頻率、電壓等參數(shù)設(shè)置為自變量[11]，建立配電網(wǎng)設(shè)備利用率分布的梯度函數(shù)，根據(jù)基頻電流的幅值進(jìn)行梯度融合，得到正序電流響應(yīng)的幅值和相位的耦合分量A，A滿足：

(6)

式中：ri為不同頻率的耦合電流分量正序擾動電壓。

采用梯度解析和耦合狀態(tài)特征分析方法，得到電網(wǎng)設(shè)備利用率安全評估的模糊迭代函數(shù)J：

(7)

式中：μ為迭代次數(shù)。

在持續(xù)擾動下，以并網(wǎng)逆變器的頻率耦合特性為自變量，通過擾動分量抑制，得到電網(wǎng)設(shè)備的并網(wǎng)逆變梯度控制模型。由于電壓擾動對電流響應(yīng)分量的影響，通過鎖相環(huán)的傳遞函數(shù)識別[12]，得到電網(wǎng)設(shè)備利用率評價的模糊特征分量λ，分析電壓擾動對電流響應(yīng)的影響，結(jié)合全功率控制的方法，得到電網(wǎng)設(shè)備的利用率指標(biāo)特征I：

(8)

通過對電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行利用率特征分析，可基于利用率特征有效預(yù)防導(dǎo)致電網(wǎng)設(shè)備提前報廢等問題，從而提升電網(wǎng)設(shè)備的利用水平。

2 電網(wǎng)設(shè)備的利用率評估

2.1 參數(shù)融合

采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法調(diào)節(jié)電網(wǎng)設(shè)備的利用性能穩(wěn)態(tài)增益，以輸出功率增益為代價函數(shù)，得到電網(wǎng)設(shè)備的負(fù)荷量調(diào)節(jié)函數(shù)R[13]：

(9)

式中：τ為穩(wěn)控系統(tǒng)層的時延間隔；q為穩(wěn)控系統(tǒng)層的單位負(fù)荷量。

根據(jù)快速功率控制和自適應(yīng)參數(shù)評價方法，進(jìn)行電網(wǎng)設(shè)備的利用性能優(yōu)化控制，得到控制函數(shù)。通過干擾抑制和特征優(yōu)化提取，得到電網(wǎng)設(shè)備利用率評估的模糊度函數(shù)Y：

Y=lnqτJ/ε

(10)

式中：ε為自適應(yīng)環(huán)境參數(shù)調(diào)節(jié)常數(shù)。

通過對電網(wǎng)設(shè)備用電參數(shù)的融合評價以及灰色關(guān)聯(lián)分析，得到電網(wǎng)設(shè)備有效利用的運(yùn)維評價參數(shù)分布fΦ(χ)：

(11)

式中：σ為電網(wǎng)設(shè)備利用率評估的模糊度隸屬函數(shù)；χ為灰度值。

通過特征優(yōu)化解析和自適應(yīng)控制，進(jìn)行電網(wǎng)設(shè)備輸出穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)，建立電網(wǎng)設(shè)備的輸出負(fù)荷控制模型，得到灰色關(guān)聯(lián)分布函數(shù)為：

(12)

式中：V為V項的灰色關(guān)聯(lián)函數(shù)；j為j項的灰色關(guān)聯(lián)函數(shù)；gNa為電網(wǎng)設(shè)備利用率的調(diào)節(jié)系數(shù)；αj為并網(wǎng)逆變器各個區(qū)域支持度閾值；gL為最小調(diào)節(jié)量；Iext為灰色關(guān)聯(lián)函數(shù)的誤差補(bǔ)償值。

2.2 利用率參數(shù)評估決策

基于2.1節(jié)的參數(shù)融合結(jié)果，得到配電網(wǎng)設(shè)備利用率評估的區(qū)域調(diào)制阻抗信息分布為：

Z=ωX/αj/V+β

(13)

式中：Z為配電網(wǎng)設(shè)備利用率評估的區(qū)域調(diào)制阻抗信息；β為調(diào)制阻抗。

經(jīng)過鎖相環(huán)最大可調(diào)節(jié)量分布式融合，參考現(xiàn)有電網(wǎng)設(shè)備控制系統(tǒng)的利用原則，得到電網(wǎng)設(shè)備利用率評估的穩(wěn)態(tài)控制模型G：

G=wlnv1+lnv2-Z

(14)

式中：w為分布式融合調(diào)節(jié)量；lnv1與lnv2為兩個穩(wěn)態(tài)控制函數(shù)。

根據(jù)配電線路的諧波振蕩分布，進(jìn)行電網(wǎng)設(shè)備利用率評估，電網(wǎng)設(shè)備利用率評估的穩(wěn)態(tài)控制模型誤差最小值表示為：

(15)

考慮到電網(wǎng)設(shè)備分支線路關(guān)聯(lián)因素的影響，通過灰色關(guān)聯(lián)分析，得到電網(wǎng)設(shè)備利用率評估的模糊狀態(tài)方程為：

(16)

在電網(wǎng)設(shè)備評估的潮流參數(shù)和運(yùn)維參數(shù)聯(lián)合調(diào)控下，實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備利用率的優(yōu)化評估。

3 仿真實驗測試與分析

為驗證本文方法實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備利用率優(yōu)化評估的性能，進(jìn)行仿真測試。假設(shè)電網(wǎng)設(shè)備的輸出穩(wěn)態(tài)功率為15 kW，設(shè)備的功率等級分別為0.3 MW、0.8 MW和1.0 MW，濾波電感為0.65 mH，基頻頻率為50 Hz，電壓增益為 0.95。

根據(jù)上述參數(shù)設(shè)定，進(jìn)行電網(wǎng)設(shè)備利用率評估，測試回流功率，得到結(jié)果如圖2所示。

圖2 回流功率測試

由圖2得知，運(yùn)用本文方法進(jìn)行電網(wǎng)設(shè)備的利用率優(yōu)化，回流功率增益較高，測試輸出功率增益較大。

為進(jìn)一步測試所提方法的應(yīng)用準(zhǔn)確性，將評估精度數(shù)據(jù)的最大值設(shè)置為單位1，測試不同方法的評估精度。對比方法為文獻(xiàn)[4]提出的基于支持向量機(jī)學(xué)習(xí)的電網(wǎng)設(shè)備利用率評估方法以及文獻(xiàn)[5]提出的基于分布式信息管理的電網(wǎng)設(shè)備利用率評估方法。實驗迭代次數(shù)為80次，每20次迭代記錄一次實驗數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)對比結(jié)果見表1。

由表1可知，運(yùn)用本文所提方法進(jìn)行電網(wǎng)設(shè)備利用率評估的精度較高。80次迭代實驗的評估精度在0.99以上，不僅說明所提方法的精度較為理想，也說明所提方法的穩(wěn)定性較好。這是因為所提方法通過對電網(wǎng)設(shè)備輸出負(fù)荷均衡控制、構(gòu)建的電網(wǎng)設(shè)備輸出正序阻抗和負(fù)序阻抗均衡模型以及采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法調(diào)節(jié)電網(wǎng)設(shè)備性能穩(wěn)態(tài)增益，有效提升了設(shè)備輸出的穩(wěn)定性，保證了本文所提方法應(yīng)用的精度。

表1 評估精度對比

4 結(jié)束語

為解決電網(wǎng)設(shè)備利用率評估結(jié)果誤差較大的問題，本文提出了基于灰色關(guān)聯(lián)分析的電網(wǎng)設(shè)備利用率評估模型。結(jié)合參數(shù)融合、辨識方法，以電網(wǎng)設(shè)備的輸出穩(wěn)態(tài)功率、輸出頻率、電壓等參數(shù)為模型自變量，獲取配電網(wǎng)設(shè)備利用率評估指標(biāo)，根據(jù)優(yōu)先級或與優(yōu)先級參數(shù)融合，實現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備利用率優(yōu)化評估。實驗結(jié)果驗證了本文所提方法的準(zhǔn)確率較高，輸出功率增益較好，回流功率的穩(wěn)定性較高。