基于層次分析法的微電網(wǎng)并網(wǎng)運行電能質(zhì)量安全監(jiān)測模型

摘"要：為了滿足日益增長的電力能源需求，微電網(wǎng)并網(wǎng)運行是電力系統(tǒng)的主要發(fā)展趨勢，其雖然能夠提升電力能源的供應，但難以保證供電質(zhì)量，不利于電力系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展。該現(xiàn)象的產(chǎn)生主要是由于分布式電源出力具有隨機性與不穩(wěn)定性，會對供電質(zhì)量造成直接影響。對此，提出基于層次分析法的微電網(wǎng)并網(wǎng)運行電能質(zhì)量安全監(jiān)測模型構建研究。深入分析電能質(zhì)量干擾源，以此為基礎，選取適當?shù)碾娔苜|(zhì)量安全監(jiān)測指標，應用層次分析法計算電能質(zhì)量安全監(jiān)測指標權重數(shù)值，確定電能質(zhì)量安全監(jiān)測模型，制定電能質(zhì)量安全判定規(guī)則，從而實現(xiàn)電能質(zhì)量安全的準確監(jiān)測。實驗數(shù)據(jù)顯示：構建模型應用后，電能質(zhì)量安全監(jiān)測指標完整度最大值為96%，電能質(zhì)量安全監(jiān)測結果與實際結果一致，充分證實了構建模型具備更好的電能質(zhì)量安全監(jiān)測效果。

關鍵詞：并網(wǎng)運行；微電網(wǎng)；安全監(jiān)測；層次分析法；電能質(zhì)量；監(jiān)測指標

中圖分類號：TM714""""""文獻標識碼：A

Power"Quality""Safety"Monitoring"Model"for"Microgrid

Gridconnected"Operation"Based"on"Analytic"Hierarchy"Process

SUN"Yun1，WANG"Di2，LU"Yunyun1，ZHANG"Caiting1

（1.PetroChina"Changqing"Engineering"Design"Co.，"Ltd.，"Xi’an，"Shaanxi"710018，"China;

2.PetroChina"No.6"Oil"Production"Plant，"Xi’an，"Shaanxi"710018，China）

Abstract：In"order"to"meet"the"increasing"demand"for"power"energy，"microgrid"gridconnected"operation"is"the"main"development"trend"of"power"system."Although"it"can"improve"the"supply"of"power"energy，"due"to"the"influence"of"the"randomness"of"distributed"generation"output，"the"power"quality"will"also"decline，"which"is"not"conducive"to"the"subsequent"development"of"power"system."A"study"on"the"construction"of"microgrid"gridconnected"operation"power"quality"safety"monitoring"model"based"on"analytic"hierarchy"process"is"proposed."Deeply"analyze"the"power"quality"interference"sources，"and"on"this"basis，"select"appropriate"power"quality"safety"monitoring"indicators，"calculate"the"weight"value"of"power"quality"safety"monitoring"indicators"using"the"analytic"hierarchy"process，"determine"the"power"quality"safety"monitoring"model，"and"formulate"power"quality"safety"judgment"rules，"so"as"to"achieve"accurate"monitoring"of"power"quality"safety."The"experimental"data"shows"that"after"the"application"of"the"built"model，"the"maximum"integrity"of"the"power"quality"safety"monitoring"index"is"96%，"and"the"power"quality"safety"monitoring"results"are"consistent"with"the"actual"results，"which"fully"confirms"that"the"built"model"has"better"power"quality"safety"monitoring"effect.

Key"words：gridconnected"operation;"microgrid;"safety"monitoring;"analytic"hierarchy"process;"power"quality;"monitoring"indicators

隨著國民生產(chǎn)及生活對電力能源依賴性的逐漸加深，電能質(zhì)量優(yōu)劣直接關系著人們的方方面面。調(diào)研數(shù)據(jù)顯示：2022年電能質(zhì)量問題為中國造成了100億元的經(jīng)濟損失。另外，電力設備的升級與發(fā)展，使其對電能質(zhì)量的要求也逐漸提高。若是電能質(zhì)量較低，極有可能會導致電力設備運行出錯，從而影響電力設備發(fā)揮功能。亞洲電能質(zhì)量聯(lián)盟分析結果表明：電能質(zhì)量降低不但會帶來經(jīng)濟方面的損失，還會影響工業(yè)設備的使用時限，致使計算機數(shù)據(jù)的丟失。

為此，各國研究學者開始重視提高微電網(wǎng)并網(wǎng)運行電能質(zhì)量的研究。文獻[1]通過改變IIDG在特定時間窗口內(nèi)的故障響應特性，將其正序故障分量阻抗角控制為給定值，在微電網(wǎng)中構造出不依賴于ⅡDG功率輸出策略的正序故障分量特征。文獻[2]基于自適應陷波器鎖相環(huán)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的同步旋轉坐標系鎖相環(huán)，實現(xiàn)在電網(wǎng)電壓不平衡且畸變時仍能準確地提取基波正序相位。文獻[3]在傳統(tǒng)kmeans聚類算法的基礎上增加馬爾可夫影響因子。針對每個典型運行場景建立基于長短期記憶（LSTM）神經(jīng)網(wǎng)絡的微電網(wǎng)并網(wǎng)等效模型，利用LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡的時序邏輯特性和內(nèi)部非線性映射特性描述微電網(wǎng)并網(wǎng)點整體動態(tài)運行特性。文獻[4]在MATLAB環(huán)境中設計、建模和仿真基于電池支持的UPQC電壓控制電壓源轉換器。文獻[5]結合DEMD和優(yōu)化隨機森林（RF）機器學習方法，分類電能質(zhì)量事件。利用IEEE13總線測試網(wǎng)格，在MATLAB/Simulink中對所提出的技術進行仿真。這些研究都具有一定的局限性，通過優(yōu)化調(diào)度可以解決分布式電源并網(wǎng)的一些問題，但依然會影響電能質(zhì)量，給電力用戶帶來不好的體驗。

從宏觀角度出發(fā)，電能質(zhì)量提高是一項復雜的系統(tǒng)工程，包含安全監(jiān)測、質(zhì)量評估與控制等多個環(huán)節(jié)[6]。安全監(jiān)測是電能質(zhì)量提高系統(tǒng)中的核心環(huán)節(jié)，也是后續(xù)電能質(zhì)量管理與控制的前提條件，故提出基于層次分析法的微電網(wǎng)并網(wǎng)運行電能質(zhì)量安全監(jiān)測模型構建研究。

1"微電網(wǎng)并網(wǎng)運行電能質(zhì)量安全監(jiān)測模型

構建

基于層次分析法的微電網(wǎng)并網(wǎng)運行電能質(zhì)量安全監(jiān)測模型的流程如圖1所示。

1.1"微電網(wǎng)并網(wǎng)運行電能質(zhì)量干擾源分析

要想獲得精準的微電網(wǎng)并網(wǎng)運行電能質(zhì)量安全監(jiān)測結果，首要任務就是深入分析電能質(zhì)量的干擾源，為安全監(jiān)測指標的選取提供充分的支撐依據(jù)。

根據(jù)已有文獻研究成果，確定電能質(zhì)量干擾源主要有三個，具體如下。

一是微電網(wǎng)電源出力不均。

微電網(wǎng)中分布式電源出力特性會受到外部環(huán)境因素的影響，例如風力、日照強度等[7]。當分布式電源出力不足時，很容易導致配電網(wǎng)電壓偏低，從而降低電能的質(zhì)量。以風力發(fā)電為例，由于風能具有極強的不確定性與隨機性，致使風機輸出功率呈現(xiàn)波動現(xiàn)象，配電網(wǎng)的電壓也會出現(xiàn)偏差狀況，兩者之間的關系如下式所示：

U=E－PR+QβE－αPβ－QRE（1）

式（1）中，U表示配電網(wǎng)的電壓數(shù)值；E表示風機扇葉獲得的能量數(shù)值；P與Q分別表示風機的有功功率與無功功率；R表示風機扇葉半徑數(shù)值；β表示風機扇葉數(shù)量；α表示輔助運算參數(shù)，取值范圍為1，10。

微電網(wǎng)（風機）并網(wǎng)運行后，配電網(wǎng)電壓偏差情況如圖2所示。

如圖2所示，在采樣點1處獲得風機并網(wǎng)電壓偏差最小值1.2%，在采樣點10處獲得風機并網(wǎng)電壓偏差最大值4.8%。從整體出發(fā)，風機并網(wǎng)電壓偏差呈現(xiàn)波動狀態(tài)，很難對其進行精準的預測，即控制難度較大，致使電能質(zhì)量下降，影響用戶的用電滿意度[8]。

二是配電網(wǎng)諧波傳遞干擾。

微電網(wǎng)并網(wǎng)運行后，其鄰近配電網(wǎng)內(nèi)部存在著大型電力設備，例如整流器、電機等，上述電力設備會釋放大量的諧波，諧波電壓分量通過連接處逐漸滲透到電網(wǎng)母線中，引起電能質(zhì)量的下降[9]。諧波電壓分量傳遞規(guī)律如圖3所示。

如圖3所示，諧波滲透點主要為微電網(wǎng)并網(wǎng)連接處，其會對配電網(wǎng)電壓產(chǎn)生較大的干擾，從而降低電能的輸出質(zhì)量。

三是并網(wǎng)逆變器參數(shù)差異。

微電網(wǎng)中包含多個分布式電源，由于發(fā)電技術、電源其他參數(shù)的不同，致使每個分布式電源輸出功率特性差異性較強，配置逆變器參數(shù)之間存在的差別也較大。在該情況下，各設備輸出電壓的幅值與相位可能會產(chǎn)生較大差異，進而導致環(huán)流現(xiàn)象的產(chǎn)生，影響大電網(wǎng)輸出電能的質(zhì)量[10]。

上述過程完成了微電網(wǎng)并網(wǎng)運行電能質(zhì)量干擾源的深度剖析，為后續(xù)電能質(zhì)量安全監(jiān)測指標的選取奠定了堅實的基礎。

1.2"電能質(zhì)量安全監(jiān)測指標選取

以上述微電網(wǎng)并網(wǎng)運行電能質(zhì)量干擾源分析結果為基礎，依據(jù)全面性、科學性等原則，選取適當?shù)碾娔苜|(zhì)量安全監(jiān)測指標，為最終實現(xiàn)電能質(zhì)量安全監(jiān)測提供支撐[11]。

根據(jù)研究需求與目標，選取電能質(zhì)量安全監(jiān)測指標，具體如表1所示。

如表1所示，三級指標數(shù)量最多，為13個；一級指標數(shù)量最少，為2個；二級指標數(shù)量為5個。其中，電壓質(zhì)量最能直接體現(xiàn)電能質(zhì)量的好壞，故對其進行深入探究[12]。電壓偏差計算公式為：

χi=Ui－U0U0×100%（2）

式（2）中，χi表示電壓偏差數(shù)值；Ui表示電網(wǎng)節(jié)點i的電壓數(shù)值；U0表示標準電壓數(shù)值。

常規(guī)情況下，當電壓偏差χi在［－10%，7%］范圍內(nèi)時，認定電能質(zhì)量符合安全標準；當電壓偏差χi在－10%，7%范圍外時，認定電能質(zhì)量不符合安全標準，需要對電壓進行及時的控制與調(diào)整。

電壓波動值計算公式為：

δi=Umax"－Umin"U0×100%"（3）

式（3）中，δi代表電壓波動值；電壓的最大值為Umax"；電壓的最小值為Umin"。

電壓波動會引起照明燈亮度變化、大型工業(yè)設備轉速不均勻等，若是電壓波動現(xiàn)象一直存在，則會影響人們的正常生產(chǎn)與生活[13]。由于研究篇幅有限，不對其他電壓質(zhì)量三級指標進行贅述。

1.3"電能質(zhì)量安全監(jiān)測指標權重計算

以上述選取的電能質(zhì)量安全監(jiān)測指標為依據(jù)，通過分析可知，每個指標對于最終電能質(zhì)量安全監(jiān)測結果的影響程度是不同的，若是將其直接進行加和處理，獲得的安全監(jiān)測結果將與實際結果偏差較大，不利于控制與提高電能質(zhì)量。因此，此節(jié)應用層次分析法對電能質(zhì)量安全監(jiān)測指標權重進行準確的計算，為最終模型的確定做好準備[14]。

基于層次分析法的電能質(zhì)量安全監(jiān)測指標權重計算步驟如下。

步驟一：將電能質(zhì)量安全監(jiān)測指標劃分為三層結構，分別為目標層——電能質(zhì)量安全監(jiān)測，準則層——二級指標（表1），指標層——三級指標（表1）；

步驟二：依據(jù)步驟一確定的層次結構構造判斷矩陣，表達式為：

F=f11f12…f1nf21f22…f2nfijfn1fn2…fnn（4）

式（4）中，F(xiàn)表示判斷矩陣；fij表示第i個監(jiān)測指標與第j個監(jiān)測指標相比所得的標度值，其主要利用1～9標度法獲取，具體規(guī)則如下式所示：

fij=1，監(jiān)測指標yi與yj同等重要3，監(jiān)測指標yi比yj稍微重要5，監(jiān)測指標yi比yj明顯重要7，監(jiān)測指標yi比yj強烈重要9，監(jiān)測指標yi比yj極端重要2/4/6/8，介于1/3/5/7/9之間（5）

步驟三：為驗證權重系數(shù)計算結果是否正確，需考慮F對結果的影響，對F開展一致性驗證，其過程可由下式表示：

ζ=λmax－nn－1（6）

式（6）中，F(xiàn)一致性檢驗因子可由ζ代表；F的最大特征值為λmax。

當公式（6）計算結果大于或等于0.1時，判定F與檢驗標準不匹配，需重新調(diào)整F的參數(shù)[15]；反之，當公式（6）計算結果小于0.1時，判定F與檢驗標準匹配。

步驟四：以符合一致性檢驗標準的判斷矩陣F為基礎，計算監(jiān)測指標權重數(shù)值，表達式為：

ωi=∏nj=1fij1/n∑nk=1∏nj=1fkj1/n"（7）

式（7）中，第i個監(jiān)測指標的權重數(shù)值可由ωi代表。

依據(jù)式（7）計算全部監(jiān)測指標的權重數(shù)值，獲得電能質(zhì)量監(jiān)測指標權重向量W=［ω1"ω2"…"ωn］T。

通過上述步驟即可完成監(jiān)測指標權重的計算，為電能質(zhì)量安全監(jiān)測結果的獲取提供依據(jù)支撐。

1.4"電能質(zhì)量安全監(jiān)測模型確定

以上述電能質(zhì)量安全監(jiān)測指標權重計算結果為依據(jù)，確定電能質(zhì)量安全監(jiān)測模型[16]，表達式為：

K=∑ni=1ωi×yi""（8）

式（8）中，K表示電能質(zhì)量安全監(jiān)測結果。

依據(jù)公式（8）計算結果，結合電能質(zhì)量安全需求，制定電能質(zhì)量安全判定規(guī)則，具體如下。

（1）當K處于0，0.2范圍內(nèi)時，認定電能質(zhì)量安全等級為Ⅰ，電能質(zhì)量安全性極差；

（2）當K處于0.2，0.4范圍內(nèi)時，認定電能質(zhì)量安全等級為Ⅱ，電能質(zhì)量安全性較差；

（3）當K處于0.4，0.6范圍內(nèi)時，認定電能質(zhì)量安全等級為Ⅲ，電能質(zhì)量安全性一般；

（4）當K處于0.6，0.8范圍內(nèi)時，認定電能質(zhì)量安全等級為Ⅳ，電能質(zhì)量安全性良好；

（5）當K處于0.8，1范圍內(nèi)時，認定電能質(zhì)量安全等級為Ⅴ，電能質(zhì)量安全性優(yōu)秀[17]。

通過上述過程實現(xiàn)微電網(wǎng)并網(wǎng)運行電能質(zhì)量安全的監(jiān)測，為微電網(wǎng)后續(xù)應用與發(fā)展提供助力。

2"實驗與結果分析

選取基于LSTM的重要用戶電能質(zhì)量趨勢預測分析模型[18]與基于模糊DEA的長時間尺度電能質(zhì)量綜合評估[19]作為對比模型1與2，設置電能質(zhì)量安全監(jiān)測對比實驗，以此來驗證構建模型的應用效果。

2.1"實驗對象選取

選取某城市配電網(wǎng)（含分布式電源）作為實驗對象，其微電網(wǎng)并網(wǎng)運行結構如圖4所示。

如圖4所示，微電網(wǎng)包含多種分布式電源，例如光伏陣列、風機等，其與大電網(wǎng)連接并行，符合構建模型應用性能測試需求。

2.2"電能質(zhì)量安全監(jiān)測指標權重確定

為了方便后續(xù)實驗的順利進行，根據(jù)各項指標的相對差異性和重要性，采用1.3節(jié)計算方法，根據(jù)專家的打分構造判斷矩陣F，提前對監(jiān)測指標權重進行計算與確定，保證評價結果可信度和準確性，得出各項指標的權重向量。具體如表2所示。

如表2所示，利用層次分析法可得到電能質(zhì)量安全監(jiān)測指標權重系數(shù)，基于此對F一致性進行檢驗。若檢驗結果與一致性檢驗標準相匹配，則表明監(jiān)測指標權重數(shù)值準確，為后續(xù)實驗的進行提供便利。

2.3"實驗結果分析

以上述選取的實驗對象、確定的監(jiān)測指標權重數(shù)據(jù)為基礎，進行電能質(zhì)量安全監(jiān)測對比實驗。構建模型與對比模型選取的監(jiān)測指標并不一致，并會根據(jù)實驗背景的不同而變化，獲得的電能質(zhì)量安全監(jiān)測結果也不相同。為了更加直觀地顯示構建模型的應用性能，選取監(jiān)測指標完整度及其監(jiān)測結果作為評價指標，具體實驗結果分析過程如下。

如圖5所示，構建模型應用后，在第4種實驗工況背景下，獲得電能質(zhì)量安全監(jiān)測指標完整度最小值54%；在第7種實驗工況背景下，獲得電能質(zhì)量安全監(jiān)測指標完整度最大值96%。通過比較研究發(fā)現(xiàn)，在不同實驗工況背景下，構建模型監(jiān)測指標完整度均高于其他兩個對比模型，表明構建模型選取的監(jiān)測指標更加全面、完整。

通過實驗獲得電能質(zhì)量安全監(jiān)測結果如圖6所示。

如圖6所示，構建模型應用后，獲得的電能質(zhì)量安全監(jiān)測結果與實際結果保持一致，而對比模型1與2獲得的電能質(zhì)量安全監(jiān)測結果與實際結果偏差較大，表明構建模型電能質(zhì)量安全監(jiān)測精度更高。

3"結"論

化石能源危機情況愈加嚴重，清潔能源發(fā)電技術受到了國家的廣泛關注，電力系統(tǒng)的發(fā)展趨向于微電網(wǎng)并網(wǎng)運行。但由于太陽能、風能等可再生能源的性能不穩(wěn)，電能質(zhì)量無法保障，從而影響用戶的滿意度，制約電力行業(yè)的穩(wěn)定運行，故提出基于層次分析法的微電網(wǎng)并網(wǎng)運行電能質(zhì)量安全監(jiān)測模型構建研究。實驗數(shù)據(jù)顯示：構建模型應用后，監(jiān)測指標完整度得到了大幅度的提高，監(jiān)測結果與實際結果相同，能夠為電能質(zhì)量的改善與提高提供更有效的模型支撐。但是所研究方法并未確定不同時序下接入配電系統(tǒng)的微電網(wǎng)安全運行范圍，在后續(xù)研究中，為了保證全面的監(jiān)測電能質(zhì)量安全，還需要進一步完善模型，為相關領域提供一定的幫助。

參考文獻

［１］"朱吉然，"牟龍華，"郭文明."考慮并網(wǎng)運行微電網(wǎng)故障方向識別的逆變型分布式電源故障控制[J]."電工技術學報，"2022，"37（3）：634-644.

[2]"袁性忠，"王輝，"賈宏剛，等."基于儲能型APF的微電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合治理[J]."高壓電器，2022，58（8）：238-244，251.

[3]"蔡昌春，"息夢蕊，"劉昊林，等."基于數(shù)據(jù)驅(qū)動和多場景技術的微電網(wǎng)并網(wǎng)等效建模[J]."電力自動化設備，2022，42（9）：64-69.

[4]"TIWARI"S，"KEWAT"S，"SINGH"B，"et"al."Battery-supported"unified"power"quality"controller"for"small"hydro-based"isolated"power"generation[J].IET"Renewable"Power"Generation，"2021，"15（10）："2160-2167.

[5]"MISHRA"S，"MALLICK"R"K，"GADANAYAK"D"A，"et"al."A"novel"hybrid"downsampling"and"optimized"random"forest"approach"for"islanding"detection"and"non-islanding"power"quality"events"classification"in"distributed"generation"integrated"system[J].IET"Renewable"Power"Generation，"2021，"15（8）："1662-1677.

[6]"宗海煥，"孫帥，"喻宙，等."孤島微電網(wǎng)下的單相H橋并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[J]."電子器件，"2021，"44（3）：564-568.

[7]"張程翔，"汪科，"陸瑩，等."微電網(wǎng)中儲能運行模式自發(fā)切換的對策研究[J]."電氣傳動，"2021，"51（23）：70-75.

[8]"王子昂，"孟潤泉，"韓肖清."微電網(wǎng)與配電網(wǎng)間串聯(lián)補償變壓器直流偏磁抑制策略研究[J]."電測與儀表，"2022，"59（1）：127-133.

[9]"王曉毅，"唐忠."考慮供需自平衡和獨立運行能力的并網(wǎng)型微電網(wǎng)容量優(yōu)化配置[J]."太陽能學報，"2021，"42（5）：74-82.

[10]畢永健，"徐丙垠，"趙艷雷，等."同步定頻微電網(wǎng)的并網(wǎng)/孤島無縫切換控制策略[J]."電網(wǎng)技術，"2022，"46（3）：923-933.

[11]趙安新，"張育剛，"韓安，等."基于層次分析法的煤礦分級分層安全狀態(tài)評估方法[J]."煤炭技術，"2021，"40（3）：162-165.

[12]陳喆玙，"林銘煒."基于層次分析法的猶豫模糊語言包絡分析模型及其在邊緣節(jié)點網(wǎng)絡安全評估中的應用[J]."計算機應用研究，"2021，"38（1）：209-214.

[13]楊天翼，"趙強，"王奎峰，等."基于層次分析法和熵權法綜合評價山東省水生態(tài)安全[J]."濟南大學學報（自然科學版），"2021，"35（6）：566-571+579.

[14]張晉芳，"余隆麗，"周郅炅，等."基于層次分析法的超高層建筑結構選型[J]."建筑結構，"2021，"51（S1）：358-362.

[15]許中平，"趙峰，"李守超，等."基于電能質(zhì)量的變壓器振動機理模型及振動信號相關性分析[J]."變壓器，"2021，"58（10）：19-24.

[16]肖先勇，"胡譽蓉，"王楊，等."基于非同步電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的諧波狀態(tài)估計[J]."中國電機工程學報，"2021，"41（12）：4121-4131.

[17]郭嘉琦，"蔣建東."可變模糊云模型電能質(zhì)量綜合評估[J]."鄭州大學學報：理學版，"2021，"53（3）：110-118.

[18]趙長偉，"駢?，B，"杜天碩，等."基于LSTM的重要用戶電能質(zhì)量趨勢預測分析模型[J]."電力系統(tǒng)及其自動化學報，"2022，"34（7）：26-33.

[19]林才華，"張逸，"邵振國，等."基于模糊DEA的長時間尺度電能質(zhì)量綜合評估[J]."高電壓技術，"2021，"47（5）：1751-1761.