CN101246569A - 基于层次分析法和模糊算法的电网电能质量综合评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了采用层次分析法和模糊算法相结合的方法进行电网电能质量评估，包括建立电能质量综合评价指标体系，实现对电网电能质量状况进行综合评价、对不同地区电网电能质量进行综合评估等。本发明突破了传统单指标、单点电能质量评价的局限，形成了较全面的、实用的电能质量评价指标体系，为电网安全稳定运行提供了技术和数据支持。

Description

基于层次分析法和模糊算法的电网电能质量综合评价方法

技术领域

本发明涉及一种电网电能质量综合评价，用以合理、综合评价电网、地区电能质量状况的方法。属于电力系统自动化技术领域。

背景技术

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。如大型整流设备、变频调速装置、电气化铁路机车、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。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。另一方面随着现代科学技术的迅猛发展，用户越来越多的使用高、精、尖的电力电子设备，同时大量采用紧密连续的过程控制系统来完成工作处理和管理，这些都需要高质量、高可靠性的电网和与之相适应的电能。用户对电能质量提出了比以前更新更高的要求。电能质量问题已引起国内外的严重关注。

电能质量管理的目的是使电能质量符合有关规定的标准，保证电网安全稳定、质优经济、可靠运行，向用户提供合格的电能和维持全社会的正常用电秩序。要达到以上的目的，在现有的管理基础上，必须利用各种新技术、新方法跟踪系统中应用的各种新技术、新产品，对相关内容进行及时的、有效的跟踪和分析。

近几年来，各电力公司在电能质量监测、普测、调查等方面作了大量行之有效的工作，积累了很多电能质量方面的经验和资料，掌握了大量的电网和用户的电能质量测试数据和监测数据。但是在对这些数据进行统一管理和综合查询、充分利用上还有欠缺，没有将全省的电能质量设备情况、污染源情况、电能质量普测和监测数据整合在一个平台上。

另外，在对电能质量的评价上，目前的手段仅仅参考国家电能质量5项国际，相对简单，没有一套系统的电能质量评价指标体系，对复杂的电网和用户的电能质量状况不能得到合理的评估。对某一区域、某个线路的电能质量评估研究得不够，与目前和将来电网对电能质量的要求不能适应。

一方面，决策者需要及时迅捷地获知有关电网电能质量信息，从而为做出正确的电力规划和调度，以及批准合格的用电设备入网和签署合理用电协议等提供决策依据；另一方面，电力用户有权利且有必要了解自己所在电网电能质量情况，从而为安排合理的用电时段、价格、容量，以及适当的用电设备和用电需求等提供技术参考依据。尤其是厂网分家后，电网作为发电方和用电方的中介，有必要从减少电网污染和损耗的角度出发，对提供输送优质电能质量的发电方和采取措施杜绝电能污染的用电方，利用价格杠杆，优质优价调剂电力市场。

本发明人根据电网电能质量管理实际，利用大量的监测数据，结合理论研究，提出基于层次分析法和模糊算法的电网电能质量综合评价方法，经过在实际的省网电能质量管理中的应用，表明该方法设计合理，实用性强，为电网电能质量管理提供了很好的方法和手段。

发明内容

本发明的目的是研究电能质量评价指标和方法，分析、研究各种负载对电网电能质量的影响，评估各地区电网电能质量状况，为进一步的电网参数、系统稳定等的分析提供依据，为电网的规划提供参考。

本发明是采取以下的技术方案来实现的：

基于层次分析法和模糊算法的电网电能质量综合评价方法，其步骤如下：

(1)建立电网电能质量综合评价指标体系；

(2)将电能质量指标分为几个层次，利用层次分析法得到基础权重，并在此基础上利用变权法对基础权重进行修整得到最终的指标权重向量；

(3)根据模糊理论，根据评价权重参量和指标权重向量构成模糊评价隶属度函数；

(4)利用模糊综合评价方法对电网电能质量状况进行评估，实现不同指标、不同用户的综合评价。

所述的基于层次分析法和模糊算法的电网电能质量综合评价方法，其特征在于建立了电能质量综合评价指标体系，其中此评价指标体系是基于标准和生产实际相结合，能对电网进行综合、实用化评价的完整体系。

所述的基于层次分析法和模糊算法的电网电能质量综合评价方法，其特征在于针对不同电能质量指标和不同用户对电能质量要求和影响的变化，利用专家系统对不同用户、不同指标权重可变的智能评价体系。

本发明的有益效果是：根据电网电能质量管理实际，利用大量的监测数据，结合理论研究，提出基于层次分析法和模糊算法的电网电能质量综合评价方法，经过在实际的省网电能质量管理中的应用，表明该方法设计合理，实用性强，为电网电能质量管理提供了很好的方法和手段。研究电能质量评价指标和方法，分析、研究各种负载对电网电能质量的影响，评估全省各地电能质量状况，为进一步的电网参数、系统稳定等的分析提供依据，为电网的规划提供参考。

附图说明

图1是本发明电能质量指标评价层次；

图2是本发明电压偏差单项指标评价图；

图3是本发明二级模糊综合评价结构图。

具体实施方式：

如图1-3所示，本发明的原理具体叙述如下：

(1)技术方案的第一部分：评价指标确定

对电能质量作综合评价，前提是要确定电能质量的评价指标。根据现有的6项电能质量国家标准并结合现场测得的数据，确定以下评价指标：电压偏差、电压波动、电压闪变包括长时间闪变、短时间闪变、频率偏差、三相电压不平衡度、谐波包括总谐波畸变、奇次谐波、偶次谐波)、谐波电流、电压暂态。见表1及图1。

                  表1二级待评分项指标

评价指标	一级指标	二级指标
			x1x2x3x4x5x6x7x8x9x10x11	奇次谐波电压含有率偶次谐波电压含有率	电压偏差电压波动电压长时闪变电压短时闪变频率偏差三相电压不平衡度总谐波畸变率谐波畸变谐波电流电压暂态

注：①如果能提供电压平均偏差和持续时间数据，则电压偏差也可用二级评价；

②如果能提供电压平均波动幅度和波动次数，则电压波动也可用二级评价；

③如果能提供频率平均偏差和持续时间数据，则频率偏差也可用二级评价；

④如果能提供电压不平衡度和持续时间数据，则三相电压不平衡度也可用二级评价。

(2)技术方案的第二部分：隶属度函数的确定

将电能质量分为优质，良好，合格，较差，很差五个评价等级，基本上可以满足评价的要求。求出每一个电能指标在每一等级下面的隶属度函数，形成判断矩阵。

隶属度函数

电压偏差和频率偏差、电压波动和闪变指标、电压波形畸变指标和三相电压不平衡有着相同的隶属度函数。以电压偏差为例，电压偏差很小的隶属度函数为

${\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{VDM}}\left(\mathrm{\&Delta;U}\right)=\left\{\begin{array}{cc}0& \mathrm{\&Delta;U}\&le;-U_2\\ \frac{1}{2}+\frac{1}{2}\sin \left[\frac{\mathrm{\&pi;}}{U_2-U_1}(\mathrm{\&Delta;U}-\frac{U_1+U_2}{2})\right]& {-U}_2<\mathrm{\&Delta;U}\&le;-U_1\\ 1& {-U}_1<\mathrm{\&Delta;U}{<U}_1\\ \frac{1}{2}-\frac{1}{2}\sin \left[\frac{\mathrm{\&pi;}}{U_2-U_1}(\mathrm{\&Delta;U}-\frac{U_1+U_2}{2})\right]& U_1\&le;\mathrm{\&Delta;U}<U_2\\ 0& \mathrm{\&Delta;U}{\&GreaterEqual;U}_2\end{array}\right.---\left(1\right)$

电压偏差持续时间很短的隶属度函数为

${\mathrm{\&mu;}}_{\mathrm{VDT}}\left(T_{\mathrm{\&Delta;U}}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& T_{\mathrm{\&Delta;U}}{\&le;T}_{\mathrm{\&Delta;U}0}\\ e^{-k_{t1}(T_{\mathrm{\&Delta;U}}-T_{\mathrm{\&Delta;U}0})}& T_{\mathrm{\&Delta;U}}{>T}_{\mathrm{\&Delta;U}0},k_{t1}>0\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中ΔU、T_ΔU为电压偏差的百分比及其相应得持续时间；U₁、U₂、K_t1、T_ΔU为常数，由实际情况确定。

单项指标评价举例

现在以评价电压偏差单项指标为例来说明隶属度函数中的一些常数的确定过程。将电压偏差等级分为优秀、良好、合格、较差和很差五种。

根据上述所设定的值，可以画出电压偏差评价图，如图2。图中横坐标为电压偏差，单位为％；而纵坐标为评价结果，采取的是百分制打分的形式。

对得到的某变电所电压偏差数据，对其进行评价，评价结果如表2。

       表4.2电压偏差单项指标评价结果

电压偏差数据(％)	评判结果(百分制)
		5.0765.0114.8333	757575.44

4.78224.78074.70634.7806

75.7375.7476.2675.74

注：其中将优秀打分为90分，良好打分为75分，合格打分为60分，较差打分为45分，很差打分为30分。评价矩阵

                表3评价矩阵

	优质	良好	合格	较差	很差
						电压偏差电压波动电压闪变频率偏差三相不平衡总谐波畸变谐波电压谐波电流电压暂态

将监测数据代入相应的隶属度函数求出评价矩阵R_8*5

$R=\left[\begin{array}{c}{R}_1\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ \&CenterDot;\\ R_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{r}_{11}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& r_{1m}\\ \&CenterDot;& & \\ \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ \&CenterDot;& & \&CenterDot;\\ r_{n1}& \&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;& r_{\mathrm{nm}}\end{array}\right]$

一般将r_ij进行归一化处理

$r_{\mathrm{ij}}^{\&prime;}=r_{\mathrm{ij}}/\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{r}_{\mathrm{ij}}$

(3)技术方案的第三部分：权重的确定

层次分析法——AHP法

运用层次分析法，两两比较评价指标的相对重要性，然后通过综合判断以决定诸因素相对重要性总的顺序。AHP的核心是利用1～9间的整数及其倒数作为标度来构造两两比较判断矩阵，比例的标度及其含义见表4。

        表4判断矩阵形成准则

标度	含义
		1357	两个因素相比，具有同等重要性两个因素相比，一个比另一个稍微重要两个因素相比，一个比另一个明显重要两个因素相比，一个比另一个强烈重要

9	两个因素相比，一个比另一个极端重要

注：①标度2、4、6、8代表上述两相邻判断中的中间值；

②倒数：因素i与因素j比较得判断b_ij，则因素j与因素i比较得判断b_ji＝1/b_ij。

下一阶段可以对经典AHP法评价子目标的指数标度作进一步调整，使其更符合实际应用。表4中给出的准则并不符合人的思维习惯，采用指数标度法用梯形四边形模糊数来表示，见表5。

           表5指数梯度法判断矩阵形成准则

标度	含义
		11.2772.0804.3279	两个因素相比，具有同等重要性两个因素相比，一个比另一个稍微重要两个因素相比，一个比另一个明显重要两个因素相比，一个比另一个强烈重要两个因素相比，一个比另一个极端重要

权重确定

1)两两比较电能质量分项指标的重要程度，按上表确定相互的比例标度a_ij。

2)一般对n个分项指标来说，可得到两两判断矩阵A＝(a_ij)_n×n。此矩阵为正反矩阵，具有以下性质：①a_ij＞0 ②a_ji＝1/a_ij ③a_ii＝1。

3)求正反矩阵A的最大特征值λ_max及其对应的特征向量W，并对W进行标准化(归一化)处理。

$w_i^{\&prime;}=w_i/\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{w}_j,(i=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;n)---\left(4\right)$

4)依照“一致性指标”CI进行一致性检验。如果得到了比较满意的一致性，则结束求取程序，输出计算结果；如果不能达到一致性要求，则修改正反矩阵。

一致性检验

要验证通过AHP法求出的权重值是否合理，必须进行一致性检验。由于客观事务的复杂性，会使人们的判断带有主观性和片面性，在每次进行两两比较判断时思维标准常常不是一致的，这个称为比较判断的不一致性。当判断偏离一致性过大时，把判断矩阵的权向量计算结果作为决策依据将是不可靠的，为此在求得λ_max后需进行一致性检验。一致性检验的方法为：

1)计算“一致性指标”CI

$\mathrm{CI}=\frac{{\mathrm{\&lambda;}}_{\max }-n}{n-1}---\left(5\right)$

其中λ_max为判断矩阵的最大特征根，n为判断矩阵的阶数。

2)计算“随机一致性比率”CR

CR＝CI/RI，其中RI为判断矩阵的随机一致性指标。当CR＜0.1时，可以认为判断矩阵具有满意的一致性。对于1～8阶判断矩阵，RI的取值见表6。

                             表6 RI值表

n	1	2	3	4	5	6	7	8
									RI	0	0	0.58	0.94	1.12	1.24	1.32	1.41

(4)技术方案的第四部分：电能质量的模糊综合评判

本文所介绍的电能质量评价系统需应用二级模糊综合评价。其模型如图3所示：

针对性用户分类

电网的不同用户对不同的电能质量指标有着不同的要求，他们的侧重点也不同。因此，用户分类可分为炼钢企业、煤矿企业、水泥厂，化工厂、电气化铁道、地铁、整流装置、纺织造纸行业、普通家用用户、计算机系统和自动控制系统等。根据不同的电网用户，确定其各项指标的不同权重。

上述实施例不任何方式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案均落在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1、基于层次分析法和模糊算法的电网电能质量综合评价方法，其步骤如下：

(1)建立电网电能质量综合评价指标体系；

(2)将电能质量指标分为几个层次，利用层次分析法得到基础权重，并在此基础上利用变权法对基础权重进行修整得到最终的指标权重向量；

(3)根据模糊理论，利用评价权重参量和指标权重向量构成模糊评价隶属度函数；

(4)利用模糊综合评价方法对电网电能质量状况进行评估，实现不同指标、不同用户的综合评价。

2、根据权利要求1所述的基于层次分析法和模糊算法的电网电能质量综合评价方法，其特征在于建立了电能质量综合评价指标体系，其中此评价指标体系是基于相关标准和生产实际相结合，能对电网进行综合、实用化评价的完整体系。

3、根据权利要求1所述的基于层次分析法和模糊算法的电网电能质量综合评价方法，其特征在于针对不同电能质量指标和不同用户对电能质量要求和影响的变化，利用专家系统对不同用户、不同指标权重可变的智能评价体系。