CN101465546A - 电能质量综合评估系统 - Google Patents

Abstract

一种电力应用技术领域的电能质量综合评估系统，本发明中，电能质量采集模块从电网中获取各项电能质量指标；电能质量指标分级模块根据国家标准或国际公认要求将电能质量采集模块获得的电能质量指标分成设定的分级；概率分布矩阵获取模块获得电能质量处在各个等级的概率，将每个电能指标每级的概率求出可获得概率分布矩阵；权值矢量获取模块获得电能质量指标的权值矢量；评估量化值获得模块根据概率分布矩阵和各项指标的权重矢量得到电能质量综合评估的唯一量化值；电能质量评价模块将唯一量化值与评价体系进行比对，得到电能质量评价结果。本发明能够真实反映电能质量各项指标的概率特征，可以客观、全面的对电能质量进行综合评估。

Description

电能质量综合评估系统

技术领域

本发明涉及一种电力应用技术领域的系统，具体是一种电能质量综合评估系统。

背景技术

电能质量是多个指标的有机综合，虽然世界各国对各个电能质量指标制定了一系列的标准，但这些用来确定单个指标合格与不合格的标准，不能全面、真实、唯一地反映总的电能质量的性质。随着经济的飞速发展，在对电能质量的要求方面出现了以下新问题：一方面，由于大量非线性、冲击性负荷接入电力系统或其他扰动源的存在导致电网中的电能质量问题日益严重；另一方面，由于众多基于计算机、微处理控制器的精密仪器、设备的大量使用，用户对电能质量的要求越来越高。据统计，美国因为电能质量问题所带来的损失一年超过500亿美元。我国现有六项电能质量标准，分别对电压偏差、频率偏差、谐波、电压三相不平衡度、电压波动与闪变、暂时过电压和瞬态过电压进行了限定，且目前电能质量测量仪能够判断这些电能质量指标是否满足标准要求，但这只能用来评估电能质量的单项指标，不能综合评价电能质量的好坏。

电能质量综合评估方法研究，近年来主要集中在基于概率论与矢量代数、模糊数学以及层次分析法上。

经对现有技术的文献检索发现，谭家茂等在《继电器》(2006，34(3)：55-59)上发表的《基于模糊理论的电能质量综合评价方法研究》，该文中提出结合层次分析法(analytical hierarchy process，AHP)及模糊方法对电能质量进行综合评价，其不足在于：当考虑指标比较多时，应用AHP有时会出现判断矩阵不具有一致性的情况，且模糊数学对于隶属度函数的建立并没有一个统一的通用定理或计算公式，很大程度上受主观因素的影响。

目前，电力系统还没有确定电能质量各项指标权重的标准。但是要对电能质量进行综合评价，需确定反映同一电能质量不同参数的相对重要性的权重。层次分析法即是用来确定指标权重值的传统方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提出了一种电能质量综合评估系统，使用基于AHP权重的线性规划模型，当判断矩阵不具有一致性时，在判断矩阵中找到影响一致性的那一项，从而得到合理的权值，并在此基础上应用概率统计对电能质量进行综合评估。本发明可以根据不同类型负荷的敏感程度来确定各单项指标的不同权重，在数据处理过程中能够将各指标的模糊性量化。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：电能质量采集模块、电能质量指标分级模块、概率分布矩阵获取模块、权值矢量获取模块、评估量化值获得模块、电能质量评价模块，其中：

电能质量采集模块从电网采集得到电压/电流信号，经电压/电流传感器转换为交流电压信号之后进行信号调理以抑制系统噪声，再通过数据采集卡将此模拟信号转化为数字信号，最后根据数字信号获得各项电能质量指标，电能质量指标包括：电压暂降、电压偏差、频率偏差、三相不平衡、波动与闪变、谐波、可靠性等，并将电能质量指标传输给电能质量指标分级模块；

电能质量指标分级模块根据国家标准或国际公认要求将电能质量采集模块获得的电能质量指标分成设定的级数；

概率分布矩阵获取模块在评估时间段内，根据电能质量指标分级模块分级设定情况，获得电能质量处在各个等级的概率p_k，将每个电能指标每级的概率求出可获得概率分布矩阵R_n×m，其中n表示考虑的电能质量指标个数，m表示每个指标都被分成的级数；

权值矢量获取模块通过层次分析法形成各电能质量指标的判断矩阵，并利用两个线性规划模型求取最优一致性目标，获权值矢量，并将权值矢量传输给评估量化值获取模块；

评估量化值获得模块将概率分布矩阵R和各项指标的权重矢量W相乘得到矩阵V，对矩阵V应用加权平均法处理得到电能质量综合评估的唯一量化值V′；

电能质量评价模块建立评价体系，并将评估量化值获得模块获得的唯一量化值V′与评价体系进行比对，得到电能质量评价结果。

所述电能质量指标分级模块，其将每个电能质量指标分成十级，十级均是合格电能，在评估过程中，如果有某些电能质量指标超出了限值，则可根据其超标程度以某一跨度将超出部分均等分级，如果超出范围很小，把超出部分作为第11级。如对于频率偏差，国标规定正常情况下频率偏差的绝对值不得超过2％，以跨度为0.2平均分成10个等级，超过0.2％的部分看成第11级。

所述权值矢量获得模块，包括：判断矩阵获得模块、第一线性规划模型构造模块、一致性约束范围获取模块、不一致性判断矩阵元素识别模块、第二线性规划模型构造模块、权值向量求取模块，其中：

判断矩阵获得模块通过比较各项电能质量指标的重要性，设定判断矩阵中各元素的数值，最终形成各个电能质量指标的判断矩阵；

第一线性规划模型构造模块根据判断矩阵获得模块所形成的判断矩阵中各元素，设置ε_ij是a_ij的误差值，满足w_i/w_j＝a_ijε_ij，a_ij表示因数y_i与因素y_j的重要性之比，一致性判断矩阵中，对所有的i，j均有lnε_ij趋向于0，且有：x_i＝lnw_i，y_ij＝lnε_ij，z_ij＝|y_ij|，则构造第一线性规划模型，具体如下：

目标函数为： $\mathrm{Min}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{z}_{\mathrm{ij}},$

约束条件如下：

一致性约束范围获取模块求取第一线性规划模型的最优解Z^*，Z^*是要找的最优一致性目标，并将最优解Z^*作为第二线性规划模型的一个约束条件，一致性约束范围获取模块不仅求取最优解z^*，而且要使得每一个偏差都尽可能的小；

不一致性判断矩阵元素识别模块，在判断矩阵存在不一致性情况时，即当求出的几个指标权值相等而在判断矩阵中相关元素又不等于1时，判断出权值相等的这几项是影响判断矩阵不一致性的元素，则根据判断矩阵获得模块重新修订影响一致性的元素以获得新的判断矩阵，否则进入下一模块；

第二线性规划模型构造模块利用一致性约束范围求取模块获得的最优解Z^*，将其作为一个一致性约束范围加入到第二线性规划模型中，具体如下：

目标函数：Min Z_max           (9)

约束条件：

式(13)可以保证Z_max是所有偏差的最大值，式(10)可以保证唯有满足最优值Z^*的解是有效解，而其它条件同以前相同。

权值向量求取模块，通过第二线性规划模型求得决策变量(x₁，x₂，x₃...x_n)，然后由x_i＝lnw_i获得各权值向量(w₁，w₂，w₃...w_n)，并进行规一化使其和为1。

所述电能质量评价模块，其建立的评价体系的级制与电能质量指标分级模块对电能质量指标进行的分级级制相同，以保持分级的一致性。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明克服传统AHP的局限性，提出了一种AHP权重的线性规划模型，当判断矩阵不具有一致性时，可以方便地在判断矩阵中找到影响一致性的那一项，从而得到合理的权值，并在此基础上应用概率统计对电能质量进行综合评估。本发明可以根据不同类型负荷的敏感程度来确定各单项指标的不同权重，在数据处理过程中用概率统计将各指标的模糊性量化，受主观因素的影响小，评估结果客观、科学、合理。

附图说明

图1本发明系统结构框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例以某牵引站的电能质量评估为例，在该牵引站上级电源220kV站安装有两台电能质量分析仪，专门监视该牵引站的电能质量。

如图1所示，本实施例包括：电能质量采集模块、电能质量指标分级模块、概率分布矩阵获取模块、权值矢量获取模块、评估量化值获得模块、电能质量评价模块，其中：

电能质量采集模块使用电压/电流互感器从电网得到电压/电流信号，经电压/电流传感器转换为5V或10V的交流电压信号之后进行信号调理以抑制系统噪声，再通过数据采集卡将此模拟信号转化为数字信号，最后根据数字信号获得各项电能质量指标，电能质量指标包括：电压暂降、电压偏差、频率偏差、三相不平衡、波动与闪变、谐波、可靠性等，并将电能质量指标传输给电能质量指标分级模块；

电能质量指标分级模块根据国家标准或国际公认要求将电能质量采集模块获得的电能质量指标分成m级，则各级的跨度为：q＝x/m；其中，m为所分等级个数；x为国标对该项指标的限值，第k级的范围为： $q_k\∈[\frac{x}{m}k-\frac{x}{m},\frac{x}{m}k].$

概率分布矩阵获取模块在评估时间段内，根据电能质量指标分级模块分级设定情况，获得电能质量处在各个等级的概率p_k，将每个电能指标每级的概率求出可获得概率分布矩阵R_n×m，其中n表示考虑的电能质量指标个数，m表示每个指标都被分成的级数；

权值矢量获取模块通过层次分析法形成各电能质量指标的判断矩阵，并利用两个线性规划模型求取最优一致性目标，获权值矢量，并将权值矢量传输给评估量化值获取模块；

评估量化值获得模块将概率分布矩阵R和各项指标的权重矢量W相乘得到矩阵V，对矩阵V应用加权平均法处理得到电能质量综合评估的唯一量化值V′， $V\′=\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kV}}_k/\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{V}_k,$ V＇即是电能质量的唯一量化评估结果；

电能质量评价模块建立评价体系，并将评估量化值获得模块获得的唯一量化值V′与评价体系进行比对，得到电能质量评价结果。

所述电能质量指标分级模块，其将每个电能质量指标分成十级，十级均是合格电能，在评估过程中，如果有某些电能质量指标超出了限值，则可根据其超标程度以某一跨度将超出部分均等分级，如果超出范围很小，把超出部分作为第11级。如对于频率偏差，国标规定正常情况下频率偏差的绝对值不得超过2％，以跨度为0.2平均分成10个等级，超过0.2％的部分看成第11级。

所述概率分布矩阵获取模块，首先根据各项指标的实测数据求取其绝对值在第i级的时间： $\mathrm{\τ}\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{t}_i,$ 其中，t_i为各项指标绝对值在第k级的第i个时间段的时间；n为各项指标绝对值在第k级的时间段的个数；然后，求取各项指标处于第k级的概率分布：_Pk＝τ(k)/T，将各项指标在各等级的概率分布按等级顺序形成一个1×m的矩阵：R′＝[p₁，p₂，p₃，…p_m]，将电能质量各项指标的矩阵排列为一个矩阵：R＝[R₁，R₂，R₃，...R_n]，其中，n表示所考虑的电能质量指标的个数。

所述权值矢量获得模块，包括：判断矩阵获得模块、第一线性规划模型构造模块、一致性约束范围获取模块、不一致性判断矩阵元素识别模块、第二线性规划模型构造模块、权值向量求取模块，其中：

判断矩阵获得模块通过比较各项电能质量指标的重要性，设定判断矩阵中各元素的数值，最终形成各个电能质量指标的判断矩阵，判断矩阵中元素的数值设定方式如下：若两个指标相比，具有相同重要性，设置为1；两个指标相比，一个比另一个稍重要，设置为3；两个指标相比，一个比另一个明显重要，设置为5；两个指标相比，一个比另一个强烈重要，设置为7；两个指标相比，一个比另一个极端重要，设置为9；若处在上述相邻判断的中间，则分别设置为2、4、6、8，其中，若因数y_i与因素y_j的重要性之比为a_ij，则因素y_j与y_i之比为a_ji＝1/a_ij；

第一线性规划模型构造模块根据判断矩阵获得模块所形成的判断矩阵中各元素，设置ε_ij是a_ij的误差值，满足w_i/w_j＝a_ijε_ij，a_ij表示因数y_i与因素y_j的重要性之比，一致性判断矩阵中，对所有的i，j均有lnε_ij趋向于0，且有：x_i＝lnw_i，y_ij＝lnε_ij，z_ij＝|y_ij|，则构造第一线性规划模型，具体如下：

目标函数为： $\mathrm{Min}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{z}_{\mathrm{ij}},$

约束条件如下：

一致性约束范围获取模块求取第一线性规划模型的最优解Z^*，Z^*就是要找的最优一致性目标，并将最优解z^*作为第二线性规划模型的一个约束条件，一致性约束范围获取模块不仅求取最优解Z^*，而且要使得每一个偏差都尽可能的小；

不一致性判断矩阵元素识别模块，在判断矩阵存在不一致性情况时，即当求出的几个指标权值相等而在判断矩阵A中相关元素又不等于1时，判断出权值相等的这几项是影响判断矩阵不一致性的元素，则需根据判断矩阵A获得模块重新修订影响一致性的元素以获得新的判断矩阵，否则进入下一模块；

第二线性规划模型构造模块利用一致性约束范围求取模块获得的最优解Z^*，将其作为一个一致性约束范围加入到第二线性规划模型中，具体如下：

目标函数：Min  Z_max     (9)

约束条件：

式(13)可以保证Z_max是所有偏差的最大值，式(10)可以保证唯有满足最优值Z^*的解是有效解，而其它条件同以前相同。

权值向量求取模块，通过第二线性规划模型求得决策变量(x₁，x₂，x₃...x_n)，然后由x_i＝lnw_i获得各权值向量(w₁，w₂，w₃...w_n)，并进行规一化使其和为1。

所述电能质量评价模块，其建立的评价体系的级制与电能质量指标分级模块对电能质量指标进行的分级级制相同，以保持分级的一致性，并且用“特、优、良、中、合格、不合格”对电能质量进行评价。

本实施例中用于评估的电能质量指标包括谐波畸变率、功率因素、三相不平衡度、频率偏差、电压偏差、电压闪变，测量时间是从2008年5月5日到2008年5月13日。根据这九天的实测数据将考虑的六个电能质量指标根据国标平均分成十个等级，将超过国标范围的看成第十一个等级，得出处于每个等级的时间，并除于分析的总时间，得到每个指标每个等级的概率，即矩阵R：

$R=\left[\begin{array}{ccccccccccc}0& 0& 0.0646& 0.5632& 0.2104& 0.0563& 0.0389& 0.0326& 0.0160& 0.0111& 0.0069\\ 0.0556& 0.0799& 0.1201& 0.1215& 0.0701& 0.0708& 0.0632& 0.0813& 0.0931& 0.1896& 0.0549\\ 0.7431& 0.1979& 0.0375& 0.0118& 0.0069& 0.0014& 0.0014& 0& 0& 0& 0\\ 0.6354& 0.3597& 0.0049& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0.0819& 0.5889& 0.3014& 0.0278& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0.1500& 0.3472& 0& 0.4389& 0.0639& 0\end{array}\right]$

其中，元素r_ij表示第i个指标处于第j级的概率。

将电能质量指标谐波畸变率、功率因素、三相不平衡度、频率偏差、电压偏差、电压闪变经专家调查按表1形成判断矩阵A：

$A=\left[\begin{array}{cccccc}1& 1& 3& 5& 3& 4\\ 1& 1& 3& 5& 3& 4\\ 1/3& 1/3& 1& 3& 1& 2\\ 1/5& 1/5& 1/3& 1& 1/3& 1/2\\ 1/3& 1/3& 1& 3& 1& 2\\ 1/4& 1/4& 1/2& 2& 1/2& 1\end{array}\right]$

应用前面介绍的二阶段线性规划模型求出权重，并归一化处理可得：

ω＝[0.3209  0.3209  0.1070  0.0642  0.1070  0.0802]

给R各项乘以对应权重得到评价结果矢量：

V＝ω*R＝[0.1381  0.0699  0.0724  0.2839  0.1625

0.0439  0.0736  0.0365  0.0350  0.0644  0.0198]

对V应用加权平均法求取评估结果：

$V\′=\underset{k=1}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{kV}}_k/\underset{k=1}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}{V}_k=4.6911$

即为电能质量的最终评估结果，电能质量指标量化评价该电能质量属于良。

从对原始实测数据的分析和处理得到的概率矩阵R可以看出，6个电能质量指标中虽然大部分都在限值范围内，但由于电铁牵引负荷的影响，谐波畸变率和功率因素都有少许超标的情况，且这两个指标也是考虑电铁牵引负荷对电网影响的主要因素，权值相对也比较大，所以电能质量为良是合理的。

本实施例系统在数据处理过程中应用的是概率统计，能够真实反映电能质量各项指标的概率特征，这保证了评估结果的严谨与客观，在评估过程中又引入了了权重矢量，体现了电能质量各指标的模糊性，能够满足电能质量评估的一些特殊要求，可以客观、全面、合理的对电能质量进行综合评估。

Claims (4)

1、一种电能质量综合评估系统，其特征在于，包括：电能质量采集模块、电能质量指标分级模块、概率分布矩阵获取模块、权值矢量获取模块、评估量化值获得模块、电能质量评价模块，其中：

电能质量采集模块从电网采集电压/电流信号，经电压/电流传感器转换为交流电压信号之后进行信号调理以抑制系统噪声，再通过数据采集卡将此模拟信号转化为数字信号，最后根据数字信号获得各项电能质量指标，电能质量指标包括：电压暂降、电压偏差、频率偏差、三相不平衡、波动与闪变、谐波、可靠性，并将电能质量指标传输给电能质量指标分级模块；

电能质量指标分级模块根据国家标准或国际公认要求将电能质量采集模块获得的电能质量指标分成设定的分级；

概率分布矩阵获取模块在评估时间段内，根据电能质量指标分级模块分级设定情况，获得电能质量处在各个等级的概率p_k，将每个电能指标每级的概率求出可获得概率分布矩阵R_n×m，其中n表示考虑的电能质量指标个数，m表示每个指标都被分成的级数；

权值矢量获取模块通过层次分析法形成各电能质量指标的判断矩阵，并利用两个线性规划模型求取最优一致性目标，获权值矢量，并将权值矢量传输给评估量化值获取模块；

评估量化值获得模块将概率分布矩阵R和各项指标的权重矢量W相乘得到矩阵V，对矩阵V应用加权平均法处理得到电能质量综合评估的唯一量化值V′；

电能质量评价模块建立评价体系，并将评估量化值获得模块获得的唯一量化值V′与评价体系进行比对，得到电能质量评价结果。

2、根据权利要求1所述的电能质量综合评估系统，其特征是，所述电能质量指标分级模块，其将每个电能质量指标分成十级，十级指标均是合格电能，在评估过程中，如果有某些电能质量指标超出了限值，则根据其超标程度以某一跨度将超出部分均等分级，如果超出范围很小，将超出部分作为第十一级。

3、根据权利要求1所述的电能质量综合评估系统，其特征是，所述权值矢量获得模块，包括：判断矩阵获得模块、第一线性规划模型构造模块、一致性约束范围获取模块、不一致性判断矩阵元素识别模块、第二线性规划模型构造模块、权值向量求取模块，其中：

判断矩阵获得模块通过比较各项电能质量指标的重要性，设定判断矩阵中各元素的数值，最终形成各个电能质量指标的判断矩阵；

第一线性规划模型构造模块根据判断矩阵获得模块所形成的判断矩阵中各元素，设置ε_ij是α_ij的误差值，满足w_i/w_j＝a_ijε_ij，a_ij表示因数y_i与因素y_j的重要性之比，一致性判断矩阵中，对所有的i，j均有lnε_ij趋向于0，且有：x_i＝ln w_i，y_ij＝ln ε_ij，z_ij＝|y_ij|，则构造第一线性规划模型，具体如下：

目标函数为： $\mathrm{Min}\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=i+1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{z}_{\mathrm{ij}},$

约束条件如下：

一致性约束范围获取模块求取第一线性规划模型的最优解Z^*，Z^*就是要找的最优一致性目标，并将最优解Z^*作为第二线性规划模型的一个约束条件，一致性约束范围获取模块不仅求取最优解Z^*，而且要使得每一个偏差都尽可能的小；

不一致性判断矩阵元素识别模块，在判断矩阵存在不一致性情况时，即当求出的几个指标权值相等而在判断矩阵中相关元素又不等于1时，判断出权值相等的这几项是影响判断矩阵不一致性的元素，则根据判断矩阵获得模块重新修订影响一致性的元素以获得新的判断矩阵，否则进入下一模块；

第二线性规划模型构造模块，利用第一阶段求得的最优解Z^*作为一个一致性约束范围加入到第二线性规划中，得到如下模型：

目标函数：Min Z_max                   (9)

约束条件：

式(13)使得Z_max是所有偏差的最大值，式(10)使得唯有满足最优值Z^*的解是有效解，其他条件与第一线性规划模型中相同；

权值向量求取模块通过第二线性规划模型求得决策变量(x₁，x₂，x₃...x_n)，然后由x_i＝ln w_i获得各权值向量(w₁，w₂，w₃...w_n)，并进行规一化使其和为1。

4、根据权利要求1所述的电能质量综合评估系统，其特征是，所述电能质量评价模块，其建立的评价体系的级制与电能质量指标分级模块对电能质量指标进行的分级级制相同。

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