CN106651168B - 一种评估电铁对电网影响的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种评估电铁对电网影响的方法及装置，其中，方法包括：利用元件负序等值模型、负序电流源等值模型及区域电网结构参数，建立区域电网仿真模型；利用仿真模型建立负序电压、电流分量经过输电线路、变压器以及线路有分支时传播的数学等值电路，并根据数学等值电路求取传播系数；利用实际电网的输电线路、分支电路、变压器的传播系数以及已知电铁注入公共连接点的负序电压、电流获得相邻电网中各个负荷节点的负序电压、电流；以与牵引站相邻单一变电站的不同母线供电区域的负序电压、电流为评价对象，建立评价区域电网负序影响的电能质量综合评价模型；利用电能质量综合评价模型的评估电铁对电网的影响。

Description

一种评估电铁对电网影响的方法及装置

技术领域

本发明涉及电网技术领域，特别涉及一种评估电铁对电网影响的方法及装置。

背景技术

电气化铁路是一种现代化的铁路运输工具，对国民经济发展和社会进步具有重要意义。高速铁路具有电铁负载大、可靠性要求高、负荷波动频繁、列车负载率高、受电时间长等特点，由于高速铁路牵引供电负荷牵引功率大幅提高，且负荷单相供电，将产生大量的负序电流，且波动性和随机性大，导致公共电网的三相不平衡。

电铁产生的负序电流注入周边电网，使发电机负荷产生转子附加损耗与发热和附加振动，使感应电动机负荷机端电压不对称，造成各相出力不均并使出力下降，增大了变压器的损耗和发热，降低了变压器的利用效率，使输电线路的输送能力下降。另外，负序分量的注入容易使电力系统中以负序分量启动的继电保护装置误动作，严重影响电力系统的安全稳定运行。

电能质量定责以及评估和治理等问题越来越受到重视并成为近年来电能质量研究领域的重点和热点，进行电铁对周边电网电能质量影响的综合评价是区分铁路对周边电网电能质量责任分摊的重要依据，也是用户侧根据影响程度确定治理措施的重要依据。

目前国内对电能质量综合评价的研究是对其综合质量等级评定，即定性评价，同时大多是在监测装置采集实测数据的基础上进行分析评估，数据的选择和甄选对评价结果有较为重要的影响，另外，目前形成的多种电能质量综合评价方法，各种算法侧重点不一样，其评价结果也不能达到一致。

发明内容

本发明实施例的主要目的在于研究负序经过输电线路及变压器时的传播规律，计算传播系数，以定量计算值代替实际监测值作为在电能质量综合评价中的指标数据。并且，设计多层次可拓电能质量综合评价模型，采用结合变异系数法和GI法的组合赋权方法，从而构建一种评估电铁对电网影响的方法及装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种评估电铁对电网影响的方法，包括：

利用元件负序等值模型、负序电流源等值模型及区域电网结构参数，建立区域电网仿真模型；

利用所述仿真模型建立负序电压、电流分量经过输电线路、变压器以及线路有分支时传播的数学等值电路，并根据所述数学等值电路获得传播系数；其中，所述传播系数为实际电网各级的输电线路、分支电路、变压器的传播系数；

利用实际电网的输电线路、分支电路、变压器的传播系数以及已知电铁注入公共连接点的负序电压、电流获得相邻电网中各个负荷节点的负序电压、电流；

以与牵引站相邻单一变电站的不同母线供电区域的负序电压、电流为评价对象，建立评价区域电网负序影响的电能质量综合评价模型；

利用电能质量综合评价模型的评估电铁对电网的影响。

可选的，在本发明一实施例中，所述建立评价区域电网负序影响的电能质量综合评价模型的步骤包括：

对相邻电网中各个负荷节点的负序电压、电流进行预处理，获得无量纲化数据；

采用变异系数法获得各个负荷节点对应的指标权重；

利用所述无量纲化数据和所述指标权重建立各单一负荷的电能质量综合评价模型；

利用所述各单一负荷的电能质量综合评价模型建立各单一母线供电区域的电能质量综合评价模型。

可选的，在本发明一实施例中，所述建立各单一母线供电区域的电能质量综合评价模型的步骤包括：

利用所述各单一负荷的电能质量综合评价模型获得各单一负荷的负荷电能质量评价结果；

采用序关系分析法得到各单一负荷的负荷电能质量评价结果对应的指标内涵性权重；

利用各单一负荷的负荷电能质量评价结果以及对应的指标内涵性权重建立各单一母线供电区域的电能质量综合评价模型。

为实现上述目的，本发明还提供了一种评估电铁对电网影响的装置，包括：

仿真模型建立单元，用于利用元件负序等值模型、负序电流源等值模型及区域电网结构参数，建立区域电网仿真模型；

传播系数确定单元，用于利用所述仿真模型建立负序电压、电流分量经过输电线路、变压器以及线路有分支时传播的数学等值电路，并根据所述数学等值电路获得传播系数；其中，所述传播系数为实际电网各级的输电线路、分支电路、变压器的传播系数；

评价指标确定单元，用于利用实际电网的输电线路、分支电路、变压器的传播系数以及已知电铁注入公共连接点的负序电压、电流获得相邻电网中各个负荷节点的负序电压、电流；

电能质量综合评价模型建立单元，用于以与牵引站相邻单一变电站的不同母线供电区域的负序电压、电流为评价对象，建立评价区域电网负序影响的电能质量综合评价模型；

评估单元，用于利用电能质量综合评价模型的评估电铁对电网的影响。

可选的，在本发明一实施例中，所述电能质量综合评价模型建立单元包括：

预处理模块，用于对相邻电网中各个负荷节点的负序电压、电流进行预处理，获得无量纲化数据；

指标权重获取模块，用于采用变异系数法获得各个负荷节点对应的指标权重；

第一评价模型建立模块，用于利用所述无量纲化数据和所述指标权重建立各单一负荷的电能质量综合评价模型；

第二评价模型建立模块，用于利用所述各单一负荷的电能质量综合评价模型建立各单一母线供电区域的电能质量综合评价模型。

可选的，在本发明一实施例中，所述第二评价建立模块包括：

负荷电能质量评价结果获取模块，用于利用所述各单一负荷的电能质量综合评价模型获得各单一负荷的电能质量评价结果；

指标内涵性权重获取模块，用于采用序关系分析法得到各单一负荷的负荷电能质量评价结果对应的指标内涵性权重；

母线供电区域的电能质量综合评价模型建立模块，用于利用各单一负荷的负荷电能质量评价结果以及对应的指标内涵性权重建立各单一母线供电区域的电能质量综合评价模型。

上述技术方案具有如下有益效果：

在研究负序传播规律的基础上，定量计算电铁负序源传播至被评价对象处的负序分量，利用理论计算的数据代替实际测量值作为指标数据，优化设计一种新的合理的多层综合评价体系对电铁周边电网的电能质量进行综合评价，以确定电铁负序对周边电网的影响程度，同时也为电能质量治理提供依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例提出一种评估电铁对电网影响的方法流程图；

图2为本实施例中负序经过输电线路的数学等值电路图；

图3为本实施例中负序经过分支电路的数学等值电路图；

图4为本实施例中负序经过变压器的数学等值电路图；

图5为本实施例的电铁及周边电网典型结构示意图；

图6为本实施例建立评价区域电网负序影响的电能质量综合评价模型时各级的电能质量综合评价流程图；

图7为本实施例提出一种评估电铁对电网影响的装置框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术技术人员知道，本发明的实施方式可以实现为一种系统、装置、设备、方法或计算机程序产品。因此，本公开可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件、完全的软件(包括固件、驻留软件、微代码等)，或者硬件和软件结合的形式。

根据本发明的实施方式，提出了一种评估电铁对电网影响的方法及装置。

此外，附图中的任何元素数量均用于示例而非限制，以及任何命名都仅用于区分，而不具有任何限制含义。

下面参考本发明的若干代表性实施方式，详细阐释本发明的原理和精神。

对于电能质量综合评价的算法有很多，近年来有大量的文献中使用了组合赋权法，例如：AHP主观权重与结构性权重构成的可变综合权重，熵权法和AHP法相结合的综合权重，GI法和序列综合法相结合的综合权重，GI法和熵权法相结合的综合权重等等。

目前国内对电能质量综合评价的研究是对其综合质量等级评定，即定性评价，同时大多是在监测装置采集实测数据的基础上进行分析评估，数据的选择和甄选对评价结果有较为重要的影响，另外，目前形成的多种电能质量综合评价方法，各种算法侧重点不一样，其评价结果也不能达到一致。

基于此，本技术方案以定量计算结果代替实测数据避免了数据甄选带来的影响，并设计了基于变异系数法和GI法结合的多层次可拓综合评价体系，能够兼顾主客观因素。

根据上述分析，本实施例提出的一种评估电铁对电网影响的方法，如图1所示。包括：

步骤101)：利用元件负序等值模型、负序电流源等值模型及区域电网结构参数，建立区域电网仿真模型；

步骤102)：利用所述仿真模型建立负序电压、电流分量经过输电线路、变压器以及线路有分支时传播的数学等值电路，并根据所述数学等值电路求取传播系数；其中，所述传播系数为实际电网各级的输电线路、分支电路、变压器的传播系数；

如图2所示，为本实施例中负序经过输电线路的数学等值电路图。如图3所示，为本实施例中负序经过分支电路的数学等值电路图。如图4所示，为本实施例中负序经过变压器的数学等值电路图。

输电线路的传播系数为：

分支电路的传播系数为：

变压器的传播系数为：

其中，

表示元件首端负序电压，

表示元件末端负序电压、

表示元件首端负序电流、

表示元件末端负序电流、Z_L表示负载等值阻抗、Z_T表示变压器等值阻抗、Z表示传输线路等值阻抗。k为变压器变比。

步骤103)：利用实际电网的输电线路、分支电路、变压器的传播系数以及已知电铁注入公共连接点的负序电压、电流获得相邻电网中各个负荷节点的负序电压、电流；

在本实施例中，电铁注入公共连接点的负序电压、电流是已知的，可以通过经验值获得，或者通过已知的测量技术获得。

如图5所示，为本实施例的电铁及周边电网典型结构示意图。在实际中，根据电网结构分级原理对实际电网进行分级，各节点对应各自的输电线路、分支电路、变压器，那么各节点对应各自的输电线路、分支电路、变压器的传播系数：

节点0：公共连接点，根据实际经验给定该节点负序电流I₀、负序电压U₀的范围；

节点1：变压器一次侧，由节点0至节点1的传播系数为C_i1、C_u1；

节点2：变压器二次侧，由节点1至节点2的传播系数为C_i2、C_u2；

节点3：变压器二次侧所带m段母线，分别为节点n_3-1、n_3-2、...、n_3-m，由节点2至节点3的传播系数为C_i3-1、C_i3-2、...、C_i3-m，C_u3-1、C_u3-1、...、C_u3-m；

节点4：母线m下v个负荷节点，分别为节点n_4-m1、n_4-m2、...、n_4-mv，由对应节点3至节点4的传播系数为C_i4-m1、C_i4-m2、...、C_i4-mv，C_u4-m1、C_u4-m2、…、C_u4-mv；

由上述定义，若要计算变电站母线m所带节点编号为2的负序电压、电流，计算公式为:

I_4-m1＝I₀×C_i1·C_i2·C_i3-m·C_i4-m2

U_4-m1＝U₀×C_u1·C_u2·C_u3-m·C_u4-m2

步骤104)：以与牵引站相邻单一变电站的不同母线供电区域的负序电压、电流为评价对象，建立评价区域电网负序影响的电能质量综合评价模型；

在本实施例中，建立评价区域电网负序影响的电能质量综合评价模型分为两级，第一级为针对各单一负荷的负序电能质量评价，第二级为针对各单一母线供电区域的负序电能质量评价，第一级评价为第二级评价的基础。

如图6所示，为本实施例建立评价区域电网负序影响的电能质量综合评价模型时各级的电能质量综合评价流程图。各级的综合评价流程均相似，现分级详细介绍：

第一级综合评价包含以下步骤：

第一步：确定电能质量评价指标体系，此处采用步骤103获得的各个负荷节点的负序电压、电流两项指标。

第二步：对各个负荷节点的负序电压、电流的预处理，此处采用标准化方法实现指标数据无量纲化处理：

式中，x_ij中j取值1或2。j＝1时，x_ij表示各负荷节点的负序电压值，j＝2时，x_ij表示各负荷节点的负序电流值。

为所有负荷节点中负序电压或负序电流的平均值，I表示负荷节点的总数目。

为负序电压或负序电流的均方差。由

构成去量纲化处理后的指标矩阵。

第三步：确定指标权重系数，此处采用变异系数法，求取各指标权重的过程可分为三个步骤：

①对去量纲化处理后的指标矩阵进行计算，获得第j项指标的平均值：

②计算第j项指标的标准差：

③计算第j项指标的变异系数：

④归一化处理得第j项指标的权重：

第四步：确定第一级的电能质量综合评价模型y_i＝f(ω,x_ij)，此处采用线性加权综合法来进行综合评价。

式中，y_i为节点i的综合评价值，ω_j是与评价指标x_ij相应的权重系数，此处J＝2。

第二级综合评价包含以下步骤：

第一步：确定电能质量评价指标体系，在本实施例中，以第一级综合评价中得到的变电站某条母线下v个负荷电能质量评价结果为第二级综合评价指标；

第二步：指标测量数据的预处理，因为第一级综合评价中得到的单个负荷电能质量评价结果已经是归一化的结果，故此步骤可省略；

第三步：确定指标权重系统，此处采用序关系分析法(GI法)，得到指标内涵性权重的过程可分为三个步骤：

①确定序关系：相对于某条母线下v个负荷节点的电能质量评价指标利用第一级综合评价模型获得，获得v个综合评价值，分别为y₁,y₂,...,y_k-1,y_k,...,y_v。比较综合评价值之间的大小。为了方便后续描述，本实施例的序关系假定为：y₁＞y₂＞...＞y_k-1＞y_k＞...＞y_v。

②对相邻综合评价值之间相对重要性进行比较判断，即按照专家给出的重要性程度的理性判断，将相邻综合评价值对应的权重系数之比赋值为γ_k，即：

其中，ω′_k-1为y_k-1的权重系数，ω_k′为y_k的权重系数，下表1为γ_k赋值参考表。

表1

γ<sub>k</sub>	说明
		1.0	指标y<sub>k-1</sub>与指标y<sub>k</sub>具有同样重要性
1.2	指标y<sub>k-1</sub>比指标y<sub>k</sub>稍微重要
		1.4	指标y<sub>k-1</sub>比指标y<sub>k</sub>明显重要
1.6	指标y<sub>k-1</sub>比指标y<sub>k</sub>强烈重要
		1.8	指标y<sub>k-1</sub>比指标y<sub>k</sub>极端重要

③则ω_k′可由下式计算：

上式中，γ_i根据专家的理性判断获得。

第四步：确定电能质量综合评价模型Y_v＝f(ω′,y_i)，此处采用线性加权综合法来进行综合评价。

式中，Y为被评价对象的综合评价值，ω_i′是与评价指标y_i相应的权重系数。

步骤105)：利用电能质量综合评价模型的评估电铁对电网的影响。

本发明实施例还提供一种计算机可读程序，其中当在电子设备中执行所述程序时，所述程序使得计算机在所述电子设备中执行如图1所述的方法。

本发明实施例还提供一种存储有计算机可读程序的存储介质，其中所述计算机可读程序使得计算机在电子设备中执行如图1所述的方法。

应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了本发明方法的操作，但是，这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。

如图7所示，为本实施例提出一种评估电铁对电网影响的装置框图。包括：

仿真模型建立单元701，用于利用元件负序等值模型、负序电流源等值模型及区域电网结构参数，建立区域电网仿真模型；

传播系数确定单元702，用于利用所述仿真模型建立负序电压、电流分量经过输电线路、变压器以及线路有分支时传播的数学等值电路，并根据所述数学等值电路求取传播系数；其中，所述传播系数为实际电网各级的输电线路、分支电路、变压器的传播系数

评价指标确定单元703，用于利用实际电网的输电线路、分支电路、变压器的传播系数以及已知电铁注入公共连接点的负序电压、电流获得相邻电网中各个负荷节点的负序电压、电流；

电能质量综合评价模型建立单元704，用于以与牵引站相邻单一变电站的不同母线供电区域的负序电压、电流为评价对象，建立评价区域电网负序影响的电能质量综合评价模型；

评估单元705，用于利用电能质量综合评价模型的评估电铁对电网的影响。

在本发明一实施例中，所述电能质量综合评价模型建立单元704包括：

预处理模块，用于对相邻电网中各个负荷节点的负序电压、电流进行预处理，获得无量纲化数据；

指标权重获取模块，用于采用变异系数法获得各个负荷节点对应的指标权重；

第一评价模型建立模块，用于利用所述无量纲化数据和所述指标权重建立各单一负荷的电能质量综合评价模型；

第二评价模型建立模块，用于利用所述各单一负荷的电能质量综合评价模型建立各单一母线供电区域的电能质量综合评价模型。

进一步地，在本发明一实施例中，所述第二评价模型建立模块包括：

负荷电能质量评价结果获取子模块，用于利用所述各单一负荷的电能质量综合评价模型获得各单一负荷的电能质量评价结果；

指标内涵性权重获取子模块，用于采用序关系分析法得到各单一负荷的负荷电能质量评价结果对应的指标内涵性权重；

母线供电区域的电能质量综合评价模型建立子模块，用于利用各单一负荷的负荷电能质量评价结果以及对应的指标内涵性权重建立各单一母线供电区域的电能质量综合评价模型。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一般计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)等。

本领域技术人员还可以了解到本发明实施例列出的各种功能是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本发明实施例保护的范围。

此外，尽管在上文详细描述中提及了装置的若干单元，但是这种划分仅仅并非强制性的。实际上，根据本发明的实施方式，上文描述的两个或更多单元的特征和功能可以在一个单元中具体化。同样，上文描述的一个单元的特征和功能也可以进一步划分为由多个单元来具体化。

以上具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种评估电铁对电网影响的方法，其特征在于，包括：

利用元件负序等值模型、负序电流源等值模型及区域电网结构参数，建立区域电网仿真模型；

利用所述仿真模型建立负序电压、电流分量经过输电线路、变压器以及线路有分支时传播的数学等值电路，并根据所述数学等值电路获得传播系数；其中，所述传播系数为实际电网各级的输电线路、分支电路、变压器的传播系数；

根据电网结构分级原理对实际电网进行分级，利用实际电网的输电线路、分支电路、变压器的传播系数以及已知电铁注入公共连接点的负序电压、电流获得相邻电网中各个负荷节点的负序电压、电流；

以与牵引站相邻单一变电站的不同母线供电区域的负序电压、电流为评价对象，建立评价区域电网负序影响的电能质量综合评价模型；

利用电能质量综合评价模型评估电铁对电网的影响；

输电线路的传播系数为：

C_i＝1；

分支电路的传播系数为：

变压器的传播系数为：

其中，

表示元件首端负序电压，

表示元件末端负序电压、

表示元件首端负序电流、

表示元件末端负序电流、Z_L表示负载等值阻抗、Z_T表示变压器等值阻抗、Z表示传输线路等值阻抗；k为变压器变比。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立评价区域电网负序影响的电能质量综合评价模型的步骤包括：

对相邻电网中各个负荷节点的负序电压、电流进行预处理，获得无量纲化数据；

采用变异系数法获得各个负荷节点对应的指标权重；

利用所述无量纲化数据和所述指标权重建立各单一负荷的电能质量综合评价模型；

利用所述各单一负荷的电能质量综合评价模型建立各单一母线供电区域的电能质量综合评价模型。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述建立各单一母线供电区域的电能质量综合评价模型的步骤包括：

利用所述各单一负荷的电能质量综合评价模型获得各单一负荷的负荷电能质量评价结果；

采用序关系分析法得到各单一负荷的负荷电能质量评价结果对应的指标内涵性权重；

利用各单一负荷的负荷电能质量评价结果以及对应的指标内涵性权重建立各单一母线供电区域的电能质量综合评价模型。

4.一种评估电铁对电网影响的装置，其特征在于，包括：

仿真模型建立单元，用于利用元件负序等值模型、负序电流源等值模型及区域电网结构参数，建立区域电网仿真模型；

传播系数确定单元，用于利用所述仿真模型建立负序电压、电流分量经过输电线路、变压器以及线路有分支时传播的数学等值电路，并根据所述数学等值电路获得传播系数；其中，所述传播系数为实际电网各级的输电线路、分支电路、变压器的传播系数；

评价指标确定单元，用于根据电网结构分级原理对实际电网进行分级，利用实际电网的输电线路、分支电路、变压器的传播系数以及已知电铁注入公共连接点的负序电压、电流获得相邻电网中各个负荷节点的负序电压、电流；

电能质量综合评价模型建立单元，用于以与牵引站相邻单一变电站的不同母线供电区域的负序电压、电流为评价对象，建立评价区域电网负序影响的电能质量综合评价模型；

评估单元，用于利用电能质量综合评价模型评估电铁对电网的影响；

输电线路的传播系数为：

C_i＝1；

分支电路的传播系数为：

变压器的传播系数为：

其中，

表示元件首端负序电压，

表示元件末端负序电压、

表示元件首端负序电流、

表示元件末端负序电流、Z_L表示负载等值阻抗、Z_T表示变压器等值阻抗、Z表示传输线路等值阻抗；k为变压器变比。

5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述电能质量综合评价模型建立单元包括：

预处理模块，用于对相邻电网中各个负荷节点的负序电压、电流进行预处理，获得无量纲化数据；

指标权重获取模块，用于采用变异系数法获得各个负荷节点对应的指标权重；

第一评价模型建立模块，用于利用所述无量纲化数据和所述指标权重建立各单一负荷的电能质量综合评价模型；

第二评价模型建立模块，用于利用所述各单一负荷的电能质量综合评价模型建立各单一母线供电区域的电能质量综合评价模型。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第二评价模型建立模块包括：

负荷电能质量评价结果获取模块，用于利用所述各单一负荷的电能质量综合评价模型获得各单一负荷的电能质量评价结果；

指标内涵性权重获取模块，用于采用序关系分析法得到各单一负荷的负荷电能质量评价结果对应的指标内涵性权重；

母线供电区域的电能质量综合评价模型建立模块，用于利用各单一负荷的负荷电能质量评价结果以及对应的指标内涵性权重建立各单一母线供电区域的电能质量综合评价模型。

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