CN108321789A - 一种基于成本效益分析的电能质量治理决策支持方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于成本效益分析的稳态电能质量指标偏差治理方案决策支持方法，包括：电网主要负荷节点电能质量指标偏差的信息采集；构建质量损失函数实现稳态电能质量指标偏差的经济损失评估；选定适用于目标电网电能质量问题的若干种电能质量备选治理方案并实现其各自的经济成本评估；基于净现值法进行各备选治理方案的成本效益分析并实现目标电网电能质量最优治理方案选择的决策支持。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于成本效益分析的稳态电能质量指标偏差治理方案决策支持方法，属电气工程和电能质量领域。
背景技术
近年来，随着现代电网中各种先进电力电子器件的广泛使用，电能质量(PowerQuality,PQ)问题变得越来越多复杂。配电网管理者和电力用户越来越多地从有效性、经济性多个方面综合考虑如何选择适合目标电网PQ特性的治理方案，以尽量减小由于PQ问题对电网造成的经济损失。因此，如何实现对电网中PQ指标偏差造成的经济损失评估以及各种PQ治理方案的效益评估，进而提供一种适用的PQ治理决策支持方法，具有重要意义。
当前，PQ治理决策支持研究的方向主要集中于如何采取措施来改善电网PQ以及暂态PQ扰动事件的经济损失量化分析，对改善稳态PQ指标偏差的治理方案进行成本效益分析的研究相对较少。申请号为CN201510927200.6的发明专利提出一种电力用户PQ经济性评价系统，但其主要针对电压暂将、暂升、中断等暂态扰动事件，且经济损失评估过程未能提出量化的质量损失函数；申请号为CN201410076292.7的发明专利也仅针对电压暂降影响电压稳定的风险建立了无功优化模型，将电压暂降损失、线路有功损耗、动态无功补偿装置费用进行经济量化相加以评估其经济损失；申请号为CN201610652596.2的发明专利仅提出一种用于PQ经济性评估的公共信息模型构建方法，未能进一步深入研究完整的成本效益评估；申请号为CN201710006618.2的发明专利从用户经济性角度去评价PQ，构建电能损失函数反映PQ问题的经济损失情况，但未涉及治理方案的效益分析，无法给出治理决策建议。本发明首先构建可适用于稳态PQ指标偏差造成经济损失量化评估的质量损失函数，然后基于净现值法对各种PQ备选治理方案分别进行成本效益分析，并实现目标电网PQ治理方案的决策支持。
发明内容
本发明要克服现有电力系统中PQ治理方案选择基本依赖于人工专家经验的问题，综合考虑目标电网的PQ问题特征、各种PQ问题造成的经济损失、常用PQ治理方案的经济成本三方面因素，针对稳态PQ指标偏差问题，提供一种基于成本效益综合分析的治理方案决策支持方法，实现在兼顾治理方案成本效益前提下的合理决策支持。
本发明为实现上述目的，提出了一种基于成本效益分析的稳态PQ指标偏差治理方案决策支持方法，其过程包括如下步骤：
1、PQ指标偏差的信息采集：对于所需治理的目标电网，在主要负荷节点布置PQ监测装置进行PQ信号的采样处理，进而实现目标监测点电压偏差、频率偏差、电压波动、三相不平衡度、谐波畸变率这些稳态PQ指标偏差的计算、分析，并将其有效信息通过高速通信网络可靠传送至电网管理中心的PQ服务站，进行数据的有效存储、显示以及各种更加复杂的高级分析、诊断和决策功能实现；
2、PQ指标偏差的经济损失评估：计算电网中所发生的稳态PQ指标偏差所造成的经济损失，采用质量损失函数将PQ指标偏差造成的影响以更直观的货币形式表现出来，评估所得经济损失值即为完成PQ治理后系统能够获得的经济效益；
步骤201，PQ指标区间划分：根据各项稳态PQ指标的国家标准以及实际需求，将待评估的一定电压等级的电网系统按照各项稳态PQ指标各自划分为若干个质量等级，并制定各质量等级的指标阈值划分区间；
步骤202，PQ损失分析的量化函数构建：根据PQ指标数据的“偏离程度”以及“偏离持续时间”来表征稳态PQ指标的特点，构建合适的质量损失函数实现稳态PQ指标偏差的量化损失分析：
式中：为某稳态PQ指标在质量等级i下的平均值，为目标电网中因存在均值为的PQ指标偏差所造成损失的量化评估值，τi为该PQ指标处于质量等级i中的总持续时间，Ki为该PQ指标在质量等级i时单位时间内所能造成的最大损失，H为该PQ指标的理想目标值，σi为敏感性参数；
步骤203，质量损失函数参数确定：步骤202中式(1)表示的质量损失函数存在四个关键参数；其中，最大损失值Ki根据电网负荷情况由专家经验设定，PQ指标偏差x0下的经济损失值L0由单次测试评估获取，敏感性参数σi由式(2)确定：
步骤204，平均偏离程度及其偏离持续时间之和τi的确定：设观测期内该PQ指标有n个数据值处于质量等级i下，统计该PQ指标在各质量等级下的平均偏离程度及其偏离持续时间之和τi：
式中，xij为观测期内该PQ指标在质量等级i下第j个数据值，τij为第j个数据值在质量等级i下对应的持续时间；
步骤205，PQ指标偏差的经济损失评估：由步骤203所得到的敏感性参数值σi、最大损失值Ki以及平均偏离程度和偏离持续时间之和τi，根据式(1)的质量损失函数量化确定该稳态PQ指标在质量等级i下经济损失估计值；
步骤206，PQ治理方案的经济效益评估：在目标电网中配置所有备选的PQ治理方案均能有效治理改善该稳态PQ指标问题的前提下，步骤204所确定的PQ经济损失值即为所选用PQ治理方案的经济效益评估值；
3、备选PQ治理方案的经济成本评估：当电网中发生某一种或多种PQ指标偏差时，选定若干种适用的PQ治理方案，并分别对其进行经济成本评估；
步骤301，PQ备选治理方案的确定：对应于步骤1计算分析所得目标电网中存在的稳态PQ指标偏差项，根据现有技术和市场产品选定若干个能完成该PQ指标偏差治理改善功能的适用PQ治理方案作为决策备选项；
步骤302，备选PQ治理方案的经济成本评估：各种PQ治理方案的经济成本主要包括初期投入的设备购置成本加上后期的使用维护成本，并设定后续使用维护成本与初始设备购置成本成比例关系；
4、基于成本效益分析的PQ治理决策支持：针对步骤3中预先选定的各种PQ治理备选方案，基于净现值法分别对其进行成本效益分析；最后依据各PQ治理备选方案对应的净现值集排序确定目标电网的最优PQ治理方案，实现目标电网PQ治理方案的决策支持；
步骤401，各PQ治理备选方案成本效益差计算：设定各PQ治理备选方案设备的使用周期都为N年，采用净现值法，根据公式(5)计算得到各PQ治理备选方案的成本效益差：
式中：CNPV为PQ治理方案的成本效益差净现值，CI为设备的初始投资成本，Cb为治理方案的年效益值，Ca为治理设备的年使用维护成本，r为贴现率，t为设备购置的年数；
步骤402，最优PQ治理方案确定：设总共有m个PQ治理备选方案，根据步骤401计算所得各PQ治理备选方案对应的成本效益差净现值，构建全部PQ治理备选方案的成本效益差净现值集{CNPV，1,CNPV，2,...,CNPV,m}，找出其中的最大净现值项，其对应的PQ治理方案即为目标电网的最优PQ治理方案；其中，CNPV，1,CNPV，2,...,CNPV,m为计算所得的m个PQ治理备选方案的成本效益差净现值；
步骤403，给出决策支持的合理解释：将目标电网PQ问题特征、最终推荐的最优PQ治理方案、各PQ治理备选方案对应的成本、效益信息汇总为完整的分析报告，向供电管理方或者电力用户方提供系统PQ治理方案决策支持的解释说明文本。
本发明的有益效果主要表现在：1、构建了一种适用于评估稳态PQ指标偏差经济损失的质量损失函数，同时考虑PQ指标数据的平均偏离程度和偏离持续时间之和；2、综合考虑经济成本和经济效益两个方面，提出了一种基于成本效益分析的稳态PQ治理决策支持方法，为供电管理方或者电力用户方提供多种PQ治理备选方案的有效决策支持。
附图说明
图1为本发明方法的流程图。
图2为三相电压不平衡与经济损失评估值的对应关系。
图3为谐波偏差与经济损失评估值的对应关系。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例中基于成本效益分析的稳态PQ指标治理决策支持方法的总流程图如附图1所示，包括以下步骤：
1、PQ指标偏差的信息采集：对于所需治理的目标电网，在主要负荷节点布置PQ监测装置进行PQ信号的采样处理，进而实现目标监测点电压偏差、频率偏差、电压波动、三相不平衡度、谐波畸变率这些稳态PQ指标偏差的计算、分析，并将其有效信息通过高速通信网络可靠传送至电网管理中心的PQ服务站，进行数据的有效存储、显示以及各种更加复杂的高级分析、诊断和决策功能实现；
实施例中，目标电网为一电压等级为10kV的配电网络，取10个观察时段T1-T10记录PQ指标运行数据如表1所示；
表1观察时段PQ指标运行数据
2、PQ指标偏差的经济损失评估：计算电网中所发生的稳态PQ指标偏差所造成的经济损失，采用质量损失函数将PQ指标偏差造成的影响以更直观的货币形式表现出来，评估所得经济损失值即为完成PQ治理后系统能够获得的经济效益；
步骤201，PQ指标区间划分：根据各项稳态PQ指标的国家标准以及实际需求，将待评估的一定电压等级的电网系统按照各项稳态PQ指标各自划分为若干个质量等级，并制定各质量等级的指标阈值划分区间；
实施例中，将10kV电压等级的目标配电网络各稳态PQ指标划分为“合格”、“不合格”两个质量等级，制定的各稳态PQ指标质量等级划分区间如表2所示；
表2各稳态PQ指标的质量等级划分区间
步骤202，PQ损失分析的量化函数构建：根据PQ指标数据的“偏离程度”以及“偏离持续时间”来表征稳态PQ指标的特点，构建如式(1)所示的合适的质量损失函数实现稳态PQ指标偏差的量化损失分析；
步骤203，质量损失函数参数确定：步骤202中式(1)表示的质量损失函数存在四个关键参数；其中，最大损失值Ki根据电网负荷情况由专家经验设定，PQ指标偏差x0下的经济损失值L0由单次测试评估获取，敏感性参数σi由式(2)确定；
步骤204，平均偏离程度及其偏离持续时间之和τi的确定：设观测期内该PQ指标有n个数据值处于质量等级i下，统计该PQ指标在各质量等级下的平均偏离程度及其偏离持续时间之和τi，如式(3)，(4)所示；
步骤205，PQ指标偏差的经济损失评估：由步骤203所得到的敏感性参数值σi、最大损失值Ki以及平均偏离程度和偏离持续时间之和τi，根据式(1)的质量损失函数量化确定该稳态PQ指标在质量等级i下经济损失估计值；
实施例中，设定目标电网平均电价1.1146元/kWh，电网由于三相不平衡所造成的最大功耗700kW，可得最大经济损失K1为780.22(元)；电网由于谐波所造成的最大功耗800kW，可得最大经济损失K2为891.68(元)；根据公式(2)，对于三相不平衡偏差，设定参数x0＝2.0％，L0＝10％K1，可得对于谐波偏差，设定参数x0＝4.0％时，L0＝10％K2，可得将计算所得各指标参数代入公式(1)，可分别得到三相不平衡和谐波指标偏差的质量损失函数的公式为：
根据公式(6)，目标电网电压三相不平衡度、谐波偏差与经济损失值之间的关系分别如图2，3所示；根据观察数据，可得此次三相不平衡偏差的τ1＝2小时(h)，最后计算出观察时段内由此造成的经济损失值为155.90元；同理，可得谐波偏差的τ2＝2h，观察时段内由此造成的经济损失值为363.81元；
步骤206，PQ治理方案的经济效益评估：在目标电网中配置所有备选的PQ治理方案均能有效治理改善该稳态PQ指标问题的前提下，步骤204所确定的PQ经济损失值即为所选用PQ治理方案的经济效益评估值；
3、备选PQ治理方案的经济成本评估：当电网中发生某一种或多种PQ指标偏差时，选定若干种适用的PQ治理方案，并分别对其进行经济成本评估；
步骤301，PQ备选治理方案的确定：对应于步骤1计算分析所得目标电网中存在的稳态PQ指标偏差项，根据现有技术和市场产品选定若干个能完成该PQ指标偏差治理改善功能的适用PQ治理方案作为决策备选项；
步骤302，备选PQ治理方案的经济成本评估：各种PQ治理方案的经济成本主要包括初期投入的设备购置成本加上后期的使用维护成本，并设定后续使用维护成本与初始设备购置成本成比例关系；
实施例中，针对三相不平衡偏差，选择动态电压调节器(DVR)和静止无功补偿器(SVC)作为其备选治理方案；针对谐波偏差，选择无源电力滤波器(PPF)和有源滤波器(APF)作为其备选治理方案；设定由三相不平衡、谐波偏差所引起的补偿容量均为其各自最大功耗的1.25倍，通过查阅相关资料及考虑实施例的实际情况，各方案设备的成本参数如表3所示；其中，各种设备的后续使用维护成本与设备初始购置成本设定为10％的比例关系；
表3各设备的成本参数
4、基于成本效益分析的PQ治理决策支持：针对步骤3中预先选定的各种PQ治理备选方案，基于净现值法分别对其进行成本效益分析；最后依据各PQ治理备选方案对应的净现值集排序确定目标电网的最优PQ治理方案，实现目标电网PQ治理方案的决策支持；
步骤401，各PQ治理备选方案成本效益差计算：设定各PQ治理备选方案设备的使用周期都为N年，采用净现值法，根据公式(5)计算得到各PQ治理备选方案的成本效益差；
步骤402，最优PQ治理方案确定：设总共有m个PQ治理备选方案，根据步骤401计算所得各PQ治理备选方案对应的成本效益差净现值，构建全部PQ治理备选方案的成本效益差净现值集{CNPV，1,CNPV，2,...,CNPV,m}，找出其中的最大净现值项，其对应的PQ治理方案即为目标电网的最优PQ治理方案；其中，CNPV，1,CNPV，2,...,CNPV,m为计算所得的m个PQ治理备选方案的成本效益差净现值；
实施例中，设定上述设备的使用周期都为N＝15年，贴现率r＝10％，采用净现值法，根据公式(5)计算得到各PQ备选治理方案的成本效益值，结果如表4所示；
表4各种PQ备选治理方案净现值比较
对于三相不平衡，由DVR、SVC这两种备选治理方案构建的成本效益差净现值集为{CNPV，1＝173.0,CNPV，2＝184.1}，因此选择净现值最大项对应的SVC作为推荐治理方案；对于谐波，由PPF、APF这两种备选治理方案构建的成本效益差净现值集为{CNPV，1＝475.3,CNPV，2＝464.3}，因此选择净现值最大项对应的PPF作为推荐治理方案；
步骤403，给出决策支持的合理解释：将目标电网PQ问题特征、最终推荐的最优PQ治理方案、各PQ治理备选方案对应的成本、效益信息汇总为完整的分析报告，向供电管理方或者电力用户方提供系统PQ治理方案决策支持的解释说明文本。
实施例中，解释说明文本应包括以下信息：1)观察时段内目标电网中三相不平衡度和谐波偏差的数值和持续时间统计信息；2)针对两种PQ指标偏差问题，决策支持最后输出的推荐治理方案分别为SVC设备和PPF设备；3)推荐的理由为：为治理电网三相不平衡问题，采用SVC方案比采用DVR方案的成本效益差净现值高出11.1万元；为治理电网谐波问题，采用PPF方案比采用APF方案的成本效益差净现值高11万元。
算例分析显示，本发明所提方法能够有效实现稳态PQ指标偏差的经济损失量化评估，并基于成本效益分析法为供电管理方或者电力用户方提供综合考虑经济成本和经济效益两方面因素前提下的稳态PQ治理方案的决策支持。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (1)
1.一种基于成本效益分析的电能质量治理决策支持方法，电能质量简称PQ，包括如下步骤：
步骤1、PQ指标偏差的信息采集：对于所需治理的目标电网，在主要负荷节点布置PQ监测装置进行PQ信号的采样处理，进而实现目标监测点电压偏差、频率偏差、电压波动、三相不平衡度、谐波畸变率这些稳态PQ指标偏差的计算、分析，并将其有效信息通过高速通信网络可靠传送至电网管理中心的PQ服务站，进行数据的有效存储、显示以及各种更加复杂的高级分析、诊断和决策功能实现；
步骤2、PQ指标偏差的经济损失评估：计算电网中所发生的稳态PQ指标偏差所造成的经济损失，采用质量损失函数将PQ指标偏差造成的影响以更直观的货币形式表现出来，评估所得经济损失值即为完成PQ治理后系统能够获得的经济效益；
步骤201，PQ指标区间划分：根据各项稳态PQ指标的国家标准以及实际需求，将待评估的一定电压等级的电网系统按照各项稳态PQ指标各自划分为若干个质量等级，并制定各质量等级的指标阈值划分区间；
步骤202，PQ损失分析的量化函数构建：根据PQ指标数据的“偏离程度”以及“偏离持续时间”来表征稳态PQ指标的特点，构建质量损失函数实现稳态PQ指标偏差的量化损失分析：
式中：为某稳态PQ指标在质量等级i下的平均值，为目标电网中因存在均值为的PQ指标偏差所造成损失的量化评估值，τi为该PQ指标处于质量等级i中的总持续时间，Ki为该PQ指标在质量等级i时单位时间内所能造成的最大损失，H为该PQ指标的理想目标值，σi为敏感性参数；
步骤203，质量损失函数参数确定：步骤202中式(1)表示的质量损失函数存在四个关键参数；其中，最大损失值Ki根据电网负荷情况由专家经验设定，PQ指标偏差x0下的经济损失值L0由单次测试评估获取，敏感性参数σi由式(2)确定：
步骤204，平均偏离程度及其偏离持续时间之和τi的确定：设观测期内该PQ指标有n个数据值处于质量等级i下，统计该PQ指标在各质量等级下的平均偏离程度及其偏离持续时间之和τi：
式中，xij为观测期内该PQ指标在质量等级i下第j个数据值，τij为第j个数据值在质量等级i下对应的持续时间；
步骤205，PQ指标偏差的经济损失评估：由步骤203所得到的敏感性参数值σi、最大损失值Ki以及平均偏离程度和偏离持续时间之和τi，根据式(1)的质量损失函数量化确定该稳态PQ指标在质量等级i下经济损失估计值；
步骤206，PQ治理方案的经济效益评估：在目标电网中配置所有备选的PQ治理方案均能有效治理改善该稳态PQ指标问题的前提下，步骤204所确定的PQ经济损失值即为所选用PQ治理方案的经济效益评估值；
步骤3、备选PQ治理方案的经济成本评估：当电网中发生某一种或多种PQ指标偏差时，选定若干种适用的PQ治理方案，并分别对其进行经济成本评估；
步骤301，PQ备选治理方案的确定：对应于步骤1计算分析所得目标电网中存在的稳态PQ指标偏差项，根据现有技术和市场产品选定若干个能完成该PQ指标偏差治理改善功能的适用PQ治理方案作为决策备选项；
步骤302，备选PQ治理方案的经济成本评估：各种PQ治理方案的经济成本主要包括初期投入的设备购置成本加上后期的使用维护成本，并设定后续使用维护成本与初始设备购置成本成比例关系；
步骤4、基于成本效益分析的PQ治理决策支持：针对步骤3中预先选定的各种PQ治理备选方案，基于净现值法分别对其进行成本效益分析；最后依据各PQ治理备选方案对应的净现值集排序确定目标电网的最优PQ治理方案，实现目标电网PQ治理方案的决策支持；
步骤401，各PQ治理备选方案成本效益差计算：设定各PQ治理备选方案设备的使用周期都为N年，采用净现值法，根据公式(5)计算得到各PQ治理备选方案的成本效益差：
式中：CNPV为PQ治理方案的成本效益差净现值，CI为设备的初始投资成本，Cb为治理方案的年效益值，Ca为治理设备的年使用维护成本，r为贴现率，t为设备购置的年数；
步骤402，最优PQ治理方案确定：设总共有m个PQ治理备选方案，根据步骤401计算所得各PQ治理备选方案对应的成本效益差净现值，构建全部PQ治理备选方案的成本效益差净现值集{CNPV，1,CNPV，2,...,CNPV,m}，找出其中的最大净现值项，其对应的PQ治理方案即为目标电网的最优PQ治理方案；其中，CNPV，1,CNPV，2,...,CNPV,m为计算所得的m个PQ治理备选方案的成本效益差净现值；
步骤403，给出决策支持的合理解释：将目标电网PQ问题特征、最终推荐的最优PQ治理方案、各PQ治理备选方案对应的成本、效益信息汇总为完整的分析报告，向供电管理方或者电力用户方提供系统PQ治理方案决策支持的解释说明文本。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201810013699.3A CN108321789A (zh) | 2018-01-08 | 2018-01-08 | 一种基于成本效益分析的电能质量治理决策支持方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109066819A (zh) * | 2018-09-25 | 2018-12-21 | 中国人民解放军军事科学院国防工程研究院 | 一种基于案件推理的配电网的无功优化方法 |
| CN111404166A (zh) * | 2019-10-28 | 2020-07-10 | 众诚开源电气科技(成都)有限公司 | 一种电压暂降综合防治方法 |
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2018
- 2018-01-08 CN CN201810013699.3A patent/CN108321789A/zh active Pending
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