CN102394496B - 一种分布式发电***和微电网的电能质量综合评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电能质量综合评估，旨在提供一种分布式发电***和微电网电能质量综合评估方法。包括步骤：对并网公共耦合点进行监测，获取各项电能质量指标监测数据；利用极大极小法对数据进行归一化处理；建立分层评估模型，并明确相应的突变决策模型；根据突变决策模型，自低层向顶层求取各层的突变级数，最终得到各并网公共耦合点的突变级数，即电能质量综合评估指标，该值越大则对应的电能质量等级越高。本发明计算简便且能计及***中的非线性因素，可以为电网运行方实现对分布式发电方实施按质定价提供量化指标和依据，为电能质量治理提供了参考目标。以该评估方法为依据安装相应的补偿设备，可以实现对微电网电能质量的柔性定制。

Description

一种分布式发电***和微电网的电能质量综合评估方法

技术领域

本发明涉及一种分布式发电***和微电网电能质量综合评估方法，属电气工程和电能质量综合评估领域。

背景技术

化石燃料的不断消耗，不仅引起了能源供给的日趋紧张，而且也带来了严重的环境问题。节能减排、低碳、绿色电力等要求给电力供应带来了巨大的挑战。此外，反思大电网暴露出来的脆弱性及其所导致的一系列大停电事故，表明分布式发电能在一定程度上提高***的稳定性。这些因素共同激发了电力***对可再生能源和分布式发电***越来越多的关注。近年来，大型风电场、光伏电场、储能电站等分布式发电***相继得到推广应用。同时，集成了分布式可再生能源、储能和局部负荷的微电网技术，作为一种局部供电***，以其功能多样、运行灵活的优势得到了快速发展。

随着分布式发电***和微电网的快速发展，公平公正公开、可操作性强的电能质量综合评估方法对于电网运行方来说显得十分必要。一方面，由于可再生能源具有随机性、间歇性和不确定性等特征，其并网过程一般需要大量的电力电子接口装置来实现能量变换，给并网点电能质量带来了严峻的考验。特别是，本地的非线性、无功和不平衡负荷会进一步恶化并网点的电能质量。随着分布式发电***和微电网占***容量的比例越来越大，其对电能质量的影响也可能会越来越重。另一方面，按电能质量定价是电力市场未来的发展趋势，电能质量综合指标的优劣将是按质定价的重要依据。届时，各分布式发电***和微电网上网电价的确定将在一定程度上依赖于其电能质量的高低。为此，需要找到一个有效的电能质量评估方法。通过电能质量的综合评估，获得一个量化因子，作为全面考核电能质量的技术指标和修正上网电价的凭证，实现电能的分质计价。因此，公平公正公开的电能质量综合评估方法，不仅可以为电网运行方提供电能分质计价的重要依据，而且还能作为发电方电能质量治理的参考目标。同时，及时向分布式发电***和微电网提供其电能质量的评估结果，不仅可以提升电力市场的透明度，树立良好的企业形象，而且还能有效地激励分布式发电方参与电能质量问题的治理，充分发挥其积极性和主动性。

客观地、定量地、全面地评估电能质量，一直是电能质量工作者共同追求的目标。已有一些文献对电能质量评估方法进行了探讨，为电能质量的定量评价做出了有益的探索。电能质量评估的现有方法主要包括：灰色分析法、概率统计和矢量代数法、物元分析法、模糊综合评价法、支持向量机方法等。已有大部分方法在模型参数的确定上存在较大的主观性，过多地依赖于专家的知识与经验。然而，这些先验信息的不同可能会导致不同的评估结果，具有较大的不确定性，可操作性差。此外，很多方法要么计算复杂比较耗时，要么采用简单的线性加权而忽略了***中的非线性因素。所以，这些方法往往难于满足分布式发电***和微电网对客观性、实时性和可靠性的要求。这些因素使得能在实际现场中得到应用的电能质量综合评估方法其实并不多见。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服已有技术的不足，提供一种基于突变决策的电能质量综合评估方法，能满足分布式发电***和微电网对方法过程简单可靠可操作性强，对方法结果客观性公平公正性强的要求。

为解决技术问题，本发明采用的技术方案为：

提供一种分布式发电***和微电网电能质量综合评估方法，包括步骤：

(1)对分布式发电***和微电网的并网公共耦合点进行监测，获取各项电能质量指标监测数据；

(2)利用极大极小法对前一步骤获取的数据进行归一化处理；

(3)根据处理后的监测数据建立分层评估模型，并明确相应的突变决策模型；

(4)根据突变决策模型，自低层向顶层求取各层的突变级数，最终得到各并网公共耦合点的突变级数，即电能质量综合评估指标，该值越大则对应的电能质量等级越高。

本发明中，步骤(1)是通过下述方式实现的：利用CAN总线将安装于各并网公共耦合点处的电能质量监测装置与电力调度中心的控制终端相连，由各电能质量监测装置的GPS实现对时功能，使其定时并同时向调度中心发送电能质量指标监测数据。

本发明步骤(2)中进行归一化处理之前，还包括对数据进行识别和转化的步骤：若数据异常，则分析异常的原因，检测监测装置是否故障；若数据正常，则将获取的数据转化为后续处理所用的数据格式。

本发明中，步骤(3)所述分层评估模型中：顶层为电能质量综合评估指标，即突变级数x_c；第一层为电能质量评估的三个相关因素，其决策目标分别记为频率因素x_f1、电压因素x_f2、三相不平衡因素x_f3；第二层具体细化为电能质量的各个单项指标，分别为：频率偏差x_s1，电压偏差x_s2、波动x_s3、闪变x_s4和谐波x_s5和三相不平衡x_s6。

本发明中，依据实际电能质量指标的监测需求，对所述分层评估模型的各因素扩展或简化，以满足不同的应用场合。

本发明中，以各并网公共耦合点处电能质量综合评估指标的降序排序获得其电能质量优劣的排序。

本发明中，将各并网公共耦合点处电能质量综合评估指标在数值上划分为若干连续的区间，并定义为相应的等能质量等级，并据此得到各并网公共耦合点处的电能质量所属的等级。

本发明中，步骤(3)所述突变决策模型由分层评估模型的结构决定，是折叠突变、尖点突变、燕尾突变或蝴蝶突变中的一种或几种。

作为更进一步的发明目的，本发明还提供了一种依据电能质量综合评估结果的电能质量治理方法，是在需要提高电能质量的并网公共耦合点处安装电能质量调节装置，所述电能质量调节装置是下述装置中的任意一种或几种：无功补偿装置、并联/串联有源或无源滤波装置、具有电能质量治理能力的复合功能并网逆变器。

相对于现有技术，本发明的有益效果主要体现在：

1、本发明以突变决策为理论基础实现对分布式发电***和微电网电能质量的综合评估，计算简便，且能计及***中的非线性因素。此外，可以有效抑制主观因素对评估结果的人为影响，结果更加公平客观公正可靠。

2、通过对一个区域电网中多个分布式发电***和微电网并网点电能质量的综合评估与排序，可以为电网运行方实现对分布式发电方实施按质定价提供量化指标和依据。

3、在本发明公正公平公开的电能质量综合评估方法背景下，可以有效调动分布式发电方参与电能质量治理的积极性，同时该方法也为其电能质量治理提供了参考目标。

4、本发明将分布式发电***和微电网的电能质量从定性描述升华为定量分析。以该评估方法为依据，若在分布式发电***和微电网中安装相应的补偿设备，可以实现对微电网电能质量的柔性定制。以综合评估指标为目标，可以获得补偿设备的最优容量配置方案及其最优运行方案。

附图说明

图1为本发明的实施框架图。

图2本发明方法的具体步骤流程图。

图3为某一典型电能质量的分层评估模型。

图4为几种典型的突变模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

1、利用CAN总线将安装于分布式发电***和微电网并网点处的电能质量监测装置和电力调度中心相连，由监测装置的GPS对时功能，使其定时并同时向调度中心发送电能质量监测数据结果，如图1所示。

电能质量监测装置是非常成熟的电力测量设备，产品类型非常多，具体实施时可根据监测目的进行选型，本发明不再列举。

2、图2给出了本发明方法的流程图。步骤201，调度中心在收到监测装置传来的数据后，对异常数据进行识别。若数据异常，分析原因，检测监测装置是否故障；若数据正常，将数据转化为后续分析所用的数据格式。

3、步骤202，由于各项电能质量指标的数据量可能具有不同的单位，不具有可比性。首先对数据进行归一化处理，这里采用最常用也是最简单的极大极小法。对于越大越好的正向型指标，有

$y_{\mathrm{ij}}=\frac{x_{\mathrm{ij}}-x_{\min ,j}}{x_{\max ,j}-x_{\min ,j}}---\left(1\right)$

对于越小越好的负向型指标，有

$y_{\mathrm{ij}}=\frac{x_{\max ,j}-x_{\mathrm{ij}}}{x_{\max ,j}-x_{\min ,j}}---\left(2\right)$

其中，x_ij为第i个监测点的第j项电能质量指标的原始数据；

为所有监测点中第j项指标的最小值；同理，

为所有监测点中第j项指标的最大值；y_ij为极大极小变换后的数据，值得指出的是变换后的每个指标均为正向型指标。

4、步骤203，由所监测电能质量的指标项，建立分层评估模型并明确相应的突变模型。图3给出了某一典型分层评估模型，由图3可知：分层模型中的第一层抽象地涵盖了电能质量评估的三个相关因素，其决策目标分别记为频率因素x_f1、电压因素x_f2、三相不平衡因素x_f3；第二层具体细化到电能质量的各个单项指标，包括：频率偏差x_s1，电压的偏差x_s2、波动x_s3、闪变x_s4和谐波x_s5，三相不平衡x_s6。图4给出了几种常见的突变模型，其中(a)为折叠突变，(b)为尖点突变，(c)为燕尾突变，(d)为蝴蝶突变。对比图3和图4可知：电压因素的4个指标构成蝴蝶突变模型；频率偏差、三相不平衡分别构成折叠突变模型；频率因素、电压因素和三相不平衡因素之间又构成燕尾突变模型。当然，图3所示分层模型可依据实际电能质量指标的监测需求方便地加以扩展或简化，以满足不同的应用场合。

5、步骤204，由图4所示突变决策模型，自低层向顶层求取各层的突变级数，最终计算出各并网点的电能质量综合评估指标(突变级数x_c)。这里，首先给出突变决策的计算公式，对于折叠突变决策模型，有

x_a＝a                                    (3)

对于尖点突变决策模型，有

$x_a=\sqrt{a},$ $x_b=\sqrt[3]{b}---\left(4\right)$

对于燕尾突变决策模型，有

$x_a=\sqrt{a},$ $x_b=\sqrt[3]{b},$ $x_c=\sqrt[4]{c}---\left(5\right)$

对于蝴蝶突变决策模型，有

$x_a=\sqrt[4]{a},$ $x_b=\sqrt[5]{b},$ $x_c=\sqrt[2]{c},$ $x_d=\sqrt[3]{d}---\left(6\right)$

为由突变决策公式的结果，求取***的总突变隶属函数值，需要一定的决策原则。在多目标突变决策中，出于计算方便和分析的客观性考虑，一般采用互补决策原则，即模型中各子***变量(如x_a、x_b、x_c、x_d)之间可相互替代，那么，子***的状态变量x值取各控制变量的平均值，也即：

x＝(x_a+x_b+x_c+x_d)/4                       (7)

对于图3所示分层模型，计算第一层的各突变级数

x_f1＝x_s1                                 (8)

x_f3＝x_s6                                 (9)

$x_{f2}=\frac{1}{4N_1}\underset{i=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}(\sqrt[4]{x_{s_{\mathrm{Ai}1}}}+\sqrt[5]{x_{s_{\mathrm{Ai}2}}}+\sqrt{x_{s_{\mathrm{Ai}3}}}+\sqrt[3]{x_{s_{\mathrm{Ai}4}}})---\left(10\right)$

其中，N₁＝4！＝24为x_s2、x_s3、x_s4、x_s5的全排列种数；A为1～4的所有全排列，A_i为第i组排列情况，A_ij∈{2，3，4，5}(j＝1，2，3，4)为第i组排列的第j个元素。类似地，可得综合评估指标的突变级数x_c为

$x_c=\frac{1}{3N_2}\underset{i=1}{\overset{N_2}{\mathrm{\Σ}}}(x_{s_{\mathrm{Bi}1}}+\sqrt[3]{x_{s_{\mathrm{Bi}2}}}+\sqrt[4]{x_{s_{\mathrm{Bi}3}}})---\left(11\right)$

类似地，N₂＝3！＝6为x_f1、x_f2、x_f3的全排列种数；B为1～3的所有全排列，B_i为第i组排列情况，B_ij∈{1，2，3}(j＝1，2，3)为第i组排列的第j个元素。

6、对所有监测点的数据重复步骤5的操作，可得到各监测点的电能质量综合评估指标x_c。最后，以各监测点x_c指标的大小为依据即可得到各并网点电能质量的优劣情况，该值越大对应的电能质量等级越高。

以各并网公共耦合点处电能质量综合评估指标的降序排序可获得其电能质量优劣的排序。将各并网公共耦合点处电能质量综合评估指标在数值上划分为若干连续的区间，并定义为相应的等能质量等级，可得到各并网公共耦合点处的电能质量所属的等级。

7、步骤205，调度中心通过互联网更新电能质量评估结果，如果有必要同时更新各分布式发电***和微电网的实时上网电价。

下面以某包含分布式发电***和微电网的配电***为例进一步说明本发明的操作过程。该配电***包含7个待评估的分布式发电***和微电网并网公共耦合点，调度中心由步骤2收到并转换后的电能质量监测数据如表1所示。从表1可以看出，各单项指标的排序结果之间存在矛盾，无法仅从电能质量的各单项指标得出其综合评估结果。由图3所示分层评估模型及以上步骤3～步骤7可以得到各监测点电能质量综合评估的突变级数指标x_c，如表2所示。值得指出的是，各电能质量指标均为负向型的，利用式(2)对其进行归一化处理。由x_c的大小即可确定各监测点电能质量的排序为：监测点4f监测点3f监测点7f监测点6f监测点1f监测点5f监测点2，其中，“f”为优先序号。

表1  各监测母线的电能质量的监测数据

表2  各监测母线电能质量综合评估结果

Claims (2)

1.一种分布式发电***和微电网电能质量综合评估方法，包括步骤：

（1）对分布式发电***和微电网的并网公共耦合点进行监测，获取各项电能质量指标监测数据：

利用CAN总线将安装于各并网公共耦合点处的电能质量监测装置与电力调度中心的控制终端相连，由各电能质量监测装置的GPS实现对时功能，使其定时并同时向调度中心发送电能质量指标监测数据；

（2）对数据进行识别和转化：

若数据异常，则分析异常的原因，检测监测装置是否故障；若数据正常，则将获取的数据转化为后续处理所用的数据格式；

（3）利用极大极小法对前一步骤获取的数据进行归一化处理；

（4）根据处理后的监测数据建立分层评估模型，并明确相应的突变决策模型：

所述分层评估模型中：顶层为电能质量综合评估指标，即突变级数x_c；第一层为电能质量评估的三个相关因素，其决策目标分别记为频率因素x_f1、电压因素x_f2、三相不平衡因素x_f3；第二层具体细化为电能质量的各个单项指标，分别为：频率偏差x_s1，电压偏差x_s2、波动x_s3、闪变x_s4和谐波x_s5和三相不平衡x_s6；依据实际电能质量指标的监测需求，对所述分层评估模型的各因素扩展或简化，以满足不同的应用场合；所述突变决策模型由分层评估模型的结构决定，是折叠突变、尖点突变、燕尾突变或蝴蝶突变中的一种或几种；

（5）根据突变决策模型，自低层向顶层求取各层的突变级数，最终得到各并网公共耦合点的突变级数，即电能质量综合评估指标，该值越大则对应的电能质量等级越高；

将各并网公共耦合点处电能质量综合评估指标在数值上划分为若干连续的区间，并定义为相应的电能质量等级，并据此得到各并网公共耦合点处的电能质量所属的等级；以各并网公共耦合点处电能质量综合评估指标的降序排序获得其电能质量优劣的排序。

2.一种分布式发电***和微电网的电能质量治理方法，其特征在于，是根据权利要求1所述方法获得的电能质量优劣的排序结果，在需要提高电能质量的并网公共耦合点处安装电能质量调节装置；所述电能质量调节装置是下述装置中的任意一种或几种：无功补偿装置、并联/串联有源或无源滤波装置、具有电能质量治理能力的复合功能并网逆变器。

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