電能質量綜合評估系統的製作方法

2023-05-15 16:11:56

專利名稱：電能質量綜合評估系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電力應用技術領域的系統，具體是一種電能質量綜合評估系統。
背景技術：
電能質量是多個指標的有機綜合，雖然世界各國對各個電能質量指標制定了 一系列的標準，但這些用來確定單個指標合格與不合格的標準，不能全面、真實、 唯一地反映總的電能質量的性質。隨著經濟的飛速發展，在對電能質量的要求方 面出現了以下新問題 一方面，由於大量非線性、衝擊性負荷接入電力系統或其 他擾動源的存在導致電網中的電能質量問題日益嚴重；另一方面，由於眾多基於 計算機、微處理控制器的精密儀器、設備的大量使用，用戶對電能質量的要求越 來越高。據統計，美國因為電能質量問題所帶來的損失一年超過500億美元。我 國現有六項電能質量標準，分別對電壓偏差、頻率偏差、諧波、電壓三相不平衡 度、電壓波動與閃變、暫時過電壓和瞬態過電壓進行了限定，且目前電能質量測 量儀能夠判斷這些電能質量指標是否滿足標準要求，但這只能用來評估電能質量 的單項指標，不能綜合評價電能質量的好壞。
電能質量綜合評估方法研究，近年來主要集中在基於概率論與矢量代數、模 糊數學以及層次分析法上。
經對現有技術的文獻檢索發現，譚家茂等在《繼電器》(2006， 34(3): 55-59) 上發表的《基於模糊理論的電能質量綜合評價方法研究》，該文中提出結合層次 分析法(analytical hierarchy process, AHP)及模糊方法對電能質量進行綜 合評價，其不足在於當考慮指標比較多時，應用AHP有時會出現判斷矩陣不具 有一致性的情況，且模糊數學對於隸屬度函數的建立並沒有一個統一的通用定理 或計算公式，很大程度上受主觀因素的影響。
目前，電力系統還沒有確定電能質量各項指標權重的標準。但是要對電能 質量進行綜合評價，需確定反映同一電能質量不同參數的相對重要性的權重。層 次分析法即是用來確定指標權重值的傳統方法。

發明內容
本發明的目的是針對上述現有技術的不足，提出了一種電能質量綜合評估 系統，使用基於AHP權重的線性規劃模型，當判斷矩陣不具有一致性時，在判斷 矩陣中找到影響一致性的那一項，從而得到合理的權值，並在此基礎上應用概率 統計對電能質量進行綜合評估。本發明可以根據不同類型負荷的敏感程度來確定 各單項指標的不同權重，在數據處理過程中能夠將各指標的模糊性量化。
本發明是通過如下技術方案實現的，本發明包括電能質量採集模塊、電 能質量指標分級模塊、概率分布矩陣獲取模塊、權值矢量獲取模塊、評估量化值 獲得模塊、電能質量評價模塊，其中
電能質量採集模塊從電網採集得到電壓/電流信號，經電壓/電流傳感器轉 換為交流電壓信號之後進行信號調理以抑制系統噪聲，再通過數據採集卡將此模 擬信號轉化為數位訊號，最後根據數位訊號獲得各項電能質量指標，電能質量指 標包括電壓暫降、電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡、波動與閃變、諧波、可 靠性等，並將電能質量指標傳輸給電能質量指標分級模塊；
電能質量指標分級模塊根據國家標準或國際公認要求將電能質量採集模塊
獲得的電能質量指標分成設定的級數；
概率分布矩陣獲取模塊在評估時間段內，根據電能質量指標分級模塊分級設
定情況，獲得電能質量處在各個等級的概率Pk,將每個電能指標每級的概率求出
可獲得概率分布矩陣Rnxm，其中n表示考慮的電能質量指標個數，m表示每個
指標都被分成的級數；
權值矢量獲取模塊通過層次分析法形成各電能質量指標的判斷矩陣，並利用
兩個線性規劃模型求取最優一致性目標，獲權值矢量，並將權值矢量傳輸給評估
量化值獲取模塊；
評估量化值獲得模塊將概率分布矩陣R和各項指標的權重矢量W相乘得到矩 陣V，對矩陣V應用加權平均法處理得到電能質量綜合評估的唯一量化值V';
電能質量評價模塊建立評價體系，並將評估量化值獲得模塊獲得的唯一量化 值V'與評價體系進行比對，得到電能質量評價結果。
所述電能質量指標分級模塊，其將每個電能質量指標分成十級，十級均 是合格電能，在評估過程中，如果有某些電能質量指標超出了限值，則可根 據其超標程度以某一跨度將超出部分均等分級，如果超出範圍很小，把超出部分作為第ll級。如對於頻率偏差，國標規定正常情況下頻率偏差的絕對值不得超過2%，以跨度為0.2平均分成IO個等級，超過0.2%的部分看成第11級。
所述權值矢量獲得模塊，包括判斷矩陣獲得模塊、第一線性規劃模型構造模塊、 一致性約束範圍獲取模塊、不一致性判斷矩陣元素識別模塊、第二線性規劃模型構造模塊、權值向量求取模塊，其中
判斷矩陣獲得模塊通過比較各項電能質量指標的重要性，設定判斷矩陣中各元素的數值，最終形成各個電能質量指標的判斷矩陣；
第一線性規劃模型構造模塊根據判斷矩陣獲得模塊所形成的判斷矩陣中各
元素，設置^是 的誤差值，滿足^,/^= ~, aij表示因數yi與因素yj的重要性之比， 一致性判斷矩陣中，對所有的i， j均有^^趨向於0，且有、=lnw'，&=ln~， Zy=h/|，則構造第一線性規劃模型，具體如下
目禾示函數為:
Z=l _/=z+l
約束條件如下:
(4)
(5)
(7)
(8)
x' — x; - a;111 ' ， = L 2"， "; # /~ ^ a , z々^乃'"= i，2,…，< 7
A —、.》0 = 1,2，…，m; > 1
義,-、20 對所有k有"ik 2 <3jk;
且存在q使"iq〉Ojq
x, = 0; .》0/, J' = 1,2，…，w
一致性約束範圍獲取模塊求取第一線性規劃模型的最優解z*， z'是要找的最優一致性目標，並將最優解z'作為第二線性規劃模型的一個約束條件， 一致
性約束範圍獲取模塊不僅求取最優解Z、而且要使得每一個偏差都儘可能的小；
不一致性判斷矩陣元素識別模塊，在判斷矩陣存在不一致性情況時，即當求出的幾個指標權值相等而在判斷矩陣中相關元素又不等於1時，判斷出權值相等的這幾項是影響判斷矩陣不一致性的元素，則根據判斷矩陣獲得模塊重新修訂影
響一致性的元素以獲得新的判斷矩陣，否則進入下一模塊；
第二線性規劃模型構造模塊利用一致性約束範圍求取模塊獲得的最優解Z、
7將其作為一個一致性約束範圍加入到第二線性規劃模型中，具體如下:
目標函數 formula see original document page 8,
約束條件-
formula see original document page 8
式(13)可以保證Zmax是所有偏差的最大值，式(10)可以保證唯有滿足最優值Z'的解是有效解，而其它條件同以前相同。
權值向量求取模塊，通過第二線性規劃模型求得決策變量(^^^3.』 )，然
後由X-lnw'獲得各權值向量b^..^)，並進行規一化使其和為1。
所述電能質量評價模塊，其建立的評價體系的級制與電能質量指標分級模塊對電能質量指標進行的分級級制相同，以保持分級的一致性。
與現有技術相比，本發明具有如下有益效果
本發明克服傳統AHP的局限性，提出了一種AHP權重的線性規劃模型，當判
斷矩陣不具有一致性時，可以方便地在判斷矩陣中找到影響一致性的那一項，從
而得到合理的權值，並在此基礎上應用概率統計對電能質量進行綜合評估。本發
明可以根據不同類型負荷的敏感程度來確定各單項指標的不同權重，在數據處理
過程中用概率統計將各指標的模糊性量化，受主觀因素的影響小，評估結果客觀、
科學、合理。


圖l本發明系統結構框圖。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方
案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護範圍不限於下述的實施例。
本實施例以某牽引站的電能質量評估為例，在該牽引站上級電源220kV站安裝有兩臺電能質量分析儀，專門監視該牽引站的電能質量。
如圖1所示，本實施例包括電能質量採集模塊、電能質量指標分級模塊、概率分布矩陣獲取模塊、權值矢量獲取模塊、評估量化值獲得模塊、電能質量評價模塊，其中
電能質量採集模塊使用電壓/電流互感器從電網得到電壓/電流信號，經電壓/電流傳感器轉換為5V或10V的交流電壓信號之後進行信號調理以抑制系統噪
聲，再通過數據採集卡將此模擬信號轉化為數位訊號，最後根據數位訊號獲得各項電能質量指標，電能質量指標包括電壓暫降、電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡、波動與閃變、諧波、可靠性等，並將電能質量指標傳輸給電能質量指標分級模塊；
電能質量指標分級模塊根據國家標準或國際公認要求將電能質量採集模塊
獲得的電能質量指標分成m級，則各級的跨度為q=x/m;其中，m為所分等級
個數；X為國標對該項指標的限值，第k級的範圍為
附 附附
概率分布矩陣獲取模塊在評估時間段內，根據電能質量指標分級模塊分級設定情況，獲得電能質量處在各個等級的概率Pk，將每個電能指標每級的概率求出
水
可獲得概率分布矩陣Rnxm，其中n表示考慮的電能質量指標個數，m表示每指標都被分成的級數；
權值矢量獲取模塊通過層次分析法形成各電能質量指標的判斷矩陣，並利用兩個線性規劃模型求取最優一致性目標，獲權值矢量，並將權值矢量傳輸給評估量化值獲取模塊；
評估量化值獲得模塊將概率分布矩陣R和各項指標的權重矢量W相乘得到矩陣V，對矩陣V應用加權平均法處理得到電能質量綜合評估的唯一量化值V'，
k=i k=i ， V即是電能質量的唯一量化評估結果；
電能質量評價模塊建立評價體系，並將評估量化值獲得模塊獲得的唯一量化值V'與評價體系進行比對，得到電能質量評價結果。
所述電能質量指標分級模塊，其將每個電能質量指標分成十級，十級均是合格電能，在評估過程中，如果有某些電能質量指標超出了限值，則可根據其超標程度以某一跨度將超出部分均等分級，如果超出範圍很小，把超出部分作為第ll級。如對於頻率偏差，國標規定正常情況下頻率偏差的絕對值不得超過2%，以跨度為0.2平均分成IO個等級，超過0.2%的部分看成第11級。
所述概率分布矩陣獲取模塊，首先根據各項指標的實測數據求取其絕對值在
第i級的時間 "'，其中，''為各項指標絕對值在第k級的第i個時間
段的時間；n為各項指標絕對值在第k級的時間段的個數；然後，求取各項指標
處於第k級的概率分布A=""/7\將各項指標在各等級的概率分布按等級
順序形成一個1Xm的矩陣W ^[AAiV"&]，將電能質量各項指標的矩陣排
列為一個矩陣^ =[《^，&4]，其中，n表示所考慮的電能質量指標的個數。
所述權值矢量獲得模塊，包括判斷矩陣獲得模塊、第一線性規劃模型構造模塊、 一致性約束範圍獲取模塊、不一致性判斷矩陣元素識別模塊、第二線性規劃模型構造模塊、權值向量求取模塊，其中
判斷矩陣獲得模塊通過比較各項電能質量指標的重要性，設定判斷矩陣中各元素的數值，最終形成各個電能質量指標的判斷矩陣，判斷矩陣中元素的數值設定方式如下若兩個指標相比，具有相同重要性，設置為l;兩個指標相比， 一個比另一個稍重要，設置為3;兩個指標相比， 一個比另一個明顯重要，設置為5;兩個指標相比， 一個比另一個強烈重要，設置為7;兩個指標相比， 一個比另一個極端重要，設置為9;若處在上述相鄰判斷的中間，則
分別設置為2、 4、 6、 8，其中，若因數y,與因素yj的重要性之比為aij，則因素L與yt之比為a" =l/aij;
第一線性規劃模型構造模塊根據判斷矩陣獲得模塊所形成的判斷矩陣中各
元素，設置^是^的誤差值，滿足^,/^= ~， aij表示因數y,與因素yj的重要性之比， 一致性判斷矩陣中，對所有的i， j均有hf"趨向於0，且有、=lnw'，
&=111~, Z"=l^l，則構造第一線性規劃模型，具體如下目豐示函數為
ZP >V zy ^力 " / = l， 2,…，";''< _/
2 0 = l，2,.."M;a" >1
A _ 、2 0 對所都有2 "jk;
(4)
(5)
(6)
約束條件如下
且存在q使aiq〉aj,= 0; > 0 /'， y' = 1,2,w
(7)
(8)
一致性約束範圍獲取模塊求取第一線性規劃模型的最優解z、 z'就是要找的最優一致性目標，並將最優解z、乍為第二線性規劃模型的一個約束條件，一致性約束範圍獲取模塊不僅求取最優解z*，而且要使得每一個偏差都儘可能的
小；
不一致性判斷矩陣元素識別模塊，在判斷矩陣存在不一致性情況時，即當求出的幾個指標權值相等而在判斷矩陣A中相關元素又不等於1時，判斷出權值相等的這幾項是影響判斷矩陣不一致性的元素，則需根據判斷矩陣A獲得模塊重新修訂影響一致性的元素以獲得新的判斷矩陣，否則進入下一模塊；
第二線性規劃模型構造模塊利用一致性約束範圍求取模塊獲得的最優解z 將其作為一個一致性約束範圍加入到第二線性規劃模型中，具體如下
目標函數 Z^ (9)
約束條件:formula see original document page 12x,-—x乂々0 = 1,2,…，"； > 1 (14) x, -氣》0 對所有瞎& 2 ajk;
且存在q使 〉"jq (15)
^0;z醒2 0;z一0 /j-l，2，…，" (16)
式(13)可以保證Zmax是所有偏差的最大值，式(10)可以保證 唯有滿足最優值f的解是有效解，而其它條件同以前相同。
權值向量求取模塊，通過第二線性規劃模型求得決策變量(x,，;c2，;c3…xj，然 後由x';lnvv'獲得各權值向量(w，^，A.氣)，並進行規一化使其和為工。
所述電能質量評價模塊，其建立的評價體系的級制與電能質量指標分級模塊 對電能質量指標進行的分級級制相同，以保持分級的一致性，並且用"特、優、 良、中、合格、不合格"對電能質量進行評價。
本實施例中用於評估的電能質量指標包括諧波畸變率、功率因素、三相不平 衡度、頻率偏差、電壓偏差、電壓閃變，測量時間是從2008年5月5日到2008 年5月13日。根據這九天的實測數據將考慮的六個電能質量指標根據國標平均 分成十個等級，將超過國標範圍的看成第十一個等級，得出處於每個等級的時間， 並除於分析的總時間，得到每個指標每個等級的概率，即矩陣R:formula see original document page 12元素""表示第i個指標處於第j級的概率。將電能質量指標諧波畸變率、功率因素、三相不平衡度、頻率偏差、電壓偏 差、電壓閃變經專家調査按表1形成判斷矩陣A:formula see original document page 13
應用前面介紹的二階段線性規劃模型求出權重，並歸一化處理可得 < =
給R各項乘以對應權重得到評價結果矢量
J/= =
對V應用加權平均法求取評估結果
k=l k=l
即為電能質量的最終評估結果，電能質量指標量化評價該電能質量屬於良。 從對原始實測數據的分析和處理得到的概率矩陣R可以看出，6個電能質 量指標中雖然大部分都在限值範圍內，但由於電鐵牽引負荷的影響，諧波畸變率 和功率因素都有少許超標的情況，且這兩個指標也是考慮電鐵牽引負荷對電網影
響的主要因素，權值相對也比較大，所以電能質量為良是合理的。
本實施例系統在數據處理過程中應用的是概率統計，能夠真實反映電能質量 各項指標的概率特徵，這保證了評估結果的嚴謹與客觀，在評估過程中又引入了 了權重矢量，體現了電能質量各指標的模糊性，能夠滿足電能質量評估的一些特 殊要求，可以客觀、全面、合理的對電能質量進行綜合評估。
權利要求
1、一種電能質量綜合評估系統，其特徵在於，包括電能質量採集模塊、電能質量指標分級模塊、概率分布矩陣獲取模塊、權值矢量獲取模塊、評估量化值獲得模塊、電能質量評價模塊，其中電能質量採集模塊從電網採集電壓/電流信號，經電壓/電流傳感器轉換為交流電壓信號之後進行信號調理以抑制系統噪聲，再通過數據採集卡將此模擬信號轉化為數位訊號，最後根據數位訊號獲得各項電能質量指標，電能質量指標包括電壓暫降、電壓偏差、頻率偏差、三相不平衡、波動與閃變、諧波、可靠性，並將電能質量指標傳輸給電能質量指標分級模塊；電能質量指標分級模塊根據國家標準或國際公認要求將電能質量採集模塊獲得的電能質量指標分成設定的分級；概率分布矩陣獲取模塊在評估時間段內，根據電能質量指標分級模塊分級設定情況，獲得電能質量處在各個等級的概率pk，將每個電能指標每級的概率求出可獲得概率分布矩陣Rn×m，其中n表示考慮的電能質量指標個數，m表示每個指標都被分成的級數；權值矢量獲取模塊通過層次分析法形成各電能質量指標的判斷矩陣，並利用兩個線性規劃模型求取最優一致性目標，獲權值矢量，並將權值矢量傳輸給評估量化值獲取模塊；評估量化值獲得模塊將概率分布矩陣R和各項指標的權重矢量W相乘得到矩陣V，對矩陣V應用加權平均法處理得到電能質量綜合評估的唯一量化值V′；電能質量評價模塊建立評價體系，並將評估量化值獲得模塊獲得的唯一量化值V′與評價體系進行比對，得到電能質量評價結果。
2、 根據權利要求l所述的電能質量綜合評估系統，其特徵是，所述電能 質量指標分級模塊，其將每個電能質量指標分成十級，十級指標均是合格電 能，在評估過程中，如果有某些電能質量指標超出了限值，則根據其超標程 度以某一跨度將超出部分均等分級，如果超出範圍很小，將超出部分作為第 十一級。
3、根據權利要求l所述的電能質量綜合評估系統，其特徵是，所述權值 矢量獲得模塊，包括判斷矩陣獲得模塊、第一線性規劃模型構造模塊、一 致性約束範圍獲取模塊、不一致性判斷矩陣元素識別模塊、第二線性規劃模 型構造模塊、權值向量求取模塊，其中判斷矩陣獲得模塊通過比較各項電能質量指標的重要性，設定判斷矩陣 中各元素的數值，最終形成各個電能質量指標的判斷矩陣；第一線性規劃模型構造模塊根據判斷矩陣獲得模塊所形成的判斷矩陣中各元素，設置^是 的誤差值，滿足氣/^= ~, a,j表示因數y,與因素yj的重要 性之比， 一致性判斷矩陣中，對所有的i， j均有in^趨向於0，且有、=lnw'，&=lnS 5衝。目標函數為則構造第一線性規劃模型，具體如下:約束條件如下:乇一 、_ ^ =111 % " = L 2,…,z. # /W一力W = l，2, —x乂 >0 = 1,2,…,"；a,). > 1X,- .》0 對所有k有"ik > Ojk;且存在q使《q〉"jq= 0; z々.》0 Z, y' = 1,2,…，m (8)一致性約束範圍獲取模塊求取第一線性規劃模型的最優解Z\ ,就是要找的最優一致性目標，並將最優解z'作為第二線性規劃模型的一個約束條件，一 致性約束範圍獲取模塊不僅求取最優解z、而且要使得每一個偏差都儘可能的 小；不一致性判斷矩陣元素識別模塊，在判斷矩陣存在不一致性情況時，即當求 出的幾個指標權值相等而在判斷矩陣中相關元素又不等於1時，判斷出權值相等 的這幾項是影響判斷矩陣不一致性的元素，則根據判斷矩陣獲得模塊重新修訂影 響一致性的元素以獲得新的判斷矩陣，否則進入下一模塊；第二線性規劃模型構造模塊，利用第一階段求得的最優解ZM乍為一個一致性 約束範圍加入到第二線性規劃中，得到如下模型目標函數 細"力隨 (9)約束條件formula see original document page 4對所有k有"ik》ajk;且存在q使 〉"jq (15)formula see original document page 4 (16)式(13)使得Zmax是所有偏差的最大值，式(10)使得唯有滿足 最優值Z的解是有效解，其他條件與第一線性規劃模型中相同；權值向量求取模塊通過第二線性規劃模型求得決策變量(^，X2,^...、)，然後 由、=1^'獲得各權值向量卜1 』 )，並進行規一化使其和為1。
4、根據權利要求l所述的電能質量綜合評估系統，其特徵是，所述電能質量評價 模塊，其建立的評價體系的級制與電能質量指標分級模塊對電能質量指標 進行的分級級制相同。
全文摘要
一種電力應用技術領域的電能質量綜合評估系統，本發明中，電能質量採集模塊從電網中獲取各項電能質量指標；電能質量指標分級模塊根據國家標準或國際公認要求將電能質量採集模塊獲得的電能質量指標分成設定的分級；概率分布矩陣獲取模塊獲得電能質量處在各個等級的概率，將每個電能指標每級的概率求出可獲得概率分布矩陣；權值矢量獲取模塊獲得電能質量指標的權值矢量；評估量化值獲得模塊根據概率分布矩陣和各項指標的權重矢量得到電能質量綜合評估的唯一量化值；電能質量評價模塊將唯一量化值與評價體系進行比對，得到電能質量評價結果。本發明能夠真實反映電能質量各項指標的概率特徵，可以客觀、全面的對電能質量進行綜合評估。
文檔編號H02J3/00GK101465546SQ20091004500
公開日2009年6月24日 申請日期2009年1月8日 優先權日2009年1月8日
發明者馮秀慶, 俊 徐, 祥 曹, 曹基華, 熊以旺, 王海群, 程浩忠, 陳順申 申請人:上海交通大學;上海市電力公司