基于競爭機制的電能質量動態評估方法

歐陽森，楊家豪，石怡理

（華南理工大學電力學院，廣州510640）

隨著電能質量問題的備受關注，電能質量評估問題已逐步受到供電企業、用電用戶、科研人員的重視，并逐漸形成研究熱點[1-3]。近年來已出現了大量利用模糊數學、層次分析法、概率統計與矢量代數、遺傳投影尋蹤法等[4-12]對電能質量進行綜合評估的方法，為電能質量的定量評估做出了有益的探索。其中模糊數學方法需要確定隸屬度函數，這大多依據經驗獲得[4-9]；層次分析法在確定評估對象相對重要性時較大程度地受到人為主觀因素的影響[10-11]；概率統計與矢量代數方法同樣在確定其期望與方差的基準值時帶有主觀性[12]；遺傳投影尋蹤法尋找各電能質量指標對綜合評估結果的貢獻大小，然而綜合評估結果依賴遺傳算法的全局搜索能力[13-14]。此外利用上述方法進行評估時，大多存在以下幾點共同的局限性：①使用靜態評估的方法，較少考慮時間信息的集結；②多側重于對評估對象的電能質量進行整體性的評估，缺乏對不同層面電能質量問題的發掘；③以固定的界限劃分對象的評估等級，缺乏對比分析，難以發現評估對象之間電能質量的相對優劣勢。

電能質量評價除了需進行整體性評價外，更需要對具體評估對象的優劣進行衡量，為后續的規劃、治理和運維工作提供指導性數據，即需要進一步考慮不同對象在同一時間點的橫向比較、同一對象在不同時間點的縱向比較以及不同對象在不同時間點的縱橫向比較等問題。特別是對一個區域電網進行電能質量評價時，由于同一區域的電網建設程度往往較為接近，所面臨的電能質量問題大多也集中于相同的方面，因此使用傳統的評估方法以固定的界限劃分對象的評估等級時，可能出現對單項指標而言評估對象群體的評估值比較接近從而喪失了區分度。

本文擬對所針對的評估對象群體的各項電能質量指標進行分層分區分項的全面考察，建立了完整的評估模型，從對象、時間、指標三維上實現信息集結。而與靜態評價相比，動態綜合評價可綜合體現評價對象的當前水平和歷史水平，能提供更全面的參考信息，反映評估對象在評估時間內的變化趨勢。最終以算例分析以及與其他算法的評估結果比對驗證了本文算法的有效性。

1 算法設計

本文提出了基于競爭機制的區域電網電能質量動態評估的概念。競爭是推動電能質量管理與改善的有效手段，在電力市場環境下，可將電能質量評估結果作為電力市場輔助類型的一種，將質量因素引入到市場中去，參與市場競爭[15]。而要展開競爭，需根據評估對象的電能質量水平來分析其各項指標在同類群體中自身的競爭力。評估對象的電能質量水平是決定其自身競爭力的根本。

將競爭機制引入電能質量評估方法中，并不側重單一指標數據的好壞，而是關心構成其電能質量水平的各項指標排位在群體當中的排位，側重于分析評估對象在群體之中的電能質量相對優劣度，以此反映其在同類群體中的電能質量水平。通過競爭機制可突出評價對象的差異，提高對質量相近的評價對象的辨別能力。同時有利于發現存在的主要電能質量問題及薄弱環節，推動評估對象電能質量的改善。算法流程如圖1 所示。

本文算法流程為：（1）獲取各評估對象O∈（O1，O2，…，Om）在各個時間點t∈（t1，t2，…，tn）的各項電能質量指標的數據，并對各項指標進行標幺化處理，形成動態數據表；（2）利用標幺化處理后的數據建立各項指標的競爭機制模型，針對單項指標在各個時間點t 對評估對象群體O1～Om的電能質量水平進行排序，得到各項指標的排位矩陣；（3）通過一定的評分體系進行單項指標競爭力評分，再結合序關系法[16]進行電能質量綜合競爭力評分；（4）對評估對象的各項指標在群體之中的地位以及在評估時間內的變化趨勢作出評價，并提出相應的建議。

圖1 算法流程Fig.1 Flow chart of the algorithm

1.1 評價指標預選

本文算例目前使用的指標為5 項，分別為：X1長時閃變、X2短時閃變、X3電壓偏差、X4三相不平衡、X5諧波電壓總畸變率。可根據實際需求和指標數據涵蓋程度合理構建評價指標系統。

1.2 各指標的一致化處理

假設某區域電網有m 個變電站系統，其d 項評價指標在時間序列tk（k=1，2，…，n）上具有三維時序動態數據表{aij（tk）}（i =1，2，…，m；j=1，2，…，d），則對于極小型和極大型指標可通過如下兩式分別進行一致化處理。

對于極小型指標，則有

對于極大型指標，則有

由此可得到標幺化處理的指標數據表{xij（tk）}，表中包含指標所具有的動態信息。

1.3 競爭機制模型

1.3.1 分指標分時間點排序

在獲取了各評估對象Oi∈（O1，O2，…，Om）在各個時間點tk∈（t1，t2，…，tn）的各項電能質量指標的數據后，對各項指標進行標幺化處理。分別針對單項指標X1～X5在各個時間點tk對評估對象群體O1～Om的電能質量水平進行排序，得到各項指標的排位矩陣S∈（S1，S2，…，S5）。

對于各項指標的排位矩陣S∈（S1，S2，…，S5），其元素ski（k∈[1，n]，i∈[1，m]）表示在時間點tk時評估對象Oi在群體當中的排位值。

1.3.2 單項指標競爭力評分

針對評估對象的單項指標Xd根據在評估時間內各時間點tk∈（t1，t2，…，tn）的排位分別賦予（m-排位）的分數，再進行求和獲得該評估對象的該項指標的競爭力評分。即

為了對各對象的電能質量競爭力有較好的判斷和評價，按照國內外競爭力評價的通行做法在評價評估對象群體對該指標而言的相對優劣度時，則以排位第一者作為100 分，其余的評價對象根據其評價分值與第一位分值的比重換算成標準分。即

1.3.3 電能質量綜合競爭力評分

首先確定序關系，確定對于某評價準則具有的指標序關系為x1〉x2〉…〉xn。

隨后確定相鄰指標之間的相對重要程度。設專家關于評價指標xk-1與xk的重要程度之比wk-1/wk的理性判斷分別為

最后進行權重系數wk的計算，即

由wk得出其他指標的權重為

利用序關系法得出的各項指標的權重，由各單項電能質量競爭力評分求取每個評估對象的電能質量綜合競爭力評分，同時對評估對象群體進行標準分計算。

1.4 評估結果分析與建議

分別針對各項指標對每個評估對象進行分析，了解其動態變化趨勢及指標優劣度，并進一步分析其薄弱環節及改善建議。

1.4.1 指標分析

基于競爭機制的區域電網電能質量動態評估是反映評估區域內的各評估對象的電能質量競爭力，是一個全面的評價。所以影響和決定評估對象電能質量競爭力的因素是多方面的，不會受到個別或少數異常值的太大影響。而且電能質量競爭力是一個評估對象在長期建設管理過程中形成的，短期內不容易有太大的波動和變化，電能質量競爭力的評估結果不但要反映其變化趨勢，還要反映其在一定時期內的穩定性。如果在一定的評估期內，評估結果有非常大的起伏波動，則說明其競爭力是不穩定的，難以得到很好的評估效果，即競爭力的穩定性在一定程度上反映了評估的可信度以及綜合評價體系設置的合理性。

現有m 個評估對象，則將排位分為上游、中游、下游3 個區段，其中上游和下游排位區間為m/3 向下取整數，其余排位區間則屬于中游。當評估對象的某項指標在評估時間內的排位變化單調性不強，出現波動時則將該指標視為波動指標，即穩定性不好，競爭力不明顯。而若排位穩定在某一區段，即上述所述的上游、中游、下游3 個區段分別對應優勢指標、中勢指標和劣勢指標，集中于兩個區段的邊界處則以較劣者來計。

在排位變化趨勢上當排位變化呈現強單調性時又有兩種指標類型進行考核，分別為進步指標和退步指標，進步指標指在評估時間內評估對象的排位單調上升且至少跨越了一個區段，如從下游上升的中游。反之退步指標指在評估時間內評估對象的排位單調下降且至少跨越了一個區段。

1.4.2 相應的建議

針對評估對象提煉出其進步指標、退步指標、優勢指標、中勢指標、劣勢指標，給出相應建議主要包括擴大進步指標、鞏固優勢指標、減少劣勢指標、穩定退步指標等方面，對電能質量管理及變電站建設起指導意義。

2 算例分析

以某供電局6 個變電站2009 年12 個月（取每個月95%概率值）電壓方面的電能質量數據作為實例對其進行評估，原始數據如表1 所示，其中時間點t1～t12對應1 月—12 月總計12 個時間點。其過程如下。

（1）對現有5 項評價評價指標的時序動態數據進行一致化處理，利用式（1）和式（2）將其轉化為只包含指標動態信息的標準數據表。

（2）利用標幺化處理后的數據建立各項指標的競爭機制模型，根據原始數據表將評估對象群體O1～O6在12 個時間點t1～t12的各項電能質量指標數據整合成各項單一指標的動態數據表；針對單項指標X1～X5在各個時間點對評估對象群體O1～O6的電能質量水平進行排序，得到各項指標的排位矩陣，如表2 所示。

表1 某供電局6 個變電站2009 年12 個月的電壓方面電能質量數據Tab.1 Voltage quality data of 6 substations in 2009 from one certain power supply bureau

（3）利用式（3）～式（7）計算各評估對象的單項指標競爭力評分以及電能質量綜合競爭力評分。評分結果如表3 所示。

由表2 和表3 數據可知O1的長時閃變、短時閃變、電壓偏差均為競爭力評分第一位的項目，因此其綜合評分也最高。而通過一些極低的評分可以發現評估對象所存在的薄弱環節，如O2的薄弱環節為電壓偏差及諧波電壓總畸變率兩項指標，O3的薄弱環節為短時閃變，O6的薄弱環節為三相不平衡度。由綜合評分可以看出O1及O5在所有評估對象之中擁有較為優質的電能質量。

表2 各指標排序矩陣Tab.2 Sequence matrix of each index

表3 電能質量競爭力評分Tab.3 Power quality competitiveness score

（4）在（3）的基礎上對各評估對象的各項指標在群體之中的地位以及在評估時間內的變化趨勢作出評價，并提出相應的建議。

分指標進行排序可以看出評估對象存在的主要電能質量問題及薄弱環節，就本算例而言各類型指標的劃分如下：

優勢指標 排位上游（排位集中在1～2）；

中勢指標 排位中游（排位集中在3～4）；

劣勢指標 排位下游（排位集中在5～6）；

進步指標 評估時間內排位單調上升且至少為2 位；

退步指標 評估時間內排位單調下降且至少為2 位。

以O3為實例進行分析，可知其長時閃變及短時閃變排位多處于下游，屬于劣勢指標；電壓偏差及諧波電壓總畸變率排位處于中游，故屬于中勢指標；三相不平衡排位始終保持在第一位，故屬于優勢指標。

就O3而言在今后的變電站建設及電能質量控制工作中需要鞏固三相不平衡的控制，此外應重視長時閃變和短時閃變的問題解決。

為了驗證本文算法的有效性，鑒于原始數據包含對象、時間、指標三維度的信息，使用具有一般性的縱橫向拉開檔次法評估后進行結果比對。

縱橫向拉開檔次法在確立權重的時候已經參考了所有時間段的指標值，故對12 個時間點取平均可獲得評估對象在評價時間內的綜合評價值，其中通過算法得出的指標X1～X5所對應的權重分別為0.232 8、0.171 2、0.175 9、0.205 7、0.214 4，評估結果如表4 所示。

由評估結果可知，與縱橫向拉開檔次法相比，兩者均考慮了時間因素的影響效應，綜合排序基本一致，驗證了本文提出的基于競爭機制的動態評估算法的有效性。同時本文算法側重于評估各個單項指標的質量水平及在評估時間內的變化趨勢，便于發掘存在的電能質量問題，對實際工作具有參考價值。但是本文算法突出評價對象之間的差異，提高了對質量相近的評價對象的辨別能力的同時，也帶來了一定的局限性。即當出現評估對象的質量水平本身就存在較大差距，或出現多處扎堆現象，例如對于某項指標所有評估對象的數值都集中于極高與極低兩種極端情況，那么在分界處的兩個對象之間序位僅差1，但實際質量水平可能相去甚遠。同時本文所定義的優、中、劣勢指標也就無法正確反映該指標的競爭力水平。當出現以上所述評估對象的質量水平本身就存在較大差距，或出現多處扎堆現象時，也就意味著評估對象之間的真實差距無法得到足夠的體現。

表4 縱橫向拉開檔次法評估結果Tab.4 Evaluation result by“vertical and horizontal”scatter degree method

3 結論

針對電能質量總體評價以及對評估對象排序的綜合需求，本文提出了基于競爭機制的區域電網電能質量動態評估的概念。主要存在以下特點：

（1）對所針對的評估對象群體的各項電能質量指標進行分層分區分項的全面考察，建立了完整的評估模型從對象、時間、指標三維上實現信息的集結；

（2）與靜態評價相比，動態綜合評價可綜合體現評價對象的當前水平和歷史水平，能提供更全面的參考信息；

（3）引入競爭機制以區分評價對象之間的優劣。實現對各評估對象之間的電能質量評估結果的比較，有利于發現存在的主要電能質量問題及薄弱環節，推動評估對象電能質量改善。

實例計算顯示，通過競爭機制突出了評價對象的差異，提高對質量相近的評價對象的辨別能力，與其他算法的評估結果比對驗證了該評估方法的有效性。

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