直流配電網電能質量綜合評估分析

王 蕾，金 凱

（國網西安供電公司，陜西 西安 710000）

1 引言

新用電環境下分布式電源和電力電子設備的普及應用更為迫切，隨著實際生產生活中直流用電設備不斷增加，整個用電方式有了較大轉變。另外，近些年新型能源有了較大發展，在配電網中設置了非常多不同類型的電子器件，這些器件也都會對電網電能質量造成影響。為了降低對電網的影響，直流配電網有了較大發展，通過直流配電方式可以大大減小整個線路的運營成本，同時可以增強供電穩定性，最大程度獲取相應經濟效益。因此相對于同等級的交流配電網來說，直流配電網存在著多方面的優勢，例如直流配電網不存在交流配電網中的三相不平衡問題，可以有效提升電能質量；該系統和直流負載直連，無需配備整流電路以及功率補償電路，能夠提升供電可靠性。但是直流配電網受到全新換流設備、負荷對于直流電壓適應范圍等因素的影響，使其同樣面臨著挑戰和問題，因此需要加強對直流配電網電能質量的綜合性評定，這對于推動電網發展具有重要作用。傳統電能質量綜合評估更多針對的是電能質量優劣情況，對于評估對象自身因素考量的不夠充分，例如對于不同電壓等級來說某些電能質量指標限值有所差異，而傳統評估方式所得結論合理性不足。文章采取主成分分析法來對直流配電網電能質量進行綜合評估，能夠減小評價時主觀因素的影響，同時可以減小無效數據的影響，更好的研究對象的本質。

2 直流配電網電能質量綜合評估體系概述

在對電能質量進行評估時需要參照多種影響因素來進行，所以要確定不同指標的權重，建立起完善的評價指標體系，才可以獲得相對合理的綜合評價結論。在建立指標體系時要基于優化方法以及定性指標數量化技術來進行，從“系統電壓質量”以及“負荷電流質量”兩方面進行評定。對于直流配電網來說，和頻率有關的質量問題能夠更好地處理，電壓降是影響有功功率的關鍵性因素，整個系統電能質量最主要的決定性因素在于母線電壓的穩定性，所以要針對關鍵性指標（包括：電壓質量、系統可靠性等）實施有效評定。

針對此，在進行直流配電網電能質量評定時主要從母線電壓質量、配網可靠性等方面進行重點分析。對于母線電壓質量來說，評定的關鍵性指標有電壓偏差、諧波、電壓暫降等等；配電網可靠性要從換流站、直流斷路器、直流變壓器、儲能裝置等元器件的可靠性進行考量，具體情況如圖1和圖2所示。

圖1 母線電壓質量評價指標

圖2 配電網可靠性評價指標

3 研究意義

（1）直流配電網有著自身多重優點，直流配電網已經成為了現代全新的配電發展方向，但是從現階段來看針對直流配電網電能質量方面的研究還有一定補助，所以要深入研究電能質量影響因素，明確其相應機理，這對于推動直流配電網進一步發展具有現實意義。同時，通過對衡量系數進行分析可以充分明確電能質量情況，更便于全面、準確認識到整個系統中的電能質量問題，可以進一步推動直流配電網的應用。（2）在實際應用時需要加強對直流配電電能質量的檢測，通過對擾動特征量的分析能夠進一步明確相關因素（包括：擾動時間、嚴重程度、不同擾動間能量關系等），更便于對電能質量進行全面分析。同時以直流配電網的特性為基礎分析交直流兩側電能質量之間的交互關系，可以更加深入了解直流配電網電能質量問題。（3）通過對直流配電網電能質量情況分析，可以提升具體應用時對用戶電能質量的監測，從而對電網進行更加合理的規劃。

4 主成分分析法

4.1 基本原理概述

主成分分析法主要是以統計分析原理為基礎，從多個不同指標中摘取多個不具有關聯性的相應指標，并且保證已有指標所展現信息的有效性的分析方法。利用該種方法能夠通過較少的關鍵性指標變量取代已有的多維度變量，從而使得數據更加的精簡，然后將“主成分貢獻率”作為權值實施加權平均，以此來形成綜合評估函數。

此方法在應用時首先設定原始數據變量（x1、x2、…、xn），然后在經過坐標系的轉換之后形成和原有坐標系原點重合的新坐標系，此坐標系的第一軸表示的為數據變異最大方向，而第二軸正交于第一軸，同時和數據變異第二大方向相對應。可以將這些軸定義為第一主軸u1、第二主軸u2、…第m主軸um，通過主軸來展現原數據的變異情況（原有n維空間降到m維空間）。將以此所形成的主成分貢獻率當作權值，最終使得數集綜合成為指數形式。

主成分分析法從根本上來看就是通過嚴密的數據統計實施最終結果的分析，此種方法的主成分權值更多是利用數據分析來得到的，從中可以體現出不同指標所具有的關聯性，可以防止受到不相關指標的影響，具有更好的客觀性，更便于實施定量性評價。通過此種方法所得到的主成分相互之間具有獨立性，能夠大大精簡評價體系，能夠避免信息之間發生冗余以及交叉。

4.2 主成分分析法的數學模型

這種方法首先是設定n個評價對象，然后把每個評價設定p個指標，針對xij表示第i個評價對象的第j個指標，以此建立起原始數據矩陣如表1。

表1 原始數據矩陣

該詩中第i個主成分Yi的方差在所有方差中所占比重vi就表示為貢獻率，以此來體現p個指標所具有的綜合性能。為了能夠簡化計算過程和數據量，主要通過實施主成分分析來代替原有的多成分分析，而主成分的數量設定標準為：可以體現原有變量90%之上信息量，也就是選擇累積貢獻率在90%以上情況下主成分個數實施綜合性分析。

5 具體算例分析

雖然直流配電網有了一定的應用，但是從現階段來看有關直流配電網運行的數據信息量和準確性有所不足，因此在實際分析過程中所采用的方式更多是參照已有資料，并且利用傳統低壓交流配電網數據進行結合，把表2中的數據當做原始指標數據，對甲乙丙不同區域400V直流配電網電能質量實施綜合性評定。

表2 某地區電能質量指標數據

從所選定的指標來看，存在著三種不同類型指標，儲能設備壽命X13歸類為正指標，而儲能設備容量占比X15則屬于適度指標，其余各項指標歸類為逆指標。為了能夠對其進行有效分析，要對逆指標進行正向化，最終確保整個系統中所有的指標都能夠達到正向，在此基礎上才能夠利用“最大綜合評價函數值”來對區域性電能質量情況進行判定。在對上述相應指標數據進行必要處理之后，對其實施相應轉換就能夠獲取每個主成分所具有的特征根和貢獻率，具體情況如表3所示。從表中數據可知，因為前兩個組成

表3 主成分Y1到Y3特征根和方差貢獻率

分累計貢獻率滿足100%的要求，也就是對原有指標實施了徹底的綜合，因此利用第一、第二主成分作為綜合指標是較為合理的，Y1和Y2主成分因子載荷量情況如表4所示。

表4 主成分Y1和Y2的因子載荷量

從上述兩表中能夠得知，這兩個主成分包括的信息量非常大，其中第一個主成分包括了40.75%的信息量，該主成分所關聯的主要指標包括：電壓平均偏差X1（相關因數：0.981 7）、電壓中斷時間X6（相關因數：0.987 8）、換流站平均故障修復時間X10（相關因數：0.777 7）、儲能設備壽命X13（相關因數：0.999 4）、儲能設備使用時間X14（相關因數：1.000 0）。從上述分析結果來看，所設定的主要成分85%來自于原始指標的內容，因此最后可以將主成分評價結果總結出圖3進行表示。

以表3中主成分的方差貢獻率為基礎能夠獲取對直流配電網電能質量綜合評定的評價函數，具體為：F=0.407 5Y1+0.592 5Y2，在此基礎上參照圖3中對于第一個主成分以及第二個主成分的評定，最終得到綜合評定結果，具體情況如圖4所示。從圖4中能夠得知，丙地區得分為負，屬于直流配電網電能質量最差的區域，而乙地區的得分最高，因此是最優的直流配電網電能質量地區。

圖3 主成分評價結果

圖4 甲、乙、丙地區電能綜合評定結果

6 結束語

相對于傳統交流配電網來說，直流配電網存在多方面優勢，其應用區域逐漸擴大。但是其也會受到多種因素的影響，需要對其電能質量進行綜合性的評定。目前所采用的電能質量評定方法更多針對的是傳統交流系統設定的，為了能夠對直流配電網電能質量進行更加準確、客觀的評定，文章在原有電能質量綜合評價方法的基礎上進行了優化，采取主成分分析法進行評價，能夠大大降低主觀因素對評價結果的影響。通過全新綜合評價模型能夠更具針對性地對直流配電網電能質量進行評估。同時，以具體案例對主成分分析法在直流配電網電能質量評定過程以及具體應用情況進行了充分的分析，明確了具體的效果。通過文章的介紹能夠對直流配電網電能質量綜合評價提供一定參考和幫助，對于進一步推動電力行業發展具有現實意義。