江蘇電網電能質量評估方法及應用

韋永忠 ，鄭愛霞 ，袁曉冬 ，陳 兵

(1.江蘇省電力公司，江蘇南京210024；2.江蘇省電力公司電力科學研究院，江蘇南京211103)

隨著江蘇電網建設的迅速發展，電網與負荷構成出現新的變化趨勢，其對電網電能質量帶來的負面影響引起電力部門和電力用戶的高度關注。一方面，江蘇省內電氣化鐵路、風電等特殊重點負荷接入電網，其固有的波動性和并網所需整流電力電子設備的使用，給電網帶來諧波、波動與閃變、三相不平衡、電壓暫降等電能質量問題[1-4]，惡化了電網單項指標的水平；另一方面，隨著科技的發展，工業設備采用的新型設備和用戶智能家用電器的使用，對電能質量的要求越來越高，電力用戶對電能的需求已從供電量向優質供電轉變。因此，為保證電網的供電安全和滿足用戶的供電要求，對電網進行電能質量評估，針對評估結果，采取相應的措施來提高電網的電能質量水平，對提升江蘇電網安全性和社會影響度有重要的作用。目前，對電能質量評估研究方法較多[5-8]，依據不同的關注度，電能質量評估分為單項指標評估和綜合評估兩部分。電能質量評估指標體系的復雜性和相關性，決定了對其評估的方向性，即如何科學、客觀地將多指標問題綜合成單一量化指標。本文將介紹江蘇電網在電能質量方面所做的研究及已建成的電能質量監測系統概況。

1江蘇電網電能質量監測系統概況

江蘇電網率先開展了電能質量監測網絡的建設，目前該系統有321臺終端監測設備對1 032個監測點進行數據監測，這些監測設備已安裝在全省180多個變電站，并正常運行，為開展電能質量評估創造了良好的條件。江蘇電網電能質量監測系統部署如圖1所示。江蘇電網電能質量評估是分層實現的，如圖2所示。根據電網實際需求，對電能質量評估分為單個指標評估和綜合電能質量評估，評估結果分為優秀、良好、中等、較差4個等級。最終按照市（縣）變電站、母線和線路的層次顯示評估等級。

2單電能質量指標評估

單電能質量指標評估是電能質量評估的基礎，可使供電方和用戶了解每項電能質量指標的具體狀況。江蘇電網電能質量評估包含如下指標：電壓偏差、電壓總諧波、電壓三相不平衡度、短時間閃變、長時間閃變、2～25次電壓諧波、2～25次電流諧波。針對用戶和供電方實際情況，評估過程中采用的標準可以為國標或用戶所需的敏感設備的電能指標要求。該評估系統具有一定的靈活性，可滿足不同用戶的電能質量要求。

就江蘇電能質量監測系統而言，除了短閃和長閃，其他上述指標的數據間隔為1～3 min，短閃為10 min，長閃為2 h。每個監測點每天上傳的數據量是一定的，故可設定日數據完整度閾值，例如可設定為額定數據量的一半，只有當數據完整度超過閾值時，該日數據才有效。由于電能質量評估以月為單位，故對數據完整的天數也應設定閾值，可為該月天數的一半（取整），只有數據完整的天數超過閾值，該月評估才有效。

正常情況下，電網電能質量監測數據應滿足國標限值，且大多數情況下，其值低于國標標準值的50%。當發生超標情況時，評估應能突出該超標情況。例如：某電能質量指標的90%時間符合國標，10%時間超出國標，在此種情況下，評估認為該指標的電能質量水平偏低。為了反映電能質量指標的這種特性，在評估時需要選擇適當方法突出超情況對電能質量水平的影響。該問題的有效解決方法是：建立符合上述要求的單個數據評分函數，在得到每個數據評分的基礎上，進行加權平均，得到該日數據評估分數。本文采用單個數據評估函數為：

其中TH為不同指標相對應的國標或者用戶自定義標準閾值。由于不同指標的TH不相同，因此以t=x/TH可以得到單個數據占標準限值的百分比，以此作為變量，則上述評估函數對所有單個指標均適用。原表達式變換為：

S（t）的函數曲線如圖3所示，可以看出函數曲線滿足上述評估思想。由圖中可知，當t=1時，即單個數據等于相應的標準閾值時，對應的函數值為60，在此種情況下，對應的電能質量等級為合格。當t＞1時，函數曲線迅速下降，即單個數據超過限值時，最終評估得分值快速減低。例如，當數據為限值的2倍時，即t=2時，評估得分為1.1分，對應的電能質量等級為較差；同樣，當所有數據為限值的一半時，得分為90分，對應的電能質量等級為優秀；理想情況為t=0，評分得分為100分。由此可見，此函數可以適用于不同指標下的限值，且能滿足電能質量指標的特性，突出超標在評估中的影響。

圖3單個數據評估函數圖

在得到該月每一天評估值SD_i后，進行加權平均，得到該月該指標最終評分值SM，其中wi為不同評估分數段的系數，N為該月數據完整天數。單個指標的評估流程如圖4所示。

圖4單個電能質量指標月評估流程

3綜合電能質量評估

電能質量綜合評估，可以從整體上考察電能質量水平的優劣程度。江蘇電網電能質量評估系統采用了項目前期的關于電能質量評估研究成果：基于灰色理論的電能質量綜合評估。灰色系統理論中的灰色關聯分析（GRA）[9]是通過計算對象間的關聯系數和關聯度,從整體上定量分析對象間的關聯程度和影響程度，GRA的評估步驟為：分析數據特征獲取比較序列和標準序列，獲取序列間的差異信息并建立差值舉證，計算灰關聯度。該方法可以保留電能質量監測數據的特點，相比電能質量模糊評估方法，避免了模糊區間確定的非客觀性，而且計算簡潔易于實現。

基于灰色理論的電能質量評估方法的步驟為：（1） 標準矩陣的構建；（2） 數據矩陣的建立；（3） 絕對差矩陣的建立；（4）與理想樣本的關聯度。每步的詳細過程可參考文獻[9]。

綜合評估用到的7個單個指標為電壓偏差、短閃、長閃、電壓三相不平衡度、電壓總諧波、偶次諧波最大含有量、奇次諧波最大含有量。選取了2種樣本作為灰色理論數據矩陣中的參考矩陣，即：理想樣本、標準樣本。理想樣本選取（0，0，0，0，0，0，0），表示7個電能質量指標工頻下的理想狀態。理想樣本是理論上電能質量的理想狀態，實際中電能質量總存在一定的偏差。標準樣本可依據國家標準和實際情況建立，本文采用的標準樣本如表1所示，評估樣本則根據每日測量數據的單個指標評估結果形成。

表1理想樣本和標準樣本

根據對7個指標關注程度及各地電能質量特性，建立不同的判斷矩陣。一般情況下，江蘇電網電能質量評估系統采用的判斷矩陣為：

該判斷矩陣A的最大特征值為λmax=7.07，CR=0.008 8＜0.1，符合一致性要求，則最大特征值對應的特征向量并歸一化為：w=（0.158，0.158，0.120，0.138，0.126，0.126，0.172）。

評估樣本根據當月每天的單項指標評估結果確定。在已知單項指標評估結果的情況下，構造評估函數反函數，求取該評估得分對應的標準化測量數據t=x/TH。例如，通過上述評分函數得到的評分值為60分，在評分函數曲線上，其對應的橫坐標為1，即測量數據等于其國標閾值；若其平均得分為90，曲線上對應的橫坐標為0.5，即測量數據為國標閾值的0.5倍，現給出上述評估函數反函數如下：

依據上述所形成的標準樣本及評估樣本，以及所確定的各個指標的權重，便可以利用灰色理論計算評估樣本與標準樣本的關聯度。其中關聯度的性質為：（1） r∈[0，1]，r值越大，說明數據樣本越接近標準樣本，其電能質量水平越高；r值越小，評估樣本越偏離標準樣本，其電能質量水平越低。r=0，其評估得分為0，r=1，其評估得分為100；（2）評估樣本的r值隨標準樣本的不同而不同。

上述標準樣本，即 Q1，Q2，Q3，Q4，其評分得分為97.68，90，60，1.1。在關聯度與綜合預評分值曲線中，取 4 個點（r1，97.68），（r2，90），（r3，60），（r4，1.1），并且參照單數據評估曲線建立r∈[0，1]完整曲線，表達式如下：

計算得到該月每天的綜合得分后，如果數據完整的天數滿足要求，利用加權平均的方法得到該月的綜合評估得分。

4 變電站、縣、市電能質量評估

一般而言，變電站會有多條母線和線路，在完成母線和線路評估的基礎上，利用加權平均法，綜合這些母線和線路，可得到變電站的電能質量評估結果。

式中：Sge_i為某條母線線路的某個電壓類電流類指標的評估分數；n為該變電站所有母線線路條數；Sstation為該變電站該指標的評估結果。

一個縣級單位內包含多個變電站，在得到這些變電站的評估結果之后，利用加權平均的方法，可以得到該縣級單位的電能質量情況。

式中：Sstation為某變電站某指標的評估結果；n為該縣擁有的變電站數量；Scounty為某指標的評估結果。

一個市由多個縣級單位組成，在每個縣級單位的評估結果上，利用加權平均的方法可以得到該市級單位的母線電能質量情況。

式中：Scounty為該縣的評估結果；n為該市擁有的縣級單位數量；Scity為該市的評估結果。

5江蘇電網電能質量評估實例

目前，已完成了江蘇電網2010年8～12月份的電能質量評估工作。8月份江蘇電網監測點概況如表2所示。

表2 8月份江蘇省總體監測點概括

在8月份已評估的99個變電站中，電能質量狀況總體來說優良。其中有6個較差等級，17個中等等級，23個良好等級，53個優秀等級。但是，一部分監測點電能質量狀況長期不好，超標相當嚴重，有待改善。縣級公司和市級公司的評估結果為：縣級公司中2個較差，11個中等，13個良好，12個優秀；市級公司中3個中等，8個良好，1個優秀。

6結束語

本文介紹了電能質量研究背景和綜合評估研究現狀，闡述了江蘇電網在電能質量評估方面開展的相關工作，結合已研究的電能質量綜合評估算法，提出科學的單個指標、綜合指標的電能質量評估方法。并利用加權平均的思想對變電站、市（縣）級供電公司進行了電能質量評估，形成了江蘇電網完整的評估體系。評估結果的形象化展示有助于對電能質量問題做進一步的了解。利用典型監測數據的進行單項指標評估、綜合評估測試結果表明，所提的方法具有實用性和效率高等特點，為省網電能質量工作的開展提供了參考。有助于調度和規劃部門及時的發現問題，也有利于實現電能按質定價和供電雙方指定合同，有利于電能質量市場的建立。

[1]周勝軍，于坤山，馮滿盈，等.電氣化鐵路供電電能質量測試主要結果分析[J].電網技術，2009，33(13)：54-57.

[2]周 軒，錢敏慧，趙劍峰.電氣化鐵路造成的電能質量問題對電能計量用TDM的影響研究[J].電力系統保護與控制，2009，37(1)：28-32.

[3]郭 健.大規模風電并入電網對電力系統的影響[J].電氣自動化，2010，32(1)：47-50.

[4]黃德琥，陳繼軍，張 嵐.大規模風電并網對電力系統的影響[J].新能源發電控制技術，2010，23(7)：27-30.

[5]張 蔓，林 濤，曹 健，等.2種電能質量綜合評估方法的分析比較[J].電力系統自動化，2008，32(21)：37-40.

[6]張炳達，王 靜.基于熵原理的電能質量評估新方法[J].電力自動化設備，2008，29(10)：35-38.

[7]趙 霞，趙成勇，賈秀芳，等.基于可變權重的電能質量模糊綜合評價[J].電網技術，2005，29(6)：11-15.

[8]肖 俊，王成山，周 敏.基于區間層次分析法的城市電網規劃綜合評判決策[J].中國電機工程學報，2004，24（4）：50-57.

[9]雷 剛，顧 偉，袁曉冬.灰色理論在電能質量綜合評估中應用[J].電力自動化設備，2009，29（11）：62-70.