基于層次分析法的供電質(zhì)量綜合評價(jià)模型設(shè)計(jì)

張繼剛， 李響， 吳磊

(國網(wǎng)河北省電力有限公司， 河北 石家莊 050021)

0 引言

隨著大型配電網(wǎng)的發(fā)展，采用高壓直流供電成為配電網(wǎng)供電的主要方式之一。在高壓直流供電過程中，需要根據(jù)高壓直流供電的輸出穩(wěn)定性進(jìn)行配電質(zhì)量分析和評估，構(gòu)建供電質(zhì)量分析模型，結(jié)合輸出直流功率配置方法對供電質(zhì)量進(jìn)行綜合評價(jià)，有利于提高高壓直流供電質(zhì)量[1]。在研究高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)模型時(shí)，需要進(jìn)行高壓直流供電質(zhì)量參數(shù)分析，構(gòu)建高壓直流供電綜合評價(jià)的特征信息采樣模型，結(jié)合對高壓直流供電過程的可靠性控制和風(fēng)險(xiǎn)綜合評價(jià)結(jié)果[2]，進(jìn)行高壓直流供電質(zhì)量評價(jià)和決策，以提高供電的輸出穩(wěn)定性和質(zhì)量。因此，相關(guān)的供電質(zhì)量綜合評價(jià)模型的研究成果受到人們的極大關(guān)注。本研究設(shè)計(jì)了基于層次分析法的高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)模型，采用直流電壓波動分析方法進(jìn)行高壓直流供電質(zhì)量的大數(shù)據(jù)采樣，提取高壓直流供電質(zhì)量的相關(guān)性指標(biāo)，以線路負(fù)載的波峰、波谷等參數(shù)為約束參數(shù)集，采用層次分析法進(jìn)行高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的自適應(yīng)尋優(yōu)，采用二乘估計(jì)和模糊多參數(shù)約束控制的方法實(shí)現(xiàn)高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)分析，得出有效性結(jié)論。

1 高壓直流供電質(zhì)量量化分析和約束參數(shù)構(gòu)造

1.1 高壓直流供電質(zhì)量量化分析

為實(shí)現(xiàn)供電質(zhì)量綜合評價(jià)，首先對高壓直流供電質(zhì)量的大數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣。信息采樣節(jié)點(diǎn)分布模型如圖1所示。

圖1 高壓直流供電質(zhì)量信息采樣節(jié)點(diǎn)分布模型

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)大數(shù)據(jù)的相關(guān)性，將高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)分類的聚類中心進(jìn)行初始化處理，得到聚類中心為Fij，其中，i表示供電線路數(shù)量，且i=1,2,…,m；j表示每條供電線路上的節(jié)點(diǎn)數(shù)，且j=1,2,…,n[3]。從中提取電網(wǎng)設(shè)備線路負(fù)載特征量，采用量化回歸分析建立高壓直流供電質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析模型為式(1)。

(1)

其中，f代表數(shù)據(jù)模糊隸屬度函數(shù)；t代表負(fù)載時(shí)間；d代表擾動信息量。

在此基礎(chǔ)上，采用熵值法進(jìn)行高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的動態(tài)分析[4]，得到高壓直流供電質(zhì)量的相關(guān)因子權(quán)重分配為式(2)。

(2)

其中，?代表標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)。根據(jù)所得的相關(guān)因子權(quán)重分配，結(jié)合直流電壓波動分析方法構(gòu)造高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的統(tǒng)計(jì)分布集，繼而實(shí)現(xiàn)對高壓直流供電質(zhì)量的量化分析。

首先采用修正函數(shù)p對其進(jìn)行狀態(tài)修正，得到高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的模糊調(diào)節(jié)函數(shù)φ為式(3)。

(3)

由先驗(yàn)知識可知，模糊調(diào)節(jié)函數(shù)φ服從自由度為k的正態(tài)分布，且在不同的時(shí)刻，模糊調(diào)節(jié)函數(shù)φ的值不同。假設(shè)高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)過程中的描述性統(tǒng)計(jì)特征分布評價(jià)集為S，V代表模糊度集合，結(jié)合特征因子分布式提取方法，以線路負(fù)載的波峰hc、波谷ht以及電壓諧波值h為約束指標(biāo)參量[5-7]，得到高壓直流供電質(zhì)量的量化估計(jì)值q為式(4)。

(4)

在此基礎(chǔ)上根據(jù)無偏估計(jì)理論，進(jìn)行高壓直流供電質(zhì)量的量化評估的自適應(yīng)尋優(yōu)控制[8]，并建立評價(jià)過程約束指標(biāo)參數(shù)集。

1.2 約束指標(biāo)參數(shù)集

根據(jù)所提取的高壓直流供電質(zhì)量大數(shù)據(jù)的模糊關(guān)聯(lián)規(guī)則特征量，采用輸出穩(wěn)定性增益綜合評價(jià)和模糊決策的方法對綜合評價(jià)過程進(jìn)行優(yōu)化決策[9]。首先得到供電輸出利用率的評價(jià)參數(shù)集為式(5)。

(5)

其中，C代表供電輸出周期。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)直流輸出參數(shù)調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)供電質(zhì)量綜合評價(jià)的自適尋優(yōu)[10]，利用多維信息融合體系構(gòu)建高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)特征辨識模型如式(6)。

(6)

分析高壓直流供電質(zhì)量綜合決策的模糊度函數(shù)，結(jié)合上述得到的模糊調(diào)節(jié)函數(shù)φ得到高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的模糊度尋優(yōu)參數(shù)模型為式(7)。

(7)

其中，s代表穩(wěn)態(tài)模型。在此基礎(chǔ)上，假設(shè)g代表高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的模糊貼近度函數(shù)，根據(jù)為第i條供電線路的第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，得到連續(xù)特征分布集為Rij。同時(shí)，由于輸出質(zhì)量綜合評價(jià)因子的時(shí)變且互不相關(guān)[11]，因此，根據(jù)高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的模糊約束參量分析過程得到約束參數(shù)特征分布集如式(8)。

(8)

其中，β代表回歸系數(shù)；u代表直流電壓的諧波分布。由此實(shí)現(xiàn)了高壓直流供電質(zhì)量的約束指標(biāo)參數(shù)集的構(gòu)建。

2 高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)研究

2.1 層次分析

建立高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的專家系統(tǒng)分析模型，采用層次分析法進(jìn)行高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的自適應(yīng)尋優(yōu)[12]，該過程描述為式(9)。

(9)

其中，σ代表高壓直流供電質(zhì)量的綜合評價(jià)過程的收斂度；μ代表均衡系數(shù)。由此構(gòu)建了高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的層次分析模型，繼而可采用多層次尋優(yōu)方法進(jìn)行高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)和模糊決策[13]。

2.2 供電質(zhì)量綜合評價(jià)

在上述結(jié)合層次分析過程實(shí)現(xiàn)高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的自適應(yīng)尋優(yōu)的基礎(chǔ)上，采用二乘估計(jì)和模糊多參數(shù)約束控制方法[14]實(shí)現(xiàn)高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)模型的設(shè)計(jì)，構(gòu)建高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的模糊關(guān)聯(lián)規(guī)則集為D，在此基礎(chǔ)上，采用負(fù)載均衡控制方法進(jìn)行高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的關(guān)聯(lián)規(guī)則分析，得到模糊度特征參數(shù)分布集為式(10)。

(10)

其中，y代表高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的主體狀態(tài)集合。進(jìn)而構(gòu)建高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的模糊關(guān)聯(lián)規(guī)則集，結(jié)合塊稀疏表達(dá)模型實(shí)現(xiàn)高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)決策[15]，并采用二乘估計(jì)方法得到供電質(zhì)量評估模型，表達(dá)為式(11)。

(11)

將供電質(zhì)量綜合評價(jià)過程用流程圖的形式表示，如圖2所示。

圖2 算法的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

3 仿真測試與分析

為測試基于層次分析法的供電質(zhì)量綜合評價(jià)模型的實(shí)際應(yīng)用性能，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)測試，并對結(jié)果進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)利用MATLAB Simulink仿真平臺實(shí)現(xiàn)，在并網(wǎng)模式下進(jìn)行高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)，設(shè)定高壓直流的偏差限值為12%-8%，直流負(fù)載量為200 kW，高壓直流供電的功率為120 kW。高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的時(shí)間采樣間隔為0.8 s。

在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下完成對高壓直流供電質(zhì)量的綜合評價(jià)。首先提取綜合評價(jià)過程中供電過程的相關(guān)特征量，其頻率分布域如圖3所示。

圖3 綜合評價(jià)的相關(guān)特征量分布域

分析圖3可以看出，供電頻率的分布域多集中于45 Hz—52 Hz之間，狀態(tài)較穩(wěn)定。在此基礎(chǔ)上，對供電質(zhì)量評價(jià)效果進(jìn)行判定。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的有效性，引入對照實(shí)驗(yàn)的思想，將文獻(xiàn)[4]中的基于逼近理想點(diǎn)法的供電質(zhì)量評價(jià)模型和文獻(xiàn)[5]中的基于改進(jìn)密切值法的客戶側(cè)供電質(zhì)量評價(jià)模型作為對比組，與本研究所提的基于層次分析法的供電質(zhì)量綜合評價(jià)模型進(jìn)行對比，測試不同模型的評價(jià)精度和評價(jià)耗時(shí)。

首先統(tǒng)計(jì)不同評價(jià)模型的評價(jià)精度，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同模型評價(jià)精度對比

分析圖4可知，在多次實(shí)驗(yàn)迭代中，只有所提的基于層次分析法的供電質(zhì)量綜合評價(jià)模型的評價(jià)精度在穩(wěn)步上升，另外兩種對比模型評價(jià)精度的變化無明顯規(guī)律，但均低于所提模型。因此，可以說明所提的基于層次分析法的供電質(zhì)量綜合評價(jià)模型具有較強(qiáng)的評價(jià)性能，評價(jià)精度較高，評價(jià)效果較好。

在此基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)不同評價(jià)模型的評價(jià)過程耗時(shí)，結(jié)果如表1所示。

表1 不同模型評價(jià)耗時(shí)對比(s)

從表1可以看出，與兩種傳統(tǒng)的評價(jià)模型相比，利用基于層次分析法的供電質(zhì)量綜合評價(jià)模型進(jìn)行評價(jià)，可以使評價(jià)過程耗時(shí)減少，最小的評價(jià)耗時(shí)僅為7.13 s，而文獻(xiàn)[4]模型和文獻(xiàn)[5]模型的評價(jià)耗時(shí)維持在10 s上下，明顯高于所提模型。由此可知，基于層次分析法的供電質(zhì)量綜合評價(jià)模型的評價(jià)效率更高。

4 總結(jié)

在構(gòu)建高壓直流供電質(zhì)量分析模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合輸出直流功率配置方法進(jìn)行高壓直流供電質(zhì)量的綜合評價(jià)，有利于提高高壓直流供電質(zhì)量。本研究提出基于層次分析法的高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)模型。根據(jù)無偏估計(jì)理論進(jìn)行高壓直流供電質(zhì)量的量化評估的自適應(yīng)尋優(yōu)控制，再采用輸出穩(wěn)定性增益綜合評價(jià)和模糊決策的方法進(jìn)行高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的優(yōu)化決策和綜合評價(jià)，采用層次分析法進(jìn)行高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的自適應(yīng)尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)模型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析得知，采用本文方法進(jìn)行高壓直流供電質(zhì)量綜合評價(jià)的精度較高，評價(jià)耗時(shí)較少，提高了高壓直流供電的穩(wěn)定性和輸出質(zhì)量。