基于熵權計算的光伏電站電能質量評估方法

熊建英，吳文寶，熊 敏

（中國電建集團江西省電力建設有限公司，江西 南昌 330001）

0 引言

“雙碳”戰略下，我國的光伏裝機容量將迎來進一步的快速增長。然而，隨著光伏電站并網數量的不斷增加，給電網帶來的問題也逐漸凸顯。光伏發電對電網的電能質量影響是其中重要問題[1-2]，電能質量問題可以導致用電設備故障或不能正常工作，嚴重的時候甚至影響電網的穩定運行。

通常對光伏電站并網時電能質量的要求是[3]：1）光伏電站向當地交流負載提供電能和向電網發送電能的質量，在諧波、電壓偏差、電壓不平衡度、直流分量、電壓波動和閃變等方面應滿足國家相關標準。2）光伏電站應該在并網點裝設滿足IEC 61000-4-30《電磁兼容第4-30部分試驗和測量技術電能質量》標準要求的A類電能質量在線監測裝置。對于大型或中型光伏電站電能質量數據應能夠遠程傳送到電網企業，對于小型光伏電站，電能質量數據應具備年及以上的存儲能力，必要時供電網企業調用。

評估可以從多個維度進行，評估過程包括指標選取、權重計算、評估結果確定。文中為使方法具有普適性，對光伏電站的電能質量評估主要依據現行的《光伏發電系統接入配電網技術規定》標準作為其評估指標來源的依據。權重計算方法有專家賦值、網絡分析法，主成分分析、熵權法等[4-6]。評估結果計算可采用模糊評價或線性加權法等[7]。

為此，文中提出了一種改進層次分析法的電能質量評估方法，從電壓變動、諧波分析、頻率變動三個項目，共8個指標去評估電能質量；提出基于熵權法的權重分析法計算權重，改善專家賦值的主觀差異弊端。

1 評估模型的建立

1.1 構建評估指標體系

反映光伏電站并網電能質量的評估指標很多，如何根據各個指標對于電能質量綜合狀態的不同影響程度對其進行科學的選擇是關鍵。文中采用二級綜合評估，將各指標層分為兩級，并按照分層評估理論對其進行分級評估。文中建立的電能質量評估體系如圖1所示。

圖1 光伏電站電能質量指標體系

1.2 權重計算方法

1.2.1 客觀權重計算

熵最早由香農引入信息論中，目前已在工程應用、經濟金融方面得到了廣泛應用。熵權法的基本思路是根據指標變異性的大小來確定客觀權重，這樣的評價相對客觀準確。通常來說，某個評價指標的信息熵值越小，表明指標變異程度大，提供的價值信息越大，其在綜合評價中起到的作用也越大，故其權重也就越大。同理，一個指標熵值越大，則該指標的權重也越小。熵權確定步驟如下：

1）對各個評價項目進行去量綱歸一化處理。設8個指標集合為X1，X2，X3…Xn，其中，X={x1，x2，x3…xm}。各指標數據標準化后的值為：Y1，Y2，Y3…Yn，則有：

2）求各指標在各個評價項目下的比值，即第j項指標在第i個項目中占該指標的比重，其實也就是為了計算該指標的變異大小：

3）求各指標的信息熵。根據信息熵的定義有：

4）計算權重：

1.2.2 主觀權重計算

主觀權重計算利用層次分析法，該方法通過將復雜的分體劃分為若干層次的逐漸具體的指標，再對每一層指標之間的重要程度進行比較，建立判斷矩陣，通過計算該矩陣的最大特征值及相應的特征向量，得出不同指標的權重，從而為系統規劃的評估提供重要的依據。記某一層的指標為z1，z2，L，zn，則其判斷矩陣為：

其中的aij表示表示zi與zj對于上一層指標相對的重要程度，用1～9 表示，數字越大則表示重要程度越高。當i＞j時，zi與zj重要程度差距越大，則aij的值越大，aij可以表示為：

十個沒有搶到座位的人不約而同地聚在了一起，有的人緊張地扭著手指頭，有人痛苦地抱著頭蹲在地上，像鴕鳥般將頭埋得低低的，也有人冷冷地盯著坐在座位上的人，看得人心里發毛。

因此判斷矩陣對角線上元素均為1。矩陣構造完之后，計算其最大特征值及其相應的特征向量，通過歸一化以及一致性檢驗，便能得到所選層次指標的排序權值。n階矩陣一致的充分必要條件為最大特征值λmax=n。一致性指標CI與一致性比例CR計算如下：

其中，RI為對應的隨機一致性指標。若CR<0.1，認為判斷矩陣一致性可接受，若CR≥0.1，應修改判斷矩陣直到一致性可接受。

將其應用于每一層次，便能獲得底層指標對于總目標重要程度的排序權重，從而完成考核指標的權重選取。此外，按規定，電力系統運行中有著各參數的強制限制條件，將其作為評價體系的絕對標準，一旦越界將危害系統運行。由此得到電能質量參數權重及限制條件在低壓、變動頻率較少時的情況如表1 所示。注意為了區別限制條件，其中指標參數尚未歸一化。

表1 指標權重分布及限制條件表

1.2.3 組合權重計算

文中研究的電能質量評價指標綜合權重由下式確定：

其中，ω1j、ω2j分別為主觀權重和客觀權重。

2 數據分析與結果

測試原理圖如圖2 所示。電壓測點接在光伏逆變側電壓互感器二次側，電流用電流鉗取自電流互感器二次側。采用便攜式電能質量儀測試結果，I1，I2，I3分別接ABC 三相的電流，U1，U2，U3分別接A、B、C 三相的電壓，N接零線，可以測不平衡電流。

圖2 電能質量戶外測試原理

電能質量各項指標測量結果和參考的限值如表2所示。

表2 測量結果（晴天）

表3給出了兩種電站電能質量指標計算的結果。

表3 指標計算及對比表

為了更為直觀地反映出光伏電站各項指標對其電能質量的影響程度，從而準確客觀地評價光伏電站地電能質量，將歸一化后的實際指標參數置入變形雷達圖中，如圖3所示。變形雷達圖依據不同指標參數的權重大小限制在圖中各指標參數可能的繪制范圍，再在測得實際數據后，將實際的指標參數繪制于圖中。相比普通的雷達圖，變形雷達圖能夠通過形變表現出每個指標參數的相對重要關系，也即體現出權重這一概念。通過觀察變形雷達圖中實際指標參數中框定區域的面積，即可了解到光伏系統電能質量偏離理想情況的程度。

圖3 光伏電站電能質量變形雷達圖

從光伏電站電能質量變形雷達圖3 中，可以很清楚地觀察到光伏電站在電能質量各項指標參數的數值比較關系以及對于總體電能質量的影響程度。在波動、不平衡以及直流分量等方面光伏電站都符合電能質量高標準的要求，偏差不超過3%，而在主要的電壓、頻率諧波方面影響稍大但均能符合要求。

3 結語

文中基于熵權—層次分析法對光伏并網電能質量進行評價，提出了一種基于熵值的客觀權重計算方法，同時組合主觀權重值，使得權重結果更為可靠，避免因專家打分主觀因素太強而導致評價結果偏差大的弊端。以某光伏電站實際數據為例進行評價，通過變形雷達圖展示，可直觀地表現出各個指標的狀態，對并網測試人員有很好的指導意義。