馮　寅，　尹忠東

華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　北京　102206

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直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量的綜合評估

馮寅，尹忠東

華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室北京102206

現(xiàn)有的電能質(zhì)量評估方法都是針對交流系統(tǒng)的，并不能很好地適用于直流電網(wǎng)。為探索直流配電網(wǎng)在提升電能質(zhì)量方面的優(yōu)勢，進(jìn)而做好直流配電網(wǎng)可行性分析，需要一種適用于評估直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量的新方法。提出了基于主成分分析的直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合評估方法，構(gòu)建了相應(yīng)的綜合評估指標(biāo)體系。結(jié)合算例表明，采用所提方法可以用于評估直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量，過程科學(xué)，結(jié)果合理，具有可行性。

電能質(zhì)量； 配電網(wǎng)； 直流； 主成分分析法

隨著新能源的開發(fā)利用和電力電子技術(shù)的長足發(fā)展，社會在對電力需求日益增大的同時，對配電系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、優(yōu)質(zhì)提出了更高要求，傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)正面臨著巨大的挑戰(zhàn)。一方面，基于可再生能源技術(shù)的分布式電源并網(wǎng)運(yùn)行，不僅帶來大量的電能變換環(huán)節(jié)，產(chǎn)生更多的電能損耗，而且由于新能源發(fā)電的間歇性和隨機(jī)性，嚴(yán)重影響配電線路負(fù)荷潮流的穩(wěn)定性。另一方面，需求側(cè)的用電形式發(fā)生改變，含直流環(huán)節(jié)的負(fù)荷越來越多，如直流變頻空調(diào)、冰箱、洗衣機(jī)、計算機(jī)、電動汽車等，交流配電網(wǎng)要經(jīng)過交直流變換器將交流電變換成直流電供給負(fù)載，整流裝置的存在降低了效率，并帶來諧波等電能質(zhì)量問題。面對電力用戶對供電安全可靠性和優(yōu)質(zhì)電能質(zhì)量的要求日益嚴(yán)格，傳統(tǒng)的交流配電網(wǎng)已經(jīng)越來越無法勝任[1-4]。鑒于此，直流配電網(wǎng)作為未來電網(wǎng)形態(tài)之一的可行性引起了廣泛的研究。

與相同電壓等級的交流配電網(wǎng)相比，直流配電網(wǎng)在電能質(zhì)量優(yōu)化方面具有諸多優(yōu)點(diǎn)： 其一，交流配電網(wǎng)的供電模式為三相供電，終端用電形式卻多為單相供電，易產(chǎn)生三相不平衡，而直流配電則沒有三相不平衡問題，電能質(zhì)量得到提升；其二，直流配電系統(tǒng)中直接接入直流負(fù)載，不需要配置整流電路和功率因數(shù)補(bǔ)償電路，有效簡化了結(jié)構(gòu)，提高了供電可靠性。另一方面，由于直流斷路器、直流換流器等設(shè)備的引入，以及負(fù)荷對直流電壓的適應(yīng)范圍等因素，使直流配電網(wǎng)的電能質(zhì)量同樣面臨新挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的電能質(zhì)量綜合評估方法[5-12]旨在對電能質(zhì)量的優(yōu)劣程度進(jìn)行評價，忽略了不同評估對象的本身因素，如不同電壓等級下的某些電能質(zhì)量指標(biāo)限制值是不同的。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，分三級對電力系統(tǒng)公共供電點(diǎn)由沖擊負(fù)荷產(chǎn)生的電壓波動允許值進(jìn)行規(guī)范和限制，用百分?jǐn)?shù)表示，10kV及以下為2.5%，35kV～110kV為2.0%，220kV及以上為1.6%。因此，采用傳統(tǒng)的電能質(zhì)量綜合評估方法可能會得出一些不合理的結(jié)論。文獻(xiàn)[13]通過建立直流配電網(wǎng)中關(guān)鍵元件的可靠性模型，對現(xiàn)階段直流配電網(wǎng)的可靠性進(jìn)行了研究，但未涉及反映直流系統(tǒng)電能整體性能的綜合評估領(lǐng)域。文獻(xiàn)[14]分析研究了直流電源系統(tǒng)的諧波問題，但未建立直流電能質(zhì)量的評價指標(biāo)。文獻(xiàn)[15]提出采用FAHP(模糊層次分析法)對直流微電網(wǎng)的電能質(zhì)量分級指標(biāo)體系進(jìn)行模糊綜合評判，探討指標(biāo)體系的建立，但強(qiáng)調(diào)的是直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量的指標(biāo)體系和交流系統(tǒng)的差別。

筆者將多元統(tǒng)計學(xué)中的主成分分析法(Principal Component Analysis， PCA)用于直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合評估，利用其降維和去除指標(biāo)間相關(guān)性的功能，不僅能夠降低評價過程中的主觀影響，還能快速從眾多數(shù)據(jù)中抓住研究對象的本質(zhì)[16-20]。

1　直流配電網(wǎng)的電能質(zhì)量綜合評估體系

電能質(zhì)量綜合評估具有多指標(biāo)的特征，對于指標(biāo)的選取要分清主次，合理組合成評價指標(biāo)體系，才能得出公正的綜合評價結(jié)論。在指標(biāo)體系的構(gòu)建過程中，要掌握優(yōu)選、優(yōu)化方法及定性指標(biāo)的數(shù)量化技術(shù)。電能質(zhì)量綜合評價可從系統(tǒng)電壓質(zhì)量和負(fù)荷電流質(zhì)量兩個方面進(jìn)行評定。

我國針對交流系統(tǒng)制定了7項(xiàng)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，分別為電壓偏差、電壓三相不平衡、頻率偏差、電壓波動和閃變、諧波、間諧波、暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓[12]。在直流配電網(wǎng)中，與頻率相關(guān)的電能質(zhì)量問題得到了很好的解決，有功功率的主要決定因素是電壓降，系統(tǒng)電能質(zhì)量的良好與否在很大程度上取決于母線電壓是否穩(wěn)定[21]。因此，評價對象分為兩個，一個是系統(tǒng)電壓質(zhì)量，另一個是系統(tǒng)可靠性。本文提出的直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合評估體系包括電壓質(zhì)量和可靠性兩個部分，母線電壓質(zhì)量主要包括電壓偏差、諧波、電壓暫降、短時中斷和紋波；而直流配電網(wǎng)可靠性可以從系統(tǒng)中各元件的可靠性參數(shù)[13]來考慮，因此換流站、直流斷路器、直流變壓器和儲能裝置的可靠性被納入指標(biāo)體系中，見表1。

表1　直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合評估指標(biāo)體系

根據(jù)不同電壓等級和不同地域直流電網(wǎng)的電能質(zhì)量分析工作所關(guān)注的各單項(xiàng)指標(biāo)，該指標(biāo)體系可加以擴(kuò)展或簡化，以滿足實(shí)際應(yīng)用場合的需要。

2　主成分分析法

2.1基本原理

主成分分析法由美國統(tǒng)計學(xué)家皮爾遜于1901年在生物學(xué)理論研究中引入，是運(yùn)用統(tǒng)計分析原理與方法，從多指標(biāo)中提取少數(shù)幾個彼此不相關(guān)的綜合性指標(biāo)，并保持其原指標(biāo)所提供大量信息的一種統(tǒng)計分析方法[15]。主成分分析法以少數(shù)綜合變量(即主成分)取代原多維變量，簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，再以主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)值進(jìn)行加權(quán)平均，構(gòu)建出一個綜合評估函數(shù)。

主成分分析的目的是對高維變量系統(tǒng)進(jìn)行最佳綜合與簡化，假設(shè)一個原始數(shù)據(jù)表中的變量為x1、x2、…xn，通過對原坐標(biāo)系進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)變換，使新坐標(biāo)的原點(diǎn)與數(shù)據(jù)群點(diǎn)的中心重合，新坐標(biāo)系的第一軸對應(yīng)于數(shù)據(jù)變異的最大方向，新坐標(biāo)系的第二軸正交于第一軸，并且與數(shù)據(jù)變異的第二大方向相對應(yīng)，依次類推。這些新軸分別被稱為第一主軸u1、第二主軸u2、…，直至主軸u1、u2、…um(m

作為依據(jù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計規(guī)律來測算結(jié)果的一種評價方法，主成分分析法具有以下優(yōu)點(diǎn)： 不需要對權(quán)值進(jìn)行假設(shè)，主成分權(quán)值由數(shù)據(jù)分析得到的指標(biāo)間的內(nèi)在結(jié)構(gòu)關(guān)系確定，具有較好的客觀性；能有效避免不相關(guān)指標(biāo)的影響，有利于進(jìn)行有針對性的定量化評價；得到的主成分相互之間獨(dú)立，在簡化評價體系的同時，減少了信息的交叉和冗余。

2.2數(shù)學(xué)模型

表2　原始數(shù)據(jù)矩陣

原始數(shù)據(jù)矩陣X進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化變換后為X*=(xij*)n×p，變換過程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

Yi=(Xi*)TUi

(5)

式(5)中，i=1，2，…p。第i個主成分Yi的方差在全部方差中所占的比重υi即為貢獻(xiàn)率，用以反映原p個指標(biāo)有多大的綜合能力。累積貢獻(xiàn)率γ表示前k個主成分共有多大的綜合能力。υi和γ分別為：

(6)

(7)

主成分分析的目的之一是用盡可能少的主成分代替原p個主成分，通常情況下，主成分個數(shù)的多少以能夠反映原來變量90%以上的信息量為依據(jù)，即選取累積貢獻(xiàn)率達(dá)到90%以上時的主成分個數(shù)進(jìn)行綜合分析。

建立初始因子載荷矩陣解釋主成分。因子載荷量ρ揭示了主成分Yi與對應(yīng)初始指標(biāo)Xi的相關(guān)因數(shù)R(Yi，Xi)。

例如按γ≥0.8并結(jié)合實(shí)際情況確定主成分個數(shù)為m，各項(xiàng)權(quán)值為前m個主成分貢獻(xiàn)率，則由m個主成分構(gòu)建的綜合評價函數(shù)為：

F=υ1Y1+υ2Y2+…+υmYm

(8)

3　算例分析

由于目前尚缺少實(shí)際直流配電網(wǎng)相關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，因此筆者參考相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合傳統(tǒng)低壓交流配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)，采用表3中的數(shù)據(jù)作為原始指標(biāo)數(shù)據(jù)，對A、B、C三個地區(qū)400V直流配電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行綜合評估。

在選取的各項(xiàng)指標(biāo)中，儲能設(shè)備壽命X13屬于正指標(biāo)，儲能設(shè)備容量占比X15屬于適度指標(biāo)，其它13項(xiàng)指標(biāo)均屬于逆指標(biāo)。對于逆指標(biāo)，要將其正向化，?。?/p>

(9)

對于區(qū)間型指標(biāo)，如穩(wěn)壓精度X8，用區(qū)間長度即上、下限之差來代替原指標(biāo)：

(10)

表3　電能質(zhì)量指標(biāo)值

至此，指標(biāo)體系中所有指標(biāo)均為正指標(biāo)，所以綜合評價函數(shù)值最大的地區(qū)電能質(zhì)量最優(yōu)。

將經(jīng)過處理后的指標(biāo)數(shù)據(jù)按照式(1)～式(4)進(jìn)行變換，得到各主成分所對應(yīng)的特征根和貢獻(xiàn)率，見表4。

表4　主成分Y1至Y3的特征根和方差貢獻(xiàn)率

由于前兩個主成分的累計貢獻(xiàn)率已經(jīng)達(dá)到100%，即完全綜合了原始指標(biāo)的信息量，因此選取前兩個主成分作為新的綜合指標(biāo)是合理的，前兩個主成分的因子載荷量見表5。

表5　主成分Y1和Y2的因子載荷量

由表4和表5可知，第一個主成分包括了40.75%的信息量，與其相關(guān)程度較大的指標(biāo)主要有電壓平均偏差X1、電壓中斷時間X6、換流站平均故障修復(fù)時間X10、儲能設(shè)備壽命X13、儲能設(shè)備使用時間X14，相關(guān)因數(shù)的絕對值依次為0.9817、0.9878、0.7777、0.9994、1.0000。第二個主成分包括的信息量更多，達(dá)到59.25%，與電壓偏差持續(xù)時間X2、諧波畸變率X3、諧波電壓含有率X4、電壓暫降程度X5、紋波因數(shù)X7、穩(wěn)壓精度X8、換流站年故障率X9、直流斷路器年故障率X11、直流變壓器年故障率X12、儲能設(shè)備容量占比X15這10個指標(biāo)的關(guān)系較為密切，相關(guān)因數(shù)都在50%以上?？梢钥闯?，所提取的主成分基本涵蓋了原始指標(biāo)的內(nèi)容。主成分評價結(jié)果見表6。

表6　主成分評價結(jié)果

根據(jù)表4中主成分的方差貢獻(xiàn)率，可得對直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行綜合評估的評價函數(shù)F=0.4075Y1+0.5925Y2，結(jié)合表6中對第一個主成分和第二個主成分的評價，最終得出綜合評價結(jié)果(見表7)。從各地區(qū)得分看，B地區(qū)直流配電網(wǎng)的電能質(zhì)量最優(yōu)，C地區(qū)最差。

表7　綜合評價結(jié)果

4　結(jié)束語

現(xiàn)有電能質(zhì)量評估方法大多針對交流系統(tǒng)，本文在傳統(tǒng)綜合評價方法基礎(chǔ)上，以減少決策的主觀性為目的，選擇主成分分析法，建立了新的綜合評價模型，并提出了一套適用于400V直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量的指標(biāo)，對模擬不同地區(qū)的電能質(zhì)量進(jìn)行了綜合評估。

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Existing evaluation system for power quality is designed to the AC system and is not well suited to the DC grid. In order to explore the advantages in improving the quality of DC distribution network and then， get done with the feasibility analysis of DC distribution network， it needs a new assessment method for DC power quality. Proposed a comprehensive method that adopts principal component analysis to evaluate the power quality of DC distribution grid and constructed the corresponding quota system for comprehensive assessment. Numerical examples show that the proposed method can be used to evaluate DC power quality with scientific process， reasonable and feasible results.

Power Quality； Distribution Network； DC； Principal Component Analysis

2016年1月

馮寅(1991—)，女，碩士，主要從事配電網(wǎng)電能質(zhì)量及能效評估工作，

E-mail： jblg_2010@163.com

TM711

A

1674-540X(2016)02-001-05