电能质量的模糊定量评价方法

1、29电 子 科 技 大 学毕 业 设 计（论 文）论文题目：电能质量的模糊定量评价方法 学习中心（或办学单位）：电子科技大学中山学习中心指导老师：漆强 职 称： 副教授 学生姓名：徐宝琴 学 号: 200910619198专 业：电力系统及其自动化 电子科技大学继续教育学院制网络教育学院2011年 06月 12日电 子 科 技 大 学毕业设计（论文）任务书题目：电能质量的模糊定量评价方法任务与要求：时间： 2011 年 4 月18 日 至 2011 年 6 月 30 日 共 11 周学习中心：（或办学单位）电子科技大学中山学习中心学生姓名：徐宝琴 学 号：200910619198专业： 电力系

2、统及其自动化指导单位或教研室：电子科技大学中山学习中心指导教师：漆强 职 称：副教授电子科技大学继续教育学院制网络教育学院2011年 06月 12日毕业设计(论文)进度计划表日 期工 作 内 容执 行 情 况指导教师签 字4月15日至4月20日准备4月20日至4月28日写开题报告4月29日至5月23日撰写论文5月24日至6月30日对论文初稿进行修改、定稿教师对进度计划实施情况总评 签名 年 月 日 本表作评定学生平时成绩的依据之一。目 录摘要4引言.5第一章 评价电能质量的指标.7第二章 电能质量指标的模糊模型.91电压偏差指标 .92. 其它电压指标.93可靠性指标.94. 服务性指标.10

3、第三章 电能商品质量等级确定.111.指标隶属度形成 .112.质量等级的评定.12第四章 电力质量评价的实现.151.电能质量综合量化指标的方法分析152.基于模糊理论的电能质量综合量化指标.162.1 电能质量分项指标的模糊模型162.1.1 电压偏差隶属度函数.172.1.2 电压偏差持续时间的隶属度函数172.1.3 供电可靠性隶属度函数182.1.4 关于服务性指标.193. 电能质量综合量化指标的模糊评判.193.1 采用海明距离贴近度进行评判203.2采用模糊综合评定进行评判 .21结束语.23致谢 .24参考文献.25摘 要从电能质量的基本概念出发，论述了电能质量综合评判的重要

4、性与必要性，提出了一种利用模糊综合评判的方法对电能质量进行综合评价的二级评判法。这种方法先确定各电能质量指标的隶属度函数及隶属度，再采用模糊综合评判方法的二级评判模型对电能质量进行综合评判，从而给出客观、全面、综合唯一的电能质量评价指标。该方法可为电力市场环境下的电能的优质优价服务分析提供基础。关键词：电能质量；模糊综合评判；隶属度函数；电力系统abstractfrom the basic concept of power quality, based on power quality synthetic evaluation of the importance and necessity,

5、put forward a kind of using the method of fuzzy comprehensive evaluation to the electric power quality assessment level 2 evaluation method. this method to determine the power quality index of the membership functions and membership, and then using fuzzy comprehensive evaluation method of secondary

6、evaluation model to the electric power quality synthetic evaluation, and thereby giving objective, comprehensive, integrated the only power quality evaluation indexes. this method can be used as electricity market environment of electric power quality analysis of the special service provides the bas

7、is.keywords: power quality; the fuzzy comprehensive evaluation; membership functions; power system引言供电质量主要分两个，1：电能质量，是指供应到用电单位受电端电能品质的优劣程度。电能质量主要包括电压质量、与频率质量两部分。2：供电的可靠性。 电能质量的好坏直接影响着电力效益及国民经济效益。由于电力负荷的急剧增长，特别是冲击性、非线性负荷的不断增多，使得电网发生电压畸变、电压波动、闪变和三相不平衡等电能质量问题。近年来，由于电能质量引发的事故和问题呈上升趋势，对电能质量的管理和对电力污染的治理工作

8、势在必行。 随着电能质量问题的日益突出，各国都根据各自的实际情况制定了相关的电能质量标准。但是所制定的标准只是给电能质量指标定了一把尺子，判断其是否合格。实际上更希望能从总体上对电能质量做一综合评价。在电力市场环境下, 供电表现为一种商业服务行为。电能作为一种商品, 同其它商品一样, 具有质量属性。供电质量不同, 成本就不同, 因而供电价格应能够体现供电质量状况, 才能适应市场要求。尽管世界各国对供电质量(如电压、可靠性等) 制定了一系列标准, 但这些标准只能用来确定供电合格与不合格, 却不能确定质量的好坏。由于电能质量是由多种指标体现的, 是多指标的有机综合, 所以这种两极化的质量标准不能全

9、面、真实、自然地反映电能质量的性质。在电力市场模式下, 必须改变传统的电能质量评定模式, 拓宽质量内涵, 并建立一种客观的评定方法, 将质量指标进行综合评定, 得出一个量化的描述, 以作为全面考核供电质量的依据和用户选择供电服务的参考。 电能是一种特殊商品，同样要讲求质量。电力部门关心的是电压与频率是否合格，系统是否可靠运行。电力用户关心的是电力部门所提供的电能能否向负荷正常供电，能否使负荷正常运行。然而电能质量问题的研究是由电力用户的生产需求推动的，用户的衡量标准应占有优先地位。因而，由于电压、电流或频率的偏差，造成用户设备故障或误动的任何电力问题都应是电能质量问题1。 我国颁布的电能质量指

10、标主要包括： 电压偏差； 频率偏差； 谐波含量； 电压波动和闪变； 三相电压不平衡度。这些指标是电能质量的技术性指标，是从供电是否合格的角度提出的。随着电力的市场化，电能质量的另一项指标服务性指标2,3越来越受到人们的重视，在电能质量评判中，其地位也是越来越明显。此指标是从引导用户合理用电、降低费用、节约能源等角度提出的，体现了电力的公益服务性。本文首先讨论了电能质量指标, 然后提出采用模糊原理对电能质量进行定量评价的一种方法。第一章 评价电能质量的指标传统的电力供应是一种垄断行为, 用户处于被动地位。近年来世界性的电力行业体制改革, 使用户的平等地位逐渐体现出来。其实, 真正给用户带来好处的

11、不是电力本身, 而是电力的作用效果, 所以人们更愿意把电力看成是一种公益服务。既然电力作为一种能源商品的公益服务, 那么供电部门在向用户提供合格电力的同时, 有责任、有义务向用户提供与用电有关的建议, 以达到合理用电、降低费用以及节约能源、减轻环境污染的目的。当前受到普遍重视的需求侧管理(dsm ) 实际上就是这个含义。从这种意义讲, 电力商品质量评定, 一方面应从供电合格的角度衡量, 称为技术性指标, 另一方面应从引导用户合理用电等dsm 方面衡量, 称为服务性指标。技术性指标包括电压质量、频率质量和供电可靠性3个方面。电压质量可以从电压偏差、电压波动和闪变、电压波形畸变以及三相电压不平衡等

12、方面来衡量。从供电质量的角度来说, 这些质量指标不仅与偏离标准的程度有关, 而且还与偏离标准所持续的时间有关。可靠性指标定义为计算期内实际供电时间与计算期总时间之比。频率质量由于全网相同,不随用户变化, 本文不做讨论。服务性指标反映电力部门开展需求侧管理的状况。电力需求侧管理是80年代以来西方国家电力公司倡导和推行的一项节电环保系统工程, 后来被广泛采用。其含义是: 电力供应方通过对市场调查和进行技术经济评价而采取的各种激励及诱导措施, 指导和鼓励用户采取高效用电技术以提高效率, 调整用电方式, 在保持用电服务的前提下, 有效地减少电力和电量消耗, 促进电力合理利用与效率的提高, 减少大气污染

13、, 保护环境, 并节省用电开支。dsm 的受益者是电力企业、用户和社会。设计dsm 必须体现用户的要求, 以用户为主体, 用经济办法而不是强制手段管理负荷, 用户是自愿参加的。实施dsm 不是降低用户的地位, 而是把用户利益放在首位, 加强电力公司与用户的联系, 提高用户的满意度。从用户角度看,dsm 相当于电能商品的一种售后服务, 电力供应部门通过dsm 向用户介绍、推荐使用节能设备, 引导用户改变用电方式, 使用户在不损失用电服务的前提下节省了电费, 这是用户欢迎的, 因而将dsm 做为电力供应质量的服务性指标来考核是合理的。第二章 电能质量指标的模糊模型电能商品质量需要由多项指标来衡量,

14、 但如何将各项指标合理描述、组织起来共同反映质量状况是很困难的。主要是由于描述问题的模糊性, 它很难用定量关系表示。模糊理论是解决这类问题的有效手段。本文采用模糊方法来处理。首先对电能商品质量的各项指标进行模糊化。第一节 电压偏差指标电压偏差指标由2个因素决定: 电压偏差百分比和持续时间。用模糊语言表示这一指标“好”可描述为“电压偏差很小”, 或“持续时间很短”。首先分别对这2个因素构造隶属度函数模型, 用式(1) 表示电压偏差属于模糊集电压偏差很小 的隶属度。第二节 其它电压指标电压波动和闪变指标、电压波形畸变指标、三相电压不平衡指标等具有相同的形式, 这里仅以电压波动和闪变指标为例。波动幅

15、度百分比属于波动很小 的隶属度表达式和持续时间属于持续时间很短 的隶属度表达式分别用式(3) 和(4) 描述。第三节 可靠性指标供电可靠性ir 取值范围为 0, 1 , 一般都接近1。它对停电时间的反应不灵敏。例如一年中若停电时间总计为1天, 则ir = 0. 997; 若停电总计为10天,则ir = 0. 973。所以隶属函数应设计成在ir = 1附近比较灵敏, 可用函数表示, 如式(5)。lr ( ir ) = ( ir ) pir 0, 1 , p = 2, 3, (5)第四节 服务性指标服务性指标不同于技术性指标那样有明确的表示, 所以不能用隶属度函数直观描述。这类问题确定隶属度有效的

16、方法是专家评分法。首先在用户中开展调查活动, 反馈用户意见, 获取用户从dsm 中的收益情况和满意度信息, 从各方面对电力公司dsm项目实施情况和收效情况全面考核, 然后组织有关专家进行评分, 获得服务性指标属于“良好”的隶属度。第三章 电能商品质量等级确定第一节指标隶属度形成在考核期内, 由检测系统获得电压偏差及持续时间的一组数据:($u 1, t $u 1)、($u 2, t $u 2)、($un , t $un )代入式(1) (2) , 得相应的隶属度, 用集合表示为s u= (lvdm ($u 1 ) , lvdm ($u 2 ) , , lvdm ($un ) )s t= (lvd

17、 t (t $u 1) , lvd t (t $u 2) , , lvd t (t $un ) )模糊集s u 表示在考核期内检测到的各电压偏差“接近于零”的隶属度, 电压偏差越小, 隶属度越高; 模糊集s t 表示在考核期内检测到的各电压偏差相应持续时间为“很短”的隶属度, 持续时间越短, 隶属度越高。电压偏差小或持续时间短都表明该项指标好, 因而集合s u、s t 应当做和运算。这里采用概率和, 用符号“+ ”表示, 概率和运算的优点在于它是一种连续四则运算, 两个被操作数中无论其中一个多么小, 在结果中也能够体现出来, 不会被淹没; 而其它和运算, 如有界和运算、模糊并运算等均为比较取界

18、运算方式,其小数值将被淹没。例如, 概率和0. 1+ 0. 9= 0. 91,0. 2+ 0. 9= 0. 92, 而采用其它和运算时两个结果将是相同的。s u、s t 做概率和运算可得到模糊集合集合s vd 的元素lvd k (k= 1, 2, , n ) 表示将电压偏差和持续时间综合后而得到第k 次记录数据($u k , t $u k ) 属于电压偏差指标“良好”的隶属度。在考核周期内取算数平均得结算周期内电压偏差指标属于“良好”的隶属度。这样就可得到电压偏差指标的定量描述。与上述处理过程相同, 可以得到: 电压波动和闪变指标属于“良好”的隶属度, 用lv f 表示; 电压波形畸变指标属于

19、“良好”的隶属度, 用ld f 表示; 三相电压不平衡指标属于“良好”的隶属度, 用lub 表示。供电可靠性指标本身已经体现了整个结算周期的情况, 可由式(5) 直接求得可靠性属于“良好”的隶属度lr。再通过调查、考核、专家评审得到服务性指标属于良好的隶属度ls er。最终得到反映电能质量状况的各指标的定量描述, 即隶属度集, 可用集合q 表示第二节质量等级的评定若把电能质量分成优质、合格、低质、不合格4个等级, 每个等级下各指标隶属度给定, 用集合q 优、q 合、q 低、q 不表示, 称之为指标隶属度样本集, 其中的元素(即各样本指标的隶属度) 要结合实际, 全面考虑, 谨慎地确定。在结算周

20、期内, 按上述过程求得质量指标隶属度集合q 后, 接下来的任务就是确定它属于哪一个质量等级。这里4个质量等级分别对应4个模糊样本集合, 待识别对象也对应于1个模糊集合。现在的问题就是如何确定模糊集q 与4个样本模糊集q 优、q 合、q 低、q 不中哪一个最接近, 最接近者所表示的质量等级就是集合q 所表示的电力质量所归属的质量等级。因此可采用模糊识别理论中的择近原则来处理。择近原则的基本思想是, 设集合a 1, a 2, , a n是论域x 上的n 个模糊子集,b 也是x 上的模糊子集, 若n (b ,a j ) = max n (b ,a i) i= 1, 2, , n (7)则认为b 属于

21、a j 类。其中n (b ,a i) 表示b 和a i 的贴近度。贴近度的定义有多种, 其中用海明距离定义贴近度是常用方法, 适用于本文。用海明距离定义贴近度, 物理含义清晰, 被比较量之间的关系直观, 所以用于本文提出的电力质量等级归属问题不仅可信度高, 而且能够使指标样本集的构造更客观、更准确。按照海明距离贴近度的定义, 分别求出n (q ,q 优)、n (q ,q 合)、n (q ,q 低)、n (q ,q 不)。其中最大贴近度对应的qx q 优,q 合,q 低,q 不 就表示q 描述的电力质量属于qx 质量等级。现设定一组数据q 优、q 合、q 低、q 不及q , 见表1。按上述距离贴

22、近度定义求得n (q ,q 优) = 0. 885, n(q , q 合) = 0. 957, n (q ,q 低) = 0. 860, n (q , q 不) =0. 673。n (q ,q 合) 为最大, 所以待评定电力质量为合格。所表示的质量等级就是集合q 所表示的电力质量所归属的质量等级。因此可采用模糊识别理论中的择近原则来处理。择近原则的基本思想是, 设集合a 1, a 2, , a n是论域x 上的n 个模糊子集,b 也是x 上的模糊子集, 若n (b ,a j ) = max n (b ,a i) i= 1, 2, , n (7)则认为b 属于a j 类。其中n (b ,a i)

23、 表示b 和a i 的贴近度。贴近度的定义有多种, 其中用海明距离定义贴近度是常用方法, 适用于本文。海明距离定义为式中m 为元素个数。相应的贴近度为n (b ,a i) = 1 -用海明距离定义贴近度, 物理含义清晰, 被比较量之间的关系直观, 所以用于本文提出的电力质量等级归属问题不仅可信度高, 而且能够使指标样本集的构造更客观、更准确。按照海明距离贴近度的定义, 分别求出n (q ,q 优)、n (q ,q 合)、n (q ,q 低)、n (q ,q 不)。其中最大贴近度对应的qx q 优,q 合,q 低,q 不 就表示q 描述的电力质量属于qx 质量等级。现设定一组数据q 优、q 合、

24、q 低、q 不及q , 按上述距离贴近度定义求得n (q ,q 优) = 0. 885, n(q , q 合) = 0. 957, n (q ,q 低) = 0. 860, n (q , q 不) =0. 673。n (q ,q 合) 为最大, 所以待评定电力质量为合格。第四章 电力质量评价的实现通过质量检测系统对质量检测点的相关数据进行实时检测处理, 结合各指标隶属度关系的描述对偏离理想值较大的数据进行保留并定期向主站端发送。在考核周期内, 监督部门根据各检测点提供的数据, 按上述方法进行处理, 得出各供电区域该考核期内的电力质量状况, 把结果向用户和社会公布, 并按质量状况调整电费。实现电

25、能质量的定量评价, 除了要有一套科学合理的处理方法外, 还需要一套实时监测系统。当前智能化检测技术广泛应用, 自动化监控系统及计费系统等已经基本具备, 当前市场上供应的一些电能表已经或多或少地具备电力质量监测功能。这就为电力质量的定量评价提供了硬件基础, 在此基础上做适当开发, 便可用于质量评价系统, 无需过多的投资。第一节 电能质量综合量化指标的方法分析电能质量的分析方法，一般是指电能质量指标的单项分析方法，主要包括基于时域的、频域的和变换域的分析方法。是通过采集某一地点、某一个考核区域内相关指标的数据，然后对这些数据用上述方法进行分析，判断该指标的合格程度。由于这些单项指标的分析方法，已经

26、不适应电力市场环境下对电能质量指标评价的要求。然而电能质量指标中的一些指标对问题的描述具有模糊性，很难用确切的定量关系表示。模糊理论是一种处理模糊信息的有效工具。文献3应用模糊模式识别方法判断所考核的电能质量各指标的综合情况，并与事先确立的质量指标的级别进行比较，最后得到该电能质量属于哪一等级的结论。但是该方法对电能质量的综合评价不够细致、清晰和全面，主要原因在于贴近度对模糊关系的刻划不够细致，最大隶属度原则掩盖了介于两个隶属度之间的差别，严重时可能会导致判断偏差大。 本文所选用的模糊方法是模糊综合评判方法。首先是对电能质量的各个指标进行分级，然后从最低一级开始评判，在评判完这一级之后再进入下

27、一级，直到最后获得综合评判结果。同时，在每一级评判中引入相应的评判权重，以表示不同指标在该级中的重要程度。最后一级的综合评判采用加权平均法，以避免最大隶属度原则的片面性。第二节 基于模糊理论的电能质量综合量化指标2.1 电能质量分项指标的模糊模型 模糊模型的选择与确立在模糊方法中起着至关重要的作用。隶属度函数的有效与否，直接影响着最后评判结果的可信程度。 在电能质量指标中，有些指标的隶属属性是相类似的。例如电压偏差与频率偏差，它们大部分都落在一定区间内，而且有接近于零的趋向，落在零值两边的概率是随机的，离零值越远出现的概率越小，很符合正态分布的特点，所以它们均可采用具有正太分布特点的高斯函数作

28、为其隶属度函数。事实上，要使偏差为零是很困难的。因而，一般当偏差落在靠近零的一定区域内时，则可认为该项电能质量指标很好，其对应的隶属度为1。基于这种考虑，需将靠近零这一区域的隶属度函数定义为1，且对正态分布进行改造，改造后的隶属度函数如图1所示。2.1.1 电压偏差隶属度函数所选用的电压偏差隶属度函数为式中 u为电压偏差百分比；、u1、u2为常数，由实际情况确定。2.1.2 电压偏差持续时间的隶属度函数同时，还要考虑偏离某一标准的持续时间和发生频次。持续时间越小，发生频次越低，则认为其隶属度越高，否则越低。因而电压偏差持续时间的隶属度函数定义为式(1)和式(2)的参数的确定，可以对实际采集的数

29、值经滤除坏数据后进行数学拟合，再用专家经验进行修正得到。实际应用中，这些参数要经应用反馈再修正的过程，直到结果满意为止。以下常数的确定方法与此类似，不再阐述。 电压波动和闪变指标、电压波形畸变指标和三相电压不平衡指标等有着相同的形式，隶属度函数的选择也与上面相类似。这里仅以电压波动和闪变指标为例，确定其隶属度函数为2.1.3 供电可靠性隶属度函数供电的可靠性指标ir的取值范围是0,1，一般接近于1。ir对停电和设备故障的时间的反应很不灵敏，隶属度函数可表示为2.1.4 关于服务性指标对于电能质量的服务性指标，不能用隶属度函数直接描述，需要通过专家初打分、用户调查、用户反馈等方式来获得，最后组织

30、专家打分以考核服务性指标的良好程度。第三节 电能质量综合量化指标的模糊评判 1.对某一区域在一定考核期内采集到的数据进行隶属度计算。如电压偏差量，采集到的一组数据为tun)，将每组数据代入相应的隶属度函数，便可以得到相应的隶属度。在这些指标中，有些考虑持续时间的电能质量指标（如电压偏差），需要将偏离标准的隶属度与持续时间的隶属度采用文献3中的“和”运算进行综合。对于那些不能通过隶属度函数直接得到隶属度指标的，则可以通过专家打分等方法赋予一定的隶属度。这样，每一个指标都有了相应的隶属度。2.对每一个指标进行等级评定，评出“质量优”、“质量合格”、“质量低”和“质量不合格”，分别记为q1、q2、q

31、3和q4，根据上面计算得出的每一指标的所有组数据的隶属度，再参照上述4种等级界限，可以得出隶属度大于q1的百分比，介于q1和q2之间、q2和q3之间、q3和q4之间以及小于q4的百分比。如果把评判集定义为q（良好、较好、一般、差、很差），那么上述5个百分数便为该指标分别属于“良好”、“较好”、“一般”、“差”、“很差”的隶属度。对于那些没有隶属度函数的指标同样可以根据所得来的数据（如调查的、专家评出的结果等）给出相应的隶属度，再根据所规定的隶属度得出其各个级别的隶属度。例如对技术性指标的某一项调查中一共调查了100个用户，认为“良好”、“较好”、“一般”、“差”和“很差”的分别占a %、b %

32、、c %、d %和e%，那么a %、b %、c %、d %和e%可分别作为其隶属度。 3.根据实际情况对每一级评判进行因素划分。本文采用的是二级评判，因素划分如表1所示。 4.采用模糊方法具体计算评判结果。设定各指标的等级界限如表2所示。 1） 采用海明距离贴近度进行评判。参照表2，按照海明距离贴近度的定义3可以所以评定电力质量为合格。2）采用模糊综合评定进行评判。对电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、频率和可靠性的评判矢量用rud、ruf、rub、rf、rr表示，电压波形畸变、服务性指标和综合评判结果用bu、bdf、bser和bsy表示。参照表2，由得到的隶属度对各指标的评判结果，电压偏差

33、的评判矢量为因此对电压的评判矩阵为得对电压的评判结果为上面进行的是指标的一级评判。另外两项单因素的指标与上面的3项一起进入到下面的二级评判，其评判矢量分别为在二级评判中总共是5个指标因素，它们的权重矢量取为asy=0.400 0.150 0.100 0.100 0.250，其中数字依次分别代表电压、频率、波形畸变、可靠性指标、服务性指标的权重。评判矩阵为其中评判矩阵中行矢量由上到下所对应的次序与权重矢量中的次序相同，因而可得综合评判结果为对评判结果进行加权平均法处理。首先是给等级数量化，上述评判的5个等级分别以1、2、3、4、5表示，然后根据评判结果矢量中的隶属度进行加权平均，对上述加权平均的

34、结果为由于2.320介于2与3 之间，且更接近于2，所以最终的评判结果为电能质量介于“较好”与“一般”之间，且更接近于“较好”，所以评定电能质量为合格。 虽然，上面两种方法对电能质量的评价结果相同，但前者实际上只考虑了最突出的因素，其它因素并未真正起作用，从而存在片面性；后者考虑了所有因素，其评判结果较为全面合理。结束语电能质量问题日益突出，关于电能质量问题的研究也越来越多，对于电能质量的综合评判就是其中内容之一。本文提出的电能质量综合评判方法模糊综合评判法，综合考虑了电能质量指标的各个方面，评判客观、全面、合理，具有一定的应用价值。电能质量的定量评价是电力市场的必然趋势。增大电能质量的透明度并按质量调整电费, 更能体现公开性和公平性, 而且随着电力市场的深化, 用电市场的开放, 用户有权利根据