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第41卷第3期2013年2月1口电力系统保护与控制PowerSystemProtectionandControlVo1.41NO.3Feb.1,2013配网电能质量监测与高级分析软件平台的设计与实现黄德华,余涛,张水平(华南理工大学电力学院,广东广州510640)摘要:为了更好地管理配电网的电能质量问题,研发了配电网电能质量监测与高级分析软件平台。构建了平台软件的总体框架结构,详细介绍了软件平台开发中使用的技术路线。结合配网的特点和现状,研发了适用于配电网的电能质量评估、谐波“”“潮流算法、谐波源定位等核心算法,率先提出了基于纵横向区域配电网电能质量智能评估算法,基于计量自动化系统的”“”谐波潮流计算算法和基于负荷分类和负荷容量的下级谐波源查找技术。本软件平台已经在东莞配网实际运行,运行效果良好,改善了东莞配网的电能质量问题。关键词:电能质量;软件平台;电能质量评估;谐波潮流;谐波源定位Designandimplementationofapowerqualitymonitoringandadvancedanalysissoftwareindistributi0nnetwork—HUANGDehua,YUTao,ZHANGShui-ping(SchoolofElectricPower,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)Abstract:Inordertobettermanagethepowerqualityproblemsofdistributionnetwork,thispaperdesignsanddevelopsapowerqualitydetectionandanalysissoftwarefordistributionnetwork.Theoveralldesignoftheplatformsoftwaresystemsisconstructed,andthetechnologyusedinthedevelopmentofthesoftwareplatformisdescribed.Combinedwiththefeaturesandstatusofdistributionnetwork,thispaperfocusesonthekeytechnologiesofpowerqualityassessmentalgorithm,theharmonicpowerflow“algorithm,andtheharmonicsourcelocationalgorithm,etc.Itfirstlyproposesthetechnologyoftimeseriesdynamicevaluationof”regionalpowergridpowerqualitybasedonverticalandhorizontalscatterdegreemethod,‘‘harmonicpowerflowalgorithmbasedon”“meteringautomationsystem,andharmonicsourcelocationbasedontheloadclassif”icationandloadcapacityofthefeeders.ThesoftwareplatformhasbeenrunningwellinthedistributionnetworkofDongguan,andhasimprovedthepowerqualityofdistributionnetworkinDongguan.ThisworkissupposedbyNationalNaturalScienceFoundationofChina(No.50807016,No.51177051andNo.50707010)andNaturalScienceFoundationofGuangdongProvince(So.9151064101000049).Keywords:powerquality;softwareplatform;powerqualityassessment;harmonicpowerflow;harmonicsourcelocation中图分类号:TM933.4文献标识码:A——文章编号:l6743415(2013)030128060引言近年来,电能质量问题引起人们的普遍关注Ilj。面对海量电能质量监测数据,开展相关数据挖掘研究工作,开发针对全网的电能质量高级应用分析,为电网的安全可靠运行提供数据和技术支持,是今后电能质量监测系统的发展方向。目前,国外已形成了包含数百乃至成千个电能质量终端的电能质量监测网络,对主网、配网、用基金项目:国家自然科学基金项目(50807016,511770515070701O);广东省自然科学基金【9151064101000049)户的电能质量问题进行监测、分析,为电能质量相关工作提供数据、辅助决策等服务I2l。国内的北京、上海、广州、深圳等地的供电局也纷纷建立了以数百个电能质量终端为基础的电能质量监测网络。为了进一步利用这些监测数据对电网电能质量问题进行有效的管理,有必要开发配电网电能质量检测与高级分析软件系统。国内外学者对高级应用系统的研发做了许多理论上和实践上的尝试,由于系统的研发涉及到了谐波潮流、谐波源定位和电能质量综合评估等难题,目前只有美国开发的电能质量诊断系统有类似的功能。但该系统只实现电能质量数据.13O一电力系统保护与控制能质量时序动态评价。前三种评估算法在相关文献—[410忡已有详细的介绍,在此不再重复。下面重点介绍基于纵横向拉开档次法的区域电能质量动态评价算法。“”本评估算法有以下优势:既在横向上体现了在同一时段内各大系统运行状况之间的差异,又“”在纵向上体现了各系统在不同时段的总的分布状况;由整个系统运行状况波动情况而确定的时序动态权重实现了系统评价值之间的直接比较,极大的方便了对系统发展趋势的判断和基于系统动态运行状况的决策活动;最小方差法对各个变电站大系统在各个分时段内的时序动态评价值的加和使得各个时间段的数据对评价结果产生不同程度的影响,而且由最小方差法确定的时间权向量相比于其他方法确定的时间权向量而言,最终系统的时序动态评价值排序有更好的稳定性。本评估方法算法的计算流程如下。(1)通过指标一致化处理将各个电能质量指标转换为极大型。假设有1个待评价的变电站系统…{,,,},每个变电站系统包含两层指标,其中第一层指标系中包含m个待评价指标子系统,…,},第一层指标系中每个指标子系统与第二层指标系中个指标相对应,这个指标构…成的指标集为F={F,,,},共有S个待评价时期…集={T1,,,}。某变电站系统中第一层指标系中第i个指标子系统在第时期第,个评价指标下的指标值为a妇。若果指标,为效益型指标,即指标值越大越好,则z%一彻1Tllrlj%…——————————■——%_一Ll‘maxkmaxicl嘲一H吼kmlniclbl如果指标,为成本型指标,即指标值越小越好,则:一一二f2)———————————————————=一IZ)n1axmax%一m1rrllnf%其中,6肪为所得经过指标一致化处理的监测数据。本文所采用指标体系中,除功率因数和相移功率因数外均为极小型指标。(2)计算指标的综合权重。设专家关于评价指标Xk-与的重要程度之比W/W的理性判断分别为W¨…/Wk=(=m,m一1,,3,2)(3)若专家给出的理性赋值,则∑W=(1+兀)k=2=k由W得出其他指标的权重为…=5w(庀=m,m一1,,3,2)(5)定义序列综合法所确定指标主观权重为(w,,~)。经过指标一致化处理的某层指标的时序立体数据表为},然后计算{}的最大特征值所对应的特征向量,即为该层指标所对应的客观权重,…定义客观权重为(ww墨,w)。定义最终某层指标的权重为(w1,W2,・・w),则有‘/(…。)(七=1,2,,(6)i=1(3)第一层子系统评价。根据序列综合法和纵横向拉开档次法由指标一致化处理后的时序立体数据表{)计算得第二层指标的综合权重值,然后根据线性加和的思想计算出第一层子系统各子系统各个时段的时序动态评价值。第一层指标子系统的综合评价函数为mi∑……yl=・(l,2,,咄:l,2,,)(7)=1其中:¨为第一层指标中第i个指标子系统在第k个时段的时序动态评价值;’为与第一层指标i相对应的第二层指标,的综合权重值;b肼为经过指‘标一致化处理的对应于第一层指标i的第二层指标,在第k时段的监测值。(4)变电站大系统的评价。根据线性加权思想,大系统的综合评价函数为∥∑’…=:1,2,,l;k=l,2,...,(8)i=1其中:yff)为第P个变电站大系统在时段k内的时序动态评价值;w(1为第一层指标子系统中指标子系统i所对应的综合权重。(5)最小方差法加和变电站大系统各个时段的电能质量时序动态评价值。确定时间权向量…1,Wz,,Ws)是动态评价的关键问题。在这里用最小方差法来确定时间权向量。—PL:w(9)P—k=l/Jl1式中,称为时间度,时间度的大小体现了算子集结过程中对时序的重视程度。w:二二二!!!二n(n+1、w:=/7I十I(10)(11)黄德华,等配网电能质量监测与高级分析软件平台的设计与实现一131一:+∈…(当{,,一1J21))(12)—w/=+∈…(当{,,一})(12)一l一l定义由以上最少方差法所确定的时间权向量为…(w,W:,,W),则各个变电站大系统在某时段内的时序动态评价函数为.、∑’…YP:We术(=1,2,,,)(13)i=1其中:表示第P个变电站大系统的最终的时序动态评价值;w为由最小方差法确定的第i时段的时间权重;yp(i)为第P个变电站大系统在时段i内的时“序动态评价值lJ。2.2基于计量自动化系统的谐波潮流计算算法电力系统中谐波源主要是一些用电设备和部分变压器的励磁支路这些谐波的源的产生的谐波电流基本上只决定于它们的工作条件和外加电压,与外电路的阻抗无关。因此往往将这些谐波源看作内阻抗无穷大的恒电流源[12-13l。在实际计算中大部分谐波源是三相不对称的,本算法把谐波源等效为三相不对称的恒电流源,并分解为正序、负序、零序三相对称的分量。把电力系统中各元件认为是三相对称的,其正、负、零序网络不存在耦合关系,则各序网络具有独立性的特点,分析计算可以得到简化。本谐波潮流算法计算步骤如下。(1)设计计量自动化系统的接口数据库,实现对计量自动化系统数据的在线读取。(2)通过接口数据库读入计量自动化系统三相谐波电流的监测数据,把三相谐波电流数据转化为正、负、零三序数据。(3)读入配网各组成元件的基波网络参数,利用各元件的谐波参数模型,对配网网络接线图进行拓扑分析,形成配网的正、负、零序谐波潮流节点导纳矩阵。(4)由网络方程求解各节点谐波电压):’))=rh(。(14)。)=。。)式中:¨、’、。分别为谐波源的正负零序分量;、、。分别为系统的正负零序谐波导纳矩阵;¨、’’、。为待求的各节点谐波电压正负零序分量。为了进一步提高程序的计算速度,减少内存占用,本算法在处理矩阵计算中使用了稀疏技术,并对各节点进行半动态排序。本算法计算精确度高,计算速度快,可以实现在线的谐波潮流计算。2.3基于负荷分类和负荷容量的下级谐波源查找技术传统的谐波源定位算法主要解决谐波污染责任在电网侧还是负荷侧的问题【I。然而,在配电网的电能质量管理工作中,真正困扰管理人员的问题,发现主变变低存在电能质量问题后,由于馈线数量多达十余条,用户多达数十个,需要快速地从中找出真正的污染源。为了解决这一问题,在系统研发过程中提出了谐波源定位方法是基于负荷分类和负荷容量的下级谐波源查找技术。下面对该技术进行详细介绍。一般而言不同的负荷,在同等容量下,其谐波注入电流的期望值有很大的差异,令所有负荷的平均谐波注入电流的期望值为l,则不同的负荷的谐波注入电流的期望值可定义为该负荷的谐波风险值,比如化工类负荷可定义为6,商贸类公司的谐波风险为2等等,这些数据是通过对大量的实测数据整理而来,并随时更新,保持对各行业动态的紧密跟踪。同时,负荷的容量也是极为重要的因素。一个谐波畸变率很高的负荷,如果容量很小,也很难成为馈线谐波污染的主要威胁。因此在分析计算时,必须把负荷类型的谐波风险和负荷容量同时加以考虑。每条馈线的谐波污染的风险可定义为其谐波注入电流为J『的期望值,每条馈线下接入有/,7个企业,每个企业接入的总容量为^S.其谐波风险定义为P则每条馈线的谐波注入电流,的期望值为Ih=(脯×)(15)k=l式fl5)表明,每条馈线的谐波注入电流大小的期望值等于馈线上所有负荷的谐波风险和其容量乘积的总和。根据已知的负荷类型与容量,计算出各条馈线的谐波风险。将每个行业的谐波风险定义为一个比值,定义所有行业的谐波风险平均值为1,则各类行业的谐波风险(同等容量下),为该行业注入的谐波电流平均值和社会全行业注入谐波电流平均值的比值。按照此方法计算后,产生谐波可能较大的化工类、水处理类行业风险6倍于全社会各行业谐波风险,市政类的谐波风险为2倍,食品类行业的负荷多为加热类负荷,比平均值要低等等。为了获得东莞配电网谐波第一手详细调查数据,对东莞地区典型重要污染谐波源进行大量的谐波实地测量(本次调查历时两年时问)。在获取了实际的谐波检测数据后,对数据进行了科学的分析。黄德华,等配网电能质量监测与高级分析软什平台的设计与实现.133.distributedmeasurementsystemforpowerqualitymonitoring[C]//HarmonicsandQualityofPower,2000ProceedingsNinthInternationalConferenceon,Orlando,FL,USA,2000:1017-1022.13]AnanthI,MorcosMM.Apowerqualitymonitoring—system:acasestudyinDSPbasedsolutionsforelectricpowerindustry[J].IEEEPowerEngineeringReview,—1999,19(7):4750.14]CaiLiang.ChenHongkun.Fuzzystudiesonpowerquality・partI:indexandevaluation[C]//l0thInternationalConferenceonHarmonicsandQualityofPower,Brasil,2002.[5]FarghalSA,KandilCMS,ElmitwallyA.Quantifyingelectricpowerqualityviafuzzymodelingandanalytichierarchyprocessing/JJ.IEEEProceedingsGenerationTransmissionandDistribution,2002,149(1):44-49.[6]唐会智,彭建春.基于模糊理论的电能质量综合量化指标研究【J】.电网技术,2003,27(12):85.88.——TANGHuizhi.PENGJianchun.Researchonsyntheticandquantificatedappraisalindexofpower[J].Power—SystemTechnology,2003,27(12):8588.[7]贾清泉,宋家骅,兰华,等.电能质量及其模糊方法评价【J].电技术,2000,24(6):46,49.——JIAQingquan,SONGJiahua,LANHua,eta1.Qualityofelectricitycommodityanditsfuzzyevaluation[J].PowerSystemTechnology,2000,24(6):46-49.[8]江辉,彭建春,欧亚平,等.基于概率统计和矢量代数Ⅲ的电能质量归量化与评价.湖南大学学报:自然科学版,2003,30(1):6670.—JIANGHui,PENGJian-chun,OUYaping,etalPowerqualityunitaryquantificationandevaluationbasedonprobabilityandvectoralgebra[J].JournalofHunan—University:NaturalSciences,2003,30(1):6670.’19]StarrettSK,AnislbrahimWR,RustBPeta1.An—onlinefuzzylogicsystemforvoltage/VARcontrolandalarmprocessing[C]//ProcIEEEPowerEngSocWinterMeeting.NewYork.1999:766.771.[10]丁菊霞,张华俊,张秀峰.~种改进的无锁相三相电路喈波电流检测方法[JJ.电力系统保护与控制,—2009,37(24):4145.—DINGJuxia,ZHANGHua-jun,ZHANGXiu-feng.AnimprovedmethodwithoutPLLonharmonicsdetection[JJPowerSystemProtectionandControl,2009,37(24):4I一45.[11]郑少锋,何风平,霍学喜.农业上市公司经营、绩时…序多指标综合评价.中南大学学报:社会科学版,—2008,14(1):8488.——ZHANGShaofeng,HEFengping,HUOXuexi.Multipleindexcomprehensiveevaluationwithtimeseriesofpublicagriculturalcompanies[J].JCentSouthUniv:SocialScience,2008,14(1):84-88.[12]吴竞吕.供电系统谐波[M】,北京:巾国电力出版社,1998.[13]梁志瑞,叶慧强,赵飞.电力系统谐波状态估计研究综述[J].电力系统保护与控制,2010,38(15):157.160.——LIANGZhirui,YEHuiqiang,ZHAOFei.Overviewonpowersystemharmonicstateestimation[J].Power—SystemProtectionandControl,2010,38(15):157160.[14]靳希,董立骏,吴世敏,等.一种改进谐波检测算法的—实现【J1.电力系统保护与控制,2010,38(3):3942.—儿Nxi,DONGLi-jun,WUShimineta1.Implementationofanimprovedmethodofharmoniccurrentdetection[J],PowerSystemProtectionandControl,2010,38(3):39.42.收稿日期:2012-04-04;—修回日期:2012-0521作者简介:黄德华(1987一),男,硕士研究生,主要研究方向为电—能质量分析与控制;Email:569150252qq.com余涛(1974一),男,博士,教授,从事高压直流输电运行与控制,电力系统谐波分析和治理等方面的研究;张水平(1987一),男,硕士研究生,主要研究方向为电力系统优化与控制。
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