禹洪波,劉永波,黃滔滔,吳舟,羅遠(yuǎn)國(guó),陳曉,熊煒,袁旭峰
(1.中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州貴陽(yáng) 550081;2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司貴安供電局,貴州貴陽(yáng) 550025;3.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院,貴州貴陽(yáng) 550025)
隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展,尤其是非線性和沖擊負(fù)荷容量及數(shù)量的大量增加,電能質(zhì)量問(wèn)題日趨嚴(yán)重,不僅干預(yù)電網(wǎng)企業(yè)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行,也會(huì)影響用電設(shè)備的正常工作[1-4]。如何準(zhǔn)確有效地評(píng)估電能質(zhì)量等級(jí)及其優(yōu)劣排序,對(duì)于電能質(zhì)量管控及電網(wǎng)穩(wěn)定安全運(yùn)行有重要意義。
現(xiàn)階段電能質(zhì)量評(píng)估方法主要分為以下2 類:一類是以機(jī)器學(xué)習(xí)為主的方法,此類方法所需指標(biāo)數(shù)據(jù)量大,在實(shí)際的電能質(zhì)量評(píng)估中能供應(yīng)的數(shù)據(jù)較少,其應(yīng)用受到一定限制,包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[5]和隨機(jī)森林模型[6]等;另一類是以不確定性的推斷為主的方法,以不確定的子證據(jù)作為基礎(chǔ)出發(fā)推斷得到在一定程度上具備不確定性又幾乎合理的結(jié)果的方法,包括基于模糊集對(duì)分析的方法[7],基于模糊理論的方法[8-9]、基于可拓理論的方法[10-12]、基于云理論的方法[13-15]、基于證據(jù)理論的方法[16-17]、基于可拓云理論的方法[18-20]等。其中,文獻(xiàn)[7]提出一種基于模糊集對(duì)分析法的電能質(zhì)量評(píng)估方法,應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析對(duì)層次分析法所求權(quán)重進(jìn)行調(diào)整,避免了專家意見不一致導(dǎo)致權(quán)重分配出錯(cuò),但僅計(jì)算了主觀權(quán)重,評(píng)估結(jié)果缺乏客觀性;文獻(xiàn)[8]基于組合權(quán)重建立了電能質(zhì)量模糊綜合評(píng)價(jià)模型,利用組合權(quán)重法求得指標(biāo)綜合權(quán)重,避免了單一賦權(quán)的缺陷,但僅用模糊綜合評(píng)價(jià)并依據(jù)最大隸屬原則所得結(jié)果受主觀性影響較大;文獻(xiàn)[9]考慮了不同評(píng)價(jià)對(duì)象其權(quán)重不一致,提出了一種可變權(quán)重的電能質(zhì)量模糊評(píng)價(jià)方法,但隸屬度函數(shù)的確定存在主觀性,且只考慮了模糊性;文獻(xiàn)[10-12]通過(guò)物元理論解決了傳統(tǒng)電能質(zhì)量模糊評(píng)價(jià)中存在隸屬度相近,難以區(qū)分及評(píng)估指標(biāo)可能出現(xiàn)不相容的問(wèn)題,但忽視了電能質(zhì)量在等級(jí)邊界處的模糊性和隨機(jī)性;文獻(xiàn)[13]構(gòu)建了電能質(zhì)量綜合評(píng)估可變模糊云模型,該模型具備普適性,但當(dāng)樣本云模型與標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)云模型在某個(gè)等級(jí)的云相似度相等或接近時(shí),電能質(zhì)量等級(jí)區(qū)分易存在偏差;文獻(xiàn)[15]提出了一種基于狀態(tài)變權(quán)和云模型的電能質(zhì)量評(píng)估方法,避免了傳統(tǒng)評(píng)估方法的不足,但當(dāng)各觀測(cè)點(diǎn)在同一質(zhì)量等級(jí)時(shí)卻不能進(jìn)一步區(qū)分;文獻(xiàn)[16-17]通過(guò)證據(jù)信息融合解決了單一子證據(jù)結(jié)論不一致,但信息融合時(shí)存在信息丟失影響評(píng)估準(zhǔn)確性;文獻(xiàn)[18-20]把可拓云理論結(jié)合應(yīng)用到電能質(zhì)量評(píng)估中,兼顧了2 種理論的特點(diǎn),但以單一云熵計(jì)算方法得到云熵值,忽略了質(zhì)量等級(jí)劃分的模糊性,易導(dǎo)致評(píng)估結(jié)果沖突。文獻(xiàn)[7-20]方法在電能質(zhì)量評(píng)估應(yīng)用中存在主觀性、不確性、電能質(zhì)量等級(jí)判斷等問(wèn)題。
本文把模糊貼近度引入到可拓云模型的電能質(zhì)量評(píng)估方法中。首先,以可拓云理論為基礎(chǔ)構(gòu)建電能質(zhì)量評(píng)估框架;其次,運(yùn)用云熵優(yōu)化兼顧2 種不同云熵計(jì)算方法的特點(diǎn)確定新的云熵值,進(jìn)而得到改進(jìn)可拓云模型來(lái)計(jì)算每個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量等級(jí)關(guān)聯(lián)度;最后,基于模糊貼近度的多目標(biāo)分類算法對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行決策判斷得到最終的評(píng)估結(jié)果。以某變電站10 kV 母線實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例,驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性和有效性。
依據(jù)國(guó)家電能質(zhì)量相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),本文將頻率偏差A(yù)1、電壓偏差A(yù)2、電壓波動(dòng)A3、電壓閃變A4、電壓總諧波畸變率A5和三相電壓不平衡度A66 項(xiàng)國(guó)家電能質(zhì)量指標(biāo)確定為此次評(píng)價(jià)指標(biāo),并把各指標(biāo)等級(jí)劃分為5 個(gè)級(jí)別,即H={H1,H2,H3,H4,H5},分別為優(yōu)質(zhì)H1、良好H2、中等H3、合格H4、不合格H5,各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的質(zhì)量等級(jí)范圍如表1 所示。
表1 電能質(zhì)量各評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)等級(jí)范圍Table 1 Grade range corresponding to each evaluation index of power quality
物元是指把研究對(duì)象N、對(duì)象的特征c、特征的量值v組合一起描述研究對(duì)象的基本元(即組成一個(gè)有序三元組),記作Q=(N,c,v),Q為多維物元。傳統(tǒng)基于物元理論的電能質(zhì)量評(píng)估中未計(jì)及等級(jí)分類處的模糊性和隨機(jī)性,但考慮到物元理論在處理評(píng)估指標(biāo)中可能出現(xiàn)不相容問(wèn)題及云模型在處理不確定性上的優(yōu)勢(shì),把兩者結(jié)合應(yīng)用到電能質(zhì)量評(píng)估中得到各評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)的等級(jí)范圍云模型。
可拓云模型是指物元Q=(N,c,v)中的v被正態(tài)云(Ex,En,Ee)[20]代替,其中Ex為云的期望;En為云熵;He為超熵,可表示如下:
式中:ci(i=1,2,…,n)為對(duì)象的第i個(gè)特征;(Exi,Eni,Hei)為第i個(gè)特征的量值v對(duì)應(yīng)的正態(tài)云。
由式(1)說(shuō)明可拓云模型主要是確定正態(tài)云的3 個(gè)參數(shù)(Ex,En,Ee),其中Ex=(cmax+cmin)/2,cmin,cmax分別為電能質(zhì)量等級(jí)范圍上下限值,He=En/10。但3個(gè)參數(shù)中最重要是En的確定,該值既能表明電能質(zhì)量指標(biāo)等級(jí)范圍概念對(duì)應(yīng)的數(shù)值范圍,又能影響質(zhì)量等級(jí)評(píng)估的準(zhǔn)確性。按不同的理解云熵的確定包括以下2 種原則:式(2)為“50%關(guān)聯(lián)度”原則[21];式(3)為“3En”原則[22]。
因式(2)確定的云熵在質(zhì)量等級(jí)處偏向于模糊性,而式(3)確定的云熵在質(zhì)量等級(jí)處傾向于分明性,這就可能導(dǎo)致電能質(zhì)量評(píng)估結(jié)果發(fā)生沖突。為了綜合上述2 種原則的特點(diǎn),運(yùn)用云熵優(yōu)化算法[23]改進(jìn)可拓云模型。
假設(shè)某電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)為xi(i=1,2,…,6),質(zhì)量等級(jí)總數(shù)為P,即有P組等級(jí)正態(tài)云。分別為期望和超熵集合;分別為式(2)、式(3)和優(yōu)化確定的云熵集合,m(m1,2,···,p)為質(zhì)量等級(jí)數(shù),每個(gè)電能質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)應(yīng)質(zhì)量等級(jí)m云模型的關(guān)聯(lián)度之差最大為:
為使電能質(zhì)量各評(píng)估指標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)xi對(duì)應(yīng)的P組質(zhì)量等級(jí)云模型的和最小,利用式(5)計(jì)算得到新的云熵值:
將待評(píng)估電能質(zhì)量指標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)xi作為一個(gè)云滴,并以優(yōu)化后的為期望值和He為標(biāo)準(zhǔn)差產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)為E′n,則每個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)質(zhì)量等級(jí)云模型的關(guān)聯(lián)度k計(jì)算為:
式中:x為第i個(gè)指標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)值。
由式(7)可得各指標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)xi與對(duì)應(yīng)質(zhì)量等級(jí)云模型之間的關(guān)聯(lián)度矩陣K=[kmi]5×6,其中kmi為第i個(gè)指標(biāo)與對(duì)應(yīng)等級(jí)m云模型之間的關(guān)聯(lián)度。
以1 組三相電壓不平衡度觀測(cè)數(shù)據(jù)為例,分別給出3 種不同原則確定的等級(jí)云模型(見圖1—圖3)。由圖1 看出,以“50%關(guān)聯(lián)度”原則為基礎(chǔ)確定的云熵在質(zhì)量等級(jí)處偏向于分隔模糊;由圖2 看出,以“3En”原則為基礎(chǔ)確定的云熵在質(zhì)量等級(jí)處傾向于間隔分明;由圖3 看出,以云熵優(yōu)化為基礎(chǔ)確定的云熵兼顧了兩者的特征。
圖1 以“50%關(guān)聯(lián)度”原則為基礎(chǔ)得到的等級(jí)云模型Fig.1 Grade cloud model based on principle of correlation degree of 50%
圖2 以“3En”原則為基礎(chǔ)得到的等級(jí)云模型Fig.2 Grade cloud model based on 3En principle
圖3 以云熵優(yōu)化為基礎(chǔ)得到的等級(jí)云模型Fig.3 Grade cloud model based on cloud entropy optimization
在電能質(zhì)量評(píng)估過(guò)程中,存在主觀賦權(quán)[7,10]和最大隸屬原則[9,16]判斷導(dǎo)致結(jié)果偏差的缺陷,為避免以上影響,本文基于模糊貼近度的多目標(biāo)分類算法決策判斷電能質(zhì)量等級(jí)。
定義電能質(zhì)量評(píng)估中,5 個(gè)質(zhì)量等級(jí)相應(yīng)的模糊特征子集為Dj=(0,···,1,···,0),其中第j個(gè)分量為1,其余均為0,j=1,2,3,4,5。即D1=(1,0,0,0,0),D2=(0,1,0,0,0),D3=(0,0,1,0,0),D4=(0,0,0,1,0),D5=(0,0,0,0,1),非對(duì)稱模糊貼近度N(k,D)的計(jì)算[24]為:
式中:n為總的等級(jí)數(shù);vm為對(duì)應(yīng)的質(zhì)量等級(jí);uk,uD分別為模糊子集k和D的關(guān)聯(lián)度。
為避免直接利用式(8)判斷導(dǎo)致結(jié)果存在偏差,需先進(jìn)行k和D標(biāo)準(zhǔn)化處理,具體步驟見文獻(xiàn)[25]。
由式(8)可得第i(i=1,2,…,6)個(gè)電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)與5 個(gè)質(zhì)量等級(jí)所對(duì)應(yīng)特征子集的非對(duì)稱貼近度Ri為:
式中:ki為第i個(gè)指標(biāo)的模糊子集;為第i個(gè)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化后對(duì)應(yīng)的非對(duì)稱貼近度。
則在所有評(píng)估指標(biāo)下的非對(duì)稱貼近度R為:
式中:Rji為第i個(gè)指標(biāo)與對(duì)應(yīng)等級(jí)j的非對(duì)稱貼近度。
在電能質(zhì)量實(shí)際評(píng)估中,如果僅依據(jù)每個(gè)評(píng)估指標(biāo)與5 個(gè)質(zhì)量等級(jí)的非對(duì)稱貼近度來(lái)判斷,易得出與實(shí)際不相符的評(píng)估結(jié)果,本文通過(guò)正負(fù)理想點(diǎn)(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,TOPSIS)法定義參考等級(jí),應(yīng)用對(duì)稱貼近度來(lái)度量貼近情況并判定得到結(jié)果。
根據(jù)TOPSIS 法,定義參考等級(jí)分別為R+和R-[26],其中R+為正理想等級(jí),如式(11)所示,它表示在評(píng)估指標(biāo)下對(duì)應(yīng)5 個(gè)質(zhì)量等級(jí)最貼近的狀態(tài);R-為負(fù)理想等級(jí),如式(12)所示,它表示在評(píng)估指標(biāo)下對(duì)應(yīng)5 個(gè)質(zhì)量等級(jí)最不貼近的狀態(tài)。
為了得到電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)下的評(píng)估結(jié)果,需度量電能質(zhì)量等級(jí)集合Hm(m=1,2,…,5)中每個(gè)指標(biāo)與正負(fù)理想等級(jí)的貼近度,為此記:
式中:Rj為各指標(biāo)與等級(jí)j對(duì)應(yīng)的貼近度。
利用對(duì)稱貼近度公式來(lái)度量Rj與R+和R-是否貼近及對(duì)比差別。具體計(jì)算公式如下:
式中:uRj(uk) 為第i個(gè)指標(biāo)與等級(jí)j的關(guān)聯(lián)度;uR+(uk) 為第i個(gè)指標(biāo)與正理想等級(jí)的關(guān)聯(lián)度;uR-(uk)為第i個(gè)指標(biāo)與負(fù)理想等級(jí)的關(guān)聯(lián)度。
式中:Rm為等級(jí)m的貼近度。
通過(guò)式(16)即可得到電能質(zhì)量為Hm等級(jí)。
本文提出一種基于可拓云模型與模糊貼近度的電能質(zhì)量評(píng)估方法,具體評(píng)估流程見圖4。
圖4 電能質(zhì)量評(píng)估流程Fig.4 Evaluation process of power quality
以某變電站10 kV 母線中5 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例,如表2 所示。以云熵優(yōu)化為基礎(chǔ)確定的電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)等級(jí)云模型見表3;評(píng)估流程見圖4。以觀測(cè)點(diǎn)5 為例,由圖4 流程計(jì)算可得全部電能質(zhì)量評(píng)估指標(biāo)下的非對(duì)稱貼近度為:
表2 各觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)Table 2 Measured data from each observation point
表3 電能質(zhì)量各評(píng)估指標(biāo)對(duì)應(yīng)等級(jí)正態(tài)云模型Table 3 Grade normal cloud model corresponding to each evaluation index of power quality
通過(guò)式(11)和式(12)可得電能質(zhì)量正負(fù)理想等級(jí)分別為:
依據(jù)式(13)—式(15)計(jì)算得到:
同樣的計(jì)算方式可得:
通過(guò)式(16)進(jìn)行判斷,1.236 2>0.955 2>0.873 5>0.859 8>0.828 1,可知觀測(cè)點(diǎn)5 的電能質(zhì)量為H3等級(jí)。由表2 可知觀測(cè)點(diǎn)5 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),除電壓波動(dòng)A3落在H5等級(jí),其余指標(biāo)均落在H3等級(jí),結(jié)合各指標(biāo)綜合貼近度,本文將其判定為H3等級(jí),符合電能質(zhì)量的實(shí)際情況,驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性。
為驗(yàn)證本文所提方法的準(zhǔn)確性和有效性,分別與文獻(xiàn)[7]模糊集對(duì)分析、文獻(xiàn)[9]模糊綜合評(píng)價(jià)、文獻(xiàn)[16]物元和證據(jù)理論的方法進(jìn)行對(duì)比,評(píng)估結(jié)果見表4。
表4 評(píng)估結(jié)果對(duì)比Table 4 Comparison of evaluation results
由表4 可知,本文方法所得評(píng)估結(jié)果與文獻(xiàn)[16]物元和證據(jù)理論完全一致,但文獻(xiàn)[16]方法中質(zhì)量等級(jí)劃分采用區(qū)間的形式,忽略了電能質(zhì)量在等級(jí)邊界處的模糊性和隨機(jī)性;本文方法與文獻(xiàn)[7]模糊集對(duì)分析除觀測(cè)點(diǎn)2 外其余評(píng)估結(jié)果一致,文獻(xiàn)[7]方法中只進(jìn)行了主觀賦權(quán),缺乏客觀實(shí)際,評(píng)估結(jié)果受主觀性影響較大,由表2 可知觀測(cè)點(diǎn)2 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)除電壓偏差A(yù)2和電壓閃變A4落在H5等級(jí),其余指標(biāo)均落在H4和H3等級(jí),結(jié)合各指標(biāo)綜合貼近度將其判定為H4等級(jí)更加合理;本文方法與文獻(xiàn)[9]模糊綜合評(píng)價(jià)除觀測(cè)點(diǎn)4 外其余評(píng)估結(jié)果也一致,文獻(xiàn)[9]方法中受到最大隸屬原則判斷導(dǎo)致結(jié)果偏差的影響,由表2 可知觀測(cè)點(diǎn)4 除電壓波動(dòng)A3和電壓總諧波畸變率A5落在H4等級(jí),其余指標(biāo)均落在H3等級(jí),結(jié)合各指標(biāo)綜合貼近度將其判定為H3等級(jí)更加合理,驗(yàn)證了本文所提方法的準(zhǔn)確性。
為進(jìn)一步區(qū)分各觀測(cè)點(diǎn)在同一等級(jí)下的電能質(zhì)量情況,通過(guò)比較觀測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的綜合貼近度來(lái)劃分,以觀測(cè)點(diǎn)1、觀測(cè)點(diǎn)2、觀測(cè)點(diǎn)3 為例,文獻(xiàn)[7,9,16]在得出評(píng)估結(jié)果均為H4等級(jí)后,并沒有進(jìn)一步區(qū)分3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的電能質(zhì)量情況,通過(guò)式(13)-式(16)計(jì)算得到觀測(cè)點(diǎn)1、觀測(cè)點(diǎn)2、觀測(cè)點(diǎn)3 的綜合貼近度,如表5 所示。
表5 3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的綜合貼近度Table 5 Comprehensive proximity degree of three observation points
由表5 可知,3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)各等級(jí)貼近度滿足以下關(guān)系:觀測(cè)點(diǎn)1(1.126 3>1.105 3>0.960 1>0.766 7>0.766 6),觀測(cè)點(diǎn)2(1.101 3>1.017 8>0.998 3>0.797 9>0.797 5),觀測(cè)點(diǎn)3(1.124 7>1.113 7>0.934 7>0.783 2>0.783 1),由式(16)判斷可知3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)均為H4等級(jí)。通過(guò)對(duì)分析可知,3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)最大貼近度均在H4等級(jí),但觀測(cè)點(diǎn)1 的次最大貼近度在H3等級(jí),觀測(cè)點(diǎn)2 和觀測(cè)點(diǎn)3在H5等級(jí),說(shuō)明觀測(cè)點(diǎn)1的電能質(zhì)量有從H4等級(jí)向H3等級(jí)傾斜的趨勢(shì),觀測(cè)點(diǎn)2 和觀測(cè)點(diǎn)3 有向H5傾斜的趨勢(shì),由此表明觀測(cè)點(diǎn)2 和觀測(cè)點(diǎn)3 的電能質(zhì)量均劣于觀測(cè)點(diǎn)1;又因觀測(cè)點(diǎn)3 的次最大貼近度大于觀測(cè)點(diǎn)2,說(shuō)明觀測(cè)點(diǎn)2向H5傾斜趨勢(shì)的可能性小于觀測(cè)點(diǎn)3,由此表明觀測(cè)點(diǎn)3 的電能質(zhì)量劣于觀測(cè)點(diǎn)2。最終得到3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的電能質(zhì)量由劣到優(yōu)排序?yàn)椋狐c(diǎn)3 劣于點(diǎn)2 劣于點(diǎn)1。
同樣的劃分方法可得,觀測(cè)點(diǎn)4 的電能質(zhì)量劣于觀測(cè)點(diǎn)5,由表2 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,觀測(cè)點(diǎn)5 的頻率偏差A(yù)1、電壓偏差A(yù)2、電壓總諧波畸變率A5、三相電壓不平衡度A6均小于觀測(cè)點(diǎn)4,結(jié)合各指標(biāo)的綜合貼近度,觀測(cè)點(diǎn)4 應(yīng)劣于觀測(cè)點(diǎn)5,驗(yàn)證了本文所提方法的有效性。最終得到全部觀測(cè)點(diǎn)的電能質(zhì)量由劣到優(yōu)排序?yàn)椋狐c(diǎn)3 劣于點(diǎn)2 劣于點(diǎn)1 劣于點(diǎn)4 劣于點(diǎn)5。
本文提出了一種基于可拓云模型與模糊貼近度的電能質(zhì)量評(píng)估方法。應(yīng)用云熵優(yōu)化算法兼顧2種不同云熵的特點(diǎn)確定新的云熵值,避免了評(píng)估結(jié)果沖突的可能性;把模糊貼近度引入到可拓云模型的電能質(zhì)量評(píng)估方法中,避免了權(quán)重求取和最大隸屬原則所附帶主觀性的影響,且僅需通過(guò)比較各觀測(cè)點(diǎn)的貼近度就可進(jìn)一步區(qū)分同一等級(jí)下的電能質(zhì)量情況。實(shí)例分析表明,采用本文所提方法得到的評(píng)估結(jié)果符合各觀測(cè)點(diǎn)實(shí)際電能質(zhì)量情況,驗(yàn)證了本文所提方法的準(zhǔn)確性和有效性。