王 蕾，金 凱

（國網(wǎng)西安供電公司，陜西 西安 710000）

1 引言

新用電環(huán)境下分布式電源和電力電子設(shè)備的普及應(yīng)用更為迫切，隨著實(shí)際生產(chǎn)生活中直流用電設(shè)備不斷增加，整個用電方式有了較大轉(zhuǎn)變。另外，近些年新型能源有了較大發(fā)展，在配電網(wǎng)中設(shè)置了非常多不同類型的電子器件，這些器件也都會對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成影響。為了降低對電網(wǎng)的影響，直流配電網(wǎng)有了較大發(fā)展，通過直流配電方式可以大大減小整個線路的運(yùn)營成本，同時可以增強(qiáng)供電穩(wěn)定性，最大程度獲取相應(yīng)經(jīng)濟(jì)效益。因此相對于同等級的交流配電網(wǎng)來說，直流配電網(wǎng)存在著多方面的優(yōu)勢，例如直流配電網(wǎng)不存在交流配電網(wǎng)中的三相不平衡問題，可以有效提升電能質(zhì)量；該系統(tǒng)和直流負(fù)載直連，無需配備整流電路以及功率補(bǔ)償電路，能夠提升供電可靠性。但是直流配電網(wǎng)受到全新?lián)Q流設(shè)備、負(fù)荷對于直流電壓適應(yīng)范圍等因素的影響，使其同樣面臨著挑戰(zhàn)和問題，因此需要加強(qiáng)對直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量的綜合性評定，這對于推動電網(wǎng)發(fā)展具有重要作用。傳統(tǒng)電能質(zhì)量綜合評估更多針對的是電能質(zhì)量優(yōu)劣情況，對于評估對象自身因素考量的不夠充分，例如對于不同電壓等級來說某些電能質(zhì)量指標(biāo)限值有所差異，而傳統(tǒng)評估方式所得結(jié)論合理性不足。文章采取主成分分析法來對直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行綜合評估，能夠減小評價時主觀因素的影響，同時可以減小無效數(shù)據(jù)的影響，更好的研究對象的本質(zhì)。

2 直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合評估體系概述

在對電能質(zhì)量進(jìn)行評估時需要參照多種影響因素來進(jìn)行，所以要確定不同指標(biāo)的權(quán)重，建立起完善的評價指標(biāo)體系，才可以獲得相對合理的綜合評價結(jié)論。在建立指標(biāo)體系時要基于優(yōu)化方法以及定性指標(biāo)數(shù)量化技術(shù)來進(jìn)行，從“系統(tǒng)電壓質(zhì)量”以及“負(fù)荷電流質(zhì)量”兩方面進(jìn)行評定。對于直流配電網(wǎng)來說，和頻率有關(guān)的質(zhì)量問題能夠更好地處理，電壓降是影響有功功率的關(guān)鍵性因素，整個系統(tǒng)電能質(zhì)量最主要的決定性因素在于母線電壓的穩(wěn)定性，所以要針對關(guān)鍵性指標(biāo)（包括：電壓質(zhì)量、系統(tǒng)可靠性等）實(shí)施有效評定。

針對此，在進(jìn)行直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量評定時主要從母線電壓質(zhì)量、配網(wǎng)可靠性等方面進(jìn)行重點(diǎn)分析。對于母線電壓質(zhì)量來說，評定的關(guān)鍵性指標(biāo)有電壓偏差、諧波、電壓暫降等等；配電網(wǎng)可靠性要從換流站、直流斷路器、直流變壓器、儲能裝置等元器件的可靠性進(jìn)行考量，具體情況如圖1和圖2所示。

圖1 母線電壓質(zhì)量評價指標(biāo)

圖2 配電網(wǎng)可靠性評價指標(biāo)

3 研究意義

（1）直流配電網(wǎng)有著自身多重優(yōu)點(diǎn)，直流配電網(wǎng)已經(jīng)成為了現(xiàn)代全新的配電發(fā)展方向，但是從現(xiàn)階段來看針對直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量方面的研究還有一定補(bǔ)助，所以要深入研究電能質(zhì)量影響因素，明確其相應(yīng)機(jī)理，這對于推動直流配電網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。同時，通過對衡量系數(shù)進(jìn)行分析可以充分明確電能質(zhì)量情況，更便于全面、準(zhǔn)確認(rèn)識到整個系統(tǒng)中的電能質(zhì)量問題，可以進(jìn)一步推動直流配電網(wǎng)的應(yīng)用。（2）在實(shí)際應(yīng)用時需要加強(qiáng)對直流配電電能質(zhì)量的檢測，通過對擾動特征量的分析能夠進(jìn)一步明確相關(guān)因素（包括：擾動時間、嚴(yán)重程度、不同擾動間能量關(guān)系等），更便于對電能質(zhì)量進(jìn)行全面分析。同時以直流配電網(wǎng)的特性為基礎(chǔ)分析交直流兩側(cè)電能質(zhì)量之間的交互關(guān)系，可以更加深入了解直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量問題。（3）通過對直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量情況分析，可以提升具體應(yīng)用時對用戶電能質(zhì)量的監(jiān)測，從而對電網(wǎng)進(jìn)行更加合理的規(guī)劃。

4 主成分分析法

4.1 基本原理概述

主成分分析法主要是以統(tǒng)計(jì)分析原理為基礎(chǔ)，從多個不同指標(biāo)中摘取多個不具有關(guān)聯(lián)性的相應(yīng)指標(biāo)，并且保證已有指標(biāo)所展現(xiàn)信息的有效性的分析方法。利用該種方法能夠通過較少的關(guān)鍵性指標(biāo)變量取代已有的多維度變量，從而使得數(shù)據(jù)更加的精簡，然后將“主成分貢獻(xiàn)率”作為權(quán)值實(shí)施加權(quán)平均，以此來形成綜合評估函數(shù)。

此方法在應(yīng)用時首先設(shè)定原始數(shù)據(jù)變量（x1、x2、…、xn），然后在經(jīng)過坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換之后形成和原有坐標(biāo)系原點(diǎn)重合的新坐標(biāo)系，此坐標(biāo)系的第一軸表示的為數(shù)據(jù)變異最大方向，而第二軸正交于第一軸，同時和數(shù)據(jù)變異第二大方向相對應(yīng)。可以將這些軸定義為第一主軸u1、第二主軸u2、…第m主軸um，通過主軸來展現(xiàn)原數(shù)據(jù)的變異情況（原有n維空間降到m維空間）。將以此所形成的主成分貢獻(xiàn)率當(dāng)作權(quán)值，最終使得數(shù)集綜合成為指數(shù)形式。

主成分分析法從根本上來看就是通過嚴(yán)密的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)實(shí)施最終結(jié)果的分析，此種方法的主成分權(quán)值更多是利用數(shù)據(jù)分析來得到的，從中可以體現(xiàn)出不同指標(biāo)所具有的關(guān)聯(lián)性，可以防止受到不相關(guān)指標(biāo)的影響，具有更好的客觀性，更便于實(shí)施定量性評價。通過此種方法所得到的主成分相互之間具有獨(dú)立性，能夠大大精簡評價體系，能夠避免信息之間發(fā)生冗余以及交叉。

4.2 主成分分析法的數(shù)學(xué)模型

這種方法首先是設(shè)定n個評價對象，然后把每個評價設(shè)定p個指標(biāo)，針對xij表示第i個評價對象的第j個指標(biāo)，以此建立起原始數(shù)據(jù)矩陣如表1。

表1 原始數(shù)據(jù)矩陣

該詩中第i個主成分Yi的方差在所有方差中所占比重vi就表示為貢獻(xiàn)率，以此來體現(xiàn)p個指標(biāo)所具有的綜合性能。為了能夠簡化計(jì)算過程和數(shù)據(jù)量，主要通過實(shí)施主成分分析來代替原有的多成分分析，而主成分的數(shù)量設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為：可以體現(xiàn)原有變量90%之上信息量，也就是選擇累積貢獻(xiàn)率在90%以上情況下主成分個數(shù)實(shí)施綜合性分析。

5 具體算例分析

雖然直流配電網(wǎng)有了一定的應(yīng)用，但是從現(xiàn)階段來看有關(guān)直流配電網(wǎng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)信息量和準(zhǔn)確性有所不足，因此在實(shí)際分析過程中所采用的方式更多是參照已有資料，并且利用傳統(tǒng)低壓交流配電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，把表2中的數(shù)據(jù)當(dāng)做原始指標(biāo)數(shù)據(jù)，對甲乙丙不同區(qū)域400V直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量實(shí)施綜合性評定。

表2 某地區(qū)電能質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)

從所選定的指標(biāo)來看，存在著三種不同類型指標(biāo)，儲能設(shè)備壽命X13歸類為正指標(biāo)，而儲能設(shè)備容量占比X15則屬于適度指標(biāo)，其余各項(xiàng)指標(biāo)歸類為逆指標(biāo)。為了能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效分析，要對逆指標(biāo)進(jìn)行正向化，最終確保整個系統(tǒng)中所有的指標(biāo)都能夠達(dá)到正向，在此基礎(chǔ)上才能夠利用“最大綜合評價函數(shù)值”來對區(qū)域性電能質(zhì)量情況進(jìn)行判定。在對上述相應(yīng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行必要處理之后，對其實(shí)施相應(yīng)轉(zhuǎn)換就能夠獲取每個主成分所具有的特征根和貢獻(xiàn)率，具體情況如表3所示。從表中數(shù)據(jù)可知，因?yàn)榍皟蓚€組成

表3 主成分Y1到Y(jié)3特征根和方差貢獻(xiàn)率

分累計(jì)貢獻(xiàn)率滿足100%的要求，也就是對原有指標(biāo)實(shí)施了徹底的綜合，因此利用第一、第二主成分作為綜合指標(biāo)是較為合理的，Y1和Y2主成分因子載荷量情況如表4所示。

表4 主成分Y1和Y2的因子載荷量

從上述兩表中能夠得知，這兩個主成分包括的信息量非常大，其中第一個主成分包括了40.75%的信息量，該主成分所關(guān)聯(lián)的主要指標(biāo)包括：電壓平均偏差X1（相關(guān)因數(shù)：0.981 7）、電壓中斷時間X6（相關(guān)因數(shù)：0.987 8）、換流站平均故障修復(fù)時間X10（相關(guān)因數(shù)：0.777 7）、儲能設(shè)備壽命X13（相關(guān)因數(shù)：0.999 4）、儲能設(shè)備使用時間X14（相關(guān)因數(shù)：1.000 0）。從上述分析結(jié)果來看，所設(shè)定的主要成分85%來自于原始指標(biāo)的內(nèi)容，因此最后可以將主成分評價結(jié)果總結(jié)出圖3進(jìn)行表示。

以表3中主成分的方差貢獻(xiàn)率為基礎(chǔ)能夠獲取對直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量綜合評定的評價函數(shù)，具體為：F=0.407 5Y1+0.592 5Y2，在此基礎(chǔ)上參照圖3中對于第一個主成分以及第二個主成分的評定，最終得到綜合評定結(jié)果，具體情況如圖4所示。從圖4中能夠得知，丙地區(qū)得分為負(fù)，屬于直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量最差的區(qū)域，而乙地區(qū)的得分最高，因此是最優(yōu)的直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量地區(qū)。

圖3 主成分評價結(jié)果

圖4 甲、乙、丙地區(qū)電能綜合評定結(jié)果

6 結(jié)束語

相對于傳統(tǒng)交流配電網(wǎng)來說，直流配電網(wǎng)存在多方面優(yōu)勢，其應(yīng)用區(qū)域逐漸擴(kuò)大。但是其也會受到多種因素的影響，需要對其電能質(zhì)量進(jìn)行綜合性的評定。目前所采用的電能質(zhì)量評定方法更多針對的是傳統(tǒng)交流系統(tǒng)設(shè)定的，為了能夠?qū)χ绷髋潆娋W(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行更加準(zhǔn)確、客觀的評定，文章在原有電能質(zhì)量綜合評價方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，采取主成分分析法進(jìn)行評價，能夠大大降低主觀因素對評價結(jié)果的影響。通過全新綜合評價模型能夠更具針對性地對直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量進(jìn)行評估。同時，以具體案例對主成分分析法在直流配電網(wǎng)電能質(zhì)量評定過程以及具體應(yīng)用情況進(jìn)行了充分的分析，明確了具體的效果。通過文章的介紹能夠?qū)χ绷髋潆娋W(wǎng)電能質(zhì)量綜合評價提供一定參考和幫助，對于進(jìn)一步推動電力行業(yè)發(fā)展具有現(xiàn)實(shí)意義。