馬瑩瑩, 朱偉華

(吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 吉林 吉林　132021)

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灰靶理論在電能質(zhì)量評估中的應(yīng)用

馬瑩瑩, 朱偉華

(吉林電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 吉林 吉林132021)

針對電力系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波和電壓偏差等電能質(zhì)量問題,運(yùn)用灰色系統(tǒng)中的灰靶理論提出對沒有標(biāo)準(zhǔn)故障模型的情況下電能質(zhì)量的評估新方法。首先建立基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電能質(zhì)量遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng),然后將系統(tǒng)中監(jiān)測到的數(shù)據(jù)運(yùn)用灰靶理論進(jìn)行分析處理,給出電能質(zhì)量評估的算法步驟及等級,實(shí)現(xiàn)變電站電能質(zhì)量的評估。實(shí)驗(yàn)表明,該方法可以有效地解決電能質(zhì)量識別的問題,為變電站電能質(zhì)量評估提供了一種新的策略。

電能質(zhì)量監(jiān)測； 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)； 灰色系統(tǒng)； 灰靶理論

近年來,隨著我國工業(yè)和人們生活用電需求量大幅度的增加,許多非線性負(fù)荷和大功率整流設(shè)備相繼投入到電力系統(tǒng)變電站中,滿足了工業(yè)和居民的生活用電需求,但是同時造成了功率因數(shù)低等電能質(zhì)量問題,電能質(zhì)量問題變得越來越嚴(yán)峻[1-2]。隨著智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展,運(yùn)用現(xiàn)代無線通信技術(shù)(如ZigBee技術(shù))實(shí)時監(jiān)測電能質(zhì)量必將是未來的發(fā)展趨勢[3]。

鑒于此,本文設(shè)計(jì)一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)測電能質(zhì)量,運(yùn)用ZigBee技術(shù),免去了布線的麻煩,非常適合于電力系統(tǒng)復(fù)雜環(huán)境下的監(jiān)測。因此,本文將灰靶理論引入到電能質(zhì)量綜合評估中,可以大大減少因電能質(zhì)量引起的事故,對人們的生產(chǎn)生活和電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著極其重要的作用。

1　ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee是一種具有功耗低、成本低、時延短等優(yōu)點(diǎn)的雙向無線通信技術(shù),主要面向低速率的無線局域網(wǎng)(LRWPAN),其協(xié)議是由ZigBee聯(lián)盟基于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下制定的。ZigBee技術(shù)廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測行業(yè)中[4-5]。在網(wǎng)絡(luò)層(network layer,NWK)方面,ZigBee 聯(lián)盟制定了星型、族型和網(wǎng)狀型3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)(見圖1),其中ZigBee網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)(wireless mesh network,簡稱WMN)應(yīng)用最廣,其采用多級跳的方式來通信,能夠具備自組網(wǎng)、自愈功能。

圖1　ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2　灰靶理論原理

灰靶理論由我國鄧聚龍教授提出,其核心思想是在非標(biāo)準(zhǔn)模式中找出一個標(biāo)準(zhǔn)灰靶序列,通過灰靶理論在標(biāo)準(zhǔn)灰靶序列中找到靶心,根據(jù)各個指標(biāo)的模式序列和靶心計(jì)算灰色關(guān)聯(lián)度,最后進(jìn)行評估等級的劃分[6-8]。

假設(shè)wi是輸變電傳輸中電能質(zhì)量的第i個狀態(tài)模式,w(k)是電能質(zhì)量狀態(tài)監(jiān)測的第k個狀態(tài)參數(shù)與序列,則建立狀態(tài)參數(shù)序列:

稱w(k)為指標(biāo)模式序列:

對于不同的指標(biāo),有著不同的極性,例如對于損耗型指標(biāo),若其期望值越小,則評估效果就越接近靶心,因此具有極小值極性。采用適中值極性,即

{POLw(k)=POL(mean),取w0(k)=U0(指定值),wi(k)∈w(k);}來確定最優(yōu)狀態(tài)序列w0={w0(1),w0(2),···,w0(n)},設(shè)定序列為靶心。

記灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為

(1)

均權(quán)模式下wi的靶心度γ(w0,wi)見式(2),其表示待測模式序列接近標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)模式的程度。

(2)

根據(jù)靶心度的大小對評估狀態(tài)進(jìn)行等級的劃分。基于鄧聚龍教授提出的灰靶理論平衡原理,結(jié)合實(shí)際情況,對0～1間每間隔一定的數(shù)標(biāo)定一個等級,如[ 0.9,1],[ 0.8,0.9] ,…,[ 0,0.1]。計(jì)算出的靶心度所處的等級范圍就是該狀態(tài)下的評估結(jié)果。

3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變電站的電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)主要由終端采集部分、3G無線通信部分和電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心組成,框圖如圖2所示。多個傳感器采集節(jié)點(diǎn)附著在待監(jiān)測的開關(guān)柜上,電壓和電流傳感器分別采集開關(guān)柜的三相電壓和三相電流等數(shù)據(jù),并且將采集到的電壓、電流等數(shù)據(jù)經(jīng)過路由器轉(zhuǎn)發(fā)到ZigBee協(xié)調(diào)器中,經(jīng)過集成ARM Cortex-A8內(nèi)核的高性能CPU S5PV210和高傳輸速率3G傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測中心。遠(yuǎn)程監(jiān)測中心界面使用Qt Creator編寫,測試界面如圖3所示,實(shí)時顯示監(jiān)測的電能質(zhì)量[9-12],并且能夠?qū)﹄娔苜|(zhì)量數(shù)據(jù)應(yīng)用灰色系統(tǒng)中的灰靶理論進(jìn)行分級評估。

圖2　電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)框圖

圖3　電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)顯示界面

4　灰靶理論在電能質(zhì)量評估中的應(yīng)用

電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)的電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心將接收到的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)分析處理。本文選取電壓偏差、三相不平衡度、諧波畸變率和功率因數(shù)4項(xiàng)參數(shù)作為電能質(zhì)量評估的指標(biāo)。選取標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)和一般狀態(tài)指標(biāo),進(jìn)行灰靶變換并計(jì)算靶心度,根據(jù)靶心度的大小,結(jié)合電力系統(tǒng)的狀態(tài)對靶心度等級劃分,得出某狀態(tài)下電能質(zhì)量評估等級。

4.1電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)指標(biāo)的選取

某變電站傳輸電能質(zhì)量的等級界限見表1。

表1　電能質(zhì)量狀態(tài)指標(biāo)評估等級界限

從表1中得出,因選取“優(yōu)良”狀態(tài)下的指標(biāo)作為標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)序列。又因丟失數(shù)據(jù)記錄和檢修線路記錄都應(yīng)該是最大值序列,考慮到實(shí)際情況,設(shè)這兩個指標(biāo)的最大值為1,則

k=5時,取丟失數(shù)據(jù)記錄

k=6時,檢修線路記錄

因此標(biāo)準(zhǔn)模式序列：

{0.5,0.2,0.1,0.98,1,1}

4.2灰靶變換及靶心度

本文以吉林市某110 kV變電站為基礎(chǔ),對電能質(zhì)量進(jìn)行分析,得出的狀態(tài)實(shí)時數(shù)據(jù)見表2。

表2　電能質(zhì)量狀態(tài)實(shí)時數(shù)據(jù)

取w1時刻數(shù)據(jù)位設(shè)別模式序列

w′={3.63,2.12,1.49,0.78,0,0}

對w′進(jìn)行灰靶變換

同理有:

即:

{0.137 7,0.094 3,0.067 1,0.795 9,0.000,0.000}

差異信息空間為

則Δ01={0.862 3,0.905 7,0.932 9,0.204 1,1.000,1.000}

根據(jù)公式:

式中:ρ為分辨系數(shù),ρ=0.5,可得:

靶心度:

同理,當(dāng)取w2時刻數(shù)據(jù)位設(shè)別模式序列時,經(jīng)計(jì)算,靶心度為0.552 0;取w3狀態(tài)序列時,靶心度為0.537 5;取w4狀態(tài)序列時,靶心度為0.607 4。

4.3電能質(zhì)量狀態(tài)識別

即:

γ(x0,xi)≥0.333

因此在[0.3,0.4]以下各檔毫無意義。根據(jù)變電站電能質(zhì)量的特點(diǎn),將靶心度劃分為4個等級:

[0.333,0.5]:第1級,不合格；[0.5,0.6]:第2級,合格;[0.6,0.8]:第3級,中等;[0.8,1.0]:第4級,優(yōu)良。

根據(jù)電能質(zhì)量狀態(tài)各等級相比較,可知該w1、w2、w3狀態(tài)處于第2級,w4狀態(tài)處于第3級,經(jīng)現(xiàn)場檢查,沒有出現(xiàn)任何潛在的故障,經(jīng)檢驗(yàn)符合實(shí)際要求,說明該算法可以運(yùn)用在該變電站傳輸電能質(zhì)量狀態(tài)的識別中。

5　結(jié)論

本文首先設(shè)計(jì)一種變電站電能質(zhì)量實(shí)時監(jiān)測系統(tǒng),然后運(yùn)用灰靶理論對采集的電壓、電流等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,給出電能質(zhì)量等級評定。通過將灰靶理論計(jì)算的結(jié)論與變電站現(xiàn)場檢查結(jié)果對比分析,系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,本文提出的方法能較好地運(yùn)用于電能質(zhì)量狀態(tài)的判斷,為變電站電能質(zhì)量的綜合評估提供了一種有效的新策略,具有一定的應(yīng)用前景。

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Application in evaluation of power quality based on grey target theory

Ma Yingying, Zhu Weihua

(Jilin Electronic Information Vocational Technology College, Jilin 132021, China)

Because of the problems of harmonics and voltage deviation for power system, the gray target theory is proposed for the absence of the standard fault model to evaluate new methods of power quality. Firstly, this article designs the power quality monitoring system based on the Internet of things technology, then monitors the power quality data analysis and processing using gray target theory, and gives the step for power quality assessment algorithm and grade,to achieve a comprehensive assessment of power quality. Several test results show that this method can effectively solve problems without standard fault model to identify power quality and provide a new strategy for power quality assessment.

power quality monitoring; Internet of things technology; grey system; gray target theory

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.016

2016-02-24修改日期：2016-03-26

吉林市科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2015334004)

馬瑩瑩(1982—),女,吉林省吉林市，碩士，主要從事電氣自動化技術(shù)和電子技術(shù)研究

朱偉華(1976—)，男，吉林吉林市，碩士，副教授，主要從事通信技術(shù)、嵌入式開發(fā)技術(shù)研究.

TM714

A

1002-4956(2016)9-0057-04