汪 穎，喻夢(mèng)潔，盧 宏，肖先勇，楊心剛，張 鵬

（1. 四川大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川省 成都市 610065；2. 國(guó)網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院,上海市 200437）

0 引言

在新型電網(wǎng)環(huán)境下,電力公司提出打造現(xiàn)代供電服務(wù)體系,構(gòu)造世界一流電力營(yíng)商環(huán)境的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。瞄準(zhǔn)增加高品質(zhì)產(chǎn)品和服務(wù)供給,打造“基礎(chǔ)性+增值性”用電用能產(chǎn)品套餐,為客戶提供精準(zhǔn)服務(wù)［1］。精準(zhǔn)服務(wù)需求體現(xiàn)在“為誰(shuí)治”和“治什么”兩個(gè)方面。目前,電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（power quality monitoring system,PQMS）廣泛應(yīng)用,電網(wǎng)積累了海量電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。從海量數(shù)據(jù)中實(shí)現(xiàn)用戶畫像、精準(zhǔn)識(shí)別有需求的用戶,可解決“為誰(shuí)治”的問題。應(yīng)用并網(wǎng)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),識(shí)別干擾源類型,可解決“治什么”的問題。所以,基于電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)干擾源類型識(shí)別和用戶治理需求畫像,具有重要的工程意義。

目前,針對(duì)干擾源類型的識(shí)別已經(jīng)有了很多研究,但相關(guān)方法在實(shí)際工程應(yīng)用中還存在以下問題。

1）依靠經(jīng)驗(yàn)辨識(shí)干擾源類型,簡(jiǎn)單直接,但適用范圍有限。可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)直接辨識(shí)的干擾源一般是較傳統(tǒng)和典型的干擾源［2-3］,如牽引站是典型的諧波源和三相不平衡源,煉鋼廠是諧波源和閃變?cè)吹?。但?隨著制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)換代,該方法已不適用于大多數(shù)電力用戶。

2）模型分析法辨識(shí)干擾源類型,建模復(fù)雜,受背景擾動(dòng)影響大。文獻(xiàn)［4-7］在系統(tǒng)建模過程中忽略了變壓器勵(lì)磁和背景諧波的影響,難以滿足實(shí)際工程需要。學(xué)者們嘗試提出相關(guān)改進(jìn)方法。文獻(xiàn)［8］考慮了系統(tǒng)間諧波的影響,提出一種考慮多個(gè)間諧波作用的閃變效應(yīng)計(jì)算方法,實(shí)現(xiàn)了閃變?cè)吹臏?zhǔn)確識(shí)別。文獻(xiàn)［9］通過無功功率、絕對(duì)阻抗以及有功功率的關(guān)系判據(jù),實(shí)現(xiàn)了考慮背景諧波影響的諧波源識(shí)別。相關(guān)算法得到了仿真數(shù)據(jù)的驗(yàn)證,但實(shí)際工程運(yùn)行效果尚不明確。

3）現(xiàn)有方法工程應(yīng)用難,主要體現(xiàn)在省級(jí)PQMS 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)難以支撐現(xiàn)有算法計(jì)算精度。干擾源的準(zhǔn)確識(shí)別及責(zé)任量化是開展獎(jiǎng)懲機(jī)制、電能質(zhì)量治理、諧振估計(jì)等工作的基礎(chǔ)［10-16］。現(xiàn)有方法一般支持采樣間隔不超過1 min 的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；實(shí)際上,PQMS 每3～15 min 返回一組監(jiān)測(cè)值,難以滿足算法對(duì)數(shù)據(jù)的要求［17-18］,直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

用戶的電能質(zhì)量治理需求,主要通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用進(jìn)行刻畫?；谟脩舢嬒竦腜QMS 的建設(shè)是實(shí)現(xiàn)用戶精細(xì)化電能質(zhì)量服務(wù)的基礎(chǔ)［19］。數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法是電能質(zhì)量分區(qū)治理［20］、“感知-預(yù)警-診斷-服務(wù)”主動(dòng)應(yīng)用框架［21］中各難題的主要解決途徑?，F(xiàn)有研究為電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與價(jià)值挖掘提供了很好的思路,但是總體上缺少實(shí)際工程的應(yīng)用。此外,電網(wǎng)公司正積極開拓“基礎(chǔ)性+增值性”有償新業(yè)務(wù),旨在滿足基礎(chǔ)用電需求的前提下,通過數(shù)據(jù)挖掘,分析用戶的潛在需求,以便為用戶提供個(gè)性化增值服務(wù)。目前電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要用于電網(wǎng)公司的電能質(zhì)量管理工作,數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘不充分,難以支撐電網(wǎng)新業(yè)務(wù)。

綜上所述,應(yīng)用電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),本文提出一種干擾源類型識(shí)別及電能質(zhì)量需求畫像技術(shù)。首先,根據(jù)用戶用電水平特征與電能質(zhì)量特征之間的相關(guān)性,提出基于最大互信息的干擾源類型識(shí)別方法,彌補(bǔ)了經(jīng)驗(yàn)辨識(shí)法和模型分析法的不足,可以在背景諧波影響下,準(zhǔn)確識(shí)別干擾源類型。其次,提出干擾源電能質(zhì)量治理需求畫像技術(shù),以海量電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),構(gòu)造了一套完整的畫像標(biāo)簽體系,包括用戶基本信息標(biāo)簽、電能質(zhì)量特征標(biāo)簽和用戶用電行為標(biāo)簽,實(shí)現(xiàn)用戶電能質(zhì)量發(fā)射水平和用電水平的準(zhǔn)確量化。然后,結(jié)合用戶電能質(zhì)量發(fā)射水平與綜合用電水平,構(gòu)建了綜合用電水平-電能質(zhì)量發(fā)射水平圖,以確定其需求類型。最后,以中國(guó)東部某大型城市的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和搭建的雙饋風(fēng)機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了本文方法的正確性和有效性。

1 基于最大互信息的干擾源類型識(shí)別方法

1.1 電能質(zhì)量干擾源

電能質(zhì)量干擾源是指在電網(wǎng)運(yùn)行過程中造成電能質(zhì)量問題的相關(guān)電力設(shè)備、電力用戶或故障源的統(tǒng)稱［22］,其造成的電力擾動(dòng)可分為暫態(tài)、穩(wěn)態(tài)兩大類。暫態(tài)擾動(dòng)包括電壓暫降、電壓暫升、電壓中斷、暫態(tài)脈沖、暫態(tài)振蕩等。穩(wěn)態(tài)擾動(dòng)包括電壓偏差、三相不平衡、電壓波動(dòng)與閃變、諧波等。如諧波源,是向系統(tǒng)中注入諧波電流或在公共電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備［23］。在實(shí)際電力系統(tǒng)中,若用戶生產(chǎn)環(huán)節(jié)不包含非線性設(shè)備,則不會(huì)產(chǎn)生諧波問題；若用戶負(fù)荷特性是三相對(duì)稱的,則不會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電壓和電流,即不會(huì)產(chǎn)生三相不平衡；若用戶生產(chǎn)線不含頻繁啟動(dòng)和間隙通電的負(fù)荷（如軋鋼機(jī)、電焊機(jī)）,或引起連續(xù)的不規(guī)則隨機(jī)電壓變動(dòng)的負(fù)荷（如電弧爐）,則不會(huì)引起電壓波動(dòng)與閃變,反之亦然。所以,非干擾源是不會(huì)對(duì)公共電網(wǎng)造成電能質(zhì)量問題的設(shè)備或負(fù)荷,其功率特征變化,不會(huì)對(duì)系統(tǒng)電能質(zhì)量產(chǎn)生明顯影響,即電能質(zhì)量特征與功率特征不存在相關(guān)性。

而干擾源的電能質(zhì)量發(fā)射水平隨其負(fù)荷本身特性影響較大,如非線性負(fù)荷投入會(huì)產(chǎn)生諧波、負(fù)荷功率波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電壓波動(dòng)與閃變［6］、負(fù)荷不對(duì)稱造成系統(tǒng)三相不平衡［24］等。功率特征是反映負(fù)荷特性的直接指標(biāo),干擾源電能質(zhì)量特征與功率特征之間具有較高的相關(guān)性。基于此,有學(xué)者提出基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析的用戶諧波責(zé)任劃分方法,通過計(jì)算公共連接點(diǎn)（PCC）諧波電壓與有功功率的動(dòng)態(tài)扭曲相關(guān)系數(shù),從而計(jì)算動(dòng)態(tài)以及長(zhǎng)時(shí)段總諧波責(zé)任指標(biāo)［25］。因此,在實(shí)際電力系統(tǒng)中,也可根據(jù)用戶監(jiān)測(cè)的電能質(zhì)量數(shù)據(jù)與功率的相關(guān)性識(shí)別非干擾源與干擾源類型。

1.2 電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

本文采用PQMS 中最典型的3 min 間隔的采樣數(shù)據(jù)展開研究,每天共480 組采樣數(shù)據(jù),采集到的數(shù)據(jù)包括：

1）三相電壓標(biāo)稱值,即所得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為實(shí)測(cè)電壓相對(duì)額定電壓的百分?jǐn)?shù),可由式（1）計(jì)算得到實(shí)際電壓有效值。

式中：UN為額定電壓；U%為三相電壓標(biāo)稱值；Ut為實(shí)際電壓有效值。

2）三相電流有效值。

3）用電數(shù)據(jù)：有功功率、無功功率和視在功率。

4）電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)：三相不平衡度、電壓閃變值、總諧波畸變率、各次諧波電壓含有率、各次諧波電流有效值。

電壓閃變值采樣間隔通常為10 min 或2 h,其他特征采樣間隔為3 min。為了統(tǒng)一特征序列長(zhǎng)度,進(jìn)行如下數(shù)據(jù)處理：

式中：hs為經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的其他特征值；Ns為相鄰2 個(gè)電壓閃變值采樣間隔內(nèi)其他電能質(zhì)量特征的采樣點(diǎn)數(shù)；NA為電壓閃變值的采樣點(diǎn)數(shù)；hj為相鄰2 個(gè)電壓閃變值采樣間隔內(nèi)其他特征的第j（j=1,2,…,Ns）個(gè)采樣值。

1.3 干擾源類型識(shí)別方法

根據(jù)實(shí)際測(cè)量可知,對(duì)于大部分干擾源,其功率越大則電能質(zhì)量問題越嚴(yán)重,即兩者呈正相關(guān)關(guān)系。例如,大部分非線性負(fù)荷,其有功功率越大則基波電流越大,基波電流越大則諧波電流越大［25］。但是也同樣存在部分干擾源,如光伏電站、風(fēng)電場(chǎng)等,其有功功率與諧波電流呈負(fù)相關(guān)關(guān)系?；バ畔⑹强坍媰煞蔷€性變量關(guān)聯(lián)程度的有效工具［26］,可以將兩變量相關(guān)性強(qiáng)弱量化出來,不論其正負(fù)相關(guān)性。因此,本文提出了基于最大互信息的干擾源類型識(shí)別方法。具體流程如圖1所示,主要包括以下4個(gè)步驟。

圖1 所提算法流程圖Fig.1 Flow chart of the proposed algorithm

1）步驟1：數(shù)據(jù)采集與特征提取

由PQMS 監(jiān)測(cè)得到的電能質(zhì)量特征集F和用電水平特征集S如式（3）、式（4）所示。

式中：N為總采樣點(diǎn)數(shù)；F中的5 列分別表示三相不平衡度、電壓閃變值、電壓偏差、諧波電壓總畸變率及諧波電流總畸變率的采樣值；S中p表示有功功率,q表示無功功率。

對(duì)特征集F、S進(jìn)行離散化處理［27］,以進(jìn)行互信息計(jì)算。數(shù)據(jù)處理過程如下：

（1）特征區(qū)間劃分。F中第i列（i=1,2,…,5）的最大、最小值構(gòu)成第i列的特征區(qū)間［fi,min,fi,max］。同理,S的兩列特征區(qū)間為［pmin,pmax］、［qmin,qmax］。將7 個(gè)特征區(qū)間分別進(jìn)行n等分。兼顧計(jì)算量和計(jì)算精度,本文選取n的最大值為20。

（2）用電量區(qū)間樣本數(shù)統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)第m個(gè)（m=1,2,…,20）區(qū)間里,用電水平特征p、q的采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)為Np（m）、Nq（m）。

（3）電能質(zhì)量特征集區(qū)間樣本數(shù)統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)第n個(gè)（n=1,2,…,20）區(qū)間里,第i個(gè)電能質(zhì)量特征fi的個(gè)數(shù)Nfi(n)。

（4）交互樣本數(shù)統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)電能質(zhì)量特征fi在第n個(gè)區(qū)間時(shí),對(duì)應(yīng)的用電水平特征p、q在第m個(gè)區(qū)間的樣本個(gè)數(shù)Nfi,p(n,m)、Nfi,q(n,m)。

2）步驟2：互信息計(jì)算及排序

根據(jù)離散化結(jié)果計(jì)算特征fi與p、q之間的互信息值［26］,表達(dá)式如下：

不同生產(chǎn)過程的功率因數(shù)各異,有功功率和無功功率均可能與電能質(zhì)量發(fā)射水平有關(guān)。綜合考慮I（fi,p）、I（fi,q）的影響,計(jì)算特征fi與用電水平特征集S之間的互信息,用Dfi表示,如式（7）所示。

按照Dfi的大小將F中的特征進(jìn)行排序,得到的順序特征序列為F＇,如式（8）所示。定義一個(gè)零初始向量Z5,用于存儲(chǔ)F＇中每個(gè)電能質(zhì)量特征向量的判斷結(jié)果。

3）步驟3：最小二乘相對(duì)性斜率（LSRS）指標(biāo)驗(yàn)證

工程中,存在某種生產(chǎn)設(shè)備會(huì)產(chǎn)生多種電能質(zhì)量擾動(dòng)的情況,若僅采用最大互信息作為判據(jù),會(huì)導(dǎo)致該類干擾源的類型識(shí)別結(jié)果不準(zhǔn)確。本文定義了LSRS 指標(biāo)用于刻畫用電水平與電能質(zhì)量發(fā)射水平的線性化程度,其物理含義為用電水平特征與電能質(zhì)量特征歸一化處理后,得到的擬合曲線斜率絕對(duì)值相對(duì)1 的大小。某項(xiàng)電能質(zhì)量特征的LSRS 值越趨近于0,說明該電能質(zhì)量特征隨用電量特征的變化越大。

本文以某一電能質(zhì)量特征fi的LSRS 指標(biāo)計(jì)算為例,詳述LSRS 指標(biāo)的計(jì)算方法。

（1）區(qū)間劃分。分別以p、q為縱坐標(biāo),將F＇中滿足式（10）的電能質(zhì)量特征作為橫坐標(biāo),畫出散點(diǎn)圖。圖2（a）示例了有功功率的區(qū)間劃分方法,按照p的大小將其劃分為n個(gè)等分區(qū)間,區(qū)間長(zhǎng)度為d,可以由式（11）計(jì)算而來。本文取n=20。示例中,fi為負(fù)序電流不平衡度。

（2）離散點(diǎn)計(jì)算。取第k個(gè)區(qū)間里的電能質(zhì)量特征平均值作為第k個(gè)離散點(diǎn)的橫坐標(biāo),用xk表示；取第k個(gè)區(qū)間里p、q的平均值作為第k個(gè)離散點(diǎn)的縱坐標(biāo),用ypk、yqk表示。

（3）歸一化處理。將離散點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)做歸一化處理,得到歸一化的離散點(diǎn)為（x,y）和（x,y）,如圖2（b）中的紅色小點(diǎn)所示。

（4）曲線擬合。采用最小二乘法將離散點(diǎn)擬合成直線,如圖2（b）中的黑色實(shí)線所示。

圖2 LSRS 指標(biāo)計(jì)算Fig.2 Calculation of LSRS indicator

LSRS 指標(biāo)用LSRS表示,其中有功功率p、無功功率q與電能質(zhì)量特征fi的LSRS 指標(biāo)計(jì)算如下：

將LSRS 指標(biāo)與設(shè)定的閾值ε做比較,若LSRS指標(biāo)小于等于ε,則令Z5的第i個(gè)元素Z5,i=1。本文ε的 取 值 范 圍 為：

4）步驟4：干擾源類型識(shí)別結(jié)果

根據(jù)輔助向量Z5的值判斷用戶的干擾源類型。當(dāng)Z5,i=1 時(shí),用戶為F＇中對(duì)應(yīng)電能質(zhì)量問題的干擾源。

2 干擾源電能質(zhì)量需求畫像技術(shù)

2.1 技術(shù)框架

電力用戶畫像分析是以海量用電數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過分析用戶個(gè)體特征及用電行為數(shù)據(jù)挖掘潛在信息,從不同用戶的用電行為特征差異出發(fā),構(gòu)建畫像標(biāo)簽,進(jìn)而挖掘用戶行為的差異性,為電力公司智能化管理提供理論支撐［28］。不同干擾源電能質(zhì)量問題嚴(yán)重程度不同,治理需求及治理方案各異,僅憑干擾源類型無法為用戶提供個(gè)性化服務(wù)。采用畫像技術(shù)分析干擾源電能質(zhì)量治理需求,可以為電網(wǎng)公司用電用能產(chǎn)品套餐新業(yè)務(wù)提供理論依據(jù)。

本文提出一種干擾源電能質(zhì)量需求畫像技術(shù),其技術(shù)框架如圖3 所示,主要分為數(shù)據(jù)層、需求畫像層、應(yīng)用層3 層。數(shù)據(jù)層為其他兩層的分析與應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ),主要是對(duì)監(jiān)測(cè)的海量電能質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理。需求畫像層作為畫像技術(shù)的核心模塊,主要是通過構(gòu)建電能質(zhì)量畫像標(biāo)簽體系,分析干擾源的電能質(zhì)量治理差異,最終得到干擾源電能質(zhì)量治理需求畫像結(jié)果。應(yīng)用層則是對(duì)需求畫像結(jié)果的進(jìn)一步應(yīng)用,如為決策分析系統(tǒng)、電力營(yíng)銷系統(tǒng)和供電服務(wù)系統(tǒng)提供決策支持與理論依據(jù)。

圖3 干擾源電能質(zhì)量需求畫像技術(shù)框架Fig.3 Technical framework of power quality demand portrait technology of interference sources

2.2 電能質(zhì)量需求畫像標(biāo)簽及量化方法

2.2.1 電能質(zhì)量需求畫像標(biāo)簽

電能質(zhì)量需求畫像的目標(biāo)是快速掌握不同用戶的電能質(zhì)量特征及治理需求,以提供差異化服務(wù)。電能質(zhì)量治理需求受負(fù)荷用電水平、電能質(zhì)量發(fā)射水平、電壓等級(jí)等多維信息的影響。經(jīng)過多次梳理和業(yè)務(wù)分析,篩選得到的3 類標(biāo)簽如表1 所示。

表1 中用電行為標(biāo)簽的計(jì)算表達(dá)式如下。

表1 電能質(zhì)量需求畫像標(biāo)簽Table 1 Tags of power quality demand portrait

日最大、最小負(fù)荷：

日平均負(fù)荷：

日負(fù)荷率：

日峰谷差率：

2.2.2 電能質(zhì)量特征標(biāo)簽的統(tǒng)一量化

干擾源電能質(zhì)量發(fā)射水平的量化是刻畫用戶電能質(zhì)量特征、實(shí)現(xiàn)需求畫像的基礎(chǔ)。目前比較傳統(tǒng)的做法是直接對(duì)用戶電能質(zhì)量特征監(jiān)測(cè)值進(jìn)行評(píng)估,得到“優(yōu)質(zhì)/良好/中等/合格/不合格”5 級(jí)評(píng)估指標(biāo)［29］。其缺點(diǎn)是無法對(duì)不同電壓等級(jí)用戶以及不同電能質(zhì)量特征進(jìn)行直觀比較。為此,本文提出一種電能質(zhì)量特征標(biāo)簽的統(tǒng)一量化方法。

1）95%基準(zhǔn)比：本文將單項(xiàng)電能質(zhì)量特征監(jiān)測(cè)值的95%概率大值相對(duì)國(guó)標(biāo)限值的比值作為參考值,用Ifi表示,表達(dá)式如式（20）所示。

式中：lfi,T(95%)為電能質(zhì)量特征fi（包括電壓偏差、三相不平衡、閃變、總諧波電壓畸變率）在監(jiān)測(cè)時(shí)段T內(nèi)的95%概率大值；Lfi為對(duì)應(yīng)的電能質(zhì)量特征fi的國(guó)標(biāo)限值。當(dāng)95%基準(zhǔn)比大于1 時(shí),表明該干擾源的fi指標(biāo)超標(biāo)。

2）電能質(zhì)量發(fā)射水平的統(tǒng)一量化表示。百分制及60 分及格線是普遍接受的評(píng)分標(biāo)準(zhǔn),本文將95%基準(zhǔn)比轉(zhuǎn)化為百分制型數(shù)值,用PQS,fi表示,如式（21）所示。

式（21）表 明,當(dāng)lfi,T(95%) 為 國(guó) 標(biāo) 限 值 時(shí),PQS,fi=60；當(dāng)lfi,T(95%)＜1.667Lfi時(shí),得 到 的 結(jié) 果范圍是［0,100）的連續(xù)區(qū)間；當(dāng)lfi,T(95%)≥1.667Lfi時(shí),得分均為最嚴(yán)重的100 分。

該方法不僅可以直接比較不同電壓等級(jí)下各電能質(zhì)量問題的嚴(yán)重程度,還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電能質(zhì)量特征的橫向比較。如10 kV 側(cè)用戶A1 的諧波電壓畸變率為4.36%,35 kV 側(cè)用戶A2 的諧波電壓畸變率為3.68%,僅從數(shù)值上看,可能誤認(rèn)為用戶A1的諧波問題更嚴(yán)重,但通過與不同電壓等級(jí)限值對(duì)比,實(shí)際上用戶A2 的情況更嚴(yán)重。本文所提方法計(jì)算用戶A1、A2 的量化結(jié)果分別為65.4、73.6,能直接體現(xiàn)用戶A2 的諧波問題更嚴(yán)重。又比如某用戶電壓偏差為7.5%,三相不平衡度為2.9%,采用本文方法的量化結(jié)果分別為64.29、87,直接體現(xiàn)該用戶的三相不平衡問題更嚴(yán)重。

2.2.3 用戶綜合用電水平的統(tǒng)一量化

研究表明,日最大負(fù)荷較日最小負(fù)荷更能反映用戶用電特性,因此本文使用{Pmax,Pavg,ravg,rpv}刻畫用戶的用電水平［30］。它們的量綱明顯不同,需進(jìn)行如下量化處理：

式中：Sg為用戶第g個(gè)用電水平特征量化結(jié)果為用戶的第g個(gè)用電水平特征的平均值；fg,max、fg,min分別為第g個(gè)用電水平特征的最大、最小值。

此外,用戶的供電電壓等級(jí)也在一定程度上體現(xiàn)了用戶用電重要程度、用電量等信息,為此構(gòu)建綜合用電水平特征：

式中：Sv為電壓等級(jí)量化結(jié)果,當(dāng)Sv的取值為20、40、60、80 時(shí),分別對(duì)應(yīng)低壓、中壓、高壓、超高壓。wv和wg為權(quán)重,本文均取0.2。

2.3 電能質(zhì)量需求畫像結(jié)果分析

本文通過構(gòu)建“綜合用電水平-電能質(zhì)量發(fā)射水平圖”,根據(jù)用戶在圖中的分布情況,刻畫干擾源的治理需求類型（具體見附錄A 圖A1）。

一般而言,電能質(zhì)量發(fā)射水平超過國(guó)標(biāo)限值（PQS,fi=60）的區(qū)域是值得關(guān)注的部分。用戶電壓等級(jí)越高、負(fù)荷越大,其用電水平也就更高,文中取Sˉ=60 為綜合用電水平的分界標(biāo)準(zhǔn)。附錄A 圖A1所示的綜合用電水平-電能質(zhì)量發(fā)射水平圖是一個(gè)四區(qū)域圖,每個(gè)區(qū)域的含義如表2 所示。

表2 電能質(zhì)量治理需求類型Table 2 Demand type for power quality governance

2.4 電能質(zhì)量需求畫像的應(yīng)用場(chǎng)景

將需求畫像結(jié)果應(yīng)用到具體服務(wù)系統(tǒng)中,如決策分析系統(tǒng)、電力營(yíng)銷系統(tǒng)和供電服務(wù)系統(tǒng)等,可實(shí)現(xiàn)服務(wù)信息的精準(zhǔn)推送,有效保障差異化營(yíng)銷服務(wù)的落地應(yīng)用［28］。服務(wù)內(nèi)容主要包括以下3 個(gè)方面。

1）提供最優(yōu)治理決策咨詢服務(wù)

畫像結(jié)果可以為配電網(wǎng)電能質(zhì)量的治理提供定性、定量的理論依據(jù)。根據(jù)不同干擾源的電能質(zhì)量治理需求程度,電網(wǎng)公司可以采取不同的治理措施,實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量治理的最優(yōu)決策。

2）提供精準(zhǔn)個(gè)性化增值服務(wù)

治理需求畫像結(jié)果可為“基礎(chǔ)性+增值性”用電用能產(chǎn)品套餐提供參考依據(jù)。通過本文方法,電網(wǎng)公司可有針對(duì)性地為潛在需求用戶提供增值服務(wù)套餐,有助于售電市場(chǎng)提升企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,提高經(jīng)營(yíng)效率和經(jīng)營(yíng)效益。

3）提供節(jié)能建議以減少損耗

諧波、三相不平衡等電能質(zhì)量問題會(huì)造成不同程度的能量損耗。本文分析結(jié)果可為供、用電雙方提供具有針對(duì)性的節(jié)能建議,減少能量的損耗,給供、用電雙方帶來可觀經(jīng)濟(jì)效益。

3 算例分析

3.1 數(shù)據(jù)來源

為了驗(yàn)證本文所提干擾源類型識(shí)別方法及電能質(zhì)量需求畫像技術(shù)的有效性和正確性,以中國(guó)東部某大型城市某區(qū)域的8 個(gè)典型電力用戶的實(shí)際電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行算例分析。用戶基本信息見附錄A 表A1。

3.2 干擾源類型識(shí)別

1）互信息計(jì)算及排序

由式（5）—式（7）計(jì)算各用戶用電水平特征與電能質(zhì)量特征的互信息,其中用戶1 的計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 用戶1 的互信息計(jì)算結(jié)果Table 3 Mutual information calculation results for user 1

由表3 可以計(jì)算出該用戶各電能質(zhì)量特征與用電水平的互信息的平均水平為1.323 4,其中特征f1、f4、f5與用戶用電水平的互信息值均超過了平均水平,即該用戶可能同時(shí)為電壓偏差源和諧波源,需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

2）LSRS 指標(biāo)驗(yàn)證

由式（12）—式（15）對(duì)F＇中的特征進(jìn)行驗(yàn)證,得到各用戶的干擾源類型如表4 所示。

表4 干擾源類型識(shí)別結(jié)果Table 4 Recognition result of interference source type

事實(shí)上,軋機(jī)運(yùn)行時(shí)伴隨著較大的無功沖擊,同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量高次諧波、電壓波動(dòng)和閃變等電能質(zhì)量問題［31］,是典型的電壓偏差源和諧波源,與本文對(duì)用戶3 和用戶4 的識(shí)別結(jié)果吻合,證明了所提方法的正確性。通過走訪用戶1 和用戶2,其硅晶圓制造的三大環(huán)節(jié)包括硅提煉及提純、單晶硅生長(zhǎng)、晶圓成型。第1 環(huán)節(jié)含有電弧爐,是公認(rèn)的諧波源,驗(yàn)證了本文對(duì)用戶1 和用戶2 的識(shí)別結(jié)果。風(fēng)電場(chǎng)、換流站等用戶的情況不再贅述。

3.3 干擾源電能質(zhì)量需求畫像結(jié)果

3.3.1 特征量化結(jié)果

表5 為本文方法計(jì)算得出的8 個(gè)用戶的各項(xiàng)電能質(zhì)量特征評(píng)分結(jié)果?？梢钥闯?用戶各電能質(zhì)量特征評(píng)分結(jié)果都在0～100 以內(nèi),評(píng)分越小造成的電能質(zhì)量問題越小,其中只有用戶5 的電壓偏差與用戶6、7、8 的諧波電壓畸變率評(píng)分超過了60,其余都在60 以內(nèi)。

表5 用戶電能質(zhì)量特征標(biāo)簽評(píng)分結(jié)果Table 5 Scoring results of user power quality feature tags

表6 為用戶用電水平的量化情況。Sˉ的評(píng)分值越小說明用戶的用電水平越小,由此可以看出,用戶8 的用電水平最大,其余用戶用電水平相差不大。

表6 用戶用電水平量化結(jié)果Table 6 Quantified results of user power consumption level

3.3.2 需求畫像結(jié)果可視化

本文采用雷達(dá)圖、干擾源綜合用電水平-電能質(zhì)量發(fā)射水平圖2 種圖形化方法,實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量需求畫像結(jié)果的可視化。

將表5 中各用戶的4 項(xiàng)電能質(zhì)量特征以雷達(dá)圖［32］方式展現(xiàn),結(jié)果見附錄A 圖A2。圖中紅色虛線構(gòu)成的菱形邊界為4 項(xiàng)電能質(zhì)量特征的國(guó)標(biāo)限值,菱形區(qū)域內(nèi)的值均滿足國(guó)標(biāo)限值,區(qū)域外則超標(biāo)。同時(shí),將用戶評(píng)分結(jié)果繪制于綜合用電水平-電能質(zhì)量發(fā)射水平圖中,得到的結(jié)果如圖4 所示。

圖4 需求畫像結(jié)果展示Fig.4 Demand portrait result display

分析附錄A 圖A2 和圖4 可知：

1）所有用戶的電壓閃變值與三相不平衡度都很小,符合一般實(shí)際情況；

2）用戶1、用戶3 和用戶4 的各電能質(zhì)量特征在附錄A 圖A2 紅色區(qū)域以內(nèi),說明這幾類用戶的電能質(zhì)量發(fā)射水平較低,不會(huì)給電網(wǎng)造成嚴(yán)重干擾；

3）用戶5 的電壓偏差問題較為嚴(yán)重,其余用戶均未超過國(guó)家限值,但是用戶2、用戶4 以及用戶8都處于臨界位置,需加強(qiáng)管理；

4）用戶2、用戶6、用戶7 和用戶8 的電壓畸變率都超過限值,說明這幾個(gè)用戶的正常運(yùn)行會(huì)給電網(wǎng)造成諧波污染,并且根據(jù)雷達(dá)圖的周長(zhǎng)和面積,各用戶對(duì)電網(wǎng)造成的影響程度為：用戶8＞用戶6＞用戶7＞用戶2；

5）用戶8 的諧波特征位于區(qū)域Ⅱ,其治理需求類型為強(qiáng)烈需求型；用戶6、7 的諧波特征、用戶5 的電壓偏差特征位于區(qū)域Ⅳ,其治理需求類型為輕度需求型；其余均位于區(qū)域Ⅰ、Ⅲ屬于無需求型。

4 適用性分析

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

搭建雙饋風(fēng)機(jī)并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),對(duì)所提方法進(jìn)行適用性分析。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)見附錄A 圖A3,主要包括電源模塊、風(fēng)機(jī)動(dòng)力模塊和風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制模塊。

電源模塊：采用可編程電源（型號(hào)：BriPower KGS）模擬電網(wǎng)。該電源可在DC 2 kHz（標(biāo)準(zhǔn)1 kHz,此處取為2 kHz）的頻率范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)輸出300 V 相電壓。實(shí)驗(yàn)設(shè)置電壓頻率為50 Hz,三相電壓有效值為220 V。

風(fēng)機(jī)動(dòng)力模塊：采用2 臺(tái)電機(jī)對(duì)拖的方式模擬雙饋風(fēng)機(jī)的并網(wǎng)運(yùn)行,通過一臺(tái)原動(dòng)機(jī)模擬風(fēng)機(jī)出力,拖動(dòng)另一臺(tái)異步電機(jī)發(fā)電。實(shí)驗(yàn)?zāi)M的雙饋風(fēng)機(jī)主要參數(shù)見附錄A 表A2。通過設(shè)置風(fēng)速調(diào)整軟件的風(fēng)速模型,模擬風(fēng)機(jī)不同出力下的運(yùn)行特性。實(shí)驗(yàn)中采用的風(fēng)速模型見附錄A 圖A4。

風(fēng)機(jī)并網(wǎng)控制模塊：網(wǎng)側(cè)變換器和機(jī)側(cè)變換器采用雙脈寬調(diào)制控制,其中電流控制器的比例增益為5、積分增益為0.000 1。

為了分析文中干擾源類型識(shí)別算法的適用性,實(shí)驗(yàn)主要分析了以下2 種場(chǎng)景：

場(chǎng)景1：新能源并網(wǎng)場(chǎng)景的適用性。主要是為了驗(yàn)證本文方法對(duì)風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站等為代表的新能源并網(wǎng)擾動(dòng)源的識(shí)別效果。實(shí)驗(yàn)中將背景諧波設(shè)置為零,僅考慮負(fù)荷側(cè)擾動(dòng)。

場(chǎng)景2：背景諧波的適用性。為了驗(yàn)證本文方法在背景諧波下的適用性,應(yīng)用可編程電源分別加入3、5、7 次諧波,每次諧波電壓含有率的變化梯度為5%,驗(yàn)證識(shí)別效果。

在并網(wǎng)點(diǎn)安裝電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)裝置,記錄諧波、三相不平衡、電壓偏差等電能質(zhì)量指標(biāo),用以進(jìn)行擾動(dòng)源識(shí)別。

4.2 場(chǎng)景1：新能源并網(wǎng)場(chǎng)景的適用性

場(chǎng)景1 的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果如圖5 所示。以諧波電流總畸變率為例進(jìn)行說明。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)輸出功率或停機(jī)（圖中陰影部分）的時(shí)刻,諧波電流總畸變率為實(shí)驗(yàn)階段錄到的峰值；隨著風(fēng)電場(chǎng)輸出功率的增加（圖中非陰影部分）,諧波電流總畸變率會(huì)逐漸減少,證明用戶諧波電流總畸變率與有功功率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外,由式（12）—式（14）計(jì)算可得,有功功率、無功功率與諧波電壓、電流總畸變率之間的相關(guān)性分別為0.832 5、0.903 6、0.494 1、0.479 5,計(jì)算結(jié)果說明其相關(guān)程度較高。進(jìn)一步計(jì)算其他電能質(zhì)量指標(biāo)的互信息,可識(shí)別出該并網(wǎng)風(fēng)機(jī)為諧波源。結(jié)果驗(yàn)證了本文方法適用于負(fù)相關(guān)擾動(dòng)源的識(shí)別。

圖5 場(chǎng)景1 下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果Fig.5 Analysis results of measured data in scenario 1

4.3 場(chǎng)景2：背景諧波的適用性

應(yīng)用場(chǎng)景2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析不同背景諧波含量下所提方法的適用性。如圖6 所示,背景諧波含量對(duì)所提方法的計(jì)算結(jié)果有所影響,且各次諧波的影響程度不同。對(duì)于3 次背景諧波來說,諧波電壓含有率增大對(duì)計(jì)算結(jié)果影響不是特別明顯,3 次背景諧波電壓含有率在0%～15%時(shí),計(jì)算結(jié)果都處于0.8 以上,大于15%時(shí)計(jì)算結(jié)果開始快速下降,到20%時(shí)計(jì)算結(jié)果已經(jīng)近似為零。說明3次背景諧波含量超過15%的情況下,所提方法已不能識(shí)別擾動(dòng)源。

分析5 次和7 次背景諧波的影響。在諧波電壓含有率增加到5% 時(shí),計(jì)算結(jié)果已經(jīng)下降至0.6,在諧波含有率增至10%時(shí),結(jié)果已經(jīng)下降至0 左右。由圖6 可知,在5 次和7 次背景諧波下,大于5%左右的諧波電壓含有率會(huì)直接影響所提方法的有效性。但是,實(shí)際系統(tǒng)中諧波畸變率長(zhǎng)期超過5%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)非常少。附錄A 圖A5 為某區(qū)域電網(wǎng)總諧波電壓畸變率實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果,其中包括4 個(gè)10 kV 監(jiān)測(cè) 點(diǎn)、2 個(gè)35 kV 監(jiān) 測(cè) 點(diǎn)、4 個(gè)110 kV 監(jiān) 測(cè) 點(diǎn) 和3 個(gè)220 kV 監(jiān)測(cè)點(diǎn),負(fù)荷包含風(fēng)電場(chǎng)、光伏電站、牽引變電站等,具有一定代表性。由實(shí)測(cè)值可知,該區(qū)域電網(wǎng)總諧波畸變率超過5%的概率接近0,相應(yīng)地,背景諧波電壓含有率會(huì)更低。所以,絕大多數(shù)情況下,所提方法能夠有效識(shí)別擾動(dòng)源,在實(shí)際工程中具有適用性。

圖6 不同背景諧波下的互信息計(jì)算結(jié)果Fig.6 Mutual information calculation results with different background harmonics

另外,實(shí)驗(yàn)中未考慮背景諧波的時(shí)變性,發(fā)出的各次諧波值恒定,即背景諧波未改變PCC 諧波電壓的整體變化趨勢(shì)。但是在實(shí)際運(yùn)行中,背景諧波具有時(shí)變性,對(duì)PCC 的諧波變化情況可能造成更大影響。第3 章的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證中,所提方法未明顯受到上述因素影響,但上述因素影響的量化研究還應(yīng)進(jìn)一步開展。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于最大互信息的干擾源類型識(shí)別及電能質(zhì)量需求畫像技術(shù),并采用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)該方法進(jìn)行了驗(yàn)證,主要工作如下：

1）提出了一種基于最大互信息的干擾源類型識(shí)別方法,可以在一定背景諧波的影響下進(jìn)行干擾源類型識(shí)別。

2）構(gòu)建了干擾源電能質(zhì)量需求畫像標(biāo)簽體系,實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量特征和用電水平特征的統(tǒng)一量化,克服了傳統(tǒng)等級(jí)劃分方法無法橫向、量化比較的不足。

3）提出了一種用于刻畫干擾源電能質(zhì)量需求治理程度的文本型標(biāo)簽。構(gòu)建了干擾源綜合用電水平-電能質(zhì)量發(fā)射水平圖,實(shí)現(xiàn)了對(duì)用戶各項(xiàng)電能質(zhì)量問題的治理需求類型的判斷。

背景諧波時(shí)變性對(duì)所提方法的量化影響是下一步值得研究的問題。此外,本文方法未考慮暫態(tài)電能質(zhì)量問題,進(jìn)一步的研究工作是擴(kuò)大研究對(duì)象,建立包含暫態(tài)干擾源與穩(wěn)態(tài)干擾源的電能質(zhì)量需求畫像體系。

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