基于改进相对强度熵法的风电场电能质量评估方法研究.pdf

能效管理电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)基于改进相对强度熵法的风电场电能质量评估方法研究*初芯言，郑祥（大连交通大学自动化与电气工程学院，辽宁大连116 0 2 8）摘要：针对风电场电能质量评估中权重分配与评估准确性问题，提出了一种基于改进相对强度法的风电场电能质量评价方法，修正了传统相对强度熵法在熵值接初芯言（19 9 8 一），近于1时，熵权分布存在的不合理情况。将相对强度熵法与层次分析法（AHP)扩展标度法相结合来计算指标权重，从而提高了权重的准确性，修正了熵权分配不合理问题。采用总偏差值最小的优化组合模型对指标和权重进行评估，实现了综合评估风电场的电能质量。算例分析结果表明，所提方法是可靠和合理的，可以对电能质量进行充分评估。关键词：风电场；电能质量；综合评估；炳权；层次分析；权重中图分类号：TM73文献标志码：A文章编号：2 0 9 5-8 18 8（2 0 2 3)0 6-0 0 7 5-0 5D0I:10.16628/ki.2095-8188.2023.06.012Research on Wind Farm Power Quality Evaluation MethodBased on Improved Relative Intensity Entropy Method(Department of Automation and Electrical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)Abstract:A wind farm power quality evaluation method based on improved relative intensity entropy method isproposed to address the issue of weight allocation and accuracy in wind farm power quality evaluation.This correctsthe unreasonable distribution of entropy weight when the traditional relative intensity entropy method approaches 1.The combination of relative intensity entropy method and analytic hierachy process(AHP)extended scaling methodto calculate indicator weights improves the accuracy of weights and corrects the problem of unreasonable entropyweight allocation.The optimized combination model with the minimum total deviation value was used to evaluate theindicators and weights.The comprehensive evaluation of the power quality of wind farms was achieved.The analysisresults of the example show that the proposed method is reliable and reasonable to evaluate the power quality.Key words:wind farm;power quality;comprehensive evaluation;entropy weight;analytic hierarchyprocess(AHP);weight0引言中国在实现“双碳”目标方面面临着重大挑战，而可再生能源的发展是进行绿色低碳发展的重要支持，但随着风电装机容量的不断增长,大量的非线性设备被接入电网。当这些设备运行时，它们会产生大量的电磁干扰，对电网造成严重影郑祥（19 7 9 一），男，副教授，主要研究方向为电力系统控制与保护。*基金项目：2 0 2 2 辽宁省教育厅基本科研项目（LJKMZ20220835）女,硕士研究生,研究方向为电力系统电能质量。CHU Xinyan,ZHENG Xiang响,如电压波动、三相不平衡等 1-3，因此风力发电并网对电能质量的影响不容忽视。目前对风电场电能质量的评估方法主要有物元分析法、概率统计和矢量代数法、模糊数学法、主客观赋权法等 4-7 。物元分析法用途广泛，但关联度的计算比较复杂,容易受到主观因素的影响 8 。概率统计和矢量代数法原理通俗易懂且具有客观性，但一7 5 一电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)能效管理是计算过程复杂,不容易选出基准值,会导致评估结果的准确性降低 9 。模糊数学法把定性指标量化，解决模糊性和不确定性问题，但是对指标关联性引起的信息重复问题没有解决 10-2 。层次分析法（AHP）中隶属度函数的确定由主观因素掌控,忽视了客观因素的存在 13。而熵权法只考虑风力发电电能指标的实际波动情况，忽视了主观想法,且传统相对强度熵法在所有熵值都接近于1时，相邻熵值之间微小的差都会引起熵权成倍数的变化,导致权重分配不合理的问题 14-17 因此,本文采用了AHP扩展标度法与改进相对强度熵法进行组合赋权，同时考虑主客观因素，改进权重分配不合理问题。本文还采用总偏差最小的优化组合模型对指标以及权重进行综合评1A=1/(ri r2)L1/(ri f2 n-1)1/(r2.Tn-1)该判断矩阵具有一致性，可直接用于计算指标权重e,。nnin表1比较标度值rkT含义（两个因素相比重要程度）1.0表示两个指标具有同等重要性1.2表示指标j比指标j-1重要1.4表示指标j比指标i-1稍微重要1.6表示指标j比指标j-1明显重要1.8表示指标i比指标j-1极度重要1.2相对强度熵法确定客观权重及改进1.2.1未相对强度熵法确定客观权重的计算步骤(1)建立原始电能质量评估指标矩阵。bb12b21b22B=：Lbmlbm式中：bj第i个变电站的第j项电能质量评一7 6 一判,最后通过算例证明方法的可行性。1风电场电能质量综合评估1.1AHP扩展标度法确定主观权重的计算步骤(1)确定序关系。将评估指标按相对重要性进行排序。假设有n个评估指标,序关系为：x2n。其中，2表明的重要程度大于2。(2)确定相邻指标的相对重要程度。比较相邻指标x,和xj-1,其标度值记为rk。比较标度值r如表1 所示。(3)权重c,的计算。根据步骤2 中得到的r的值,写出判断矩阵A=a,。1Ti721/T1T21/T21.1/(r3 r4.In-1)(2)数据标准化。高优指标（指标值越大越好）标准化公式：bu-min bj(2)6.*max bi,-min bj低优指标（指标值越小越好）标准化公式：max bi-bibu*=max by-min by其中,i=1,2,m;j=1,2,.,n。评估样本数据经过归一化规范处理后，高优、低优指标均转化为高优正向指标，即最优值为1，最差值为0。(3）熵值计算。计算第j项评估指标的熵值h：Pimbubimmb2Z(Pu log2 Pp)(3)m6mnTi r2.In-1T2 T3.Tn-1r3 r4.Tn-1估指标的指标值。m1og2 Pij(7)log2m10%2i=1m式中：Pi第项指标下第i个评估对象所占(1)1(4)(5)(6)能效管理电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)j项指标的比重。若p;=0,则p,log2P;=0,因此,0 h,1。（4)权重v,计算(计算第j项评估指标的权重）。U;=(8)2(1-h,)j-11.2.2相对强度炳的计算式的改进据式(8)的计算，当指标熵值h;1（i=1,2,m)时,相邻熵值间差得很少,但是对应熵权却成倍数变化,如熵值为(0.9 9 9 7,0.9 9 9 8,0.9 9 9 9)与熵值为（0.7,0.8,0.9）计算所得的熵权均为（0.50 0 0,0.33330.16 6 7），这种情况不符合熵权原理。熵权原理中指出，如果不同指标对应的熵值差得不多，这意味着其提供了相同数量的有用信息,即相应的熵权也应相同。基于此,以下对相对强度熵的式(8)进行改进,即2 h:+1-2 h,+0k=1h.*n式中：0 调整系数,可以取0.0 1。分布0.999 7h;10.999 80.999 90.400 0h,0.50.500 00.600 00.000 1-00.000 20.000 31.3电能质量综合评估方法(1)建立指标体系,指标标准化。(2)计算指标体系的主观权重C=c 1,C 2,c,。(3)计算指标体系的客观权重V*=，2*，,u.*。（4）利用总偏差最小的优化组合模型计算综合权重W=wi,w2,wn。W;=n假设指标和b,其熵值分别为h.和h，熵权分别为u.和u。当ha和h,无限接近时有I*-,*I=1-h,hs+1-2 ha+0)-(Z hs+1-2 h,+0)nn=当和b无限接近且值都接近于1时，分子接近于0,而分母是一个定值,整体趋近于0。因此和b的微小变化不会引起熵权的剧烈变化。不同熵值对应的改进前后的熵权对比如表2 所示。分析表2,根据式(8)算出的改进前熵权可知有以下两点问题：首先，熵值接近于1时，不同组数据计算所得权相同；其次，值接近于1时，相邻熵值间差距不大但是计算所得熵权却成倍数变化。利用式(9)计算所得熵权基本克服了以上(9)两点问题。hs+1-2 h,+0)同理，表2 中嫡值接近于0.5与熵值接近于0时，对比改进前后熵权,发现改进后熵权仍然合理。表2 不同熵值对应的改进前后的熵权对比改进前嫡权改进后权0.500 00.333 40.333 30.333 30.166 70.333 30.400 00.377 50.333 30.333 30.266 70.289 20.333 40.333 40.333 30.333 30.333 30.333 3式中：W一式(11)计算所得综合权重矩阵；P一式(6)计算所得特征比重矩阵。2算例分析本文以国内某大型风电场5个主要的监测点为例：1号金牛变电站;2 号外埔变电站;3号牛头岭变电站；4号竹仔澳变电站；5号大蓝口变电站。(11)某风电场5个变电站（监测点）电能质量指标实测数据 19 如表3所示。一.7 7 一(10)摘值改进前熵权0.700 00.500 00.800 00.333 30.900 00.166 70.200 00.615 40.600 00.307 70.900 00.076 90.100 00.375 00.200 00.333 30.300 00.291 7(5)评判结果。Z=W P改进后权0.370 20.333 30.303 80.488 40.319 20.192 40.388 40.333 30.278 2(12)电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)能效管理由式（12）可算出综合权重Z=（0.2 6 2 0，表3某风电场5个变电站（监测点）0.246 0,0.067 7,0.311 0,0.113 2)。电能质量指标实测数据2.4电能质量评估结果监测点指标1频率偏差/Hz0.09谐波电压/%1.12电压波动/%0.96电压闪变/%0.22电压偏差/%2.53三相不平衡/%0.882.1AHP扩展标度法计算主观权重根据专家建议，将6 个电能质量指标从大到小按照重要性程度排序：频率偏差、谐波电压、电压波动、电压闪变、电压偏差、三相不平衡，确定其标度值:r=1.8,r2=1.4,r，=1,r 4=1.2,r=1.2。由式(1)可算出判断矩阵A为A=1.000 01.800 02.520 02.520 03.024 03.628 80.555 61.00 01.400 01.400 01.680 02.016 00.396 80.714 31.000 01.000 01.200 01.440 00.396 80.714 31.000 01.000 01.200 0 1.440 00.330 70.595 20.833 30.833 31.000 01.200 00.275 60.496 00.694 40.694 40.833 31.000 0由式(2)可算出主观权重矩阵：C=（0.338 4,0.188 0,0.134 3,0.134 3,0.111 9,0.093 1)2.2客观权重的计算由式(6)可算出特征比重矩阵为P=0.222 20.333 30.225 50.088 20.166 70.519 60.298 0 0.238 40.436 60.267 60.084 50.211 30.219 30.363 80.224 30.102 60.256 40.416 7由式(7)可算出熵值H=（0.8 450,0.7 38 7,0.802 1,0.777 8,0.812 3,0.796 9)。由式（9）可算出客观权重V*=（0.16 2 7，0.171 2,0.166 1,0.168 1,0.165 3,0.166 6)。2.3综合权重的确定由式（11）可算出组合权重W=（0.3314，0.193 7,0.134 3,0.135 9,0.111 3,0.093 4)。一7 8 一20.040.190.111.261.180.821.051.410.850.340.47 0.381.663.852.011.070.830.5800.177 80.266 7000.370 90.092.7000.305 60.111 303450.071.351.270.533.181.23由Z,的大小可确定各监测点电能质量的排序：4号 1号 2 号 5号 3号，为了验证本文方法有效性，与文献进行对比分析。4种评估方法的评估结果如表4所示。表44种评估方法的评估结果方法按评估结果降序排列文献 19 2号 1号 5号 4号 3号文献 2 0 2号 4号 1号 5号 3 号文献 2 14号 1号 2 号 5号 3 号本文4号 1号 2 号 5号 3号由表4可知,本文方法得到的评估结果与文献 2 1 中得到的评估结果是一致的,且4种方法均认为3号变电站的电能质量最差。因此,利用本文方法所得电能质量评估结果具有一定的可信度与合理性。3 结语本文采用改进相对强度熵法和AHP扩展标度法确定了风电场电能质量评价指标的权重，并对单一的确定权重方法进行了优化。结果表明，在传统的相对强度熵法中，当所有的熵值都接近于1且相邻熵值差异很小时，熵权的变化是成倍的。本文提出的方法改进了权重分布不当的问题,提高了确定权重的客观性和准确性。本文使用一个总偏差最小的优化组合模型，综合评估指标权重，实现了对风电场的电能质量进行综合评价。算例验证了该方法的客观性和可靠性。【参考文献】1王帅，谢冬梅.风电并网对电能质量影响的简单分析 J.电子技术与软件工程，2 0 18，145（2 3）：220-221.2王红星，王俊，官国飞，等.分布式电源消纳电能质量影响及其权重分析 J.电力电容器与无功补偿,2 0 19,40(3):17 7-18 1.3刘颖明，薛帆，王晓东，等.考虑疲劳分布的风电场超速减载控制策略研究 J.电器与能效管理技术,2 0 2 2(9):38-44.能效管理电器与能效管理技术(2 0 2 3No.6)【4陈伟，何家欢，裴喜平.基于相空间重构和卷积神经网络的电能质量扰动分类 J.电力系统保护与控制,2 0 18,46(14):8 7-9 3.5 三王燕，李群湛，周福林.一种暂态电能质量扰动检测的新方法J.中国电机工程学报，2 0 17,37(24):7121-7132,7426.6弓张明，夏若平，徐诗露，等.主客观变异系数组合赋权的电能质量综合评估方法 J/OL.现代电力，1-72023-02-22.D0I:10.19725/ki.1007-2322.2021.0372.7 李杰.基于合作博奔和改进TOPSIS的电能质量评估方法研究 J.电力系统保护与控制，2 0 18，46(20):109-115.8李李玲玲，刘敬杰，凌跃胜，等.物元理论和证据理论相结合的电能质量综合评估J电工技术学报,2 0 15,30(12):38 3-39 1.9江辉，彭建春，欧亚平，等.基于概率统计和矢量代数的电能质量归一量化与评价 J.湖南大学学报：自然科学版,2 0 0 3,30（1）：6 6-7 0.10贾清泉，宋家骅，兰华，等.电能质量极其模糊方法评价 J.电网技术，2 0 0 0（6）：46-49.11 FARGHALSA,KANDIL M S,ELMITWALLYA.Quantifying electric power quality via fuzzy modelingandanalytichierarchy processing J.I EEProceedings-Generation，andDistribution,2002,149(1):44-49.12 MORSI W G,EL-HAWARY M E.Power qualityevaluationin smart grids considering modern distortionin electricpower systems J.Electric Power SystemsResearch,2011,81(5):1117-1123.13刘自发，韦涛，李梦渔，等.基于改进层次分析法的交、直流微电网综合评估 J.电力自动化设备，2016,36(3):60-66,78.14费科，王晓栋，沙宇晨，等.区域能源互联背景下的主动配电网承载能力评估指标体系研究 J.电器与能效管理技术,2 0 2 2（10）：2 5-31.15杨海云，李珍照，常晓林.基于权的环境影响评价及在水电站建设方案优选的应用 J.长江科学院院报,2 0 0 6(1):2 0-2 3.16 周惠成，张改红，王国利.基于嫡权的水库防洪调度多目标决策方法及应用J.水利学报，2007(1):100-106.【17 冀勇.配电网电能质量评估技术研究 D.广州：广东工业大学，2 0 2 2.18 黄德才，郑河荣.AHP方法中判断矩阵的标度扩展构造法 J.系统工程，2 0 0 3（1）：10 5-10 9.19 胡文锦，武志刚，张尧，等.风电场电能质量分析与评估 J.电力系统及其自动化学报，2 0 0 9，21(4):82-87.20走赵宪，周力行，邓维.改进的层次分析法在含分布式电源系统电能质量综合评估中的应用J.中国电力,2 0 14,47(12):7 2-7 8.Transmission21曾正，杨欢，赵荣祥.基于突变决策的分布式发电系统电能质量综合评估 J.电力系统自动化，2011,35(21):52-57.收稿日期：2 0 2 3-0 3-0 133333333333533333333333335333333333333533338电器与能效管理技术由上海电器科学研究所（集团）有限公司主办，19 59 年创刊，具有专业技术权威的电工技术类全国中文核心期刊，杂志面向2 1世纪新知识经济现状，以低压电器行业为先导，及时、全面地报导国内外低压电器行业的最新科研成果和信息，全力为低压电器的研究、设计、制造、使用、销售和管理等领域打造技术交流和信息传递的新平台。电器与能效管理技术在全国科技期刊界拥有广泛的知名度，历年获奖及入国家重点数据库。依托集团公司雄厚的技术实力和广泛的行业资源，低压电器将不断发挥专业品牌媒体的优势，不断开拓创新，全面服务于行业。第二届中国出版政府奖期刊奖第三届国家期刊奖中国期刊方针 双百 期刊中国科技论文统计用刊（中国科技核心期刊)中国科学引文数据库来源期刊全国中文核心期刊第二届国家期刊奖百种重点期刊2011年获第5届华东地区优秀期刊中国学术期刊光盘版中国学术期刊综合评价数据库来源期刊一7 9 一