一种配电网电能质量治理优化配置方法及系统

1.本发明属于配电网电能质量治理优化配置技术领域，具体涉及一种配电网电能质量治理优化配置方法及系统。


背景技术：

2.随着大量分布式电源、非线性负荷以及大功率单相用户接入配电网，以电压偏差、谐波电流以及三相不平衡为主的电能质量问题日渐突出，电网的经济性以及电气设备利用率降低。在此背景下，对配电网电能质量治理装置进行优化配置具有重要意义。
3.目前对于电能质量优化策略的研究大多集中于单个电能质量指标的治理，例如，通过解耦优化的控制策略值治理配电台区低电压问题；通过粒子群算法优化配置有源电力滤波器治理谐波；有些学者提出了一种考虑激励性需求响应的台区三相负载不平衡优化治理方法。而电能质量多指标优化领域研究尚浅，为了衡量多指标优化治理效果，需要对电能质量进行综合评估，国内外学者定义了电能质量评估方法，部分学者利用层次分析法对公共连接点的电能质量进行综合评估，或是构建了一种基于分布式发电系统电能质量综合评估模型，并利用突变决策方法实现其综合评估。上述学者对待评估指标进行了综合评估，在一定程度上实现了电能质量的综合治理，但上述方法中待评估指标对应的权重均出于决策者主观判断，只能反映各指标之间的相对重要性，缺乏客观性。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种配电网电能质量治理优化配置方法及系统，基于配电网的电压偏差、谐波电流以及三相不平衡由层次分析法和熵权法进行电能质量的综合评估，以配电网电能质量综合指标最佳以及设备投入经济性最优为目标函数，最后利用萤火虫算法进行求解，得到最优的配置方案。
5.本发明采用如下的技术方案：
6.一种配电网电能质量治理优化配置方法，包括以下步骤：
7.步骤1，建立配电网电能质量评估体系，选取配电网的电压偏差、谐波电流畸变率、各次谐波电流含有率和三相不平衡度作为配电网电能质量评估指标，计算出相应的电能质量指标值；
8.步骤2，对步骤1得到的配电网电能质量指标值进行归一化处理；
9.步骤3，采用层次分析法对各项配电网电能质量指标进行权重计算，引入熵权法进行客观赋权优化权重结果；
10.步骤4，通过设定目标函数和设置约束条件，构建配电网电能质量治理优化配置模型；
11.步骤5，对配电网电能质量治理优化配置模型采用萤火虫算法求取最优解，得到配电网电能质量评估体系中的各项电能质量治理指标最优的配置方案。
12.优选地，所述的配电网的电压偏差δu的计算方式如下：
[0013][0014]
式中，un为节点n的电压标幺值，n为配电网节点数量，u
n，n
为n节点电压有效值。
[0015]
优选地，所述的配电网的谐波电流畸变率thd1的计算方式如下：
[0016][0017]
式中，in为n节点电流标幺值，i
n，1
为n节点基波电流有效值，n为配电网节点数量。
[0018]
优选地，所述的配电网的各次谐波电流含有率hrih的计算方式如下：
[0019][0020]
式中，i
n，h
为n节点第h次谐波电流有效值，n为配电网节点数量。
[0021]
优选地，所述的配电网的三相不平衡度g的计算方式如下：
[0022][0023]
式中，i
max
为节点最大相的电流，i
min
为节点最小相的电流，n为配电网节点数量。
[0024]
优选地，步骤2中配电网评估指标归一化处理的具体方法为：
[0025][0026]
式中，表示经过归一化处理后的配电网评估指标数据，yi表示归一化处理之前的配电网评估指标原始数据，代表配电网评估指标数据的均值，为配电网评估指标数据的方差，θ为非零常数。
[0027]
优选地，步骤3具体包括：
[0028]
步骤3.1，建立层次分析法的判断矩阵，根据实际用电侧需求，判断配电网电能质量各项指标的重要程度，层次分析法的判断矩阵r＝[r
ij
]，其计算公式如下：
[0029][0030]
式中，r为互反矩阵，且r
ij
＞0，ti为第i个因素与第i+1个指标相比较的标度值；
[0031]
根据层次分析法的判断矩阵r计算出各项配电网电能质量指标层次分析法下的权重值：
[0032][0033]
式中，ωi为第i个指标的主观权重，a为参与判断的因素个数；
[0034]
步骤3.2，根据步骤3.1所得到的层次分析法下的各项配电网电能质量指标的权重值ωi，选用熵权法进行优化，提高评估结果的客观性，计算方式如下：
[0035][0036]
式中，εi为指标i标准化后的比重，ηi为指标i的熵信息，φi为第i个因素的客观权重。
[0037]
优选地，所述的步骤4中配电网电能质量综合指标最优目标函数为：
[0038]
min of＝of
qe
+of
he
+of
ie
[0039]
其中，of
qe
为配电网电压偏差治理效果，of
he
为配电网谐波电流治理效果，of
ie
为配电网三相不平衡治理效果；
[0040][0041]
式中，ibm为节点m的三相不平衡度；sm为节点m的容量标幺值；m为有源配电网节点数量；为权重系数；p
loss
为配电网网络有功损耗；δv为平均电压偏差；ov为电压；thd1为谐波电流畸变率；hrih为各节点谐波含量；
[0042]
所述设备投入经济性最优目标函数为：
[0043]
min oc＝of
qc
+of
hc
+of
ic
[0044]
式中，of
qc
为无功补偿投入设备成本，of
hc
为有源电力滤波器设备投入成本，of
ic
为换相开关设备投入成本。其所述无功补偿容量约束、有源电力滤波器补偿容量约束和换相开关使用次数约束，计算公式如下：
[0045][0046]
式中，q
nc
为节点n待补偿无功容量；q
n0
为节点n智能电容器的额定容量；q
limit
为最
小允许补偿无功容量；i
limit
为允许投入apf的最小补偿容量；im为待补偿电流的有效值；为向上取整；s0为每台投入的有源电力滤波器的固定容量，dn为节点n的开关动作状态。
[0047]
优选地，所述的步骤5中配电网电能质量治理优化配置模型求解最优解的具体方法为：
[0048]
步骤5.1：初始化萤火虫算法参数；
[0049]
步骤5.2：设定萤火虫初始位置及发光强度；
[0050]
步骤5.3：不断判别是否达到最优条件；并更新萤火虫位置及新萤火虫的发光强度；
[0051]
不断重复步骤5.3直到满足条件，此时的萤火虫位置和发光强度就是最优的配电网电能质量治理指标配置方案。
[0052]
一种配电网电能质量治理优化配置系统，包括评估指标构建模块、权重计算及优化模块、配电网电能质量治理优化配置模块。
[0053]
评估指标构建模块，建立配电网电能质量评估体系，选取配电网的电压偏差、谐波电流畸变率、各次谐波电流含有率和三相不平衡度作为配电网电能质量评估指标，计算出相应的电能质量指标值；
[0054]
权重计算及优化模块，采用层次分析法对各项配电网电能质量指标进行权重计算，引入熵权法进行客观赋权优化权重结果；
[0055]
配电网电能质量治理优化配置模块，设定目标函数和设置约束条件，构建配电网电能质量治理优化配置模型，对配电网电能质量治理优化配置模型采用萤火虫算法进行最优解求取。
[0056]
本发明的有益效果如下所示：
[0057]
本发明提出了一种配电网电能质量治理优化配置方法及系统。首先，利用熵权法降低层次分析法下的配电网电能质量各项指标权重带来的主观性，使评估结果更加具备客观性；其次，充分考虑配电网电能质量综合评判指标与设备投入成本，以配电网运行状况和设备投入状况作为约束，构建了配电网电能质量治理优化配置模型；最后，使用萤火虫算法对模型进行求解，提高了收敛速度和精度，实现了对配电网电能质量治理最优配置。
附图说明
[0058]
图1是本发明一种配电网电能质量治理优化配置方法流程示意图；
[0059]
图2是本发明中配电网电能质量治理优化配置模型求解算法流程图。
具体实施方式
[0060]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本技术所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
[0061]
如图1所示，一种配电网电能质量治理优化配置方法，包括以下步骤：
[0062]
步骤1：建立配电网电能质量评估体系；选取配电网的电压偏差δu、谐波电流畸变
率thd1、各次谐波电流含有率hrih和三相不平衡度g作为配电网电能质量评估指标，计算出相应的电能质量指标值；
[0063]
配电网的电压偏差δu的计算方式如下：
[0064][0065]
式中，un为节点n的电压标幺值，n为配电网节点数量，u
n,n
为n节点电压有效值。
[0066]
配电网的谐波电流畸变率thd1的计算方式如下：
[0067][0068]
式中，in为n节点电流标幺值，i
n,1
为n节点基波电流有效值。
[0069]
配电网的各次谐波电流含有率hrih的计算方式如下：
[0070][0071]
式中，i
n,h
为n节点第h次谐波电流有效值。
[0072]
配电网的三相不平衡度g的计算方式如下：
[0073][0074]
式中，i
max
为节点最大相的电流，i
min
为节点最小相的电流。
[0075]
步骤2：对经过步骤1建立的配电网电能质量评估体系进行指标归一化处理，减少量纲不统一而带来不必要问题的出现；归一化处理的具体方法为：
[0076][0077]
式中，表示经过归一化处理后的配电网评估指标数据，yi表示归一化处理之前的配电网评估指标原始数据，代表配电网评估指标数据的均值，为配电网评估指标数据的方差，θ为非零常数。
[0078]
步骤3：采用层次分析法对各项配电网电能质量指标进行权重计算，并引入熵权法进行客观赋权优化权重结果；其结果如表1所示。
[0079]
步骤3.1，建立层次分析法的判断矩阵，根据实际用电侧需求，判断配电网电能质量各项指标的重要程度，层次分析法的判断矩阵r＝[r
ij
]，其计算公式如下：
[0080][0081]
式中，r为互反矩阵，且r
ij
＞0，ti为第i个因素与第i+1个指标相比较的标度值，r
ij
为第i个元素与第j个元素相比较的标度值，满足如下约束条件：
[0082][0083]
根据层次分析法的判断矩阵r计算出各项配电网电能质量指标层次分析法下的权重值：
[0084][0085]
式中，ωi为第i个指标的主观权重，a为参与判断的因素个数。
[0086]
步骤3.2，根据步骤3.1所得到的层次分析法下的各项配电网电能质量指标的权重值ωi，选用熵权法进行优化，提高评估结果的客观性，计算方式如下：
[0087][0088]
式中，εi为指标i标准化后的比重，ηi为指标i的熵信息，φi为第i个因素的客观权重。
[0089]
表1熵权法优化后配电网电能质量指标分析法下的权重结果
[0090][0091]
步骤4：通过设定目标函数和设置约束条件，构建配电网电能质量治理优化配置模型；
[0092]
所述目标函数包括配电网电能质量综合指标最优目标函数以及设备投入经济性最优目标函数；所述约束条件包括无功补偿容量约束、有源电力滤波器(apf)补偿容量约束和换相开关使用次数约束；
[0093]
所述配电网电能质量综合指标最优目标函数根据步骤3综合评估结果计算获得；
[0094]
配电网电能质量综合指标最优目标函数为：
[0095]
min of＝of
qe
+of
he
+of
ie
[0096]
其中，of
qe
为配电网电压偏差治理效果，of
he
为配电网谐波电流治理效果，of
ie
为配电网三相不平衡治理效果；各目标函数表达式如下：
[0097][0098]
式中，ibm为节点m的三相不平衡度；sm为节点m的容量标幺值；m为有源配电网节点数量；为步骤3.2的权重系数；p
loss
为配电网网络有功损耗；δv为平均电压偏差；ov为电压；thd1为步骤1中谐波电流畸变率；hrih为步骤1中各节点谐波含量。其中，节点的三相不平衡度ibm用公式可以表示为：
[0099][0100]
式中，i2为节点m的负序电流，i1为节点m的正序电流。配电网网络有功损耗可用公式表示为：
[0101][0102]
式中，g
ij
为节点i和j之间的电导，ui，uj为节点i和节点j的电压有效值，θ
ij
为节点i和节点j的电压相位差。
[0103]
所述设备投入经济性最优目标函数为：
[0104]
min oc＝of
qc
+of
hc
+of
ic
[0105]
式中，of
qc
为无功补偿投入设备成本，of
hc
为有源电力滤波器(apf)设备投入成本，of
ic
为换相开关设备投入成本。各个目标函数对应的分别是无功补偿容量约束、有源电力滤波器(apf)补偿容量约束和换相开关使用次数约束。
[0106]
表达式如下；
[0107][0108]
式中，q
nc
为节点n待补偿无功容量；q
n0
为节点n智能电容器的额定容量；q
limit
为最小允许补偿无功容量；i
limit
为允许投入apf的最小补偿容量；im为待补偿电流的有效值；为向上取整，s0为每台投入的有源电力滤波器(apf)的固定容量；dn为节点n的开关动作状态。
[0109]
步骤5：对步骤4所搭建的配电网电能质量治理优化配置模型采用萤火虫算法进行最优解求取，得到配电网电能质量治理指标最优的配置方案。
[0110]
如图2所示，配电网电能质量治理优化配置模型求解最优解的具体方法为：
[0111]
步骤5.1：初始化萤火虫算法参数；
[0112]
步骤5.2：设定萤火虫初始位置及发光强度；
[0113]
步骤5.3：不断判别是否达到最优条件；并更新萤火虫位置及新萤火虫的发光强度。
[0114]
不断重复步骤5.3直到满足条件，此时的萤火虫位置和发光强度就是最优的配电网电能质量治理指标最优的配置方案。
[0115]
一种配电网电能质量治理优化配置系统，包括评估指标构建模块、权重计算及优化模块、配电网电能质量治理优化配置模块。
[0116]
评估指标构建模块，建立配电网电能质量评估体系，选取配电网的电压偏差、谐波电流畸变率、各次谐波电流含有率和三相不平衡度作为配电网电能质量评估指标，计算出相应的电能质量指标值；
[0117]
权重计算及优化模块，采用层次分析法对各项配电网电能质量指标进行权重计算，引入熵权法进行客观赋权优化权重结果；
[0118]
配电网电能质量治理优化配置模块，设定目标函数和设置约束条件，构建配电网电能质量治理优化配置模型，对配电网电能质量治理优化配置模型采用萤火虫算法进行最优解求取。
[0119]
本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。
[0120]
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、静态随机存取存储器(sram)、便携式压缩盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能盘(dvd)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
[0121]
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
[0122]
用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(isa)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如smalltalk、c++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“c”语言或类似的编程语言。计算机
可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(fpga)或可编程逻辑阵列(pla)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。
[0123]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种配电网电能质量治理优化配置方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，建立配电网电能质量评估体系，选取配电网的电压偏差、谐波电流畸变率、各次谐波电流含有率和三相不平衡度作为配电网电能质量评估指标，计算出相应的电能质量指标值；步骤2，对步骤1得到的配电网电能质量指标值进行归一化处理；步骤3，采用层次分析法对各项配电网电能质量指标进行权重计算，引入熵权法进行客观赋权，优化权重结果；步骤4，设定配电网电能质量综合指标最优目标函数和设备投入经济性最优目标函数，构建配电网电能质量治理优化配置模型；步骤5，对配电网电能质量治理优化配置模型采用萤火虫算法求取最优解，得到配电网电能质量评估体系中的各项电能质量治理指标最优的配置方案。2.根据权利要求书1所述的一种配电网电能质量治理优化配置方法，其特征在于：所述的配电网的电压偏差δu的计算方式如下：式中，u
n
为节点n的电压标幺值，n为配电网节点数量，u
n,n
为n节点电压有效值。3.根据权利要求书1所述的一种配电网电能质量治理优化配置方法，其特征在于：所述的配电网的谐波电流畸变率thd1的计算方式如下：式中，i
n
为n节点电流标幺值，i
n,1
为n节点基波电流有效值，n为配电网节点数量。4.根据权利要求书1或3所述的一种配电网电能质量治理优化配置方法，其特征在于：所述的配电网的各次谐波电流含有率hri
h
的计算方式如下：式中，i
n,h
为n节点第h次谐波电流有效值，n为配电网节点数量。5.根据权利要求书1所述的一种配电网电能质量治理优化配置方法，其特征在于：所述的配电网的三相不平衡度g的计算方式如下：式中，i
max
为节点最大相的电流，i
min
为节点最小相的电流，n为配电网节点数量。6.根据权利要求书1所述的一种配电网电能质量治理优化配置方法，其特征在于：步骤2中配电网评估指标归一化处理的具体方法为：式中，表示经过归一化处理后的配电网评估指标数据，y
i
表示归一化处理之前的配电网评估指标原始数据，代表配电网评估指标数据的均值，为配电网评估指标数据的方
差，θ为非零常数。7.根据权利要求书1所述的一种配电网电能质量治理优化配置方法，其特征在于：步骤3具体包括：步骤3.1，建立层次分析法的判断矩阵，根据实际用电侧需求，判断配电网电能质量各项指标的重要程度，层次分析法的判断矩阵r＝[r
ij
]，其表达为：式中，r为互反矩阵，且r
ij
＞0，t
i
为第i个因素与第i+1个指标相比较的标度值；根据层次分析法的判断矩阵r计算出各项配电网电能质量指标层次分析法下的权重值：式中，ω
i
为第i个指标的主观权重，a为参与判断的因素个数；步骤3.2，根据步骤3.1所得到的层次分析法下的各项配电网电能质量指标的权重值ω
i
，选用熵权法进行优化，提高评估结果的客观性，计算公式如下：式中，ε
i
为指标i标准化后的比重，η
i
为指标i的熵信息，φ
i
为第i个因素的客观权重。8.根据权利要求书1所述的一种配电网电能质量治理优化配置方法，其特征在于：步骤4中，所述配电网电能质量综合指标最优目标函数为：minof＝of
qe
+of
he
+of
ie
其中，of
qe
为配电网电压偏差治理效果，of
he
为配电网谐波电流治理效果，of
ie
为配电网三相不平衡治理效果；
式中，ib
m
为节点m的三相不平衡度；s
m
为节点m的容量标幺值；m为有源配电网节点数量；为权重系数；p
loss
为配电网网络有功损耗；δv为平均电压偏差；ov为电压；thd1为谐波电流畸变率；hri
h
为各节点谐波含量；所述设备投入经济性最优目标函数为：minoc＝of
qc
+of
hc
+of
ic
式中，of
qc
为无功补偿投入设备成本，of
hc
为有源电力滤波器设备投入成本，of
ic
为换相开关设备投入成本；表达式如下：式中，q
nc
为节点n待补偿无功容量；q
n0
为节点n智能电容器的额定容量；q
limit
为最小允许补偿无功容量；i
limit
为允许投入apf的最小补偿容量；i
m
为待补偿电流的有效值；为向上取整；s0为每台投入的有源电力滤波器的固定容量，d
n
为节点n的开关动作状态,n为配电网节点数量。9.根据权利要求书1所述的一种配电网电能质量治理优化配置方法，其特征在于：所述的步骤5中配电网电能质量治理优化配置模型求解最优解的具体方法为：步骤5.1：初始化萤火虫算法参数；步骤5.2：设定萤火虫初始位置及发光强度；步骤5.3：不断判别是否达到最优条件；并更新萤火虫位置及新萤火虫的发光强度；不断重复步骤5.3直到满足条件，此时的萤火虫位置和发光强度就是最优的配电网电能质量治理指标配置方案。10.一种配电网电能质量治理优化配置系统，用于实现根据权利要求1-9任一项所述一种配电网电能质量治理优化配置方法，包括评估指标构建模块、权重计算及优化模块、配电网电能质量治理优化配置模块，其特征在于：评估指标构建模块，建立配电网电能质量评估体系，选取配电网的电压偏差、谐波电流畸变率、各次谐波电流含有率和三相不平衡度作为配电网电能质量评估指标，计算出相应
的电能质量指标值；权重计算及优化模块，采用层次分析法对各项配电网电能质量指标进行权重计算，引入熵权法进行客观赋权优化权重结果；配电网电能质量治理优化配置模块，设定目标函数和设置约束条件，构建配电网电能质量治理优化配置模型，对配电网电能质量治理优化配置模型采用萤火虫算法进行最优解求取。

技术总结
本发明一种配电网电能质量治理优化配置方法及系统，建立了配电网电能质量评估体系；对建立的配电网电能质量评估体系进行指标归一化处理，减少量纲不统一而带来不必要问题的出现；采用层次分析法对各项配电网电能质量指标进行权重计算，并引入熵权法进行客观赋权优化权重结果；构建配电网电能质量治理优化配置模型；采用萤火虫算法进行最优解求取，得到配电网电能质量治理指标最优的配置方案。本发明不仅考虑了配电网总运行成本，还以配电网各项电能质量指标最优为侧重点，实现配电网电能质量治理优化配置。量治理优化配置。量治理优化配置。


技术研发人员：寿绍安 王波 虎俊 王晓康 王登擎 罗海荣 高博 李永亮 李洋 李超 刘群涛 孔心怡 孙勇
受保护的技术使用者：国网宁夏电力有限公司电力科学研究院 国网宁夏电力有限公司宁东供电公司 国网宁夏电力有限公司 上海交通大学
技术研发日：2023.04.04
技术公布日：2023/7/28