一种环状多源配电网的电能质量监测器优化配置方法
【专利摘要】适用于环状多源电网结构拓扑分析的新概念定义，包括正方向、双向等效线路和端点；环状多源电网结构表征矩阵的构建，包括修正邻接矩阵、系统结构矩阵、潮流方向矩阵、监测可观矩阵；权重因子的定义，包括电能质量监测器布置一般性准则归纳、不同端点属性分类及对应权重系数定义；模糊度指标定义，包括系统整体模糊度、部分最大模糊度和监测系统模糊度；电能质量监测器优化配置模型的建立；优化模型的求解，确定系统电能质量监测器最优配置方案。
【专利说明】
-种环状多源配电网的电能质量监测器优化配置方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种环状多源配电网的电能质量监测器优化配置方法，属电气工程和 电能质量领域。
【背景技术】
[0002] 未来智能配电网中，构建能够同时实现多点连续、在线测量W及信息融合的网络 化电能质量监测系统（networked power quality monitoring system,NPQMS)已成为发展 趋势。然而由于资金、技术的限制W及大范围配置电能质量监测器（power qual ity monitor，PQM)带来的数据冗余和通信任务繁重等问题，如何对NPQMS中PQM的数量和安装位 置做出最优选择，即实现PQM的优化配置具有重要意义。
[0003] 目前，与PQM优化配置相关的研究成果较少。少量文献提出了基于图论分析法、节 点分析法等实现PQM优化布置的方法，但普遍仅适用于单电源的福射状配电网络，且仅考虑 电能质量指标的可观性，而未能综合考虑电能质量扰动源(power quality disturbance source, P孤S)定位等高级智能诊断的需求。实际上，一方面，为提高供电的安全可靠性，越 来越多的重要区域负荷采用环形接线形式，同时随着越来越多分布式电源的高渗透率接 入，配电网将普遍变成多源的复杂拓扑结构；另一方面，未来智能电网中NPQMS将更多地要 求实现PQDS自动准确定位等电能质量高级智能诊断功能。专利成果方面，尽管与电能质量 相关的成果很多，但绝大部分集中于电能质量装置，如2015107407598,2014105143834;电 能质量监测系统，如20 13 100476831,2015109143522;电能质量扰动信号分析，如 2015108224005,2014107853645;电能质量评估，如2011102114770,2014106381100;电能质 量扰动识别，如2007100517107,2009102167982;电能质量控制，如2011103534079， 2012105091794;等等。而与PQM优化配置相关的很少，仅申请号为201610017639X的发明专 利提出了一种基于改进粒子群优化算法、计及分布式电源的配电网电能质量监测点配置方 法，但其所提算法也仅适用于单电源福射状拓扑结构的配电网络。本发明专利针对PQM优化 配置问题进行研究，提出一种能够适用于环状多源拓扑结构配网系统，并兼顾PQDS定位等 高级智能诊断功能需求的PQM优化配置方法。
【发明内容】
[0004] 本发明要克服现有PQM优化配置方法不能有效适用于含多电源环状电网的问题， 基于正方向、双向等效线路和端点的定义，W及修正邻接矩阵、潮流方向矩阵的构建实现系 统结构信息的有效表征，定义不同权重因子量化表征各属性端点的重要性程度，建立系统 监测点优化配置模型并通过监测可观矩阵检验系统模糊度，筛选出环状多源网络的PQM最 优配置方案。
[0005] 本发明为实现上述目的，提出了一种能够适用于环状多源配电网络的PQM优化配 置方法，如附图1所示，其过程包括如下步骤：
[0006] 1、定义适用于环状多源电网结构拓扑分析的新概念：与福射状电网结构特点不 同，环状多源电网运行方式和状态具有可变性，部分线路电流流向存在多种可能，从而影响 各节点配置PQM的监测范围，要求将各种可能情况均纳入考虑；
[0007] 步骤101，正方向的规定:为匹配PQDS方向判定方法，需要建立一个固定坐标系，设 定由母线指向线路方向为正方向；
[0008] 步骤102,双向等效线路的定义:将除电源、负载引出线外的每条线路等效成两条 并行双向的具有固定电流流向的线路；
[0009] 步骤103,端点的定义:将线路电流流入端设置为可配置PQM的端点来表示该线路， 即每条线路可等效表示为两个端点；
[0010] 2、环状多源系统结构表征矩阵的构建:基于步骤1环网拓扑分析，分别构建修正邻 接矩阵、系统结构矩阵、潮流方向矩阵、监测可观矩阵描述网络结构，为PQM优化配置提供数 据支撑；
[0011] 步骤201，修正邻接矩阵的构建:邻接矩阵Aorg常用于电力网络拓扑分析，其形式为
ii，i2=l，2,. . . ,Nb为母线节点编号，Nb为系统母线节点数量;矩阵元素 的赋值原则如式（1)所示；因为网络化电能质量监测系统中负载和电源都是重要的监测对 象，需要对邻接矩阵进行适当修正：用母线与等效为母线〇的大巧1讶载;，用 母线与其自身的连接线表示电源;修正邻接矩阵的形式为
为 增加了表示大地的母线0后的系统节点编号;元素自表示环状多源网络中每个端点的结构 编号，其取值表示该端点是否存在，赋值原则如式(2)所示；
[001 ^ n)
[0013] (2)
[0014] 步骤202,系统结构矩阵构建:将疋矩阵中所有有效端点，即的端点，按 行顺序提取出，并将其依次按序标记为新的系统端点符号tj，其中j = l，2，...T为依次按序 标记后的编号，T为有效端点总数量;利用其与母线可共同构成描述各端点与母线间固定 位置关系的系统结构矩阵SsM;SsM是一个TXNb的矩阵，其元素赋值原则如式(3)所示；
[0015；
(3)
[0016] 步骤203,潮流方向矩阵构建:尽管环状多源系统运行方式和状态存在多种可能， 但其绝大多数时间处于正常运行状态，PQM配置需优先保证系统正常运行状态下拓扑结构 的全网可观;通过比较电流方向和设定正方向，可对Ssm矩阵进行修正，得到包含系统潮流信 息的潮流方向矩阵Cdm;Cdm矩阵元素W的赋值原则如式(4)所示，其中j为t撕编号，i为系统 中母线编号；
[0017]
(4)
[0018] 步骤204,系统单距区块划分:考虑系统拓扑结构中，线路密集度对监测点配置的 影响；首先基于系统正常运行状态下反映潮流方向的拓扑结构，对系统线路进行等效间距 处理，选取拓扑结构中相邻母线间最短的线路作为单元距离的标尺，各母线间线路的等效 间距为整数倍单元距离，并W单元间距划分区块，命名为单距区块;单距区块内单元线路数 量指不包含电源和负荷引出线的线路数量；
[0019] 步骤205,监测可观矩阵构建：目标电网完成监测器配置，根据正常运行状态下的 潮流拓扑结构，可构建监测可观矩阵Mgm,用于描述各PQM与各线路间的位置关系，表征各监 测器的可观范围；Mcm矩阵是一个TXM的矩阵，M是监测器数量，其元素 Wr赋值原则如式（5) 所示，其中r为系统中PQM编号；
[0020]
(5)
[0021] 3、权重因子的定义:基于PQM布置一般性准则，系统中不同端点具有不同性质，存 在不同的重要程度;合理定义权重因子量化描述各个端点的重要程度，使各端点的性质能 在优化配置算法中得到体现；
[0022] 步骤301，PQM优化布置原则归纳:根据环状多源网络结构特点并结合考虑PQDS定 位需求，归纳出6条PQM布置一般性准则；
[0023] Al)准则1: (N-I)准则，N为同一母线上连接的线路总数；
[0024] A2)准则2:负载支路上具有更高的权重；
[0025] A3)准则3:电源引出线具有最高的权重；
[0026] A4)准则4:同一条线路上优先只装一个PQM;
[0027] A5)准则5:除负载引出线外与该母线相连的端点小于等于两个，此类端点权重较 低;相应地，与该类端点属于同一线路的端点权重较高；
[00%] A6)准则6:优先满足正常运行状态下全网可观；
[0029] 步骤302,有效端点进行运算编号和属性分类:为提高算法效率，对所有筛选出的 有效端点进行运算编号和属性分类;端点的属性分为电源端点、负荷端点、对向端点和普通 端点;对向端点指除去负荷外与母线相连的端点数量小于等于2的端点，负荷端点包括负荷 引出端点和与对向端点属于同一线路的端点，普通端点即不归属于其余巧巾类型的端点;运 算编号即端点按考虑母线编号和Ssm矩阵中有效端点排序进行编号;若某一端点同时包含两 种属性，则对其属性值进行均一化处理；
[0030] 步骤303,定义权重因子:基于步骤301的一般性准则的说明，系统中不同端点具 有不同性质，存在不同的重要程度;合理定义权重因子量化描述各个端点的重要程度，使各 端点性质能在优化配置算法中得到体现;结合端点属性和编号，定义au，eu，丫 U =个权重 系数量化表征PQM配置一般性准则:Pu表征准则1;au表征准则2，3，5; 丫 U表征准则4，6; QiJ， 丫 IJ，也的数学表达式分别如式(6)~（12)所示；
[0031]
[00创 八）
[00 削 W
[0034]
[0035]
[0036] (10)
[0037]
[003引 （12)
[0039] 式中：i表示母线编号；j表示有效端点序号;ai功端点运算编号，表示i母线上连接 的j序号有效端点；Tu表示运算编号为au的端点为不同性质时对应的属性值，如式（12)所 示;巧;，巧^，巧;，巧4分别为电源端点、负荷端点、普通端点和对向端点对应的属性值，且其 关系为巧,/2 =巧；=2碑g =4巧4 ;W;，W巧日.的分别表示母线i上电源端点、负荷端 点、普通端点和对向端点数量;Cl表示母线i上所有不同性质端点数量与属性值乘积的累加 和，如式（10)所示；的表示单距区块k内单元线路数量;k表示单距区块编号;L表示单距区 块数量;Dk表示单距区块k内单元线路数量与系统所有线路数量的比值，如式（11)所示;Nbij 表示端点au下区域包含的母线数量;Ni表示母线i上端点总数量;Au表示系统所有端点数量 与系统母线数量的比值，如式(9)所示;Bi康示端点au下区域包含的端点数量；
[0040] 4、模糊度指标定义：系统中布置的监测器数量不够，将导致部分端点不能被有效 监测，端点识别时将出现拓扑模糊;定义不同模糊度指数形式进行系统端点模糊度描述； [0041 ]步骤401，规定PQM监测模糊的范畴；
[0042] BI)规定1:安装有监测器的端点不模糊；
[0043] B2)规定2:与同一条母线相连接的Ni个端点，安装有监测器的端点数量大于或等 于Ni-I，则该Ni个端点不模糊；
[0044] B3)规定3:除去已安装监测器的端点后仍存在两个与母线相连的端点时，若与其 相连的端点不模糊，则运两个端点也不模糊；
[0045] 步骤402，环状多源系统监测模糊指标定义:定义两种模糊度指数，系统整体模糊 度和部分最大模糊度;系统整体模糊度简称IEA，部分最大模糊度简称IMA;分别如式（13)， (14)所示；
[0046] (13) 「 1 州
[0047]
[004引其中：iVto表示k区块不能被识别的线路端点数量;bk表示区块k的整体模糊程度，
Ik表示对区块k进行监测的监测器数量;K为系统区块总数;对IMA进行[0，1]归整 处理，得到如式(15)所示归一化的部分最大模糊度IMA'；
[0049]
(1巧
[0050] IEA和IMA'的取值范困郡d归整到[0，1 ]区间；IEA说明当电网任意点发生电能质 量扰动时，监测系统判定扰动源位置的能力；IMA'说明监测系统对各区域监测能力的均等 程度;根据运两个指标，可计算配置Nm个监测点的监测系统模糊度，监测系统模糊度简称 IA，如式(16)所示；
[0化1] (16)
[0052] 來，'I义m血?供j WLiTtii叶'I巧似W又：监测系统的各模糊度指标可通过监测可 观矩阵进行获取和校验，其主要流程为：1)构建系统监测可观矩阵M?;2)对MeM矩阵进行分 区域处理;3)根据模糊规定1，2,3从各区域中排除各PQM;4)计算各区块的bk;5)计算IEA， IMA MA；
[0053]步骤5、PQM优化配置模型的建立:基于网络特性分析，W及特征矩阵、权重系数和 模糊度指标的定义，建立PQM最优布置的优化模型，目标函数和约束条件分别如式（17)， (18)所声-
[0化4] (1 )
[0化5]
(!8)
[0056]其中:F(X)为目标函数;NMmin和NMmax为监测点的最小数量和最大数量;决策变量Xij 的赋值原则如式(19)所示；
[0化7]
U 9)
[005引6、优化模型的求解:PQM优化配置模型求解的基本思路是，首先计算权重因子，基 于其建立目标函数并在给定监测器数量下进行优化，确定监测器位置;然后，基于已知的监 测器位置，构建监测可观矩阵，进而基于模糊度检测流程计算IA指数;经过多次迭代，最后 确定监测器的最优数量和位置，使IA值在给定约束条件下最小化。
[0059] 本发明的有益效果主要表现在：1、针对环状多源网络的拓扑结构特点，基于正方 向、双向等效线路和端点的定义，W及系统结构矩阵、潮流方向矩阵的构建可实现系统结构 信息的有效表征;2、归纳出适用于环状多源网络的PQM配置一般性准则，并合理定义权重因 子量化表征各类属性端点的重要性程度;3、W系统总权重最小化为目标建立系统监测点优 化配置模型，并通过监测可观矩阵检验系统模糊度，筛选出最优的监测点配置方案;4、所提 方法可兼顾系统后继进行PQDS定位的高级诊断需求，并可为NPQMS阶段式建设方案提供决 策依据。
【附图说明】
[0060] 图1为本发明方法的总体框图。
[0061] 图2为正方向、双向等效线路和端点的定义图。
[0062] 图3为等效网络的运算编号和属性分类图。
[0063] 图4为IE邸14节点系统拓扑结构图。
[0064] 图5为正常运行状态下IE邸14节点系统潮流拓扑结构图。
【具体实施方式】
[0065] 下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限 于此。实施例中一种环状配电网的电能质量监测器优化配置方法的总体框图如附图1所示， 包括W下步骤：
[0066] 1、定义适用于环状多源电网结构拓扑分析的新概念：与福射状电网结构特点不 同，环状多源电网运行方式和状态具有可变性，部分线路电流流向存在多种可能，从而影响 各节点配置PQM的监测范围，要求将各种可能情况均纳入考虑；
[0067] 步骤101，正方向的规定:为匹配PQDS方向判定方法，需要建立一个固定坐标系， 设定由母线指向线路方向为正方向；
[0068] 步骤102,双向等效线路的定义:将除电源、负载引出线外的每条线路等效成两条 并行双向的具有固定电流流向的线路；
[0069] 步骤103，端点的定义:将线路电流流入端设置为可配置PQM的端点来表示该线路， 即每条线路可等效表示为两个端点；
[0070] -个典型的6母线节点双电源环状电网的拓扑结构，及其正方向、双向等效线路和 端点的定义如图2所示；
[0071] 2、环状多源系统结构表征矩阵的构建:基于步骤1环网拓扑分析，分别构建修正邻 接矩阵、系统结构矩阵、潮流方向矩阵、监测可观矩阵描述网络结构，为PQM优化配置提供数 据支撑；
[0072] 步骤201，修正邻接矩阵的构建:邻接矩阵Aorg常用于电力网络拓扑分析，其形式为
为母线节点编号，Nb为系统母线节点数量;矩阵元素^化 的赋值原则如式（1)所示；因为网络化电能质量监测系统中负载和电源都是重要的监测对 象，需要对邻接矩阵进行适当修正：用母线与等效为母线0的大地间的连接线表示负载，用 母线与其自身的连接线表示电源;修正邻接矩阵聲的形式为
妇增 加了表示大地的母线0后的系统节点编号;元素表示环状多源网络中每个端点的结构编 号，其取值表示该端点是否存在，赋值原则如式(2)所示;步骤1中6节点示例系统的邻接矩 阵Anrg和修正邻接矩阵斗;^如式(20)所示；
[0073]
飞忍、巧
[0074] 步骤202,系统结构矩阵构建:将為g矩阵中所有有效端点，目巧,4 *0的端点，按 行顺序提取出，并将其依次按序标记为新的系统端点符号tj，其中j = l，2，...T为依次按序 标记后的编号，T为有效端点总数量;利用其与母线可共同构成描述各端点与母线间固定 位置关系的系统结构矩阵SsM;SsM是一个TXNb的矩阵，其元素赋值原则如式(3)所示;步骤1 中6节点示例系统的系统结构矩阵Ssm如式(21)所示； W 对 (21)
[0076] 步骤203,潮流方向矩阵构建:尽管环状多源系统运行方式和状态存在多种可能， 但其绝大多数时间处于正常运行状态，PQM配置需优先保证系统正常运行状态下拓扑结构 的全网可观;通过比较电流方向和设定正方向，可对Ssm矩阵进行修正，得到包含系统潮流信 息的潮流方向矩阵Cdm ; Cdm矩阵元素 Cji的赋值原则如式(4)所示，其中j为tj的编号，i为系统 中母线编号;步骤1中6节点示例系统的潮流方向矩阵Cdm如式(22)所示；
[0077]
[0078] 步骤204,系统单距区块划分:考虑系统拓扑结构中，线路密集度对监测点配置的 影响；首先基于系统正常运行状态下反映潮流方向的拓扑结构，对系统线路进行等效间距 处理，选取拓扑结构中相邻母线间最短的线路作为单元距离的标尺，各母线间线路的等效 间距为整数倍单元距离，并W单元间距划分区块，命名为单距区块;单距区块内单元线路数 量指不包含电源和负荷引出线的线路数量；
[0079] 步骤205,监测可观矩阵构建：目标电网完成监测器配置，根据正常运行状态下的 潮流拓扑结构，可构建监测可观矩阵Mgm,用于描述各PQM与各线路间的位置关系，表征各监 测器的可观范围；Mcm矩阵是一个TXM的矩阵，M是监测器数量，其元素叫r赋值原则如式（5) 所示，其中r为系统中PQM编号；
[0080] 3、权重因子的定义:基于PQM布置一般性准则，系统中不同端点具有不同性质，存 在不同的重要程度;合理定义权重因子量化描述各个端点的重要程度，使各端点的性质能 在优化配置算法中得到体现；
[0081] 步骤301，PQM优化布置原则归纳:根据环状多源网络结构特点并结合考虑PQDS定 位需求，归纳出6条PQM布置一般性准则；
[0082] Al)准则1: (N-I)准则，N为同一母线上连接的线路总数；
[0083 ] A2)准则2:负载支路上具有更高的权重；
[0084] A3)准则3:电源引出线具有最高的权重；
[0085] A4)准则4:同一条线路上优先只装一个PQM;
[0086] A5)准则5:除负载引出线外与该母线相连的端点小于等于两个，此类端点权重较 低;相应地，与该类端点属于同一线路的端点权重较高；
[0087] A6)准则6:优先满足正常运行状态下全网可观；
[0088] 步骤302,有效端点进行运算编号和属性分类:为提高算法效率，对所有筛选出的 有效端点进行运算编号和属性分类;端点的属性分为电源端点、负荷端点、对向端点和普通 端点;对向端点指除去负荷外与母线相连的端点数量小于等于2的端点，负荷端点包括负荷 引出端点和与对向端点属于同一线路的端点，普通端点即不归属于其余巧巾类型的端点;运 算编号即端点按考虑母线编号和Ssm矩阵中有效端点排序进行编号;若某一端点同时包含两 种属性，则对其属性值进行均一化处理;步骤1中6节点示例系统的等效网络运算编号和属 性分类如图3所示；
[0089] 步骤303,定义权重因子:基于步骤301的一般性准则的说明，系统中不同端点具有 不同性质，存在不同的重要程度;合理定义权重因子量化描述各个端点的重要程度，使各端 点性质能在优化配置算法中得到体现;结合端点属性和编号，定义化，柏，丫 1己个权重系 数量化表征PQM配置一般性准则:帖表征准则1; Qi徒征准则2，3，5; 丫 1徒征准则4，6; QiJ， 丫 IJ，也的数学表达式分别如式(6)~（12)所示；
[0090] 一个IE邸14节点环状多源系统的拓扑结构如图4所示;经仿真研究，其正常运行 状态下的系统潮流拓扑结构如图5所示;基于步骤1，2的系统结构信息描述和步骤3的权重 因子定义，各端点总权重值Sij = Qij ? Pij ?丫 ij的计算结果如表1所示；
[0091] 表1各端点总权重值Su计算结果
[0092]
[0
[0094] 4、模糊度指标定义：系统中布置的监测器数量不够，将导致部分端点不能被有效 监测，端点识别时将出现拓扑模糊;定义不同模糊度指数形式进行系统端点模糊度描述； [00M]步骤401，规定PQM监测模糊的范畴；
[0096] BI)规定1:安装有监测器的端点不模糊；
[0097] B2)规定2:与同一条母线相连接的Ni个端点，安装有监测器的端点数量大于或等 于Ni-I，则该Ni个端点不模糊；
[0098] B3)规定3:除去已安装监测器的端点后仍存在两个与母线相连的端点时，若与其 相连的端点不模糊，则运两个端点也不模糊；
[0099] 步骤402，环状多源系统监测模糊指标定义:定义两种模糊度指数，系统整体模糊 度和部分最大模糊度;系统整体模糊度简称IEA，部分最大模糊度简称IMA;分别如式（13)， (14)所示;对IM进行[0，1]归整处理，得到IM'如式（15)所示；
[0100] IEA和IMA'的取值范围都已归整到[0，1]区间；IEA说明当电网任意点发生电能质 量扰动时，监测系统判定扰动源位置的能力；IMA'说明监测系统对各区域监测能力的均等 程度;根据运两个指标，可计算配置Nm个监测点的监测系统模糊度，监测系统模糊度简称 IA，如式(16)所示；
[0101] 步骤403,使用监测可观矩阵检查模糊度:监测系统的各模糊度指标可通过监测可 观矩阵进行获取和校验，其主要流程为：1)构建系统监测可观矩阵M?;2)对MeM矩阵进行分 区域处理;3)根据模糊规定1，2,3从各区域中排除各PQM;4)计算各区块的bk;5)计算IEA， IMA MA；
[0102] 5、PQM优化配置模型的建立:基于网络特性分析，W及特征矩阵、权重系数和模糊 度指标的定义，建立PQM最优布置的优化模型，目标函数和约束条件分别如式（17)，（ 18)所 示;决策变量Xij的赋值原则如式(19)所示；
[0103] 6、优化模型的求解:PQM优化配置模型求解的基本思路是，首先计算权重因子，基 于其建立目标函数并在给定监测器数量下进行优化，确定监测器位置;然后，基于已知的监 测器位置，构建监测可观矩阵，进而基于模糊度检测流程计算IA指数;经过多次迭代，最后 确定监测器的最优数量和位置，使IA值在给定约束条件下最小化。
[0104] 针对图4所示IEEE 14节点系统，基于步骤3的权重系数和步骤4的系统模糊度指标 计算方法，利用步骤5建立系统PQM优化配置模型，并利用Matlab软件进行步骤6的PQM优化 配置模型求解，得到系统最佳的PQM配置结果为{ til，tl2，t22，t23，t24，t33，t34，t47，t52，t54， t60, t66，t6.12, t88，t94，t9.10，t9.14，tl0.0, tll.O, tl2.0，tl3.0，tl3.6};此时系统监测模糊指标 IA = 0,可实现将PQDS精确定位到具体线路上；当系统所能提供的PQM数量少于22个，将出现监测 模糊;等间距地选取不同监测点数量进行优化配置，得到的PQM最优布置结果及对应监测系 统模糊度IA如表2所示。
[0105] 表2PQM数量不足时的IA及最优布置方案
[0106]
[0107] 算例分析显示，本发明所提方法能够进行环状多源配电网络的拓扑结构有效表 征，并基于不同属性端点的权重因子和不同系统模糊性指标的定义，构建优化函数实现目 标系统PQM优化配置;特别是，所提方法可兼顾系统后继进行PQDS定位的电能质量高级智能 诊断需求。
[0108] 如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的典型实施例，并非用 来限定本发明的实施范围，即凡依本
【发明内容】
所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要 求所要求保护的范围所涵盖。
【主权项】
1. 一种环状多源配电网的电能质量监测器优化配置方法，包括如下步骤： 步骤1、定义适用于环状多源电网结构拓扑分析的新概念：与福射状电网结构特点不 同，环状多源电网运行方式和状态具有可变性，部分线路电流流向存在多种可能，从而影响 各节点配置电能质量监测器的监测范围，要求将各种可能情况均纳入考虑；电能质量监测 装置简称PQM; 步骤101，正方向的规定:为匹配电能质量扰动源方向判定方法，需要建立一个固定坐 标系，设定由母线指向线路方向为正方向；电能质量扰动源简称PQDS; 步骤102,双向等效线路的定义:将除电源、负载引出线外的每条线路等效成两条并行 双向的具有固定电流流向的线路； 步骤103,端点的定义:将线路电流流入端设置为可配置PQM的端点来表示该线路，即每 条线路可等效表示为两个端点； 步骤2、环状多源系统结构表征矩阵的构建:基于步骤1环网拓扑分析，分别构建修正邻 接矩阵、系统结构矩阵、潮流方向矩阵、监测可观矩阵描述网络结构，为PQM优化配置提供数 据支撑； 步骤201，修正邻接矩阵的构建：邻接矩阵Adw常用于电力网络拓扑分析，其形式为 4^ = h。:bgxw,，= 1，2,…，Ws为母线节点编号，饰为系统母线节点数量;矩阵元素^。的 赋值原则如式(1)所示；因为网络化电能质量监测系统中负载和电源都是重要的监测对象， 需要对邻接矩阵进行适当修正：用母线与等效为母线0的大地间的连接线表示负载，用母线 与其自身的连接线表示电源;修正邻接矩阵乂S的形式为为增加了 表示大地的母线0后的系统节点编号;元素表示环状多源网络中每个端点的结构编号， 其取值表示该端点是否存在，赋值原则如式(2)所示；步骤202，系统结构矩阵构建:将矩阵中所有有效端点，即/;1 * 0的端点，按行顺序 提取出，并将其依次按序标记为新的系统端点符号tj，其中j = l，2，...T为依次按序标记后 tj的编号，T为有效端点总数量;利用其与母线可共同构成描述各端点与母线间固定位置关 系的系统结构矩阵SsM;SsM是一个TXNb的矩阵，其元素赋值原则如式(3)所示；步骤203,潮流方向矩阵构建:尽管环状多源系统运行方式和状态存在多种可能，但其 绝大多数时间处于正常运行状态，PQM配置需优先保证系统正常运行状态下拓扑结构的全 网可观;通过比较电流方向和设定正方向，可对SSM矩阵进行修正，得到包含系统潮流信息的 潮流方向矩阵Cdm;Cdm矩阵元素 cji的赋值原则如式(4)所示，其中j为tj的编号，i为系统中母 线编号；步骤204,系统单距区块划分:考虑系统拓扑结构中，线路密集度对监测点配置的影响； 首先基于系统正常运行状态下反映潮流方向的拓扑结构，对系统线路进行等效间距处理， 选取拓扑结构中相邻母线间最短的线路作为单元距离的标尺，各母线间线路的等效间距为 整数倍单元距离，并W单元间距划分区块，命名为单距区块;单距区块内单元线路数量指不 包含电源和负荷引出线的线路数量； 步骤205,监测可观矩阵构建：目标电网完成监测器配置，根据正常运行状态下的潮流 拓扑结构，可构建监测可观矩阵Mcm，用于描述各PQM与各线路间的位置关系，表征各监测器 的可观范围;Mcm矩阵是一个TXM的矩阵，Μ是监测器数量，其元素 mjr赋值原则如式(5)所示， 其中r为系统中PQM编号；步骤3、权重因子的定义:基于PQM布置一般性准则，系统中不同端点具有不同性质，存 在不同的重要程度;合理定义权重因子量化描述各个端点的重要程度，使各端点的性质能 在优化配置算法中得到体现； 步骤301，PQM优化布置原则归纳:根据环状多源网络结构特点并结合考虑PQDS定位需 求，归纳出6条PQM布置一般性准则； A1)准则1:(N-1)准则，N为同一母线上连接的线路总数； A2)准则2:负载支路上具有更高的权重； A3)准则3:电源引出线具有最高的权重； A4)准则4:同一条线路上优先只装一个PQM; A5)准则5:除负载引出线外与该母线相连的端点小于等于两个，此类端点权重较低;相 应地，与该类端点属于同一线路的端点权重较高； A6)准则6:优先满足正常运行状态下全网可观； 步骤302,有效端点进行运算编号和属性分类:为提高算法效率，对所有筛选出的有效 端点进行运算编号和属性分类;端点的属性分为电源端点、负荷端点、对向端点和普通端 点;对向端点指除去负荷外与母线相连的端点数量小于等于2的端点，负荷端点包括负荷引 出端点和与对向端点属于同一线路的端点，普通端点即不归属于其余巧巾类型的端点;运算 编号即端点按考虑母线编号和SsM矩阵中有效端点排序进行编号;若某一端点同时包含两种 属性，则对其属性值进行均一化处理； 步骤303,定义权重因子:基于步骤301的一般性准则的说明，系统中不同端点具有不同 性质，存在不同的重要程度;合理定义权重因子量化描述各个端点的重要程度，使各端点性 质能在优化配置算法中得到体现;结合端点属性和编号，定义化，帖，丫 1己个权重系数量 化表征PQM配置一般性准则:帖表征准则1;化表征准则2，3，5; 丫 ij表征准则4，6; Qij，丫 ij， Pij的数学表达式分别如式(6)~（12)所示；式中：i表示母线编号；j表示有效端点序号;au为端点运算编号，表示i母线上连接的j 序号有效端点；Τυ表示运算编号为au的端点为不同性质时对应的属性值，如式（12)所示； 气，巧2,碼3,气分别为电源端点、负荷端点、普通端点和对向端点对应的属性值，且其关 系为巧,/2 = ω,:=2巧，=4巧j ;w，TV;，和W诚别表示母线i上电源端点、负荷端点、 普通端点和对向端点数量;Cl表示母线i上所有不同性质端点数量与属性值乘积的累加和， 如式（10)所示;Λ&表示单距区块k内单元线路数量;k表示单距区块编号;L表示单距区块数 量;Dk表示单距区块k内单元线路数量与系统所有线路数量的比值，如式（11)所示;Nbu表示 端点au下区域包含的母线数量;Ni表示母线i上端点总数量;Αυ表示系统所有端点数量与系 统母线数量的比值，如式(9)所示;Βυ表示端点au下区域包含的端点数量； 步骤4、模糊度指标定义：系统中布置的监测器数量不够，将导致部分端点不能被有效 监测，端点识别时将出现拓扑模糊;定义不同模糊度指数形式进行系统端点模糊度描述； 步骤401，规定PQM监测模糊的范畴； B1)规定1:安装有监测器的端点不模糊； B2)规定2:与同一条母线相连接的Ni个端点，安装有监测器的端点数量大于或等于Ni- 1，则该Ni个端点不模糊； B3)规定3:除去已安装监测器的端点后仍存在两个与母线相连的端点时，若与其相连 的端点不模糊，则运两个端点也不模糊； 步骤402,环状多源系统监测模糊指标定义：定义两种模糊度指数，系统整体模糊度和 部分最大模糊度;系统整体模糊度简称IEA，部分最大模糊度简称IMA;分别如式（13)，（14) 所示；其中：iV心表示k区块不能被识别的线路端点数量；bk表示区块k的整体模糊程度，;Mk表示对区块k进行监测的监测器数量;K为系统区块总数;对IMA进行[0，1]归整 处理，得到如式(15)所示归一化的部分最大模糊度IMA'；α巧 ΙΕΑ和ΙΜΑ '的取值范围都已归整到[0，1 ]区间；ΙΕΑ说明当电网任意点发生电能质量扰 动时，监测系统判定扰动源位置的能力；ΙΜΑ'说明监测系统对各区域监测能力的均等程度； 根据运两个指标，可计算配置Νμ个监测点的监测系统模糊度，监测系统模糊度简称ΙΑ，如式 (16)所示；(16) 步骤403,使用监测可观矩阵检查模糊度:监测系统的各模糊度指标可通过监测可观矩 阵进行获取和校验，其主要流程为：1)构建系统监测可观矩阵Mgm; 2)对μ?矩阵进行分区域 处理;3)根据模糊规定1，2，3从各区域中排除各PQM; 4)计算各区块的bk; 5)计算ΙΕΑ，ΙΜΑ '， IA;步骤5、PQM优化配置模型的建立:基于网络特性分析，W及特征矩阵、权重系数和模糊 度指标的定义，建立PQM最优布置的优化模型，目标函数和约束条件分别如式（17)，（ 18)所 示； (17)(18) 其中:F(X)为目标函数;NMmin和NMmax为监测点的最小数量和最大数量;决策变量XU的赋 值原则如式(19)所示；(19) 步骤6、优化模型的求解:PQM优化配置模型求解的基本思路是，首先计算权重因子，基 于其建立目标函数并在给定监测器数量下进行优化，确定监测器位置;然后，基于已知的监 测器位置，构建监测可观矩阵，进而基于模糊度检测流程计算IA指数;经过多次迭代，最后 确定监测器的最优数量和位置，使IA值在给定约束条件下最小化。
【文档编号】G06F17/50GK105977968SQ201610393772
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】翁国庆, 黄飞腾, 朱双双, 林雨丰, 方敏佳, 王妍彦
【申请人】浙江工业大学