王升花
(承德石油高等专科学校 电气与电子工程系， 河北 承德 067000)
摘要：针对煤矿企业非线性设备日益增多而带来的电能质量问题，提出了煤矿电能质量评价指标及综合评价方法。首先根据非线性设备对煤矿供电系统的影响，建立了煤矿电能质量评价指标体系；其次，提出将改进层次法(主观赋权法)和熵权法(客观赋权法)相结合来确定评价指标的组合权重；最后，采用概率论和模糊数学相结合的方法对煤矿电能质量进行了综合评价。实例分析结果验证了所提煤矿电能质量评价指标体系的合理性和综合评价方法的可行性。
关键词：煤矿供电； 电能质量； 评价指标； 组合权重； 综合评价
随着煤矿自动化程度的不断提高，大量非线性负载设备被应用于煤矿供电系统，严重影响了煤矿供电系统的电能质量和供电可靠性，给煤矿的安全生产带来了较大的危害[1-5]。因此，有必要建立煤矿供电系统的电能质量综合评价模型，以评估电能质量影响因素，有针对性地提出有效解决措施[6-10]。国内外学者在煤矿电能质量综合评价方面进行了大量研究。在电能质量评价指标体系方面，参考文献[11]提出了一种考虑负荷特性的电能质量评价指标体系；参考文献[12]从考虑采用标准正弦信号的贴近程度出发，提出3个电能质量综合评价指标；参考文献[13]建立了电力市场背景下的电能质量评价指标体系。在电能质量评价方法方面，参考文献[14]从煤矿供电系统的电压偏差和谐波2个方面对煤矿电能质量进行了评估和分析。上述研究对煤矿电能质量的评价有了初步的探讨，但评价指标和方法不够全面，大部分未考虑指标权重，或只采用了单一的主观赋权。
为从全方位多角度建立煤矿电能质量评价指标体系和综合评价方法，本文在首先介绍电压偏差、频率偏差、电网谐波、电压波动、电压闪变、三相不平衡、电压暂降等指标的基础上，构建了煤矿供电系统电能质量的评价指标体系；根据各评价指标的特点，提出用基于主客观相结合的组合权重方法确定各指标权重；最后采用概率论和模糊数学相结合的方法对煤矿电能质量进行了综合评价。
指标体系是煤矿供电系统电能质量综合评价的基础，结合煤矿企业供电系统的特点和国家电能质量相关标准，选定如下评价指标：电压偏差、频率偏差、电网谐波、电压波动、电压闪变、三相不平衡、电压暂降。
(1) 电压偏差。煤矿供电区域的电压损耗会导致负载设备的电压出现偏差，从而引起设备损坏。煤矿供电系统的电压偏差是指系统运行的实际电压与额定电压的差值，其表达式为
(1)
式中：δU为电压偏差；U为运行的实际电压；UN为运行的额定电压。
(2) 频率偏差。煤矿供电系统中非线性负载的投切会引起频率波动，从而影响工况的稳定运行。频率偏差是指实际运行的频率与电网标准频率的差值，其表达式为
δf=f-fN
(2)
式中：δf为频率偏差；f为运行的实际频率；fN为电网标准频率。
(3) 电网谐波。非线性负载接入煤矿供电系统会导致负载基波电压、电流发生畸变，产生大量的谐波，增加功率损耗，影响安全运行。以电压信号为例，总电压谐波畸变率可定义为
(3)
式中：DTH为总的谐波畸变率；M为谐波次数；Uh为第h次谐波电压值；U1为基波电压值。
(4) 电压波动。煤矿供电系统发生故障或投切非线性负载设备都可能带来较大的电压波动。电压波动是设备公共连接点处电压均方根值的最大值和最小值之差与电网额定电压的比值，其表达式为
(4)
式中：Umax为电压均方根值的邻近最大值；Umin为电压均方根值的邻近最小值。
(5) 电压闪变。电压闪变是由电压波动造成的灯光闪烁而引起的人眼感知反应，可表示为电压波动导致的危害程度，其表达式为
(5)
式中：P为长时间测量尺度内的电压闪变值；N为长时间测量尺度内的短时间闪变值的数量；Ps为短时间尺度的电压闪变值。
(6) 三相不平衡。煤矿三相不对称负载的接入会引起供电电压三相不平衡，从而出现负序分量，给电动机和变压器带来危害。引入三相不平衡度指标，其表达式为
(6)
式中：ε为三相不平衡度；U+为正序电压；U-为负序电压。
(7) 电压暂降。电压暂降是电压在短时间内的突然下降、回升，是煤矿电能质量中较为严重的一个问题，其指标定义为
E=(1-Vsag)2T
(7)
式中：E为电压暂降指标；Vsag为电压暂降均方根值；T为电压暂降持续时间。
2.1 指标权重计算
2.1.1 主观权重计算
针对传统层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)存在的一致性检测问题，本文采用标度构造法来生成判断矩阵。不论采用什么标度，该方法构造的判断矩阵具有完全的一致性，在运算过程中不需要进行一致性检测，大大减小了计算量。
首先根据AHP方法建立判断矩阵，其满足如下条件：rij>0，即每项元素都为正；rij=1/rji；rij=rikrkj,i,j,k=1,2，…,n(n为指标个数)。其中rij表示i、j两元素之间比较的标度，具体含义见表1。
改进AHP求取主观权重的思路：依据专家或用户的要求对评判指标进行两两比较，根据指标重要程度由大到小排序。若评价指标体系的n个指标重要性排序为x1>x2>…>xn, 每2个指标进行比较，得出对应的标度ti，求得判断矩阵为
表1 标度rij的含义
(8)
判断矩阵R具有一致性，因此可根据该判断矩阵计算出每项指标的主观权重为
(9)
2.1.2 客观权重计算
熵权法是指根据熵的定义来确定指标的权重，通过指标之间的差异程度来反映每项指标的重要程度。通过计算各项指标的熵值，可评估指标的信息大小，从而确保所建立的指标体系能够反映大多数原始信息。
煤矿电能质量综合评价的指标集为I={u1,u2,…,un}, 其是由电能质量的n个评价指标组成的集合。同时，根据国家标准，将评价指标分为5个等级，即评判集Q={较差，合格，良好，优质，特优}，其中第1级是较差，第2级是合格，第3级是良好，第4级是优质，第5级是特优。超过5级的情况将视为不合格。煤矿电能质量指标从定量到分级定性的评价方法如图1所示。
对评价集I中的每个指标进行评价，可得评价指标I到评判集Q的一个模糊映射p：
ui→p(ui)
(10)
图1 煤矿电能质量综合量化评价
依据模糊变换理论，模糊关系可由模糊映射确定，即可得到模糊评判矩阵：
(11)
根据模糊评判矩阵可得第j个指标的熵值ej：
(12)
式中：m为评价指标的等级数；pij为第i个指标在第j个等级下的概率。
因为越大的熵权值反映的评价指标的贡献越小，即客观权重值与熵值成反比，所以，可引入1-ej来权衡指标的权重值，权重的计算表达式为
(13)
2.1.3 综合权重计算
根据上述分析，可得综合权重的计算表达式为
(14)
2.2 评价方法
根据电能质量国家标准对评价指标进行分类，并利用概率论对各个指标进行分析，具体评价步骤如下：
(1) 在一定的评估时间T内，依据煤矿电能质量相关国家标准对每项的评价指标进行等级划分，共分为m级。
(2) 求取各评价指标在每一等级下的发生概率，并形成矩阵F=[pij]。
(3) 令综合权重矩阵A=[a1,a2,…,an]，则根据该权重和概率矩阵，可求得评价结果为
B=A∘F
(15)
(4) 对评价结果进行加权处理求取最终的评价结果：
(16)
式中Bk为矩阵B中的第k列元素，即在每个评判等级下的评判结果。
选取国内一典型煤矿进行指标数据实测与处理，该煤矿供电电压等级为6 kV，在6 kV供电支路和变压器低压侧进行数据点测试。根据上述分析的综合评价方法，对该煤矿的6 kV母线的电能质量进行评价，具体实施步骤如下：
(1) 用改进AHP法求主观权重。根据专家意见和煤矿供电的要求，确定各指标的重要程度，并根据式(8)求得判断矩阵：
(17)
结合式(9)和式(17)求得电压偏差、频率偏差、电网谐波、电压波动、电压闪变、三相不平衡、电压暂降等指标的主观权重值：ω1=0.345，ω2=0.113，ω3=0.192，ω4=0.078，ω5=0.065，ω6=0.113，ω7=0.094。
(2) 用熵权法求客观权重。根据国家电能质量标准和煤矿供电系统的检测数据，结合评价指标的等级划分[15]，用式(10)—式(13)求得电压偏差、频率偏差、电网谐波、电压波动、电压闪变、三相不平衡、电压暂降等指标的客观权重值：v1=0.156，v2=0.057，v3=0.212，v4=0.058，v5=0.191，v6=0.094，v7=0.232。
(3) 求取综合权重。根据式(14)求得电压偏差、频率偏差、电网谐波、电压波动、电压闪变、三相不平衡、电压暂降等指标的综合权重值：a1=0.358，a2=0.042 8，a3=0.270 8，a4=0.030 1，a5=0.082 6，a6=0.070 7，a7=0.145 1。
(4) 获得评价结果。根据式(15)求得评价结果：B=[0.322，0.310，0.186，0.073，0.126]。
(5) 对评价结果进行加权平均。对求得的评价结果进行加权平均处理可得：B*=2.141 9，该指标值即为综合评价的最终结果。由评价等级可知，该煤矿供电系统的电能质量良好。
分析了煤矿供电系统的电能质量评价指标体系和综合评价方法，将主客观相结合的权重分析法引入综合评价中，并利用概率论和模糊数学的方法对煤矿电能质量进行了综合评价。根据煤矿供电系统的运行特性及非线性负载影响特性，建立了综合评价指标体系，包括电压偏差、频率偏差、电网谐波、电压波动、电压闪变、三相不平衡、电压暂降等7个指标。较单一的客观或主观权重法而言，采用主观权重与客观权重相结合的组合权重方法具有更稳定和准确的评价结果。
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WANG Shenghua
(Department of Electrical and Electronic Engineering, Chengde Pertoleum College, Chengde 067000, China)
Abstract：In view of power quality problem caused by progressively increase of nonlinear devices of coal mine enterprise, evaluation index and comprehensive evaluation method of coal mine power quality were proposed. Firstly, evaluation index system of coal mine power quality was built according to influence of nonlinear equipment to coal mine power supply system; then, combination weight of evaluation index was decided by improved analytic hierarchy process (subjective weighting method) and entropy weight method (objective weighting method); finally, comprehensive evaluation of coal mine power quality was performed by combination of probability theory and fuzzy mathematics. Example analysis result verified rationality of evaluation index system and feasibility of the comprehensive evaluation method for coal mine power quality.
Key words：coal mine power supply; power quality; evaluation index; combination weight; comprehensive evaluation
文章编号：1671-251X(2017)02-0086-04
DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2017.02.019
收稿日期：2016-08-29；
修回日期：2017-01-05；责任编辑：胡娴。
作者简介：王升花(1979-)，女，陕西西安人，讲师，硕士，研究方向为电气技术，E-mail:wangsh0204@163.com。
中图分类号：TD608
文献标志码：A
网络出版：时间：2017-01-22 10:45
网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20170122.1045.019.html
王升花.煤矿供电系统电能质量综合评价[J].工矿自动化，2017,43(2)：86-89.