摘 要：众多基于计算机和微处理器控制的装置在电力系统中的应用以及电力市场的不断发展，使得电能质量越来越多的受到了电力用户的关注，也使得电能质量的评估成为了必然。本文对国内外现有的电能质量评估方法的研究现状进行了综述，展示了一些新思路，提出了存在的问题和进一步研究的方向。
关键词：电能质量；模糊数学；智能算法；综合评估
中图分类号：TM73 文献标识码：A
文章编号：1009-0118（2012）07-0204-03
随着用电负荷日趋复杂化和多样化，大量具有冲击性、非线性、不平衡性特征的负荷造成电网电能质量的恶化。而大量基于计算机和微处理器装置的应用，使得一些诸如航天、通信、半导体制造等行业都对电能质量表现出“敏感”的特征，电能质量的扰动有可能给这些行业造成严重的影响并导致巨大的损失。根据美国电力科学研究院估计，当今由于电能质量问题在美国引发的经济损失高达260亿美元/年。因此，越来越多的电力用户开始关注电能质量，并且对电能质量提出了更高的要求。
电能质量问题按产生和持续时间可分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题两类。稳态电能质量问题以波形畸变为主要特征，一般持续时间较长，在一段时间内(通常是1min以上)出现的电能质量不正常的情况，主要有：过电压、欠电压、电压不平衡和谐波。暂态电能质量问题通常是以暂态持续时间为特征，包括脉冲暂态和振荡暂态两大类，脉冲型暂态电能质量问题是指电压、电流或两者在稳态情况下发展突然、非工频且单方向（正或负极性）性质的变化。振荡型暂态电能质量问题是指电压、电流或两者在稳态情况下发生突然、非工频且正级性和负极性两方面的变化。根据IEEE的划分，暂态电能质量问题主要包括以下几类：电压暂降（也称电压跌落）、电压暂升、短时断电、电压缺口、瞬时脉冲、电压波动和电压闪变。
目前，世界各国对电能质量都制定了一系列的标准。我国国家技术监督局制定并颁布了共6项电能质量国家标准，它们分别是《供电电压允许偏差标准（GB/T 12325-2003）》、《电压波动和闪变标准（GB 12326-2000）》、《公用电网谐波标准（GB/T 14549-1993）》、《三相电压不平衡度标准（GB/T 15543-1995）》、《电力系统频率偏差标准（GB/T 15945-1995）》、《暂时过电压和瞬态过电压标准（GB/T 18481-2001）》。这些标准规定了各项电能质量指标的限值范围，但是由于电能质量是一个多指标的综合体，单纯的判断某项是否合格，并不能反映整体的电能质量情况。同时，在激烈竞争的电力市场环境下，电能作为发输配电企业与用户交易的商品，同其他任何商品一样，必须讲究质量。于是如何衡量电能质量的优劣，即对电能质量进行综合评估就成为了必然。
电能质量的评估有如下现实意义：
(1）是评价某个电网或某个供电点电能质量优劣的主要方法。
(2）是进行电能质量治理的先决条件。
(3）是调查干扰源的发射干扰和敏感用户所承受干扰的手段。
(4）是供用电双方制定供电合同及明确电能质量责任的重要依据。
(5）是电能商品按质定价的重要参考。
一、电能质量评估方法分析
（一）电能质量评估的特点
1、电能质量指标的不确定性
电能质量主要包括电压质量、频率质量和供电可靠性3个方面。IEEE第22标准协调委员会和其他国际委员会最新采用了11种专业术语来说明电能质量的主要扰动。电能质量的每项指标对电力系统的影响过程都是一个随机过程。
2、电能质量综合评估的高度非线性
随着电能质量指标体系的不断完善和细化，电能质量综合评估将体现出高度非线性的特点。
（二）现有的电能质量评估方法
由于电能质量具有模糊性，因此产生了基于模糊数学的电能质量综合评估方法。文献［1］利用模糊综合评判的方法，对电能质量进行了综合评价的二级评判。这种方法首先是对电能质量的各个指标进行分级，然后从最低一级开始评判，在评判完这一级之后再进入下一级，直到最后获得综合评判结果。在每一级的评判中引入了相应的权重，最后一级的综合评判采用了加权平均法。文献［2］提出了基于概率统计和模糊数学相结合的电能质量评估方法。文中将电能质量的各项指标根据国标的要求平均分为10级，运用概率统计的方法得到各个指标各级的概率分布P，将每个指标的第k级概率分布Pk按顺序排列成矩阵B8×10，然后把矩阵B与相应的权重矢量A1×10相乘得矩阵C，最后对矩阵C应用加权平均法处理得到一个数据，该数据就是电能质量评估的唯一量化指标。文献［1、2］都采用了模糊综合评判方法以及加权平均法，并在其中引入了权重矢量，避免了对各项指标单调的“一视同仁”的缺点，能够体现电能质量的模糊性。但是对电能质量各项指标的权重的确定没有说明，主观因素对最后的评估结果有很大的影响。
文献［3-5］在对电能质量进行模糊综合的评价过程中，对上述方法进行了改进，引入了可变权重，将主观权重和客观权重相结合，在一定程度上克服了主观因素对评价结果的影响。文献［3、5］将层次分析法AHP（Analytic Hierarchy Process）和模糊方法相结合，首先利用AHP方法确定各项指标的权重，然后将电能质量的指标分四类模糊化：偏差类指标模糊化、持续时间模糊化、计数类指标模糊化和电能质量的服务性指标模糊化，再根据不同评价对象的具体情况对这些权重进行修正，得到可变综合权重，最后利用模糊综合评价方法对电能质量进行综合评判。文献［4］提出了序列综合G1法来确定权重，再对电能质量进行模糊综合评价。文中提出了电能质量内涵性权重和结构性权重的概念，首先根据相邻指标之间的相对重要程度来确定内涵性权重W1=(W1,1，W2,1,…，Wm,1),然后利用序列综合法则，确定各指标的数据结构性权重W2=(W1,2，W2,2,…，Wm,2)，最后根据下式即可求得指标的最终权重值：Wi=Wi,1Wi,2∑mj=1Wj,1Wj,2。其中i=1,2,…，m，m为评价的指标个数。 在模糊评价过程中引入可变权重，克服了单一赋权法的缺点，得出了比较科学的权重系数，在一定程度上减少了主观因素对评估结果的影响，但是评估结果还是会受到权重取值的影响，如果能够克服权重取值的人为因素影响，将会有更好的可行性。
针对电能质量综合评估不确定性与高维、高度非线性的特点，一些文献将智能算法应用到了电能质量的综合评估当中。智能算法能够克服常规评估方法种的人为主观因素的影响，通过智能搜索提取高维非线性评估指标的特性，能够最大限度的反映评估指标对综合评估结果的作用。文献［6，7］利用了遗传算法对电能质量进行综合评估。文献［6］提出了将基于遗传算法的投影寻踪理论应用于电能质量评估。文中对电能质量的9项指标进行等级评定，将电能质量分为优、良、中、合格、不合格5个等级，对均匀随机产生的1000个指标样本进行并归处理，求得其最佳投影值，最后采用全局收敛的格雷码加速遗传算法优化投影方向，根据最佳投影值及其对应等级的关系构建了用于电能质量综合评估的遗传投影寻踪插值模型。文献［7］提出了遗传算法的Shepard插值理论用于电能质量的评估，并用加速遗传算法解决了模型中的非线性优化问题。同文献［10］相似，先对电能质量进行分级，根据电能质量评估指标随机生成电能质量等级样本序列，对样本序列进行优化估计，最后得出综合评估。文献［8］则是利用非线性逼近能力很强的径向函数（Radial Basis Function，RBF）神经网络建立电能质量综合评价的模型。首先根据电能质量的国家标准，将电能质量的各单相指标分为5级，同时文中还把不合格的电能质量分为了4级，等级越高，电能质量情况越差，最后一级为电能严重不合格。文中采用了专用的神经网络分析软件进行分析，7项单项电能指标作为网络的输入，输出值为电能质量的等级值。软件利用RBF网络，采用K-Means算法，隐层采用高斯函数，输出采用了线性函数。
基于遗传算法和神经网络的电能质量综合评估方法，在评估过程中无需任何人为赋权，模型建模简单，计算速度快，克服了模糊数学、概率论法以及层次分析法中的主观因素影响，能够对不同的电能质量评估对象快速准确的做出评估，评估结果更客观，具有一定的可行性。
除了上述的利用模糊数学和智能化方法对电能质量进行综合评估外，一些文献还提出了以下的电能质量综合评估方法。
文献［9］首次提出了基于物元分析法的电能质量综合评估方法。根据电能质量综合评估的复杂性以及单因素识别和等级划分之间的不相容性特点，应用物元可拓集方法，构造物元矩阵，根据计算出的关联度大小对电能质量的等级进行可拓识别。物元分析法克服了模糊评价中隶属度近似时难于取舍的问题，评估结果清晰，方法简单，易于编程实现，但是此种方法在确定目标权重时，仍然不能避免人为主观因素的影响。文献［10］运用p-q-r坐标变换的方法将电压电流从abc三相转换到p-q-r坐标系中，然后重新定义瞬时功率并将瞬时功率细分，并在此基础上定义了一些电能质量指标，以此来评价电能质量。文献［11］提出了基于日周期的电能质量量化的评价方法，这种方法以概率统计和矢量代数为基础，先将电能质量的分项指标量化和归一化，再采用矢量代数将分项指标归一量化，得出了电能质量的综合唯一量化指标，但是这种方法对电能质量的评价不够细致、清晰和全面。文献［12］将模糊多目标决策理论运用到了电能质量评估中，基本思路是：根据各指标的相应目标类型，将实测值转换成相对优属度；其次将各指标的相对优属度合并成评判矩阵；最后通过运用极大极小方法对评判矩阵进行评判，得到电能质量组的优劣排序。但是这种评估方法只能对电能质量的优劣进行排序，而无法得知某一电能质量的好坏程度，而且对于不同电能质量指标值之间的优属度文中没有讨论。
在这些评估方法中，出发点不同，但所得指标在一定程度上都反映了电能质量的优劣。
二、电能质量评估方法今后的研究方向和主要内容
目前，国内外对电能质量的评估研究相对较少，对电能质量给出综合的技术与经济评价仍然是非常困难，至今尚无一个准确的和普遍认可的定量综合评估方法。随着人们对电能质量越来越重视以及电力市场的发展，这方面的研究会越来越多，有许多问题需要进行深入广泛的调查和研究。今后的研究主要包括：
（一）广泛的调研
需要广泛进行调研，了解不同用户对电能质量问题的敏感程度以及不同的电能质量问题对用户的影响和对用户造成的损失。
（二）单项评估指标的建立
目前，我国仅对供电电压允许偏差、电压波动和闪变、公用电网谐波、三相电压不平衡度、电力系统频率偏差、暂时过电压和瞬态过电压制定并颁布了相应的国家标准。对于近年来用户比较重视的暂态电能质量问题如电压暂降、短时断电等尚未给出标准，有关这方面的问题需要深入的研究。
（三）综合评估指标的确定
现有的一些对电能质量的评估方法当中，大多数只涉及到了国标规定的6项电能质量指标。然而，随着高科技以及新兴技术产业的发展，越来越多的电能质量问题受到了用户的重视，尤其是暂态电能质量指标越来越引起人们的关注。因此，如何确定电能质量的评估指标以及如何将这些指标引入到评估当中，是一个亟待解决的问题。
（四）评估指标权重的确定
电能质量各项指标对电力系统以及运行在电力系统中的设备的影响是复杂的、不同的，同时同一指标对不同性质的电力用户的影响也不一样。在电能质量综合评估的过程中，各项指标权重值的确定对评估结果会产生很大的影响。因此如何使电能质量各项指标的权重值更为客观、合理，是电能质量综合评估必须要解决的问题，也是未来的一个重要的研究方向。
（五）按质定价
随着电力市场的发展和成熟，电能的按质定价将是一个必然趋势。电能质量综合评估的结果将作为按质定价的依据。只有实行电能的按质定价，才能满足电力用户对电能的不同要求，同时也能激励供电公司改善电能质量，实现优质供电。因此，如何寻找一种切实有效的方法以实现电能的按质定价是对国内外研究人员的一项重大挑战。 三、结论
随着电力市场的不断发展，电能质量的综合评估是必然趋势。目前国内外对电能质量的评估研究还比较少，现有的评估方法主要是基于模糊理论和智能化的方法，这些方法在一定程度上都反映了电能质量的水平，但还存在一些需要进一步解决的问题，还有很多理论和实际问题需要研究。本文在概述了国内外研究现状的基础上，提出了今后研究的主要内容和方向。
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