煤矿供电系统电能质量综合评价.pdf

第 4 3卷 第 2期 2 0 1 7年 2月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 3 NO ． 2 F e b ． 2 01 7 文 章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 7 0 2 0 0 8 6 0 4 王升花． 煤矿供电系统电能质量综合评价[ J ] ． DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 7 ． 0 2 ． 0 1 9 工矿 自动 化 ， 2 0 1 7 ， 4 3 2 8 6 8 9 ． 煤矿供电系统电能质量综合评价 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0 6 7 0 0 0 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 中图分类号 T D6 0 8 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 7 0 1 2 2 1 0 4 5 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 7 0 1 2 2 ． 1 0 4 5 ． 0 1 9 ． h t ml Co mpr e h e n s i ve e v a l u a t i o n of po we r q u a l i t y f o r c o a l mi ne p o we r s up p l y s y s t e m W A NG Sh e ng hu a De p a r t me n t o f El e c t r i c a l a n d El e c t r o n i c En g i n e e r i n g，Ch e n g d e Pe r t o l e u m C o l l e g e ， Ch e n g d e 0 6 7 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f p o we r q u a l i t y p r o b l e m c a u s e d b y p r o g r e s s i v e l y i n c r e a s e o f n o n l i n e a r d e v i c e s o f c o a l mi n e e n t e r p r i s e ，e v a l u a t i o n i n d e x a n d c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n me t h o d o f c o a l mi n e p o we r q u a l i t y we r e p r o p o s e d．Fi r s t l y，e v a l u a t i o n i n d e x s y s t e m o f c o a l mi n e p o we r q u a l i t y wa s b u i l t a c c o r d i n g t o i n f l u e n c e o f n o n l i n e a r e q u i p me n t t o c o a l mi n e p o we r s u p p l y s y s t e m ；t h e n，c o mb i n a t i o n we i g h t o f e v a l u a t i o n i n d e x wa s d e c i d e d b y i mp r o v e d a n a l y t i c h i e r a r c h y p r o c e s s s u b j e c t i v e we i g h t i n g me t h o d a n d e n t r o p y we i g h t me t h o d o b j e c t i v e we i g h t i n g me t h o d ； f i n a l l y ， c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n o f c o a l mi n e p o we r q u a l i t y wa s p e r f o r me d b y c o mb i n a t i o n o f p r o b a b i l i t y t h e o r y a n d f u z z y ma t h e ma t i c s ．Ex a mp l e a n a l y s i s r e s u l t v e r i f i e d r a t i o n a l i t y o f e v a l u a t i o n i n d e x s y s t e m a n d f e a s i b i l i t y o f t h e c o mp r e h e n s i v e e v a l u a t i o n me t h o d f o r c o a l mi n e p o we r q u a l i t y． ’ Ke y wo r d sc o a l m i ne po we r s u pp l y； p owe r qua l i t y； e v a l u a t i on i nd e x； c ombi na t i o n w e i gh t； c o m pr e he ns i v e e v a l ua t i o n 0 引言 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f_ 1 ] 。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 。 。 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[ 1 1 ] 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[ 1 2 ] 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E 1 3 - ] 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 ]- 1 4 - ] 从煤矿供电系统的电压偏差和谐波 2 个方面对 收稿 日期 2 0 1 6 0 8 2 9 ； 修 回日期 2 0 1 7 - 0 1 0 5 ； 责任编辑 胡娴 。 作者简介 王升花 1 9 7 9 一 ， 女 ， 陕西西安人 ， 讲师 ， 硕 士 ， 研究方 向为电气技术 ， E - ma i l wa n g s h 0 2 0 4 1 6 3 ． c o rn。 2 0 1 7年 第 2期 王升 花 煤矿供 电 系统 电能质 量综 合评 价 8 7 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 。 1评价 指标 体 系 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 r r r T 一U_ 1 0 0 1 U N 式 中 U为 电压 偏 差 ； U 为运 行 的实 际 电压 ； U 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 一 ，一 f N 2 式 中 为频 率偏 差 ； f为运 行 的实 际频率 ； f 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 DT H一 1 0 0 ％ 3 式 中 D 为 总 的谐波 畸 变率 ； M 为谐 波 次 数 ； U 为 第 h次谐波电压值 ； U 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 d U max 了 -- 一Um i n 4 一 一 4 式 中 U⋯ 为 电压 均 方 根 值 的 邻 近 最 大值 ； U⋯ 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 P 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 时问闪变值 的数量 ； P 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 Um 6 式 中 e 为三 相不 平衡 度 ； U 为正 序 电压 ； 【 ， 一 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 一 1一 V。 T 7 式中 E为电压暂降指标 ； 为电压暂降均方根值 ； 丁为电压暂降持续时间。 2综合评 价 方法 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 An a l y t i c Hi e r a r c h y P r o c e s s ， 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 r f 0 ， 即每项元素都为正 ， 一1 ／ r ． r l， 一 r r i ， J ， 忌 一1 ， 2 ， ⋯ ， 为 指 标 个 数 。其 中 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 8 8 工矿 自动化 2 0 1 7 年 第 4 3卷 表 1 标度 的含义 标度 含义 具有 同等重要性 一 个因素比另一个 因素略微重要 一 个因素比另一个 因素重要 一 个因素比另一个 因素 明显重要 一 个因素比另一个 因素绝对重要 要程 度 由大到小 排序 。若 评价 指标 体系 的 个指标 重要 性排 序为 z z 。 ⋯ ， 每 2个指 标进 行 比 较 ， 得出对应的标度 t ， 求得判断矩阵为 R 一 1 t l t l t 2 ⋯t l t z ⋯ t 一1 1 ￡ 2 ⋯t z t 3 “ - t ． t a 上 1 ⋯t 3 t 4“ “t ． t l t 2 t z i i i ； i ⋯ 1 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 I J i √ 弭 厂 一 √ Ⅱ 9 2 ． t ． 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 一{ ， U ， ⋯， } ，其是由电能质量 的 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一{ 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 J中的每个指标进行评价， 可得评价 指标 到评判集 Q 的一个模糊映射 P “ 一 P 1 0 0 l 2 3 4 5 l 较 差 l 合 格l 良 好 I 优 质I 特 优I不 合 格 图 1 煤矿 电能 质量综合 璧化评价 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 I P l 1 P 1 2 F 一} 户 2 1 。 1 P 2 l Pz ’l ● p 根据模糊评判矩阵可得第 个指标的熵值 e 一 一 I n2 5 I n p 1 2 一 一 ⋯ J p 1 z 式中 m为评价 指标 的等级 数 ； P d 为第 i个指标 在 第 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 一e ， 来权衡指标的权重值 ， 权重的计算表达式为 口 ， 1 3 ■一 L 1 ．5 ∑ 1 一 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 口 一 1 4 ∑ 一 ‘ ‘ 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[ 户 ] 。 3 令综合权重矩阵 A一[ n ， a 。 ， ⋯ ， n ] ， 则根 据该权重和概率矩阵 ， 可求得评价结果为 B A 。F 1 5 4 对评价结果进行加权处理求取最终的评价 结果 ∑惫 B B 一等}一 1 6 ∑B 2 0 1 7年 第 2期 王 升花 煤矿 供 电 系统 电能质 量 综合评 价 8 9 式 中 B 为 矩 阵 B 中的第 是列 元 素 ， 即在 每 个 评 判 等 级下 的评 判结 果 。 3 实例 分 析 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 k V， 在 6 k V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 k V 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 R l 1 ． 7 0 2 ． 7 2 2 ． 7 2 4 ． 6 2 6 ． O 1 7 ． 2 1 0 ． 5 9 1 1 ． 6 0 1 ． 6 O 2 ． 7 2 3 ． 5 4 4 ． 2 4 0 ． 3 7 0 ． 6 3 1 1 1 ． 7 0 2 ． 2 1 2 ． 6 5 0 ． 3 7 0 ． 6 3 1 1 1 ． 7 0 2 ． 2 1 2 ． 6 5 0 ． 2 2 0 ． 1 7 0 ． 3 7 0 ． 5 9 1 1 ． 3 0 1 ． 5 6 0 ． 1 7 0 ． 1 4 0 ． 4 5 0 ． 4 5 0 ． 7 7 1 1 ． 2 0 0 ．1 4 O ． 2 4 O ． 3 8 O ． 3 8 0 ． 6 4 0 ． 8 3 l 1 7 结合式 9 和式 1 7 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 一0 ． 3 4 5 ， 0 ． 1 1 3 ， ∞3 0． 1 9 2， ￡ J4 0． 0 78， ∞5 0 ．0 6 5， 叫6 0 ．1 13， 7 0． 0 9 4。 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[ 1 引， 用 式 1 0 一 式 1 3 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 一0 ． 1 5 6 ， 一 0 ．0 57， 一 0 ．21 2， 4 0．05 8， 5 0． 1 91， 6 0 ． 09 4， 7 0 ． 23 2。 3 求取综合 权重 。根据 式 1 4 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 a 一0 ． 3 5 8 ， a2 0 ．0 4 2 8，a 3 0 ．2 7 0 8，a 4 0 ． 03 0 1，a5 0． 0 82 6， a 6 0． 0 7 0 7， a7 0 ．1 4 5 1。 4 获 得 评 价 结 果 。根 据 式 1 5 求 得 评 价 结 果 B E o ． 3 2 2 ， 0 ． 3 1 0 ， 0 ． 1 8 6 ， 0 ． 0 7 3 ， 0 ． 1 2 6 ] 。 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 一2 ． 1 4 1 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 。 4 结语 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 。 参 考 文 献 李兰芳． 煤矿供 电系统谐波抑制和无功 自动补偿解 决 方案[ J ] ． 陕西煤炭 ， 2 0 1 4 ， 3 3 6 7 7 7 9 ． 贾 保军． 煤 矿提 升机 的电能 质量 治理 采取动 态无 功 补偿及滤波装置[ J ] ． 电气应用 ， 2 0 1 5 ， 3 4 2 3 1 5 ～ 1 6 ． 胡佩东 ， 徐兴 民， 刘仕磊． 浅谈 电能质量对煤矿安全 生 产 的重 要 意 义 E J 3 ．中 国科 技 博 览 ， 2 0 1 5 4 1 3 4 8 349 ． 王英涛． 电能质量监测 在煤 矿供 电系统 中的应用 [ J ] ． 科 技创 新与应用 ， 2 0 1 4 2 7 3 2 3 3 ． 焦 萍． 矿用 电 网电能质量分 析系统 的开 发[ D] ． 太原 太 原 理 工 大 学 ， 2 O 1 5 ． 刘 天野 ． 煤矿低压系统动态无功 补偿优化 [ J ] ． 机械工 程 与 自动化 ， 2 0 1 4 3 1 7 4 1 7 5 ． 史 丽萍 ， 杜刚． 一种新 型煤 矿 电能质 量评 估方 法 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 6 9 4 9 7 ． 张毅． 煤矿电能质量在线监测评 估系统研 究[ J ] ． 中州 煤炭 ， 2 0 1 3 1 2 1 7 1 8 ． 陈静． 煤矿高压供 电系统 中性点接地方式 与接 地保护 安全评价 与分 析研 究 [ J ] ． 西 昌学 院 学报 自然科 学 版 ， 2 o 1 4 4 4 8 5 1 ． 邢宝山． 模 糊综 合评 判 法在 煤 矿供 电 系统 中的应 用 [ J ] ． 中州煤炭 ， 2 0 1 1 7 4 6 4 7 ． 张源渊． 典 型非 线性 负荷接人电 网电能质量特性 分析 与评估E D3 ． 北京 华北 电力 大学 ， 2 0 1 4 ． 冯 宇 ， 唐轶 ， 史丽 萍 ， 等 ． 基 于 图形 模式 识别 的稳态 电 能质量 指 标 C J J ．电工 技 术 学 报 ， 2 0 0 8 ， 2 3 3 1 0 8 1l 4 ． 贾 秀芳 ， 赵霞． 电力 市场环 境下 电压质 量 的综 合评 价 指标[ J ] ． 电 网技术 ， 2 0 0 7 ， 3 1 1 1 5 9 6 2 ． 王刚 ， 孙 晓东 ， 乔凤 杰 ， 等． 煤 矿 电 网电能 质 量 分 析 [ J ] ． 山西冶金 ， 2 0 1 1 ， 3 4 6 4 6 4 8 ． 姚 苗． 煤 矿 电能 质量 综 合 评估 方 法研 究 [ D] ． 西 安 西 安科 技大学 ， 2 0 1 4 ． ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] 一 一 胡 明 叫 [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ [