基于D－S證據(jù)理論的電能質(zhì)量在線監(jiān)測算法研究

趙靜，溫麗麗，郭亮

(國網(wǎng)四川省電力公司，四川成都610041)

基于D－S證據(jù)理論的電能質(zhì)量在線監(jiān)測算法研究

趙靜，溫麗麗，郭亮

(國網(wǎng)四川省電力公司，四川成都610041)

電能質(zhì)量水平高低是公司電網(wǎng)安全運(yùn)行水平和優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平的重要體現(xiàn)。現(xiàn)代電網(wǎng)不斷發(fā)展，提供了可靠性，保證了供電質(zhì)量，但同時也帶來了潛在的危險，局部電網(wǎng)的某些設(shè)備或線路故障，可能誘發(fā)惡性連鎖反應(yīng)，并最終釀成大面積停電的重大系統(tǒng)事故，嚴(yán)重影響供電可靠性。另一方面，近年來隨著節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展觀念的建立，大量不可控制的電源點并入主網(wǎng)架，給電網(wǎng)的安全與供電可靠性帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此，研究和建立起一套高效的電網(wǎng)供電質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)電網(wǎng)內(nèi)電壓、頻率和可靠性數(shù)據(jù)的全局的在線監(jiān)測，對于提升安全運(yùn)行與服務(wù)水平，具有重要意義。

電能質(zhì)量;在線監(jiān)測;證據(jù)理論

0 引言

電能質(zhì)量水平高低是公司電網(wǎng)安全運(yùn)行水平和優(yōu)質(zhì)服務(wù)水平的重要體現(xiàn)。隨著現(xiàn)代電力系統(tǒng)已步入高電壓、大電網(wǎng)和大機(jī)組時代，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，區(qū)域電網(wǎng)相互之間的耦合程度越來越緊密，聯(lián)網(wǎng)程度的增強(qiáng)可以提高電網(wǎng)的可靠性與供電質(zhì)量，但同時也帶來了潛在的危險，局部電網(wǎng)的某些設(shè)備或線路故障，可能誘發(fā)惡性連鎖反應(yīng)，并最終釀成大面積停電的重大系統(tǒng)事故，嚴(yán)重影響供電可靠性。另一方面，近年來隨著節(jié)能環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展觀念的建立，國家大力發(fā)展新能源技術(shù)，大量不可控制的電源點并入主網(wǎng)架、氣候等不可控制因素對電網(wǎng)的安全與供電可靠性帶來了巨大的挑戰(zhàn)。

因此，研究和建立起一套高效的電網(wǎng)供電質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)電網(wǎng)內(nèi)電壓、頻率和可靠性數(shù)據(jù)的全局的在線監(jiān)測，對于提升安全運(yùn)行與服務(wù)水平，是十分必要的。基于此，國家電網(wǎng)公司于2012年年底開展了電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的試點工作。

電能質(zhì)量業(yè)務(wù)涵蓋電網(wǎng)頻率、電壓和可靠性三方面內(nèi)容，其中由省調(diào)度部門負(fù)責(zé)提供的數(shù)據(jù)主要為電網(wǎng)頻率指標(biāo)、中樞點電壓指標(biāo)以及設(shè)備停、帶電狀態(tài)。而這些電壓、頻率以及設(shè)備帶電狀態(tài)的數(shù)據(jù)主要取自主站調(diào)度控制系統(tǒng)中采集的站端基礎(chǔ)生數(shù)據(jù)。雖然說近年來國網(wǎng)四川省電力公司調(diào)度控制中心(以下簡稱四川省調(diào))一直著力抓好站端基礎(chǔ)數(shù)據(jù)整治，但仍無法保證數(shù)據(jù)100%的準(zhǔn)確，導(dǎo)致個別送出數(shù)據(jù)中顯示錯誤的停電信息。目前此問題只能靠人工修改，通過人工每日核對送入電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)中的停電線路信息，返回核查當(dāng)時是否正常停電還是數(shù)據(jù)錯誤導(dǎo)致的誤送。

1 基本理論

1.1 電能質(zhì)量在線監(jiān)測范圍

電能質(zhì)量可以定義為:導(dǎo)致用戶設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率偏差，其內(nèi)容涉及到頻率偏差、電壓偏差、電磁暫態(tài)、供電可靠性、波形失真、三相不平衡以及電壓波動和閃變等。這次需要監(jiān)測電能質(zhì)量指標(biāo)主要包括電網(wǎng)頻率、電壓和可靠性三大類指標(biāo)。

從這三大類指標(biāo)來分析，頻率指標(biāo)將監(jiān)控電網(wǎng)頻率指標(biāo)，電壓指標(biāo)將監(jiān)測中樞點電壓指標(biāo)和供電電壓指標(biāo)，可靠性指標(biāo)主要監(jiān)測輸變電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)和供電可靠性指標(biāo)。

1.1.1 頻率指標(biāo)

電力系統(tǒng)頻率是指電力系統(tǒng)統(tǒng)一的一種運(yùn)行參數(shù)，是電能質(zhì)量的一個重要指標(biāo)。中國電力系統(tǒng)的標(biāo)稱頻率為50Hz，GB/T 15945－2008《電能質(zhì)量電力系統(tǒng)頻率偏差》中規(guī)定:“電力系統(tǒng)正常運(yùn)行條件下頻率偏差限值為±0.2 Hz”。電網(wǎng)頻率數(shù)據(jù)主要來自調(diào)度控制系統(tǒng)，通過調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)電網(wǎng)頻率的最大頻率、最小頻率情況和責(zé)任頻率越限情況的統(tǒng)計，完成電網(wǎng)頻率合格率、越限指標(biāo)等情況的在線監(jiān)測。

1.1.2 電壓指標(biāo)

電壓指標(biāo)包括電網(wǎng)中樞點電壓和供電電壓兩部分。電壓是電能質(zhì)量的主要指標(biāo)之一，也是電網(wǎng)運(yùn)行的最重要指標(biāo)之一。中樞點電壓數(shù)據(jù)主要來自調(diào)度控制系統(tǒng)，通過調(diào)度控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集，實現(xiàn)母線運(yùn)行的最高電壓、最低電壓情況和母線電壓越限情況的統(tǒng)計，并計算中樞點電壓合格率等監(jiān)測指標(biāo)，完成中樞點電壓指標(biāo)的在線監(jiān)測。供電電壓數(shù)據(jù)主要來自供電電壓自動采集系統(tǒng)，通過供電電壓自動采集系統(tǒng)實現(xiàn)電壓監(jiān)測點的最高電壓、最低電壓和電壓監(jiān)測點越限情況的運(yùn)行情況統(tǒng)計，并計算各級單位的電壓合格率，完成供電電壓指標(biāo)的在線監(jiān)測。

1.1.3 可靠性指標(biāo)

電力系統(tǒng)可靠性取決于發(fā)供電設(shè)備和線路的可靠性、電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和接線、備用容量、運(yùn)行方式(靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定儲備)以及防止事故連鎖發(fā)展的能力?？煽啃灾笜?biāo)主要監(jiān)測輸變電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)和供電可靠性指標(biāo)。對應(yīng)調(diào)度部門送出數(shù)據(jù)為一次設(shè)備的帶電狀態(tài)信息。

1.2 D－S證據(jù)理論

D－S證據(jù)理論是一種不確定性推理模型，由Dempster和他的學(xué)生Shafer共同提出。它可以在已知證據(jù)的情況下，推斷假設(shè)的確信程度，當(dāng)概率值已知的時候，證據(jù)理論就演變成為概率論。D－S證據(jù)理論的基本概念現(xiàn)介紹如下:

1)證據(jù)的不確定性

設(shè)U的冪集2U上定義了一個基本概率賦值函數(shù)m:2U→［0，1］，使m滿足

基本概率賦值函數(shù)m(A)表示了證據(jù)對U的子集A成立的一種信任程度。

信任函數(shù)定義為

2)證據(jù)的組合

對于相同的證據(jù)，由于來源不同，可能得到不同的基本概率賦值函數(shù)。D－S證據(jù)理論采取正交和來組合這些函數(shù)。

設(shè)m1，m2，…，mn是2U上的n個基本概率賦值函數(shù)，它們的正交和m=m1⊕m2⊕…⊕mn，且定義為

其中，

3)證據(jù)理論的推理

知識表示:系統(tǒng)的推理規(guī)則表示為

證據(jù)的描述:對于任何命題A?U，其信任函數(shù)為

似然函數(shù)為

類概率函數(shù)為

4)不確定性推理

匹配度函數(shù):

命題的邏輯組合的情況

合取:

析取:

如果幾種規(guī)則支持同一命題，總的概率賦值函數(shù)定義為各規(guī)則假設(shè)得到的基本概率賦值函數(shù)的正交和，即

2 多決策融合電能質(zhì)量在線監(jiān)測算法原理

2.1 基本算法原理

圖1展示了現(xiàn)有電能質(zhì)量在線監(jiān)測方案的基本原理，所有指標(biāo)由四川省調(diào)位于安全I(xiàn)區(qū)的智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)經(jīng)由簡單的邏輯判斷，將電網(wǎng)頻率、實時電壓以及設(shè)備停電狀態(tài)傳輸至位于安全I(xiàn)II區(qū)的調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)，調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)再通過接口文件，將信息傳輸至國網(wǎng)電能質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)。此方案優(yōu)點在于直接利用現(xiàn)有SCADA信息，簡單方便，但缺點也較明顯，未經(jīng)處理的SCADA生數(shù)據(jù)的可用度無法達(dá)到100%的要求，站端上送的瞬時跳零數(shù)據(jù)，導(dǎo)致誤送設(shè)備停電狀態(tài)。

圖1 現(xiàn)有電能質(zhì)量在線監(jiān)測方案

圖2所示為經(jīng)過改進(jìn)后的電能質(zhì)量在線監(jiān)測方案。它的原理在于采用智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)現(xiàn)有的功能模塊，對采集的電壓、頻率、設(shè)備狀態(tài)等生數(shù)據(jù)進(jìn)行融合判斷，由調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)進(jìn)行多決策分析，確定電網(wǎng)各設(shè)備當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)。

圖2 改進(jìn)后電能質(zhì)量在線監(jiān)測方案

2.2 設(shè)備狀態(tài)變化可信度設(shè)置

設(shè)備狀態(tài)變化是基于SCADA(穩(wěn)態(tài)監(jiān)控)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鼋Y(jié)果的。即，某一設(shè)備相關(guān)聯(lián)的任一斷路器由合閘到分閘，該設(shè)備的狀態(tài)就會發(fā)生變化并發(fā)出設(shè)備狀態(tài)變化告警。設(shè)備狀態(tài)變化可信度設(shè)置如表1所示。識別框架:?={設(shè)備停運(yùn)、設(shè)備運(yùn)行}，可信度判斷時間間隔為斷路器變位時間前后60 s內(nèi)。基于D－S證據(jù)理論的設(shè)備狀態(tài)判斷流程可如圖3所示。

圖3 基于D－S證據(jù)理論的設(shè)備狀態(tài)判斷流程

表1 設(shè)備狀態(tài)變化證據(jù)

各證據(jù)可信度應(yīng)該按照設(shè)備所屬廠站電壓等級、裝機(jī)容量、投運(yùn)年限等原因進(jìn)行設(shè)置，如投運(yùn)年限短、站端監(jiān)控系統(tǒng)版本較新的廠站上送的信息可信度更高，而處于邊緣地區(qū)的廠站因為運(yùn)維力量的差異以及設(shè)備工況的原因，上送數(shù)據(jù)的可信度也應(yīng)相應(yīng)較低。

各證據(jù)取值范圍在(0，1)，依據(jù)如下:

1)m1～m3證據(jù)

由于本站數(shù)據(jù)有一定的錯誤概率，故設(shè)備停運(yùn)與運(yùn)行的證據(jù)相差不大，取m1～m3{設(shè)備停運(yùn)}= 0．6，m1～m3{設(shè)備運(yùn)行}=0.4。

2)m4證據(jù)

m4{設(shè)備停運(yùn)}=1－abs(對側(cè)潮流變化率－本側(cè)潮流變化率)，其中潮流變化率=abs((當(dāng)前采樣點－前一刻采樣點)/當(dāng)前采樣點)，本證據(jù)實質(zhì)上是量度雙側(cè)潮流變化的一致性。

如果本側(cè)潮流變化率小于5%，取m4{設(shè)備停運(yùn)}=0.5(即此證據(jù)不可用)。

表2 A電廠設(shè)備停運(yùn)狀態(tài)證據(jù)融合判斷

表3 B電廠設(shè)備停運(yùn)狀態(tài)證據(jù)融合判斷

3)m5證據(jù)

m5{設(shè)備停運(yùn)}=0.6，當(dāng)該站狀態(tài)估計合格率大于90%，反之則取為0.4，如當(dāng)時全網(wǎng)狀態(tài)結(jié)果不收斂，則取值為0.5，當(dāng)前證據(jù)無效。

4)m6證據(jù)

判斷原則與m1～m3一致，如該站無PMU裝置則取值為0.5，當(dāng)前證據(jù)無效。

5)m7證據(jù)

如該站相應(yīng)時間段無檢修計劃，則取值0.5，當(dāng)前證據(jù)無效，如有檢修計劃，則取值0.6。

3 多決策融合算法實際應(yīng)用分析

3.1 設(shè)備停運(yùn)判斷實例

1)A電廠于2014年9月9日00:16分上送61號F刀閘狀態(tài)為分(此機(jī)組無出口斷路器)，經(jīng)調(diào)閱曲線，61號機(jī)組量測由00:16的373.60 MW跳變?yōu)?0:17的1.14 MW。兩回送出線路的量測、全廠有功出力以及對側(cè)潮流量測如圖4所示。PMU裝置量測信息與穩(wěn)態(tài)監(jiān)控顯示一致。調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)中未檢索到該站停電檢修計劃。

圖4 A電廠2014年9月9日潮流情況

表2所示為A電廠機(jī)組停運(yùn)的證據(jù)融合判斷結(jié)果，由于機(jī)組無出口斷路器，故開關(guān)變化判據(jù)改為出口隔離刀閘判據(jù)。m4證據(jù)因為本側(cè)潮流變化率大于5%，則m4{設(shè)備停運(yùn)}=1－abs(對側(cè)潮流變化率－本側(cè)潮流變化率)，根據(jù)計算結(jié)果此處近似取為0.9。該站狀態(tài)估計合格率未低于90%，則m5{設(shè)備停運(yùn)}取0.6。其余證據(jù)按照上一節(jié)描述進(jìn)行設(shè)置。則得到?jīng)Q策結(jié)果為設(shè)備停運(yùn)的概率高達(dá)98.3%，與實際相符。

2)B電廠于2014年8月27日13:32上送全站信息為0的信號。機(jī)組開關(guān)變?yōu)榉治?，有功量測(含機(jī)組與出線)變?yōu)?，對側(cè)廠站量測無明細(xì)變化。該站PMU信息未采集，調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)中未檢索到該站停電檢修計劃。

表3所示為B電廠機(jī)組停運(yùn)的證據(jù)融合判斷結(jié)果。m4證據(jù)因為本側(cè)潮流變化率大于5%，則m4=1－abs(對側(cè)潮流變化率－本側(cè)潮流變化率)，對側(cè)潮流變化率與本側(cè)潮流變化率不一致性較高，根據(jù)計算結(jié)果此處近似取為0.1。其余證據(jù)按照上一節(jié)描述進(jìn)行設(shè)置。則得到?jīng)Q策結(jié)果為設(shè)備運(yùn)行的概率高達(dá)80%，與實際相符。

3.2 算法適應(yīng)性分析

該算法在一定程度上避免了站端錯誤上送遙測、遙信信號造成系統(tǒng)誤判設(shè)備狀態(tài)的情況，但如果當(dāng)前廠站負(fù)荷潮流較輕，如有功長期停留在0 MW附近，則此時站端設(shè)備跳閘或計劃停運(yùn)，可通過保護(hù)動作信號或輔助系統(tǒng)進(jìn)行判斷狀態(tài)。但如果是錯誤上送遙信變位信號，此時作為量測變化的直接或間接判據(jù)均不可用，無可避免地?zé)o法通過信號本身進(jìn)行正確的設(shè)備狀態(tài)判斷，僅能通過站端的視頻監(jiān)控核實站端設(shè)備的實際情況。

4 結(jié)論

改進(jìn)了現(xiàn)有的電能質(zhì)量在線監(jiān)測方案，并通過多組實例對改進(jìn)方案進(jìn)行了驗證，得出以下結(jié)論:

1)所改進(jìn)的電能質(zhì)量在線監(jiān)測方案在一定程度上避免了錯誤遙測、遙信信號造成的設(shè)備狀態(tài)誤判，具有較好的適應(yīng)性;

2)所改進(jìn)的方案在設(shè)備負(fù)荷變化明顯時，具有更好的適應(yīng)性及可行性。

下一步工作中，將同時從技術(shù)與管理兩個角度出發(fā)，對電能質(zhì)量在線監(jiān)測方案進(jìn)行優(yōu)化，在技術(shù)上研究負(fù)荷變化較小的情況下設(shè)備狀態(tài)的判斷方法，從管理上研究杜絕錯誤信息上送的手段，雙管齊下，進(jìn)一步提升電能質(zhì)量在線監(jiān)測的水平。

［1］Q/GDW 649－2011，電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］楊洪耕，肖先勇，劉俊勇.電能質(zhì)量問題的研究和技術(shù)進(jìn)展(一)——電能質(zhì)量一般概念［J］.電力自動化設(shè)備，2003，23(10):1－4.

［3］楊洪耕，肖先勇，劉俊勇.電能質(zhì)量問題的研究和技術(shù)進(jìn)展(二)——供電網(wǎng)諧波的測量與分析［J］.電力自動化設(shè)備，2003，23(11):1－4.

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［5］楊洪耕，肖先勇，劉俊勇.電能質(zhì)量問題的研究和技術(shù)進(jìn)展(四)——電壓波動與閃變的測量分析［J］.電力自動化設(shè)備，2004，24(1):1－4.

［6］劉俊勇，楊洪耕，肖先勇.電能質(zhì)量問題的研究和技術(shù)進(jìn)展(五)——電能質(zhì)量監(jiān)測與數(shù)據(jù)管理.電力自動化設(shè)備，2004，24(2):1－4.

［7］楊洪耕，肖先勇，劉俊勇.電能質(zhì)量問題的研究和技術(shù)進(jìn)展(六)——電能質(zhì)量控制技術(shù)進(jìn)展［J］.電力自動化設(shè)備，2004，24(3):1－4.

［8］肖先勇，楊洪耕，劉俊勇.電能質(zhì)量問題的研究和技術(shù)進(jìn)展(七)——電力市場環(huán)境下的電能質(zhì)量問題［J］.電力自動化設(shè)備，2004，24(4):1－4.

［9］符玲，何正友，麥瑞坤，等.小波熵證據(jù)的信息融合在電力系統(tǒng)故障診斷中的應(yīng)用［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2008(13):64－69.

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［11］王勇，劉金寧，曹曼，等.基于概率論與證據(jù)理論的風(fēng)電場電能質(zhì)量評估方法研究［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報，2012，39(3):65－70.

趙靜(1982)，博士，研究方向為調(diào)度自動化;

溫麗麗(1982)，碩士，研究方向為調(diào)度自動化;

郭亮(1982)，博士，研究方向為調(diào)度自動化。

The level of power quality is an important embodiment of safe operation and quality service of the company.The modern power grid continues to develop to provide the reliability and quality of power supply，but also brings the potential dangers.Some equipments or line failures in local power grid may cause a vicious chain reaction，eventually lead to power outages over a large area，and seriously impact on the reliability of power supply.On the other hand，in recent years，with the concept of energy saving，environmental protection and sustainable development，a large number of non－controllable power points are connected to the main power grid，which brings great challenges for the security and reliability of power grid.Therefore，it is important to study and establish an effective monitoring system for power quality，which can realize on－line monitoring for voltage，frequency and reliability of power grid and is of great significance to improving safe operation and service level.

power quality;on－line monitoring;D－S evidence theory

TM92

A

1003－6954(2015)06－0080－05

2015－08－15)