惡劣天氣下的電網(wǎng)典型設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)

葉曉琪，胡 浩，王 帥，程曉陸

(深圳供電局有限責(zé)任公司，廣東 深圳 518000)

在工業(yè)現(xiàn)代化逐漸深化的過程中，生產(chǎn)生活中的用電量不斷增加，人們對(duì)于發(fā)電量的需求日益提升，對(duì)電力設(shè)備的運(yùn)行安全要求日趨健全。為了緩解供電緊張，提高供電可靠性，電力部門搭建了大量的架空高壓輸電線路，以此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大容量電力運(yùn)輸[1]。架空高壓輸電線路常年在無保護(hù)自然環(huán)境中工作，時(shí)常受到降雨降雪以及惡劣天氣的影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)設(shè)備、線路故障的問題[2]。由于維修技術(shù)的限制，導(dǎo)致此類故障持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，損失嚴(yán)重，危及電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全。在惡劣天氣條件下，電力設(shè)備容易出現(xiàn)較為嚴(yán)重的損傷，為保證其運(yùn)行穩(wěn)定性，目前多采用電網(wǎng)典型設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制與預(yù)警，保障電網(wǎng)的安全性。在過去的研究中，部分專家學(xué)者也提供了相應(yīng)的電網(wǎng)典型設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)，例如文獻(xiàn)[3]中提出了一種應(yīng)用大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)的電力設(shè)備故障監(jiān)測(cè)方法，此方法利用歷史數(shù)據(jù)對(duì)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行進(jìn)行研究，完成故障識(shí)別與預(yù)警。在一定程度上提升電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，但對(duì)于天氣環(huán)境的研究不夠充分，導(dǎo)致其在惡劣天氣情況下使用效果較差。文獻(xiàn)[4]提出基于設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的電網(wǎng)狀態(tài)檢修決策模型，將維修門檻納入現(xiàn)有模型，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)在維修計(jì)劃之前超出維修門檻時(shí)，將原來的計(jì)劃提前執(zhí)行，以防止出現(xiàn)故障。同時(shí)，將維修門檻應(yīng)用到非待修設(shè)備，以應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的非待修/待修類別轉(zhuǎn)換，從而形成完整的電網(wǎng)狀態(tài)維修策略。進(jìn)一步建立優(yōu)化模型，針對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行的總風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)維修計(jì)劃和維修門檻進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，所設(shè)計(jì)方法具有可行性，但對(duì)于惡劣天氣環(huán)節(jié)下的研究有所欠缺，不具備針對(duì)性。為此，在本次研究中將設(shè)計(jì)新型惡劣天氣下的電網(wǎng)典型設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)，為應(yīng)對(duì)惡劣天氣對(duì)電網(wǎng)的影響，采取減災(zāi)措施提供可靠性較高的參考依據(jù)。

1 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)設(shè)計(jì)

1.1 氣象數(shù)據(jù)采集處理

研究開始前，對(duì)可能造成電力設(shè)備故障的氣象信息進(jìn)行了大量分析，將其整理為表格的形式，根據(jù)表格中內(nèi)容對(duì)采集到的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，實(shí)現(xiàn)天氣預(yù)測(cè)，具體氣象信息種類劃分結(jié)果見表1。

表1 惡劣氣象信息種類劃分Tab.1 Classification of severe weather information

根據(jù)表1中內(nèi)容，對(duì)采集到的氣象數(shù)據(jù)展開歸一化處理。將氣象數(shù)據(jù)矩陣設(shè)定為A={s1，s2，…，sn}，其中A的每行數(shù)列都包含n種氣象數(shù)據(jù)[5-6]，即si={si1，si2，…，sin}，i為非負(fù)數(shù)，n的取值根據(jù)氣象條件的變化而發(fā)生變化。根據(jù)上述設(shè)定，氣象數(shù)據(jù)矩陣A可寫作：

(1)

由于氣象數(shù)據(jù)種類繁多，且量綱也有所不同，在計(jì)算氣象數(shù)據(jù)中，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。對(duì)多種歸一化方法進(jìn)行研究后，選擇極差標(biāo)準(zhǔn)化方法完成本部分處理[7-8]，具體公式：

(2)

式中，sij為氣象數(shù)據(jù)矩陣中的數(shù)據(jù)項(xiàng)。

經(jīng)過上述處理，將氣象數(shù)據(jù)控制在固定區(qū)間內(nèi)，以便于后續(xù)的處理[9]。假設(shè)在惡劣條件下，電力設(shè)備出現(xiàn)故障，則故障時(shí)刻與故障相關(guān)時(shí)刻的氣象數(shù)據(jù)可組成上述氣象矩陣。其中s1可表示待分析時(shí)刻的氣象數(shù)據(jù)，則電力設(shè)備的故障次數(shù)可表示為h-1。根據(jù)上述公式以及此設(shè)定，對(duì)故障時(shí)刻的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行極差標(biāo)準(zhǔn)化處理，則有：

(3)

使用上述公式完成氣象數(shù)據(jù)的采集與預(yù)處理工作，整合處理后的數(shù)據(jù)，為電網(wǎng)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供環(huán)境基礎(chǔ)。

1.2 電網(wǎng)典型設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)

以完成處理后的氣象數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)展開實(shí)時(shí)監(jiān)控。使用傳感器采集電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)[10]，對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行劃分，確定設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析。電網(wǎng)典型設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)典型設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)Fig.1 Real-time condition monitoring structure of typical power grid equipment

將采集到的電力設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)集合設(shè)定為D，運(yùn)行數(shù)據(jù)分類中心為Zi，則對(duì)應(yīng)的信息熵為：

(4)

式中，E(Zi，D)為數(shù)據(jù)集合中屬于類別Zi的全部數(shù)據(jù)；|D|為運(yùn)行數(shù)據(jù)集合中的樣本數(shù)。如果電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)Q存在g種不同取值結(jié)果，則對(duì)應(yīng)類別確定信息的期望值P為：

(5)

H(Q)=R(Di)-PQ

(6)

式中，Zi為屬于狀態(tài)Q的電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)數(shù)目；H(Q)為此部分信息的信息增益值[11]。在實(shí)際的使用過程中，需要對(duì)全部數(shù)據(jù)的屬性加以分析，確定信息增益值，并根據(jù)此增益值確定設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，則有：

(7)

(8)

使用上述公式確定數(shù)據(jù)的信息增益值，并根據(jù)此數(shù)據(jù)完成電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行屬性[12-13]。將歸一化處理后的氣象數(shù)據(jù)與電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)相結(jié)合，確定兩者之間的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(9)

式中，αij為歸一化處理后氣象數(shù)據(jù)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)；β為分辨系數(shù)，使用此系數(shù)降低關(guān)聯(lián)系數(shù)計(jì)算過程中的誤差，提高數(shù)據(jù)之間的差異顯著度[14-15]，得到電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與氣象數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性關(guān)系：

(10)

使用此公式計(jì)算出電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與氣象數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性[16-17]，在此基礎(chǔ)上，給出電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)架構(gòu)Fig.2 Power equipment operating state data module

由圖2可知，電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中都是原始數(shù)據(jù)，利用批量插入的模式提高數(shù)據(jù)吞吐量，避免冗余數(shù)據(jù)過多，為后續(xù)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提供基礎(chǔ)。

1.3 電網(wǎng)典型設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)警

根據(jù)以往研究結(jié)果可知，電網(wǎng)典型設(shè)備故障情況與監(jiān)測(cè)量變化之間的關(guān)系如圖3所示。在本次研究中，將此圖像中的閾值作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

圖3 電網(wǎng)設(shè)備故障情況與監(jiān)測(cè)量變化關(guān)系Fig.3 Relationship between power grid equipment fault and monitoring quantity change

由于本次研究為多目標(biāo)預(yù)警過程，本次研究根據(jù)采集到的氣象數(shù)據(jù)以及電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)[18-19]，使用層次分析法完成電網(wǎng)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估。

將B設(shè)定為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估目標(biāo)，l為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估因素，li∈L，lij為li對(duì)l的相對(duì)重要性取值結(jié)果。則風(fēng)險(xiǎn)判斷矩陣可表示為：

(11)

根據(jù)上述公式求得惡劣天氣下電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)特征向量，公式如下：

(12)

使用特征向量完成電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，并將評(píng)估結(jié)果劃分為5等級(jí)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。具體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分結(jié)果見表2。根據(jù)表2結(jié)果，實(shí)現(xiàn)惡劣天氣下電網(wǎng)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警處理。完成惡劣天氣下的電網(wǎng)典型設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)設(shè)計(jì)。

表2 電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等級(jí)劃分Tab.2 Operation risk assessment grade division of power grid equipment

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

本次研究中提出了一種新型的可應(yīng)用于惡劣天氣的電網(wǎng)典型設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)，為證實(shí)此技術(shù)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)驗(yàn)證此技術(shù)應(yīng)用效果。選擇傳統(tǒng)技術(shù)與新型技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，并分析測(cè)試結(jié)果。在本次研究中，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境圖和現(xiàn)場(chǎng)儀器如圖4所示。實(shí)驗(yàn)環(huán)境的氣象條件信息見表3。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境圖和現(xiàn)場(chǎng)儀器Fig.4 Site environment drawing and site instrument drawing

表3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境的氣象條件Tab.3 Meteorological conditions of experimental environment

將目標(biāo)電網(wǎng)設(shè)備與表3中的環(huán)境參數(shù)相結(jié)合，輸入數(shù)據(jù)仿真軟件中，構(gòu)建實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)環(huán)境，并使用新型技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)完成實(shí)驗(yàn)對(duì)比過程。

2.2 實(shí)驗(yàn)條件

本次實(shí)驗(yàn)中，將電網(wǎng)設(shè)備故障率、設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)誤報(bào)率以及電網(wǎng)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分精度作為實(shí)驗(yàn)對(duì)比對(duì)象。根據(jù)上述指標(biāo)，對(duì)新型技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用效果加以分析。實(shí)驗(yàn)中涉及計(jì)算的部分，均將計(jì)算結(jié)果均值固定在小數(shù)點(diǎn)后一位，以此保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算精度，同時(shí)降低實(shí)驗(yàn)難度。

本次實(shí)驗(yàn)過程中電網(wǎng)設(shè)備參數(shù)為固定取值，因此，除上述設(shè)定的實(shí)驗(yàn)對(duì)比指標(biāo)外，不對(duì)其他應(yīng)用效果進(jìn)行分析，將文獻(xiàn)[3]方法作為傳統(tǒng)技術(shù)1，將文獻(xiàn)[4]方法作為傳統(tǒng)技術(shù)2，與文中所設(shè)計(jì)新型技術(shù)做對(duì)比。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

電網(wǎng)設(shè)備故障率見表4。

表4 電網(wǎng)設(shè)備故障率Tab.4 Failure rate of power grid equipment

由表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，不同的技術(shù)在使用后的設(shè)備故障率也有所不同。其中傳統(tǒng)技術(shù)1和傳統(tǒng)技術(shù)2應(yīng)用后故障率平均值分別為13.94%和10.96%，在新型技術(shù)使用后，電網(wǎng)設(shè)備的故障率得到了很好的控制，故障率平均值僅僅為4.31%。此結(jié)果從側(cè)面證實(shí)了新型技術(shù)的應(yīng)用效果。傳統(tǒng)方法在使用后，設(shè)備故障率相對(duì)較高，此方法無法為電網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行與維修提供有價(jià)值的決策信息，導(dǎo)致設(shè)備故障情況激增。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，新型技術(shù)的應(yīng)用效果優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。對(duì)表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后可知，應(yīng)用新型技術(shù)使用后，在惡劣天氣下可實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的高精度預(yù)警，降低風(fēng)險(xiǎn)誤報(bào)率，平均值僅僅為3.45%，提高了電網(wǎng)設(shè)備的管理與維護(hù)能力。傳統(tǒng)技術(shù)在使用過程中，對(duì)于電網(wǎng)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警誤報(bào)率過高，傳統(tǒng)技術(shù)1和傳統(tǒng)技術(shù)2風(fēng)險(xiǎn)誤報(bào)率平均值分別為6.65%和6.02%，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)設(shè)備的正常使用。使用傳統(tǒng)技術(shù)易造成預(yù)警不及時(shí)，導(dǎo)致設(shè)備損壞，嚴(yán)重會(huì)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失。綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定文中提出的新型技術(shù)使用后的結(jié)果可靠性更高。

表5 電網(wǎng)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)誤報(bào)率Tab.5 Risk false alarm rate of power grid equipment

3 預(yù)警技術(shù)應(yīng)用

為了測(cè)試提出的惡劣天氣下的電網(wǎng)典型設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)的應(yīng)用效果，選擇某區(qū)域的電網(wǎng)典型設(shè)備作為研究對(duì)象進(jìn)行實(shí)證分析。預(yù)警界面如圖5所示。

圖5 預(yù)警界面Fig.5 Early warning interface diagram

將所設(shè)計(jì)的惡劣天氣下的電網(wǎng)典型設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)應(yīng)用到電力鐵塔桿上，針對(duì)電力鐵塔桿輸電線路周圍環(huán)境地質(zhì)條件、溫度、濕度以及環(huán)境監(jiān)測(cè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景，進(jìn)行了應(yīng)用理論方面的研究，結(jié)合監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)警設(shè)備，有效地提高了該技術(shù)的應(yīng)用范圍，滿足了對(duì)輸電線路周圍環(huán)境地質(zhì)的綜合監(jiān)測(cè)監(jiān)管和社會(huì)化服務(wù)需求。監(jiān)測(cè)點(diǎn)預(yù)警設(shè)備主要用于獲取電力鐵塔監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，地基的沉降、雨量、溫度等多源數(shù)據(jù)，由高精度北斗接收機(jī)、其他傳感器、電源裝置、避雷裝置等組成。電力鐵塔應(yīng)用如圖6所示。

圖6 電力鐵塔應(yīng)用示意Fig.6 Schematic diagram of power tower application

利用傳統(tǒng)技術(shù)1、傳統(tǒng)技術(shù)2以及所研究惡劣天氣下的電網(wǎng)典型設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)，進(jìn)行電網(wǎng)設(shè)備分險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警精度對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

圖7 電網(wǎng)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警精度結(jié)果Fig.7 Precise warning result of risk grade of power network equipment

對(duì)圖7進(jìn)行分析后可知，新型技術(shù)對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警精度更高，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警精度均在86%以上，使用此技術(shù)后可對(duì)惡劣天氣對(duì)電網(wǎng)設(shè)備的影響展開更加精確的分析，也可以選用更加有效的措施避險(xiǎn)設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)帶來的損失。傳統(tǒng)技術(shù)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的預(yù)警精度較差，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)預(yù)警精度均在86%以下，無法獲取有效的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信息，使用此技術(shù)后不易得到可靠性較高的預(yù)警信息，無法完成針對(duì)性的維護(hù)工作。由此可知，新型技術(shù)的應(yīng)用效果更佳，具有較好的應(yīng)用價(jià)值，且其使用效果優(yōu)于傳統(tǒng)技術(shù)。

4 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)的不足，使用多元數(shù)據(jù)融合技術(shù)設(shè)計(jì)了新型監(jiān)測(cè)與預(yù)警技術(shù)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，新型技術(shù)具有傳統(tǒng)技術(shù)不具備的優(yōu)越性，應(yīng)用效果較好。此次設(shè)計(jì)僅針對(duì)傳統(tǒng)方法的預(yù)警精度展開優(yōu)化，并未對(duì)傳統(tǒng)技術(shù)的其他問題進(jìn)行分析，在日后的研究中還需要通過大量的應(yīng)用測(cè)試，分析此次研究中提出技術(shù)的性能，并對(duì)其進(jìn)行及時(shí)的優(yōu)化與完善，以此保證電網(wǎng)設(shè)備的安全運(yùn)行，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。