基于賦值法的電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)信息仿生化建模分析

張洪略，陳勝，王家軍，萬(wàn)毅，石家德

（1.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力調(diào)度控制中心，貴州貴陽(yáng) 550000；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司興義供電局，貴州 興義 562400；3.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司都勻供電局，貴州都勻 558000；4.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司凱里供電局，貴州 凱里 556000）

電力系統(tǒng)運(yùn)行是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng) 中產(chǎn)生異常信息時(shí)，由于離散時(shí)間與物理設(shè)備的關(guān)系，常發(fā)生離散事件。電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)信息的有效監(jiān)測(cè)是保證電力系統(tǒng)正?？煽抗╇姷年P(guān)鍵。一旦出現(xiàn)異常遠(yuǎn)動(dòng)信息，將影響電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

文獻(xiàn)[2]將故障數(shù)據(jù)細(xì)分為3 種類型，基于多源數(shù)據(jù)，考慮不同數(shù)據(jù)之間存在的差異，利用實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷。文獻(xiàn)[3]為減少流域梯級(jí)調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中遠(yuǎn)動(dòng)通信測(cè)點(diǎn)數(shù)量規(guī)模龐大的問(wèn)題，給出同型和異構(gòu)平臺(tái)下對(duì)比同步的模型和算法，分析不同監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)通信信息點(diǎn)表和數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)點(diǎn)分布屬性等特性，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比模塊、軟件數(shù)據(jù)自動(dòng)同步模塊，避免了大數(shù)據(jù)規(guī)模環(huán)境下電力安全運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

但是以往的數(shù)據(jù)建模方法都是面向點(diǎn)數(shù)據(jù)配置的，缺乏詳細(xì)的管理步驟，導(dǎo)致誤碼率高，不能保證信息輸入結(jié)果是正確的，容易受到信息來(lái)源與傳輸過(guò)程不穩(wěn)定性的影響，分析效果不佳，由此，提出了基于賦值法的電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)信息仿生化建模分析。

1 遠(yuǎn)動(dòng)信息仿生化建模分析

根據(jù)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)動(dòng)信息來(lái)源復(fù)雜、處理過(guò)程繁瑣的特點(diǎn)，對(duì)電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)信息仿生化建模分析，確保信息的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)有效性。

1.1 電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)通信結(jié)構(gòu)

首先，分析電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)通信結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)通信結(jié)構(gòu)

從圖1 中可以看出，該結(jié)構(gòu)主要包括以太網(wǎng)、控制中心和變電站，其中，以太網(wǎng)通過(guò)I/O 切換功能模擬采樣通信數(shù)據(jù)，控制數(shù)據(jù)傳輸；控制中心通過(guò)設(shè)備間的交互操作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)間隔單元的控制[4]；在變電站內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制中心、維護(hù)中心及人機(jī)接口之間的相互通信，并管理配置和圖形界面[5]。

1.2 邏輯節(jié)點(diǎn)與信息仿生化建模

在信息交換中，邏輯節(jié)點(diǎn)是最小的單元，該單元與服務(wù)器基本功能一致，包含了電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)通信信息，通過(guò)不同邏輯節(jié)點(diǎn)間的信息交換操作，實(shí)現(xiàn)特定操作[6]。IEC61850 規(guī)約下的繼電保護(hù)系統(tǒng)測(cè)量和計(jì)量以及控制包括三種特點(diǎn)，分別提取與測(cè)控通信有關(guān)的邏輯節(jié)點(diǎn)和通用信息[7-9]。如表1 和表2 所示。

表1 遠(yuǎn)動(dòng)通信邏輯節(jié)點(diǎn)

表2 遠(yuǎn)動(dòng)通信信息分類

分析遠(yuǎn)程邏輯節(jié)點(diǎn)中包含的信息對(duì)象和信息屬性，建立電力系統(tǒng)遠(yuǎn)程邏輯節(jié)點(diǎn)模型，如圖2 所示。

圖2 電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)邏輯節(jié)點(diǎn)模型

由圖2 可知，在電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)通信過(guò)程中，不需要獲得變電站的全部信息，只需對(duì)變電站關(guān)鍵部件或關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[10-12]。因此，邏輯節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)模型和功能模型應(yīng)該根據(jù)遠(yuǎn)動(dòng)供電的實(shí)際需要來(lái)建立[13]。

遠(yuǎn)動(dòng)通信信息主要包括有功和無(wú)功功率、電流和電壓值、電能表及設(shè)備狀態(tài)等，由邏輯節(jié)點(diǎn)完成對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)電流、電壓、功率等的測(cè)量[14]。在信息處理過(guò)程中，主要將有功、無(wú)功功率的三相相加后上傳到控制中心，從該中心構(gòu)建仿生化模型，如表3所示。

表3 電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)信息仿生化模型

由表3 可知，在遠(yuǎn)程信息處理中，可以使用邏輯節(jié)點(diǎn)進(jìn)行電能計(jì)量，而反映用電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的電能計(jì)量則需要選擇相應(yīng)的邏輯節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)對(duì)象?；诮o定的邏輯點(diǎn)，可進(jìn)行自我控制與調(diào)節(jié)，保證母線電壓在一定范圍內(nèi)[15]?？紤]到電力遠(yuǎn)動(dòng)通信中遙信的重要性，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行即時(shí)發(fā)送或暫時(shí)緩存報(bào)告。保存的事件可以在特定時(shí)間后發(fā)送，即使通信中斷或受到其他因素的干擾，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失[16]。

2 基于賦值法遠(yuǎn)動(dòng)信息異常預(yù)警

2.1 賦值法確定閾值

為避免單一方法導(dǎo)致的分配偏差，綜合閾值由主、客觀閾值的線性權(quán)重決定，主、客觀閾值可以用λ1、λ2分開設(shè)置。通過(guò)對(duì)主、客觀門限進(jìn)行比例加權(quán)，得到遠(yuǎn)程電力信息異常預(yù)警指標(biāo)的綜合門限:

式（1）中，a、b表示比例系數(shù)，計(jì)算公式為：

式（2）中，n表示電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)信息分類總數(shù)；pn表示第n個(gè)分類所包含的遠(yuǎn)動(dòng)信息出現(xiàn)的概率。

2.2 遠(yuǎn)動(dòng)信息異常預(yù)警

采用閾值分配的方法，確定遠(yuǎn)動(dòng)通信信息挖掘中異常預(yù)警指標(biāo)的閾值，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)預(yù)警。然而，電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)通信信息異常預(yù)警過(guò)程中，不僅需要對(duì)指標(biāo)進(jìn)行異常挖掘預(yù)警，還應(yīng)結(jié)合其他預(yù)警層次的設(shè)計(jì)，如圖3 所示。

圖3 遠(yuǎn)動(dòng)信息異常預(yù)警流程

由圖3 可知，實(shí)施異常報(bào)警時(shí)，需要監(jiān)控站點(diǎn)提供足夠的數(shù)據(jù)，如果數(shù)據(jù)不完整，就不能有效報(bào)警。一般來(lái)說(shuō)，可以設(shè)置每個(gè)索引生成的50%的數(shù)據(jù)量來(lái)限制數(shù)據(jù)完整性。例如，電流諧波每天應(yīng)產(chǎn)生480次，每3 min 一次，如果在一天內(nèi)電流諧波值低于17位，則將被視為無(wú)效。

綜上分析可知，穩(wěn)態(tài)指標(biāo)預(yù)警步驟為：

步驟一：對(duì)監(jiān)測(cè)指標(biāo)數(shù)據(jù)的完整度進(jìn)行判斷。

步驟二：當(dāng)符合要求后，對(duì)指標(biāo)進(jìn)行超限檢測(cè)，并根據(jù)超限程度給予3～4 次警告。

步驟三：針對(duì)超過(guò)閾值的數(shù)據(jù)，及時(shí)以異常通信情況進(jìn)行預(yù)警。

步驟四：對(duì)概率值為95%以上的異常情況，在一個(gè)固定的時(shí)間窗內(nèi)，通過(guò)典型波形參數(shù)的估計(jì)，進(jìn)行異常數(shù)據(jù)挖掘。此步驟也是對(duì)尚未設(shè)置完善的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警與分析[17]。

判別預(yù)警級(jí)別的具體步驟是：統(tǒng)計(jì)原始數(shù)據(jù)超過(guò)異常閾值的次數(shù)以及原始數(shù)據(jù)的最大值，然后，限制異常數(shù)并計(jì)算最大值。如果兩種情況都超過(guò)限制，將發(fā)出二級(jí)警告，超過(guò)上限時(shí)將發(fā)出一級(jí)警告。如果沒(méi)有超限，則判斷為正常，不會(huì)發(fā)出警告信息。

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于賦值法的電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)信息仿生化建模分析的合理性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)環(huán)境是以某個(gè)變電站為例，變電所主要包含兩個(gè)電壓等級(jí)：110 kV 和115 kV，皆由變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、電壓互感器、電流互感器等部件組成，并配有基本的控制和保護(hù)裝置。

對(duì)數(shù)據(jù)預(yù)處理之后，得到50 個(gè)待處理數(shù)據(jù)。同時(shí)，需要考慮設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的滑動(dòng)窗口來(lái)形成多種類型的樣本。根據(jù)實(shí)際調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，將一個(gè)窗口的數(shù)據(jù)數(shù)設(shè)為5，直接將50 個(gè)數(shù)據(jù)數(shù)限制在5 內(nèi)，即可得到10 個(gè)窗口，數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果如表4 所示。

表4 10個(gè)窗口統(tǒng)計(jì)量分析

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

設(shè)定理想情況下電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的負(fù)序電壓長(zhǎng)時(shí)間不平衡度應(yīng)小于等于0.24%，短時(shí)間不平衡度應(yīng)小于等于0.45%。

基于該情況，分別使用文獻(xiàn)[2]方法、文獻(xiàn)[3]方法和該文方法對(duì)電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)信息異常情況進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4 所示。

由圖4（a）可知，使用文獻(xiàn)[2]方法在采樣時(shí)間為5.8 h 時(shí)，達(dá)到最高負(fù)序電壓長(zhǎng)時(shí)間不平衡度為0.258%，超過(guò)負(fù)序電壓長(zhǎng)時(shí)間不平衡度理想值0.01%；使用文獻(xiàn)[3]方法在采樣時(shí)間為5.6 h 時(shí)，達(dá)到最高負(fù)序電壓長(zhǎng)時(shí)間不平衡度為0.248%，接近理想值；使用該文方法在采樣時(shí)間為5.5 h 時(shí)，最為接近理想值，滿足負(fù)序電壓長(zhǎng)時(shí)間不平衡度不能超過(guò)0.24%的要求，且與理想曲線一致。

由圖4（b）可知，使用文獻(xiàn)[2]方法在采樣時(shí)間為2.4 h 時(shí)，達(dá)到最高負(fù)序電壓長(zhǎng)時(shí)間不平衡度為0.47%，超過(guò)負(fù)序電壓長(zhǎng)時(shí)間不平衡度理想值0.025%；使用文獻(xiàn)[3]方法在采樣時(shí)間為4 h 時(shí)，達(dá)到最高負(fù)序電壓長(zhǎng)時(shí)間不平衡度為0.47%，超過(guò)負(fù)序電壓長(zhǎng)時(shí)間不平衡度理想值0.025%；使用該文方法在采樣時(shí)間為1 h 時(shí)，達(dá)到最高負(fù)序電壓長(zhǎng)時(shí)間不平衡度為0.444%，滿足負(fù)序電壓長(zhǎng)時(shí)間不平衡度不能超過(guò)0.45%的要求，且與理想曲線一致。

圖4 三種方法遠(yuǎn)動(dòng)信息異常情況對(duì)比分析

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)信息特點(diǎn)，提出了一種基于賦值法的電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)信息仿生化建模分析方法，結(jié)合異常預(yù)警指標(biāo)，及時(shí)對(duì)異常情況進(jìn)行預(yù)警。

由于不同電力系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)通信協(xié)議的巨大差異，通信過(guò)程不可避免地會(huì)丟失數(shù)據(jù)。面對(duì)這種情況，在未來(lái)的研究中，應(yīng)該在通信網(wǎng)關(guān)上增加協(xié)議轉(zhuǎn)換機(jī)制，縮短信息處理時(shí)間，減少不同通信端口間的時(shí)延問(wèn)題。