基于軟測(cè)量的圖譜變化檢測(cè)技術(shù)在變電站狀態(tài)智能分析中的研究與應(yīng)用

俞華+王天正+蘆竹茂+楊冬冬+白鷺

摘 要： 基于軟測(cè)量圖譜變化檢測(cè)技術(shù)，研究了其在變電站狀態(tài)智能分析中的應(yīng)用。采用軟測(cè)量技術(shù)對(duì)智能變電站狀態(tài)圖譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的接口分級(jí)、IEC61850 信息模型、圖譜變化監(jiān)控系統(tǒng)、圖譜狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，同時(shí)分析了軟測(cè)量智能圖譜分析關(guān)鍵技術(shù)支持向量機(jī)SVM法、設(shè)備軟測(cè)量特征分析、典型場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。結(jié)合變電站的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)變電站的兩個(gè)典型場(chǎng)景的圖譜進(jìn)行建模，通過(guò)兩個(gè)典型場(chǎng)景區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對(duì)圖譜變化異常情況的監(jiān)控與處理，為今后軟測(cè)量的圖譜變化檢測(cè)技術(shù)在變電站狀態(tài)智能分析中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞： 軟測(cè)量； 檢測(cè)技術(shù)； 智能分析； 圖譜

中圖分類號(hào)： TN98?34； TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）13?0171?04

Abstract： According to the spectrum change detection technology based on soft measurement， its application in substation condition is intelligent analysis studied. The soft measurement technology is used to study the monitoring system interface classification， IEC61850 information model， spectrum change monitoring system and structure of the intelligent substation state spectrum monitoring system. The key technologies （support vector machine （SVM） method， soft measurement feature analysis of equipment， establishment of typical scene database） of the soft measurement intelligent spectrum analysis are analyzed. In combination with the practical application of the substation， the spectrum of two typical scenes of substation was modeled. The abnormal situation of spectrum variation can be monitored and treated with two typical scene regions， which provides a reference for the application of spectrum change detection technology based on soft measurement in substation state intelligent analysis.

Keywords： soft measurement； detection technology； intelligent analysis； spectrum

0 引 言

隨著電力建設(shè)的發(fā)展，變電站對(duì)供電系統(tǒng)安全運(yùn)行及電力設(shè)備良好狀態(tài)的要求越來(lái)越高，以自動(dòng)化、信息化、可視化為特征的智能變電站越來(lái)越受歡迎[1?3]。涉及變電站安全防護(hù)、圖譜檢測(cè)、高壓設(shè)備運(yùn)行等輔助系統(tǒng)建立的智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)逐漸成為智能變電站狀態(tài)監(jiān)測(cè)不可缺少的部分[4?7]。融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建圖譜監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)變電站設(shè)備運(yùn)行圖譜變化實(shí)施全天候在線監(jiān)測(cè)，成為當(dāng)前智能變電站研究的熱點(diǎn)[8]。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，變電站智能化控制成為電力系統(tǒng)的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，為了確保變電站安全、正常運(yùn)行，需不斷提升變電站圖譜變化檢測(cè)系統(tǒng)智能化分析能力，隨著軟測(cè)量技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的廣泛應(yīng)用，尤其在電力系統(tǒng)變電站圖譜變化檢測(cè)系統(tǒng)智能分析中的作用日益顯著[9?11]。本文基于軟測(cè)量圖譜變化檢測(cè)技術(shù)，研究了其在變電站狀態(tài)智能分析中的應(yīng)用。

1 軟測(cè)量技術(shù)

軟測(cè)量實(shí)質(zhì)是使用計(jì)算機(jī)技術(shù)，結(jié)合自動(dòng)控制理論，將不易測(cè)量或目前不能測(cè)量的一些比較重要的變量，利用容易測(cè)量的一些變量根據(jù)其相互之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系對(duì)這些變量進(jìn)行推斷或估計(jì)，通過(guò)軟測(cè)量的方式對(duì)硬件功能進(jìn)行代替的一種技術(shù)。軟測(cè)量模型對(duì)過(guò)程中的輸入與輸出變量的相互關(guān)系不是特別強(qiáng)調(diào)，而關(guān)心的是通過(guò)輔助變量估計(jì)最佳主導(dǎo)變量。

傳統(tǒng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)無(wú)法直接獲取設(shè)備狀態(tài)，要得到設(shè)備狀態(tài)信息，必須建立設(shè)備紅外、紫外圖譜，通過(guò)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)才能獲得。因而對(duì)基于設(shè)備圖譜的軟測(cè)量技術(shù)的研究具有非常重要的價(jià)值。軟測(cè)量技術(shù)與傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)相比，其特點(diǎn)是通用性、靈活性非常強(qiáng)，成本較低，容易實(shí)現(xiàn)，圖1為軟測(cè)量模型結(jié)構(gòu)。

2 軟測(cè)量技術(shù)在智能變電站狀態(tài)圖譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能電網(wǎng)以先進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行架構(gòu)，提升變電站的安全運(yùn)行。軟測(cè)量技術(shù)在智能變電站狀態(tài)圖譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)，按照整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用需求，系統(tǒng)架構(gòu)的分層和分區(qū)均采用分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)為三級(jí)構(gòu)建，分為省級(jí)主站系統(tǒng)、地區(qū)級(jí)主站系統(tǒng)、站端系統(tǒng)。通過(guò)專用通信網(wǎng)絡(luò)，省級(jí)主站可對(duì)整個(gè)省的變電站設(shè)備、環(huán)境信息進(jìn)行查看，同時(shí)統(tǒng)計(jì)地區(qū)級(jí)主站的工況；地區(qū)級(jí)主站主要管理所轄的變電站。系統(tǒng)架構(gòu)的核心和關(guān)鍵是搭建適合智能電網(wǎng)圖譜變化檢測(cè)的變電站監(jiān)控方案。站端系統(tǒng)是變電站整個(gè)視頻系統(tǒng)的一個(gè)基本單元，其主要任務(wù)是對(duì)變電站進(jìn)行監(jiān)控。本文設(shè)計(jì)的站端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，在變電站的視頻控制系統(tǒng)中配置有視頻監(jiān)控主機(jī)，進(jìn)行圖譜變化的檢測(cè)。同時(shí)還配置有變壓器/電抗器檢測(cè)設(shè)備、短路器/GIS檢測(cè)設(shè)備、容性檢測(cè)設(shè)備、環(huán)境檢測(cè)設(shè)備、計(jì)量檢測(cè)設(shè)備、監(jiān)控檢測(cè)設(shè)備、保護(hù)檢測(cè)設(shè)備等，這樣就可對(duì)全變電站的電氣設(shè)備和關(guān)鍵部位的安裝地點(diǎn)進(jìn)行24 h監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備圖譜變化檢測(cè)的可視化管理與分析，進(jìn)而滿足變電站系統(tǒng)對(duì)設(shè)備關(guān)鍵部位圖譜變化的安全監(jiān)視，因此變電站可實(shí)現(xiàn)安全預(yù)警，圖2為智能變電站關(guān)鍵部位圖譜狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口分級(jí)

圖譜狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)接口分為四層，第一層為主站層，包括主站檢測(cè)單元；第二層為站控層，包括站端檢測(cè)單元，歷史數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果由站控層的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)長(zhǎng)期存儲(chǔ)；第三層為間隔層，包括2個(gè)圖譜狀態(tài)檢測(cè)主IED，間隔層主要對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并分析和診斷數(shù)據(jù)；第四層為過(guò)程層，包括4個(gè)圖譜狀態(tài)檢測(cè)子IED，每個(gè)子IED連接有傳感器，傳感器直接聯(lián)系現(xiàn)場(chǎng)。圖譜變化狀態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)在經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理和預(yù)處理后，由檢測(cè)子IED傳送到2個(gè)間隔層主IED，同時(shí)4個(gè)檢測(cè)子IED對(duì)間隔層輸出的參數(shù)對(duì)、參數(shù)配置、參數(shù)召喚、強(qiáng)制重啟等控制命令進(jìn)行快速接收。過(guò)程層遵循標(biāo)準(zhǔn)為IEC61850，信息交換采用GOOSE方式、SMV方式完成，圖3為系統(tǒng)接口分級(jí)圖。

2.3 IEC61850信息模型

IEC61850信息建模集中在變壓器、斷路器等智能電子設(shè)備IED，基于IEC61850統(tǒng)一信息模型和通信平臺(tái)方面，在變電站輔助生產(chǎn)系統(tǒng)領(lǐng)域，IEC61850信息建模逐漸成為智能變電站圖譜變化狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要組成部分。IEC61850信息模型分為兩部分，分別為基本信息模型、信息服務(wù)模型，采用分層、分類原則構(gòu)建這兩個(gè)模型，圖4為IEC61850信息模型。

IEC61850信息模型包括邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點(diǎn)、服務(wù)器、數(shù)據(jù)對(duì)象、數(shù)據(jù)屬性共5個(gè)類別。服務(wù)器由一個(gè)或數(shù)個(gè)邏輯設(shè)備組成，提供數(shù)據(jù)；邏輯設(shè)備實(shí)質(zhì)上屬于一種虛擬設(shè)備，其組成包括邏輯節(jié)點(diǎn)、對(duì)應(yīng)服務(wù)，邏輯節(jié)點(diǎn)是最小的功能單元，通過(guò)邏輯連接進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，完成有關(guān)功能；數(shù)據(jù)對(duì)象屬于比較具體的數(shù)據(jù)填充、數(shù)據(jù)功能描述，它是構(gòu)成訪問(wèn)信息模型和操作信息模型的途徑；數(shù)據(jù)屬性由四個(gè)元素組成，分別為屬性類型、特殊值、功能約束、觸發(fā)選項(xiàng)，數(shù)據(jù)對(duì)象不能獨(dú)立存在，它是信息最終載體，對(duì)信息模型進(jìn)行訪問(wèn)、操作的行為，實(shí)質(zhì)是對(duì)數(shù)據(jù)屬性的讀與寫。

2.4 圖譜變化監(jiān)控系統(tǒng)方案

圖5為圖譜變化狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)方案，系統(tǒng)由配線架、防火墻、分光器、錄像機(jī)、綜合服務(wù)器、交換機(jī)、ONU、圖譜監(jiān)控子系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)、前端采集子等組成。圖譜變化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的各個(gè)IED，視頻監(jiān)視系統(tǒng)攝像頭與ONU進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)由分光器進(jìn)行匯集后送到光纖配線架，最后出站。

3 軟測(cè)量智能圖譜分析關(guān)鍵技術(shù)

3.1 支持向量機(jī)SVM法

軟測(cè)量的核心技術(shù)是進(jìn)行監(jiān)控對(duì)象的前期建模和關(guān)聯(lián)建模，關(guān)聯(lián)建模主要是建立測(cè)量變量與推斷變量之間的關(guān)系。對(duì)變電站智能圖譜分析來(lái)說(shuō)，支持向量機(jī)SVM法是最為有效的工具。SVM 法屬于一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，其原則是風(fēng)險(xiǎn)最小化，該方法通過(guò)對(duì)函數(shù)子集、函數(shù)子集的判別函數(shù)進(jìn)行適當(dāng)選擇，達(dá)到學(xué)習(xí)機(jī)器的最小化，這樣有限訓(xùn)練得到的小誤差分離器的通過(guò)就有了保障，解決了欠學(xué)習(xí)、過(guò)學(xué)習(xí)問(wèn)題，泛化能力良好。支持向量機(jī)是對(duì)一個(gè)凸優(yōu)化問(wèn)題的求解，其局部的最優(yōu)解實(shí)質(zhì)上是全局最優(yōu)解。通過(guò)應(yīng)用核函數(shù)，使得對(duì)非線性的求解轉(zhuǎn)化成線性求解。

3.2 設(shè)備軟測(cè)量特征分析

進(jìn)行圖譜變化軟測(cè)量特征分析時(shí)，要根據(jù)變電站關(guān)鍵設(shè)備的刀閘、套管、變壓器、母線等建立正常特征數(shù)據(jù)庫(kù)，以數(shù)學(xué)模型、正常特征數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，達(dá)到推理機(jī)制、學(xué)習(xí)機(jī)制的完善性與有效性。按照系統(tǒng)運(yùn)行設(shè)置的業(yè)務(wù)流程，系統(tǒng)中相對(duì)重要的內(nèi)容是典型場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)，在系統(tǒng)實(shí)時(shí)圖譜變化分析到軟測(cè)量數(shù)據(jù)后，與正常樣本的歷史圖譜變化軟測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比，對(duì)異常的圖譜變化分析內(nèi)容進(jìn)行告警。

3.3 典型場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)的建立

在典型場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)建立過(guò)程中，采用研究組織的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)理論方法，對(duì)處理數(shù)據(jù)的方法、技術(shù)進(jìn)行高效獲取，進(jìn)而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理、組織。根據(jù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)的建立。采用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)出對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)管理應(yīng)用系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)設(shè)計(jì)出對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用系統(tǒng)，通過(guò)應(yīng)用管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、理解、處理。在對(duì)圖譜變化的特征及屬性進(jìn)行提取時(shí)，要完整提取，這樣圖譜變化的信息內(nèi)容就可以完整地表達(dá)出來(lái)。

4 典型場(chǎng)景建模設(shè)置的應(yīng)用

本研究結(jié)合變電站的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)變電站的兩個(gè)典型場(chǎng)景的圖譜進(jìn)行建模。

第一個(gè)圖譜典型區(qū)域?yàn)榈堕l區(qū)域，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)120個(gè)圖譜樣本的獲取，實(shí)現(xiàn)刀閘區(qū)域的圖譜建模，這120個(gè)圖譜樣本包括季節(jié)不同時(shí)的樣本，天氣狀況不同的樣本，通過(guò)這些現(xiàn)場(chǎng)圖譜樣本建立現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)建立第一個(gè)圖譜典型區(qū)域的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，表1為第一個(gè)圖譜典型區(qū)域刀閘區(qū)能夠監(jiān)控的圖譜變化異常情況和處理方案。

第二個(gè)圖譜典型區(qū)域?yàn)槟妇€區(qū)域，通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)120個(gè)圖譜樣本的獲取，實(shí)現(xiàn)母線區(qū)域的圖譜建模，這120個(gè)圖譜樣本包括季節(jié)不同時(shí)的樣本，天氣狀況不同的樣本，通過(guò)這些現(xiàn)場(chǎng)圖譜樣本建立現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)建立第二個(gè)圖譜典型區(qū)域的機(jī)器學(xué)習(xí)模型，表2為第二個(gè)圖譜典型區(qū)域母線區(qū)能夠監(jiān)控的圖譜變化異常情況和處理方案。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文基于軟測(cè)量圖譜變化檢測(cè)技術(shù)，研究了其在變電站狀態(tài)智能分析中的應(yīng)用。結(jié)合變電站的實(shí)際應(yīng)用，對(duì)變電站的兩個(gè)典型場(chǎng)景的圖譜進(jìn)行建模，通過(guò)兩個(gè)典型場(chǎng)景區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)圖譜變化異常情況監(jiān)控與處理，為今后軟測(cè)量的圖譜變化檢測(cè)技術(shù)在變電站狀態(tài)智能分析中的應(yīng)用提供參考。

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