基于大數(shù)據(jù)的智能電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險評估系統(tǒng)

陳 堅，唐昌華，陳 龍

（長春工業(yè)大學(xué) 人文信息學(xué)院，吉林 長春 130122）

0 引 言

電力設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)故障嚴(yán)重影響了工業(yè)發(fā)展，因此需要對設(shè)備的狀態(tài)和風(fēng)險進(jìn)行評估。電力設(shè)備的風(fēng)險評估由各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)組成，其中包括帶電檢測和故障統(tǒng)計的歷史數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集匯總后集中分析，為風(fēng)險評估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。對智能電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險評估的主要目的在于預(yù)防電力大范圍應(yīng)用過程中的潛在故障和不安全因素。智能電網(wǎng)的風(fēng)險評估需要在系統(tǒng)設(shè)定的時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)維護(hù)以及故障處理等工作，然而由于智能電網(wǎng)設(shè)備在運(yùn)行過程中存在著大量數(shù)據(jù)，因此需要經(jīng)過篩選和處理才能滿足風(fēng)險評估的需要。為了彌補(bǔ)現(xiàn)有智能電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險評估系統(tǒng)中評估結(jié)果不夠準(zhǔn)確的現(xiàn)狀，將大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用其中，不僅在技術(shù)層面實(shí)現(xiàn)了深度融合，而且在實(shí)際應(yīng)用過程中還為減少各項(xiàng)投入做出了貢獻(xiàn)，值得進(jìn)一步深入探討。

1 風(fēng)險評估系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 高速交換機(jī)設(shè)計

高速交換機(jī)在智能電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險評估系統(tǒng)設(shè)計中有著重要影響作用，由于智能電網(wǎng)信號對外界的電源噪聲敏感度較高，需在無干擾的狀態(tài)下進(jìn)行，因此在高速交換機(jī)中需要安裝有效的誤差校正裝置[1]。高速交換機(jī)自身不具備區(qū)分電源噪音和有效信息的功能，對監(jiān)測到的所有信號都進(jìn)行無差別放大，而應(yīng)用誤差校正裝置后，緩沖放大功能得到有效提升，通過將噪聲源放大的方式匯聚在輸入端口[2]。電流輸送是實(shí)現(xiàn)高速交換機(jī)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，在智能電網(wǎng)運(yùn)行過程中，電流輸送前后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是對整個智能電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險評估系統(tǒng)設(shè)計起到承前啟后作用的重要參數(shù)，并且在任何情況下的交換機(jī)端口都有獨(dú)立的電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)[3]。電流從高速交換機(jī)的一個端口通向另一個端口的混合區(qū)段的過程中，智能電網(wǎng)的輸出和輸入速率是完全相同的，一旦高速交換機(jī)的電壓調(diào)節(jié)器開始運(yùn)行，其噪聲源吸收量將保持在一個恒定水平的區(qū)間內(nèi)[4]。

根據(jù)風(fēng)險評估系統(tǒng)在功率和噪聲上限等方面的要求，設(shè)計高速交換機(jī)的電壓調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)電壓為1.28～1.42 V。因?yàn)樵撓到y(tǒng)的電源主要是信號電源，功率較大，對電源噪聲不是特別敏感，所以由智能電網(wǎng)的直流電源提供。高速交換機(jī)芯片的所需電壓為2.0～2.5 V，功率相對較小，對噪聲較為敏感，因此必須選擇線性開關(guān)和LTC1758-23芯片，避免網(wǎng)格開關(guān)或?qū)Ｓ弥绷麟娫?。此外，核心模塊的CPU MPG8146提供的核心電壓為3.17～ 3.2 V，對噪聲極其敏感，但由于其電壓較高，線性調(diào)節(jié)器無法承載，因此應(yīng)選擇專用直流電壓提供電源。

1.2 運(yùn)行智能電網(wǎng)變壓器

在正常狀態(tài)下，以不同程度和不同方式影響智能電網(wǎng)變壓器運(yùn)行的因素有很多。由于出廠設(shè)置參數(shù)不同，變壓器運(yùn)行效果也會出現(xiàn)差異，尤其體現(xiàn)在變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電壓等級方面[5]。為保證運(yùn)行效果，選取大型油浸式電力變壓器作為智能電網(wǎng)的運(yùn)行對象，原始電壓的區(qū)間范圍始終在1.09～1.34 V，與監(jiān)測到的實(shí)時電壓相差不大，實(shí)時電源噪聲集中在28.8～41.3 mV區(qū)間內(nèi)，噪聲容限則保持在103～112 V。根據(jù)上述變壓器參數(shù)和性能運(yùn)行智能電網(wǎng)變壓器，隨著運(yùn)行開始，變壓器中的油性物質(zhì)材料在電和熱的環(huán)境下析出并凝固成絕緣材料，在溫度繼續(xù)上升的情況下，油性分子不斷發(fā)生老化和分解，此時就會產(chǎn)生部分活躍度較高的化學(xué)分子，經(jīng)過一系列的對流和擴(kuò)散運(yùn)動溶解于油性固體中，因此根據(jù)變壓器中的油性氣體的狀態(tài)就能夠判斷出變壓器的運(yùn)行狀況[6]。

2 風(fēng)險評估系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 構(gòu)建大數(shù)據(jù)技術(shù)處理平臺

構(gòu)建大數(shù)據(jù)技術(shù)處理平臺是實(shí)現(xiàn)對電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險評估系統(tǒng)軟件設(shè)計的有效途徑。根據(jù)智能電網(wǎng)運(yùn)中的數(shù)據(jù)來源和不同的數(shù)據(jù)類型，應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)搭建處理平臺，針對電網(wǎng)數(shù)據(jù)在運(yùn)行環(huán)節(jié)和實(shí)際應(yīng)用方面的技術(shù)需要，在平臺上實(shí)施解決方案。智能電網(wǎng)應(yīng)用中的大數(shù)據(jù)平臺具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲以及處理計算的功能，并以此為基礎(chǔ)形成大數(shù)據(jù)技術(shù)框架，包含了電力資源分配和電網(wǎng)安全保障等方面的技術(shù)應(yīng)用。目前，電網(wǎng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)來源主要是以結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)為主，如離線測量數(shù)據(jù)或城市人口規(guī)劃數(shù)據(jù)等。應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)資源匯總與整合時，通過采集策略和工具接口無縫對接，確保數(shù)據(jù)的完整性，并按照數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)分析等步驟完成平臺構(gòu)建。

2.2 設(shè)計風(fēng)險系數(shù)評估中心

在大數(shù)據(jù)技術(shù)處理平臺的基礎(chǔ)上設(shè)計風(fēng)險系數(shù)評估中心是完成風(fēng)險系統(tǒng)評估的必要步驟。針對智能電網(wǎng)在運(yùn)行中可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行預(yù)判，并提取出相關(guān)故障信息，對比正常狀態(tài)下的運(yùn)行數(shù)據(jù)與故障信息數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)分析評估智能電網(wǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)。研究智能電網(wǎng)的預(yù)警信息，準(zhǔn)確獲取警告數(shù)據(jù)源頭參數(shù)，從而進(jìn)行實(shí)時智能電網(wǎng)的實(shí)時監(jiān)測。在風(fēng)險系數(shù)評估中心設(shè)計過程中，由于電力設(shè)備的運(yùn)行風(fēng)險種類繁雜，預(yù)警信息數(shù)據(jù)庫也通常處于無序狀態(tài)，因此對每項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳盡分析是具有一定技術(shù)難度的，而應(yīng)用數(shù)據(jù)技術(shù)采用歸類整合的方式，根據(jù)歷史風(fēng)險數(shù)據(jù)進(jìn)行風(fēng)險評估，將數(shù)據(jù)架構(gòu)類型的數(shù)據(jù)定義為同一種類型，從而減少風(fēng)險評估的難度。此外，通過研究電網(wǎng)的接線方式增加風(fēng)險預(yù)判的準(zhǔn)確度，將故障線路劃分為獨(dú)立組和并聯(lián)組，劃分后的線路能最大程度上地避免出現(xiàn)重復(fù)故障問題，還能針對不同類型的風(fēng)險預(yù)警將智能電網(wǎng)的配電范圍進(jìn)行分段檢測，查找出智能電網(wǎng)整體結(jié)構(gòu)中的負(fù)荷薄弱環(huán)節(jié)，利用智能電網(wǎng)的連通性提高故障隔離的效率，有效隔離風(fēng)險預(yù)警區(qū)間。至此，風(fēng)險評估中心搭建完成，并分別在電網(wǎng)靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)運(yùn)行的狀態(tài)下通過風(fēng)險系數(shù)評估中心進(jìn)行風(fēng)險評估。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

準(zhǔn)備已知參數(shù)的智能配電網(wǎng)電力設(shè)備，選取的電力設(shè)備參數(shù)如表1所示。在上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，將3種傳統(tǒng)風(fēng)險評估系統(tǒng)與文中智能配電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險評估系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，設(shè)定配電網(wǎng)電力設(shè)備參數(shù)不變，在4種不同評估系統(tǒng)下，設(shè)置額定電壓110 V，統(tǒng)計電力設(shè)備在不同系統(tǒng)下的風(fēng)險評估數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，數(shù)值越大準(zhǔn)確性越高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

如表2所示的風(fēng)險評估準(zhǔn)確率的數(shù)值結(jié)果可知，4種不同的風(fēng)險評估系統(tǒng)表現(xiàn)出不同的準(zhǔn)確率，而文中智能電網(wǎng)風(fēng)險評估系統(tǒng)的準(zhǔn)確率比3種傳統(tǒng)風(fēng)險評估系統(tǒng)高出2.21%～4.75%不等，準(zhǔn)確率更高。

4 結(jié) 論

經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致電力系統(tǒng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，用電負(fù)荷也在快速增長，電能的持續(xù)發(fā)展要求對智能電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險進(jìn)行評估。面對不可控的自然災(zāi)害事件，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性很大程度上遭到破壞，同時技術(shù)人員操作失誤和電網(wǎng)運(yùn)行模式調(diào)整等人為因素也在時刻考驗(yàn)著智能電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。許多企業(yè)的用電需求較大，也使得智能電網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)險在無形中增加，基于此本文對大數(shù)據(jù)的智能電網(wǎng)運(yùn)行風(fēng)險評估進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計，通過設(shè)計評估系統(tǒng)的硬件和軟件來實(shí)現(xiàn)，從而為智能電網(wǎng)的運(yùn)行提供了理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。

表1 電力設(shè)備參考數(shù)據(jù)

表2 風(fēng)險評估準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)結(jié)果