基于多源信息融合的配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)警方法研究

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(1.國網(wǎng)江蘇淮安供電分公司,江蘇 淮安 223002；2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100085)

0 引言

在電力系統(tǒng)的有效運行中，配電網(wǎng)的安全運行是重要部分，只有保證配電網(wǎng)運行的安全性和平穩(wěn)性，才能提高整個供電系統(tǒng)的運行水平[1]。但是配電網(wǎng)極易因受外界的影響而造成意外停電，這就需要對配電網(wǎng)意外停電進行預(yù)警。通常來說，對配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)警方法的目的就是通過先進的手段和方法來預(yù)測配電網(wǎng)可能發(fā)生的停電現(xiàn)象，依據(jù)不同的停電風(fēng)險等級實現(xiàn)不同的預(yù)警[2]。因此，相關(guān)的配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)警方法也受到人們的廣泛關(guān)注。

目前，已有專家學(xué)者在配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)警領(lǐng)域提出了一些較為成熟的研究結(jié)果。如文獻[3]中提出的配電網(wǎng)重復(fù)多發(fā)性停電風(fēng)險辨識方法，文獻[4]中提出的基于模糊層次分析法的配電網(wǎng)重復(fù)多發(fā)性停電風(fēng)險預(yù)警方法。但是由于這些傳統(tǒng)的停電風(fēng)險預(yù)警方法在進行多源數(shù)據(jù)的交換時所耗用的時間較長，相應(yīng)地就造成了預(yù)警響應(yīng)的時間過長，導(dǎo)致最終的預(yù)警效率偏低。

信息融合技術(shù)是隨著現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展而興起的新興技術(shù)，該技術(shù)使用多種傳感器，將擱置在不同位置的傳感器所提供的局部信息融合在一起，消除多源數(shù)據(jù)之間可能存在的冗余和沖突[5]。

針對現(xiàn)階段的配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)警方法預(yù)警響應(yīng)時間較慢，存在不能及時處理風(fēng)險的情況，本文結(jié)合信息融合技術(shù)設(shè)計了一種新的配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)警方法，利用融合技術(shù)容錯性強、可信度高的特點，解決傳統(tǒng)的預(yù)警方法中存在的問題，為供電系統(tǒng)的平穩(wěn)、安全運行提供支持。

1 配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)警方法

1.1 配電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測

根據(jù)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則可知，配電網(wǎng)停電風(fēng)險可能由設(shè)備問題、饋線問題和系統(tǒng)問題導(dǎo)致[6]。其中，設(shè)備問題包括設(shè)備級的耗電元件主要包括開關(guān)柜、配電變壓器、斷路器、負(fù)荷和隔離開關(guān)等；饋線級監(jiān)測對象為單回饋線，其中包括開關(guān)設(shè)備和負(fù)荷點等；系統(tǒng)級檢測對象包括配電支路、配電變壓器、負(fù)荷點。綜上所述，可將配電網(wǎng)停電風(fēng)險具體內(nèi)容用表1進行描述。

表1 配電網(wǎng)停電風(fēng)險詳情

表1所示內(nèi)容就是造成配電網(wǎng)停電的主要風(fēng)險因素，即關(guān)鍵風(fēng)險源。在關(guān)鍵風(fēng)險源的大致位置安置多種傳感器，綜合智能電表監(jiān)測配電網(wǎng)運行狀態(tài)，實現(xiàn)主動運維[7]。智能電表監(jiān)測的對象是用戶回路阻抗，當(dāng)線路出現(xiàn)老化情況，阻抗增加，及時識別出該情況并預(yù)警，盡量避免因電路及設(shè)備老化造成的故障。

(1)

r0為變壓器低壓側(cè)等效電源電阻;r1為配電側(cè)電阻;r2為用戶側(cè)負(fù)荷電阻。選擇回路阻抗作為監(jiān)測對象，其原因一方面是方便測量，另一方面是若回路中有表計被短接，回路測量電阻值升高，能夠防止反竊電[9]。

綜合多個位置的傳感器的阻抗變化信息，使用多源信息融合技術(shù)，生成融合結(jié)果，依據(jù)結(jié)果判斷配電網(wǎng)停電風(fēng)險等級。

1.2 配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)判模型的構(gòu)建

在大數(shù)據(jù)系統(tǒng)框架和多源信息融合技術(shù)下，綜合配電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測信息，設(shè)計配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)判模型，預(yù)判出配電網(wǎng)停電風(fēng)險。配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)判模型主要包括數(shù)據(jù)分析和風(fēng)險評估2個過程。其中數(shù)據(jù)分析過程接收到各傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，通過多源信息融合技術(shù)，將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過歸一化處理，生成融合結(jié)果[10]。通過D-S證據(jù)理論融合技術(shù)將多傳感器獲得的信息融合，對原始數(shù)據(jù)進行歸一化處理，得到各數(shù)據(jù)的相對可信度，表示原數(shù)據(jù)的相對可靠程度。Ki(i=1,2，…,n)表示n個傳感器中第i個傳感器傳輸數(shù)據(jù)的可信度，ki表示對應(yīng)的數(shù)據(jù)的相對可信度[11]。相對可信度為

(2)

由此可得到傳感器傳送數(shù)據(jù)的阻抗異常表征為

(3)

ω為沖突權(quán)值[12]。利用信息融合規(guī)則融合多信息源數(shù)據(jù)并生成融合結(jié)果，通過風(fēng)險評估過程分析融合結(jié)果。假設(shè)hij表示第i個傳感器的阻抗，根據(jù)所有阻抗{h1,h2,…,hi}和相關(guān)社會經(jīng)濟價值系數(shù)ζi計算配電網(wǎng)停電總損失S，即

(4)

n的取值均為正整數(shù)。根據(jù)配電網(wǎng)總損失計算停電風(fēng)險，過程為

μ0=λS

(5)

λ為停電風(fēng)險級別系數(shù)。

綜合國家、省市和地區(qū)的有關(guān)規(guī)定，將配電網(wǎng)停電風(fēng)險等級劃分為4級，分別為特別重大、重大、較大和一般，依次表示如下：1>μⅠ>μⅡ>μⅢ>μⅣ>0。依據(jù)計算的停電風(fēng)險結(jié)合風(fēng)險等級，結(jié)合表2判斷預(yù)警級別的等級。

至此，配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)判模型建立完成，利用該模型判斷預(yù)警級別，并通過預(yù)警機制做出反應(yīng)。

表2 預(yù)警等級

1.3 配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)警

通過配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)判模型判斷出預(yù)警級別，利用LPC1768的I2S總線提供一個通信接口，與主機相連，建立彼此獨立的傳輸通道，處理不同位數(shù)的數(shù)據(jù)，支持多源融合數(shù)據(jù)的傳輸，方便預(yù)警信號的發(fā)出[13]，該過程工作時序如圖1所示。

圖1 I2S工作時序

按照相關(guān)規(guī)定將預(yù)警級別分為4種，在預(yù)警模塊中采用4種不同的顏色來表示，分別為藍(lán)色、黃色、橙色和紅色預(yù)警[14]。這種預(yù)警形式有助于管理人員對異常情況程度的快速判斷，進而確定具體的停電故障。在實際項目中，當(dāng)監(jiān)測異常數(shù)據(jù)傳輸至預(yù)警模塊時，經(jīng)過相關(guān)異常參數(shù)核對處理，判斷預(yù)警級別，核對完成后在可視化模塊中顯示出預(yù)警顏色[15]，整體過程如圖2所示。

圖2 預(yù)警模塊結(jié)構(gòu)

從圖2可以明顯看出,預(yù)警模塊與配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)判模型中數(shù)據(jù)分析、風(fēng)險評估過程的聯(lián)系，通過各個工作部分的合理調(diào)配實現(xiàn)對配電網(wǎng)停電風(fēng)險的預(yù)警。

2 配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)警功能仿真測試

為驗證本文所提的基于多源信息融合的配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)警方法的實際應(yīng)用性能，設(shè)計如下仿真實驗。

通過實際監(jiān)測獲得配電網(wǎng)運行狀態(tài)的相關(guān)信息，將信息傳送至數(shù)據(jù)分析模塊。由于在這一過程中，最重要的是數(shù)據(jù)通信問題，因此，使用主機控制電力系統(tǒng)，模擬停電故障風(fēng)險現(xiàn)象，通過與電力系統(tǒng)中的預(yù)警信息對比驗證數(shù)據(jù)通信是否穩(wěn)定可靠。測試過程如下：在遠(yuǎn)端的多個配電室使用局部模擬發(fā)生儀周期性產(chǎn)生停電風(fēng)險數(shù)據(jù)，將測試平臺采用接入網(wǎng)實現(xiàn)異地連接，測試數(shù)據(jù)通道中TCP/IP通信的可靠性，檢測產(chǎn)生的預(yù)警信息數(shù)和模擬產(chǎn)生的局放隱患發(fā)生次數(shù)是否相等。通過多次調(diào)試驗證，連接通道建立完整，數(shù)據(jù)通信功能正常。

利用MATLAB軟件的仿真功能模擬出10條配電網(wǎng)停電風(fēng)險故障信息，同時使用文獻[4]中的基于模糊層次分析法的配電網(wǎng)重復(fù)多發(fā)性停電風(fēng)險預(yù)警方法測試發(fā)生相同故障的預(yù)警響應(yīng)時間，對比獲得的結(jié)果并分析。不同的預(yù)警方法測試的預(yù)警響應(yīng)時間結(jié)果如表3所示。

表3 不同預(yù)警方法預(yù)警響應(yīng)時間對比

對比表3所示的結(jié)果，所提方法的預(yù)警響應(yīng)時間最長為1.45 s，最短為0.43 s；文獻[4]預(yù)警方法的預(yù)警響應(yīng)時間最長為2.34 s，最短為1.07 s。兩者相比，所提的基于多源信息融合的配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)警方法預(yù)警響應(yīng)時間更迅速，與文獻[4]中的預(yù)警方法預(yù)警響應(yīng)時間相比時間縮短了一半以上。這是因為所提方法使用了多源信息融合技術(shù)將監(jiān)測的多源數(shù)據(jù)使用D-S理論融合在一起，減少對多源數(shù)據(jù)處理的時間和需要處理的數(shù)據(jù)量，節(jié)省了大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間，縮短了預(yù)警響應(yīng)時間。

為進一步測試所提的基于多源信息融合的配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)警方法的有效性，設(shè)計如下對比實驗。將該方法與文獻[3]中的的配電網(wǎng)重復(fù)多發(fā)性停電風(fēng)險辨識方法進行對比，測試在人為干預(yù)下，不同方法配電網(wǎng)風(fēng)險預(yù)警精度，到對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同方法預(yù)警精度對比

分析圖3可知，在人為干預(yù)下，雖然隨著實驗次數(shù)的增加，2種方法的預(yù)警精度都存在一定程度的波動，但所提方法的停電風(fēng)險預(yù)警精度始終比傳統(tǒng)方法高，最高的預(yù)警精度可達(dá)到95%。因此可證明所提的基于多源信息融合的配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)警方法可以有效抵制外界條件干擾，具有較理想的預(yù)警效果。這是因為本文方法首先判定了停電風(fēng)險可能發(fā)生的大致范圍，在此基礎(chǔ)上利用了信息融合技術(shù)對其中各傳感器的信息進行整理分析，有著雙重保障，因此可以有效減少受外界干擾的影響，增加了對停電風(fēng)險的預(yù)警精準(zhǔn)度。

3 結(jié)束語

將多源信息融合技術(shù)使用在配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)警方法中，減少需要處理的數(shù)據(jù)量，將多源數(shù)據(jù)融合在一起，加快數(shù)據(jù)交換時間，從而使預(yù)警響應(yīng)時間得到提高。經(jīng)過對比測試，證明了基于多源信息融合的配電網(wǎng)停電風(fēng)險預(yù)警方法更優(yōu)異，適用于供電系統(tǒng)的長期發(fā)展。