新建變電站的監(jiān)控信息驗(yàn)收系統(tǒng)研究

宮德鋒 王振華 柴穎 張桂芹 郝福友

摘 要： 近年來(lái)，隨著二級(jí)變電站新建需求的提升，如何對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面管理不僅對(duì)于變電站監(jiān)視和規(guī)劃目的特別有用，而且對(duì)于設(shè)備錯(cuò)誤檢測(cè)的測(cè)量也是特別有用的;同時(shí)通過(guò)監(jiān)控信息可對(duì)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，可幫助電力公司作出關(guān)于電量采購(gòu)的決策。短期負(fù)荷預(yù)測(cè)（Short Term Load Forecasting，STLF）要在從一小時(shí)到一周的范圍內(nèi)預(yù)測(cè)電力負(fù)荷，從而可判斷變電站運(yùn)行是否正常。為此提出了一種新的基于STLF的方法來(lái)解決新建變電站在驗(yàn)收過(guò)程中通過(guò)監(jiān)控信息手段檢測(cè)測(cè)量設(shè)備引入的增益和偏移誤差，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法可獲取不同的增益和偏移誤差。

關(guān)鍵詞： 變電站; 設(shè)備錯(cuò)誤檢測(cè); 短期負(fù)荷預(yù)測(cè); 監(jiān)控信息驗(yàn)收

中圖分類號(hào)： TP393 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Research on Monitoring Information Acceptance System of New Substations

GONG Defeng1， WANG Zhenhua1， CHAI Ying1， ZHANG Guiqin1， HAO Fuyou2

（1. State Grid Tai An power supply Co. Ltd.， Taian 271000; 2. Shandong AnXinYuan

Information Technology Co. Ltd.， Jinan 250100）

Abstract： In recent years， with the increase of new requirements for secondary substations， how to comprehensively manage equipment is not only useful for substation monitoring and planning purposes， but also for the measurement of equipment error detection. At the same time， the load can be monitored by monitoring information. Forecasting can help power companies make decisions about power purchases. Short term load forecasting （STLF） allows the power load to be predicted from one hour to one week to determine whether the substation is operating normally. In this paper， a new STLF-based method is proposed to solve the gain and offset error introduced by the monitoring equipment during the acceptance process of a new substation. The experimental results show that the method can obtain different gain and offset errors.

Key words： Substation; Equipment error detection; Short term load forecasting; Monitoring information acceptance

0 引言

在過(guò)去的幾十年中，通信和信息技術(shù)的重大進(jìn)步加速了電力系統(tǒng)中新的寬帶通信技術(shù)的開(kāi)發(fā)和引入，這一事實(shí)促進(jìn)了一級(jí)和二級(jí)變電站的電力系統(tǒng)自動(dòng)化，IEC 61850變電站自動(dòng)化全球標(biāo)準(zhǔn)的制定推進(jìn)了電子系統(tǒng)自動(dòng)化的快速發(fā)展。

如今，電子儀器傳感器（Electronic Instrumental Transducer，EIT）的發(fā)展以及通信和信息技術(shù)的重要性正逐漸被變電站自動(dòng)化系統(tǒng)所接受。不同的EIT執(zhí)行必要的電流和電壓測(cè)量，用于控制和保護(hù)變電站運(yùn)行，然而，這種方法帶來(lái)的問(wèn)題是可能會(huì)受到信號(hào)采集過(guò)程中錯(cuò)誤測(cè)量的負(fù)面影響。另一方面，負(fù)載曲線以及電流消耗與其歷史測(cè)量數(shù)據(jù)強(qiáng)烈相關(guān)，該結(jié)果取決于不同的變量，例如經(jīng)濟(jì)因素和環(huán)境數(shù)據(jù)等。

在本文中，通過(guò)使用負(fù)荷預(yù)測(cè)（Load Forecasting，LF）技術(shù)并將預(yù)測(cè)負(fù)荷與二級(jí)變電站中的測(cè)量設(shè)備的負(fù)荷預(yù)測(cè)負(fù)荷進(jìn)行比較，可以估計(jì)不同的系統(tǒng)誤差水平，即增益和偏移誤差。本文所研究的工作主要包含兩個(gè)方面：1）短期負(fù)荷預(yù)測(cè);2）變電站運(yùn)行錯(cuò)誤的測(cè)量檢測(cè)。國(guó)內(nèi)外對(duì)于該方面的研究如下：變電站運(yùn)行預(yù)測(cè)模型的研究已經(jīng)應(yīng)用于風(fēng)電預(yù)測(cè)[1]及光伏發(fā)電預(yù)測(cè)[2]，負(fù)荷預(yù)測(cè)涉及根據(jù)有關(guān)系統(tǒng)狀態(tài)的可用信息估算預(yù)測(cè)范圍的未來(lái)電力負(fù)荷。在這方面，本文側(cè)重于短期負(fù)荷預(yù)測(cè)（Short Team Load Forecasting，STLF），以估計(jì)從一小時(shí)到一周的負(fù)荷，文獻(xiàn)[3]中提出一種新的基于修改學(xué)習(xí)算法的STLF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，并經(jīng)過(guò)比較有較好的預(yù)測(cè)結(jié)果;在文獻(xiàn)[4]中，作者提出了基于三階段結(jié)構(gòu)的微電網(wǎng)STLF的解決方案，該結(jié)構(gòu)由自組織映射（Self Organizing Map，SOM），通過(guò)k均值算法的聚類和多層感知器（Multilayer Perceptron，MLP）組成，通過(guò)向MLP提供了一組29個(gè)輸入：其中24個(gè)輸入代表前一天的每小時(shí)負(fù)荷;其中2個(gè)輸入代表前一周中某一天的兩個(gè)輸入;其中2個(gè)輸入代表前一天的兩個(gè)輸入，分別以正弦和余弦的形式輸入;最后，還有一個(gè)輸入表示第二天的總負(fù)載估算。從而獲取對(duì)應(yīng)于預(yù)測(cè)日（d）的估計(jì)負(fù)荷的總共24個(gè)輸出。

在文獻(xiàn)[5]中，提出了一種提前一天的負(fù)荷分布預(yù)測(cè)方法，通過(guò)采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN），預(yù)測(cè)誤差的平均絕對(duì)百分比在0.5%和16%之間降低。ANN的輸入取決于實(shí)施的模型。對(duì)于變電站運(yùn)行錯(cuò)誤的檢測(cè)，利用模式識(shí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤的檢測(cè)，為了在保護(hù)系統(tǒng)施加的時(shí)間限制內(nèi)實(shí)現(xiàn)高模式識(shí)別精度，實(shí)現(xiàn)了徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RBFNN）和正交最小二乘（OLS）學(xué)習(xí)算法。為了提供一種檢測(cè)特定二級(jí)變電站中EIT故障的方法，本文提出了一種基于STLF的測(cè)量誤差檢測(cè)的新方法，該方法極大地便于檢測(cè)增益和偏移誤差，從而允許執(zhí)行二級(jí)變電站中的預(yù)防性維護(hù)。特別是，本文提出的系統(tǒng)可以有效地應(yīng)用于新建變電站的監(jiān)控信息驗(yàn)收過(guò)程中，通過(guò)將智能計(jì)量與網(wǎng)格自動(dòng)化相結(jié)合，在EIT運(yùn)行時(shí)，開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)允許檢測(cè)錯(cuò)誤;如果出現(xiàn)高于閾值的錯(cuò)誤級(jí)別，則可以發(fā)出警報(bào)并將其發(fā)送到控制中心，然后，操作員可以進(jìn)行用于驗(yàn)證錯(cuò)誤范圍的進(jìn)一步測(cè)試。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及方法介紹

在本節(jié)中，對(duì)系統(tǒng)的通用總體架構(gòu)進(jìn)行了概述，如圖1所示為基于短期負(fù)荷預(yù)測(cè)的系統(tǒng)測(cè)量誤差檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖。信息來(lái)源主要源自不同的二級(jí)變電站的歷史測(cè)量值，包含的測(cè)量參數(shù)（電氣變量）為：有功和無(wú)功功率，電壓和電流。但是，對(duì)于所研究的系統(tǒng)，僅考慮當(dāng)前的歷史測(cè)量，這是因?yàn)橛捎陔娏鞯南喈?dāng)大的可變性，用于電流測(cè)量的設(shè)備更容易出錯(cuò)[5-7]。

該測(cè)量過(guò)程分為兩個(gè)步驟：負(fù)荷預(yù)測(cè)和誤差估計(jì)。首先，通過(guò)數(shù)據(jù)推測(cè)出一天內(nèi)各小時(shí)的負(fù)荷值;其次，一旦所考慮一天內(nèi)的測(cè)量負(fù)載可用，則通過(guò)比較兩個(gè)數(shù)據(jù)集（即，預(yù)測(cè)和測(cè)量的負(fù)載）來(lái)估計(jì)誤差水平。

1.1 負(fù)荷預(yù)測(cè)

如前所述，負(fù)荷預(yù)測(cè)模型僅使用歷史測(cè)量數(shù)據(jù)，其包括來(lái)自一組二級(jí)變電站的實(shí)際測(cè)量值。主要對(duì)以下值進(jìn)行估算（即每小時(shí)估算的負(fù)荷情況）：

·前一天的24小時(shí)的負(fù)荷值（d-1）

·前一周24小時(shí)的負(fù)荷值（w-1）（d）

·當(dāng)天前兩周24小時(shí)得負(fù)荷值（w-2）（d）

因此，使用對(duì)應(yīng)于每小時(shí)負(fù)載的總共72個(gè)樣本。由于72個(gè)樣本之間存在強(qiáng)相關(guān)性，因此可以使用主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）程序來(lái)減少維數(shù)。該技術(shù)已成功應(yīng)用于不同領(lǐng)域，如人臉識(shí)別，語(yǔ)音處理和超聲波傳感器等領(lǐng)域。PCA的基本原理是采用統(tǒng)計(jì)的概念，將一組原始變量線性轉(zhuǎn)換為一組較小的不相關(guān)變量，這些變量代表了與多變量輸入數(shù)據(jù)的最大方差。

PCA算法已在文獻(xiàn)[8]中進(jìn)行了描述。給定具有維度M×N的矩陣X，第一步包括從該行的每個(gè)元素中減去特定行中的元素的平均值;然后，獲得來(lái)自前一矩陣的具有減法均值的協(xié)方差矩陣（N×N），并計(jì)算該矩陣的特征向量和特征值。具有最高特征值的特征向量表示主成分——k，并且需要確定主成分的數(shù)量。對(duì)應(yīng)于主成分的特征向量集形成特征矩陣V，表示如式（1）所示：V=[λ1，λ2，…，λk]（N×k）

（1） ?最后，通過(guò)將轉(zhuǎn)置的特征矩陣與先前計(jì)算的轉(zhuǎn)置的零均值矩陣相乘得到新的壓縮矩陣Y，表示如式（2）所示：Y=[VT·T]（k×M）

（2） ?PCA過(guò)程產(chǎn)生的主要組成部分是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入以及代表星期幾和一年中的月份的數(shù)據(jù)。 如圖2所示為系統(tǒng)的功能圖[9]。

如前所述，一組72維數(shù)據(jù)提供了預(yù)測(cè)過(guò)程的歷史信息。由于輸入之間的強(qiáng)相關(guān)性，該數(shù)據(jù)集可以用僅保留97%信息的幾個(gè)最重要的組件來(lái)描述，即，所選擇的主要組件的方差的97%。 在本文討論的系統(tǒng)中，主成分的數(shù)量取決于輸入數(shù)據(jù)是來(lái)自模擬器還是來(lái)自實(shí)際測(cè)量。

1.2 錯(cuò)誤測(cè)量

一旦執(zhí)行了負(fù)荷預(yù)測(cè)并且可以獲得當(dāng)天（d）的新測(cè)量值，就可以開(kāi)始針對(duì)不同EIT的誤差測(cè)量檢測(cè)過(guò)程，可分為兩種不同的誤差類型，即：偏移和增益誤差。

偏移誤差以系統(tǒng)的方式影響每個(gè)采集的樣本，因此它們可以質(zhì)疑二級(jí)變電站中測(cè)量的準(zhǔn)確性，將百分比偏移誤差與滿量程進(jìn)行比較，如圖3所示為由偏移引起的負(fù)載測(cè)量偏差。

與偏移誤差不同的是，增益誤差是乘法的，并按比例影響所有的測(cè)量值，如圖4所示為一個(gè)比較測(cè)量，預(yù)測(cè)和理想的負(fù)載在一段時(shí)間內(nèi)的七天-10%的增益誤差百分比。

2 模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了測(cè)試本文多提系統(tǒng)在新建變電站監(jiān)控信息驗(yàn)收過(guò)程中的性能，使用了兩種不同的數(shù)據(jù)集，即：來(lái)自模擬仿真過(guò)程的模擬數(shù)據(jù)集和來(lái)自二級(jí)變電站的實(shí)際數(shù)據(jù)。其中模擬數(shù)據(jù)集提供四種測(cè)量：有功和無(wú)功功率、電壓和電流。本文以基于電流測(cè)量的方式實(shí)現(xiàn)運(yùn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)。

兩個(gè)數(shù)據(jù)集都包含以不同頻率采集的數(shù)據(jù)，但是它們以相同的方式進(jìn)行分析，因?yàn)閮H考慮每小時(shí)平均值。然后，將數(shù)據(jù)集分成三組：（i）訓(xùn)練子集（70%），用于訓(xùn)練ANN;（ii）驗(yàn)證子集（15%）用于確保網(wǎng)絡(luò)泛化并在過(guò)度擬合之前停止訓(xùn)練;（iii）用于完全獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)泛化測(cè)試的測(cè)試子集（15%）。在數(shù)據(jù)集中過(guò)程中注入不同的偏移和增益誤差值，然后對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，同樣，訓(xùn)練時(shí)間取決于數(shù)據(jù)是模擬的還是真實(shí)的。這源于模擬數(shù)據(jù)更相關(guān)的事實(shí)，因此需要更少的主成分，實(shí)驗(yàn)基于MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱進(jìn)行。

以下實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖描繪了從針對(duì)模擬數(shù)據(jù)測(cè)試所描述的系統(tǒng)獲得的結(jié)果。如圖5所示為兩年期間（730天-17，520次測(cè)量）記錄的所有測(cè)量值;如圖6所示為第d天的24小時(shí)預(yù)報(bào)負(fù)荷和同一天的實(shí)際測(cè)量值，顯然它們之間的誤差可以忽略不計(jì)。

在圖7和圖8中，分別注入b偏移和增益測(cè)量誤差，并且應(yīng)用該系統(tǒng)來(lái)識(shí)別誤差水平。 可以看出，成功檢測(cè)到不同的增益誤差值（-10%～0%）和偏移（0%～10%）。

3 總結(jié)

檢測(cè)電子儀器傳感器中的測(cè)量誤差在二級(jí)變電站自動(dòng)化中發(fā)揮重要作用。通過(guò)對(duì)EIT錯(cuò)誤的發(fā)展降低變電站運(yùn)營(yíng)安全，同時(shí)對(duì)新建變電站的驗(yàn)收過(guò)程中提供數(shù)據(jù)支撐。本文提出了一種基于短期負(fù)荷預(yù)測(cè)（STLF）的測(cè)量誤差檢測(cè)方法，從EIT獲得的歷史測(cè)量值以及與日期和月份相關(guān)的數(shù)據(jù)是ANN的輸入，目的是獲得所考慮日期的預(yù)測(cè)測(cè)量值，然后比較實(shí)際和預(yù)測(cè)測(cè)量值，以便獨(dú)立地檢測(cè)偏移和增益誤差水平。

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（收稿日期： 2018.12.12）

基金項(xiàng)目：國(guó)網(wǎng)山東省電力公司科技項(xiàng)目資助

作者簡(jiǎn)介：宮德鋒（1973-），男，泰安人，高級(jí)工程師，研究方向：電力系統(tǒng)及自動(dòng)化。

王振華（1987-），男，泰安人，碩士研究生，中級(jí)工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)及自動(dòng)化。

柴穎（1974-），女，泰安人，工程師，研究方向：電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行與監(jiān)控。

張桂芹（1978-），女，泰安人，工程師，研究方向：電力系統(tǒng)及自動(dòng)化。

郝福友（1986-），男，濟(jì)寧，工程師，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。文章編號(hào)：1007-757X（2020）02-0090-03