基于異常數(shù)據(jù)溢出的電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警的研究

王建樹，王亞強(qiáng)，孟 榮，袁 龍，周 玲，曹一楠

（1.國網(wǎng)河北省電力有限公司檢修分公司，河北石家莊 050000；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司，河北石家莊 050000）

隨著電網(wǎng)輸配電規(guī)模的不斷擴(kuò)大，需要進(jìn)行電力優(yōu)化調(diào)度，提高電力優(yōu)化輸出控制能力。在電力調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，需要構(gòu)建電力調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)化監(jiān)測預(yù)警模型，結(jié)合電力配電設(shè)備的工況特征進(jìn)行電力調(diào)度和預(yù)警監(jiān)測，提高電力系統(tǒng)的監(jiān)測穩(wěn)定性和自適應(yīng)控制能力，因此，電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測和預(yù)警方法研究在電力組網(wǎng)優(yōu)化控制中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

為了提高電力調(diào)度系統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警精度，結(jié)合當(dāng)前相關(guān)成果具備的優(yōu)越性，提出基于異常數(shù)據(jù)溢出的電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警方法。在電力調(diào)度系統(tǒng)中，結(jié)合異常數(shù)據(jù)溢出控制方法，進(jìn)行系統(tǒng)均衡控制，通過確定閾值，設(shè)置預(yù)警等級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度系統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警，能夠使調(diào)度員更加方便、直觀地了解系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)潛在的危險(xiǎn)時(shí)，及時(shí)采取有效措施，消除電網(wǎng)安全隱患，提高電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平[1]。

1 相關(guān)工作

文獻(xiàn)[2]提出了一種基于孤立森林算法的電力調(diào)度流數(shù)據(jù)異常檢測方法，利用歷史數(shù)據(jù)集訓(xùn)練構(gòu)建多個(gè)子森林異常檢測器，組成基森林異常檢測器，據(jù)此，在線根據(jù)滑動(dòng)窗口中數(shù)據(jù)的異常情況及緩沖區(qū)數(shù)據(jù)量大小，觸發(fā)檢測器更新。根據(jù)異常偏差率大小篩選子森林異常檢測器的更新策略，解決因模型隨機(jī)更新導(dǎo)致異常檢測器整體性能下降的問題。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了智能電網(wǎng)在線安全穩(wěn)定預(yù)警系統(tǒng)，從全網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)生成、安全穩(wěn)定預(yù)警與輔助決策3 個(gè)層面來研究在線安全穩(wěn)定預(yù)警系統(tǒng)的功能構(gòu)建與應(yīng)用模式。利用系統(tǒng)的在線實(shí)時(shí)狀態(tài)及時(shí)發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行中的薄弱點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，給出相應(yīng)的輔助控制策略，并進(jìn)行預(yù)想方式和應(yīng)急方式分析，制定相應(yīng)的事故處理預(yù)案，以大幅提高電網(wǎng)安全運(yùn)行水平，降低大范圍停電風(fēng)險(xiǎn)。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)中的歷史數(shù)據(jù)服務(wù)優(yōu)化方案，增加歷史數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，緩存管理電網(wǎng)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)，提高數(shù)據(jù)處理效率，減輕歷史庫負(fù)載，優(yōu)化任務(wù)分配器，協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)緩存區(qū)與關(guān)系庫分工作業(yè)，對(duì)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)行有效的管理和調(diào)度，設(shè)計(jì)歷史數(shù)據(jù)會(huì)話監(jiān)聽機(jī)制，實(shí)時(shí)監(jiān)視數(shù)據(jù)庫會(huì)話狀態(tài)，保障歷史數(shù)據(jù)服務(wù)的安全性和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[5]提出了一種新型基于徑向基函數(shù)的自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理方法進(jìn)行短期負(fù)荷預(yù)測，用Matlab 編制電力系統(tǒng)短期負(fù)荷預(yù)測程序，并繪制預(yù)測結(jié)果曲線，結(jié)果表明，基于RBF 自適應(yīng)神經(jīng)模糊推理的預(yù)測精度是令人滿意的，驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性。文獻(xiàn)[6]提出了基于信息物理接口矩陣的IEC61850 變電站自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性分析方法，以IEC61850 實(shí)際變電站自動(dòng)化系統(tǒng)為例，基于變電站主接線建立信息物理融合框架，在該框架下將信息層保護(hù)元件對(duì)物理層主要設(shè)備的影響進(jìn)行分類，提出用信息物理接口矩陣表征故障傳播類別的概率，考慮信息層的影響，建立變電站自動(dòng)化系統(tǒng)可靠性分析方法，以實(shí)際變電站為算例進(jìn)行了可靠性計(jì)算分析，驗(yàn)證了所提方法的正確性。

2 構(gòu)建電力調(diào)度系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模型

電力調(diào)度數(shù)據(jù)是指電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，各級(jí)調(diào)度中心及各發(fā)電廠、變電站之間傳遞的反映運(yùn)行工況和進(jìn)行控制調(diào)節(jié)的數(shù)據(jù)。電力調(diào)度系統(tǒng)是一個(gè)大型的網(wǎng)絡(luò)，在運(yùn)行中產(chǎn)生大量諸如電壓、電流、功率等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常以數(shù)字的形式在電力調(diào)度系統(tǒng)主接線圖或地理接線圖上顯示。對(duì)于運(yùn)行管理人員來說，維護(hù)的難度較大，不便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理故障。因此，必須對(duì)電力調(diào)度數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，強(qiáng)化電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的全面掌控能力。圖1 為電力調(diào)度信息監(jiān)測結(jié)構(gòu)圖。

圖1 電力調(diào)度信息監(jiān)測結(jié)構(gòu)圖

通過電力專用通道實(shí)時(shí)采集電力調(diào)度監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用空間信息聚類分析方法，進(jìn)行電力調(diào)度系統(tǒng)的異常數(shù)據(jù)特征辨識(shí)處理。假設(shè)電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測傳感器模型中有N個(gè)簇首節(jié)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)故障辨識(shí)中，通過異常數(shù)據(jù)溢出轉(zhuǎn)換控制，得到電力系統(tǒng)異常耗能擴(kuò)散矩陣BN×1，其表達(dá)式為：

式中，TL×1為時(shí)間矩陣；SN×L為數(shù)據(jù)的多屬性融合調(diào)度矩陣。根據(jù)電力調(diào)度系統(tǒng)提取輸電線路異常狀態(tài)的相同特征[7-8]，結(jié)合正態(tài)分布進(jìn)行電力系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警的自動(dòng)調(diào)度，得到電力調(diào)度系統(tǒng)的輸出功耗特征量fij(n+1) 。在確定電力網(wǎng)絡(luò)分布特性的條件下，捕獲負(fù)荷隨機(jī)行為，得到異常數(shù)據(jù)溢出的密度函數(shù)為：

基于深度學(xué)習(xí)理論進(jìn)行電力系統(tǒng)調(diào)度過程中的空間負(fù)載均衡控制[9]，得到電力調(diào)度的負(fù)載均衡輸出為：

式中，E為負(fù)載能量。在最大功率增益約束下，構(gòu)建電力調(diào)度系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集模型，表達(dá)式為：

上式中，|yI,j(n) |為電力系統(tǒng)受擾響應(yīng)特性；R2,I為符合最大功率增益約束下的樣本參數(shù)集。

3 基于異常數(shù)據(jù)溢出的電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警

3.1 電力調(diào)度系統(tǒng)的異常數(shù)據(jù)溢出控制

電力調(diào)度系統(tǒng)存在時(shí)空故障樣本數(shù)據(jù)，導(dǎo)致采集到的電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常，文中在構(gòu)建電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測信息采集模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合量化表征和模糊監(jiān)測方法進(jìn)行電力調(diào)度系統(tǒng)的異常數(shù)據(jù)溢出控制[10-12]。根據(jù)電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警的負(fù)荷有功功率特征，分析異常數(shù)據(jù)溢出的聯(lián)合概率密度特征，得到統(tǒng)計(jì)特征量μ(n)。采用量化表征方法，得到異常數(shù)據(jù)溢出的負(fù)荷水平特征量：

式中，x(n)為電力調(diào)度的互動(dòng)性特征值為樣本數(shù)據(jù)的負(fù)載特征，為協(xié)方差矩陣。結(jié)合樣本數(shù)據(jù)融合和溢出轉(zhuǎn)換控制方法[13-14]，描述不同分區(qū)的數(shù)據(jù)分布，得到的電力系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警負(fù)載數(shù)據(jù)X符合標(biāo)準(zhǔn)的整體分布，記為X～Sα(σ,β,μ)。

以Xm為中心點(diǎn)、Xk為最近鄰點(diǎn)，進(jìn)行電力調(diào)度系統(tǒng)的時(shí)空故障樣本數(shù)據(jù)分布：

根據(jù)上式，結(jié)合配電設(shè)備的工況特征進(jìn)行時(shí)空故障樣本數(shù)據(jù)處理[15-16]，得到n+m+k(k＞0)時(shí)刻配電設(shè)備的工況狀態(tài)特征分布函數(shù)為：

其中，α和β均表示異常溢出數(shù)據(jù)的中心向量[17-18]。對(duì)中心向量的異常溢出數(shù)據(jù)成分進(jìn)行調(diào)制處理，得到調(diào)制分量：

上式中，dm(0)表示電力調(diào)度系統(tǒng)的健康狀態(tài)模糊特征集，Xm+1(i)表示電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測的負(fù)載均衡度，Xk+1(i)表示樣本個(gè)數(shù)。

根據(jù)調(diào)制分量，結(jié)合負(fù)荷樣本施加結(jié)果，采用模糊監(jiān)測方法，對(duì)電力調(diào)度系統(tǒng)的異常數(shù)據(jù)溢出進(jìn)行控制，其表達(dá)式為：

3.2 電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警

在采用量化表征和模糊監(jiān)測方法進(jìn)行電力調(diào)度系統(tǒng)的異常數(shù)據(jù)溢出控制的基礎(chǔ)上，文中采用異常數(shù)據(jù)溢出控制方法進(jìn)行電力調(diào)度系統(tǒng)均衡控制，從而修正監(jiān)測故障信號(hào)特征曲線，提高異常數(shù)據(jù)溢出控制能力[19-20]。在電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)為正常、異常以及嚴(yán)重等不同狀態(tài)下，進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，得到電力調(diào)度系統(tǒng)配電設(shè)備的關(guān)鍵特征量預(yù)測值的計(jì)算公式：

通過預(yù)測值分析電力系統(tǒng)受擾響應(yīng)特性，確定電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警的評(píng)價(jià)系數(shù)和指標(biāo)參數(shù)集，通過異常數(shù)據(jù)溢出控制方法進(jìn)行系統(tǒng)均衡控制，得到空間均衡聚類函數(shù)A：

引入電力系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的時(shí)空特征進(jìn)行電力系統(tǒng)的監(jiān)測預(yù)警輸出。首先需要確定權(quán)限閾值，然后建立預(yù)警模型，則權(quán)限閾值計(jì)算公式為：

式中，Je(k+1) 表示電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)在k+1 時(shí)刻的預(yù)測值，表示模型階數(shù)。設(shè)μ0代表偏導(dǎo)區(qū)域的下限促進(jìn)傳遞參數(shù)，μ1代表偏導(dǎo)區(qū)域的上限促進(jìn)傳遞參數(shù)，根據(jù)上式的權(quán)限閾值，設(shè)置預(yù)警等級(jí)：

根據(jù)預(yù)警等級(jí)，構(gòu)建電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)警模型模型：

其中，Q代表監(jiān)測數(shù)據(jù)的邊限處置參量，f1、f2分別代表最小和最大的狀態(tài)權(quán)限判定系數(shù)，α1、α2分別代表兩個(gè)不同的冪次項(xiàng)計(jì)算條件。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

為了驗(yàn)證文中提出基于異常數(shù)據(jù)溢出的電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警方法在實(shí)現(xiàn)電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警中的應(yīng)用性能，采用Matlab R2017 進(jìn)行仿真測試分析。在PSS/E 電力系統(tǒng)仿真平臺(tái)上搭建了一個(gè)具有11 臺(tái)服務(wù)器和1 臺(tái)交換機(jī)的電力調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，如圖2 所示。

圖2 電力調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

4.2 監(jiān)測故障信號(hào)頻率采集

通過電力調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型，設(shè)置電網(wǎng)用電負(fù)荷約為2 000 kW，其中受電1 600 kW，故障集中設(shè)置在1 000 kV 線路上，異常溢出數(shù)據(jù)采樣的樣本數(shù)為2 000，在API 接口中設(shè)定數(shù)據(jù)接收端進(jìn)行電力系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警的信息融合，設(shè)定電力調(diào)度系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間為0.15 s，在電力系統(tǒng)保持正常運(yùn)行狀態(tài)0.01 s后施加故障，進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測。電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測原始信號(hào)與故障信號(hào)頻率如圖3 所示。

圖3 原始信號(hào)與故障信號(hào)頻率監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)圖3 可知，采用文中方法可通過故障信號(hào)頻率變化監(jiān)測出故障位置。

4.3 異常數(shù)據(jù)溢出控制能力

通過采集到的監(jiān)測故障信號(hào)進(jìn)行歸一化處理后生成特征曲線，如圖4 所示。

圖4 監(jiān)測故障信號(hào)特征曲線

根據(jù)圖4 可知，電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測故障信號(hào)特征曲線與頻率中心之間的距離很小，圖中有明顯的毛刺，說明有異常數(shù)據(jù)存在。采用文中方法對(duì)異常數(shù)據(jù)溢出進(jìn)行控制，修正監(jiān)測故障信號(hào)特征曲線，修正結(jié)果如圖5 所示。

圖5 修正后的監(jiān)測故障信號(hào)特征曲線

根據(jù)圖5 可知，采用文中方法修正了含有不良毛刺的數(shù)據(jù)曲線，很好地對(duì)異常數(shù)據(jù)溢出進(jìn)行控制，使電力調(diào)度系統(tǒng)得到均衡控制。

4.4 監(jiān)測預(yù)警精度

為了進(jìn)一步驗(yàn)證文中方法的有效性，對(duì)采用文中方法的電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警結(jié)果與實(shí)際測試的電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果如表1 所示。

表1 電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警誤差對(duì)比

根據(jù)表1 可知，采用文中方法的電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警結(jié)果與實(shí)際測試的電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警結(jié)果相差較小，誤差基本控制在0.002 mm 以內(nèi)，說明文中方法的電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警精度較高，對(duì)異常數(shù)據(jù)溢出控制能力較好。

5 結(jié)束語

由于傳統(tǒng)的電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警方法存在監(jiān)測預(yù)警準(zhǔn)確率低，電力調(diào)度系統(tǒng)的異常數(shù)據(jù)溢出控制能力較差的問題，因此提出了基于異常數(shù)據(jù)溢出的電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警方法。由于采集到的電力調(diào)度監(jiān)測數(shù)據(jù)存在異常情況，因此采用量化表征和模糊監(jiān)測方法進(jìn)行電力調(diào)度系統(tǒng)的異常數(shù)據(jù)溢出控制，通過確定權(quán)限閾值，設(shè)置電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警等級(jí)，從而構(gòu)建電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警模型。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用文中方法進(jìn)行電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警的自適性較好，對(duì)異常數(shù)據(jù)溢出控制能力較好，電力調(diào)度系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)警精度較高，提高了電力系統(tǒng)的自動(dòng)化監(jiān)測預(yù)警能力。