基于大數(shù)據(jù)分析的變電站母線電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與趨勢(shì)預(yù)警系統(tǒng)

劉 寧，盧人杰，喻 尋，蒙 雷

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司畢節(jié)供電局，貴州畢節(jié) 551700）

電壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是通過有關(guān)部門編制電壓曲線直觀展示的，也是評(píng)價(jià)各級(jí)電網(wǎng)電壓質(zhì)量，進(jìn)行電網(wǎng)規(guī)劃及合理調(diào)度的重要依據(jù)。母線電壓狀態(tài)信息監(jiān)控是一項(xiàng)需要長(zhǎng)期實(shí)施的重要工作[1]。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，可根據(jù)各變電所母線電壓監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，再現(xiàn)故障或異常工作時(shí)整個(gè)電網(wǎng)電壓幅值和頻率。當(dāng)前變電站母線電壓監(jiān)測(cè)工作一般是由電壓監(jiān)測(cè)器記錄，或者是由工作人員每隔一段時(shí)間到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行記錄[2]。在整個(gè)電力系統(tǒng)中，變電站的數(shù)量極其巨大，負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù)的工作人員的工作量極其繁重。而重復(fù)這一監(jiān)測(cè)模式的人員運(yùn)營(yíng)成本很高，且易受人為因素影響[3]。以往使用基于模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)進(jìn)行變電站母線電壓監(jiān)測(cè)，通過開發(fā)自動(dòng)校核功能，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，雖然通過相關(guān)程序能夠提升數(shù)據(jù)質(zhì)量，但硬件平臺(tái)無(wú)法滿足實(shí)時(shí)處理要求，電壓信號(hào)無(wú)法得到實(shí)時(shí)控制。鑒于以上方法的不足，提出了基于大數(shù)據(jù)分析的變電站母線電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與趨勢(shì)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

每個(gè)下位機(jī)實(shí)時(shí)檢測(cè)各變電所母線電壓信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給GPRS 模塊，通過移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與因特網(wǎng)相連[4-6]。主機(jī)通過網(wǎng)橋固定的TCP/IP 地址與下位機(jī)進(jìn)行通信，并向主機(jī)進(jìn)行無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸。監(jiān)控設(shè)備是系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程監(jiān)控器，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢、事件記錄、用戶管理、采樣控制等功能[7-9]。主機(jī)采用ForceControl6.0 組態(tài)軟件，對(duì)設(shè)備進(jìn)行基本信息設(shè)置、添加、修改、刪除工作。如果通過該主機(jī)接收到的監(jiān)控設(shè)備測(cè)量值超出設(shè)定上下限，系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警[10]。系統(tǒng)每次報(bào)警的數(shù)據(jù)都會(huì)以表格形式輸出到電子報(bào)表中，記錄操作者登入系統(tǒng)的動(dòng)作。

1.1 數(shù)據(jù)采集終端

該終端可完成信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理和無(wú)線傳輸工作，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集終端

系統(tǒng)硬件由信號(hào)檢測(cè)處理板、GPRS 模塊連接板和GPRS 模塊構(gòu)成。通過信號(hào)檢測(cè)處理板，實(shí)現(xiàn)了變電站總線電壓信號(hào)檢測(cè)處理和GPRS 模塊控制；連接板的GPRS 模塊實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)公司CPU、GPRS 模塊和SIM 卡之間的數(shù)據(jù)傳輸[11-12]。根據(jù)數(shù)據(jù)采集、處理速度和性能要求，采用控制芯片STC12C5608AD，該芯片速度快、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)。指令代碼兼顧8051，但其速度要比8051 快8～12 倍。使用該芯片省去了傳統(tǒng)采集終端所必須裝備的A/D 轉(zhuǎn)換器及外圍設(shè)備，大大降低了電路設(shè)計(jì)和軟件編程的難度[13-14]。

1.2 整合式智能柱式開關(guān)

整合式智能柱式開關(guān)具有多種傳感器，通過信號(hào)線和子結(jié)構(gòu)連接不同傳感器，實(shí)現(xiàn)開關(guān)體和配電線路運(yùn)行狀態(tài)的測(cè)量，圖2 為整合式智能柱式開關(guān)結(jié)構(gòu)。

圖2 整合式智能柱式開關(guān)結(jié)構(gòu)

為了滿足各種傳感信息的傳遞和擴(kuò)散，選用37CORE GX12 對(duì)接插座，并在主插座上安裝溫度感應(yīng)開關(guān)。多種線路同時(shí)傳送信號(hào)，確保信號(hào)快速傳送，保障工作人員安全[15-16]。使用19 芯GX12 插座實(shí)現(xiàn)傳送信號(hào)儲(chǔ)存和開關(guān)控制，該信號(hào)包括負(fù)載開關(guān)狀態(tài)信號(hào)和零序電壓信號(hào)；使用6 芯電壓插座傳送所有電壓信號(hào)；使用防開插座傳送相電流和零序電流信號(hào)。

1.3 電壓越限趨勢(shì)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變電站母線相電壓越限趨勢(shì)預(yù)警系統(tǒng)由主站和多個(gè)站端組成，通過網(wǎng)絡(luò)通道或串口通道將站端連接到主站，主站同時(shí)連接到多個(gè)站端，站端包括站端測(cè)控器及遙測(cè)終端設(shè)備。站端測(cè)控器通過線路連接到安裝在總線上的初級(jí)設(shè)備，從初級(jí)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，站端包括站端測(cè)控器及遙測(cè)終端設(shè)備。圖3為電壓越限趨勢(shì)預(yù)警系統(tǒng)。

圖3 電壓越限趨勢(shì)預(yù)警系統(tǒng)

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備成本低、攜帶方便、檢測(cè)判斷準(zhǔn)確，避免了支線干擾影響，節(jié)省了人力，大大縮短了故障排除時(shí)間，降低了電力設(shè)備的損耗，提高了電力設(shè)備的安全性。

2 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

2.1 基于大數(shù)據(jù)分析異常數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

大數(shù)據(jù)分析是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)挖掘中的一種分析方法，通過有限長(zhǎng)度歷史記錄模式，構(gòu)建能夠準(zhǔn)確反映電力系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行規(guī)律的自回歸模型。從探測(cè)得到的時(shí)間序列中，可以發(fā)現(xiàn)某一時(shí)刻的功率參數(shù)集是由多個(gè)次結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和隨機(jī)干擾項(xiàng)決定，即功率參數(shù)具有特征屬性。

構(gòu)建的P階自回歸模型如下：

式（1）中，Wi表示變電站母線運(yùn)行參數(shù)集；i表示電壓傳輸時(shí)間；βi表示白噪聲；αp表示不同電壓傳輸時(shí)期所對(duì)應(yīng)的白噪聲影響強(qiáng)度。該公式計(jì)算結(jié)果容易受到變電站實(shí)際運(yùn)行環(huán)境的影響，在突發(fā)故障情況下，Wi參數(shù)集容易出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。針對(duì)該問題，采用大數(shù)據(jù)分析方法，檢驗(yàn)異常數(shù)據(jù)。

設(shè)Wi參數(shù)集服從正態(tài)分布，判斷不同電壓傳輸時(shí)期所對(duì)應(yīng)的白噪聲影響強(qiáng)度是否為0，結(jié)果為0 的概率密度函數(shù)可用式（2）表示：

式（2）中：μ表示參數(shù)均值；σ2表示參數(shù)方差。

如果f大于0，則說明Wi參數(shù)集中含有異常數(shù)據(jù)，通過該數(shù)據(jù)結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警流程可對(duì)變電站母線電壓出現(xiàn)的故障問題實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

2.2 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警流程設(shè)計(jì)

運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站母線電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警流程如圖4 所示。

圖4 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警流程

如圖4 所示，變電站獲取實(shí)時(shí)信息，確定變電站母線運(yùn)行狀態(tài)，判斷變電站電壓是否超出限值；如未超出限值，則繼續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控變電站電壓；如超出限值，則確定相應(yīng)電壓值組，并將每一組電壓值代入概率密度函數(shù)，得到第二步電壓值；依據(jù)概率密度函數(shù)確定最佳監(jiān)測(cè)方案，將調(diào)整前后的變電站運(yùn)行狀態(tài)作為電壓監(jiān)控歷史參考信息保存；連續(xù)重復(fù)以上步驟，以實(shí)現(xiàn)變電站母線電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)在ForceControl6.0 組態(tài)軟件下進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試分析，測(cè)試物理接線圖如圖5 所示。

圖5 測(cè)試物理接線圖

將仿真系統(tǒng)中CT、PT 信號(hào)借助模擬輸出板卡（GTAO）發(fā)出，然后經(jīng)過功率放大器將信號(hào)放大，最后將電流、電壓信號(hào)送到保護(hù)裝置中。與此同時(shí)，保護(hù)裝置先將發(fā)出的跳閘信號(hào)作用于模擬斷路器，模擬斷路器將狀態(tài)通過數(shù)字量輸入板卡（GTDI）返回到仿真的一次系統(tǒng)中，從而構(gòu)成閉環(huán)實(shí)驗(yàn)。

3.1 存儲(chǔ)電壓

通過可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，存儲(chǔ)變電站母線電壓，其主要用于變電站故障時(shí)備用，為系統(tǒng)提供電壓。故障時(shí)的存儲(chǔ)電壓變化如圖6 所示。

圖6 故障時(shí)的存儲(chǔ)電壓變化情況

由圖6 可知，在0.2～0.5 min 內(nèi)，變電站母線出現(xiàn)故障情況，該時(shí)間段內(nèi)存儲(chǔ)電壓由298 V 變?yōu)?55 V；在0.5～0.6 min 內(nèi)，變電站母線故障情況較為嚴(yán)重，此時(shí)使用備用電壓較多，該時(shí)間段內(nèi)存儲(chǔ)電壓由255 V變?yōu)?40 V；在0.6～0.8 min 內(nèi)，存儲(chǔ)電壓保持240 V不變，說明沒有故障現(xiàn)象發(fā)生。

針對(duì)該部分電壓，分別使用基于模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)、基于大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)電壓，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 兩種系統(tǒng)存儲(chǔ)電壓監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

由表1 可知，使用基于模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)電壓監(jiān)測(cè)結(jié)果并不精準(zhǔn)，當(dāng)時(shí)間為0.8 min 時(shí)，電壓為220 V，與實(shí)際240 V 存儲(chǔ)電壓相差20 V；而使用基于大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)，與實(shí)際240 V存儲(chǔ)電壓一致。

3.2 耗散電壓

耗散電壓指的是變電站母線在工作時(shí)的電壓耗散情況，如圖7 所示。

圖7 耗散電壓變化情況

由圖7 可知，在0～0.3 min 內(nèi)，變電站母線出現(xiàn)故障情況，存儲(chǔ)電壓被使用，而耗散電壓大幅度降低；在0.3～0.6 min 內(nèi)，只有存儲(chǔ)電壓被使用，無(wú)耗散電壓；在0.6～0.8 min 內(nèi)，耗散電壓逐漸上升，最終為240 V。

針對(duì)該部分電壓，分別使用基于模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)、基于大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)監(jiān)測(cè)耗散電壓，對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 兩種系統(tǒng)耗散電壓監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析

由表2 可知，使用基于模型驅(qū)動(dòng)架構(gòu)電壓監(jiān)測(cè)雖然在0.2～0.5 min 內(nèi)與實(shí)際耗散電壓一致，但在0.6～0.8 min 內(nèi)，電壓由130 V 變?yōu)?20 V，監(jiān)測(cè)結(jié)果不精準(zhǔn)；使用基于大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)，在變電站母線不使用存儲(chǔ)電壓時(shí)，所消耗的電壓與實(shí)際240 V 耗散電壓一致。

4 結(jié)束語(yǔ)

該文提出了一種基于大數(shù)據(jù)分析的變電站母線電壓實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與趨勢(shì)預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)采集與處理現(xiàn)場(chǎng)母線電壓數(shù)據(jù)，利用大數(shù)據(jù)分析模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警管理。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)變電站母線電壓的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化變電站日益增多，若推廣實(shí)施此變電站母線電壓遠(yuǎn)程無(wú)線集中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法，可對(duì)電力系統(tǒng)各變電站的母線電壓實(shí)時(shí)上傳和匯總監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，電力主管部門可利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)再現(xiàn)長(zhǎng)期變化的電網(wǎng)電壓，幫助整個(gè)電網(wǎng)負(fù)荷預(yù)測(cè)和電能質(zhì)量控制；分析和判斷事故發(fā)生的原因、發(fā)展和變化過程，可以在電網(wǎng)事故分析過程中更全面地采取預(yù)防措施，保證電網(wǎng)安全運(yùn)行，該監(jiān)控方法對(duì)電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展有一定借鑒意義。