一體化智能電力暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查系統(tǒng)設(shè)計(jì)＊

余安國(guó),牛任愷,孫志杰,張艷麗

(國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司營(yíng)銷(xiāo)服務(wù)中心(計(jì)量中心)，北京 100000)

1 引言

智能電網(wǎng)已經(jīng)成為我國(guó)電網(wǎng)十分重要的發(fā)展方向。對(duì)于智能電網(wǎng)的研究側(cè)重配電領(lǐng)域不同[1-2]，我國(guó)大部分的研究更加傾向智能輸電領(lǐng)域以及提升營(yíng)銷(xiāo)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全能力，營(yíng)銷(xiāo)稽查工作是一體化智能電力監(jiān)督營(yíng)銷(xiāo)工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有效保障電網(wǎng)公司精益運(yùn)營(yíng)，確保營(yíng)銷(xiāo)稽查安全可靠運(yùn)行也是主要研究目標(biāo)。和傳統(tǒng)營(yíng)銷(xiāo)稽查系統(tǒng)相比，智能稽查具有自治以及自愈能力，重點(diǎn)體現(xiàn)在具有在線(xiàn)穩(wěn)定分析以及控制能力[3]，其中智能電力暫態(tài)穩(wěn)定更是提升營(yíng)銷(xiāo)稽查系統(tǒng)穩(wěn)定性的核心內(nèi)容。

傳統(tǒng)的營(yíng)銷(xiāo)稽查暫態(tài)穩(wěn)定核查系統(tǒng)能夠劃分為“離線(xiàn)計(jì)算，離線(xiàn)匹配”以及“在線(xiàn)預(yù)先決策、實(shí)時(shí)匹配”。它的本質(zhì)主要通過(guò)事先假想或者刷新形成的策略表，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題類(lèi)型進(jìn)行匹配。以上兩種實(shí)現(xiàn)方式存在的共同缺陷為：營(yíng)銷(xiāo)稽查的有效性依賴(lài)于對(duì)未來(lái)可能問(wèn)題形式的有限預(yù)想，當(dāng)發(fā)生“未預(yù)想問(wèn)題”或者“失配”現(xiàn)象時(shí)，則可能導(dǎo)致稽查系統(tǒng)穩(wěn)定防線(xiàn)的失效。同時(shí)由于數(shù)據(jù)質(zhì)量無(wú)法抽查、跟蹤，核查時(shí)無(wú)法及時(shí)快速地獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行有效校驗(yàn)。國(guó)內(nèi)外相關(guān)專(zhuān)家也重點(diǎn)針對(duì)電力營(yíng)銷(xiāo)暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查方面的內(nèi)容展開(kāi)研究，文獻(xiàn)[4]結(jié)合具體工況環(huán)境以及經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，選取配套的傳感器單元以及數(shù)據(jù)采集核查設(shè)備，完成電力營(yíng)銷(xiāo)暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查系統(tǒng)設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[5]通過(guò)邊緣計(jì)算的系統(tǒng)架構(gòu)有效完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。但是由于上述系統(tǒng)未考慮數(shù)據(jù)挖掘問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)整體應(yīng)用效率偏低，核查誤差偏高。為了更好地解決上述問(wèn)題，保證營(yíng)銷(xiāo)稽查工作的健康有序開(kāi)展，設(shè)計(jì)并提出一種一體化智能電力暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠有效提升系統(tǒng)整體的應(yīng)用效率，降低智能電力暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查誤差。

2 一體化智能電力暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查系統(tǒng)設(shè)計(jì)

I級(jí)核查中心主要負(fù)責(zé)一級(jí)指標(biāo)協(xié)調(diào)處理和一級(jí)二級(jí)指標(biāo)的督辦；Ⅱ級(jí)核查中心負(fù)責(zé)接收I級(jí)核查中心下發(fā)的協(xié)調(diào)任務(wù)處理以及二級(jí)指標(biāo)的協(xié)調(diào)處理[6]；III級(jí)核查中心負(fù)責(zé)接收II級(jí)核查中心下發(fā)的協(xié)調(diào)任務(wù)處理。

當(dāng)我國(guó)不同的I級(jí)核查中心在接收到分配的任務(wù)時(shí)，需要及時(shí)進(jìn)行協(xié)調(diào)處理預(yù)警參數(shù)設(shè)定，同時(shí)將系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)業(yè)務(wù)信息進(jìn)行自動(dòng)匯集，啟動(dòng)系統(tǒng)的預(yù)警功能[7]。當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，則設(shè)定結(jié)果為指標(biāo)數(shù)據(jù)，通過(guò)核查整改流程；如果是在工程中出現(xiàn)的異常，則需要根據(jù)事先設(shè)定好的預(yù)警等級(jí)進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)警，根據(jù)等級(jí)情況決定是否上傳至上級(jí)。I 級(jí)核查中心將智能電力營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)中異常數(shù)據(jù)發(fā)送至II 級(jí)核查中心進(jìn)行處理以及分析，II級(jí)核查中心通過(guò)分析結(jié)果選擇性派發(fā)至III級(jí)核查中心進(jìn)行協(xié)調(diào)處理。通過(guò)協(xié)調(diào)處理結(jié)果對(duì)相關(guān)處理部門(mén)進(jìn)行評(píng)價(jià)，同時(shí)將最終的評(píng)價(jià)結(jié)果發(fā)送至不同的源頭單位[8]。電力系統(tǒng)核查中心業(yè)務(wù)模型如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)核查中心業(yè)務(wù)模型圖

智能電力系統(tǒng)技術(shù)中心支持基于一體化智能電力營(yíng)銷(xiāo)暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中主要包含展示匯報(bào)、全方位分析等模塊，具體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 一體化智能電力暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(1) 展示匯報(bào)模塊：主要負(fù)責(zé)智能電力暫態(tài)穩(wěn)定監(jiān)測(cè)以及智能電力數(shù)據(jù)采集、展示等操作。

(2) 全方位分析模塊：主要包含業(yè)擴(kuò)、線(xiàn)損、計(jì)量等相關(guān)主題指標(biāo)的關(guān)聯(lián)分析以及數(shù)據(jù)挖掘分析等功能。

(3) 全過(guò)程監(jiān)測(cè)模塊：主要負(fù)責(zé)一體化智能電力暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查監(jiān)控調(diào)整以及核查結(jié)果監(jiān)測(cè)。

(4) 預(yù)警管理模塊：主要針對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行告警。

(5) 協(xié)調(diào)處理模塊：發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的異常數(shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)行協(xié)調(diào)以及調(diào)度指揮。

(6) 驗(yàn)證任務(wù)管理模塊：主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)處理指標(biāo)的任務(wù)分解以及下發(fā)。

(7) 信息匯集模塊：實(shí)現(xiàn)一體化交費(fèi)等相關(guān)數(shù)據(jù)接口功能。

(8) 監(jiān)測(cè)主體管理模塊：主要負(fù)責(zé)監(jiān)控過(guò)程中的管理工作。

(9) 核查任務(wù)管理模塊：主要對(duì)系統(tǒng)派發(fā)的任務(wù)進(jìn)行核查以及管理等工作。

一體化智能電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)主要是由以下幾種數(shù)據(jù)組成，具體如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)架構(gòu)圖

具體內(nèi)容如下所示：

(1) 基礎(chǔ)公共數(shù)據(jù)：主要是由公共代碼、標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)、人員信息、組織機(jī)構(gòu)等組成。

(2) 營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)：該類(lèi)型數(shù)據(jù)主要采用分區(qū)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

(3) 核查業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)：該數(shù)據(jù)主要是指在業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)的過(guò)程中定期或者不定期進(jìn)行任意時(shí)間段的匯總以及時(shí)間復(fù)制。

(4) 展示數(shù)據(jù)：主要包含滿(mǎn)足核查中心業(yè)務(wù)展示匯報(bào)的數(shù)據(jù)，同時(shí)符合特定時(shí)期內(nèi)的聚焦數(shù)據(jù)。

3 基于支持向量機(jī)的智能電力暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查

針對(duì)智能電力系統(tǒng)而言，在利用數(shù)據(jù)挖掘方法進(jìn)行穩(wěn)定分析時(shí)，假設(shè)將不穩(wěn)定的樣本錯(cuò)誤核查為穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致稽查人員在系統(tǒng)失穩(wěn)的情況下無(wú)法采取任何控制措施，將會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。智能電力系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中，將準(zhǔn)確性放在首要位置，能夠適量進(jìn)行保存，在穩(wěn)定核查時(shí)還更加需要注意將不穩(wěn)定樣本核查為穩(wěn)定樣本的情況。

在采用數(shù)據(jù)挖掘方法對(duì)電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定進(jìn)行自動(dòng)核查時(shí)，需要全面考慮電力系統(tǒng)的保守性，同時(shí)還需要最大限度降低誤判穩(wěn)定總數(shù)。以下重點(diǎn)從實(shí)際角度出發(fā)，結(jié)合支持向量機(jī)(SVM)有效實(shí)現(xiàn)智能電力暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查。

設(shè)定系統(tǒng)中一組數(shù)據(jù)為(xi，yi)，假設(shè)該組樣本線(xiàn)性可分，則通過(guò)SVM能夠獲取如公式(1)所示的最優(yōu)超平面：

公式(1)中，w代表權(quán)重向量；b代表最優(yōu)超平面偏移。

考慮一般數(shù)據(jù)的非線(xiàn)性可分情況，則利用SVM 可以根據(jù)價(jià)格優(yōu)化以及和核技巧轉(zhuǎn)化為求解公式(2)的最優(yōu)化問(wèn)題，即：

設(shè)定核函數(shù)為：

在SVM中，主要有以下四種較為常用的核函數(shù)，分別為：

在上述公式中，公式(4)為線(xiàn)性核函數(shù)、公式(5)為多項(xiàng)式核函數(shù)、公式(6)為高斯核函數(shù)、公式(7)為Sigmoid 核函數(shù)。上述常見(jiàn)的核函數(shù)具有平穩(wěn)性，在電力暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查中保持特征空間下樣本間向量函數(shù)的穩(wěn)定性，且各式同性。通過(guò)SVM 進(jìn)行安全概念下的智能暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查，實(shí)質(zhì)上就是通過(guò)SVM的分界面獲取近似系統(tǒng)的安全域邊界。通過(guò)采用數(shù)據(jù)挖掘理論進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查的基本步驟為：

(1) 特征選擇；

(2) SVM訓(xùn)練。

在進(jìn)行參數(shù)尋優(yōu)的過(guò)程中，需要重點(diǎn)考慮以下步驟：

(1) 考慮高斯核函數(shù)；

(2) 通過(guò)交叉驗(yàn)證的方式應(yīng)用網(wǎng)格化方法遍歷獲取最優(yōu)的懲罰因子以及核參數(shù)。

全面考慮在各個(gè)參數(shù)下SVM 的特點(diǎn)，結(jié)合電力系統(tǒng)保守性的特點(diǎn)盡量降低誤判穩(wěn)定樣本的需求，同時(shí)采用多個(gè)分類(lèi)器組合形成一個(gè)智能系統(tǒng)進(jìn)行劃分。

設(shè)定xi代表需要進(jìn)行暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查的候選特征，共計(jì)N個(gè)；xsi代表進(jìn)行特征選擇后獲取的特征，共計(jì)m個(gè)；yi代表不同參數(shù)進(jìn)行SVM 訓(xùn)練后獲取的穩(wěn)定判定結(jié)果；Z代表對(duì)M個(gè)SVM的判斷結(jié)果進(jìn)行綜合后的系統(tǒng)智能電力暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查。在進(jìn)行綜合考慮時(shí)，主要采用以下方式：

分析公式(8)可知，只有在全部M個(gè)SVM的穩(wěn)定評(píng)估結(jié)果均為穩(wěn)定的情況下，最終系統(tǒng)的核查結(jié)果才為穩(wěn)定，否則則說(shuō)明系統(tǒng)在發(fā)生問(wèn)題之后會(huì)失穩(wěn)，能夠提示稽查人員對(duì)當(dāng)前業(yè)務(wù)運(yùn)行狀況進(jìn)行進(jìn)一步分析，同時(shí)考慮時(shí)候需要采取進(jìn)一步的預(yù)防控制措施。在特征變量空間來(lái)看，各個(gè)SVM 都能夠獲取一個(gè)估計(jì)的安全域。

在進(jìn)行一體化智能電力暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查的過(guò)程中，首先利用訓(xùn)練樣本通過(guò)特征選擇的結(jié)果采用交叉驗(yàn)證的方式選取不同的SVM參數(shù)，進(jìn)行SVM訓(xùn)練，獲取核查模型；在穩(wěn)定分析階段，通過(guò)模型訓(xùn)練階段特征選擇的結(jié)果選取對(duì)應(yīng)的輸入量作為已經(jīng)訓(xùn)練好的SVM的輸入；對(duì)M個(gè)穩(wěn)定性分析結(jié)果進(jìn)行綜合，獲取最終的一體化智能電力暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查結(jié)果。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)一體化智能電力暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查系統(tǒng)的綜合有效性，通過(guò)MATLAB工具進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

利用表1給出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中具體的故障設(shè)置情況：

表1 故障設(shè)置情況

4.1 核查誤差對(duì)比結(jié)果

在表1實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定的環(huán)境下，實(shí)驗(yàn)主要選取文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)以及文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)作為對(duì)比對(duì)象，以下主要對(duì)比三種不同系統(tǒng)的核查誤差，具體實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如表2、表3以及表4所示：

表2 所設(shè)計(jì)系統(tǒng)核查誤差

表3 文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)核查誤差

表4 文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)核查誤差

分析表2～表4 中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，由于系統(tǒng)故障類(lèi)型不同，導(dǎo)致各個(gè)系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查誤差也在不斷發(fā)生變化。由于所設(shè)計(jì)系統(tǒng)有效解決了智能電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)挖掘問(wèn)題，促使整個(gè)核查系統(tǒng)的核查誤差得到大幅度較低，且明顯低于另外兩種系統(tǒng)。

4.2 應(yīng)用效率對(duì)比結(jié)果

利用圖4給出各個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用效率對(duì)比結(jié)果：

圖4 不同系統(tǒng)的應(yīng)用效率對(duì)比

分析圖4 中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相比另外兩種系統(tǒng)，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的應(yīng)用效率明顯更高一些，主要原因在于設(shè)計(jì)系統(tǒng)有效解決了數(shù)據(jù)挖掘問(wèn)題，促使系統(tǒng)的應(yīng)用效率更高。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)核查系統(tǒng)存在應(yīng)用效率較低以及核查誤差較高等問(wèn)題，設(shè)計(jì)并提出一體化智能電力暫態(tài)穩(wěn)定自動(dòng)核查系統(tǒng)。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠有效提升系統(tǒng)的應(yīng)用效率，同時(shí)有效降低系統(tǒng)的核查誤差。

由于時(shí)間以及環(huán)境等因素的限制，導(dǎo)致所設(shè)計(jì)系統(tǒng)仍然存在一定的不足，后續(xù)將重點(diǎn)針對(duì)以下幾方面的內(nèi)容進(jìn)行研究，即：

(1) 現(xiàn)階段的研究過(guò)程中并沒(méi)有考慮核查成本等方面的問(wèn)題，后續(xù)將重點(diǎn)針對(duì)該方面的內(nèi)容展開(kāi)研究。

(2) 進(jìn)一步提升系統(tǒng)的整體工作質(zhì)量。