基于語音識別技術(shù)的智能配電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)

廣西電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心 唐 佳 周智成 潘連榮 謝代鈺 劉津銘

伴隨著我國以特高壓電網(wǎng)為核心的大規(guī)模電網(wǎng)的開發(fā)，配電網(wǎng)的運行方式產(chǎn)生了重大變化，其調(diào)度方式也越來越多樣化。而網(wǎng)絡(luò)信息時代的到來，也使得智能配電網(wǎng)的調(diào)度系統(tǒng)得到了穩(wěn)定開發(fā)，配電網(wǎng)的大規(guī)模開發(fā)以及安全性運行均受到極大影響，而發(fā)展智能配電網(wǎng)的前提，是實現(xiàn)配電網(wǎng)設(shè)計調(diào)度系統(tǒng)的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)、實現(xiàn)國民用電的用電安全。配電網(wǎng)設(shè)計的調(diào)度系統(tǒng)是一種綜合性較強的管理技術(shù)，涵蓋了計算機技術(shù)和通信的諸多方面。

文獻[1]中提出了一種配電網(wǎng)調(diào)度方法，考慮配電網(wǎng)運行中的負荷波動率對配電網(wǎng)源荷進行優(yōu)化，在主體博弈的基礎(chǔ)上運行配電網(wǎng)會有極佳的調(diào)度效果；文獻[2]中提出了對智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)進行第二次防失誤的操作，提升配電網(wǎng)的狀態(tài)感知與管控風(fēng)險能力，可更安全的控制配電網(wǎng)。本文在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，做了更深層次的探索，為我國智能配電網(wǎng)的發(fā)展做參考。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本文設(shè)計的智能配電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)硬件模塊的總體結(jié)構(gòu)，主要由各類服務(wù)器、存儲裝置、網(wǎng)絡(luò)裝置和語音識別裝置組成。

1.1 語音識別裝置

此系統(tǒng)中的語音識別模塊硬件[3]的總體結(jié)構(gòu)主要由語音識別芯片、主控單片機、寄存器和USB 轉(zhuǎn)串口組成（圖1）。語音識別模塊中核心的語音識別芯片采用WT588D 芯片，此芯片的識別技術(shù)是根據(jù)固定詞匯的方法進行識別的，使用前，用戶將需識別內(nèi)容的拼音字符按順序?qū)懭胫靼迳系腞OM 芯片中，當(dāng)語音識別系統(tǒng)進行工作時，主控單片機會將這些內(nèi)容一一寫入寄存器內(nèi)，每次的語音內(nèi)容經(jīng)過語音識別芯片地辨別與管理后，再與提前輸入好的固定詞匯進行配對，重合率最高的被認為是識別結(jié)果，然后反饋給主控芯片，由主控芯片將結(jié)果通過USB 轉(zhuǎn)串口反饋給上位機。

圖1 語音識別硬件簡單結(jié)構(gòu)圖

WT588D 芯片具有識別率的準(zhǔn)確度高、脫機識別、非特定語音識別、可播放語音等特點。其非特定語音識別的中文語音模型，是在語言建模的基礎(chǔ)上經(jīng)大量中文語音數(shù)據(jù)的解析后建立起來的，算法工程師進行了無數(shù)次地抽樣，根據(jù)式樣語音的特點和差別，選擇了其中表現(xiàn)最佳的語音識別基元的特點，創(chuàng)建了最優(yōu)中文語音模型并應(yīng)用到芯片上。

1.2 防竊電裝置

系統(tǒng)中關(guān)鍵的防竊電模塊選擇了ATT7026EU微控器，其內(nèi)部集成了6路16位的A/D 轉(zhuǎn)換裝置，用數(shù)字接口控制配電網(wǎng)運行時產(chǎn)生的數(shù)字信號，再通過SPI 接口實現(xiàn)與調(diào)度控制系統(tǒng)之間的交互，其SPI 接口負責(zé)傳遞芯片與外部微控制單元間以串行方式產(chǎn)生的參數(shù)。本次設(shè)計使用的微控器非線性測量誤差小于0.1%，使配電網(wǎng)地調(diào)度控制更精準(zhǔn)。在ATT7026EU 芯片中，支持3.3V±10%電壓供電，芯片引腳提供模擬和數(shù)字電路的電源，電網(wǎng)信號經(jīng)過插針網(wǎng)格陣列封裝進行減一操作，最后輸入EMU仿真器中，得到的電力數(shù)據(jù)會存儲到寄存器中。本次設(shè)計的微控器ATT7026EU 中，為保持配電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行，設(shè)置了電源管理單元，芯片會在電壓過低時進行復(fù)位操作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 語音信號分析和預(yù)處理

語音識別模型[4]主要包括信號的預(yù)處理、信號的特征處理、模式匹配并分析三方面。信號預(yù)處理主要包括采集語音樣本、對于語音樣本進行歸一化處理、預(yù)加重和加窗分幀等。利用語音信號頻率的標(biāo)準(zhǔn)范圍（300Hz～3.4kHz）來選取一個抗混疊濾波器對信號進行預(yù)濾波處理，控制輸入信號的頻率低于采樣信號頻率，防止工頻電源（50Hz）的混疊干擾，這樣就能獲取大量離散的時間語音信號。而奈奎斯特采樣定理則表明，要保持所采樣語音的完整性，采樣頻段必須要超過最大頻段的二倍，且通常都會選取在5～10倍之間。信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換就會涉及到信息量化的運算，為方便實踐采用1/2/3字節(jié)進行量化。本文設(shè)計中的信號量化處理使用2/3字節(jié)。

信號的分析有時域和頻域兩個方向。時域分析通過傅里葉變換獲得短時能量和過零率等數(shù)據(jù)，有高準(zhǔn)確率、低計算率等優(yōu)點。假如Y(a)代表時域分析信息，Yb(a)代表經(jīng)過加窗分幀后的第b 幀的時間信息，Hb代表第b 幀時信號Yb(a)的短時能量信息，那么有如下公式：

公式（1）中，b=0,1n,2n,3n,…,；m 代表幀長；n 代表幀移長度。式（2）中，Hb一般代表某一幀信號的能量數(shù)據(jù)，進行語音識別的端點檢測。短時過零率代表了某幀信號波的圖像經(jīng)過水平軸的次數(shù)，則：

式（3）中sgn[x]代表符號函數(shù)，式（4）中Lb代表信號Yb(a)的短時過零率。信號分析最佳辦法就是短時過零率，用其判斷語音內(nèi)容的清濁音最為有效。

2.2 設(shè)計數(shù)據(jù)解析模塊

本文設(shè)計的配電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)的核心是對電源、配電網(wǎng)、儲能以及負荷的優(yōu)化調(diào)度控制。系統(tǒng)中的用戶信息采集模塊基于DS 平臺提供的電壓與電流變化量對比值，對電流和電壓互感器的參數(shù)進行二次測量。具體過程如下：Ib=Ic×Hl；Vb=Vc×Hy；Pb=Pc×Hl×Hy；Qb=Qc×Hl×Hy。式中：Ib代表經(jīng)過配電變壓器后的電流數(shù)據(jù)；Vb代表經(jīng)過配電變壓器后的電壓數(shù)據(jù)；Pb代表經(jīng)過配電變壓器后的有功功率數(shù)據(jù)；Qb代表經(jīng)過配電變壓器后的無功功率數(shù)據(jù)；Ic代表系統(tǒng)測量的用戶端電流數(shù)據(jù)；Vc代表系統(tǒng)測量的用戶端電壓數(shù)據(jù)；Pc代表系統(tǒng)測量的用戶端有功功率數(shù)據(jù)；Qc代表系統(tǒng)測量的用戶端無功功率數(shù)據(jù)；Hl代表電流互感器的變化數(shù)據(jù)；Hy代表電壓互感器的變化數(shù)據(jù)。

用戶信息采集模塊每15分鐘就會顯示一次配電變壓器測量的數(shù)據(jù)，將此數(shù)據(jù)與配電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)中的變壓器編碼對比，一致的數(shù)據(jù)將會被接入城市配電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)，與此同時，城市配電網(wǎng)的調(diào)度管理系統(tǒng)也會進行調(diào)閱、查看歷史相關(guān)數(shù)據(jù)，通過監(jiān)控可獲得每日的最高電壓、最低電壓、最大電流時刻、最小電流時刻。

3 仿真實驗

3.1 語音識別模塊測試結(jié)果及分析

本文設(shè)計所使用的命令短語內(nèi)容以智能配電網(wǎng)中常用的調(diào)度控制命令為主，短語長度為5～9個字符不等，錄音人員方面選取了6名不同性別的學(xué)生，年齡在18～25歲之間，音頻均為普通話并在安靜的環(huán)境內(nèi)錄制。實驗首先進行語音文件的錄制，通過剪輯處理得到所需的語音信號并進行預(yù)處理。通過基于MATLAB 的端點檢測技術(shù)，獲取這些語音信號的開始與結(jié)束的節(jié)點，再利用梅爾頻率倒譜系數(shù)提取語音信號，最后根據(jù)DTM 算法識別語音信號，與模板對比相似度高的即為識別結(jié)果。

本次6人錄制的語音文件分別當(dāng)作訓(xùn)練和測試樣本的正確數(shù)、錯誤數(shù)、正確率分別為：音頻一17/3/85%、音頻二16/4/80%、音頻三18/2/90%、音頻四18/2/90%、音頻五20/0/100%、音頻六19/1/95%?？煽闯?，本文所設(shè)計的語音識別模塊，其語音識別的正確率達到了80%以上，識別效果較好，所以此模塊可在本文提出的配電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)中穩(wěn)定地工作。

3.2 調(diào)度控制系統(tǒng)運行測試及結(jié)果分析

本文設(shè)計的智能配電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)中的大多數(shù)負荷由高壓配電網(wǎng)供應(yīng)，只有少數(shù)的負荷由微電網(wǎng)群供應(yīng)，這就導(dǎo)致了智能配電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)非常依賴于高壓配電網(wǎng)，但是高壓配電網(wǎng)存在線路損耗，負荷總功率須小于發(fā)電總功率，所以判斷配電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)能否運行的核心標(biāo)準(zhǔn)就是線路損耗。本次實驗中，通過雙層優(yōu)化調(diào)度模型計算出普通智能配電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)的相關(guān)調(diào)度數(shù)據(jù)，然后再次計算出本文所提的基于語音識別技術(shù)系統(tǒng)的相關(guān)調(diào)度數(shù)據(jù)，對比兩系統(tǒng)的線路損耗參數(shù)來驗證本文系統(tǒng)是否可行。

由圖2可知，加入語音識別模塊的調(diào)度控制系統(tǒng)線路損耗平均值為144kWh，相比于普通調(diào)度控制系統(tǒng)的損耗平均值162kWh 降低了11.1%，本文所提系統(tǒng)更能安全穩(wěn)定地運行且其供電質(zhì)量更高，所以本文設(shè)計的基于語音識別技術(shù)的智能配電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)是可行的。

圖2 兩個系統(tǒng)的線路損耗對比

4 結(jié)語

智能配電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)達成了對資源的合理分配與高效利用的目的，而本文所提的基于語音識別技術(shù)的智能配電網(wǎng)調(diào)度控制提高了原系統(tǒng)的可靠性、靈活性、安全性與實用性，使配電網(wǎng)的調(diào)度控制系統(tǒng)趨于完整。但與此同時也帶來了一些問題，如系統(tǒng)開銷、狀態(tài)同步、資源管理器的定位與計算等，所以今后還需繼續(xù)智能微電網(wǎng)地深入研究，切實地提高計算性能與降低成本等。