基于電力信息物理系統(tǒng)的輸電線路故障辨識研究

彭翠紅

(咸陽師范學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

目前，現(xiàn)代科技不斷發(fā)展，先進(jìn)的信息技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，成果最為顯著的就是電力系統(tǒng)，經(jīng)過人類的不斷探索，將物理系統(tǒng)與信息科技結(jié)合到一起，利用兩者之間的制約關(guān)系，共同合作，安全穩(wěn)定維持輸電線路的穩(wěn)定運(yùn)行。對于線路的狀態(tài)辨識由于以往的技術(shù)落后與思維過于保守導(dǎo)致不能預(yù)測到線路中的故障出現(xiàn)，致使辨識方向錯誤，出現(xiàn)了一系列的用電困難。針對當(dāng)前輸電線路故障辨識現(xiàn)狀，有許多學(xué)者都開展了研究，有學(xué)者研究了VMD-PE協(xié)同SNN的輸電線路故障辨識方法，該方法主要將變分模態(tài)分解排列熵與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，對瞬時頻率均值優(yōu)化參數(shù)，計算分解后將獲得的排列熵作為故障特征量，將結(jié)果輸入到網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行輸電線路故障辨識[1]；有學(xué)者研究了考慮多影響因素的關(guān)鍵輸電線路故障辨識方法，該方法主要將發(fā)電機(jī)輸電容量、負(fù)荷大小等參數(shù)作為線路指標(biāo)，將博弈論綜合賦權(quán)法應(yīng)用到指標(biāo)處理中，實(shí)現(xiàn)對輸電線路的辨識[2]。上述提出的方法雖能夠?qū)崿F(xiàn)輸電線路故障辨識，但是容易受到周圍環(huán)境影響，導(dǎo)致辨識效果較差。基于當(dāng)前存在問題，設(shè)計一個基于電力信息物理系統(tǒng)的輸電線路故障辨識方法，期望提高輸電線路故障辨識效果。

1 電力信息物理系統(tǒng)

1.1 電力信息物理系統(tǒng)工作原理及結(jié)構(gòu)

隨著電力系統(tǒng)的智能化發(fā)展，電力系統(tǒng)中信息不斷增多，需要先進(jìn)的信息通信技術(shù)融入其中，發(fā)揮電力信息采集處理等功能。電力信息物理系統(tǒng)是將電網(wǎng)一次系統(tǒng)與通信信息系統(tǒng)相融合，利用海量異構(gòu)智能終端采集與感知電力系統(tǒng)的信息，并通過中間層通信系統(tǒng)將海量多源異構(gòu)電力監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，輸送至決策層進(jìn)行存儲并分析，并實(shí)施控制決策指令，由此實(shí)現(xiàn)電力物理系統(tǒng)的運(yùn)行控制。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電力信息物理系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of power information physical system

1.2 電力信息物理系統(tǒng)的能量與信息

電力信息物理系統(tǒng)每個環(huán)節(jié)的信息數(shù)據(jù)均為雙向傳輸，其能量與信息的傳輸過程如圖2所示。

圖2 電力信息物理系統(tǒng)的能量與信息的傳輸Fig.2 Energy and information transmission diagram of power information physical system

電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，不僅受到電力一次設(shè)備的影響，還會受到電力二次設(shè)備的影響，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)或信息傳輸系統(tǒng)受到故障，都會影響信息完整穩(wěn)定傳輸，影響電力系統(tǒng)正常運(yùn)行。雖然信息網(wǎng)絡(luò)攻擊不能直接攻擊電力物理設(shè)備，但可以破壞或削弱二次設(shè)備的功能來導(dǎo)致采集的數(shù)據(jù)丟失或有誤，使電力系統(tǒng)進(jìn)行錯誤的狀態(tài)估計，進(jìn)而影響狀態(tài)估計后的高級軟件分析而做出錯誤的抉擇，導(dǎo)致電力一次設(shè)備錯誤操作而發(fā)生故障，引發(fā)電力系統(tǒng)振蕩甚至造成大面積停電。

2 影響輸電線路故障辨識因素

在應(yīng)用電力信息物理系統(tǒng)進(jìn)行輸電線路故障辨識時，易出現(xiàn)多種問題導(dǎo)致對輸電線路故障的辨識效果不足，主要有3個方面：①電力信息物理系統(tǒng)的底層設(shè)備狀態(tài)感知辨識精度低。底層設(shè)備型號混雜、軟件系統(tǒng)升級程度不統(tǒng)一以及存在環(huán)境噪聲干擾等情況，導(dǎo)致難以有效區(qū)分輸電線路電流的狀態(tài)。②電力信息物理系統(tǒng)采集的輸電線路信息為海量多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸量大，且數(shù)據(jù)壓縮復(fù)雜度高，給輸電線路故障數(shù)據(jù)的及時傳輸與快速分析帶來了困難。③在上層決策層中，由于數(shù)據(jù)的多源異構(gòu)特性，也給存儲造成了困難，容易造成主站資源浪費(fèi)，且在數(shù)據(jù)匹配分析時，調(diào)度速度也被拖慢，影響了輸電線路故障辨識。

3 輸電線路故障辨識方法

3.1 電網(wǎng)中電流潮流計算

只要計算出穩(wěn)定的功率與電阻比，保證線路兩端的電壓不變，就得到線路中各個節(jié)點(diǎn)的潮流效率[3]為 ：

(1)

當(dāng)電流流向故障部位[4-5]，就會產(chǎn)生分流，那么前后電流比為：

I0=I(0)/I(1)

(2)

式中，I0為初始電流圍。

節(jié)點(diǎn)的功率變化為：

(3)

按照電力信息物理系統(tǒng)中信息潮流計算的順序來迭代計算，設(shè)定一定的相位角與電阻比，當(dāng)兩端電壓穩(wěn)定，電阻小于本身電阻時就可直接進(jìn)行潮流計算，輸電線路的潮流計算會因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的不斷增加而變得復(fù)雜，為了實(shí)現(xiàn)計算的準(zhǔn)確性與高效性，可以根據(jù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式來改變相應(yīng)的計算方法。當(dāng)輸電線路兩端的電壓達(dá)到最高時[6]，其中的電阻也就達(dá)到了峰值，此時的電功率就會隨之減小，為了增加線路的辨識性，考慮到影響線路的各種參數(shù)的變化，任何參數(shù)的改變都會干擾電路的潮流計算[7]，那么潮流評價受到潮流因子、電容差、電力信息、辨識度、動態(tài)量化的綜合影響。插入3個不同的偏移角度參數(shù)值，根據(jù)線路的波動產(chǎn)生彈性的辨識行為，但是辨識行為會受到波動行為的影響導(dǎo)致辨識行為波動性較大，為此需要進(jìn)一步處理。

3.2 電力信息適應(yīng)度函數(shù)建立

由于電流潮流計算中會受到其他因素的影響，波動性較大，為此建立適應(yīng)度函數(shù)。輸電線路的適應(yīng)度是根據(jù)兩端的電壓與自身的電阻來決定的，利用粒子群算法來對其進(jìn)行定義，調(diào)整到合適的適應(yīng)值，準(zhǔn)確地形成一個函數(shù)關(guān)系[8]。而建立適應(yīng)度函數(shù)會涉及到多個參數(shù)的變化，要想得到合理的模型，可以將適應(yīng)度函數(shù)定義為：

f=min(|P(θ)-P1|+|Q(θ)-Q1|+k)

(4)

式中，θ為慣性因子；P(θ)為向量的適應(yīng)度；Q(θ)為理論適應(yīng)值；P1與Q1為初始適應(yīng)值。

當(dāng)出現(xiàn)最大或者最小的極值時[9]，通過二者之間的差來確定函數(shù)波動的范圍，反復(fù)計算，因此獲得的最優(yōu)解就可以作為最終值，反之，重新計算。根據(jù)電力系統(tǒng)的不穩(wěn)定性預(yù)測輸電線路的故障與否，那么涉及到的各種參數(shù)就包括電壓、電流與線路電阻值，假設(shè)存在一段固定長度的線路[10]，推測電路形成的適應(yīng)度需要對輸電線路的長度、單位時間內(nèi)的電阻、電流、電容量、最大電壓、端點(diǎn)電流、最大電流、故障電流等進(jìn)行采集。由于上述參數(shù)過于繁雜[11]，將其簡化為只求解故障部位的電阻的變化。

由于線路中途出現(xiàn)變化，就會導(dǎo)致電流與電阻處于穩(wěn)定的動態(tài)中，利用能量守恒定律[12]，就可以保持參數(shù)平衡，形成一個穩(wěn)定的矩陣。電力物理系統(tǒng)中決定辨識方向的主要是物理節(jié)點(diǎn)，每個節(jié)點(diǎn)具有不同的作用，不但可以控制電壓的變化，還能減小線路中的電阻，自增大電流的走向[13]。當(dāng)線路中電壓與電流的角度發(fā)生偏移[14]，就會導(dǎo)致辨識度出現(xiàn)誤差，若要保證兩個參數(shù)處于不變的動態(tài)變化中，那么限制條件就為在不同辨識因子下電阻抗恒定，當(dāng)辨識因子由于線路的故障可以忽略不計時，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到一個穩(wěn)態(tài)，就會減小線路的壓力，存留的能量就會參與到下一步的迭代計算[15]。在此條件下，線路狀態(tài)的適應(yīng)度函數(shù)由節(jié)點(diǎn)的數(shù)量決定，若輸入了處理后的節(jié)點(diǎn)，在一定時間內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量逐漸增加，得到最佳適應(yīng)度函數(shù)，采用適應(yīng)度函數(shù)能夠?yàn)檩旊娋€路故障辨識提供參考。

3.3 線路辨識模型構(gòu)建

確定輸電線路中各個參數(shù)的波動范圍后，設(shè)將電力系統(tǒng)看成是一個分段式的網(wǎng)格模式，將適應(yīng)度函數(shù)輸入到整個網(wǎng)格系統(tǒng)中。每個模塊都有一個連接端，利用網(wǎng)絡(luò)信號將其串聯(lián)起來，使信息物理系統(tǒng)成為辨識線路各種狀態(tài)的主要方式，維持電力系統(tǒng)的穩(wěn)定。而對于線路中的電阻與電流都會有一個固定的波動范圍，可用Z=R+jX為電阻的波動情況，當(dāng)線路開始運(yùn)行的時候，可以看出辨識系數(shù)基本差不多的，對線路的干擾性幾乎為零，那么就會呈現(xiàn)一個基本穩(wěn)定的狀態(tài)，因此將多個電路同時打開，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。對線路的情況進(jìn)行辨識后，出現(xiàn)故障時就可以根據(jù)電壓與電流之間的比例來推測出具體部位，一般小型的干擾不會對線路的穩(wěn)定性產(chǎn)生任何影響，干擾的位置為x=Ax+Bu，其中，x為干擾信號模型。那么兩端電壓與干擾信號的電阻關(guān)系式為:

(5)

式中，ζ為振動幅度；σ為電阻系數(shù)；ω為參數(shù)。

電力信息系統(tǒng)的構(gòu)成類似于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，都是在節(jié)點(diǎn)運(yùn)輸數(shù)據(jù)的情況下進(jìn)行的，增加一個節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)就會多接收一類電力信息，電流發(fā)生變化時，節(jié)點(diǎn)電功率與電容都會存在差異，即：

(6)

式中，Δθ為該節(jié)點(diǎn)兩端的電流比，那么此時的輸電線路的狀態(tài)辨識公式為：

(7)

式中，eα為角度偏移時節(jié)點(diǎn)的能量值；dm為邊緣距離；θm為偏移角度；Δθ為角度差。

利用節(jié)點(diǎn)的可控性不但可以保證輸電線路的完整性，還能盡可能地減少誤差，提高辨識模型的包容性，以此完成輸電線路的辨識。

4 實(shí)例分析

4.1 應(yīng)用場景

為驗(yàn)證提出的基于電力信息物理系統(tǒng)的輸電線路故障辨識方法在實(shí)際中的應(yīng)用效果，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中主要對正常的輸電線路、受到攻擊的輸電線路故障辨識。將本文設(shè)計的基于電力信息物理系統(tǒng)的輸電線路辨識研究方法進(jìn)行應(yīng)用。

4.2 輸電線路3種狀態(tài)

在應(yīng)用過程中，還原信息空間網(wǎng)絡(luò)，主要包含遠(yuǎn)程調(diào)度中心、站控層、間隔層和過程層，其中間隔層主要實(shí)現(xiàn)信息空間與電力系統(tǒng)兩者之間的聯(lián)動。同時為了方便后期遠(yuǎn)程調(diào)控，設(shè)置遠(yuǎn)程調(diào)度中心，主要模型如圖3所示：其中，輸電線路采用雙電源雙回路供電系統(tǒng)，電源電壓為220 kV，初始相角為0°，仿真運(yùn)行時間設(shè)置為0.5 s。同時，設(shè)定3種攻擊情況。①獲取正常情況下輸電線路電流波形，直接將其作為對比指標(biāo)；②模擬輸電線路攻擊，在輸電線路正常運(yùn)行時，僅對一個輸電線路進(jìn)行攻擊使其故障，出現(xiàn)短路情況，僅對短路故障電流波形辨識；③模擬信息節(jié)點(diǎn)與輸電線路同步攻擊情況，對信息節(jié)點(diǎn)實(shí)施Fuzzing攻擊，即移動攻防平臺向測控裝置發(fā)送畸形報文，在攻擊后對節(jié)點(diǎn)電壓采樣，作為實(shí)驗(yàn)對比指標(biāo)。

圖3 實(shí)驗(yàn)信息空間模型Fig.3 Experimental information space model

4.3 輸電線路故障電流

采用本文設(shè)計的方法進(jìn)行輸電線路故障時刻的電流分解，得到在0～2 500 Hz下不同故障的電流邊際譜幅值特征圖譜如圖4所示。

圖4 故障電流邊際譜幅值特征Fig.4 Characteristic atlas of fault marginal spectrum amplitude

4.4 輸電線路電流/電壓波形辨識結(jié)果對比

分別在正常運(yùn)行、短路故障、受到攻擊情況下進(jìn)行輸電線路電流/電壓波形辨識，結(jié)果見表1。通過表1可知，在不同情況下，應(yīng)用設(shè)計方法的波形與實(shí)際波形相差較小，較未應(yīng)用設(shè)計方法的波形與實(shí)際波形相似性更高，即辨識結(jié)果更為準(zhǔn)確。其中，在短路故障情況下，實(shí)際短路波形在發(fā)生突變的同時產(chǎn)生了比較大的零序電流，未應(yīng)用研究方法的電流波形識別結(jié)果與實(shí)際波形有一定的差距。表明應(yīng)用本文研究方法可以有效應(yīng)對電流突變的情況，并有效輸出辨識結(jié)果。

表1 不同情況下電流/電壓波形辨識結(jié)果對比Tab.1 Comparison of identification results of current/voltage waveforms under different conditions

5 結(jié)語

基于上述過程完成基于電力信息物理系統(tǒng)的輸電線路故障辨識方法的研究，利用電流的潮流計算，來完成線路辨識模型的構(gòu)建，準(zhǔn)確地模擬出了線路的微型變化，有效提高了輸電線路故障辨識方法的辨識效果。由于研究時間的限制，實(shí)驗(yàn)對比內(nèi)容較少，在后續(xù)研究中還需要做進(jìn)一步研究，以及時發(fā)現(xiàn)所提出方法的不足之處。