負(fù)載保護(hù)器下應(yīng)急電源車機(jī)械裝置負(fù)荷監(jiān)測

羅兵兵，湯俊珺，張 昱，楊 帆，陳 浩

(國網(wǎng)馬鞍山供電公司供電服務(wù)指揮中心，安徽 馬鞍山 243011)

0 引言

近年來，隨著工業(yè)化的進(jìn)一步發(fā)展，地球環(huán)境屢遭破壞，導(dǎo)致極端天氣時(shí)有發(fā)生。極端天氣的出現(xiàn)會(huì)威脅到電網(wǎng)安全運(yùn)行[1]，更甚者會(huì)導(dǎo)致一座城市大面積停電，從而影響人們的日常生活。當(dāng)城市面臨大面積停電時(shí)，搶險(xiǎn)救災(zāi)工作本身就具備保障對(duì)象復(fù)雜、救災(zāi)難度大以及救災(zāi)環(huán)境惡劣等問題，應(yīng)急電源車[2]的應(yīng)用不僅能夠有效緩解救災(zāi)過程中人力資源缺乏的問題，且電源車本身就具備安全、節(jié)能環(huán)保和移動(dòng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠在電網(wǎng)損壞時(shí)，保證重要的供電工作[3]。由于應(yīng)急電源車在電力搶險(xiǎn)時(shí)作用較為重要，所以對(duì)應(yīng)急電源車進(jìn)行必要的負(fù)荷監(jiān)測，是保證應(yīng)急電源車高效工作的重中之重。

文獻(xiàn)[4]提出電力系統(tǒng)負(fù)荷非侵入式監(jiān)測方法，該方法由于未能在負(fù)荷監(jiān)測前對(duì)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，導(dǎo)致該方法在負(fù)荷監(jiān)測時(shí)的監(jiān)測速度低；文獻(xiàn)[5]提出基于CUSUM滑動(dòng)窗的二維離散模糊數(shù)電力負(fù)荷檢測方法，該方法在建立離散矩陣時(shí)存在問題，所以其效果差；文獻(xiàn)[6]提出一種基于LSTM模型的電力負(fù)荷辨識(shí)方法，該方法提取電力諧波分量時(shí)存在誤差，所以無法有效監(jiān)測出電力輸出功率值，監(jiān)測性能差。

為解決上述電力負(fù)荷監(jiān)測過程中存在的問題，提出新的負(fù)載保護(hù)器下應(yīng)急電源車機(jī)械裝置負(fù)荷監(jiān)測方法。

1 應(yīng)急電源車負(fù)載保護(hù)器工作原理

1.1 應(yīng)急電源車負(fù)載保護(hù)器電纜過路電流保護(hù)原理

應(yīng)急電源車負(fù)載保護(hù)器在運(yùn)行時(shí)需要考慮下述幾方面內(nèi)容：

a.應(yīng)急電源車在運(yùn)行過程中，負(fù)載保護(hù)器可容納的額定電流不能小于負(fù)載電纜的正常工作電流。

b.應(yīng)急電源車在運(yùn)行過程中，負(fù)載保護(hù)器額定電流需大于負(fù)載電流的長期運(yùn)行電流平均值，以便負(fù)載保護(hù)器能夠正確判斷電流是否過載。

c.當(dāng)應(yīng)急電源車在運(yùn)行時(shí)，電纜的電流負(fù)載[7]超出正常的工作電流大小，負(fù)載保護(hù)器開始工作，切斷電纜負(fù)載電流，完成應(yīng)急電源車的電流負(fù)載保護(hù)。

基于上述考量結(jié)果，設(shè)定負(fù)載保護(hù)器額定電流為Ie，電纜工作電流為Ig，電纜持續(xù)運(yùn)行電流為Ic，依據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，建立相關(guān)約束標(biāo)準(zhǔn)，過程為

(1)

It為應(yīng)急電源車的電纜脫扣電流。

1.2 應(yīng)急電源車負(fù)載保護(hù)器短路電纜保護(hù)原理

1.2.1 確定電纜負(fù)載側(cè)最小短路電流

當(dāng)負(fù)載保護(hù)器進(jìn)行電纜短路保護(hù)時(shí)，設(shè)定應(yīng)急電源車短路電流為Id，電纜長度為L，電纜運(yùn)行電壓為U，通過相關(guān)計(jì)算，獲取應(yīng)急電源車短路電流值，結(jié)果為

(2)

S為應(yīng)急電源車的電纜截面。

1.2.2 電纜短路保護(hù)原理

在應(yīng)急電源車運(yùn)行過程中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，電流在經(jīng)過該處電纜時(shí)，會(huì)發(fā)生短路現(xiàn)象，設(shè)定應(yīng)急電源車負(fù)載保護(hù)器在t時(shí)刻的容許通過熱量為Ir(t)，絕緣因子為J，從而計(jì)算應(yīng)急電源車負(fù)載保護(hù)器在t時(shí)刻的容許通過電流熱量，則下述公式成立，即

(JS)2>Ir(t)

(3)

應(yīng)急電源車在運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的熱量會(huì)隨著電流負(fù)載的大小而發(fā)生改變，設(shè)定應(yīng)急電源車電流負(fù)載為恒定強(qiáng)度τ，通過計(jì)算，獲取電纜運(yùn)行電流的等效電流值[8]，結(jié)果為

(4)

使用對(duì)稱分量法計(jì)算應(yīng)急電源車運(yùn)行電纜的歷史數(shù)據(jù)采樣值，結(jié)果為

(5)

n為應(yīng)急電源車電纜升溫時(shí)段；e為指數(shù)函數(shù)；T為應(yīng)急電源車運(yùn)行總時(shí)段。當(dāng)應(yīng)急電源車在n時(shí)段運(yùn)行升溫時(shí)，判斷電纜的最大溫度值τmax，若τmax>τn，則即刻啟動(dòng)負(fù)載保護(hù)器，對(duì)應(yīng)急電源車電纜進(jìn)行保護(hù)。

2 應(yīng)急電源車機(jī)械裝置的負(fù)荷監(jiān)測

2.1 應(yīng)急電源車機(jī)械裝置的電力數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于應(yīng)急電源車機(jī)械裝置電力負(fù)荷的影響因素較多，所以在進(jìn)行應(yīng)急電源車機(jī)械裝置負(fù)荷監(jiān)測前，需要對(duì)應(yīng)急電源車機(jī)械裝置數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

2.1.1 建立機(jī)械裝置的電力數(shù)據(jù)時(shí)間序列模型

設(shè)定機(jī)械裝置的電力負(fù)荷序列為df(t)，電力異常值序列為dy(t)，通過計(jì)算建立應(yīng)急電源車機(jī)械裝置的電力數(shù)據(jù)時(shí)間序列模型，具體為

(6)

2.1.2 電力數(shù)據(jù)缺失值插補(bǔ)

由于應(yīng)急電源車機(jī)械裝置[9]的電力負(fù)荷波動(dòng)具有較強(qiáng)周期性，應(yīng)急電源車啟動(dòng)時(shí)間過長就會(huì)出現(xiàn)機(jī)械裝置的電力數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象，因此，需要根據(jù)電力負(fù)荷的變化規(guī)律，對(duì)數(shù)據(jù)缺失值進(jìn)行插補(bǔ)處理。過程為

(7)

i的取值范圍為[0,24]；Ai為機(jī)械裝置用電負(fù)荷值；λ1和λ2分別為不同時(shí)刻的電力數(shù)據(jù)加權(quán)系數(shù)。根據(jù)獲取的電力數(shù)據(jù)插補(bǔ)值，完成應(yīng)急電源車機(jī)械裝置的電力數(shù)據(jù)的缺失值插補(bǔ)。

2.1.3 數(shù)據(jù)去噪

設(shè)定時(shí)間序列中心點(diǎn)為z，采用小波閾值法完成應(yīng)急電源車機(jī)械裝置電力數(shù)據(jù)的去噪處理，過程為

(8)

rd為時(shí)間序列中心點(diǎn)與序列密度的距離；ds為均值；Aj為去噪結(jié)果；m為迭代次數(shù)；ζ為小波閾值。

2.2 提取數(shù)據(jù)特征

設(shè)定應(yīng)急電源車機(jī)械裝置為k，數(shù)據(jù)采集時(shí)刻為g，據(jù)此計(jì)算應(yīng)急電源車機(jī)械裝置的電力負(fù)荷特征[10]，結(jié)果為

μi(g)=[vi,1,vi,2,…,vi,N]

(9)

μi(g)為應(yīng)急電源車機(jī)械裝置的負(fù)荷特征類別為N獲取的電力負(fù)荷特征?；谏鲜鲇?jì)算結(jié)果，計(jì)算應(yīng)急電源車機(jī)械裝置的總負(fù)荷特征以及負(fù)荷差異特征，結(jié)果為

(10)

Δg為應(yīng)急電源車機(jī)械裝置的電力數(shù)據(jù)采樣間隔；F為周期；η(g)為獲取的電力負(fù)荷總特征；η(Δg)為差異特征。

2.3 特征分類

使用支持向量機(jī)分類器對(duì)獲取的應(yīng)急電源車機(jī)械裝置電力負(fù)荷特征進(jìn)行特征分類處理。

設(shè)定應(yīng)急電源車機(jī)械裝置負(fù)荷特征訓(xùn)練集為X，且X={(pi,qi)}，分類器輸入樣本標(biāo)記pi，對(duì)應(yīng)類別標(biāo)記qi，依據(jù)線性可分規(guī)律，將負(fù)荷監(jiān)測問題轉(zhuǎn)化成二次規(guī)劃問題，過程為

(11)

(θTpi+c)≥1為負(fù)荷特征對(duì)應(yīng)類別的約束條件；θ為規(guī)劃函數(shù)；c為常數(shù)。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，將負(fù)荷特征輸入向量映射至高維特征空間中，獲取最佳分類器，過程為

(12)

Φ(p)為映射函數(shù)；q(p)為獲取的最佳分類器；sgn為階躍函數(shù)；βi為分類因子。

建立高斯核函數(shù)，并以GDTW函數(shù)形式進(jìn)行表述，即

(13)

P、Q分別為高維特征空間及其特征量；σ為時(shí)間變量。

最后依據(jù)建立的高斯核函數(shù)，對(duì)支持向量機(jī)輸出向量進(jìn)行計(jì)算，確定電力的負(fù)荷類型，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)急電源車機(jī)械裝置負(fù)荷監(jiān)測。

3 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述電力負(fù)荷監(jiān)測方法的整體有效性，需要對(duì)該方法進(jìn)行測試。具體的應(yīng)用場景如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場應(yīng)用

分別采用負(fù)載保護(hù)器下應(yīng)急電源車機(jī)械裝置負(fù)荷監(jiān)測方法(本文方法)、電力系統(tǒng)負(fù)荷非侵入式監(jiān)測方法(文獻(xiàn)[4]方法)和基于CUSUM滑動(dòng)窗的二維離散模糊數(shù)電力負(fù)荷檢測方法(文獻(xiàn)[5]方法)進(jìn)行測試。

3.1 監(jiān)測速度測試

電力負(fù)荷監(jiān)測過程中，監(jiān)測速度的高低對(duì)負(fù)荷監(jiān)測效果帶來的影響較大。利用本文方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法進(jìn)行電力負(fù)荷監(jiān)測時(shí)，隨機(jī)選定600個(gè)電力數(shù)據(jù)分成6個(gè)小組，對(duì)3種監(jiān)測方法的監(jiān)測速度進(jìn)行測試，監(jiān)測速度為單位時(shí)間內(nèi)所監(jiān)測的數(shù)據(jù)量，計(jì)算式為

(13)

s為監(jiān)測數(shù)據(jù)量；tk為監(jiān)測耗時(shí)。

3種監(jiān)測方法的測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同監(jiān)測方法的電力負(fù)荷監(jiān)測速度測試結(jié)果

組別不同測試出的電力負(fù)荷監(jiān)測速度結(jié)果也不相同，分析圖2可知，組1、組4和組5的監(jiān)測速度要優(yōu)于其他數(shù)據(jù)組別，由于組2和組6數(shù)據(jù)中存在帶有噪聲的雜亂數(shù)據(jù)，所以2個(gè)組別的測試結(jié)果要低于其他數(shù)據(jù)組別。由于本文方法在進(jìn)行電力負(fù)荷監(jiān)測前對(duì)電力數(shù)據(jù)進(jìn)行了相關(guān)的去噪處理，所以本文方法進(jìn)行組2和組6測試時(shí)，測試結(jié)果雖不理想，但是測試出的監(jiān)測速度依舊高于文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法。由此可知，本文方法在進(jìn)行電力負(fù)荷監(jiān)測時(shí)，監(jiān)測速度高于文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法。

3.2 監(jiān)測效果測試

在測試電力負(fù)荷監(jiān)測效果時(shí)，設(shè)定負(fù)荷類型識(shí)別正確率為監(jiān)測效果測試指標(biāo)，利用本文方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法進(jìn)行電力負(fù)荷監(jiān)測后，測試3種負(fù)荷監(jiān)測方法的負(fù)荷類型識(shí)別正確率，以此檢測3種方法的電力負(fù)荷監(jiān)測效果，結(jié)果如圖3所示。

數(shù)據(jù)組別中雜亂的噪聲數(shù)據(jù)越多，監(jiān)測效果越差。分析圖3可知，組1、組3和組4的電力負(fù)荷類型識(shí)別正確率要高于其他組別測試結(jié)果，組2、組6的測試結(jié)果較差。在進(jìn)行組2、組6的電力負(fù)荷類型識(shí)別正確率測試時(shí)，由于組內(nèi)數(shù)據(jù)存在噪聲，所以測試結(jié)果較差，但是整體來看，本文方法的電力負(fù)荷類型識(shí)別正確率高于文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法。由此可證明，本文方法在進(jìn)行電力數(shù)據(jù)負(fù)荷監(jiān)測過程中，電力負(fù)荷的監(jiān)測效果更好。

圖3 不同監(jiān)測方法的監(jiān)測效果測試結(jié)果

3.3 監(jiān)測性能測試

采用本文方法、文獻(xiàn)[4]方法以及文獻(xiàn)[5]方法對(duì)電力輸出功率進(jìn)行監(jiān)測，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方法的電能質(zhì)量測試結(jié)果

測試時(shí)間不同，測試出的電力負(fù)荷輸出功率也不相同。分析圖4可知，隨著測試時(shí)間的增加，3種方法的電力負(fù)荷輸出功率都呈現(xiàn)不同程度的上升。本文方法的電力輸出功率與實(shí)際電力輸出功率相一致，而文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法的測試結(jié)果與實(shí)際電力輸出功率之間差距較大。綜上所述，本文方法在進(jìn)行電力負(fù)荷監(jiān)測時(shí)的監(jiān)測性能要優(yōu)于其他2種方法。

4 結(jié)束語

隨著人們用電量的日益增加，電力安全問題愈發(fā)突出，因此應(yīng)急電源車的機(jī)械裝置負(fù)荷監(jiān)測就變得尤為重要。針對(duì)目前負(fù)荷監(jiān)測方法中存在的問題，提出負(fù)載保護(hù)器下應(yīng)急電源車機(jī)械裝置負(fù)荷監(jiān)測方法。該方法通過分析應(yīng)急電源車負(fù)載保護(hù)器保護(hù)原理，對(duì)應(yīng)急電源車機(jī)械裝置數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)預(yù)處理，依據(jù)處理結(jié)果提取電力負(fù)荷特征并進(jìn)行特征分類，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械裝置的負(fù)荷監(jiān)測，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的優(yōu)勢。但是該方法在插補(bǔ)缺失值時(shí)，存在些許問題，今后會(huì)針對(duì)該項(xiàng)問題繼續(xù)完善該方法。