含分布式電源的變電站運行設(shè)備異常狀態(tài)監(jiān)控方法

余青親，楊正泰

（1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司黃岡供電公司變電運檢分公司，湖北 黃岡 438000；2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司黃岡供電公司，湖北 黃岡 438000）

0 引 言

分布式電源的接入對變電站設(shè)備的運行有一定的沖擊作用。隨著可再生能源的發(fā)展，大量電力用戶接入變電站，使得變電站電力流與信息流發(fā)生了極大變化。為保證變電站能夠穩(wěn)定運行，持續(xù)發(fā)揮其應(yīng)有的作用與功能，需要采取有效的手段監(jiān)控變電站運行設(shè)備的異常狀態(tài)。實際工作中，我國仍然普遍采用傳統(tǒng)方法監(jiān)控變電站運行設(shè)備異常狀態(tài)，不能保證監(jiān)控精度與速率。傳統(tǒng)方法不僅出現(xiàn)的錯誤監(jiān)控次數(shù)較多，而且變電站設(shè)備回歸穩(wěn)態(tài)所需的時間較長，已經(jīng)無法滿足實際需求?；谠摫尘?，提出含分布式電源的變電站運行設(shè)備異常狀態(tài)監(jiān)控方法。

1 變電站運行設(shè)備狀態(tài)量獲取

當變電站運行設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)時，設(shè)備的故障電流變大且電流方向發(fā)生改變，故障電壓會出現(xiàn)異常波動，導(dǎo)致變電站設(shè)備溫度持續(xù)上升。因此，選擇溫度、電壓、電流作為變電站運行設(shè)備異常監(jiān)控的主要狀態(tài)量[1]。采用IHFA-FA548 溫度傳感器作為變電站運行設(shè)備溫度量采集器，采用IHFA-WT8845 電流傳感器作為變電站運行設(shè)備電流量采集器，采用OUITA-TG4A84 電壓傳感器作為變電站運行設(shè)備電壓量采集器。采用串并聯(lián)的方式將溫度傳感器安裝在變電站總線，將溫度傳感器安裝在變電站運行設(shè)備的兩側(cè)，將電流傳感器與電壓傳感器安裝在分布式電源接入節(jié)點[2,3]。根據(jù)實際情況，設(shè)定3 種傳感器的采樣頻率、周期以及范圍等參數(shù)?？紤]無線傳感器采集的數(shù)據(jù)是模擬量數(shù)據(jù)，無法被計算機識別和接收，利用IKHFA-A4FG7 轉(zhuǎn)換器將采集的狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并通過局域網(wǎng)傳輸?shù)接嬎銠C，用于后續(xù)處理與分析。

2 狀態(tài)量降維處理

監(jiān)控變電站運行設(shè)備異常狀態(tài)的過程中，設(shè)備狀態(tài)量的數(shù)量會對監(jiān)控結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。采集的狀態(tài)量過多，會增加后續(xù)設(shè)備異常狀態(tài)監(jiān)測的復(fù)雜度，并且在數(shù)據(jù)采集過程中必然存在一些重復(fù)或者無效的數(shù)據(jù)，因此利用主成分分析算法降維處理采集的狀態(tài)量數(shù)據(jù)，提取對變電站運行設(shè)備異常狀態(tài)監(jiān)控有價值的數(shù)據(jù)信息[4]。假設(shè)采集的變電站運行設(shè)備狀態(tài)量是一個矩陣，表達式為

式中：K為變電站運行設(shè)備狀態(tài)量采集矩陣；N為設(shè)備狀態(tài)特征變量；M為設(shè)備狀態(tài)觀測值[5]。

利用主成分分析算法將該矩陣降維為低維矩陣。由于采集的狀態(tài)量中溫度、電流、電壓的單位和數(shù)量級存在差異，因此需利用標準化公式處理每個狀態(tài)量，即

式中：xi*為標準化后設(shè)備的第i個狀態(tài)量；xi為矩陣中設(shè)備的第i個狀態(tài)量；E為設(shè)備狀態(tài)量標準差；var(xi)為設(shè)備狀態(tài)量均值。

利用協(xié)方差矩陣表征設(shè)備各個狀態(tài)量的協(xié)方差，以反映狀態(tài)量所包含的信息量大小，計算公式為

式中：C為設(shè)備狀態(tài)量協(xié)方差；U為協(xié)方差矩陣。

根據(jù)協(xié)方差計算各個狀態(tài)量的主成分貢獻率，以反映采集的狀態(tài)量信息特征的突出程度，計算公式為

式中：V為變電站狀態(tài)量主成分貢獻率；Hj為狀態(tài)量中第j個主成分的特征值。

主成分貢獻率越大，表示狀態(tài)特征越明顯，對于設(shè)備異常狀態(tài)監(jiān)控的價值越大。通常情況下，計算的主成分貢獻率大于85%，就可以滿足設(shè)備異常狀態(tài)監(jiān)控計算需求。因此，自動刪除主成分貢獻率低于85%的狀態(tài)量數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)對原始數(shù)據(jù)的降維處理。

3 設(shè)備異常狀態(tài)監(jiān)測與控制

基于式（1）～式（4），利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)綜合分析狀態(tài)量信息，提取設(shè)備異常狀態(tài)特征。深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由輸入層、隱含層以及輸出層3 部分組成。根據(jù)實際情況設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，包括3 個功能層中神經(jīng)元的數(shù)量和隱含層數(shù)量。將降維處理后的設(shè)備狀態(tài)量輸入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層，在輸入層描述設(shè)備狀態(tài)特征，公式為

式中：p為變電站運行設(shè)備狀態(tài)特征梯度；F為特征矩陣；x為在特征空間中狀態(tài)量水平方向特征；y為特征空間中狀態(tài)量垂直方向特征。

將輸入層的輸出量輸入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層，在隱含層內(nèi)利用邏輯回歸函數(shù)和線性整流函數(shù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)信息，提取變電站運行設(shè)備異常特征值，計算公式為

式中：ε為變電站運行設(shè)備異常狀態(tài)特征值；χ為邏輯回歸函數(shù)；f為線性整流函數(shù)；α為隨機變量。

將提取的設(shè)備異常特征值輸入輸出層，在輸出層內(nèi)設(shè)定一個閾值。若特征值超出閾值范圍，則表示當前設(shè)備狀態(tài)異常，需要采取有效的手段控制變電站中運行設(shè)備的異常狀態(tài)；若特征值在閾值范圍內(nèi)，則表示當前設(shè)備狀態(tài)正常，無須采取任何控制手段，保持當前運行狀態(tài)即可。當監(jiān)測結(jié)果為設(shè)備狀態(tài)異常時，利用控制器立即跳開主變兩側(cè)的斷路器和內(nèi)橋斷路器，并且啟動分布式電源合閘動作，跳開分布式電源的斷路器，切斷分布式電源流出的故障電流，從而瞬時切除異常運行的設(shè)備。異常狀態(tài)設(shè)備維修完成后，斷路器重合，設(shè)備重新投入運行，從而完成整個含分布式電源的變電站運行設(shè)備異常狀態(tài)監(jiān)控過程。

4 實驗論證

4.1 實驗準備與設(shè)計

設(shè)計一組對比實驗檢驗設(shè)計方法的實際應(yīng)用效果。以某變電站為實驗對象，該變電站含分布式電源，電源類型為基于逆變器的分布式電源，包含15臺設(shè)備。利用設(shè)計方法監(jiān)控該變電站運行設(shè)備的異常狀態(tài)。為使實驗數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果具有一定的說明性與可靠性，選擇基于粒子群優(yōu)化算法的監(jiān)控方法和基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控方法作為比較對象，以下分別用傳統(tǒng)方法1 和傳統(tǒng)方法2 表示。根據(jù)該變電站實際情況，實驗準備了溫度傳感器、電流傳感器、電壓傳感器各15臺，共采集1 000 份設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)樣本。按照流程降維處理數(shù)據(jù)，提取設(shè)備異常狀態(tài)特征，識別并控制設(shè)備異常狀態(tài)，從而驗證具體的監(jiān)控效果。

4.2 實驗結(jié)果與討論

實驗以錯誤監(jiān)控次數(shù)作為3 種方法監(jiān)控精度的評價指標。錯誤監(jiān)控次數(shù)指實際為正常狀態(tài)但樣本監(jiān)測為異常狀態(tài)的樣本數(shù)量與實際為異常狀態(tài)但樣本監(jiān)測為正常狀態(tài)的樣本數(shù)量的總和。實驗以變電站運行設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的樣本數(shù)量為變量，分別記錄3 種方法的錯誤監(jiān)控次數(shù)，具體如表1 所示。

表1 3 種方法錯誤監(jiān)控次數(shù)對比

從表1 中的數(shù)據(jù)可以看出，3 種方法在監(jiān)控精度方面表現(xiàn)出明顯的差異性。設(shè)計方法的錯誤監(jiān)控次數(shù)占總監(jiān)控次數(shù)的比例僅為0.6%，說明設(shè)計方法基本可以實現(xiàn)對變電站運行設(shè)備異常狀態(tài)的全面監(jiān)控。2種傳統(tǒng)方法的錯誤監(jiān)控次數(shù)相對較多，傳統(tǒng)方法1 的錯誤監(jiān)控次數(shù)占總監(jiān)控次數(shù)的比例為11.4%，傳統(tǒng)方法2 的錯誤監(jiān)控次數(shù)占總監(jiān)控次數(shù)的比例為10.2%，遠遠高于設(shè)計方法，證明在監(jiān)控精度方面設(shè)計方法優(yōu)于2 種傳統(tǒng)方法。為進一步驗證設(shè)計方法的適用性，將變電站運行設(shè)備回歸穩(wěn)態(tài)所需時間作為3 種方法監(jiān)控效果的評價指標。設(shè)備回歸穩(wěn)態(tài)所需時間越短，則表示變電站運行設(shè)備異常狀態(tài)監(jiān)控越及時，監(jiān)控效果越好。實驗隨機選取變電站中的10 個運行設(shè)備，測定變電站運行設(shè)備異常開始時間和通過監(jiān)控使其恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)的時間，將2 個時間點作差求出設(shè)備回歸穩(wěn)態(tài)時間。使用電子表格記錄實驗數(shù)據(jù)，具體如表2 所示。

從表2 中的數(shù)據(jù)可以看出，3 種方法在設(shè)備回歸穩(wěn)態(tài)所需時間方面表現(xiàn)出明顯的差異性。在設(shè)計方法應(yīng)用下，變電站運行設(shè)備回歸穩(wěn)態(tài)的時間最快為0.05 s，最慢為0.56 s，可以控制在1 s 以內(nèi)，說明設(shè)計方法可以實現(xiàn)對含分布式電源的變電站運行設(shè)備異常狀態(tài)的實時監(jiān)控。傳統(tǒng)方法1 應(yīng)用下設(shè)備回歸穩(wěn)態(tài)的時間范圍為6.24 ～8.23 s，比設(shè)計方法約慢了8 s；傳統(tǒng)方法2 應(yīng)用下設(shè)備回歸穩(wěn)態(tài)的時間范圍為6.14 ～9.05 s，比設(shè)計方法約慢了9 s。因此，實驗結(jié)果表明，無論是在監(jiān)測精度方面還是在監(jiān)控速率方面，設(shè)計方法均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，比2 種傳統(tǒng)方法更適用于含分布式電源的變電站運行設(shè)備異常狀態(tài)監(jiān)控。

5 結(jié) 論

設(shè)備異常狀態(tài)監(jiān)控是含分布式電源變電站安全和可靠運行的重要保證手段，針對傳統(tǒng)方法存在的不足與缺陷，結(jié)合含分布式電源的變電站運行特點提出一個新的監(jiān)控思路，能夠有效減少變電站運行設(shè)備異常狀態(tài)錯誤監(jiān)控次數(shù)，縮短運行設(shè)備回歸穩(wěn)態(tài)所需的時間。