劉 鎏
(國網(wǎng)湖北省電力有限公司恩施供電公司,湖北 恩施 445000)
目前,配電網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成了現(xiàn)代化體系,具有線路多、元件多、配電區(qū)域廣以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點。現(xiàn)代化配電網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的概率高,如接地故障、短路故障等。當(dāng)配電網(wǎng)發(fā)生故障時,相關(guān)系統(tǒng)和平臺會反饋出大量的信息,雖然當(dāng)前配電技術(shù)已經(jīng)達到了較高的水平,且配電網(wǎng)信息化建設(shè)也在不斷推進,但是這些故障信息中依然會包含一些不相關(guān)的信息,增大了工作人員判斷配電網(wǎng)運行故障位置的難度,導(dǎo)致配電網(wǎng)運行故障不能得到及時處理。因此,需要采取有效手段對配電網(wǎng)運行故障進行精準定位。基于以上問題,文章提出基于粗糙集理論的配電網(wǎng)運行故障定位方法。
配電網(wǎng)運行故障定位在故障信息樣本的綜合分析基礎(chǔ)上實現(xiàn),因此故障樣本采集是故障定位的首要任務(wù)。將配電網(wǎng)配電區(qū)域內(nèi)用戶投訴信號和配電網(wǎng)運行狀態(tài)信號作為采樣對象,通過無線傳感器采集故障樣本[1]。利用差分法確定周期內(nèi)采樣點數(shù),其計算公式為
式中:n表示一個采樣周期內(nèi)的采樣點數(shù);w表示配電網(wǎng)運行故障發(fā)生頻率;Δt表示采樣時間間隔。利用式(1)確定采樣點數(shù),由無線傳感器向每個采樣點發(fā)射脈沖信號,脈沖信號經(jīng)過反射被信號接收器接收,并由讀取器讀取[2]。利用無線網(wǎng)絡(luò)將讀取到的故障信號樣本發(fā)送至計算機,用于后續(xù)故障定位決策。
本次采用粗糙集理論綜合分析故障信息,以決策表的形式對故障信息進行分類,對故障定位決策,并生成初始決策表。為適應(yīng)配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)的多變性,在構(gòu)建決策表之前,使用編碼技術(shù)將其轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型[3]。將配電網(wǎng)首個節(jié)點編碼為1,從首節(jié)點開始編程,表示為
式中:G表示配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)中的首節(jié)點;Un表示當(dāng)前采樣節(jié)點;E表示當(dāng)前節(jié)點編碼;P表示子編碼[4]。
檢查配電網(wǎng)所有元件的首節(jié)點是否存在與當(dāng)前節(jié)點相連的元件。如果有,則找到該元件。該元件編碼公式為
式中:Y表示配電網(wǎng)元件編碼。
如果沒有,則在配電網(wǎng)所有配電區(qū)域中查找與當(dāng)前節(jié)點相連的區(qū),并用式(3)對配電區(qū)進行編碼。
按照上述步驟對配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)中的所有元件和配電區(qū)域進行編碼,并對生成的故障定位決策表作出如下約定[5]:約定1,將配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)中變壓器、線路等均視作一個元件;約定2,配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)中任何一個元件都處于2 個節(jié)點之間;約定3,將流過元件的功率輸入側(cè)的節(jié)點作為元件首節(jié)點,將流過元件的功率輸出側(cè)的節(jié)點作為元件末節(jié)點。
在上述設(shè)定的約定下建立決策表。決策表是一個知識表達系統(tǒng),表示為
式中:YUH表示配電網(wǎng)運行故障決策表;UY表示配電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)Y元件的非空有限集合,即Y元件屬性的論域;R∪C表示配電網(wǎng)運行故障條件屬性集合;M表示信息函數(shù)值域;A表示配電網(wǎng)運行故障決策表的信息函數(shù)。
利用式(4)生成決策表二維框架。決策表的行表示配電網(wǎng)運行故障的決策規(guī)則,列表示配電網(wǎng)運行故障的屬性,其中采集的用戶投訴信息為配電網(wǎng)運行故障的條件屬性。如果配電區(qū)域I中用戶向供電部門撥打了投訴電話,那么決策表中條件屬性值為0;如果沒有撥打過投訴電話,那么決策表中條件屬性值為1。配電網(wǎng)元件運行狀態(tài)信息為運行故障決策屬性。如果采集的配電網(wǎng)元件Y樣本信息為故障信息,那么決策表中決策屬性值為0;如果采集的配電網(wǎng)元件Y樣本信息為正常信息,那么決策表中決策屬性值為1。粗糙集使用決策表描述論域中的對象,將采集的故障信息映射到?jīng)Q策表中,從而生成一個完整的故障定位決策表。給出決策表中任意一個屬性信息,利用其重要度描述該屬性對配電網(wǎng)運行故障決策的重要度,計算公式為
式中:sig(X)表示決策表中屬性信息X對于配電網(wǎng)運行故障決策的重要度;UYYUH表示決策表YUH中屬性論域;B(X)表示決策表中屬性信息X的邊界域。
屬性信息的重要度取值范圍為0 ~1。數(shù)值越接近1,則表示該屬性信息在決策表中的重要程度越高??紤]個別時候?qū)傩缘闹匾炔⒉荒芡耆硪粋€屬性的分布情況,在上述基礎(chǔ)上計算決策表中各個屬性的依賴度,利用依賴度描述配電網(wǎng)運行故障決策對屬性信息的依賴程度。其計算公式為
式中:ε(X)表示決策表中屬性信息X的依賴度;F表示決策表中屬性信息X的信息熵。
屬性信息的依賴度取值范圍為0 ~1。數(shù)值越接近1,則表示配電網(wǎng)運行故障定位決策對該屬性信息的依賴程度越高。利用式(6)對決策表中所有屬性信息依賴度進行計算,并根據(jù)剩余的2 個屬性信息定位到配電網(wǎng)運行故障位置,從而完成基于粗糙集理論的配電網(wǎng)運行故障定位。
文章建立的初始決策表的行信息、列信息中,并不是每個信息對于配電網(wǎng)運行故障定位決策都同等重要,即信息與信息之間的重要性和依賴性不同。因此,以粗糙集理論作為理論依據(jù),對初始決策表中行信息、列信息進行約簡處理,從而使決策表剩下對配電網(wǎng)運行故障定位更有價值的條件量。
為了檢驗基于粗糙集理論的配電網(wǎng)運行故障定位方法的可行性與可靠性,選擇某配電網(wǎng)作為實驗對象。該配電網(wǎng)包含輸電線路10 條、關(guān)鍵元件10 個、變壓器8 個以及電力用戶100 戶。選擇基于深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的定位方法和基于決策樹的定位方法進行對比實驗,以下分別用傳統(tǒng)方法1、傳統(tǒng)方法2 表示。根據(jù)該配電網(wǎng)的實際情況,實驗準備了5 臺OYFTA-4AF78 無線傳感器,將無線傳感器接入配電網(wǎng)總線,以測量配電網(wǎng)的運行數(shù)據(jù)。實驗共采集到1 000 個數(shù)據(jù)樣本,接收到100 個投訴電話,按照上述流程建立該配電網(wǎng)故障決策表,并對其進行約簡,生成決策表如表1 所示。
表1 配電網(wǎng)運行故障決策表
利用表1 對數(shù)據(jù)進行處理和分析,根據(jù)表1 中的決策規(guī)則,定位配電網(wǎng)故障點。每種故障隨機選擇了2 個樣本,具體定位如表2 所示。
表2 配電網(wǎng)運行故障定位結(jié)果
基于粗糙集理論的配電網(wǎng)運行故障定位方法基本可以完成配電網(wǎng)運行故障定位,以下對具體定位效果進行檢驗。
實驗以定位時間作為設(shè)計方法、傳統(tǒng)方法1 以及傳統(tǒng)方法2 性能評價的指標,以采集到的配電網(wǎng)運行故障狀態(tài)數(shù)據(jù)時間作為開始時間,以輸出定位結(jié)果時間為結(jié)束時間。實驗共分4 組,每組定位100 次,根據(jù)總定位時間,確定平均定位時間。根據(jù)記錄的數(shù)據(jù)繪制實驗對比圖,如圖1 所示。
圖1 3 種方法定位時間對比
從圖1 中的數(shù)據(jù)可以看出,在本次實驗中,設(shè)計方法定位時間相對較短,設(shè)計方法平均定位時間僅為0.46 s,未超過1 s,比傳統(tǒng)方法1 縮短將近5 s,比傳統(tǒng)方法2 縮短將近6 s,證明設(shè)計方法響應(yīng)速度更快。為進一步驗證設(shè)計方法的適用性,對3 種方法錯誤定位次數(shù)進行對比。實驗將定位樣本數(shù)量作為變量,統(tǒng)計不同數(shù)量下3 種方法錯誤定位次數(shù),使用電子表格對實驗數(shù)據(jù)進行記錄,具體數(shù)據(jù)如表3 所示。
表3 3 種方法錯誤定位次數(shù)對比
從表3 中數(shù)據(jù)可以看出,設(shè)計方法錯誤定位次數(shù)相對較少,當(dāng)故障樣本數(shù)量達到800 個時,設(shè)計方法錯誤定位次數(shù)僅占總量的1.125%,而傳統(tǒng)方法1錯誤定位次數(shù)占總量的12.625%,傳統(tǒng)方法2 錯誤定位次數(shù)占總量的12%,即傳統(tǒng)方法1 和傳統(tǒng)方法2 的占比遠遠高于設(shè)計方法。實驗結(jié)果表明,無論是在定位速度方面還是在定位精度方面,與2 種傳統(tǒng)方法相比,設(shè)計方法均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢,更適用于配電網(wǎng)運行故障定位,具有良好的適用性與可靠性。
故障定位可以為配電網(wǎng)故障處理和維修提供詳細的位置信息,從而快速處理和解決配電網(wǎng)的運行故障問題。文章將粗糙集理論應(yīng)用到配電網(wǎng)運行故障定位中,設(shè)計了一套新的故障定位方案,能夠有效提高配電網(wǎng)運行故障定位速度和準確性,實現(xiàn)對現(xiàn)有定位理論的完善與補充,也實現(xiàn)了對傳統(tǒng)方法的優(yōu)化與創(chuàng)新,可為配電網(wǎng)運行故障定位提供參考依據(jù),具有一定的研究價值。