基于粗糙集理論的配電網(wǎng)運行故障定位方法

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）

0 引 言

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。

1 配電網(wǎng)運行故障樣本采集

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。

2 基于粗糙集理論的故障定位決策表生成

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。

3 故障定位決策

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。

4 實驗論證

4.1 實驗準備與設(shè)計

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。

4.2 實驗結(jié)果與討論

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。

5 結(jié) 論

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。