基于多源信息融合的配電網(wǎng)故障診斷與預(yù)警技術(shù)研究

摘 要：本文針對(duì)目前配電網(wǎng)故障診斷與預(yù)警的復(fù)雜性，提出了一種基于多源信息融合的故障診斷與預(yù)警技術(shù)。該技術(shù)整合了SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)、智能電表讀數(shù)、用戶反饋以及環(huán)境監(jiān)測等多維度信息，利用數(shù)據(jù)挖掘與模式識(shí)別，對(duì)配電網(wǎng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和故障預(yù)警。本研究構(gòu)建了多源信息采集與處理框架，進(jìn)而利用模糊邏輯與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的算法評(píng)估配電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)能有效提高故障診斷的準(zhǔn)確性，縮短故障響應(yīng)時(shí)間，為配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力保障。該技術(shù)還能優(yōu)化維修資源分配，降低運(yùn)營成本，對(duì)提升配電網(wǎng)的智能化管理水平具有重要意義。

關(guān)鍵詞：多源信息融合；配電網(wǎng)；故障診斷；預(yù)警技術(shù)；數(shù)據(jù)挖掘

中圖分類號(hào)：TM 712 " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

現(xiàn)代電力系統(tǒng)快速發(fā)展對(duì)配電網(wǎng)的復(fù)雜性和運(yùn)行要求不斷提高，故障診斷與預(yù)警成為保證配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵[1]。傳統(tǒng)的故障診斷方法通常基于單一數(shù)據(jù)源，難以全面、準(zhǔn)確地反映配電網(wǎng)的真實(shí)運(yùn)行狀態(tài)，因此本文提出基于多源信息融合的配電網(wǎng)故障診斷與預(yù)警技術(shù)。該技術(shù)能夠整合來自不同渠道的信息，例如電網(wǎng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、用戶反饋和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)等，采用智能算法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，從而更精確地識(shí)別和預(yù)測配電網(wǎng)中的故障[2]。該方法不僅可以提高故障診斷的準(zhǔn)確性和效率，而且可以為運(yùn)維人員提供及時(shí)預(yù)警，有助于減少停電時(shí)間，提升電力系統(tǒng)的可靠性和服務(wù)質(zhì)量。本研究旨在為配電網(wǎng)的智能化管理和運(yùn)維提供新的思路和方法。

1 配電網(wǎng)故障診斷與預(yù)警技術(shù)

配電網(wǎng)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)保證電力供應(yīng)的連續(xù)性和可靠性至關(guān)重要。但是配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)備繁多且易受環(huán)境、天氣等多種因素影響，故障不可避免。在關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域附近，可以安裝多種傳感器，并利用綜合智能電表全面監(jiān)控配電網(wǎng)的運(yùn)行狀況，從而進(jìn)行主動(dòng)的運(yùn)維管理。智能電表的主要監(jiān)控對(duì)象是用戶的回路阻抗[3-4]。一旦線路出現(xiàn)老化，就會(huì)導(dǎo)致阻抗增加，系統(tǒng)能夠迅速識(shí)別該情況并發(fā)出預(yù)警，從而減少由電路和設(shè)備老化導(dǎo)致的故障?；芈纷杩沟挠?jì)算基于智能電表所測電壓和電流值。通常情況下，需要測量2個(gè)不同時(shí)間點(diǎn)的電壓和電流的變化率，以確定回路阻抗，即，其主要受電流變化ΔI的影響。由于觀測到的電壓值下降幅度較大，因此測量出的回路阻抗值偏高。為了降低該影響，可以采用平均變化率來計(jì)算，如公式（1）所示。

（1）

式中：r0為變壓器低壓側(cè)的等效電源電阻；r1為配電側(cè)的電阻；r2為用戶側(cè)的負(fù)荷電阻。

選擇回路阻抗作為監(jiān)測對(duì)象，原因如下所示。首先，回路阻抗的測量過程相對(duì)簡便、快捷，有助于高效執(zhí)行監(jiān)測工作，無須復(fù)雜的操作流程或高昂的檢測成本。該變化模式為檢測反竊電行為提供了一種有效、直觀的手段，使電力系統(tǒng)管理部門能夠及時(shí)察覺并應(yīng)對(duì)潛在的竊電行為。其次，采取相應(yīng)措施保障電力供應(yīng)的安全和穩(wěn)定。監(jiān)測回路阻抗不僅能夠提升電力系統(tǒng)對(duì)非法行為的敏感度和響應(yīng)速度，而且能夠顯著增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的安全性能，有效遏制竊電行為的發(fā)生，維護(hù)電力供應(yīng)的公平性和秩序，保證電力資源的合理分配與使用，為構(gòu)建更安全、可靠的電力環(huán)境奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2 配電網(wǎng)故障診斷模型建立

配電網(wǎng)故障診斷模型構(gòu)建的關(guān)鍵在于整合多源數(shù)據(jù)。利用高精度傳感器采集電流、電壓等關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)而運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)剔除噪聲與異常值，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。特征提取算法從海量數(shù)據(jù)中提煉出故障敏感特征，為模型訓(xùn)練奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。采用機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)算法，對(duì)特征集與故障標(biāo)簽進(jìn)行深度擬合，構(gòu)建高效的故障分類器[5-6]。為了更好地追蹤和記錄變化，本文引入電流突變信息邏輯陣，簡稱ATIL。該矩陣就像一個(gè)記錄本，專門記錄故障指示器捕獲的饋線電流突變數(shù)據(jù)。它類似于一個(gè)表格，每行均代表一條饋線，共有n行，表示簡易配電網(wǎng)中的饋線總數(shù)，每行中的列數(shù)則與某條饋線上故障指示器的最大數(shù)量m相對(duì)應(yīng)，如公式（2）所示。

（2）

在ATIL矩陣中，有一個(gè)特定的值A(chǔ)Lij，表示第i條饋線上的第j個(gè)故障指示器檢測到的電流突變情況。如果電流發(fā)生了突變，那么ALij的值為1；如果沒有突變，那么其值為0；如果某條饋線上的某個(gè)故障指示器根本不存在，那么對(duì)應(yīng)的ALij值為-1。

除了電流突變，電場突變也是一個(gè)重要的指標(biāo)，因此，本文還建立了另一個(gè)矩陣，即電場突變信息邏輯陣，簡稱ETIL。該矩陣的功能和結(jié)構(gòu)與ATIL相似，但是它記錄的是電場強(qiáng)度的突變信息。這2個(gè)矩陣提供了一個(gè)全面、系統(tǒng)的視角，來觀察和記錄配電網(wǎng)中的故障情況，從而更快速、更準(zhǔn)確地診斷和解決問題。ETIL如公式（3）所示。

（3）

在簡易配電網(wǎng)中，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的記錄系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用矩陣來追蹤和記錄每一條饋線的狀態(tài)。具體來說，在ETIL矩陣?yán)?，每一行均代表配電網(wǎng)中的一條饋線，共有n行，對(duì)應(yīng)n條饋線，矩陣的列數(shù)m表示在所有饋線中，擁有最多故障指示器的那條饋線上的故障指示器數(shù)量。

在ETIL矩陣中，元素ELij是一個(gè)關(guān)鍵值，表示第i條饋線上的第j個(gè)故障指示器記錄的電場突變信息。如果電場出現(xiàn)突變，那么ELij的值為1；如果電場穩(wěn)定，沒有突變，那么ELij的值為0。需要注意的是，如果某條饋線上沒有安裝某個(gè)編號(hào)的故障指示器，那么對(duì)應(yīng)的ELij值為-1。

FTIL矩陣如公式（4）所示。在簡易配電網(wǎng)中，每一條饋線的狀態(tài)和故障情況都由一個(gè)特定的系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和記錄。在矩陣中，每個(gè)元素均對(duì)應(yīng)一條特定饋線上的一個(gè)特定故障指示器讀數(shù)。FLij（在FTIL矩陣中）表示第i條饋線上的第j個(gè)故障指示器是否發(fā)生了翻牌變化。如果發(fā)生了翻牌，那么FLij的值為1；如果沒有翻牌變化，你們其值為0；如果某條饋線上沒有安裝某個(gè)特定的故障指示器，對(duì)應(yīng)的FLij值為-1。

（4）

這3個(gè)矩陣共同構(gòu)成了故障監(jiān)控系統(tǒng)的核心，能夠提供關(guān)于饋線狀態(tài)的全面視圖，包括電流突變、電場突變以及翻牌變化等關(guān)鍵信息。利用這些信息，可以更有效地進(jìn)行故障檢測、診斷和修復(fù)，從而提高配電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性。

3 多信息融合的故障預(yù)警與診斷方法

在配電網(wǎng)故障診斷的實(shí)際應(yīng)用中，在故障指示器的安裝位置、數(shù)據(jù)采集質(zhì)量以及環(huán)境因素等多種因素的影響下，其采集的電流、電場和翻牌信息存在一定的誤差或不準(zhǔn)確性。為了有效解決該問題，本文采用多信息融合的方法，對(duì)采集的信息進(jìn)行綜合處理。為此，本文構(gòu)建了一個(gè)名為“故障指示器融合信息陣”的矩陣（CTIL）。該矩陣全面記錄了故障指示器采集的電流、電場以及翻牌的綜合信息。該矩陣?yán)萌诤隙喾N數(shù)據(jù)源的信息，不僅豐富了診斷依據(jù)，而且能夠利用特定算法對(duì)信息進(jìn)行優(yōu)化和校正，有效降低了單一數(shù)據(jù)源可能帶來的誤差和不確定性。該方法的應(yīng)用顯著提高了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，為故障診斷奠定了更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，故障指示器融合信息陣的構(gòu)建也為后續(xù)數(shù)據(jù)分析和故障定位提供了極大便利，使故障診斷更高效、精準(zhǔn)。綜上所述，多信息融合方法的運(yùn)用和故障指示器融合信息矩陣（CTIL）的構(gòu)建，為配電網(wǎng)故障診斷的準(zhǔn)確性和可靠性提供了有力的技術(shù)支撐，進(jìn)一步提升了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。采用該方式，可以更有效地利用故障指示器提供的信息，為配電網(wǎng)的故障檢測和診斷提供更精確的數(shù)據(jù)支持。

（5）

（6）

在簡易配電網(wǎng)中，故障指示器融合信息陣（CTIL）如公式（5）、公式（6）所示，用于全面記錄各條饋線上故障指示器采集的綜合故障信息。每一行代表一條饋線，行數(shù)n對(duì)應(yīng)配電網(wǎng)中的饋線總數(shù)，列數(shù)m表示故障指示器數(shù)量最多的饋線上的指示器數(shù)目。

在該矩陣中，CLij是一個(gè)關(guān)鍵元素，表示第i條饋線上第j個(gè)故障指示器采集的故障信息融合值。如果某個(gè)故障指示器不存在，那么對(duì)應(yīng)的CLij值為-1。利用CTIL矩陣，可以主動(dòng)故障研判，并確定故障發(fā)生的具體區(qū)間。查看CTIL矩陣的每一行，特別是第一行。在配電網(wǎng)故障診斷模型中，如果某一行數(shù)據(jù)全部由0或-1構(gòu)成，那么表示該條饋線并未發(fā)生故障，處于正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)行數(shù)據(jù)中出現(xiàn)1或2時(shí)，表示可能存在故障，需要進(jìn)行進(jìn)一步分析與診斷。如果一行數(shù)據(jù)同時(shí)包括1和2，通常表示更復(fù)雜的故障場景。為了精準(zhǔn)定位故障點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)將這些代表故障指示器的元素，根據(jù)電流流向的順序進(jìn)行排序。該步驟至關(guān)重要，因?yàn)樗兄谧R(shí)別故障發(fā)生的具體位置，即在最后一個(gè)標(biāo)記為故障的指示器下游區(qū)域。采用該方法，不僅能夠迅速診斷出故障點(diǎn)，而且能夠顯著提高故障處理的效率與準(zhǔn)確性，減少由故障導(dǎo)致的停電時(shí)間和影響范圍。此外，該策略還有助于優(yōu)化維護(hù)計(jì)劃，分析歷史故障數(shù)據(jù)，并預(yù)測潛在的問題區(qū)域，從而提前采取措施，進(jìn)一步增強(qiáng)配電網(wǎng)的可靠性和韌性。綜上所述，這種基于數(shù)據(jù)分析和電流流向排序的故障診斷方法，為配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

最后不斷地分析故障指示器融合信息陣CTIL的每一行，直到所有行都被檢查過，這樣就能保證每一條饋線的故障情況都得到了研判，故障區(qū)間也得到了準(zhǔn)確確定。采用該方式，可以全面、系統(tǒng)地掌握配電網(wǎng)中的故障狀況，為后續(xù)的維修工作提供有力支持。

4 實(shí)例分析

配電網(wǎng)絡(luò)如圖1所示，A～L的故障指示器終端和M、N這2個(gè)饋線終端均具備電流和開關(guān)狀態(tài)的采集功能。S1、S2和S3是變電站出線開關(guān)的采集終端，共同構(gòu)成了配電網(wǎng)的監(jiān)控系統(tǒng)。假設(shè)在故障1和故障2處發(fā)生了故障，利用這套系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷。該診斷過程涉及綜合分析各終端采集的電流和開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)，以此來準(zhǔn)確判斷故障發(fā)生的具體位置，為后續(xù)的維修工作提供明確指導(dǎo)。

設(shè)某一時(shí)刻獲取的故障指示器的融合信息陣CTIL如公式（7）所示。

（7）

根據(jù)既定的判定標(biāo)準(zhǔn)，在配電網(wǎng)故障診斷過程中，如果某行數(shù)據(jù)中邏輯值為1和2的故障指示器依次為A、B、C和D，并且這些指示器按照電流方向的排序?yàn)锳BCD，那么可以確定故障發(fā)生在指示器D的下游區(qū)域。該判斷依據(jù)是故障指示器的邏輯值和電流流向的綜合分析。同理，如果在另一行數(shù)據(jù)中，邏輯值為1和2的故障指示器是H、I和J，并且它們的電流方向排序?yàn)镴IH，那么故障應(yīng)發(fā)生在指示器H的下游。這種基于邏輯值和電流流向的故障診斷方法為快速定位故障點(diǎn)提供了有力支持。對(duì)于那些邏輯值全部為0和-1的情況，例如第三行數(shù)據(jù)，可以毫無疑問地?cái)喽ㄔ擆伨€并未發(fā)生故障，處于正常的工作狀態(tài)。該故障診斷模型不僅能夠準(zhǔn)確判斷故障發(fā)生的位置，而且能夠顯著提高故障排查的效率，減少由故障導(dǎo)致的停電時(shí)間，并降低對(duì)電力系統(tǒng)的影響。該方法的運(yùn)用為配電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)保障，同時(shí)也給電力系統(tǒng)的維護(hù)和管理帶來了極大便利。

5 結(jié)論

本文探討了基于多源信息融合的配電網(wǎng)故障診斷與預(yù)警技術(shù)，整合了多種數(shù)據(jù)源，包括電網(wǎng)監(jiān)控、用戶反饋和環(huán)境監(jiān)測等信息，運(yùn)用先進(jìn)的算法數(shù)據(jù)融合與分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)配電網(wǎng)故障的高效診斷和預(yù)警。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該技術(shù)可以顯著提升故障診斷的準(zhǔn)確性，縮短故障發(fā)現(xiàn)與處理的時(shí)間，進(jìn)而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。此外，該技術(shù)還為配電網(wǎng)的運(yùn)維管理提供了有力支持，有助于實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，降低運(yùn)營成本，對(duì)提升配電網(wǎng)的智能化水平、保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

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