基于北斗衛(wèi)星通信導(dǎo)航的電力應(yīng)急搶修指揮系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高正浩，李航峰，何沛林，鄧鑰丹，陳澤瑞

（1.貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)系，貴州 貴陽 550002；2.大連理工大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，遼寧 大連 116000；3.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550000）

0 引言

電力設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，一旦出現(xiàn)緊急故障[1]就會(huì)造成巨大經(jīng)濟(jì)損失，因此電力應(yīng)急搶修指揮技術(shù)一直是工作人員的研究重點(diǎn)。隨著科技水平的不斷提升，人們對電力應(yīng)急搶修指揮技術(shù)也提出了更高的要求，不僅要求指揮具備實(shí)時(shí)性，還要求其具備良好的故障定位能力，而滿足這些要求的關(guān)鍵在于對電力應(yīng)急搶修指揮技術(shù)做出優(yōu)化[2]和改進(jìn)。通過上述分析可知，電力應(yīng)急搶修指揮系統(tǒng)的研究已成為目前亟需解決的問題和人們關(guān)注的熱點(diǎn)。

候慧等人首先根據(jù)監(jiān)測的電力多源數(shù)據(jù)模擬出設(shè)備故障概率，以此構(gòu)建電力應(yīng)急搶修調(diào)度中心模型；其次結(jié)合故障類型的多樣性，采用蒙特卡洛場景生成法?縮減法得到故障位置；最后采用改進(jìn)遺傳算法對模型求解，完成電力應(yīng)急搶修的指揮[3]。但該方法沒有規(guī)劃最佳路徑，導(dǎo)致電力應(yīng)急搶修時(shí)間過長。

梁海平等人首先將電力設(shè)備的負(fù)荷恢復(fù)效率作為評級(jí)指標(biāo)；其次在電力設(shè)備應(yīng)急搶修過程中，構(gòu)建基于時(shí)間不確定的指揮協(xié)同模型；最后將改進(jìn)粒子群算法與協(xié)同優(yōu)化算法相結(jié)合，通過對模型求解完成電力應(yīng)急搶修的指揮[4]。該方法沒有從調(diào)度權(quán)轉(zhuǎn)移方面出發(fā)，也沒有考慮負(fù)荷損失程度，導(dǎo)致指揮方法的失負(fù)荷量較大。

黎振宇等人首先構(gòu)建基于多元化數(shù)據(jù)的電力應(yīng)急搶修指揮體系，并將二元聯(lián)系數(shù)理論對應(yīng)的多類型指標(biāo)投入到該體系中，實(shí)現(xiàn)電力數(shù)據(jù)的形式統(tǒng)一；然后考慮指標(biāo)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，采用基于網(wǎng)絡(luò)層次分析法的權(quán)重劃分法確定故障位置；最后通過投影映射法計(jì)算出故障目標(biāo)的搶修順序，完成電力應(yīng)急搶修的指揮[5]。然而該方法沒有滿足故障行波測距，導(dǎo)致故障定位效果差。

為了解決上述方法中存在的問題，本文設(shè)計(jì)一種基于北斗衛(wèi)星通信導(dǎo)航的電路應(yīng)急搶修指揮系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在提高了電力故障定位效果的同時(shí)，一定程度上降低了電力應(yīng)急故障搶修時(shí)間與失負(fù)荷量。

1 電力應(yīng)急搶修指揮系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

電力應(yīng)急搶修指揮系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星通信導(dǎo)航平臺(tái)作為硬件系統(tǒng)核心。當(dāng)電力設(shè)備的運(yùn)行發(fā)生緊急故障時(shí)，北斗衛(wèi)星通信導(dǎo)航平臺(tái)可以及時(shí)地判斷故障類型和位置，然后規(guī)劃前往故障點(diǎn)的最佳路徑，同時(shí)安排不同的搶修方案。

北斗衛(wèi)星通信導(dǎo)航平臺(tái)主要由監(jiān)測模塊、故障提取與轉(zhuǎn)發(fā)模塊、路徑規(guī)劃模塊、調(diào)度中心模塊構(gòu)成，整體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 北斗衛(wèi)星通信導(dǎo)航平臺(tái)整體架構(gòu)

1）監(jiān)測模塊

監(jiān)測模塊由數(shù)據(jù)采集單元、監(jiān)控單元、傳輸單元與北斗用戶機(jī)構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)電力設(shè)備運(yùn)行信息的雙向報(bào)文通信。數(shù)據(jù)采集單元利用其中的行波傳感器采集電力設(shè)備運(yùn)行信號(hào)；監(jiān)控單元負(fù)責(zé)判斷信號(hào)的運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行異常的信號(hào)即為故障信號(hào)；傳輸單元?jiǎng)t將故障位置、故障發(fā)生時(shí)間、故障頻率以電子格式傳輸給故障提取與轉(zhuǎn)發(fā)模塊；北斗用戶機(jī)主要負(fù)責(zé)信號(hào)的精準(zhǔn)授時(shí)[6]。

2）故障提取與轉(zhuǎn)發(fā)模塊

電力故障一般采用人工處理流程，這種傳統(tǒng)的模式會(huì)造成故障檢測的疏漏與延誤，因此結(jié)合故障信號(hào)信息，北斗衛(wèi)星通信導(dǎo)航平臺(tái)通過故障提取與轉(zhuǎn)發(fā)模塊實(shí)時(shí)提取故障信號(hào)特征[7]，解決電力設(shè)備重大故障、緊急故障、安全隱患的分工與協(xié)作處理問題。

轉(zhuǎn)發(fā)模塊將提取的故障特征在第一時(shí)間內(nèi)通知給路徑規(guī)劃模塊，目的是縮短應(yīng)急搶修時(shí)間。

3）路徑規(guī)劃模塊

作為北斗衛(wèi)星通信導(dǎo)航平臺(tái)中的核心模塊，路徑規(guī)劃模塊是以故障點(diǎn)與線路之間的最短距離為目標(biāo)的拓?fù)溥\(yùn)算。在電力應(yīng)急搶修指揮過程中，大多數(shù)情況下?lián)屝捃囕v無法直接到達(dá)故障點(diǎn)，為了減短車輛的無效行駛線路，路徑規(guī)劃模塊以實(shí)際測量的最佳點(diǎn)為基準(zhǔn)構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，并將該點(diǎn)作為最佳路徑的目標(biāo)點(diǎn)，從而事先規(guī)劃應(yīng)急搶修路徑，提高搶修效率。

4）調(diào)度中心模塊

調(diào)度中心模塊利用北斗衛(wèi)星通信導(dǎo)航平臺(tái)完善的處理功能，從數(shù)據(jù)庫中提取相關(guān)的故障信息、路徑信息，然后通過對信息的排序、處理、分析來執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)急搶修判決。

2 軟件設(shè)計(jì)

僅僅設(shè)計(jì)出北斗衛(wèi)星通信導(dǎo)航平臺(tái)不足以完全實(shí)現(xiàn)電力應(yīng)急搶修的指揮，故本文在此基礎(chǔ)上搭建軟件系統(tǒng)。

2.1 故障定位

監(jiān)測模塊一方面可以快速定位電力故障的位置，并提供準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)時(shí)鐘；另一方面能夠發(fā)送報(bào)文信息，報(bào)告電力設(shè)備的故障信息。故障定位具體步驟如下：

1）北斗衛(wèi)星通信導(dǎo)航平臺(tái)的構(gòu)建與運(yùn)行，需要保證其報(bào)文和授時(shí)精度可以完全滿足故障行波測距[8]的要求。故障采集通過單向授時(shí)與雙向授時(shí)同步的方式修正授時(shí)累積偏差，公式如下所示：

式中：c表示授時(shí)累積偏差；ε表示中心控制時(shí)鐘與用戶時(shí)鐘之間的時(shí)間差；mΔt表示傳輸m幀數(shù)據(jù)所需的時(shí)間；?代表傳輸信號(hào)的時(shí)延；t1為接收信號(hào)的單向零值；t2為北斗衛(wèi)星下行導(dǎo)航電文；t3為計(jì)算衛(wèi)星與接收信號(hào)之間的傳輸時(shí)間。

2）授時(shí)累積偏差被修正后，監(jiān)控單元將行波傳感器的行波信號(hào)分解成兩個(gè)部分，其一作為脈沖信號(hào)，其二作為行波信號(hào)。其中行波信號(hào)由傳輸單元通道進(jìn)入監(jiān)控單元，被用于故障判斷。行波信號(hào)頻率變換范圍公式如下所示：

式中：x表示頻率年老化率；y表示頻率可調(diào)范圍；z0代表標(biāo)準(zhǔn)頻率；z為頻率變換范圍。

3）電力設(shè)備的故障信號(hào)可用二階函數(shù)[9]表達(dá)，公式如下所示：

式中：D代表故障信號(hào)的二階函數(shù)；L1表示比例系數(shù)；L2代表比例環(huán)節(jié)；L3表示的是積分系數(shù)；X代表輸出頻率。

4）在二階函數(shù)表達(dá)中，L1反映的是故障信號(hào)的跟蹤響應(yīng)，其值越大，表明故障跟蹤超調(diào)量越小；L3反映的是故障信號(hào)的跟蹤誤差，其值越大，表明諧振頻率越高。當(dāng)L1與L3的值一致時(shí)，可以得到故障位置。

2.2 基于GERT 算法的路徑規(guī)劃

得到電力故障點(diǎn)后，路徑規(guī)劃模塊采用圖形評審技術(shù)（GERT）規(guī)劃最佳路徑，以提高電力應(yīng)急搶修指揮的效率。路徑規(guī)劃具體步驟如下：

1）設(shè)P為節(jié)點(diǎn)p～節(jié)點(diǎn)q的路徑實(shí)現(xiàn)概率，且完成支線所需時(shí)間概率密度為e。引入隨機(jī)變量時(shí)間和任意實(shí)數(shù)，得到應(yīng)急搶修路徑的概率母函數(shù)[10]，公式如下所示：

式中：F代表概率母函數(shù)；r表示任意實(shí)數(shù)；T代表隨機(jī)變量時(shí)間。

2）每一條搶修路徑都可由參數(shù)F和T構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)H'表達(dá)，采用一個(gè)與H'結(jié)構(gòu)相似，但只包含一個(gè)傳遞函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)H代替H'，傳遞函數(shù)公式如下所示：

式中f代表傳遞函數(shù)。

3）根據(jù)GERT 網(wǎng)絡(luò)原理，將應(yīng)急搶修最佳路徑的規(guī)劃過程定義為等效函數(shù)求解過程。采用流線圖理論計(jì)算GERT 網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，得到等效函數(shù)，公式如下所示：

式中：f1表示等效函數(shù)；n代表節(jié)點(diǎn)之間的線路數(shù)量；l表示第l條線路；α表示流線圖中反映回路的特征值；Δl表示變化值。

4）利用等效函數(shù)的性質(zhì)，計(jì)算各路徑上搶修的成功概率、風(fēng)險(xiǎn)概率[11]、生命周期方差。成功概率最大、生命周期方差較小的路徑即為規(guī)劃后的最佳應(yīng)急搶修路徑，公式如下所示：

式中：P1表示成功概率；P2代表風(fēng)險(xiǎn)概率；σ代表生命周期方差；E[r]表示生命周期的期望值。

2.3 電力應(yīng)急搶修指揮

調(diào)度中心模塊作為應(yīng)急搶修指揮中心，通過將電力系統(tǒng)信息狀態(tài)作為關(guān)鍵指標(biāo)構(gòu)建事件評價(jià)體系，采用信息熵算法與決策樹識(shí)別調(diào)度狀態(tài)，以安排相應(yīng)的應(yīng)急搶修決策，具體步驟如下：

1）從調(diào)度權(quán)轉(zhuǎn)移方面（如圖2 所示）出發(fā)，電力系統(tǒng)狀態(tài)指標(biāo)應(yīng)以停電嚴(yán)重程度為主，并包含負(fù)荷損失程度、重要用戶損失比例與斷電持續(xù)時(shí)間三個(gè)要素。采用指標(biāo)函數(shù)[12]表達(dá)電力系統(tǒng)故障的影響，公式如下所示：

圖2 調(diào)度權(quán)轉(zhuǎn)移體系

式中：G表示指標(biāo)函數(shù)；h代表函數(shù)關(guān)系；U表示負(fù)荷損失程度；V代表重要用戶損失比例；C為斷電持續(xù)時(shí)間；M為損失的重要負(fù)荷數(shù)量；N為重要負(fù)荷數(shù)量；β表示第i、j個(gè)重要負(fù)荷的權(quán)重；Q代表重要負(fù)荷的權(quán)重。

2）將指標(biāo)函數(shù)作為啟動(dòng)應(yīng)急搶修的依據(jù)具有一定單一性，所以需要根據(jù)不同設(shè)備在電力系統(tǒng)運(yùn)行中的重要程度來控制不同權(quán)重[13]，然后將這些信號(hào)的加權(quán)作為啟動(dòng)應(yīng)急搶修機(jī)制的依據(jù)，公式如下所示：

式中：R表示信號(hào)的加權(quán)；χ代表權(quán)重系數(shù)，由層次分析特征值法獲?。沪腍L,i代表各電力設(shè)備的故障危害因子。

3）在構(gòu)建決策樹分類模型過程中，需要通過加權(quán)信號(hào)的分類屬性得到分類所需信息量。設(shè)s為一個(gè)包含o個(gè)信息的集合，對應(yīng)不同的類別I，則給定對象分類所需的信息量公式如下所示：

式中：J表示信息量；s表示信息個(gè)數(shù)。

4）設(shè)一個(gè)信息屬性g取k個(gè)不同的值，通過屬性g可以將J劃分為k個(gè)子集。當(dāng)屬性g被選為測試屬性時(shí)，計(jì)算當(dāng)前信息集合所需的信息熵[14]，公式如下所示：

式中u代表信息熵。

5）利用屬性g對決策樹分支節(jié)點(diǎn)實(shí)行相應(yīng)集合劃分，獲得的信息增益[15]公式如下所示：

式中Z為信息增益。

6）選取信息增益最大的屬性作為節(jié)點(diǎn)，向下生成決策樹，將應(yīng)急狀態(tài)劃分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)，分別安排不同的搶修措施，具體如下：

Ⅰ級(jí)指標(biāo)：電力系統(tǒng)的屬性指標(biāo)處于臨界并帶有輕微越限趨勢，使其對故障影響的抵抗能力降低，此時(shí)需要實(shí)時(shí)監(jiān)測并實(shí)施預(yù)防和維護(hù)措施。

Ⅱ級(jí)指標(biāo)：電力系統(tǒng)的屬性指標(biāo)具備嚴(yán)重越限趨勢，但調(diào)度中心模塊仍可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)調(diào)度，此時(shí)應(yīng)實(shí)施正確有效的緊急控制和修復(fù)措施。

Ⅲ級(jí)指標(biāo)：電力系統(tǒng)的多項(xiàng)屬性指標(biāo)同時(shí)發(fā)生嚴(yán)重越限，調(diào)度中心模塊失去正常工作能力，此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)應(yīng)急指揮中心實(shí)施緊急搶救，完成電力應(yīng)急搶修指揮。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證基于北斗衛(wèi)星通信導(dǎo)航的電力應(yīng)急搶修指揮系統(tǒng)的整體有效性，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試。將搶修時(shí)間、故障定位效果與失負(fù)荷量作為評價(jià)指標(biāo)，采用本文方法、文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法完成對比測試。

3.1 搶修時(shí)間

在相同的電力應(yīng)急環(huán)境下，對比各方法指揮后的搶修消耗時(shí)間。搶修消耗時(shí)間越長，說明方法的搶修效率越低，指揮策略越差；搶修消耗時(shí)間越短，說明方法的搶修效率越高，指揮策略越好。

本文方法、文獻(xiàn)[3]方法與文獻(xiàn)[4]方法的搶修時(shí)間測試結(jié)果如表1 所示。

表1 不同方法的搶修時(shí)間

分析表1 可知，針對電力應(yīng)急搶修的指揮，無論在哪組實(shí)驗(yàn)中，本文方法指揮后的搶修消耗時(shí)間均小于文獻(xiàn)[3]方法與文獻(xiàn)[4]方法指揮后的搶修消耗時(shí)間，說明在本文方法的指揮策略下，電力應(yīng)急搶修效率較高。

本文方法在電力應(yīng)急搶修指揮過程中，首先確定故障點(diǎn)位置，然后采用GERT 算法規(guī)劃出到達(dá)故障點(diǎn)的最佳路徑，進(jìn)而提高了應(yīng)急搶修效率。

3.2 故障定位效果

在IEEE 節(jié)點(diǎn)模擬環(huán)境中搭建電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分布模型，如圖3 所示，其中節(jié)點(diǎn)之間的長度單位為km。

圖3 電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)分布模型

本文方法、文獻(xiàn)[3]方法與文獻(xiàn)[4]方法的故障定位結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同方法的故障定位結(jié)果

分析圖4 可知：針對電力應(yīng)急搶修中的故障定位，本文方法準(zhǔn)確地定位出6 處故障點(diǎn)；文獻(xiàn)[3]方法定位出3 處故障，漏定3 處，錯(cuò)誤定位1 處；文獻(xiàn)[4]方法只定位出2 處故障，漏定4 處，錯(cuò)誤定位1 處。這說明本文方法的故障定位效果優(yōu)于文獻(xiàn)[3]方法與文獻(xiàn)[4]方法的故障定位效果。

3.3 失負(fù)荷量

失負(fù)荷量是指在各個(gè)方法應(yīng)急搶修指揮后的電力設(shè)備中，可用功率小于恒定負(fù)荷需求功率的值。其值越大，說明方法的指揮性能越差；其值越小，說明方法的指揮性能越好。本文方法、文獻(xiàn)[3]方法與文獻(xiàn)[4]方法搶修指揮6 處故障點(diǎn)后的失負(fù)荷量變化曲線如圖5 所示。

圖5 不同方法的失負(fù)荷量曲線

通過圖5 可知，針對電力應(yīng)急搶修指揮，本文方法指揮后的失負(fù)荷量明顯小于文獻(xiàn)[3]方法與文獻(xiàn)[4]方法的失負(fù)荷量。說明本文方法搶修指揮策略減少失負(fù)荷量的能力強(qiáng)于文獻(xiàn)[3]方法與文獻(xiàn)[4]方法，即本文方法的指揮性能優(yōu)于文獻(xiàn)[3]方法與文獻(xiàn)[4]方法的指揮性能。

4 結(jié)語

針對目前電力應(yīng)急搶修指揮方法搶修時(shí)間長、故障定位效果差、失負(fù)荷量高等問題，本文提出一種基于北斗衛(wèi)星通信導(dǎo)航的電力應(yīng)急搶修指揮系統(tǒng)。首先設(shè)計(jì)出多個(gè)模塊組成的硬件平臺(tái)；其次設(shè)計(jì)出故障點(diǎn)定位、搶修路徑規(guī)劃和應(yīng)急搶修指揮等軟件程序，實(shí)現(xiàn)電力應(yīng)急搶修的指揮。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在提高了電力故障定位效果的同時(shí)，一定程度上降低了電力應(yīng)急故障搶修時(shí)間與失負(fù)荷量。