基于特征信號識別的微電網(wǎng)拓?fù)鋭討B(tài)分析與安全評估

廣東電網(wǎng)有限公司梅州供電局 李延賓 李志華 中國科學(xué)院廣州能源研究所 喻 旻

微電網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系對于系統(tǒng)的運(yùn)行和穩(wěn)定具有關(guān)鍵作用，但由于其處于弱環(huán)網(wǎng)狀態(tài)且運(yùn)行方式變化頻繁，拓?fù)潢P(guān)系的確定存在一定的難題，尤其在負(fù)荷轉(zhuǎn)檢修等情況下更加復(fù)雜，可能導(dǎo)致安全隱患。本文旨在通過基于特征信號識別的方法，實(shí)現(xiàn)微電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系的動態(tài)分析與安全評估，為微電網(wǎng)的運(yùn)行與管理提供有力支持。

1 微電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系的重要性及存在的問題

1.1 微電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系的作用

微電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系是微電網(wǎng)系統(tǒng)中各個能源和負(fù)荷之間的電氣連接關(guān)系，其作用至關(guān)重要。拓?fù)潢P(guān)系決定了能源在微電網(wǎng)內(nèi)的傳輸路徑和分配方式，直接影響微電網(wǎng)的運(yùn)行、穩(wěn)定性和可靠性[1]。通過合理的拓?fù)潢P(guān)系設(shè)計(jì)，微電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)能源的高效利用和優(yōu)化分配，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性；同時，良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)微電網(wǎng)系統(tǒng)在故障發(fā)生時的隔離能力與恢復(fù)能力，保障供電的穩(wěn)定性；此外，拓?fù)潢P(guān)系還影響微電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和網(wǎng)絡(luò)頻率，對于確保微電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。因此，深入分析微電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系的動態(tài)變化和安全評估，對于優(yōu)化微電網(wǎng)的運(yùn)行管理和提高其可靠性具有重要意義。

1.2 微電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系存在的問題

1.2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜性

微電網(wǎng)通常由多個分布式電源、負(fù)荷和儲能單元組成，其內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可能是弱環(huán)網(wǎng)或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，存在多個能源和負(fù)荷之間的多條路徑[2]。這使拓?fù)潢P(guān)系的確定變得復(fù)雜且多樣化。例如，一個典型的微電網(wǎng)可能包含數(shù)十個節(jié)點(diǎn)和數(shù)百條線路，其中每個節(jié)點(diǎn)可能有多個相鄰節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)溥B接關(guān)系錯綜復(fù)雜。這種復(fù)雜性增加了拓?fù)鋭討B(tài)分析的難度，同時也增加了拓?fù)潢P(guān)系的不穩(wěn)定性。

1.2.2 頻繁運(yùn)行模式變化

微電網(wǎng)系統(tǒng)具有高度靈活性和適應(yīng)性，其運(yùn)行模式可能頻繁變化。根據(jù)負(fù)荷需求、可用能源資源和儲能狀態(tài)，微電網(wǎng)可能在不同時間切換不同的運(yùn)行模式。這種頻繁的運(yùn)行模式變化使拓?fù)潢P(guān)系在不同時刻也會隨之變化，導(dǎo)致拓?fù)潢P(guān)系的動態(tài)性。此動態(tài)性使傳統(tǒng)的靜態(tài)拓?fù)浞治龇椒o法滿足微電網(wǎng)實(shí)時性要求，需要采用基于特征信號的方法來進(jìn)行拓?fù)鋭討B(tài)分析。

1.2.3 數(shù)據(jù)不完備性

在微電網(wǎng)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集可能受到限制。由于傳感器故障、通信中斷或數(shù)據(jù)丟失等原因，微電網(wǎng)中的某些節(jié)點(diǎn)的信息可能無法及時獲取或缺失。這導(dǎo)致在進(jìn)行拓?fù)潢P(guān)系分析時，數(shù)據(jù)不完備，缺少一些關(guān)鍵信息，可能影響拓?fù)潢P(guān)系的準(zhǔn)確性和全面性。同時，數(shù)據(jù)不完備性還會增加拓?fù)潢P(guān)系識別的難度，需要通過數(shù)據(jù)插補(bǔ)或故障檢測算法來解決這一問題。

2 基于特征信號識別的微電網(wǎng)拓?fù)鋭討B(tài)分析方法

2.1 特征信號在微電網(wǎng)中的應(yīng)用

2.1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)識別

通過在微電網(wǎng)中注入特征信號或?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的特征信號進(jìn)行提取，可以獲得節(jié)點(diǎn)之間的響應(yīng)信息。根據(jù)特征信號在時間域或頻域的變化特性，可以識別微電網(wǎng)內(nèi)部各個節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，建立節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)溥B接關(guān)系圖[3]。例如，通過測量節(jié)點(diǎn)電流或電壓信號，并分析其波形特征，可以確定節(jié)點(diǎn)之間的電氣連接關(guān)系。

2.1.2 動態(tài)變化檢測

特征信號的傳播和反射特性可以用于實(shí)時跟蹤微電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系的動態(tài)變化。通過監(jiān)測特征信號的傳播延遲和幅度變化，可以檢測拓?fù)潢P(guān)系的動態(tài)變化和故障事件的發(fā)生。例如，當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生故障或節(jié)點(diǎn)狀態(tài)變化時，特征信號的傳播延遲和幅度可能會發(fā)生變化，通過對這些變化進(jìn)行分析，可以及時檢測到拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變動。

2.1.3 故障定位與隔離

特征信號的傳播特性可以用于故障定位，幫助確定故障位置，從而實(shí)現(xiàn)快速隔離和恢復(fù)微電網(wǎng)的運(yùn)行。例如，當(dāng)微電網(wǎng)中發(fā)生故障時，故障信號會在網(wǎng)絡(luò)中傳播，通過測量故障信號的傳播時間和幅度變化，可以精確定位故障位置，有助于迅速采取隔離措施。

2.2 特征信號識別方法與算法概述

2.2.1 小波變換（Wavelet Transform）：

小波變換是一種時頻分析方法，能夠捕捉信號在時間和頻率上的特征。小波變換將信號分解成不同尺度的小波系數(shù)，提供了信號局部頻率和幅值的信息[4]。通過選擇適當(dāng)?shù)男〔ɑ瘮?shù)，可以針對不同頻率特征的信號進(jìn)行分析。

小波變換公式為：

其中，x（t）是輸入信號；Ca,b是小波系數(shù)；a和b分別是尺度因子和平移因子；（t）是小波基函數(shù)的復(fù)共軛。

2.2.2 支持向量機(jī)（Support Vector Machine, SVM）

支持向量機(jī)是一種監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，廣泛應(yīng)用于特征信號識別和分類。在微電網(wǎng)拓?fù)鋭討B(tài)分析中，可以將節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系作為不同類別，構(gòu)建支持向量機(jī)分類模型，用于判斷節(jié)點(diǎn)之間是否存在連接關(guān)系。

SVM 的決策函數(shù)為：

其中，x是輸入樣本特征；Ns是支持向量的數(shù)量；αi是支持向量的權(quán)重；yi是類別標(biāo)簽；K（xi,x）是核函數(shù)；b是偏置。

2.2.3 時域分析方法

時域分析是通過分析信號在時間軸上的波形變化來識別特征信號。例如，通過計(jì)算特征信號的峰值、谷值、波形周期等特征，可以識別出不同節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系。時域分析常用的指標(biāo)包括峰值-to-峰值間隔（Peak-to-Peak Interval, PPI）、峰值-to-谷值間隔（Peak-to-Valley Interval, PVI）等。

2.3 基于特征信號識別的微電網(wǎng)拓?fù)鋭討B(tài)分析流程

基于特征信號識別的微電網(wǎng)拓?fù)鋭討B(tài)分析是一種應(yīng)對微電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜性和動態(tài)性的有效方法。通過在微電網(wǎng)中注入特定的特征信號或?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的特征信號進(jìn)行提取，該方法可以實(shí)時識別微電網(wǎng)內(nèi)部各個節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，并跟蹤拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，為微電網(wǎng)的運(yùn)行和管理提供重要支持，如圖1所示。

圖1 基于特征信號識別的微電網(wǎng)拓?fù)鋭討B(tài)分析流程圖

2.3.1 數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

部署傳感器或監(jiān)測設(shè)備，對微電網(wǎng)中各個節(jié)點(diǎn)的電流、電壓、功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。采集的數(shù)據(jù)可能包含噪聲和異常值，因此需要進(jìn)行預(yù)處理，如濾波、去噪等，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.3.2 特征信號注入與提取

在微電網(wǎng)中注入特定的特征信號或?qū)ο到y(tǒng)運(yùn)行中產(chǎn)生的特征信號進(jìn)行提取。注入的特征信號可以是短脈沖信號、頻率掃描信號、小波信號等。通過特征信號在微電網(wǎng)中的傳播和反射，可以獲得節(jié)點(diǎn)之間的響應(yīng)信息。

2.3.3 特征信號識別與拓?fù)潢P(guān)系重構(gòu)

通過對特征信號進(jìn)行時域或頻域分析，識別微電網(wǎng)內(nèi)部各個節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系。根據(jù)特征信號的傳播延遲、幅值變化等特性，重構(gòu)微電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，建立節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)溥B接關(guān)系圖。

2.3.4 拓?fù)潢P(guān)系動態(tài)跟蹤與分析

持續(xù)監(jiān)測特征信號的傳播和反射，實(shí)時跟蹤微電網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系變化。根據(jù)動態(tài)分析結(jié)果，檢測拓?fù)潢P(guān)系的變動及可能存在的故障事件，為微電網(wǎng)的運(yùn)行與管理提供了實(shí)時決策支持。

2.3.5 安全評估與應(yīng)對策略

基于拓?fù)潢P(guān)系的動態(tài)分析結(jié)果，進(jìn)行微電網(wǎng)的安全評估，識別可能存在的安全隱患。根據(jù)評估結(jié)果制定相應(yīng)的應(yīng)對策略，如故障隔離、恢復(fù)措施，以確保微電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

3 微電網(wǎng)拓?fù)鋭討B(tài)分析與安全評估的應(yīng)用案例分析

某園區(qū)內(nèi)的微電網(wǎng)系統(tǒng)是一個包含多個分布式電源（如太陽能光伏、風(fēng)力發(fā)電等，總裝機(jī)容量為1000kW）、分布式儲能設(shè)備（如電池、儲能電容等，總?cè)萘繛?00kWh），以及負(fù)荷節(jié)點(diǎn)（如辦公樓、生產(chǎn)設(shè)施等，總負(fù)荷為800kW）的復(fù)雜能源網(wǎng)絡(luò)。該微電網(wǎng)系統(tǒng)旨在實(shí)現(xiàn)可再生能源的高比例利用和電能的自主供應(yīng)，同時具備應(yīng)對電網(wǎng)故障和斷電的能力，保障園區(qū)內(nèi)用電的穩(wěn)定和安全。

3.1 拓?fù)鋭討B(tài)分析與安全評估過程

在該園區(qū)內(nèi)的微電網(wǎng)系統(tǒng)中，部署了傳感器設(shè)備，實(shí)時采集各個節(jié)點(diǎn)的電流、電壓、功率等電氣數(shù)據(jù)。通過特定裝置向微電網(wǎng)中注入特征信號，如短脈沖信號或頻率掃描信號，并對采集到的信號進(jìn)行預(yù)處理，去除噪聲和異常值。

3.2 小波變換等特征信號識別

利用小波變換等特征信號識別方法對特征信號進(jìn)行分析，識別微電網(wǎng)內(nèi)部各個節(jié)點(diǎn)之間的連接關(guān)系，并建立節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)溥B接關(guān)系圖。隨著微電網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行，持續(xù)監(jiān)測特征信號的傳播和反射，實(shí)時跟蹤微電網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系變化。當(dāng)微電網(wǎng)發(fā)生故障或節(jié)點(diǎn)狀態(tài)發(fā)生變化時，通過實(shí)時監(jiān)測和動態(tài)跟蹤，檢測拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變動和故障事件的發(fā)生。

3.3 安全評估結(jié)果及分析

模擬在某時間點(diǎn)（如某日14:30）微電網(wǎng)發(fā)生節(jié)點(diǎn)故障，節(jié)點(diǎn)2發(fā)生故障導(dǎo)致連接中斷。通過拓?fù)鋭討B(tài)分析與安全評估，系統(tǒng)及時檢測到節(jié)點(diǎn)2與其他節(jié)點(diǎn)之間的連接異常，發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)2故障，并給出相應(yīng)的應(yīng)對措施。系統(tǒng)執(zhí)行故障隔離策略，將節(jié)點(diǎn)2與微電網(wǎng)系統(tǒng)隔離，避免故障影響其他節(jié)點(diǎn)。同時，根據(jù)系統(tǒng)的預(yù)先規(guī)劃，備用電源投入，保障園區(qū)內(nèi)用電的穩(wěn)定供應(yīng)，見表1。

表1 在該時間點(diǎn)的特征信號傳播數(shù)據(jù)

通過微電網(wǎng)拓?fù)鋭討B(tài)分析與安全評估，可以實(shí)時監(jiān)測微電網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系變化，及時發(fā)現(xiàn)拓?fù)渥兓凸收鲜录?，采取相?yīng)措施保障微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文通過研究基于特征信號識別的微電網(wǎng)拓?fù)鋭討B(tài)分析與安全評估方法，針對微電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系的動態(tài)變化和安全問題，提出了一種創(chuàng)新的解決方案。拓?fù)鋭討B(tài)分析與安全評估方法，可以實(shí)時監(jiān)測微電網(wǎng)的拓?fù)潢P(guān)系變化，及時發(fā)現(xiàn)拓?fù)渥兓凸收鲜录扇∠鄳?yīng)措施保障微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。該方法為微電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化和故障處理提供了可靠的支持和決策依據(jù)，優(yōu)化了能源利用效率，降低了運(yùn)行成本，并增強(qiáng)了微電網(wǎng)系統(tǒng)的魯棒性和可靠性。