具有自校核功能的配電網(wǎng)調(diào)度方法

沈健, 楊煬, 王少春, 孫偉剛, 陳楚航

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司紹興供電公司,浙江,紹興 312000)

0 引言

配電網(wǎng)調(diào)度在電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)用中具有重要的作用,關(guān)于如何提高配電網(wǎng)協(xié)調(diào)能力,不同的學(xué)者和專家紛紛給出不同的方案。文獻(xiàn)[1]以傳統(tǒng)潮流疊加法和圖論中深度優(yōu)先搜索算法為關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)輔助決策,該方法通過深度優(yōu)先搜索算法實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自動(dòng)控制,該技術(shù)通過智能化技術(shù)手段提高了網(wǎng)絡(luò)建模中實(shí)用性和先進(jìn)性,但故障診斷能力比較弱。文獻(xiàn)[2]能夠解決大時(shí)間尺度下難以精確預(yù)測(cè)負(fù)荷及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的問題,以全時(shí)間維度安全校核為目標(biāo),解決了電網(wǎng)調(diào)度難以實(shí)現(xiàn)安全校核的問題,但是對(duì)于配電網(wǎng)設(shè)備全壽命周期數(shù)據(jù)管理,無(wú)法給出評(píng)估方法。

基于上述技術(shù)的不足,本研究從以下角度和方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)構(gòu)建配電網(wǎng)調(diào)度總體方案,通過調(diào)度控制中心、監(jiān)控中心、調(diào)度計(jì)算模塊等不同模塊實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)智能設(shè)備不同方案調(diào)度,提高調(diào)度控制能力。

(2)能夠?qū)崿F(xiàn)不同數(shù)據(jù)信息校核與調(diào)度,實(shí)現(xiàn)不同異常信息類型的信息分類,并且對(duì)不同調(diào)度數(shù)據(jù)信息進(jìn)行評(píng)估。提高配電網(wǎng)調(diào)度能力和評(píng)估能力。

1 配電網(wǎng)調(diào)度方案設(shè)計(jì)

針對(duì)上述技術(shù)的不足,本研究設(shè)計(jì)出一種配電網(wǎng)調(diào)度方案,該方案通過控制中心實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)調(diào)度,調(diào)度方案電網(wǎng)中每臺(tái)硬件電氣設(shè)備通過控制總線匯集所有電子信息,并通過各自的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模塊與各站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)[3]。配電網(wǎng)調(diào)度方案總體架構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 配電網(wǎng)調(diào)度總體方案示意圖

由圖1可知,電力調(diào)度系統(tǒng)硬件包括調(diào)度控制中心、監(jiān)控中心、調(diào)度計(jì)算模塊等構(gòu)成。調(diào)度控制中心能夠根據(jù)控制供電區(qū)向不同的區(qū)域提供配電網(wǎng)電力資源,并保證電力設(shè)備安全,在供電區(qū)內(nèi),能夠?qū)⑴潆娋W(wǎng)輸出的電壓通過輸電線路向各個(gè)分支輸送。輸電線路中間架設(shè)有保護(hù)線路、輸電線路與信息處理通過網(wǎng)關(guān)隔離[4-5]。信息處理主要由安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、電力事件采集和運(yùn)行監(jiān)控等3部分完成。安全監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)和電力事件采集模塊的信息都會(huì)存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中,而運(yùn)行監(jiān)控為電力事件采集模塊服務(wù),調(diào)度中心尾端主要負(fù)責(zé)采集電力用戶信息,根據(jù)用戶信息進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

監(jiān)控中心分為調(diào)度監(jiān)控和運(yùn)行監(jiān)控。調(diào)度監(jiān)控主要監(jiān)控調(diào)度中心數(shù)據(jù),通過變電站和電力報(bào)表數(shù)據(jù)完成調(diào)度監(jiān)控,變電站通過二次線路保證運(yùn)行安全,運(yùn)維人員通過電力報(bào)表收集電表信息。運(yùn)行監(jiān)控主要根據(jù)運(yùn)行中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,通過調(diào)度數(shù)據(jù)信息校核完成異常數(shù)據(jù)的分析和校核,以便實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)自我調(diào)配[6]。在電網(wǎng)系統(tǒng)正常運(yùn)作時(shí),通過不斷搜集各節(jié)點(diǎn)的工作狀況并進(jìn)行整合分析,以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的常態(tài)化監(jiān)控。當(dāng)數(shù)據(jù)整體出現(xiàn)異常時(shí),通過解析數(shù)據(jù)對(duì)異常節(jié)點(diǎn)進(jìn)行搜尋,并提取故障節(jié)點(diǎn)的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),得出其故障類型和解決方案,并判斷是否需要隔離以避免風(fēng)險(xiǎn)擴(kuò)散[7]。對(duì)于已經(jīng)停止運(yùn)行的設(shè)備,更新其數(shù)據(jù)后繼續(xù)進(jìn)行整體數(shù)據(jù)的分析,以實(shí)現(xiàn)不間斷的整體態(tài)勢(shì)分析。

2 配電網(wǎng)調(diào)度自校核方法

2.1 調(diào)度控制硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息調(diào)度控制時(shí),采用主控制模塊為ARM系列的LPC2214微處理器和DSP數(shù)據(jù)處理器,該系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)上包括信號(hào)預(yù)處理模塊、A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、外部存儲(chǔ)單元、JTAG接口、電源模塊、RS-232串行接口、晶振電路、復(fù)位電路等多種數(shù)據(jù)信息處理模塊,外部還連接有數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)和故障診斷。ARM7系列的LPC2214微控制器具體為32位CPU的微控制器,頻率高達(dá)60 MHz[7],并且?guī)в懈咚倨瑑?nèi)存儲(chǔ)器和4個(gè)32位的外部存儲(chǔ)器接口,通過 LPC2214能夠通過數(shù)據(jù)總線和控制信號(hào)利用外部存儲(chǔ)器訪問的方式直接控制液晶顯示模塊。調(diào)度控制硬件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 配電網(wǎng)調(diào)度控制硬件架構(gòu)示意圖

由圖2可知,通過多種數(shù)據(jù)傳感器實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息采集,該采集單元能夠獲取配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息中的不同內(nèi)容,通過相量計(jì)算,將主核心控制部件作為故障預(yù)警中央處理器,能夠控制ARM系列的LPC2214微處理器和DSP數(shù)據(jù)處理器。主核心控制部件以S3C6410型號(hào)的控制芯片作為主控制核心板[8],其設(shè)置有USB數(shù)據(jù)接口、串口模塊、網(wǎng)絡(luò)調(diào)試接口、RJ45接口等。在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,還設(shè)置有電源接口、復(fù)位電路、信號(hào)收發(fā)器、自適應(yīng)調(diào)節(jié)模塊、管理控制模塊等。通過設(shè)置LED故障信息燈對(duì)通信調(diào)度故障情況顯示異常數(shù)據(jù)信息,有助于用戶通過LED燈的亮暗來判斷網(wǎng)絡(luò)信息是否正常。在進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí),采用的通信控制器為DM9000型號(hào)的單芯片快速以太網(wǎng)MAC控制器,通過DSP處理模塊實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)信息計(jì)算[9],當(dāng)計(jì)算出故障數(shù)據(jù)信息時(shí),可進(jìn)行自校核審核。

2.2 調(diào)度數(shù)據(jù)信息校核的實(shí)現(xiàn)

在進(jìn)行調(diào)度數(shù)據(jù)信息校核時(shí),需要對(duì)不同異常信息類型進(jìn)行分類,然后對(duì)不同調(diào)度數(shù)據(jù)信息進(jìn)行評(píng)估。配電網(wǎng)調(diào)度校核流程示意圖如圖3所示。

圖3 配電網(wǎng)調(diào)度校核流程示意圖

假設(shè)輸入的初始數(shù)據(jù)局信息為X={x1,x2,…,xn},其中i=1,2,…,n,為電網(wǎng)調(diào)度信息數(shù)據(jù)在xi中的第p個(gè)特征的數(shù),且p=(1,2,…,m)。在諸多電網(wǎng)調(diào)度信息中,為了表示不同數(shù)據(jù)信息之間的關(guān)系,通過x總數(shù)與其特征總數(shù)p確定矩陣X為

(1)

不同數(shù)據(jù)信息之間的相似系數(shù)值為

(2)

其中,

(3)

(4)

根據(jù)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的不同,出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)信息的概率為

(5)

式(5)中,x為配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息在傳遞過程中故障數(shù)據(jù)信息占總配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的比例,計(jì)算q(x)時(shí),需要計(jì)算p(x)的值,根據(jù)不同數(shù)據(jù)信息聚類程度,計(jì)算出聚類的平均數(shù)值:

(6)

式(6)中,k為配電網(wǎng)所有數(shù)據(jù)集合x中第k個(gè)的數(shù)據(jù)信息。配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息威脅性數(shù)據(jù)比較大信息時(shí),計(jì)算公式為

(7)

式(7)中,A為預(yù)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生次數(shù),Px和Sx分別為故障x發(fā)生的頻率和其發(fā)生后的危害程度,如電網(wǎng)配電過程中某一個(gè)節(jié)點(diǎn)斷路或損壞時(shí)輸出的故障率。根據(jù)配電區(qū)域的不同,設(shè)置配電區(qū)域調(diào)度的范圍,該范圍可以為

(8)

式(8)中,N為配電網(wǎng)中不同電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的類別數(shù)量,在預(yù)測(cè)之前,首先設(shè)置需要調(diào)度的不同位置和數(shù)據(jù),則公式可以為

(9)

式(9)中,S為配電網(wǎng)發(fā)生故障x的危害程度。調(diào)配時(shí),為了區(qū)分不同區(qū)域,將不同區(qū)域劃分為不同數(shù)據(jù)集合,記作為f={f1,f2,f3,…,fN},該數(shù)據(jù)集合表示的電網(wǎng)調(diào)度數(shù)據(jù)信息見表1。

表1 電網(wǎng)調(diào)度信息

調(diào)度概率可以表示為

(10)

式(10)中,c和j為配電網(wǎng)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)x與其數(shù)據(jù)特征xi之間的分布密度,in為預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)處理邏輯,k為數(shù)據(jù)量總數(shù)。特征向量C|J|見式(11):

(11)

式(11)中,C|J|為配電網(wǎng)數(shù)據(jù)C的特征向量,I為配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息監(jiān)控過程中采集與計(jì)算的總次數(shù),d和fh為配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)變化狀況,g為電網(wǎng)數(shù)據(jù)態(tài)勢(shì)因子[10]。當(dāng)配電網(wǎng)系統(tǒng)中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)x在t+1時(shí),配電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)xit+1很容易受xit影響,影響概率可以為

(12)

式(12)中,i為配電網(wǎng)數(shù)據(jù)集合X中樣本信息總量,此處j為某個(gè)配電網(wǎng)區(qū)域下X內(nèi)不同節(jié)點(diǎn)的信息編號(hào),Ni為該區(qū)域下所有配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)中i節(jié)點(diǎn)的臨近節(jié)點(diǎn)集合。在t+1時(shí)刻下,配電網(wǎng)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)i通過配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)j校核調(diào)調(diào)度的概率為

Ωij(t+1)=si(t)ωij

(13)

通過上述論述,本研究能夠采集到電網(wǎng)工作狀態(tài),并第一時(shí)間通過預(yù)先設(shè)計(jì)的調(diào)度算法排除故障。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)時(shí),實(shí)驗(yàn)機(jī)分配Pentium(R)CPU 8核與16 G內(nèi)存資源,安裝Windows 10操作系統(tǒng),配置Java JDK5.0環(huán)境于MATLAB中[11]。試驗(yàn)架構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 配電網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

本文選擇的電力電網(wǎng)數(shù)據(jù)通信樣本集以103為單位,電力通信網(wǎng)絡(luò)輸出的電力數(shù)據(jù)頻帶值為4～10 kHz,數(shù)據(jù)采樣的時(shí)間間隔記作為12 s,配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息中的節(jié)點(diǎn)隔離信道寬度設(shè)置為2 TB,模糊迭代次數(shù)設(shè)為1200,主機(jī)對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)模擬數(shù)據(jù)的抽樣采樣率設(shè)為f=10 kHz,入侵?jǐn)?shù)據(jù)帶寬為1000 Hz。對(duì)配電網(wǎng)中的任意節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行特征抽取。數(shù)據(jù)采集量如表2所示。電力電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息通信自校核采樣數(shù)據(jù)信息如圖5所示。

表2 數(shù)據(jù)特征預(yù)采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5 圖像特征數(shù)據(jù)采集示意圖

通過圖5的圖像特征信息提取,對(duì)調(diào)度控制能力進(jìn)行對(duì)比分析,將常規(guī)方法與本研究方法進(jìn)行對(duì)比分析,常規(guī)方法為人工經(jīng)驗(yàn)法調(diào)度控制,即是根據(jù)配電網(wǎng)工作周期,結(jié)合季節(jié)性等不同變化特點(diǎn)總結(jié)出的人工經(jīng)驗(yàn)法(下文稱為傳統(tǒng)方法)。配電網(wǎng)控制對(duì)比示意圖如圖6所示。

圖6 配電網(wǎng)控制對(duì)比示意圖

通過圖6可以看到,在相同數(shù)據(jù)樣本的情況下,本文方法的數(shù)據(jù)調(diào)配效率高于傳統(tǒng)方法,隨著數(shù)據(jù)量的逐步增加,傳統(tǒng)方法和本文方法的工作效率都在增加,但整體上,本文方法在配電網(wǎng)調(diào)控效率上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法。

仍舊采用上述數(shù)據(jù)采樣方法對(duì)本研究的評(píng)估方法進(jìn)行對(duì)比,經(jīng)過5個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)記錄和分析,準(zhǔn)確度對(duì)比示意圖如圖7所示。

圖7 診斷結(jié)果對(duì)比圖

通過圖7可以看到,傳統(tǒng)方法和本文方法在開始評(píng)估時(shí),準(zhǔn)確率都隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而增加,但是在整個(gè)工作過程中,本文方法平均準(zhǔn)確率最高。

4 總結(jié)

為了提高配電網(wǎng)調(diào)度能力,本文設(shè)計(jì)了一套電網(wǎng)調(diào)度控制模塊。該模塊采用主控制模塊的形式,通常為基于ARM系列的LPC2214微處理器和DSP數(shù)據(jù)處理器,包括信號(hào)預(yù)處理模塊、A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、外部存儲(chǔ)單元等,提高了配電控制能力。

進(jìn)行調(diào)度數(shù)據(jù)信息校核時(shí),構(gòu)建不同的數(shù)據(jù)信息評(píng)估模型,數(shù)據(jù)評(píng)估過程中采用分類模塊和評(píng)估模塊,實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息的評(píng)估與計(jì)算。

通過設(shè)計(jì)總體架構(gòu)包括調(diào)度控制中心、監(jiān)控中心、調(diào)度計(jì)算模塊等的硬件架構(gòu),實(shí)現(xiàn)了配電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息自校核與控制,提高了配電網(wǎng)運(yùn)行效率。