俞華+王天正+蘆竹茂+楊冬冬+白鷺

摘 要： 基于軟測量圖譜變化檢測技術(shù)，研究了其在變電站狀態(tài)智能分析中的應(yīng)用。采用軟測量技術(shù)對智能變電站狀態(tài)圖譜監(jiān)測系統(tǒng)的接口分級、IEC61850 信息模型、圖譜變化監(jiān)控系統(tǒng)、圖譜狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行研究，同時分析了軟測量智能圖譜分析關(guān)鍵技術(shù)支持向量機SVM法、設(shè)備軟測量特征分析、典型場景數(shù)據(jù)庫的建立。結(jié)合變電站的實際應(yīng)用，對變電站的兩個典型場景的圖譜進行建模，通過兩個典型場景區(qū)域?qū)崿F(xiàn)對圖譜變化異常情況的監(jiān)控與處理，為今后軟測量的圖譜變化檢測技術(shù)在變電站狀態(tài)智能分析中的應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞： 軟測量； 檢測技術(shù)； 智能分析； 圖譜

中圖分類號： TN98?34； TM76 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）13?0171?04

Abstract： According to the spectrum change detection technology based on soft measurement， its application in substation condition is intelligent analysis studied. The soft measurement technology is used to study the monitoring system interface classification， IEC61850 information model， spectrum change monitoring system and structure of the intelligent substation state spectrum monitoring system. The key technologies （support vector machine （SVM） method， soft measurement feature analysis of equipment， establishment of typical scene database） of the soft measurement intelligent spectrum analysis are analyzed. In combination with the practical application of the substation， the spectrum of two typical scenes of substation was modeled. The abnormal situation of spectrum variation can be monitored and treated with two typical scene regions， which provides a reference for the application of spectrum change detection technology based on soft measurement in substation state intelligent analysis.

Keywords： soft measurement； detection technology； intelligent analysis； spectrum

0 引 言

隨著電力建設(shè)的發(fā)展，變電站對供電系統(tǒng)安全運行及電力設(shè)備良好狀態(tài)的要求越來越高，以自動化、信息化、可視化為特征的智能變電站越來越受歡迎[1?3]。涉及變電站安全防護、圖譜檢測、高壓設(shè)備運行等輔助系統(tǒng)建立的智能監(jiān)測系統(tǒng)逐漸成為智能變電站狀態(tài)監(jiān)測不可缺少的部分[4?7]。融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建圖譜監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)對變電站設(shè)備運行圖譜變化實施全天候在線監(jiān)測，成為當(dāng)前智能變電站研究的熱點[8]。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，變電站智能化控制成為電力系統(tǒng)的一個重要節(jié)點，為了確保變電站安全、正常運行，需不斷提升變電站圖譜變化檢測系統(tǒng)智能化分析能力，隨著軟測量技術(shù)在各個行業(yè)的廣泛應(yīng)用，尤其在電力系統(tǒng)變電站圖譜變化檢測系統(tǒng)智能分析中的作用日益顯著[9?11]。本文基于軟測量圖譜變化檢測技術(shù)，研究了其在變電站狀態(tài)智能分析中的應(yīng)用。

1 軟測量技術(shù)

軟測量實質(zhì)是使用計算機技術(shù)，結(jié)合自動控制理論，將不易測量或目前不能測量的一些比較重要的變量，利用容易測量的一些變量根據(jù)其相互之間的數(shù)學(xué)聯(lián)系對這些變量進行推斷或估計，通過軟測量的方式對硬件功能進行代替的一種技術(shù)。軟測量模型對過程中的輸入與輸出變量的相互關(guān)系不是特別強調(diào)，而關(guān)心的是通過輔助變量估計最佳主導(dǎo)變量。

傳統(tǒng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)無法直接獲取設(shè)備狀態(tài)，要得到設(shè)備狀態(tài)信息，必須建立設(shè)備紅外、紫外圖譜，通過監(jiān)控數(shù)據(jù)才能獲得。因而對基于設(shè)備圖譜的軟測量技術(shù)的研究具有非常重要的價值。軟測量技術(shù)與傳統(tǒng)檢測技術(shù)相比，其特點是通用性、靈活性非常強，成本較低，容易實現(xiàn)，圖1為軟測量模型結(jié)構(gòu)。

2 軟測量技術(shù)在智能變電站狀態(tài)圖譜監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能電網(wǎng)以先進自動化技術(shù)和計算機技術(shù)為基礎(chǔ)進行架構(gòu)，提升變電站的安全運行。軟測量技術(shù)在智能變電站狀態(tài)圖譜監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用架構(gòu)，按照整個系統(tǒng)的應(yīng)用需求，系統(tǒng)架構(gòu)的分層和分區(qū)均采用分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)為三級構(gòu)建，分為省級主站系統(tǒng)、地區(qū)級主站系統(tǒng)、站端系統(tǒng)。通過專用通信網(wǎng)絡(luò)，省級主站可對整個省的變電站設(shè)備、環(huán)境信息進行查看，同時統(tǒng)計地區(qū)級主站的工況；地區(qū)級主站主要管理所轄的變電站。系統(tǒng)架構(gòu)的核心和關(guān)鍵是搭建適合智能電網(wǎng)圖譜變化檢測的變電站監(jiān)控方案。站端系統(tǒng)是變電站整個視頻系統(tǒng)的一個基本單元，其主要任務(wù)是對變電站進行監(jiān)控。本文設(shè)計的站端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，在變電站的視頻控制系統(tǒng)中配置有視頻監(jiān)控主機，進行圖譜變化的檢測。同時還配置有變壓器/電抗器檢測設(shè)備、短路器/GIS檢測設(shè)備、容性檢測設(shè)備、環(huán)境檢測設(shè)備、計量檢測設(shè)備、監(jiān)控檢測設(shè)備、保護檢測設(shè)備等，這樣就可對全變電站的電氣設(shè)備和關(guān)鍵部位的安裝地點進行24 h監(jiān)控，實現(xiàn)對生產(chǎn)設(shè)備圖譜變化檢測的可視化管理與分析，進而滿足變電站系統(tǒng)對設(shè)備關(guān)鍵部位圖譜變化的安全監(jiān)視，因此變電站可實現(xiàn)安全預(yù)警，圖2為智能變電站關(guān)鍵部位圖譜狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

2.2 監(jiān)測系統(tǒng)接口分級

圖譜狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)接口分為四層，第一層為主站層，包括主站檢測單元；第二層為站控層，包括站端檢測單元，歷史數(shù)據(jù)和診斷結(jié)果由站控層的計算機系統(tǒng)長期存儲；第三層為間隔層，包括2個圖譜狀態(tài)檢測主IED，間隔層主要對測量的數(shù)據(jù)進行存儲，并分析和診斷數(shù)據(jù)；第四層為過程層，包括4個圖譜狀態(tài)檢測子IED，每個子IED連接有傳感器，傳感器直接聯(lián)系現(xiàn)場。圖譜變化狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)在經(jīng)過信號調(diào)理和預(yù)處理后，由檢測子IED傳送到2個間隔層主IED，同時4個檢測子IED對間隔層輸出的參數(shù)對、參數(shù)配置、參數(shù)召喚、強制重啟等控制命令進行快速接收。過程層遵循標(biāo)準(zhǔn)為IEC61850，信息交換采用GOOSE方式、SMV方式完成，圖3為系統(tǒng)接口分級圖。

2.3 IEC61850信息模型

IEC61850信息建模集中在變壓器、斷路器等智能電子設(shè)備IED，基于IEC61850統(tǒng)一信息模型和通信平臺方面，在變電站輔助生產(chǎn)系統(tǒng)領(lǐng)域，IEC61850信息建模逐漸成為智能變電站圖譜變化狀態(tài)監(jiān)測的重要組成部分。IEC61850信息模型分為兩部分，分別為基本信息模型、信息服務(wù)模型，采用分層、分類原則構(gòu)建這兩個模型，圖4為IEC61850信息模型。

IEC61850信息模型包括邏輯設(shè)備、邏輯節(jié)點、服務(wù)器、數(shù)據(jù)對象、數(shù)據(jù)屬性共5個類別。服務(wù)器由一個或數(shù)個邏輯設(shè)備組成，提供數(shù)據(jù)；邏輯設(shè)備實質(zhì)上屬于一種虛擬設(shè)備，其組成包括邏輯節(jié)點、對應(yīng)服務(wù)，邏輯節(jié)點是最小的功能單元，通過邏輯連接進行數(shù)據(jù)的交換，完成有關(guān)功能；數(shù)據(jù)對象屬于比較具體的數(shù)據(jù)填充、數(shù)據(jù)功能描述，它是構(gòu)成訪問信息模型和操作信息模型的途徑；數(shù)據(jù)屬性由四個元素組成，分別為屬性類型、特殊值、功能約束、觸發(fā)選項，數(shù)據(jù)對象不能獨立存在，它是信息最終載體，對信息模型進行訪問、操作的行為，實質(zhì)是對數(shù)據(jù)屬性的讀與寫。

2.4 圖譜變化監(jiān)控系統(tǒng)方案

圖5為圖譜變化狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)方案，系統(tǒng)由配線架、防火墻、分光器、錄像機、綜合服務(wù)器、交換機、ONU、圖譜監(jiān)控子系統(tǒng)、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控子系統(tǒng)、前端采集子等組成。圖譜變化監(jiān)測系統(tǒng)的各個IED，視頻監(jiān)視系統(tǒng)攝像頭與ONU進行連接，數(shù)據(jù)由分光器進行匯集后送到光纖配線架，最后出站。

3 軟測量智能圖譜分析關(guān)鍵技術(shù)

3.1 支持向量機SVM法

軟測量的核心技術(shù)是進行監(jiān)控對象的前期建模和關(guān)聯(lián)建模，關(guān)聯(lián)建模主要是建立測量變量與推斷變量之間的關(guān)系。對變電站智能圖譜分析來說，支持向量機SVM法是最為有效的工具。SVM 法屬于一種機器學(xué)習(xí)方法，其原則是風(fēng)險最小化，該方法通過對函數(shù)子集、函數(shù)子集的判別函數(shù)進行適當(dāng)選擇，達到學(xué)習(xí)機器的最小化，這樣有限訓(xùn)練得到的小誤差分離器的通過就有了保障，解決了欠學(xué)習(xí)、過學(xué)習(xí)問題，泛化能力良好。支持向量機是對一個凸優(yōu)化問題的求解，其局部的最優(yōu)解實質(zhì)上是全局最優(yōu)解。通過應(yīng)用核函數(shù)，使得對非線性的求解轉(zhuǎn)化成線性求解。

3.2 設(shè)備軟測量特征分析

進行圖譜變化軟測量特征分析時，要根據(jù)變電站關(guān)鍵設(shè)備的刀閘、套管、變壓器、母線等建立正常特征數(shù)據(jù)庫，以數(shù)學(xué)模型、正常特征數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，達到推理機制、學(xué)習(xí)機制的完善性與有效性。按照系統(tǒng)運行設(shè)置的業(yè)務(wù)流程，系統(tǒng)中相對重要的內(nèi)容是典型場景數(shù)據(jù)庫，在系統(tǒng)實時圖譜變化分析到軟測量數(shù)據(jù)后，與正常樣本的歷史圖譜變化軟測量數(shù)據(jù)對比，對異常的圖譜變化分析內(nèi)容進行告警。

3.3 典型場景數(shù)據(jù)庫的建立

在典型場景數(shù)據(jù)庫建立過程中，采用研究組織的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，存儲數(shù)據(jù)理論方法，對處理數(shù)據(jù)的方法、技術(shù)進行高效獲取，進而對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理、組織。根據(jù)設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行相對應(yīng)的數(shù)據(jù)倉庫、數(shù)據(jù)庫的建立。采用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)設(shè)計出對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理應(yīng)用系統(tǒng)，采用數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)設(shè)計出對數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用系統(tǒng)，通過應(yīng)用管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行分析、理解、處理。在對圖譜變化的特征及屬性進行提取時，要完整提取，這樣圖譜變化的信息內(nèi)容就可以完整地表達出來。

4 典型場景建模設(shè)置的應(yīng)用

本研究結(jié)合變電站的實際應(yīng)用，對變電站的兩個典型場景的圖譜進行建模。

第一個圖譜典型區(qū)域為刀閘區(qū)域，通過對現(xiàn)場120個圖譜樣本的獲取，實現(xiàn)刀閘區(qū)域的圖譜建模，這120個圖譜樣本包括季節(jié)不同時的樣本，天氣狀況不同的樣本，通過這些現(xiàn)場圖譜樣本建立現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫，同時建立第一個圖譜典型區(qū)域的機器學(xué)習(xí)模型，表1為第一個圖譜典型區(qū)域刀閘區(qū)能夠監(jiān)控的圖譜變化異常情況和處理方案。

第二個圖譜典型區(qū)域為母線區(qū)域，通過對現(xiàn)場120個圖譜樣本的獲取，實現(xiàn)母線區(qū)域的圖譜建模，這120個圖譜樣本包括季節(jié)不同時的樣本，天氣狀況不同的樣本，通過這些現(xiàn)場圖譜樣本建立現(xiàn)場數(shù)據(jù)庫，同時建立第二個圖譜典型區(qū)域的機器學(xué)習(xí)模型，表2為第二個圖譜典型區(qū)域母線區(qū)能夠監(jiān)控的圖譜變化異常情況和處理方案。

5 結(jié) 語

本文基于軟測量圖譜變化檢測技術(shù)，研究了其在變電站狀態(tài)智能分析中的應(yīng)用。結(jié)合變電站的實際應(yīng)用，對變電站的兩個典型場景的圖譜進行建模，通過兩個典型場景區(qū)域能夠?qū)崿F(xiàn)對圖譜變化異常情況監(jiān)控與處理，為今后軟測量的圖譜變化檢測技術(shù)在變電站狀態(tài)智能分析中的應(yīng)用提供參考。

參考文獻

[1] 楊臻，趙燕茹.EPON技術(shù)在智能變電站狀態(tài)監(jiān)測和視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力建設(shè)，2014，35（11）：107?112.

[2] 王志堅，蘇雁飛，李景新.變電站壓板智能檢測技術(shù)及其應(yīng)用[J].電工技術(shù)，2012（12）：17?19.

[3] 黃永欽，余躍.變電站智能壓板檢測的技術(shù)及運用探析[J].電力科技，2014（11）：313.

[4] 陸彬，姜懿純，朱小良.核電站堆芯溫度場軟測量方法研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2016，29（2）：226?232.

[5] 張達天，呂偉.基于TW圖譜及同頻噪聲分離技術(shù)的高壓電纜局部放電檢測裝置的研制[J].智能電網(wǎng)，2015，3（3）：250?255.

[6] 劉海艷.基于區(qū)域像素分類的基因圖譜檢測方法研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（4）：94?98.

[7] 支麗欣，張曉慧.探究智能變電站二次設(shè)備自動檢測系統(tǒng)設(shè)計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2014（21）：11.

[8] 李麗華.智能變電站斷路器狀態(tài)檢測IED設(shè)計[J].科技致富向?qū)В?014（35）：92.

[9] 延勇，劉毅敏.220 kV智能變電站繼電保護調(diào)試關(guān)鍵問題分析及建議[J].東北電力技術(shù)，2014，35（11）：22?26.

[10] 陸昱，毛迪林，肖曉春，等.智能變電站設(shè)備溫度在線檢測設(shè)備的IEC 61850信息建模[J].計算機應(yīng)用，2013，33（z2）：269?272.

[11] 楊榮宗.狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)在智能變電站中的應(yīng)用分析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（18）：174.