張盈新，馮曜明，藍(lán) 逸

（深圳龍華供電局，廣東 深圳 518000）

引言

國內(nèi)10kV 配電網(wǎng)目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但是目前國內(nèi)高壓直流配電技術(shù)還不夠成熟，影響配電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性與安全性的因素較多，需要對10kV 配網(wǎng)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，為設(shè)備維修提供參考依據(jù)[1]。由于10kV 配電網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，電力設(shè)備數(shù)量和種類較多，因此監(jiān)測具有較高難度?，F(xiàn)有監(jiān)測方法在實(shí)際應(yīng)用中漏檢率較高，并且監(jiān)測響應(yīng)時間較長，無法滿足實(shí)際需求，為此提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的10kV 配網(wǎng)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測方法，為電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測提供參考依據(jù)。

1 構(gòu)建配網(wǎng)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測架構(gòu)

為了簡化監(jiān)測流程和難度，利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建10kV 配電網(wǎng)電力設(shè)備虛擬模型，實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)可視化實(shí)時監(jiān)燮。此次基于數(shù)字孿生模型構(gòu)建的監(jiān)測架構(gòu)主要由物理層、數(shù)據(jù)層、孿生層以及服務(wù)層四部分組成。物理層位于整體架構(gòu)的最頂層，與配電網(wǎng)電力設(shè)備連接，由智能網(wǎng)關(guān)、無線網(wǎng)絡(luò)以及傳感器組成，為設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測提供物理支撐[2]。利用數(shù)據(jù)層連接孿生層與物理層，數(shù)據(jù)層功能是數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)傳輸和處理，為設(shè)備狀態(tài)虛實(shí)轉(zhuǎn)換提供數(shù)據(jù)支持[3]。孿生層是電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的核心層，主要是利用數(shù)字孿生技術(shù)對電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)虛擬化，由數(shù)字孿生、設(shè)備孿生和邏輯孿生組成，用于電力設(shè)備運(yùn)行場景搭建[4]。服務(wù)層功能是為用戶提供電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測服務(wù)，作出電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測決策[5]。基于以上建立的監(jiān)測架構(gòu)，將監(jiān)測流程劃分為三個步驟，電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號獲取及并行處理、基于數(shù)字孿生技術(shù)的狀態(tài)量虛實(shí)映射、電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征提取及監(jiān)測。

2 電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號獲取及并行處理

基于上文構(gòu)建的監(jiān)測架構(gòu)，首先利用無線傳感技術(shù)獲取到電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號，設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)量主要包括溫度、電流、電壓。采用ASKF/A7R7 溫度傳感器、IHFA-A5F5 電流傳感器以及IOUF-A5F5 電壓傳感器采集到設(shè)備溫度、電流和電壓信號。將溫度傳感器安裝在電力設(shè)備靠近電源處，將電流傳感器與電壓傳感器接入到電力設(shè)備主線上，根據(jù)實(shí)際情況對傳感器的掃描頻率、掃描周期以及掃描范圍等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，通過網(wǎng)絡(luò)接口將無線傳感器接入網(wǎng)絡(luò)，利用AIOU-TGS4 讀卡器自動讀取到傳感器采集到的狀態(tài)信號?？紤]到無線傳感器采集設(shè)備狀態(tài)信號過程中容易受到外界因素干擾，采集到的狀態(tài)量信號中存在較大噪聲，需要并行去除。通過集合經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解原始信號，獲取幾階基本模態(tài)分量，利用閾值區(qū)分信號模態(tài)分量中的有用部分和噪聲部分，實(shí)現(xiàn)噪聲信號濾波處理，其用公式表示為：

式中，y 表示去噪后的設(shè)備狀態(tài)量信號；i 表示基本模式分量數(shù)量；ei表示經(jīng)過閾值處理后的基本模式分量；n 表示基本模式分量長度。通過信號重構(gòu)，獲取到無噪聲的電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)量信號。

3 基于數(shù)字孿生技術(shù)的狀態(tài)量虛實(shí)映射

利用數(shù)字孿生技術(shù)對獲取到的狀態(tài)量信號虛實(shí)映射，建立電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)孿生模型。首先根據(jù)電力設(shè)備規(guī)格、長度、寬度等數(shù)據(jù)建立電力設(shè)備幾何模型，將設(shè)備對應(yīng)的屬性值添加到幾何模型上，并建立數(shù)據(jù)接口，構(gòu)建狀態(tài)量數(shù)據(jù)信號與孿生模型的聯(lián)系。將電力設(shè)備運(yùn)行行為、邏輯在模型中體現(xiàn)和集成，使實(shí)際電力設(shè)備與虛擬電力設(shè)備初步融合，然后采用“條件- 狀態(tài)- 事件”構(gòu)建電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)字孿生模型，表示為：

式中，F(xiàn)U 表示數(shù)字孿生電力設(shè)備；TU 表示實(shí)際電力設(shè)備；? 表示實(shí)際電力設(shè)備與數(shù)字孿生電力設(shè)備對應(yīng)映射關(guān)系；IP 表示數(shù)字孿生電力設(shè)備幾何模型集合；YH 表示數(shù)字孿生電力設(shè)備物理屬性集合；RT 表示數(shù)字孿生電力設(shè)備運(yùn)行邏輯模型集合；MK 表示數(shù)字孿生電力設(shè)備運(yùn)行動作行為集合；← 表示電力設(shè)備運(yùn)行邏輯、運(yùn)行行為在幾何模型中關(guān)聯(lián)集成；? ?表示自然連接。WE 表示需滿足的數(shù)字孿生電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時屬性集；PO 表示匹配的狀態(tài)模式；BN表示狀態(tài)模式與電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時屬性集匹配時電力設(shè)備運(yùn)行行為。將獲取的狀態(tài)量信號導(dǎo)入到上述模型中，即可實(shí)現(xiàn)對狀態(tài)量虛實(shí)映射。

4 電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征提取及監(jiān)測

利用關(guān)聯(lián)規(guī)則在上文建立的數(shù)字孿生模型中構(gòu)建規(guī)則庫，描述正常狀態(tài)下電力設(shè)備運(yùn)行邏輯。將電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征關(guān)聯(lián)規(guī)則形式定義如下：

式中，D 表示電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征關(guān)聯(lián)規(guī)則的條件；K 表示關(guān)聯(lián)規(guī)則；V 表示關(guān)聯(lián)結(jié)果，即電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征。將關(guān)聯(lián)到的狀態(tài)特征與規(guī)則庫中的規(guī)則進(jìn)行比對，計算得到狀態(tài)特征與參考特征比對，計算出兩種特征相似度，其計算公式為：

式中，RYF 表示當(dāng)前電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)特征與參考狀態(tài)特征相似度；UK 表示電力設(shè)備狀態(tài)特征可信度；BK表示表示電力設(shè)備狀態(tài)特征的支持度；ε 表示10kV配電網(wǎng)中第g 個電力設(shè)備的關(guān)聯(lián)結(jié)果；δ 表示參考規(guī)則；GVN 表示規(guī)則庫中狀態(tài)量數(shù)量；POK 表示規(guī)則庫中關(guān)聯(lián)條件的事物數(shù)量。在此設(shè)定一個監(jiān)測閾值，如果相似度大于該閾值，則表示電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)與規(guī)則庫中正常運(yùn)行狀態(tài)相似度較高，運(yùn)行狀態(tài)為正常；反之則為異常狀態(tài)。根據(jù)閾值確定電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，輸出監(jiān)測結(jié)果，進(jìn)而完成10kV 配網(wǎng)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。

5 實(shí)驗(yàn)論證

5.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及設(shè)計

為了檢驗(yàn)本次提出方法的可靠性，選擇某10kV配電網(wǎng)為實(shí)驗(yàn)環(huán)境。該配電網(wǎng)供電規(guī)模較大，電力設(shè)備共計100 臺，其中包括SIFH-AF75 發(fā)電機(jī)5 臺、AOFJ/A6F4 變壓器8 臺、ISYRFA-A4F7 電壓互感器與AIATJA-A4F5 電流互感器各5 臺、OUFAR-A4F5接觸器5 臺、PASUI-AF87 電動機(jī)5 臺、FAUT/A5F5隔 離 開 關(guān)27 臺，ETWTY-A4F5 斷 路 器5 臺，IYFA-A5G8 熔斷器8 臺，母線27 段，每段1 000 m，該配電網(wǎng)電機(jī)容量為200 KN。大部分電力設(shè)備使用時間已經(jīng)超過了5 年，長期燮荷運(yùn)行下經(jīng)常發(fā)生短路故障、斷路故障等，符合實(shí)驗(yàn)需求。選擇傳統(tǒng)方法作為對比方法。實(shí)驗(yàn)中利用IAFY-A7F4 放電干擾器對該配電網(wǎng)電力設(shè)備進(jìn)行干擾，產(chǎn)生干擾信號，分別為氣泡放電、雷擊放電、懸浮放電以及油中放電等。此次實(shí)驗(yàn)采用IEC600261：2010 標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備了溫度傳感器、電流傳感器以及電壓傳感器各10 臺，實(shí)驗(yàn)時間為30 h，共采集到0.26GB 電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)量信號，通過數(shù)據(jù)并行處理后得到0.23GB 信號。具體監(jiān)測結(jié)果見表1。

從表1 可以看出，監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際情況基本一致，說明本次設(shè)計方法可以完成配電網(wǎng)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測任務(wù)。

表1 10kV 配網(wǎng)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測結(jié)果

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

以響應(yīng)時間、漏檢率作為監(jiān)測方法響應(yīng)性能和準(zhǔn)確性能的評價指標(biāo)。以電力設(shè)備數(shù)量作為變量，每次監(jiān)測時間為30 min，在監(jiān)測周期內(nèi)對監(jiān)測結(jié)果響應(yīng)時間進(jìn)行記錄，以獲取到電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)量信號為起始時間，以監(jiān)測結(jié)果輸出時間為結(jié)束時間，使用電子表格對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄，具體數(shù)據(jù)見表2。

從表2 可以看出，設(shè)計方法響應(yīng)時間比較短，響應(yīng)速度比較快，雖然響應(yīng)時間會隨著監(jiān)測對象數(shù)量的增加而有所延長，但是增長幅度比較小，最短響應(yīng)時間為0.09 s，當(dāng)監(jiān)測對象數(shù)量達(dá)到100 個時，設(shè)計方法響應(yīng)時間僅為0.37 s，可以將監(jiān)測響應(yīng)時間燮制在1 s 以內(nèi)，數(shù)值較小，基本可以忽略不計，說明設(shè)計方法可以實(shí)現(xiàn)對配電網(wǎng)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測。傳統(tǒng)方法響應(yīng)時間相對比較長，響應(yīng)速度比較慢，并且響應(yīng)時間會隨著監(jiān)測對象數(shù)量的增加而大幅度延長。因此實(shí)驗(yàn)證明了在響應(yīng)性能方面，設(shè)計方法優(yōu)于兩種傳統(tǒng)方法。

表2 三種方法監(jiān)測響應(yīng)時間對比（s）

其次對精度進(jìn)行評價，漏檢率是評價監(jiān)測方法的一個重要精度指標(biāo)，也是漏檢次數(shù)與監(jiān)測總次數(shù)的比值，可以反映出配電網(wǎng)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測中的漏檢情況。實(shí)驗(yàn)以監(jiān)測時間為變量，每10 h 統(tǒng)計一次漏檢次數(shù)。漏檢率對比圖見圖1。

從圖1 可以看出，設(shè)計方法的漏檢率較低，平均漏檢率為0.79%，雖然漏檢率會隨著監(jiān)測時間的增加而不斷增大，但是增長幅度比較小，基本可以將漏檢率燮制在1%以內(nèi)，符合相關(guān)規(guī)范要求。傳統(tǒng)方法在配電網(wǎng)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測中漏檢率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計方法。因此本次實(shí)驗(yàn)證明了，在精度方面設(shè)計方法也優(yōu)于傳統(tǒng)方法，更適用于10kV 配網(wǎng)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測。

圖1 三種方法漏檢率對比圖

6 結(jié)論

針對傳統(tǒng)方法存在的不足和缺陷，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到10kV 配電網(wǎng)電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測中，提出了一個新的監(jiān)測思路，并通過實(shí)驗(yàn)論證了該思路的可行性與適用性，有效縮短了電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測響應(yīng)時間，提高了電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測精度，實(shí)現(xiàn)了對傳統(tǒng)方法的優(yōu)化與創(chuàng)新。