李文冬，吳其樂，張 莉，黃小泵，賀 兵，田 鵬

(1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司吳忠供電公司，寧夏 吳忠 751100；2.江蘇大全長江電器股份有限公司，江蘇 揚(yáng)中 361024；3.上海樂研電氣有限公司，上海 201802)

0 引言

供配電系統(tǒng)是供電系統(tǒng)和配電系統(tǒng)的統(tǒng)稱，其中，供電系統(tǒng)包含兩個(gè)系統(tǒng)，分別是電源和輸配電；配電系統(tǒng)是由多種配電設(shè)備和設(shè)施組成，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的變換和分配[1]。供配電系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，想要實(shí)現(xiàn)電能的供應(yīng)和分配，均需依靠中壓開關(guān)設(shè)備完成，中壓開關(guān)設(shè)備是用于實(shí)現(xiàn)中壓供配電系統(tǒng)的控制與保護(hù)的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)與中壓供電系統(tǒng)的運(yùn)行安全存在直接關(guān)聯(lián)[2]。中壓開關(guān)設(shè)備指的是中壓電力系統(tǒng)中的配電柜、發(fā)電機(jī)、變壓器、開關(guān)柜、控制箱等設(shè)備的統(tǒng)稱，其在運(yùn)行過程中，如果發(fā)生溫度過高[3]，則會導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)生不同程度的故障，影響供配電系統(tǒng)的正常電力服務(wù)的提供。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測中壓開關(guān)設(shè)備的溫度情況，是保證供配電系統(tǒng)運(yùn)行安全程度的基礎(chǔ)[4]。王永平等[5]以實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的異常發(fā)熱點(diǎn)檢測為目標(biāo)，研究基于YOLO v3的檢測方法；唐喜等[6]為實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的綜合在線監(jiān)測，研究IED在線監(jiān)測配置，實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的監(jiān)測和預(yù)警。

上述方法在應(yīng)用過程中，針對已經(jīng)發(fā)生溫度高的設(shè)備異常或者故障，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠檢測，但是在開關(guān)設(shè)備溫度上升的過程中，難以準(zhǔn)確識別尚未演變?yōu)楣收蠒r(shí)的中壓開關(guān)設(shè)備溫度上升情況，即溫度狀態(tài)感知的實(shí)時(shí)性較差，針對此，該文研究供配電系統(tǒng)中開關(guān)設(shè)備溫升在線監(jiān)測方法，該方法能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行過程中的溫度變化情況，在線掌控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)開關(guān)設(shè)備的溫度發(fā)生上升時(shí)，會發(fā)送溫升預(yù)警，及時(shí)向相關(guān)人員傳遞設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)信息，保證供配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

1 中壓開關(guān)設(shè)備溫升在線監(jiān)測

1.1 在線監(jiān)測方法

中壓開關(guān)設(shè)備溫升在線監(jiān)測方法包含兩個(gè)部分，一是開關(guān)設(shè)備溫度數(shù)據(jù)采集、二是在線監(jiān)控，在線監(jiān)控包含開關(guān)設(shè)備溫度狀態(tài)感知、紅外監(jiān)測畫面顯示和溫升預(yù)警，整體框架如圖1所示。

圖1 在線監(jiān)測方法架構(gòu)

圖1中，將溫度檢測節(jié)點(diǎn)部署在各個(gè)開關(guān)設(shè)備上，該檢測節(jié)點(diǎn)包含溫度傳感器、圖像采集裝置、紅外成像裝置、微處理器以及無線發(fā)送模塊等。檢測節(jié)點(diǎn)能夠獲取開關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)溫度信息[7]，并傳送至在線監(jiān)測模塊；在線監(jiān)測模塊通過DS證據(jù)理論融合采集溫度信息，并通過多重對抗網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行異常診斷以及數(shù)據(jù)分析，判斷是否發(fā)生溫升現(xiàn)象，感知開關(guān)設(shè)備的溫度狀態(tài)[8]，對發(fā)生溫升的開關(guān)設(shè)備進(jìn)行預(yù)警，并且通過上位機(jī)呈現(xiàn)紅外監(jiān)測畫面。

1.2 中壓開關(guān)設(shè)備狀態(tài)診斷

該文為實(shí)現(xiàn)中壓開關(guān)設(shè)備狀態(tài)診斷，將生成器、分類器和判別器融入對抗網(wǎng)絡(luò)中，形成多重對抗網(wǎng)絡(luò)(Triple Generative Adversarial Network，TGAN)模型，用于實(shí)現(xiàn)中壓開關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)的異常診斷。

1.2.1 網(wǎng)絡(luò)原理

(1)生成器

TGAN中的生成器主要作用是完成融合后溫度感知數(shù)據(jù)的分類和標(biāo)簽，與此同時(shí)，可形成樣本，其具備虛擬以及多樣性特點(diǎn)，數(shù)量為若干個(gè)；并且數(shù)據(jù)類標(biāo)簽聯(lián)合分布實(shí)現(xiàn)的前提是完成隱函數(shù)的建立[9]。z和C分別表示噪聲和開關(guān)設(shè)備狀態(tài)，將兩者輸入至生成器中，PG(z,C)=P(z|C)為輸出，其表示z和C的聯(lián)合分布。生成器形成的虛擬樣本，能夠增強(qiáng)初始訓(xùn)練集的數(shù)據(jù)以及預(yù)測類標(biāo)簽的預(yù)測性能較大程度提升。其公式為：

?θg[(1-α)E(x,y)～PG(z,C)log [D(G(y,z),y)]

(1)

式中：θ表示待更新參數(shù)，屬于生成器；(x,y)～PG(z,C)表示樣本；D(G(y,z),y)表示輸出，且為判別器判別后；α表示調(diào)節(jié)參數(shù)，且α∈(0,1)；E表示求期望。

(2)分類器

生成器中輸出的PG(z,C)和數(shù)據(jù)類標(biāo)簽通過分類器進(jìn)行配對信息的學(xué)習(xí)，對其中隱含規(guī)律進(jìn)行挖掘，實(shí)現(xiàn)中壓開關(guān)設(shè)備溫度狀態(tài)的感知[10]。真實(shí)數(shù)據(jù)類標(biāo)簽集合用(m(A),C)表示，將其和PG(z,C)同時(shí)輸入至分類器中，則輸出聯(lián)合分布PC(m(A),C)，描述開關(guān)設(shè)備的特征參數(shù)以及類標(biāo)簽[11]。

依據(jù)數(shù)據(jù)融合的特征信息，分類器能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)設(shè)備溫度狀態(tài)的感知，其計(jì)算梯度公式為：

?θc[βE(x,y)～PC(m(A),C)log [1-D(x,y)]]

(2)

式中：θc表示待更新參數(shù)，屬于分類器；D(x,y)表示判別器判別后的輸入值。

(3)判別器

判斷輸入數(shù)據(jù)類標(biāo)簽的來源是判別器的主要作用，將上述獲取的D(G(y,z),y)、D(x,y)和真實(shí)數(shù)據(jù)同時(shí)輸入判別器，經(jīng)過逐層求解后，需結(jié)合損失函數(shù)建立目標(biāo)函數(shù)[12]，保證該函數(shù)識別誤差率最小化，以此，可獲取輸入的全部數(shù)據(jù)中真實(shí)數(shù)據(jù)的分布概率。其公式為：

(3)

式中：真實(shí)數(shù)據(jù)樣本用(x,y)～PC(m(A),C)表示。

以公式(3)為基礎(chǔ)，采用隨機(jī)梯度方法，將開關(guān)設(shè)備的歷史溫度狀態(tài)數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，且保證識別誤差率的最小化；同時(shí)完成網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的更新以及誤差逆序的遍歷，且前者的數(shù)量為3。依據(jù)公式(1)和(2)可得出判別器的計(jì)算梯度公式：

(4)

式中：θd表示待更新參數(shù)，屬于判別器。

1.2.2 溫度在線感知

將采集的開關(guān)設(shè)備溫度狀態(tài)信息經(jīng)由DS證據(jù)理論融合后，獲取數(shù)組開關(guān)設(shè)備的感知獲取的溫度特征值，通過該特征值描述理論的證據(jù)體，組與組對應(yīng)；同時(shí)獲取假設(shè)情況下的基本信任分配mi(Ai)，屬于每一個(gè)證據(jù)體?；究尚哦扔胢(A)表示，結(jié)合DS證據(jù)理論對全部的mi(Ai)進(jìn)行融合，完成m(A)獲取，其計(jì)算公式為：

(5)

將m(A)、C輸入構(gòu)建的TGAN模型中，進(jìn)行前行計(jì)算，以公式(3)為優(yōu)化目標(biāo)，通過公式(1)(2)(4)完成對應(yīng)的各器參數(shù)更新，實(shí)現(xiàn)中壓開關(guān)設(shè)備溫度感知。

1.3 開關(guān)設(shè)備溫升預(yù)警

中低壓開關(guān)設(shè)備溫升是一個(gè)溫度變化的過程，該文為保證供配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，將其理解成一個(gè)溫度劣化的過程，避免在高溫影響下，開關(guān)設(shè)備發(fā)生故障[13]，因此，監(jiān)測開關(guān)設(shè)備溫度劣化過程，在該過程中監(jiān)測出預(yù)警信號，為電力系統(tǒng)提前進(jìn)行干預(yù)和檢修提供更多依據(jù)。因此，該文采用自聯(lián)想核回歸算法(Auto Associative Kernel Re-gression，AAKR)完成開關(guān)設(shè)備溫升預(yù)警。

AAKR算法能夠完成開關(guān)設(shè)備溫度多變量狀態(tài)估計(jì)，其可對開關(guān)設(shè)備的海量歷史溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模，獲取開關(guān)設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)的溫度工況矩陣，并將2.2小節(jié)獲取的感知結(jié)果和正常溫度數(shù)進(jìn)行關(guān)系擬合，得出監(jiān)測指標(biāo)[14]，當(dāng)指標(biāo)發(fā)生趨勢性的超限現(xiàn)象時(shí)，及時(shí)發(fā)送預(yù)警。

若xobs(t)=(xobs,1(t),...,xobs,1(t))表示感知的開關(guān)設(shè)備溫度狀態(tài)向量，且在t時(shí)刻；Xn,c(n×m)表示開關(guān)設(shè)備的歷史溫度狀態(tài)矩陣，其中，n為矩陣行數(shù)，代表歷史溫度狀態(tài)向量的存儲數(shù)量、m為矩陣的列數(shù)，代表開關(guān)設(shè)備溫度狀態(tài)含有的參數(shù)數(shù)量，則狀態(tài)矩陣可用公式(4)對其描述：

(6)

AAKR算法通過映射的方式對xobs(t)進(jìn)行自適應(yīng)處理，形成溫度監(jiān)測的期望值，該期望值由公式(6)決定，其獲取的方式為組合狀態(tài)向量，為：

(7)

式中：RJ表示向量空間，其維數(shù)為J。

通過公式(7)可知，在映射過程中，空間維數(shù)不會發(fā)生變化，因此映射可看成重構(gòu)計(jì)算，采用組合的方式對Xn,c(n×m)中的開關(guān)設(shè)備溫度狀態(tài)向量進(jìn)行處理，即可得出：

(8)

式中：權(quán)重系數(shù)為w(k)，描述相似性測度結(jié)果，且屬于第k個(gè)xobs(t)和Xn,c(k)。

相似性測度的求解通過高維空間映射的方式完成，將核函數(shù)內(nèi)積引入該過程中，為：

RJ×RJ→Rs.t?φ:RJ→H,

Ker(x,y)=〈φ(x),φ(y)〉

(9)

式中：映射函數(shù)用φ表示；用于實(shí)現(xiàn)RJ→H的兩空間的映射；〈·〉表示內(nèi)積運(yùn)算。

AAKR算法在運(yùn)算過程中，采用高斯函數(shù)完成w(k)的計(jì)算，其計(jì)算公式為：

(10)

式中：xobs-xn,c(k)表示距離算子，該文在對其進(jìn)行選擇時(shí)，以降低量綱差異對算法的影響，提升穩(wěn)定性為目的，選擇馬氏距離算子，其公式為：

-‖xobs-xn,c(k)‖2=(xobs-xn,c(k))TS-1

(xobs-xn,c(k))

(11)

如果每一個(gè)參數(shù)之間相互獨(dú)立，則S的表示公式為：

(12)

式中：標(biāo)準(zhǔn)差用σj表示，對應(yīng)第j個(gè)參數(shù)，屬于歷史存儲狀態(tài)向量，其可通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理完成：

(13)

式中：μj表示平均值，對應(yīng)第j個(gè)參數(shù)，其屬于Xn,c(n×m)；標(biāo)準(zhǔn)化處理的標(biāo)準(zhǔn)值用yj表示。

通過上述步驟即可獲取相似性關(guān)系確定權(quán)值，屬于實(shí)時(shí)開關(guān)設(shè)備溫度狀態(tài)感知向量與歷史存儲狀態(tài)向量之間的關(guān)系，基于此，可獲取實(shí)時(shí)的溫度狀態(tài)估計(jì)值[15]，將其與觀測值進(jìn)行對比，判斷兩者之間的殘差，是否越限，如果越限則發(fā)送溫升預(yù)警，預(yù)警流程如圖2所示。

圖2 中壓開關(guān)設(shè)備溫升在線預(yù)警流程

2 實(shí)例測試分析

選取某地區(qū)局部中壓供配電系統(tǒng)作為研究對象，該系統(tǒng)包含斷路器、隔離開關(guān)、變壓器，局部結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中溫度傳感器分別部署在每個(gè)變壓器的位置，變壓器數(shù)量為4個(gè)，每個(gè)變壓器部署3個(gè)溫度傳感器，共12個(gè)。變壓器的設(shè)定預(yù)警溫度為38 ℃。

圖3 實(shí)驗(yàn)對象開關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

為保證該文方法對開關(guān)設(shè)備溫升監(jiān)測效果，需保證該文方法采集的溫度值與實(shí)際溫度值之間的差值上下不超過1 ℃，因此，需先確定該文采用的12個(gè)溫度傳感器采集的溫度情況，結(jié)果如圖4所示。其中，實(shí)際溫度值為采用人工測溫儀測量變壓器的溫度值。

圖4 采集溫度與實(shí)際溫度的差值結(jié)果

由圖4的結(jié)果可得，該文監(jiān)測方法部署的溫度傳感器獲取的溫度值與實(shí)際測量溫度值之間的差值均在±0.6 ℃以內(nèi)，滿足使用標(biāo)準(zhǔn)，因此，傳感器獲取的變壓器溫度值能夠用于溫升在線監(jiān)測。

該文方法在感知過程中，需設(shè)定最大迭代次數(shù)，以相對誤差作為其確定標(biāo)準(zhǔn)，將相對誤差最小時(shí)的迭代次數(shù)作為最大迭代次數(shù)，結(jié)果如圖5所示。

圖5 該文方法的收斂性能測試結(jié)果

由圖5測試結(jié)果可得，隨著迭代次數(shù)的增加，相對誤差結(jié)果逐漸下降，迭代次數(shù)達(dá)到60次以后，下降趨勢顯著，當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到150次時(shí)，相對誤差結(jié)果達(dá)到最小，趨于平穩(wěn)，因此，確定該文方法的迭代次數(shù)為150次，并用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)中。

為進(jìn)一步測試該文方法的溫度信息感知效果，采用該文方法感知供配電系統(tǒng)在正常運(yùn)行和故障運(yùn)行兩種情況下的溫度狀態(tài)結(jié)果，以感知結(jié)果的殘差作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)果圖6所示。其中，標(biāo)準(zhǔn)殘差范圍在±1.5以內(nèi)。

圖6 供配電系統(tǒng)不同運(yùn)行狀態(tài)下的溫度感知測試結(jié)果

由圖6測試結(jié)果可知，該文方法在供配電系統(tǒng)正常運(yùn)行情況下，能夠可靠感知變壓器的溫度信息，其數(shù)量的增加沒有導(dǎo)致感知結(jié)果受到較大影響，標(biāo)準(zhǔn)殘差均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)變化；當(dāng)供配電系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，該文方法依舊能夠完成不同數(shù)量變壓器的溫度感知，感知結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)殘差依舊處于標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。證明該文方法具備良好的溫度感知性能。

為測試該文方法對于開關(guān)設(shè)備溫升時(shí)的預(yù)警效果，采用健康度指標(biāo)作為判斷指標(biāo)，該指標(biāo)是通過殘差構(gòu)建，其計(jì)算公式為：

(14)

(15)

式中：s和sj均表示健康度，前者對應(yīng)開關(guān)設(shè)備，后者對應(yīng)測量點(diǎn)，兩者的結(jié)果越接近1，表示設(shè)備處于正常溫度，如果該值越小表示設(shè)備的溫度發(fā)生溫升現(xiàn)象。依據(jù)該指標(biāo)獲取該文方法的預(yù)警效果；同時(shí)為測試該文方法的溫升監(jiān)測應(yīng)用性，獲取文本方法在檢測過程中，對于開關(guān)設(shè)備的監(jiān)測情況以及預(yù)警顯示界面，兩個(gè)結(jié)果均如圖7所示。

圖7 變壓器在線監(jiān)測結(jié)果

由圖7測試結(jié)果可得，當(dāng)健康度指標(biāo)發(fā)生明顯下降趨勢時(shí)，該文方法能夠及時(shí)發(fā)送預(yù)警信息，提醒開關(guān)設(shè)備發(fā)生溫升現(xiàn)象，并且在預(yù)警窗口顯示；除此之外，該文方法能夠獲取開關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)溫度情況，并且，各個(gè)開關(guān)設(shè)備的紅外圖像能夠清晰體現(xiàn)設(shè)備的實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測情況。因此，該文方法具備良好的開關(guān)設(shè)備溫升監(jiān)測效果，可實(shí)時(shí)監(jiān)測開關(guān)設(shè)備的溫度情況，能夠在溫度發(fā)生劣化的過程中及時(shí)預(yù)警，提前進(jìn)行干預(yù)和相應(yīng)處理，為供配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障。

3 結(jié)論

為避免開關(guān)設(shè)備溫度過高，引發(fā)相應(yīng)的故障，研究供配電系統(tǒng)中壓開關(guān)設(shè)備溫升在線監(jiān)測方法，及時(shí)監(jiān)測溫度劣化過程，準(zhǔn)確感知開關(guān)設(shè)備的溫度狀態(tài)，并且，在供配電系統(tǒng)發(fā)生其他故障時(shí)依舊能夠準(zhǔn)確感知開關(guān)設(shè)備的狀態(tài)，且感知結(jié)果的殘差較小，均在0.7以內(nèi)的范圍變化，并且能夠在溫度劣化過程中及時(shí)預(yù)警，有效實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的實(shí)時(shí)、在線監(jiān)測。