高正浩，李航峰，何沛林，鄧鑰丹，陳澤瑞

（1.貴州大學 計算機科學系，貴州 貴陽 550002；2.大連理工大學 電子信息與電氣工程學院，遼寧 大連 116000；3.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550000）

0 引言

電力設備在運行時，一旦出現緊急故障[1]就會造成巨大經濟損失，因此電力應急搶修指揮技術一直是工作人員的研究重點。隨著科技水平的不斷提升，人們對電力應急搶修指揮技術也提出了更高的要求，不僅要求指揮具備實時性，還要求其具備良好的故障定位能力，而滿足這些要求的關鍵在于對電力應急搶修指揮技術做出優(yōu)化[2]和改進。通過上述分析可知，電力應急搶修指揮系統(tǒng)的研究已成為目前亟需解決的問題和人們關注的熱點。

候慧等人首先根據監(jiān)測的電力多源數據模擬出設備故障概率，以此構建電力應急搶修調度中心模型；其次結合故障類型的多樣性，采用蒙特卡洛場景生成法?縮減法得到故障位置；最后采用改進遺傳算法對模型求解，完成電力應急搶修的指揮[3]。但該方法沒有規(guī)劃最佳路徑，導致電力應急搶修時間過長。

梁海平等人首先將電力設備的負荷恢復效率作為評級指標；其次在電力設備應急搶修過程中，構建基于時間不確定的指揮協(xié)同模型；最后將改進粒子群算法與協(xié)同優(yōu)化算法相結合，通過對模型求解完成電力應急搶修的指揮[4]。該方法沒有從調度權轉移方面出發(fā)，也沒有考慮負荷損失程度，導致指揮方法的失負荷量較大。

黎振宇等人首先構建基于多元化數據的電力應急搶修指揮體系，并將二元聯系數理論對應的多類型指標投入到該體系中，實現電力數據的形式統(tǒng)一；然后考慮指標之間的內在關聯，采用基于網絡層次分析法的權重劃分法確定故障位置；最后通過投影映射法計算出故障目標的搶修順序，完成電力應急搶修的指揮[5]。然而該方法沒有滿足故障行波測距，導致故障定位效果差。

為了解決上述方法中存在的問題，本文設計一種基于北斗衛(wèi)星通信導航的電路應急搶修指揮系統(tǒng)。實驗結果表明，所設計系統(tǒng)在提高了電力故障定位效果的同時，一定程度上降低了電力應急故障搶修時間與失負荷量。

1 電力應急搶修指揮系統(tǒng)的硬件設計

電力應急搶修指揮系統(tǒng)采用北斗衛(wèi)星通信導航平臺作為硬件系統(tǒng)核心。當電力設備的運行發(fā)生緊急故障時，北斗衛(wèi)星通信導航平臺可以及時地判斷故障類型和位置，然后規(guī)劃前往故障點的最佳路徑，同時安排不同的搶修方案。

北斗衛(wèi)星通信導航平臺主要由監(jiān)測模塊、故障提取與轉發(fā)模塊、路徑規(guī)劃模塊、調度中心模塊構成，整體架構如圖1 所示。

圖1 北斗衛(wèi)星通信導航平臺整體架構

1）監(jiān)測模塊

監(jiān)測模塊由數據采集單元、監(jiān)控單元、傳輸單元與北斗用戶機構成，主要負責電力設備運行信息的雙向報文通信。數據采集單元利用其中的行波傳感器采集電力設備運行信號；監(jiān)控單元負責判斷信號的運行狀態(tài)，運行異常的信號即為故障信號；傳輸單元則將故障位置、故障發(fā)生時間、故障頻率以電子格式傳輸給故障提取與轉發(fā)模塊；北斗用戶機主要負責信號的精準授時[6]。

2）故障提取與轉發(fā)模塊

電力故障一般采用人工處理流程，這種傳統(tǒng)的模式會造成故障檢測的疏漏與延誤，因此結合故障信號信息，北斗衛(wèi)星通信導航平臺通過故障提取與轉發(fā)模塊實時提取故障信號特征[7]，解決電力設備重大故障、緊急故障、安全隱患的分工與協(xié)作處理問題。

轉發(fā)模塊將提取的故障特征在第一時間內通知給路徑規(guī)劃模塊，目的是縮短應急搶修時間。

3）路徑規(guī)劃模塊

作為北斗衛(wèi)星通信導航平臺中的核心模塊，路徑規(guī)劃模塊是以故障點與線路之間的最短距離為目標的拓撲運算。在電力應急搶修指揮過程中，大多數情況下搶修車輛無法直接到達故障點，為了減短車輛的無效行駛線路，路徑規(guī)劃模塊以實際測量的最佳點為基準構建數據庫，并將該點作為最佳路徑的目標點，從而事先規(guī)劃應急搶修路徑，提高搶修效率。

4）調度中心模塊

調度中心模塊利用北斗衛(wèi)星通信導航平臺完善的處理功能，從數據庫中提取相關的故障信息、路徑信息，然后通過對信息的排序、處理、分析來執(zhí)行相應的應急搶修判決。

2 軟件設計

僅僅設計出北斗衛(wèi)星通信導航平臺不足以完全實現電力應急搶修的指揮，故本文在此基礎上搭建軟件系統(tǒng)。

2.1 故障定位

監(jiān)測模塊一方面可以快速定位電力故障的位置，并提供準確的實時時鐘；另一方面能夠發(fā)送報文信息，報告電力設備的故障信息。故障定位具體步驟如下：

1）北斗衛(wèi)星通信導航平臺的構建與運行，需要保證其報文和授時精度可以完全滿足故障行波測距[8]的要求。故障采集通過單向授時與雙向授時同步的方式修正授時累積偏差，公式如下所示：

式中：c表示授時累積偏差；ε表示中心控制時鐘與用戶時鐘之間的時間差；mΔt表示傳輸m幀數據所需的時間；?代表傳輸信號的時延；t1為接收信號的單向零值；t2為北斗衛(wèi)星下行導航電文；t3為計算衛(wèi)星與接收信號之間的傳輸時間。

2）授時累積偏差被修正后，監(jiān)控單元將行波傳感器的行波信號分解成兩個部分，其一作為脈沖信號，其二作為行波信號。其中行波信號由傳輸單元通道進入監(jiān)控單元，被用于故障判斷。行波信號頻率變換范圍公式如下所示：

式中：x表示頻率年老化率；y表示頻率可調范圍；z0代表標準頻率；z為頻率變換范圍。

3）電力設備的故障信號可用二階函數[9]表達，公式如下所示：

式中：D代表故障信號的二階函數；L1表示比例系數；L2代表比例環(huán)節(jié)；L3表示的是積分系數；X代表輸出頻率。

4）在二階函數表達中，L1反映的是故障信號的跟蹤響應，其值越大，表明故障跟蹤超調量越??；L3反映的是故障信號的跟蹤誤差，其值越大，表明諧振頻率越高。當L1與L3的值一致時，可以得到故障位置。

2.2 基于GERT 算法的路徑規(guī)劃

得到電力故障點后，路徑規(guī)劃模塊采用圖形評審技術（GERT）規(guī)劃最佳路徑，以提高電力應急搶修指揮的效率。路徑規(guī)劃具體步驟如下：

1）設P為節(jié)點p～節(jié)點q的路徑實現概率，且完成支線所需時間概率密度為e。引入隨機變量時間和任意實數，得到應急搶修路徑的概率母函數[10]，公式如下所示：

式中：F代表概率母函數；r表示任意實數；T代表隨機變量時間。

2）每一條搶修路徑都可由參數F和T構成的網絡結構H'表達，采用一個與H'結構相似，但只包含一個傳遞函數的網絡H代替H'，傳遞函數公式如下所示：

式中f代表傳遞函數。

3）根據GERT 網絡原理，將應急搶修最佳路徑的規(guī)劃過程定義為等效函數求解過程。采用流線圖理論計算GERT 網絡的傳遞函數，得到等效函數，公式如下所示：

式中：f1表示等效函數；n代表節(jié)點之間的線路數量；l表示第l條線路；α表示流線圖中反映回路的特征值；Δl表示變化值。

4）利用等效函數的性質，計算各路徑上搶修的成功概率、風險概率[11]、生命周期方差。成功概率最大、生命周期方差較小的路徑即為規(guī)劃后的最佳應急搶修路徑，公式如下所示：

式中：P1表示成功概率；P2代表風險概率；σ代表生命周期方差；E[r]表示生命周期的期望值。

2.3 電力應急搶修指揮

調度中心模塊作為應急搶修指揮中心，通過將電力系統(tǒng)信息狀態(tài)作為關鍵指標構建事件評價體系，采用信息熵算法與決策樹識別調度狀態(tài)，以安排相應的應急搶修決策，具體步驟如下：

1）從調度權轉移方面（如圖2 所示）出發(fā)，電力系統(tǒng)狀態(tài)指標應以停電嚴重程度為主，并包含負荷損失程度、重要用戶損失比例與斷電持續(xù)時間三個要素。采用指標函數[12]表達電力系統(tǒng)故障的影響，公式如下所示：

圖2 調度權轉移體系

式中：G表示指標函數；h代表函數關系；U表示負荷損失程度；V代表重要用戶損失比例；C為斷電持續(xù)時間；M為損失的重要負荷數量；N為重要負荷數量；β表示第i、j個重要負荷的權重；Q代表重要負荷的權重。

2）將指標函數作為啟動應急搶修的依據具有一定單一性，所以需要根據不同設備在電力系統(tǒng)運行中的重要程度來控制不同權重[13]，然后將這些信號的加權作為啟動應急搶修機制的依據，公式如下所示：

式中：R表示信號的加權；χ代表權重系數，由層次分析特征值法獲??；δHL,i代表各電力設備的故障危害因子。

3）在構建決策樹分類模型過程中，需要通過加權信號的分類屬性得到分類所需信息量。設s為一個包含o個信息的集合，對應不同的類別I，則給定對象分類所需的信息量公式如下所示：

式中：J表示信息量；s表示信息個數。

4）設一個信息屬性g取k個不同的值，通過屬性g可以將J劃分為k個子集。當屬性g被選為測試屬性時，計算當前信息集合所需的信息熵[14]，公式如下所示：

式中u代表信息熵。

5）利用屬性g對決策樹分支節(jié)點實行相應集合劃分，獲得的信息增益[15]公式如下所示：

式中Z為信息增益。

6）選取信息增益最大的屬性作為節(jié)點，向下生成決策樹，將應急狀態(tài)劃分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級，分別安排不同的搶修措施，具體如下：

Ⅰ級指標：電力系統(tǒng)的屬性指標處于臨界并帶有輕微越限趨勢，使其對故障影響的抵抗能力降低，此時需要實時監(jiān)測并實施預防和維護措施。

Ⅱ級指標：電力系統(tǒng)的屬性指標具備嚴重越限趨勢，但調度中心模塊仍可以實現電力系統(tǒng)的動態(tài)調度，此時應實施正確有效的緊急控制和修復措施。

Ⅲ級指標：電力系統(tǒng)的多項屬性指標同時發(fā)生嚴重越限，調度中心模塊失去正常工作能力，此時應啟動應急指揮中心實施緊急搶救，完成電力應急搶修指揮。

3 實驗與分析

為了驗證基于北斗衛(wèi)星通信導航的電力應急搶修指揮系統(tǒng)的整體有效性，進行實驗測試。將搶修時間、故障定位效果與失負荷量作為評價指標，采用本文方法、文獻[3]方法、文獻[4]方法完成對比測試。

3.1 搶修時間

在相同的電力應急環(huán)境下，對比各方法指揮后的搶修消耗時間。搶修消耗時間越長，說明方法的搶修效率越低，指揮策略越差；搶修消耗時間越短，說明方法的搶修效率越高，指揮策略越好。

本文方法、文獻[3]方法與文獻[4]方法的搶修時間測試結果如表1 所示。

表1 不同方法的搶修時間

分析表1 可知，針對電力應急搶修的指揮，無論在哪組實驗中，本文方法指揮后的搶修消耗時間均小于文獻[3]方法與文獻[4]方法指揮后的搶修消耗時間，說明在本文方法的指揮策略下，電力應急搶修效率較高。

本文方法在電力應急搶修指揮過程中，首先確定故障點位置，然后采用GERT 算法規(guī)劃出到達故障點的最佳路徑，進而提高了應急搶修效率。

3.2 故障定位效果

在IEEE 節(jié)點模擬環(huán)境中搭建電力系統(tǒng)節(jié)點分布模型，如圖3 所示，其中節(jié)點之間的長度單位為km。

圖3 電力系統(tǒng)節(jié)點分布模型

本文方法、文獻[3]方法與文獻[4]方法的故障定位結果如圖4 所示。

圖4 不同方法的故障定位結果

分析圖4 可知：針對電力應急搶修中的故障定位，本文方法準確地定位出6 處故障點；文獻[3]方法定位出3 處故障，漏定3 處，錯誤定位1 處；文獻[4]方法只定位出2 處故障，漏定4 處，錯誤定位1 處。這說明本文方法的故障定位效果優(yōu)于文獻[3]方法與文獻[4]方法的故障定位效果。

3.3 失負荷量

失負荷量是指在各個方法應急搶修指揮后的電力設備中，可用功率小于恒定負荷需求功率的值。其值越大，說明方法的指揮性能越差；其值越小，說明方法的指揮性能越好。本文方法、文獻[3]方法與文獻[4]方法搶修指揮6 處故障點后的失負荷量變化曲線如圖5 所示。

圖5 不同方法的失負荷量曲線

通過圖5 可知，針對電力應急搶修指揮，本文方法指揮后的失負荷量明顯小于文獻[3]方法與文獻[4]方法的失負荷量。說明本文方法搶修指揮策略減少失負荷量的能力強于文獻[3]方法與文獻[4]方法，即本文方法的指揮性能優(yōu)于文獻[3]方法與文獻[4]方法的指揮性能。

4 結語

針對目前電力應急搶修指揮方法搶修時間長、故障定位效果差、失負荷量高等問題，本文提出一種基于北斗衛(wèi)星通信導航的電力應急搶修指揮系統(tǒng)。首先設計出多個模塊組成的硬件平臺；其次設計出故障點定位、搶修路徑規(guī)劃和應急搶修指揮等軟件程序，實現電力應急搶修的指揮。實驗結果表明，所設計系統(tǒng)在提高了電力故障定位效果的同時，一定程度上降低了電力應急故障搶修時間與失負荷量。