基于競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變電站集中監(jiān)控全面監(jiān)視周期分類方法

張宇澤，張心潔，劉憲栩，王 建

(國網(wǎng)天津市電力公司城西供電分公司，天津 300190)

0 引 言

變電站全面監(jiān)視是指值班監(jiān)控員對所轄集中監(jiān)控變電站進(jìn)行全面的巡視檢查，巡視檢查內(nèi)容包括變電站設(shè)備運(yùn)行工況等。全面監(jiān)視的時間要求為330 kV及以上變電站每值至少兩次，220 kV及以下變電站每值至少一次。對于供電公司而言，所轄各變電站的運(yùn)行工況水平、運(yùn)行特點(diǎn)、發(fā)生缺陷的可能性各異，采用同樣的全面監(jiān)視周期不利于提高集中監(jiān)控工作的效率和管理水平。

《天津市電力公司監(jiān)控運(yùn)行管理規(guī)定》中指出“下列情況，值班監(jiān)控員應(yīng)對相關(guān)受控站及設(shè)備加強(qiáng)監(jiān)視，縮短巡回檢查周期：新設(shè)備投運(yùn)后；設(shè)備發(fā)生嚴(yán)重缺陷時；雷雨、大風(fēng)、大霧、冰雹等惡劣天氣時……”。該規(guī)定僅針對電網(wǎng)或設(shè)備運(yùn)行遇到特殊情況，對于正常情況下如何確定各變電站的監(jiān)視周期未作說明。隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展，變電站的數(shù)量和規(guī)模不斷擴(kuò)大，差異化制定變電站集中監(jiān)控全面監(jiān)視周期，對重要性較高、運(yùn)行隱患較多的變電站有針對性地加強(qiáng)監(jiān)視力度，使用有限的監(jiān)控值班人力資源完成日益增長的變電站監(jiān)視工作量，成為了供電公司普遍面臨的問題之一。

在分析了變電站集中監(jiān)控全面監(jiān)視周期影響因素的基礎(chǔ)上，提出了基于競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變電站集中監(jiān)控全面監(jiān)視周期分類方法。根據(jù)各變電站的固有屬性，利用人工智能手段對變電站的全面監(jiān)視周期進(jìn)行分類，提高集中監(jiān)控工作的質(zhì)量和效率，提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性。

1 變電站集中監(jiān)控全面監(jiān)視周期影響因素

變電站集中監(jiān)控全面監(jiān)視周期的影響因素按影響作用由大到小包括以下幾個方面：

1)變電站電壓等級。電壓等級越高，變電站供電面積越大，在電網(wǎng)中起到的樞紐作用越大，變電運(yùn)維人員巡視周期越短，相應(yīng)地，全面監(jiān)視周期也應(yīng)越短。

2)變電站集中監(jiān)控缺陷發(fā)生頻次。集中監(jiān)控缺陷包括可以通過監(jiān)控系統(tǒng)告警窗發(fā)現(xiàn)的集中監(jiān)控缺陷和無法通過告警窗發(fā)現(xiàn)的集中監(jiān)控缺陷。前者例如某斷路器“測保裝置異常”信號動作、某主變壓器“本體輕瓦斯告警”信號動作等；后者例如某段母線電壓遙測值不能正常刷新、某主變壓器分接頭遙調(diào)失敗、主變壓器油溫遙測值異常等。集中監(jiān)控缺陷如未能及時發(fā)現(xiàn)處理，可能引起變電站設(shè)備故障跳閘、保護(hù)越級動作、變電站全停等嚴(yán)重后果，因此變電站集中監(jiān)控缺陷發(fā)生的頻次越高，越應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視，縮短全面監(jiān)視周期。

3)設(shè)備運(yùn)行情況。設(shè)備運(yùn)行情況主要取決于設(shè)備當(dāng)前存在的缺陷情況、設(shè)備運(yùn)行隱患和運(yùn)行年限。若設(shè)備存在缺陷而未完成消缺(尚未超出處缺時限)，已知設(shè)備存在家族性缺陷，某些預(yù)試數(shù)據(jù)接近、達(dá)到或超過規(guī)程中的注意值，設(shè)備有不良工況記錄[1]，設(shè)備運(yùn)行年限較長時，則應(yīng)縮短全面監(jiān)視周期。

4)變電站重要程度。變電站重要程度主要取決于所在區(qū)域供電等級(A+、A、B、C、D、E)和所供用戶中是否含有重要用戶、敏感用戶、電采暖用戶、防汛用戶和其他保電用戶等。變電站所在區(qū)域供電等級越高，所供負(fù)荷中包含上述用戶級別越高、數(shù)量越多，則重要程度越高，用戶對電網(wǎng)供電可靠性的要求越高，則設(shè)備故障跳閘或由于存在缺陷等原因被迫停運(yùn)造成的后果越嚴(yán)重，因此應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視力度，即安排較短的全面監(jiān)視周期。

5)變電站運(yùn)行環(huán)境。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗，室內(nèi)設(shè)備發(fā)生缺陷的概率明顯低于室外設(shè)備。若變電站為室外站，周邊環(huán)境較為惡劣，處于重污區(qū)、重冰區(qū)，經(jīng)常遭受強(qiáng)風(fēng)、雷雨、冰雪等天氣，則應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)監(jiān)視力度，縮短全面監(jiān)視周期。

6)變電站設(shè)備平均負(fù)載情況。設(shè)備平均負(fù)載率越高，發(fā)生母線電壓越下限、主變壓器油溫超過允許值等缺陷的可能性越大，相應(yīng)地應(yīng)縮短全面監(jiān)視周期，及時發(fā)現(xiàn)并排除隱患。

以上內(nèi)容中，變電站電壓等級、所在區(qū)域供電等級、變電站所供用戶中是否含有重要用戶等、變電站集中監(jiān)控缺陷日志、設(shè)備存在缺陷而未完成消缺的情況、設(shè)備負(fù)載情況等信息由調(diào)度專業(yè)掌握；設(shè)備運(yùn)行隱患、運(yùn)行年限和變電站運(yùn)行環(huán)境等信息由變電運(yùn)檢專業(yè)掌握。

2 競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只有2層，其結(jié)構(gòu)如圖1。競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中輸出層又稱為核心層。x1，x2，…，xm為輸入神經(jīng)元，y1，y2，…，yn為輸出神經(jīng)元。在一次計算中，只有1個輸出神經(jīng)元獲勝，獲勝的神經(jīng)元標(biāo)記為1，其余輸出神經(jīng)元均標(biāo)記為0[2]，即“勝者為王，敗者為寇”。最初，輸入層到輸出層的權(quán)值是隨機(jī)給定的，每個輸出層神經(jīng)元獲勝的概率相同，但最后會產(chǎn)生一個興奮最強(qiáng)的輸出神經(jīng)元。該神經(jīng)元“戰(zhàn)勝”了其他神經(jīng)元，在權(quán)值調(diào)整過程中其興奮程度得到進(jìn)一步加強(qiáng)，而其他神經(jīng)元的興奮程度保持不變。競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過這種方式獲取訓(xùn)練樣本的分布信息，每個訓(xùn)練樣本都對應(yīng)一個獲勝神經(jīng)元，也就是對應(yīng)一個類別。

圖1 競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)規(guī)則是由內(nèi)星規(guī)則發(fā)展而來的Kohonen規(guī)則[3]，其基本原理如下：假設(shè)網(wǎng)絡(luò)輸入層包含m個輸入神經(jīng)元x1，x2，…，xm，輸入向量記為X=[x1，x2，…，xm]，即每個樣本為一個m維向量。輸出層包含n個輸出神經(jīng)元y1，y2，…，yn，輸出向量記為Y=[y1，y2，…，yn]。網(wǎng)絡(luò)權(quán)值ω為一個m×n的矩陣。三者之間的關(guān)系為

Y=Xω

(1)

在n個輸出神經(jīng)元中必有一個取得最大值，成為獲勝神經(jīng)元。假設(shè)獲勝神經(jīng)元為yk，則相應(yīng)的權(quán)值按式(2)進(jìn)行調(diào)整[2]：

Δωik=η(xi-ωik)yk

(2)

式中，η為學(xué)習(xí)步長。

網(wǎng)絡(luò)權(quán)值以η為步長向輸入的樣本值xi靠近。在下一輪計算中，yk以更大的概率勝出成為獲勝神經(jīng)元。當(dāng)η取適當(dāng)值時，網(wǎng)絡(luò)權(quán)值經(jīng)過逐步學(xué)習(xí)最終等于輸入樣本向量。競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)接收其他輸入樣本，每一個樣本都對應(yīng)一個獲勝神經(jīng)元，并使對應(yīng)的權(quán)值向量向輸入向量方向調(diào)整。相似的輸入樣本對應(yīng)同一個獲勝神經(jīng)元，表示它們被劃分為同一類；該神經(jīng)元對應(yīng)的權(quán)值向各個輸入向量的方向做調(diào)整，最終穩(wěn)定為輸入向量的平均值[2]。

3 基于競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變電站集中監(jiān)控全面監(jiān)視周期分類方法

由前面論述可知，變電站集中監(jiān)控全面監(jiān)視周期的影響因素包括變電站電壓等級、集中監(jiān)控缺陷發(fā)生頻次、設(shè)備運(yùn)行情況、變電站重要程度、變電站運(yùn)行環(huán)境和設(shè)備平均負(fù)載情況6個方面。按照下列步驟進(jìn)行變電站集中監(jiān)控全面監(jiān)視周期的分類。

1)將上述6個方面因素進(jìn)行量化。電壓等級方面，220 kV、110 kV和35 kV變電站的電壓等級指數(shù)分別定義為4、2、1。集中監(jiān)控缺陷發(fā)生頻次方面，定義集中監(jiān)控缺陷發(fā)生頻次指數(shù)為該座變電站投運(yùn)后平均每年發(fā)生集中監(jiān)控缺陷的次數(shù)。設(shè)備運(yùn)行情況方面，定義所有變電站的設(shè)備運(yùn)行情況指數(shù)初始值為0，設(shè)備每存在一項嚴(yán)重缺陷、一般缺陷而未完成消缺時分別加1、0.5，設(shè)備存在運(yùn)行隱患時視情況加0～1，變壓器、母線、斷路器等主要設(shè)備運(yùn)行年限在20年以上、10～20年、5～10年、5年以下時分別加1、0.5、0.25、0.125。變電站重要程度方面，定義所有變電站的重要程度指數(shù)初始值為0，所在區(qū)域供電等級為A+、A、B、C、D、E分別加1、0.5、0.25、0.125、0.1、0.075，所供用戶中每包含一個重要用戶、敏感用戶分別加0.5、0.25，每包含一個電采暖用戶或防汛用戶加0.1，每包含一個其他保電用戶視情況加0.1～0.5。變電站運(yùn)行環(huán)境方面，定義所有變電站的運(yùn)行環(huán)境指數(shù)初始值為0，室外站和室內(nèi)站分別加1、0.5，室外站視周邊環(huán)境惡劣程度加0～1，視所在地區(qū)氣候情況加0～1。設(shè)備平均負(fù)載方面，定義變壓器平均負(fù)載率為0.75以上、0.5～0.75、0.25～0.5、0.25以下時設(shè)備平均負(fù)載指數(shù)分別4、2、1、0.5。需說明，各供電公司可根據(jù)自身特點(diǎn)和供電要求確定各項指標(biāo)的評分標(biāo)準(zhǔn)。通過以上指標(biāo)量化方法，每座變電站可用一個六維特征向量表示，即

Si=[si1,si2,si3,si4,si5,si6]

(3)

式中：Si表示第i座變電站的特征向量；si1、si2、si3、si4、si5、si6分別表示第i座變電站的電壓等級指數(shù)、集中監(jiān)控缺陷發(fā)生頻次指數(shù)、設(shè)備運(yùn)行情況指數(shù)、重要程度指數(shù)、運(yùn)行環(huán)境指數(shù)和設(shè)備平均負(fù)載指數(shù)。

2)建立自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)文獻(xiàn)[4-6]，變電站巡視周期分類宜分為3～5類，相應(yīng)的值班監(jiān)控員全面監(jiān)視周期亦宜分為3～5類。這里選擇將變電站集中監(jiān)控全面監(jiān)視周期分為4類進(jìn)行論述，各供電公司可根據(jù)實(shí)際情況及特點(diǎn)合理選擇分類類別數(shù)。由于輸入向量維數(shù)為6，因此設(shè)置自組織特征映射網(wǎng)絡(luò)的輸入層神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)數(shù)為6個。網(wǎng)絡(luò)競爭層選用2×2六邊形結(jié)構(gòu)，即最終分類的類別數(shù)為4類。網(wǎng)絡(luò)的競爭層包含4個節(jié)點(diǎn)，訓(xùn)練完畢后，每一個輸入向量，即每座變電站，屬于一個競爭層節(jié)點(diǎn)。

3)使用Matlab工具箱函數(shù)competlayer實(shí)現(xiàn)競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)聚類。代碼如下：

x0=[s11,s21,s31,…,sn1;

s12,s22,s32,…,sn2;

s13,s23,s33,…,sn3;

…

s16,s26,s36,…,sn6];

net=competlayer(4);

net.trainParam.epochs=400;

tic

net=train(net,x0);

Toc

y=net(x0);

classes=vec2ind(y)

4)根據(jù)競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)給出的分類結(jié)果，確定每座變電站的全面監(jiān)視周期。

4 仿真分析

選擇某地區(qū)電網(wǎng)共35座變電站作為算例進(jìn)行仿真分析，各變電站的屬性如表1所示。

表1 某地區(qū)電網(wǎng)變電站

使用所提出的方法進(jìn)行分類，結(jié)果如表2所示。

表2 變電站巡視周期分類結(jié)果

由表2可看出，S6、S9、S27、S33共4座變電站被劃分為第1類，S8、S10、S17、S32、S34共5座變電站被劃分為第2類，S2、S3、S4、S5、S21、S28共6座變電站被劃分為第4類，其他20座變電站被劃分為第3類，驗證了所提方法的有效性。分類結(jié)果完全取決于變電站本身實(shí)際情況，不受主觀因素影響。

5 結(jié) 語

針對差異化制定變電站集中監(jiān)控全面監(jiān)視周期問題，首先分析了變電站全面監(jiān)視周期的影響因素，按影響作用由大到小包括變電站電壓等級、集中監(jiān)控缺陷發(fā)生頻次、設(shè)備運(yùn)行情況、變電站重要程度、變電站運(yùn)行環(huán)境和設(shè)備平均負(fù)載6個方面。電壓等級越高，集中監(jiān)控缺陷發(fā)生頻次越高，設(shè)備運(yùn)行情況越差，變電站重要程度越高，運(yùn)行環(huán)境越惡劣，設(shè)備平均負(fù)載率越高，越應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)視力度，縮短全面監(jiān)視周期。

提出了基于競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的變電站集中監(jiān)控全面監(jiān)視周期分類方法，其步驟可概括為：將變電站全面監(jiān)視周期的6個影響因素進(jìn)行指標(biāo)量化，得到表征每座變電站全面監(jiān)視周期影響因素的六維特征向量；建立競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，輸入層神經(jīng)元個數(shù)為6個，輸出層神經(jīng)元個數(shù)取變電站全面監(jiān)視周期想要分類的類別數(shù)；使用Matlab工具箱函數(shù)competlayer實(shí)現(xiàn)競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類；根據(jù)競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)給出的分類結(jié)果，確定每座變電站的全面監(jiān)視周期。

所提方法可利用競爭神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)變電站集中監(jiān)控全面監(jiān)視周期的科學(xué)合理分類，為供電公司差異化安排變電站集中監(jiān)控全面監(jiān)視周期提供技術(shù)支撐。