基于北斗衛星通信導航的電力應急搶修指揮系統設計

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化[2]和改進。通過上述分析可知，電力應急搶修指揮系統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同模型；最后將改進粒子群算法與協同優化算法相結合，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，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星通信導航的電路應急搶修指揮系統。實驗結果表明，所設計系統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的硬件設計

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

北斗衛星通信導航平臺主要由監測模塊、故障提取與轉發模塊、路徑規劃模塊、調度中心模塊構成，整體架構如圖1 所示。

圖1 北斗衛星通信導航平臺整體架構

1）監測模塊

監測模塊由數據采集單元、監控單元、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；監控單元負責判斷信號的運行狀態，運行異常的信號即為故障信號；傳輸單元則將故障位置、故障發生時間、故障頻率以電子格式傳輸給故障提取與轉發模塊；北斗用戶機主要負責信號的精準授時[6]。

2）故障提取與轉發模塊

電力故障一般采用人工處理流程，這種傳統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，北斗衛星通信導航平臺通過故障提取與轉發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作處理問題。

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

3）路徑規劃模塊

作為北斗衛星通信導航平臺中的核心模塊，路徑規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、分析來執行相應的應急搶修判決。

2 軟件設計

僅僅設計出北斗衛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。

2.1 故障定位

監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為北斗衛星下行導航電文；t3為計算衛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代表比例環節；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小；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 算法的路徑規劃

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

1）設P為節點p～節點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，通過將電力系統信息狀態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，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，電力系統狀態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時間三個要素。采用指標函數[12]表達電力系統故障的影響，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取；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點，向下生成決策樹，將應急狀態劃分為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，此時需要實時監測并實施預防和維護措施。

Ⅱ級指標：電力系統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的動態調度，此時應實施正確有效的緊急控制和修復措施。

Ⅲ級指標：電力系統的多項屬性指標同時發生嚴重越限，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星通信導航的電力應急搶修指揮系統的整體有效性，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 節點模擬環境中搭建電力系統節點分布模型，如圖3 所示，其中節點之間的長度單位為km。

圖3 電力系統節點分布模型

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星通信導航的電力應急搶修指揮系統。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。