基于小波變換的電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能分析方法

王登峰，陳銀江，張軍喜，雷鵬舉，李學斌

（1.國網(wǎng)寧夏電力有限公司，寧夏 銀川 750001；2.北京中電普華信息技術(shù)有限公司，北京 100085）

電力營配系統(tǒng)的主要任務(wù)是處理電力營銷過程中出現(xiàn)的故障、營銷權(quán)限等一些具有爭議性的問題，提高電力企業(yè)的營銷效果以及應(yīng)用效果[1-2]。系統(tǒng)在運行過程中容易出現(xiàn)錯誤，因此電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性尤為重要，一旦系統(tǒng)失去暫態(tài)穩(wěn)定性，那么電力營配系統(tǒng)將不具有任何意義[3]。

傳統(tǒng)的電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能分析方法只對電力營配系統(tǒng)的暫態(tài)特征進行一次提取，導致電力營配系統(tǒng)暫態(tài)特征的有效性降低了，使電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能分析結(jié)果出現(xiàn)偏差，極易出現(xiàn)無法挽回的損失[4]。

該文基于電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的原理，對電力營配系統(tǒng)暫態(tài)進行兩次特征提取，并構(gòu)建系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性評估模型，保證電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能分析結(jié)果的準確性。

1 暫態(tài)穩(wěn)定性智能評估分析

1.1 分折電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定規(guī)律

電力營配系統(tǒng)的穩(wěn)定性是平衡電力各種發(fā)電機的輸入機械轉(zhuǎn)矩和輸出電磁轉(zhuǎn)矩之間的穩(wěn)定性，保證電力設(shè)備按照一定的轉(zhuǎn)速進行工作，促使電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行，如果電力設(shè)備的轉(zhuǎn)速或者其他參數(shù)發(fā)生微小變化，就會導致電力營配系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性出現(xiàn)波動，一旦波動持續(xù)，電力營配系統(tǒng)會失去穩(wěn)定性，產(chǎn)生周期性混亂[5]。電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定規(guī)律如圖1 所示。

圖1 電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定規(guī)律

電力運行與配電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定原理的實質(zhì)是電力運行與配電系統(tǒng)的運行特性，主要表現(xiàn)為擺動曲線形式。當電力運行和配電系統(tǒng)處于暫態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)時，擺動曲線將根據(jù)電力設(shè)備的轉(zhuǎn)速和功角形成周期性的擺動曲線，即當系統(tǒng)處于非暫態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)時，電力設(shè)備的擺度曲線為非周期曲線[6-7]。電力營配系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定軌跡如圖2 所示。

圖2 電力營配系統(tǒng)暫態(tài)不穩(wěn)定軌跡

電力設(shè)備在運行過程中，原動機對軸系施加機械轉(zhuǎn)矩，使發(fā)電機產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，當受到外界干擾后，若機械轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩，則存在加速轉(zhuǎn)矩。在設(shè)備加速轉(zhuǎn)矩形成的同時，會出現(xiàn)設(shè)備間的摩擦力、空氣阻力、摩擦損耗，進而加快或者降低設(shè)備的運轉(zhuǎn)速度，所以根據(jù)機械質(zhì)量守恒原理，綜合設(shè)備運行影響因素，設(shè)計電力營配系統(tǒng)設(shè)備的凈加速轉(zhuǎn)矩計算公式，如下所示：

其中，Tm表示原動機對軸系施加機械轉(zhuǎn)矩；Te表示電磁轉(zhuǎn)矩；J表示設(shè)備轉(zhuǎn)子慣量；Ta表示設(shè)備加速度；ωm表示發(fā)電機轉(zhuǎn)子的機械角速度[8]。

電力營配系統(tǒng)的功角對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性起到一個約束的作用，當功角的數(shù)值在搖擺曲線的極值處，則表示電力系統(tǒng)內(nèi)部處于一個暫態(tài)穩(wěn)定性的狀態(tài)，但是一旦功角處于搖擺曲線的其他位置，則系統(tǒng)處于暫態(tài)穩(wěn)定性失衡的狀態(tài)。功角的有效范圍為0°～180°，功角為90°時系統(tǒng)處于最佳暫態(tài)穩(wěn)定性，電力營配系統(tǒng)的功角趨近于90°表示系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性平穩(wěn)，趨近于0°表示系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性失衡于電力系統(tǒng)機械功率，當功角趨近于180°時，代表系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性失衡于電力功效。具體功角的計算公式如下所示：

其中，H表示慣用時間常數(shù)；ω0表示轉(zhuǎn)子角速度；表示相對于同步旋轉(zhuǎn)坐標系的轉(zhuǎn)子角位移；表示設(shè)備平均機械轉(zhuǎn)矩；表示平均電磁轉(zhuǎn)矩。

綜合對電力營配系統(tǒng)加速轉(zhuǎn)矩的轉(zhuǎn)速和功角計算分析，最終搖擺曲線的規(guī)律公式如下所示：

其中，Pm表示電力營配系統(tǒng)總輸出功率；Pe表示電力營配系統(tǒng)有效功率；其他參數(shù)與上文意義相同[9-10]。

1.2 構(gòu)建智能評估模型

該文通過支持向量特征方法完成電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性特征的提取，提取過程如下：

在電力營配系統(tǒng)的所有特征中隨機提取一個特征輸入，訓練出一個特征向量形式，然后將此特征在電力系統(tǒng)特征序列表中清除，則支持向量額特征的的權(quán)向量將發(fā)生變化，根據(jù)電力系統(tǒng)參數(shù)的變化大小確定相應(yīng)特征的重要程度[11-12]。將各個全變量進行遞歸處理，每個周期去除一個多余的特征向量，以此得出剩余的特征向量，再重復此操作，計算出其他的特征向量，最終得到系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性特征的排序列表。

根據(jù)支持向量特征提取原理，得出的提取目標函數(shù)如下所示：

其中，n表示系統(tǒng)特征個數(shù)；h表示信號頻譜幅值。

綜合電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性目標特征函數(shù)和評估錯分率，歸納出最終的狀態(tài)評估模型如下所示：

其中，α表示正確的分辨率；k表示kappa 的統(tǒng)計值；u表示特征向量所表示積分的面積；∈1、∈2表示錯分率。

根據(jù)以上評估模型可得出4 種電力暫態(tài)穩(wěn)定性狀態(tài)結(jié)果，如表1 所示。

表1 暫態(tài)穩(wěn)定性狀態(tài)結(jié)果

既然是評估模型就一定存在評估正確和錯誤兩種結(jié)果，所以該文為了提高評估模型的準確率，在特征目標函數(shù)的基礎(chǔ)上增加一個錯分率疊加判斷。錯分率是評估結(jié)果的一個界限，并且該文采用兩次評估的共同結(jié)果作為最終的評估結(jié)果，它可以有效地避免評估模型在評估過程中出現(xiàn)誤差情況的發(fā)生。文中設(shè)計的錯分率有兩種類型，第一類錯誤概率是初次評估電力營配系統(tǒng)暫態(tài)為穩(wěn)定性，而第二次評估電力營配系統(tǒng)暫態(tài)為非穩(wěn)定性[13-14]。第二類錯誤概率是初次評估電力營配系統(tǒng)暫態(tài)為非穩(wěn)定性，而第二次評估電力營配系統(tǒng)暫態(tài)為穩(wěn)定性，具體表現(xiàn)公式如下所示：

其中，p(x|ω1)表示第一類樣本分布概率密度函數(shù)；p(x|ω2)表示第二類樣本分布概率密度函數(shù)。

2 暫態(tài)穩(wěn)定性智能分析方法

2.1 小波變換算法分析

小波變換算法也被稱為CWT，物理學家根據(jù)小波變換理論和函數(shù)可以自由平移和伸縮的特點，將小波函數(shù)根據(jù)實際情況進行不同尺度的信號變換，變換計算公式如下所示：

其中，a表示函數(shù)的不同尺度；φ表示函數(shù)的極值；τ表示函數(shù)移動位移的長度；x（t）表示小波變換函數(shù)的待分析信號。

小波變換函數(shù)的對應(yīng)頻域函數(shù)公式如下所示：

其中，X（ω）表示小波變換后傅里葉函數(shù)；ω表示函數(shù)的相位。

小波變換算法的應(yīng)用要滿足一定的函數(shù)條件，小波變換函數(shù)面向的對象無論是什么，變換函數(shù)尺度越小表示信號變化過程中的冗余信息量越小，變換效率越高，對應(yīng)函數(shù)的變化頻域范圍越大[15]。

2.2 智能分析流程

根據(jù)小波變換算法和電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性原理以及電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能評估模型，該文總結(jié)出完整的基于小波變換的電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能分析方法流程，具體過程如圖3 所示。

圖3 基于小波變換的電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能分析流程

1）對需要分析的電力營配系統(tǒng)通過支持向量特征方法提取特征值，將提取的特征列表帶入文中構(gòu)建的電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性評估模型中，評估電力營配系統(tǒng)所處的暫態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)；

2）根據(jù)實際情況采集電力營配系統(tǒng)的模擬信號以及離散數(shù)字信號，計算出小波變換函數(shù)諧波的振幅、相位等相關(guān)參數(shù)，構(gòu)建小波變換函數(shù)；

3）根據(jù)小波變換函數(shù)完成電力營配系統(tǒng)信號的智能分析，分解出信號的頻帶和基波分量，利用小波變換函數(shù)和系統(tǒng)暫態(tài)評估模型完成電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性的評估[16]。

3 實驗分析

通過以上分析，完成基于小波變換的電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能分析方法的研究，為了檢驗此分析方法是否具有意義，該文進行了對比實驗完成驗證，文中采用的對比實驗是基于多屬性決策樹的電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定規(guī)則提取方法（傳統(tǒng)方法），共同完成實驗分析。

為了保證實驗的公正性和科學性，該文將對同一個數(shù)據(jù)庫中的兩個電力運行和配電系統(tǒng)同時進行相同情況下的暫態(tài)穩(wěn)定分析實驗。用兩臺計算機將新的分析方法輸入到每臺計算機的數(shù)據(jù)庫中。工作人員將提前檢查兩種分析方法的運行環(huán)境，以防止實驗過程中的事故和影響，實驗結(jié)果如圖4 所示。由于人工記錄的數(shù)據(jù)會有一定的誤差，該文通過兩種分析方法連接的計算機，記錄和監(jiān)控了智能化電力運行和配電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析方法的分析過程。測試結(jié)束后，自動匯總測試的相關(guān)數(shù)據(jù)，如分析時間、分析準確度等，評價結(jié)果以表格的形式呈現(xiàn)。

圖4 分析時長實驗結(jié)果

分析結(jié)果實驗誤差如表2 所示。

表2 分析結(jié)果實驗誤差

實驗結(jié)果表明，兩個分析方法都提交分析結(jié)果為指令，結(jié)束實驗，開始清算實驗數(shù)據(jù)，最終得出的實驗結(jié)果是基于小波變換的電力營配系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性智能分析方法比傳統(tǒng)的基于多屬性決策樹的電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定規(guī)則提取方法用時短，并且分析結(jié)果準確性高。

該文在實驗前，最大限度地排除了影響實驗的干擾因素，使實驗結(jié)果具有一定的意義。總體而言，基于小波變換的智能暫態(tài)穩(wěn)定分析方法的各個過程具有很強的相關(guān)性，提高了分析方法的效率。產(chǎn)生這種結(jié)果的主要原因是在傳統(tǒng)分析方法的過程中，該文加入了一種智能化的電力運行與配電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定評估模型，將特征選擇法和權(quán)向量算法相結(jié)合，完成了電力運行與配電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的初始特征評估，為電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的智能分析方法提供了準確的分析數(shù)據(jù)。此外，該文還利用小波變換算法建立了配電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定評估模型的混淆矩陣。如果在評估中存在誤差，通過該過程可以檢測出誤差，提高了配電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定智能分析結(jié)果的準確性。綜上所述，基于小波變換的智能暫態(tài)穩(wěn)定分析算法意義重大，分析結(jié)果準確有效。

4 結(jié)束語

研究了基于小波變換的配電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定智能分析方法，并通過實驗分析，驗證了該文分析方法比傳統(tǒng)分析方法更為準確，達到了預期的效果，促進了配電系統(tǒng)的發(fā)展。