基于信息物理系統(tǒng)的電壓不平衡度及電能質(zhì)量分析預(yù)警方法研究

鄒文駿 曹張保 楊力戰(zhàn)

(1.蘇州市軌道交通集團有限公司運營一分公司， 215128， 蘇州； 2.上海玖道信息科技股份有限公司杭州分公司，310012， 杭州∥第一作者， 工程師)

電能質(zhì)量對地鐵設(shè)備的穩(wěn)定運行意義重大。三相電壓不平衡度作為電能質(zhì)量的重要因子，是地鐵供電專業(yè)現(xiàn)場維護人員非常關(guān)注的重要指標(biāo)[1-3]。文獻[4-5]借助于信息技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，對地鐵供電設(shè)備三相電壓不平衡度進行全面監(jiān)測，并優(yōu)化不同設(shè)備電壓不平衡度的預(yù)警方式，以保障地鐵供電設(shè)備的穩(wěn)定運行，實現(xiàn)信息世界與物理世界之間的相互反饋。文獻[6]對電能質(zhì)量擾動分類特征選擇標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,泛化能力差,分類效果與分類效率不好等問題進行了優(yōu)化。

基于上述文獻，本文提出以CPS(信息物理系統(tǒng)) 為理論指導(dǎo)，以三相電壓不平衡度計算方法為依據(jù)，采用專家經(jīng)驗、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)手段，實現(xiàn)電壓不平衡度閾值的動態(tài)確定、實時計算和及時預(yù)警。在此基礎(chǔ)上，提出供電設(shè)備電能質(zhì)量多指標(biāo)綜合評分模型，結(jié)合熵值法確定各指標(biāo)的權(quán)值，計算得出設(shè)備的電能質(zhì)量得分。然后采用專家經(jīng)驗法與深度殘差收縮網(wǎng)絡(luò)法相結(jié)合的方式確定電能質(zhì)量的閾值,并提出3種預(yù)警層級應(yīng)用方法，以實現(xiàn)對供電設(shè)備的電能質(zhì)量管理。

1 基于CPS的三相不平衡應(yīng)用

1.1 CPS的三相不平衡概念

CPS技術(shù)將信息世界與物理世界耦合起來，結(jié)合變電所自動化系統(tǒng)監(jiān)測得到的電壓有效值，提升了常規(guī)三相電壓不平衡度檢測方式的工作效率。該檢測以5 min為1個采樣周期，24 h晝夜不間斷地對三相電壓不平衡度進行計算。GB/T 15543—1995《三相電壓允許不平衡度》規(guī)定,電力系統(tǒng)公共連接點正常電壓的不平衡度允許值為2%，同時規(guī)定其短時的電壓不平衡度不得超過4%。定義電壓不平衡度的指標(biāo)為相電壓不平衡度P：

P=[max(UA,UB,UC)-

min(UA,UB,UC)]/Uavg

(1)

(2)

式中：

UA、UB、UC——分別為同一時刻監(jiān)測得到的A相、B相、C相電壓；

Uavg——平均相電壓。

基于CPS理論，可以實現(xiàn)地鐵供電系統(tǒng)中設(shè)備三相不平衡度的全面監(jiān)測管理。地鐵供電系統(tǒng)作為一個大型的物理系統(tǒng)，需要確保列車牽引用電及動力照明用電的安全。傳統(tǒng)的地鐵供電運維管理方式較為粗放，經(jīng)常導(dǎo)致設(shè)備維保工作的滯后。采用信息系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)批量計算技術(shù)，對設(shè)備的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，能及時發(fā)現(xiàn)三相電壓不平衡度的變化情況，向工作人員發(fā)出預(yù)警信息。物理系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的閉環(huán)反饋是CPS的核心應(yīng)用體現(xiàn)，使得設(shè)備運行更為健康。

三相電壓不平衡度的CPS應(yīng)用如圖1所示，主要體現(xiàn)了CPS的3C功能：計算(Computation)、通信(Communication)和控制(Control)。信息系統(tǒng)對獲取的電壓有效值，經(jīng)過大數(shù)據(jù)計算引擎，實現(xiàn)電壓不平衡度的規(guī)則計算，并對超過不平衡度允許值的設(shè)備發(fā)出及時預(yù)警。根據(jù)現(xiàn)場工作人員對設(shè)備的維護反饋信息，完成對不平衡度允許值計算規(guī)則的更新，實現(xiàn)對電壓峰值的關(guān)注與判定，從而更好地完善設(shè)備的電壓不平衡度管理,并制定其維保計劃。

圖1 電壓不平衡度的CPS應(yīng)用示意圖Fig.1 CPS application diagram of voltage unbalance

通過三相電壓不平衡度的CPS理論閉環(huán)應(yīng)用，能高效地完成電壓不平衡度計算、閾值確定(依據(jù)專家經(jīng)驗法、深度殘差收縮網(wǎng)絡(luò)法)、及時預(yù)警等工作。

1.2 不平衡度允許值的調(diào)整方法

實際應(yīng)用中，對海量的設(shè)備時序數(shù)據(jù)進行三相電壓不平衡度計算，會頻繁出現(xiàn)報警的情況。冗余的報警內(nèi)容會削弱對設(shè)備維保業(yè)務(wù)的實際幫助作用。因此，確定合理閾值意義重大。

1.2.1 采用專家經(jīng)驗法確定閾值

專家經(jīng)驗法是一種靈活的閾值設(shè)定方法，根據(jù)業(yè)務(wù)人員的經(jīng)驗積累，對關(guān)注的重點設(shè)備設(shè)定較高的預(yù)警值。例如，設(shè)定重點設(shè)備的不平衡度閾值為10%，從而降低設(shè)備的預(yù)警頻次。如圖2所示，專家經(jīng)驗法可對重點設(shè)備發(fā)生的高不平衡度情況及時予以關(guān)注，從而改善其不平衡情況。

圖2 專家經(jīng)驗法確定設(shè)備預(yù)警閾值的流程Fig.2 Process of expert experience method determining equipment early warning threshold

依據(jù)專家經(jīng)驗法確定閾值，設(shè)備在實際工作中的預(yù)警情況較好，但該閾值的設(shè)定受專家的主觀因素影響。深度殘差收縮網(wǎng)絡(luò)機器學(xué)習(xí)方法能實現(xiàn)客觀閾值的計算，可與專家經(jīng)驗法互補，共同確定閾值。

1.2.2 采用深度殘差收縮網(wǎng)絡(luò)法確定閾值

深度殘差收縮網(wǎng)絡(luò)法是一種采用注意力機制自動設(shè)置閾值的方法，能夠客觀地確定閾值。該方法通過建立小型的子網(wǎng)絡(luò)，學(xué)習(xí)得到一組三相電壓不平衡度的閾值，再進行特征的軟閾值化。軟閾值化是很多信號降噪算法的核心步驟，其計算式為：

(3)

式中：

f——軟閾值化的函數(shù)表達；

s——特征；

τ——某個閾值。

f的意義是將絕對值小于等于某個閾值的特征刪除掉，將絕對值大于該閾值的特征朝著數(shù)值0的方向進行收縮。軟閾值化能夠減小深度學(xué)習(xí)算法遭遇梯度彌散和梯度爆炸的風(fēng)險。

子網(wǎng)絡(luò)確定閾值的步驟如下：①對輸入特征圖的所有特征，求出特征的絕對值，如本文的特征為三相電壓不平衡度；②經(jīng)過全局平均池化，得到1個特征，記為A；③在另一條路徑中，全局平均池化后的特征圖被輸入到1個小型的全連接網(wǎng)絡(luò)中。該全連接網(wǎng)絡(luò)以Sigmoid函數(shù)作為最后一層，將輸出的數(shù)據(jù)量綱一化到(0,1)，獲得1個系數(shù)，記為α；④最終閾值可以表示為αA。

綜上所述，將專家經(jīng)驗法和深度殘差收縮網(wǎng)絡(luò)法相結(jié)合，可實現(xiàn)主客觀結(jié)合，讓專家經(jīng)驗法在機器學(xué)習(xí)輸出閾值的基礎(chǔ)上，調(diào)整至更為合理的閾值，從而實現(xiàn)高精度的報警。

1.3 預(yù)警告警方案

常規(guī)的預(yù)警方案下，一旦達到閾值,供電智能運維系統(tǒng)將發(fā)出告警。使用上述兩種方法對閾值進行優(yōu)化后，降低了預(yù)警的頻次，提高了預(yù)警的精確度，減少了不必要的告警關(guān)注，提高了對告警內(nèi)容的處理效果。

然而，僅僅針對三相電壓不平衡度進行閾值告警仍有所欠缺。雖然三相電壓不平衡度是電能質(zhì)量的重要告警指標(biāo)，但它僅是單因子指標(biāo)。為此，本文進一步提出了電能質(zhì)量評價的多維度因子指標(biāo)體系，用以提升電能質(zhì)量的綜合分析評判效果。

2 電能質(zhì)量分析評判

2.1 熵值法確定指標(biāo)權(quán)值

2.1.1 采用熵值法確定各指標(biāo)權(quán)值的步驟

1) 選取i個評價樣本及每個樣本的j個指標(biāo)，得到第i個設(shè)備第j個指標(biāo)的指標(biāo)值xij，構(gòu)成矩陣X。對于每個評價指標(biāo)，指標(biāo)值之間的差距越大，則該指標(biāo)在綜合評價中所起到的作用越大。如果某個指標(biāo)的指標(biāo)值全部相等，則該指標(biāo)在綜合評價中不起作用。

(4)

2) 各個指標(biāo)的收斂速度、精度、度量衡等可能不統(tǒng)一，因此需要對指標(biāo)結(jié)果進行量綱一化處理。設(shè)x為矩陣X的每列具體值，xmin、xmax分別為x中的最小值和最大值，則量綱一化處理方法將原始矩陣X中的元素計算轉(zhuǎn)化為：

(5)

3) 計算每個樣本在具體指標(biāo)xij中所占據(jù)的比重pij為：

(6)

式(4)中的元素經(jīng)式(6)進行比重轉(zhuǎn)換后，xij變?yōu)閜ij，形成由pij構(gòu)成的新矩陣數(shù)據(jù)項。

4) 計算指標(biāo)熵值ej和信息熵冗余度dj。其計算式分別為：

(7)

dj=1-ej

(8)

5) 計算各項指標(biāo)的權(quán)值wj。其計算式為：

(9)

根據(jù)以上步驟可計算出設(shè)備樣本中每個指標(biāo)的權(quán)值，隨之可得設(shè)備多指標(biāo)評價的綜合得分。采用熵值法確定各指標(biāo)權(quán)值，其計算的重點是對業(yè)務(wù)場景應(yīng)用矩陣的轉(zhuǎn)化，其流程圖如圖3所示。

圖3 熵值法計算指標(biāo)權(quán)值的流程Fig.3 Process of calculating index weight value by entropy method

2.1.2 電能質(zhì)量綜合得分

電能質(zhì)量的具體指標(biāo)包括電壓偏差m1、三相電壓不平衡度m2、公用電網(wǎng)諧波m3、公用電網(wǎng)間諧波m4、波動和閃變m5、電壓暫降與短時中斷m6等6個指標(biāo)。根據(jù)樣本數(shù)量構(gòu)建由這6個指標(biāo)組成的矩陣,其中：每個指標(biāo)的指標(biāo)值均可采用大數(shù)據(jù)計算引擎技術(shù)得到，再通過熵值法確定各指標(biāo)權(quán)值。設(shè)這6個指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)值分別為n1、n2、n3、n4、n5、n6，從而可計算出電能質(zhì)量評價的綜合得分S：

(10)

對上述指標(biāo)進行多重樣本反復(fù)驗證，使S更加科學(xué)地反映設(shè)備電能質(zhì)量的真實情況。同時，對地鐵供電系統(tǒng)中的中高壓設(shè)備的電能質(zhì)量進行綜合排名，能全局掌握各設(shè)備電能質(zhì)量的優(yōu)劣情況，從而制定更為合理、高效的維保計劃。

2.2 設(shè)備電能質(zhì)量的分析預(yù)警應(yīng)用

上文基于CPS的三相電壓不平衡度閾值的確定方法，可以同樣應(yīng)用于確定電能質(zhì)量的綜合得分閾值。電能質(zhì)量綜合得分越低，說明設(shè)備的電能質(zhì)量問題越嚴重。根據(jù)電能質(zhì)量綜合得分，本文提出了閾值觸發(fā)預(yù)警、評分矩陣映射預(yù)警、預(yù)警等級遷移預(yù)警3種層次遞進的預(yù)警方法。

2.2.1 閾值觸發(fā)預(yù)警

將三相電壓不平衡度這一指標(biāo)的應(yīng)用研究延伸至電能質(zhì)量綜合得分多指標(biāo)評價體系研究。專家經(jīng)驗法與深度殘差收縮網(wǎng)絡(luò)法相結(jié)合得到電能質(zhì)量綜合得分的閾值，可用于觸發(fā)供電設(shè)備電能質(zhì)量的預(yù)警。在計算得到不同設(shè)備的電能質(zhì)量綜合得分后，根據(jù)閾值調(diào)整的結(jié)果，對符合條件觸發(fā)閾值上限的供電運行設(shè)備進行預(yù)警，可為運維人員對設(shè)備進行重點維保提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

2.2.2 評分矩陣映射預(yù)警

根據(jù)評分矩陣的得分來映射預(yù)警級別，即：將得分結(jié)果分為不同區(qū)段，不同區(qū)段的得分分別對應(yīng)不同的預(yù)警等級。例如，將預(yù)警等級分為了11個層級(見表1)，可根據(jù)實際需求分別設(shè)定a1至a10的值,以進行分段劃分，并確定需要預(yù)警的等級(如AA級至AAA級均需預(yù)警)。預(yù)警層級劃分越精細，設(shè)備電能質(zhì)量的情況越明確。

表1 設(shè)備電能質(zhì)量預(yù)警評級矩陣表Tab.1 Equipment power quality early warning rating matrix

2.2.3 預(yù)警等級遷移預(yù)警

圖4是根據(jù)2021年1月至2022年2月蘇州軌道交通4號線吳江人民廣場站35 kV進線開關(guān)柜電能質(zhì)量評判的記錄，繪制得到的預(yù)警等級遷移軌跡。遷移圖可用于預(yù)警等級的變化分析，也能用來全面掌握預(yù)警等級的歷史狀態(tài)，了解該設(shè)備電能質(zhì)量的劣化趨勢。實際運維工作中，應(yīng)針對電能質(zhì)量預(yù)警等級驟然上升或持續(xù)上升的設(shè)備進行重點預(yù)警，從而對電能質(zhì)量劣化的階段進行提前干涉，以延長設(shè)備的使用壽命、提升設(shè)備的維保效率。

圖4 設(shè)備電能質(zhì)量預(yù)警等級遷移圖Fig.4 Diagram of equipment power quality early warning level migration

3 結(jié)語

本文基于CPS的三相電壓不平衡度應(yīng)用及電能質(zhì)量分析預(yù)警方法，實現(xiàn)了地鐵中高壓供電設(shè)備直觀、高效、全面的監(jiān)測，并對設(shè)備電能質(zhì)量的預(yù)警方式進行了優(yōu)化，提升了供電設(shè)備智能運維的效率，為城市軌道交通向智慧運維邁進提供了更多可能。