電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)

崔夢璐

（國網(wǎng)冀北電力有限公司廊坊供電公司，河北 廊坊 065000）

0 引 言

電力系統(tǒng)作為現(xiàn)代社會的基礎(chǔ)設(shè)施，其安全、穩(wěn)定的運行關(guān)系到社會經(jīng)濟的正常運轉(zhuǎn)。然而，隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大和技術(shù)復(fù)雜性的增加，電網(wǎng)運行狀態(tài)的監(jiān)測與預(yù)警顯得越來越重要。如何有效進行電網(wǎng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，準確預(yù)警可能出現(xiàn)的風(fēng)險，是當(dāng)前電力系統(tǒng)運營管理面臨的重要挑戰(zhàn)。

1 電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測的基本理論與技術(shù)

1.1 電網(wǎng)運行狀態(tài)評估的基本理論

電網(wǎng)運行狀態(tài)評估作為電網(wǎng)運行管理的核心環(huán)節(jié)，主要依賴于電網(wǎng)狀態(tài)估計理論和電網(wǎng)穩(wěn)定性分析理論。電網(wǎng)狀態(tài)估計理論通過應(yīng)用最小二乘法、加權(quán)最小二乘法等數(shù)學(xué)方法，處理電力系統(tǒng)運行測量值，以估計電網(wǎng)的狀態(tài)變量，如節(jié)點電壓幅值、相角等。這樣可以全面掌握電網(wǎng)的實時運行狀態(tài)，為電網(wǎng)運行的決策提供精確的依據(jù)。電網(wǎng)穩(wěn)定性分析理論則專注于電網(wǎng)在受到各種擾動（故障、負荷變化等）后的反應(yīng)，主要研究電網(wǎng)是否能保持運行參數(shù)在正常范圍內(nèi)變化，或在擾動消失后是否恢復(fù)到穩(wěn)定運行狀態(tài)[1]。暫態(tài)穩(wěn)定性分析、小擾動穩(wěn)定性分析和電壓穩(wěn)定性分析等都屬于穩(wěn)定性分析的范疇，且其結(jié)果是電網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出預(yù)警信號的重要依據(jù)。

1.2 電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)

電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測的關(guān)鍵技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)采集技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和狀態(tài)評估技術(shù)。

1.2.1 數(shù)據(jù)采集技術(shù)

對電網(wǎng)的運行參數(shù)進行實時、準確、連續(xù)的采集是狀態(tài)監(jiān)測的基礎(chǔ)。如使用傳感器對電壓U、電流I、頻率f等進行采樣，采樣頻率需要滿足奈奎斯特采樣定理，即采樣頻率fs至少為信號最大頻率fmax的2倍，以保證信號的正確還原，即

1.2.2 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

數(shù)據(jù)預(yù)處理通常包括濾波、歸一化等操作。例如，對電流信號I進行歸一化處理，即

式中：Imin和Imax分別為電流信號的最小值和最大值。

濾波通常使用如低通濾波器，其傳遞函數(shù)為

式中：fc為截止頻率；j為虛數(shù)單位。

1.2.3 狀態(tài)評估技術(shù)電網(wǎng)的實時狀態(tài)通常由一組復(fù)雜的非線性方程來描述，而狀態(tài)估計就是求解這些方程。最常用的方法是基于牛頓-拉夫森方法的最大似然估計，求解目標函數(shù)，首先寫出樣本的似然函數(shù)，再進行對數(shù)化處理，得到對數(shù)似然函數(shù)，再進行參數(shù)求解，過程較繁復(fù)，在此不作贅述。

2 電網(wǎng)運行狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

在設(shè)計電網(wǎng)運行狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)的架構(gòu)時，需要考慮系統(tǒng)的功能需求、性能要求以及系統(tǒng)的可擴展性。一個典型的電網(wǎng)運行狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)可能包括如圖1所示的幾個部分，重點介紹以下幾層。

圖1 電網(wǎng)運行狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)

（1）數(shù)據(jù)采集層。這一層的主要任務(wù)是從各個監(jiān)測點收集電網(wǎng)的運行數(shù)據(jù)，如電壓、電流、頻率等，并將這些數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)采集層需要有足夠的帶寬以支持大量數(shù)據(jù)的實時傳輸，同時需要有較高的可靠性保證數(shù)據(jù)的完整性。

（2）數(shù)據(jù)處理層。數(shù)據(jù)處理層負責(zé)對收到的數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)整合等操作。這一層需要有強大的數(shù)據(jù)處理能力，能夠快速處理大量數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)分析層。這一層負責(zé)對處理后的數(shù)據(jù)進行分析，包括運行狀態(tài)評估、異常檢測、故障預(yù)測等。數(shù)據(jù)分析層需要使用各種先進的算法和模型，因此需要有強大的計算能力[2]。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理模塊設(shè)計

數(shù)據(jù)采集的主要目標是從電網(wǎng)系統(tǒng)中收集各種運行數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)通常由位于電網(wǎng)各節(jié)點的傳感器提供。因此，傳感器的選型與部署尤為重要。本研究選擇的傳感器類型等信息如表1所示。

表1 傳感器的選型與部署

在數(shù)據(jù)采集模塊中，各種傳感器實時采集電網(wǎng)運行狀態(tài)參數(shù)，如電流、電壓、溫度以及頻率等，然后將這些數(shù)據(jù)通過有線或無線方式發(fā)送到數(shù)據(jù)處理模塊。

一方面，數(shù)據(jù)處理模塊需要進行數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)清洗主要是對數(shù)據(jù)進行異常值檢測和處理，如使用三西格瑪原則進行異常檢測。異常值處理可以根據(jù)具體情況選擇刪除、插值等方法。數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換主要是將收集的各種格式的數(shù)據(jù)統(tǒng)一為可以進行數(shù)據(jù)分析的格式。

另一方面，數(shù)據(jù)處理模塊需要進行數(shù)據(jù)聚合和數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)聚合是根據(jù)需要將數(shù)據(jù)進行適當(dāng)?shù)慕y(tǒng)計和匯總，如統(tǒng)計每分鐘、每小時或每天的平均電壓、最高電流等。數(shù)據(jù)分析則需要根據(jù)電網(wǎng)運行的特性和需求，使用各種統(tǒng)計分析方法和數(shù)據(jù)挖掘方法，如時間序列分析、關(guān)聯(lián)規(guī)則分析、聚類分析等，對電網(wǎng)運行狀態(tài)進行深入研究[3]。

例如，如果使用時間序列分析，可以采用自回歸移動平均模型進行描述。該模型的一般形式為

式中：Xt為時間t的數(shù)據(jù)；αi和βi為參數(shù)；εt為時間t的誤差項。

2.3 用戶交互與信息展示模塊設(shè)計

用戶交互與信息展示模塊設(shè)計是電網(wǎng)運行狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分，目的是以直觀、有效的方式向用戶提供電網(wǎng)的運行狀態(tài)信息，并接收用戶的操作指令[4]。

在用戶界面設(shè)計中，需要考慮信息的展示方式。一般來說，電網(wǎng)的狀態(tài)信息包括各種電氣參數(shù)（電壓、電流、頻率等）、設(shè)備的工作狀態(tài)、系統(tǒng)的運行狀態(tài)等。這些信息應(yīng)該以直觀易懂的方式展示給用戶，以幫助他們快速理解電網(wǎng)的當(dāng)前狀態(tài)。這可以通過圖表、圖像、報表等方式實現(xiàn)。例如，可以用報警列表展示系統(tǒng)的預(yù)警信息等，如圖2所示。

圖2 用戶交互與信息展示示例

同時，為方便用戶對電網(wǎng)進行操作和管理，用戶界面需要提供各種操作功能，如設(shè)備的遠程控制、參數(shù)設(shè)定、故障處理等。這些操作功能應(yīng)該設(shè)計成易于使用的方式，如按鈕、菜單、對話框等。

3 電網(wǎng)運行狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)的實施與應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)實施步驟與要點

實施電網(wǎng)運行狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)的過程需要遵循一系列關(guān)鍵步驟。首先，在需求分析和系統(tǒng)設(shè)計階段，深入理解電網(wǎng)運行特點和需求，明確系統(tǒng)主要功能和性能指標，并完成系統(tǒng)架構(gòu)和各模塊設(shè)計，確保滿足實時性、穩(wěn)定性、可靠性和易用性等應(yīng)用需求。其次，在系統(tǒng)實施和調(diào)試階段，通過編寫測試軟件程序、安裝調(diào)試硬件設(shè)備等方式，采用功能測試、性能測試、壓力測試和穩(wěn)定性測試等多角度驗證，確保系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。再次，進入系統(tǒng)運行和運維管理階段，對系統(tǒng)進行運行監(jiān)控、性能優(yōu)化、故障處理和定期維護更新，同時建立完善的運維體系和管理機制，以保障系統(tǒng)的持續(xù)正常運行[5]。最后，通過對系統(tǒng)運行效果的評估，包括系統(tǒng)性能、穩(wěn)定性、可靠性和用戶滿意度等指標，根據(jù)評估結(jié)果對系統(tǒng)進行優(yōu)化和改進，進一步提升系統(tǒng)的整體性能。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用效果與案例分析

實踐中，該電網(wǎng)運行狀態(tài)預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)在多個電網(wǎng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用，并取得了顯著效果。以某地區(qū)電網(wǎng)為例，實施該預(yù)警系統(tǒng)后能夠?qū)崟r監(jiān)測電網(wǎng)的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)異常，大大提高了電網(wǎng)的運行安全性和穩(wěn)定性。在該地區(qū)電網(wǎng)運行中，預(yù)警系統(tǒng)成功捕獲了幾次關(guān)鍵的電網(wǎng)運行異常，通過對異常的快速響應(yīng)，避免了可能發(fā)生的嚴重后果。

4 結(jié) 論

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大和運行方式的復(fù)雜化，電網(wǎng)運行狀態(tài)的監(jiān)測與預(yù)警成為保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要手段。經(jīng)過深入研究與實踐，電網(wǎng)運行狀態(tài)的監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)取得了顯著進步，能夠有效實現(xiàn)電網(wǎng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、準確評估和及時預(yù)警，對于防止電力事故、提高電力供應(yīng)可靠性具有重要意義。