本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)風(fēng)險預(yù)警，特別涉及一種考慮拓?fù)渚W(wǎng)架結(jié)構(gòu)的配電網(wǎng)架空線路風(fēng)險精細(xì)化預(yù)警方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、在現(xiàn)代配電網(wǎng)系統(tǒng)中，隨著電力需求的日益增加和氣候變化導(dǎo)致極端天氣事件的頻發(fā)，配電網(wǎng)的可靠性和穩(wěn)定性面臨巨大的挑戰(zhàn)。在極端天氣條件下，例如強(qiáng)風(fēng)、暴雨、冰雪等，對配電網(wǎng)中的架空線路會帶來直接的物理損害，導(dǎo)致大范圍的電力中斷。因此，如何準(zhǔn)確預(yù)警和有效應(yīng)對這些風(fēng)險成為當(dāng)前電力系統(tǒng)亟待解決的問題。

2、傳統(tǒng)的配電網(wǎng)風(fēng)險評估和預(yù)警方法主要依賴于單一的歷史故障數(shù)據(jù)和靜態(tài)的風(fēng)險模型，而這些方法往往難以實時反映動態(tài)氣象條件對配電網(wǎng)可靠性的影響。此外，現(xiàn)有的方法普遍缺乏對配電網(wǎng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和節(jié)點差異性的精細(xì)化分析，只能給予一個粗略的全局預(yù)警，導(dǎo)致資源調(diào)度難以高效針對具體的故障區(qū)域進(jìn)行應(yīng)急響應(yīng)。

3、目前，配電網(wǎng)風(fēng)險評估中，通常采用靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和簡單的權(quán)重分批方法計算線路和節(jié)點重要性，這容易忽視不同節(jié)點的負(fù)荷等級、地理位置及其在網(wǎng)絡(luò)整體中的關(guān)鍵地位。在實際操作中，由于氣象條件變化多端，單憑靜態(tài)分析難以精確定位潛在的風(fēng)險點，導(dǎo)致預(yù)警的準(zhǔn)確度和實用性大打折扣。

4、此外，針對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部不同節(jié)點及線路的重要性缺乏定量化計算的方法，使得在極端天氣下的預(yù)警系統(tǒng)無法有效識別和優(yōu)先保護(hù)關(guān)鍵節(jié)點和重要線路，導(dǎo)致頻繁的全網(wǎng)停電事件。因此，急需一種新的方法能夠綜合考慮氣象因素、配電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點及線路的重要性，從而實現(xiàn)更為精細(xì)化、實時的風(fēng)險預(yù)警，以便電力調(diào)度中心能夠及時采取針對性的措施，減少停電范圍和經(jīng)濟(jì)損失。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供了一種配電網(wǎng)架空線路風(fēng)險精細(xì)化預(yù)警方法和系統(tǒng)，通過考慮配電網(wǎng)中邊重要性和結(jié)點的重要性，結(jié)合現(xiàn)實需要對配電網(wǎng)支路劃分預(yù)警等級。

2、為了實現(xiàn)以上發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

3、一種配電網(wǎng)架空線路風(fēng)險精細(xì)化預(yù)警方法，包括以下步驟：

4、s1、收集配電網(wǎng)不同種典型地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)包括但不限于：風(fēng)速、極大風(fēng)速、溫度、濕度、風(fēng)向和降雨量；收集對應(yīng)片區(qū)的拓?fù)浼芸站€路參數(shù)數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括：空值插值、重復(fù)觀測求均值和刪除重復(fù)數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)集；

5、s2、基于時序數(shù)據(jù)構(gòu)建配電網(wǎng)架空線路故障概率預(yù)測模型。根據(jù)架空線路參數(shù)數(shù)據(jù)以及氣象觀測數(shù)據(jù)，通過數(shù)學(xué)概率模型計算故障概率。并通過實際電網(wǎng)的故障數(shù)據(jù)對數(shù)學(xué)故障概率模型進(jìn)行修正。采用靜態(tài)拓?fù)渑c動態(tài)的氣象數(shù)據(jù)融合的方法，構(gòu)建架空線路故障概率網(wǎng)絡(luò)模型?；诓襟Es1構(gòu)建的數(shù)據(jù)集，對架空線路故障概率網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，得到故障概率預(yù)測模型。通過故障概率預(yù)測模型計算得到的每條架空線路在特定氣象條件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下發(fā)生故障的概率。

6、s3、根據(jù)配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對配電網(wǎng)的節(jié)點重要性和線路重要性進(jìn)行建模。構(gòu)建配電網(wǎng)中不同結(jié)點和不同線路的之間的無向圖，考慮節(jié)點類型和架空線路在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵作用，計算線路重要性和節(jié)點重要性；其中節(jié)點重要性包括：節(jié)點類型、負(fù)荷等級和節(jié)點發(fā)生故障時的在拓?fù)渲惺ж?fù)荷比率；

7、線路重要性考慮拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的連通關(guān)系和與之相連的節(jié)點類型。其中節(jié)點類型包括：負(fù)荷、主電源和分布式電源。節(jié)點重要性最后通過相鄰節(jié)點聚合的方式，疊加到邊的重要性上。

8、s4、將s2中預(yù)測得到的每條線路的故障概率以及s3中得到的架空線路的重要性和失負(fù)荷比率結(jié)合計算得到架空線路風(fēng)險參數(shù)指標(biāo)。根據(jù)設(shè)定的預(yù)警閾值對架空線路風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行合理性區(qū)段劃分，根據(jù)風(fēng)險指標(biāo)的分段指定預(yù)警策略。

9、進(jìn)一步地，所述s1包括：

10、s11：收集配電網(wǎng)中不同典型地區(qū)的氣象時序數(shù)據(jù)集，包括時間、地區(qū)、風(fēng)速(v)、溫度(t)、風(fēng)向角(θ)、濕度、降水量和極大風(fēng)速。收集該地區(qū)的配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和線路參數(shù)數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)映射到ieee?33節(jié)點的拓?fù)鋱D中。

11、s12：對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和預(yù)處理。首先刪除重復(fù)數(shù)據(jù)，對同一地點、同一時間步長內(nèi)的觀測值通過平均值進(jìn)行替換。采用雙線性插值法對空值進(jìn)行填充。根據(jù)時序的連續(xù)性對同一區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組，構(gòu)建步驟s2所需的數(shù)據(jù)集。

12、進(jìn)一步地，所述s2包括：

13、s21：構(gòu)建配電網(wǎng)架空線路故障概率數(shù)學(xué)模型，計算不同氣象數(shù)據(jù)下，架空線路故障概率。基于導(dǎo)線在架空輸電線路中的實際情況和機(jī)械性能特性，出于對線路組件的簡化處理，將導(dǎo)線視為鉸鏈，忽略由于導(dǎo)線長度變化導(dǎo)致的電阻變化，并假設(shè)導(dǎo)線的荷載沿長度均勻分布，故采用斜拋物線計算相關(guān)參數(shù)。在水平風(fēng)v作用下，忽略順線路方向的風(fēng)荷載，每檔導(dǎo)線上垂直于導(dǎo)線方向的水平風(fēng)荷載w1為：

14、w1＝0.625α1μ1n′ldv2sin2θ×10-3

15、式中：α1為導(dǎo)線風(fēng)壓不均勻系數(shù)；μ1為導(dǎo)線體型系數(shù)；n′為相導(dǎo)線分裂數(shù)；l為導(dǎo)線在風(fēng)荷載下的長度；d為導(dǎo)線外徑；θ為風(fēng)向與導(dǎo)線方向的夾角。在平原地區(qū)或大尺度地形環(huán)境的研究中，一般只考慮w1。但在山坡處則應(yīng)考慮導(dǎo)線上的垂直風(fēng)荷載fv為：

16、

17、式中：vv為垂直線路向上的風(fēng)速。

18、g＝n′m0gl

19、式中：m0為單位長度導(dǎo)線的質(zhì)量；g為重力加速度。

20、在風(fēng)作用下該檔導(dǎo)線的總荷載q及總比載γ分別為：

21、

22、

23、設(shè)該檔導(dǎo)線在制造溫度為t0時的原始長度為l0，在風(fēng)荷載下的導(dǎo)線長度為l，

24、

25、式中：σav為導(dǎo)線的平均應(yīng)力；e為導(dǎo)線的彈性模量；αt為導(dǎo)線的溫度膨脹系數(shù)；tm為風(fēng)荷載下的溫度。

26、根據(jù)無風(fēng)和風(fēng)荷載狀態(tài)下導(dǎo)線原始長度相等的原則，得到風(fēng)荷載狀態(tài)下導(dǎo)線的水平應(yīng)力σ0。對連續(xù)檔中的導(dǎo)線，忽略絕緣子的偏移對懸點間高差角的影響。導(dǎo)線最低點到較高桿塔的水平距離lm為：

27、

28、式中l(wèi)為該線路檔距，β為該線路懸點間高差角。

29、該檔導(dǎo)線最大應(yīng)力σm

30、

31、采用指數(shù)函數(shù)擬合輸電線路風(fēng)荷載過載斷線故障率pi與導(dǎo)線最大應(yīng)力σm和臺風(fēng)風(fēng)速v間的關(guān)系：

32、

33、式中pi是一根電線桿故障概率,σs為導(dǎo)線所能承受的極限應(yīng)力，風(fēng)荷載狀態(tài)下導(dǎo)線的水平應(yīng)力σ0與導(dǎo)線的設(shè)計應(yīng)力和導(dǎo)線安全系數(shù)μ2有關(guān)；k1和t1為與線路參數(shù)相關(guān)的常數(shù)，c1為與風(fēng)速參數(shù)相關(guān)的常數(shù)。

34、s22：構(gòu)建故障概率預(yù)測深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該網(wǎng)絡(luò)模型綜合考慮架空線路參數(shù)數(shù)據(jù)，時序的氣象數(shù)據(jù)。特征提取方法：時序數(shù)據(jù)通過雙向lstm網(wǎng)絡(luò)提取，架空線路參數(shù)數(shù)據(jù)通過嵌入的方式處理，最后兩個特征向量拼接成一個特征向量。s21中的故障概率作為網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練的真值。訓(xùn)練出故障概率預(yù)測模型。

35、進(jìn)一步地，所述s3中根據(jù)靜態(tài)拓?fù)鋵ε潆娋W(wǎng)的節(jié)點重要性和線路重要性的指標(biāo)。

36、s31：分析節(jié)點類型權(quán)重，包括電源、一級負(fù)荷、二級負(fù)荷、三級負(fù)荷和重要因子向量。

37、s32：分析拓?fù)渲泄?jié)點的重要性指標(biāo)，具體包括度中心性、接近中心性、介數(shù)中心性和特征向量中心性。

38、度中心性：

39、

40、式中deg(v)是節(jié)點v的度，即與節(jié)點v相連的邊的數(shù)量，n是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點總數(shù)。

41、接近中心性：

42、

43、其中，d(v,u)是節(jié)點v到節(jié)點u的最短路徑長度，求和是在所有與v不同的節(jié)點u上是進(jìn)行的。

44、介數(shù)中心性：

45、

46、其中σst是節(jié)點s到節(jié)點t的最短路徑數(shù)。σst(v)是經(jīng)過節(jié)點v的最短路徑數(shù)。求和是在所有節(jié)點對(s,t)上進(jìn)行的，其中s和t不等于v以避免自環(huán)。

47、特征向量中心性。

48、設(shè)a為網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣，w為特征向量，其中wi表示節(jié)點i的特征向量中心性得分。特征向量中心性的計算如下：

49、w＝λa?w

50、其中，a為網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣，w為特征向量，其中wi表示節(jié)點i的特征向量中心性得分，λ是矩陣a的最大特征值。

51、s33：考慮線路重要性，線路類型包括與電源相連的線路、重要影子向量和線路長度。對于靜態(tài)拓?fù)渲羞叺闹匾灾笜?biāo)，分析包括邊介數(shù)中心性、邊緊密中心性和特征向量中心性。

52、邊介數(shù)中心性：

53、

54、其中σst是節(jié)點s到節(jié)點t的最短路徑的總數(shù)。σst(u,v)是路徑s到t經(jīng)過邊(u,v)的最短路徑數(shù)。求和是在所有節(jié)點對(s,t)上進(jìn)行的，其中s和t不等于v以排除自環(huán)合重復(fù)的邊。

55、邊緊密中心性：

56、

57、其中，cc(u)和cc(v)分別是邊兩端節(jié)點u和u的接近中心性。

58、特征向量中心性：計算其最大特征值對應(yīng)的特征向量，最后進(jìn)行歸一化處理，使其和為1。歸一化處理方式為min-max歸一化，將數(shù)據(jù)映射到[0,1]區(qū)間。

59、

60、其中x是原始數(shù)據(jù)、min為數(shù)據(jù)最小值、max為數(shù)據(jù)最大值、x′是變換后的數(shù)據(jù)。

61、進(jìn)一步地，所述s3中進(jìn)一步包括：構(gòu)建配電網(wǎng)中不同結(jié)點和不同線路的無向圖，分析節(jié)點類型權(quán)重，進(jìn)而計算線路和結(jié)點的重要性和相關(guān)性：

62、將氣象數(shù)據(jù)預(yù)測的故障概率記為p，其本身范圍屬于0～1之間。

63、分析配電網(wǎng)中的一條支路，針對該支路計算其邊重要性和節(jié)點重要性

64、節(jié)點重要性c1：由度中心性、接近中心性、介數(shù)中心性和特征向量中心性的加權(quán)和組成。

65、將計算出來的cd(v),cc(v),cb(v),w歸一化處理，然后進(jìn)行求和得節(jié)點重要性c1，公式如下：

66、c1＝cd(v)+cc(v)+cb(v)+w

67、邊重要性c2：由邊介數(shù)中心性、邊緊密中心性和特征向量中心性的加權(quán)和組成。

68、將計算出的cb(u,v),ce(u,v),w1歸一化處理，然后進(jìn)行求和得邊的重要性c2，公式如下：

69、c2＝cb(u,v)+ce(u,v)+w1

70、節(jié)點的失負(fù)荷c3：表示當(dāng)節(jié)點發(fā)生故障時，電路中失去的負(fù)荷占配電網(wǎng)總負(fù)荷的比例，公式如下：

71、

72、式中l(wèi)i指結(jié)點i占的負(fù)荷，ls指配電網(wǎng)的總負(fù)荷。

73、由此將如上權(quán)重指標(biāo)，進(jìn)行歸一化后求和即為支路和結(jié)點的重要性c：

74、c＝p+c1′+c2′+c3′

75、根據(jù)上述重要性指標(biāo)能夠進(jìn)行精細(xì)化的閾值預(yù)警。

76、進(jìn)一步地，所述s4中：

77、s41：對重要性c進(jìn)行修正，公式如下：

78、c＝p+ω1c1′+ω2c2′+ω3c3′+c0

79、其中，ω1、ω2、ω3是權(quán)重系數(shù)，c0是主觀性權(quán)重。

80、s42：設(shè)計分級預(yù)警機(jī)制，根據(jù)風(fēng)險等級設(shè)定不同級別的預(yù)警信號，并采取相應(yīng)的應(yīng)對措施。在高級別預(yù)警時，系統(tǒng)可以自動通知相關(guān)應(yīng)急人員，并建議啟動備用電源或采取緊急措施。

81、s43：利用歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練和優(yōu)化，提高模型對突發(fā)狀況的反應(yīng)能力。實時監(jiān)控配電網(wǎng)運行狀況，并將新數(shù)據(jù)反饋至模型中，進(jìn)行迭代優(yōu)化，以持續(xù)提升模型性能。

82、s44：根據(jù)實時數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)整配電網(wǎng)各節(jié)點的權(quán)重。同時，考慮特殊事件和節(jié)日高峰期的特殊需求，動態(tài)調(diào)整配電網(wǎng)的預(yù)警等級。

83、本發(fā)明還公開一種配電網(wǎng)架空線路風(fēng)險精細(xì)化預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠用于實施上述的配電網(wǎng)架空線路風(fēng)險精細(xì)化預(yù)警方法，具體的，包括：

84、數(shù)據(jù)收集模塊：收集配電網(wǎng)的氣象數(shù)據(jù)以及電氣參數(shù)，并記錄配電網(wǎng)線路的地理位置，以獲取完整的數(shù)據(jù)輸入。

85、數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊：對收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗和預(yù)處理，包括去除重復(fù)數(shù)據(jù)、插值處理空值、以及標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。

86、拓?fù)浞治瞿K：根據(jù)配電網(wǎng)的地理信息和線路參數(shù)，構(gòu)建配電網(wǎng)架空線路的靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，生成配電網(wǎng)的靜態(tài)拓?fù)鋱D。

87、模型構(gòu)建模塊：基于配電網(wǎng)參數(shù)和氣象時序數(shù)據(jù)，構(gòu)建風(fēng)險精細(xì)化預(yù)警模型。這包括建立故障概率預(yù)測模型，以及節(jié)點和邊的重要性分析模型，以評估配電網(wǎng)的風(fēng)險。

88、計算與分析模塊：根據(jù)故障預(yù)測概率、節(jié)點的失負(fù)荷、邊的重要性和節(jié)點的重要性，進(jìn)行權(quán)重歸一化處理。通過加權(quán)求和得到支路的重要性，并根據(jù)設(shè)定的閾值進(jìn)行風(fēng)險精細(xì)化預(yù)警。

89、風(fēng)險評估模塊：根據(jù)計算結(jié)果評估配電網(wǎng)的風(fēng)險等級，設(shè)定預(yù)警閾值，進(jìn)行風(fēng)險等級分級，以識別潛在的風(fēng)險區(qū)域并發(fā)出預(yù)警。

90、預(yù)警通知模塊：根據(jù)風(fēng)險等級發(fā)出預(yù)警通知，并建議采取相應(yīng)的應(yīng)急措施。系統(tǒng)自動通知相關(guān)應(yīng)急人員，以便及時響應(yīng)風(fēng)險情況。

91、實時監(jiān)控與優(yōu)化模塊：實時監(jiān)控配電網(wǎng)的運行狀況，根據(jù)新數(shù)據(jù)進(jìn)行模型的迭代優(yōu)化。動態(tài)調(diào)整節(jié)點和邊的權(quán)重，以適應(yīng)天氣變化和特殊事件。

92、歷史數(shù)據(jù)管理模塊：管理和利用歷史故障數(shù)據(jù)進(jìn)行模型訓(xùn)練和優(yōu)化，以提高模型的泛化能力和預(yù)測準(zhǔn)確性。存儲和分析歷史數(shù)據(jù)，幫助提升系統(tǒng)對突發(fā)狀況的響應(yīng)能力。

93、本發(fā)明還公開了一種計算機(jī)設(shè)備，包括存儲器、處理器及存儲在存儲器上并可在處理器上運行的計算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述程序時實現(xiàn)上述配電網(wǎng)架空線路風(fēng)險精細(xì)化預(yù)警方法。

94、本發(fā)明還公開了一種計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計算機(jī)程序，該程序被處理器執(zhí)行時實現(xiàn)上述配電網(wǎng)架空線路風(fēng)險精細(xì)化預(yù)警方法。

95、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

96、本發(fā)明通過收集配電網(wǎng)不同典型地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)，并基于時序數(shù)據(jù)構(gòu)建故障概率預(yù)測模型，實現(xiàn)了對配電網(wǎng)故障概率的精準(zhǔn)預(yù)測。這種方法克服了傳統(tǒng)預(yù)測模型對復(fù)雜氣象條件變化不敏感的局限性，提高了預(yù)測的準(zhǔn)確性和時效性。同時，結(jié)合靜態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對架空線路故障指標(biāo)進(jìn)行修正，使配電網(wǎng)模型更加貼近實際運行情況，為風(fēng)險預(yù)警提供了堅實的基礎(chǔ)。

97、本發(fā)明充分考慮了配電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及其對故障傳播的影響。這一創(chuàng)新點使得風(fēng)險預(yù)警不僅局限于單一線路或節(jié)點的故障概率，而是能夠全面評估整個網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險狀況，從而制定出更加科學(xué)合理的預(yù)警策略。

98、本發(fā)明將配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)、氣象數(shù)據(jù)預(yù)測的故障概率、線路等級和負(fù)荷等級等多維度信息綜合考慮，通過歸一化處理不同量級的權(quán)重，最終得到配電網(wǎng)的故障預(yù)警等級。這種方法有效避免了單一因素評估的片面性，提高了風(fēng)險評估的全面性和準(zhǔn)確性。同時，根據(jù)設(shè)定的預(yù)警閾值進(jìn)行合理性評估和預(yù)警策略制定，使得預(yù)警更加及時、準(zhǔn)確，有助于提前調(diào)度適配資源，減少故障損失。

99、本發(fā)明利用節(jié)點重要性分析技術(shù)，對配電網(wǎng)中的不同節(jié)點進(jìn)行差異化處理，充分考慮了節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵性和影響范圍及其在現(xiàn)實生活中的重要程度。這一創(chuàng)新點使得制定的故障預(yù)警策略更加具有針對性，能夠更好地應(yīng)對不確定因素帶來的風(fēng)險。在預(yù)警策略實施時，可以優(yōu)先保障重要節(jié)點的供電穩(wěn)定性，減少因關(guān)鍵節(jié)點故障導(dǎo)致的連鎖反應(yīng)和擴(kuò)大化損失。