摘要：电网发生故障后进行快速准确的事故响应决策是电网安全运行的重要内容。为适应大量 DG 接入电网后事故处理的快速性和有效性，本文提出基于随机森林算法的事故响应决策方法。
关键词：事故响应决策；数据挖掘；输配网一体化
一、输配网一体化系统总体设计
图的显示和控制。包括地图、建筑图、设备图、线路图、变电站图的屏幕显示、无级缩放、图层控制等。实现图上查询。包括线路查询、变电站查询、开闭所查询、变压器查询、杆塔查询、跨越查询等。用户只须用鼠标点取，即可得到相应线路、变电站等的全部信息。实现图上自动模糊定位。这一部分功能一般是静态的，即由人工输入想要定位的变电站、线路、设备等，系统自动定位到该变电站、线路、设备所在区域范围并将其放大显示。如果要设计成为实时动态定位，即系统可以接受某些自动控制和检测装置的信息，一旦有故障或紧急事件发生，系统可以自动定位到故障点并放大显示，但系统设计的难度较高。实现数据管理功能。主要包括数据的输入、修改、分析、统计和打印输出等。实现图修改和输出功能。用户可以利用系统所提供的图形工具对变电站、线路、设备等图进行修改，并可以要求系统输出主线路图、一次线路图等多种图纸。实现完善的数据加密和数据安全保护。系统的加密可以防止对系统的非法使用；数据的安全保护主要是指系统可以对输入的数据和操作进行合法性检查，防止非法数据和操作对电力系统造成危害。
二、知识库
1、故障集
分析电网的典型故障和历史故障建立故障集，根据故障发生的位置分为输电网故障集和各配电网故障集。其中，输电网故障包括发电机故障、变电站故障、变压器故障、母线故障和输电线路故障等；配电网故障包括线路故障、DG故障和母线故障。为简化起见，本文暂不考虑失稳故障。
2、运行情景集
电网的运行情景是指电网可能的运行状态，包含电网运行的所有信息，如发电机出力、DG出力、负荷和电网拓扑等。由于风电和光伏DG出力与气象因素息息相关，在构建运行情景集前要先建立考虑气象因素的DG出力模型。目前，构建运行情景集的方法主要有蒙特卡洛模拟法和连续潮流法，本文采用蒙特卡洛模拟法构建运行情景集。运行情景集的构建过程如下：1)分析电网的典型运行方式和典型拓扑结构。2)在线获取实际电网的运行状态；获得负荷预测和气象数据。3)生成运行情景集中海量样本。根据负荷预测结果将各节点负荷在负荷预测峰谷范围内按均匀分布抽样；根据气象预测数据得到各DG的出力曲线，利用蒙特卡洛仿真对各DG出力和各发电机出力在可调范围内抽样。利用输配网一体化潮流计算得到各运行场景下的运行状态。
为了实现输电网全局协调、各配电网分布自治的功能，运行情景集可分为输电网运行情景集和各配电网运行情景集。其中输电网运行情景集为各发电机出力、各PCC点(输电网和各配电网的连接节点)不同功率水平组合而成的多个潮流态；配电网运行情景集为根据气象预测数据得到的各DG出力、各节点不同负荷水平组合而成的多个潮流态。
3、知识库的建立过程
知识库的建立过程如下：1)建立运行情景集和故障集。2)将运行情景集和故障集组合模拟不同运行情景下发生不同预想故障，利用输配网一体化故障最优恢复得到相应的控制策略，并记录基本特征。包括中枢点信息、裕度特征、灵敏度特征和关键断面信息等。一个运行情景、一条故障信息及相对应的基本特征量和控制策略构成知识库中一条完整知识，即知识库中一个样本，其数据结构如表1所示。3)当所有的运行情景和预想故障组合计算完毕，一体化知识库建立完成。
三、规则库
1、R软件
R软件是由Auckland大学的RobertGentleman和RossIhaka等人开发，以R语言为编程语言，具有数据处理、统计分析和可视化输出功能的开源软件。R软件因其开源性、强大的统计分析和数据挖掘等功能得到广泛应用，其优势在于提供了大量功能多样的工具包，尤其是在数据挖掘领域存在大量扩展软件包。因此，本文的数据挖掘方法将在R平台上进行。
2、利用随机森林算法建立规则库
随机森林作为一种数据挖掘算法，其核心是结合单个分类器(决策树)组合成多分类器，各分类器相互独立并最终投票产生分类结果。由于其降低了模型的复杂度，克服了单分类器精度低的不足，适合高维知识库样本集的数据挖掘。基于随机森林算法建立规则库的具体过程如下：1)将经过数据预处理后的知识库样本集划分为训练样本集和测试样本集。2)利用Bagging方法对训练样本集进行抽样，形成多个训练样本子集。由于Bagging是有放回抽样，因此约有37%的样本不会出现在训练样本集合中，这些数据称为袋外(OutofBag,OOB)数据。3)随机抽取每个样本子集中的特征作为决策树的分裂属性，利用CART算法对每个样本子集建立CART决策树。
四、算例分析
1、配电网故障
采用IEEE30节点输电网和IEEE33节点配电网构造全局电网算例，模拟配电网故障。IEEE30节点输电网中19号节点为PCC点，其他节点等值为负荷节点。IEEE33节点配电网中各节点负荷增大为原来的2倍，其含有5台DG。可中断负荷节点为15、21、24、30和31号节点，可中断比例均为60%。假设配电网中3号支路发生故障，将造成4号节点下连所有节点负荷失电和DG脱网。当配电网故障时，输配网一体化故障最优恢复同配电网孤立故障恢复得到的控制策略相比，虽然可中断负荷量增加，但其开关操作数更少、网损更小，因此前者所得的控制策略更优。
2、输电网故障
采用IEEE30节点输电网和3馈线、16节点配电网构造全局电网算例，模拟输电网故障。输电网中21、24节点为PCC点，其他节点等值为负荷节点。输电网中变压器分接头在0.95~1.05间分5档，初始位置分别为3、1、3和0；无功补偿电容器在0~0.4间分4组投切，初始组数分别为2和0；配电网中接入位置依次更改为6、7、10、11和16号节点。可中断负荷节点为5、8和9号节点，可中断比例均为60%。假设输电网中除21和24节点外其他各节点负荷增大为原来的1.15倍，28号线路发生故障。输配一体化故障最优恢复与输电网孤立故障恢复得到的故障影响及控制策略进行对比，当输电网发生故障时，输配一体化故障最优恢复与输电网孤立故障恢复得到的故障影响与控制策略均不同。由于前者计算过程中充分计及输、配网间的潮流响应，故其故障影响更准确。前者所得的控制策略可通过中断配网中的可中断负荷消除故障引起的越限，而不必切除配网中其他负荷，因此其控制策略更优。
结束语
本文提出了一种基于数据挖掘的输配网一体化事故响应决策方法。通过随机森林算法离线建立规则库、在线决策匹配实现了事故后的快速响应。经过仿真验证，得出如下结论：1)输配网一体化故障最优恢复较孤立计算得到的控制策略更有效；2)基于生成的知识库样本集，随机森林算法可以对控制策略进行分类，从而建立决策规则库；3)所提离线建立规则库、在线决策匹配较传统的事故响应决策方法更快、更有效。本文研究中仅计及了简单非失稳故障，但是所提方法同样适用于复杂非失稳故障的恢复。
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论文作者:王耀,陈江敏,朱贺,郭煌
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
标签：故障论文; 节点论文; 输电网论文; 电网论文; 负荷论文; 情景论文; 样本论文; 《电力设备》2018年第19期论文;