基于聚類融合的數字電網用電負荷智能量測系統設計

陸煜鋅，趙 云，周 密，錢 斌

（南方電網科學研究院有限責任公司，廣東廣州 510663）

聚類融合是以非監督機器學習理論為基礎的新型應用算法，可對所有聚類成員進行清晰劃分，再聯合既定函數定義式，確定融合處理的具體操作權限量。在融合函數設計方面，聚類融合可將數據參量的優化問題，轉化為信息值的平均分配與處理，一般情況下，待處理的信息參量水平越高，最終所得聚類融合結果的實際應用能力也就越強[1-2]。近年來，該算法主要被應用于電信號處理、電負荷指標測量等多個領域。

在數字電網環境中，隨著供電時間的延長，用電量與電子負荷逐漸增大，容易導致供電效果難以控制的問題。為解決此問題，傳統需求響應型電負荷量測系統在實時調控策略的支持下，確定電子傳輸量的魯棒性水平，再通過用戶用電行為引導的方式，確定相關電量節點處的電壓與電流量測水平。但該系統所需消耗的電壓差數值過高，易導致電子負荷量水平的持續走低。

為避免上述情況的發生，設計基于聚類融合的數字電網用電負荷智能量測系統，在互聯多微電網架構與Hadoop 云計算平臺的作用下，實現對電負荷融合條件的準確計算，再通過對比實驗的方式，突出該系統的實際應用價值。

1 系統硬件設計

1.1 互聯多微電網架構

互聯多微電網由光電板、風電機、逆變器、蓄電池組、電量負載等多個應用結構共同組成，如圖1 所示。其中，光電板、風電機與發電機同時位于互聯多微電網的頂層執行單元中，可在電量負載結構體的作用下，將高壓電子轉變為既定的低壓存儲形式，再借助電網信道，將這些應用電子量傳輸至既定電網元件結構之中[3-4]。數字逆變器、聚類逆變器同時位于互聯多微電網的中層執行單元中，可在感知蓄電池組現有電量轉存能力的情況下，獲取光電板中的電子應用信號，并可借助電量負載元件，控制電子量的實際傳輸流量水平。電量負載結構不具備獨立的電網執行能力，只能作為附屬元件，配合其他電網設備的實際電子轉存需求[5]。

圖1 互聯多微電網架構示意圖

1.2 智能量測電路

智能量測電路負責提供數字電網用電負荷智能量測系統所需的傳輸電子量，可在互聯多微電網架構的作用下，對第一電源、第二電源進行分布轉接，從而實現對繼電器執行設備的有效促進。IC4NE555設備作為智能量測電路中的核心應用元件，能夠干擾數字耦合元件的現有連接狀態，并可根據R1、R2電阻值的不同，對傳輸電量進行分流處理[6-7]。K1繼電器、K2繼電器同時存在于電動機M 的兩端，可通過區分正向、負向存儲電流的方式，影響D1、D2電負荷元件中應用電子的輸出連接狀態。一般情況下，待轉存的電網數字電流傳輸值越大，D1、D2電負荷元件的實際存儲能力就越強，反之則越弱。電路示意圖如圖2 所示。

圖2 智能量測電路示意圖

1.3 電網用電負荷感知模塊

用電負荷感知模塊能夠記錄數字電網環境下各類電感元件中應用電流的現有輸出水平，并可根據智能量測電路的電量應用等級，確定智能量測主機所具備的電子存儲能力。通常情況下，該模塊以TMS320LF2407A 元件作為核心搭建設備，可在聚類融合法則的作用下，確定數字電子量在單位時間內的傳輸轉存標準，并可遵照Hadoop 云計算平臺的實際處理能力，更改與數字電網空間匹配的電負荷消耗數值[8-9]。設u0代表既定時間節點處的最小電量負荷系數，un代表既定時間節點處的最大電量負荷系數，n代表單位時間內的電量轉存次數，代表數字電網環境中的智能化電子量測指標。聯立上述物理量，可將電網用電負荷感知模塊的連接執行能力定義為：

式中，Ui代表數字電網總線處的電壓負載水平，U1代表數字電網支線處的電壓負載水平，ΔT代表電子量的單位傳輸時長，Pˉ代表用電負荷指標在單位時間內的消耗均值量。

2 系統軟件設計

2.1 Hadoop云計算平臺

Hadoop 云計算平臺是數字電網用電負荷智能量測系統中的軟件執行基礎，可在聚類融合法則的作用下，通過控制電子輸入與輸出行為的方式，實現對MySQL 數據庫連接狀態的定向性干預[10]。整個電量調度單元包含MQ、Redis、File 三類執行節點，其中前兩者可記錄聚類融合法則環境下Pig1 與Pig2 節點的接入狀態，再聯合N1 與N2 兩側結構體，實現對待傳輸電子量的規劃與分配，從而避免負荷電量累積行為的出現[11-12]。Hadoop 體系位于云計算平臺最底層，包含Reduce、Hbase、Storm 三類基礎執行節點，可在感知MySQL 數據庫現有連接狀態的情況下，完成對待融合電量的提取與應用。平臺結構如圖3所示。

圖3 Hadoop云計算平臺結構圖

2.2 電網子空間聚類

電網子空間聚類的基本思想是：先將目標電負荷數據集根據聚類屬性分成若干個獨立組別，再根據特殊融合原則，將各個屬性組參量整合成全新的聚類數據集，此時的電網子空間已經得到了降維處理，一般情況下，這種聚類行為始終圍繞著電量屬性數據集進行[13]。實質上，電網子空間聚類是對所有電量信息點和電負荷屬性的同時融合處理，可以將所有待量測電子參量和其屬性描述信息看作是一個獨立矩陣[14]。設e0代表電網子空間中的初級負荷電量聚類條件，en代表電網子空間中的終極負荷電量聚類條件，聯立式（1），可將電網子空間的聚類條件定義為：

式中，β代表與聚類融合原則相關的電負荷量測系數，代表第一個輸入的數字電網負荷參量，代表第n個輸入的數字電網負荷參量，Q′代表數字電網環境中的電量負荷指標。

2.3 電負荷融合條件計算

電負荷融合條件計算是基于聚類融合數字電網用電負荷智能量測系統搭建的末尾設計環節，可在已知電網子空間聚類條件的情況下，確定電負荷指標的實際傳輸方向，從而避免非合理電量消耗行為的出現[15-16]。設j0代表階段性電子傳輸時間內的最小電量聚類融合系數，jn代表階段性電子傳輸時間內的最大電量聚類融合系數，一般情況下，由上述兩項指標限定的物理數值空間越大，數字電網主機所具備的電負荷量測能力也就越強，反之則越弱。設gmin代表數字電網環境中的最小電量負荷傳輸指標，gmax代表數字電網環境中的最大電量負荷傳輸指標，在上述物理量的支持下，聯立式（2），可將電負荷融合條件的計算結果表示為：

式中，fj代表既定的電負荷參量傳輸系數條件，ΔH代表傳輸電荷在單位時間內的變化量數值，χ代表與電信號相關的冪次項傳輸量測系數。至此，實現各項軟、硬件系統執行環境的搭建，在聚類融合算法的支持下，實現新型數字電網用電負荷智能量測系統的順利應用。

3 系統應用能力檢測

為驗證基于聚類融合數字電網用電負荷智能量測系統的實際應用價值，設計如下對比實驗。搭建數字電網應用環境，將實驗組、對照組電負荷執行主機同時接入該電量傳輸環境中，其中實驗組主機搭載基于聚類融合數字電網用電負荷智能量測系統，對照組主機搭載基于需求響應的電負荷量測系統。其他實驗條件保持不變的情況下，記錄各項電負荷量測指標的具體變化情況。

已知單位時間內的電子負荷量水平及電壓差數值均能描述數字電網主機對用電負荷指標的合理性規劃能力，一般情況下，電子負荷量水平越高、電壓差數值越小，數字電網主機對用電負荷指標的合理性規劃能力也就越強，反之則越弱。表1、表2 記錄了實驗組、對照組電子負荷量及電壓差數值的實際變化趨勢。

表1 單位時間內的電子負荷量對比表

分析表1 可知，在前兩個單位時長內，實驗組電子負荷量始終保持不斷上升的變化趨勢，從第3 個單位時長開始，這種數值變化狀態逐漸趨于穩定，全局最大值達到了8.8×1015T。對照組電子負荷量則始終保持相對穩定的波動變化狀態，全局最大值僅能達到6.6×1015T，與實驗組極大值相比，下降了2.2×1015T。綜上可知，應用基于聚類融合數字電網用電負荷智能量測系統后，單位時間內的電子負荷量出現了明顯遞增的變化狀態，可促進數字電網主機對用電負荷指標合理性規劃能力不斷增強。

分析表2 可知，隨著實驗時間的延長，實驗組電壓差數值保持先上升、再穩定、最后下降的變化趨勢，全局最大值只能達到21 V。對照組電壓差數值在整個實驗過程中始終保持不斷上升的變化趨勢，全局最大值達到了47 V，與實驗組極大值相比，上升了26 V。綜上可知，應用基于聚類融合數字電網用電負荷智能量測系統后，電壓差數值的上升趨勢得到了有效控制，實現用電負荷能力的穩定提升。

表2 電壓差數值對比表

4 結束語

文中設計了基于聚類融合的數字電網用電負荷智能量測系統，與基于需求響應的電負荷量測系統相比，應用基于聚類融合的數字電網用電負荷智能量測系統后，可在增大單位時間內電子負荷量水平的同時，控制電壓差數值的實際上升趨勢，從而促進數字電網主機對用電負荷指標合理性規劃能力不斷增強。從搭建流程的角度來看，在互聯多微電網架構、智能量測電路等多個硬件執行結構的作用下，新型用電負荷量測系統可在實現電網子空間聚類處理的同時，得到準確的電負荷融合條件計算值，具備較強的應用可行性。