基于數(shù)據(jù)挖掘的臺區(qū)配電峰值超負荷預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

侯立興，韓林娜

（國網(wǎng)甘肅省電力公司慶陽供電公司，甘肅慶陽 745000）

由于電網(wǎng)通常處于十分復(fù)雜且惡劣的環(huán)境中，周圍各種影響因素過多，增加了電網(wǎng)超負荷的概率，因此在電網(wǎng)運行過程中必須對電網(wǎng)負荷進行預(yù)警。目前電網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)均存在單一性，只能針對某一種或幾種情況進行預(yù)警，效率十分低下且極容易漏掉某些不易察覺的問題[1]。針對目前預(yù)警系統(tǒng)存在的問題，對電力超負荷預(yù)警系統(tǒng)展開研究[2-3]。

鄭陽平[4]等人首先對船舶的電力安全狀態(tài)進行分析，并一一提取出船舶電網(wǎng)可能出現(xiàn)或已經(jīng)出現(xiàn)的電力缺陷；其次通過光傳感器收集電力系統(tǒng)的全部數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的小波信息熵辨識出目前電力系統(tǒng)的負荷狀態(tài)，利用電力安全狀態(tài)結(jié)果設(shè)計出電力負荷的預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)臺區(qū)配電峰值超負荷預(yù)警。劉豐[5]等人首先對電網(wǎng)中絕緣子的損失以及劣化情況進行分析；其次根據(jù)絕緣子的最高臨界點超負荷進行預(yù)警，并在其中加入行波技術(shù)進而設(shè)計出電力超負荷預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)臺區(qū)配電峰值超負荷預(yù)警。楊海峰[6]等人首先將電力系統(tǒng)與通信網(wǎng)進行連接，保證數(shù)據(jù)的完整，并設(shè)計出含有電力數(shù)據(jù)狀態(tài)分析處理模塊和安全認證模塊的硬件系統(tǒng)；其次設(shè)計出關(guān)于電力數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換單元，進而得出電力超負荷預(yù)警算法形成電力預(yù)警軟件系統(tǒng)，利用硬件和軟件共同對電力負荷進行預(yù)警，實現(xiàn)臺區(qū)配電峰值超負荷預(yù)警。以上三種方法受電力海量數(shù)據(jù)的影響，導(dǎo)致其中冗余數(shù)據(jù)過多，缺失數(shù)據(jù)無法刪除或修改，因此在預(yù)警過程中需要用一定時間排除無用數(shù)據(jù)，進而加長預(yù)警時間。

為了解決上述方法中存在的問題，設(shè)計了基于數(shù)據(jù)挖掘的臺區(qū)配電峰值超負荷預(yù)警系統(tǒng)，通過構(gòu)建數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)，預(yù)處理其中的無用數(shù)據(jù)，避免冗余數(shù)據(jù)過多對臺區(qū)配電峰值超負荷預(yù)警準(zhǔn)確性造成的影響。

1 配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)設(shè)計

臺區(qū)配電峰值超負荷預(yù)警的主要目的是確定電力系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備及輸變電設(shè)備的容量，以及為選擇合理的電源結(jié)構(gòu)以及燃料計劃等提供參考。這一過程中包括了用戶側(cè)的用電偏好、電能質(zhì)量狀況、用電可靠性信息等多種數(shù)據(jù)。為了實現(xiàn)臺區(qū)配電峰值超負荷準(zhǔn)確預(yù)警，預(yù)先構(gòu)建配電網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)，在海量電力數(shù)據(jù)中提取出未知且有價值的知識[7]。

數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)挖掘流程圖

依據(jù)數(shù)據(jù)挖掘流程圖，從數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集以及結(jié)果描述三部分完成臺區(qū)配電數(shù)據(jù)預(yù)處理。

1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備是數(shù)據(jù)挖掘的關(guān)鍵步驟，其主要功能是去除電力數(shù)據(jù)噪聲以及冗余數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的前期準(zhǔn)備直接決定最終數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果精度以及效率等[8]。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備包含數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)預(yù)處理，其中數(shù)據(jù)集成是將數(shù)據(jù)中的相似數(shù)據(jù)進行合并，數(shù)據(jù)篩選是篩選出可進一步分析的數(shù)據(jù)，進而減少數(shù)據(jù)量，保證數(shù)據(jù)挖掘的效率。在上述數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集過程為利用挖掘算法查找數(shù)據(jù)，再根據(jù)挖掘規(guī)律采集數(shù)據(jù)[9]。數(shù)據(jù)挖掘的預(yù)處理是將采集的數(shù)據(jù)保存成方便挖掘的形式，必要時將數(shù)據(jù)簡化處理。

3）描述結(jié)果

該模塊用于評估預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，進而得出最有效的數(shù)據(jù)，并對其進行可視化處理[10-11]，向用戶展示。

2 臺區(qū)配電峰值超負荷預(yù)警系統(tǒng)

以數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計臺區(qū)配電峰值超負荷預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用模塊組成的形式[12]構(gòu)建，其中每個模塊均屬于獨立的子系統(tǒng)，可獨自進行作業(yè)。設(shè)計系統(tǒng)包括操作模塊、設(shè)置模塊、超負荷預(yù)測模塊、監(jiān)測與預(yù)警模塊、統(tǒng)計分析模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)維護模塊以及幫助模塊。

2.1 操作模塊

操作模塊主要包含三方面，分別為進入系統(tǒng)、退出系統(tǒng)以及注銷系統(tǒng)，其主要作用是用戶進入系統(tǒng)開始預(yù)警工作以及完成預(yù)警后退出系統(tǒng)，當(dāng)用戶不再使用該系統(tǒng)時，為保護用戶身份可直接將系統(tǒng)注銷[13]。

2.2 設(shè)置模塊

在設(shè)置模塊中，將用戶劃分為普通用戶與高級用戶兩種[14]，普通用戶只能根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)存在的數(shù)據(jù)進行電網(wǎng)超負荷的預(yù)警，即僅限于使用預(yù)警系統(tǒng)。高級用戶在使用預(yù)警系統(tǒng)的同時可對數(shù)據(jù)進行修改以及刪除等處理，高級用戶具有較高權(quán)限，它可控制普通用戶的進入，即管理普通用戶。除了對用戶的限制還可對數(shù)據(jù)庫進行設(shè)置，將不同數(shù)據(jù)庫連接不同的操作目標(biāo)，再次啟動系統(tǒng)后可直接默認該設(shè)置。

2.3 超負荷預(yù)測模塊

電力超負荷預(yù)測的關(guān)鍵因素是預(yù)測模型的優(yōu)劣，由于預(yù)測模型都具有各自的特點，因此將預(yù)測系統(tǒng)中可用的預(yù)測模型收集到一起構(gòu)成模型庫，所以超負荷預(yù)測模塊的關(guān)鍵是收集足夠全面的預(yù)測模型。預(yù)測模型庫如圖2 所示。

圖2 預(yù)測模型庫

基于圖2 的預(yù)測模型庫，在預(yù)警過程中選擇合適的模型可加大預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在預(yù)測過程中，數(shù)據(jù)的預(yù)處理是對有用數(shù)據(jù)進行簡化、修改等。預(yù)測的核心是模型的選取，選取預(yù)測模型的方法有兩種，第一種較為簡單，即針對環(huán)境以及電力等條件因素選擇合適的模型；第二種是在預(yù)測系統(tǒng)中將所有預(yù)測模型測試一遍，從中選取出最優(yōu)異的模型，這種方法又叫系統(tǒng)自動運行方法，系統(tǒng)自動運行方法雖然較為復(fù)雜但其準(zhǔn)確性較其余方法是最高的，其運行結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)自動運行結(jié)構(gòu)圖

2.4 監(jiān)測與預(yù)警模塊

監(jiān)測與預(yù)警模塊的主要功能是基于電荷的預(yù)測結(jié)果以及數(shù)據(jù)庫，在經(jīng)濟預(yù)警原理的幫助下分析配電網(wǎng)電荷，進而對需要預(yù)警的區(qū)域發(fā)出預(yù)警信號。

在該模塊中需要設(shè)置兩個指標(biāo)，即絕對指標(biāo)和相對指標(biāo)。絕對指標(biāo)是衡量電力系統(tǒng)需求平衡的絕對標(biāo)準(zhǔn)，也是對目前時間段真實電力供需情況的監(jiān)測預(yù)警；相對指標(biāo)是指當(dāng)前時間段電力需求的理想化數(shù)值，通過這兩個指標(biāo)對電力的負荷情況監(jiān)測。

2.5 統(tǒng)計分析模塊

統(tǒng)計分析模塊是對數(shù)據(jù)庫的以往數(shù)據(jù)進行分析和運算，得出電力負荷的相關(guān)曲線[15-16]，其中包含縱向與橫向比較、網(wǎng)間電量的轉(zhuǎn)換分析以及電量的進出口情況。

2.6 數(shù)據(jù)查詢模塊

普通用戶根據(jù)自身需要在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中進行數(shù)據(jù)查詢，生成不同種類的電力負荷相關(guān)曲線。

2.7 數(shù)據(jù)維護模塊

數(shù)據(jù)維護模塊的主要功能是針對數(shù)據(jù)而言，將挖掘出的數(shù)據(jù)代入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，并對其進行修改以及刪除等處理，進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的維護。

2.8 幫助模塊

幫助模塊的主要功能是協(xié)助預(yù)警系統(tǒng)，將其他模塊不可處理的問題在此模塊中進行處理。

以上即為臺區(qū)配電峰值超負荷預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計，其中，最主要的模塊就是監(jiān)測與預(yù)警模塊，根據(jù)該模塊中的絕對指標(biāo)與相對指標(biāo)對電力負荷進行監(jiān)測，再利用經(jīng)濟預(yù)警原理對用電地區(qū)發(fā)出預(yù)警信號，實現(xiàn)電力超負荷的預(yù)警。

3 實驗與結(jié)果

為了驗證基于數(shù)據(jù)挖掘的臺區(qū)配電峰值超負荷預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計方法的整體有效性，分別采用所提方法、文獻[4]方法和文獻[5]方法進行預(yù)警精度、預(yù)警用時和預(yù)警效果的測試，測試結(jié)果如下。

3.1 預(yù)警準(zhǔn)確率

選取不同種類的配電網(wǎng)，針對每種配電網(wǎng)可承載的負荷電量不同，利用三種方法對該配電網(wǎng)進行預(yù)警，對比三種方法最終的預(yù)警精度得出最優(yōu)預(yù)警系統(tǒng)。不同方法的預(yù)警準(zhǔn)確率如表1 所示。

表1 不同方法的預(yù)警準(zhǔn)確率

根據(jù)表1 可知，在不同類型的超負荷配電網(wǎng)下，三種方法均可對電網(wǎng)的超負荷發(fā)出預(yù)警信號。針對不同的超負荷電量，三種方法得出的預(yù)警結(jié)果也有所不同，但經(jīng)過比較，所提方法是三種方法中預(yù)警準(zhǔn)確率最高的方法，準(zhǔn)確率高于96.5%，其余兩種方法的預(yù)警準(zhǔn)確率均不同程度地低于所提方法，文獻[4]方法最高預(yù)警準(zhǔn)確率為91.3%，文獻[5]方法最高預(yù)警準(zhǔn)確率為81.6%。所提方法預(yù)警準(zhǔn)確率高的原因是在設(shè)計電力超負荷預(yù)警系統(tǒng)前，對電力負荷數(shù)據(jù)進行修改以及刪除的預(yù)處理，排除了缺失數(shù)據(jù)，同時完善電力數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性，確保在預(yù)警系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的安全和簡潔，進而提高了所提方法的預(yù)警準(zhǔn)確率。

3.2 預(yù)警用時

預(yù)警用時是直接判斷預(yù)警系統(tǒng)優(yōu)劣的指標(biāo)，在外界環(huán)境完全相同的條件下，選擇所提方法、文獻[4]方法以及文獻[5]方法進行預(yù)警用時的對比實驗。實驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同方法的預(yù)警用時

此次測試在不同負荷裕度下完成，經(jīng)統(tǒng)計所提方法的預(yù)警速度遠遠高于其他兩種方法，最高預(yù)警用時為5 s，所提方法的用時最短，效率最高，可及時發(fā)出預(yù)警信號，避免因電量超負荷帶來的電力故障。文獻[4]方法的最高預(yù)警用時為10 s，會因為預(yù)警時間過長，速度過慢而頻繁出現(xiàn)較大的預(yù)警誤差，誤差變大直接導(dǎo)致將超負荷用電量辨識為正常用電量，從而不能及時發(fā)出預(yù)警信號，且預(yù)警信號延時過長時間極可能導(dǎo)致電路出現(xiàn)崩潰等問題。文獻[5]方法的最高預(yù)警用時為13 s，極可能導(dǎo)致電路出現(xiàn)故障。綜上所述，所提方法的預(yù)警效果最好，效率最高，用時最短，是三種方法中預(yù)警性能最優(yōu)的系統(tǒng)。

3.3 預(yù)警效果

為驗證預(yù)警系統(tǒng)效果的好壞程度，在相同條件下選取五天同樣用電量較大的時間段進行電量負荷預(yù)警，假設(shè)電力負荷程度最大為100%，超過100%即為電力超負荷運行，而預(yù)警系統(tǒng)的最好預(yù)警時刻就是電力系統(tǒng)中用電量較高且即將超負荷前的時刻，在用電量過低以及超出最大用電量的時刻進行預(yù)警均不理想，根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)對三種方法發(fā)出預(yù)警信號時刻的用電量進行比較，得出最優(yōu)預(yù)警系統(tǒng)。實驗結(jié)果如圖5 所示。

圖5 發(fā)出預(yù)警信號時的負荷量

文獻[5]方法發(fā)出預(yù)警信號時，電力系統(tǒng)的電力負荷程度均超過最高負荷量，只起到了電力超負荷通知的作用，文獻[4]方法雖只有部分預(yù)警信號是在電量超負荷情況下發(fā)出的，但是其余發(fā)出預(yù)警信號時刻的電量皆低于最高負荷，所提方法發(fā)出的信號始終在80%～100%內(nèi)波動，既能在電網(wǎng)即將超負荷前發(fā)出預(yù)警提醒工作人員，也能保證電力的總電量不會下降過多。

4 結(jié)束語

多次超負荷會導(dǎo)致電力的不可逆損壞，為保證人們生活中可正常用電，也確保工業(yè)生產(chǎn)不受任何財產(chǎn)損失，因此設(shè)計基于數(shù)據(jù)挖掘的臺區(qū)配電峰值超負荷預(yù)警系統(tǒng)。在建立數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)進行細致地處理，設(shè)計出帶有多個模塊形式的預(yù)警模型，在其中加入數(shù)據(jù)挖掘得出的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)臺區(qū)配電峰值超負荷預(yù)警，解決了預(yù)警精度低、預(yù)警用時長和預(yù)警效果差的問題。