基于大數(shù)據(jù)分析的非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)分類

梁凌宇，黃文琦，袁紅霞，趙翔宇

（南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東廣州 510700）

非侵入式負(fù)荷是電力負(fù)荷的主要使用方式之一，非侵入式電力負(fù)荷監(jiān)測(cè)通常只要求在電能供應(yīng)的入口處設(shè)置非侵入式監(jiān)測(cè)裝置，可以檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部負(fù)載。采用非侵入式負(fù)荷分解方法，能夠防止終端電源中斷，且不需要設(shè)置更多的監(jiān)測(cè)裝置。因此，非侵入型電力負(fù)荷設(shè)備將是未來發(fā)電負(fù)荷監(jiān)測(cè)開發(fā)的主要目標(biāo)之一。

相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者針對(duì)非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)分類進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[1]基于智能電能表大數(shù)據(jù)分析確定非侵入式短時(shí)多節(jié)點(diǎn)負(fù)荷預(yù)報(bào)，對(duì)非侵入式多節(jié)點(diǎn)短期預(yù)報(bào)的途徑開展探討，深入研究集聚效應(yīng)對(duì)負(fù)載建模與預(yù)報(bào)的作用，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)非侵入式短時(shí)多節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷預(yù)報(bào)，但此方法運(yùn)算時(shí)間較長(zhǎng)，運(yùn)算量大，效率低。文獻(xiàn)[2]基于深度學(xué)習(xí)與遷移學(xué)習(xí)提出公共樓宇中非侵入型負(fù)荷，該模式將三種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并聯(lián)連接，并融合網(wǎng)絡(luò)特性，通過再學(xué)習(xí)模塊重新學(xué)習(xí)融合特性和結(jié)果之間的映射關(guān)系，完成對(duì)非侵入式負(fù)荷的分解，該方法在分解過程中所需要的費(fèi)用較高。

大數(shù)據(jù)分析方法具有分析數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)維度高、交互性大等特點(diǎn)。為了解決上述問題，提出基于大數(shù)據(jù)分析的非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)分類方法。

1 非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)采集和處理

非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)主要從暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩方面進(jìn)行分解，所以數(shù)據(jù)采集分為暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)兩部分。穩(wěn)態(tài)負(fù)荷數(shù)據(jù)主要包括三種負(fù)荷數(shù)據(jù)，分別是阻性負(fù)荷、容性負(fù)荷和感性負(fù)荷數(shù)據(jù)，對(duì)電器重復(fù)開關(guān)獲取充分的穩(wěn)態(tài)負(fù)荷數(shù)據(jù)后，記錄形成的數(shù)據(jù)[3-4]。暫態(tài)數(shù)據(jù)采用公共電器作為數(shù)據(jù)來源，其目標(biāo)是單獨(dú)跟蹤每臺(tái)設(shè)備的電氣，確定每臺(tái)設(shè)備改變運(yùn)行狀態(tài)的時(shí)間，以此建立暫態(tài)負(fù)荷數(shù)據(jù)集[5-6]。建立的負(fù)荷數(shù)據(jù)集如圖1 所示。

圖1 負(fù)荷數(shù)據(jù)集

完成電力負(fù)荷數(shù)據(jù)采集后，采用軟閾值的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理[7]。對(duì)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如式（1）所示：

其中，M表示常數(shù)對(duì)數(shù)閾值；n表示電力負(fù)荷數(shù)據(jù)產(chǎn)生的信號(hào)長(zhǎng)度。根據(jù)式（1）得到的閾值函數(shù)對(duì)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，如式（2）所示：

其中，S表示去噪后的數(shù)據(jù)集；Z表示去噪次數(shù)；IZ表示去噪前的電力負(fù)荷數(shù)據(jù)[8]。將采集到的暫態(tài)數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)統(tǒng)一到數(shù)據(jù)集內(nèi)部，完成對(duì)非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)的采集與處理。

2 非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)分解

通過建立電力負(fù)荷分解數(shù)學(xué)模型對(duì)非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分解[9-10]。非侵入式電力負(fù)荷分解算法分為兩部分，分別是訓(xùn)練和測(cè)試。訓(xùn)練過程中，通過諧波分析求取特征參數(shù)矩陣上幅值函數(shù)的諧波相位角；測(cè)量部分過程中，對(duì)計(jì)算得出的電力系統(tǒng)終端的電壓進(jìn)行單一負(fù)載分析。非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)分解流程如圖2 所示。

圖2 非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)分解流程

在進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，需要計(jì)算供電系統(tǒng)中每個(gè)類別的負(fù)載獨(dú)立運(yùn)行后的穩(wěn)態(tài)電壓波形，對(duì)每個(gè)單相負(fù)載的穩(wěn)態(tài)電壓波形加以諧波分析，從而得出負(fù)載電壓的基波和諧波的頻率、相位等數(shù)據(jù)，將得到的負(fù)荷幅值和相位值填入特征參數(shù)矩陣[11-12]。

依靠非侵入式電力負(fù)荷分解算法建立電力負(fù)荷分解數(shù)學(xué)模型，當(dāng)供電電壓達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)，供電負(fù)荷為正常工作狀況下的穩(wěn)態(tài)電壓，包含基波和各次諧波，具有一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律[13-14]。根據(jù)傅里葉分析理論，單個(gè)負(fù)荷工作時(shí)的電流可以表示為電流基波和次波的疊加如式（3）所示：

其中，In表示電流基波；i表示單次疊加電流；w表示疊加次數(shù)；θ表示電流基波的最初相位角；t表示電流中基波的幅值。通過標(biāo)幺值的方式表示輸出的各次諧波傳動(dòng)分量間的聯(lián)系[15]。疊加電流基波后得到式（4）：

其中，an表示電流基波疊加前后的比例關(guān)系，式（4）為完整的非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)的分解數(shù)學(xué)模型，其目的是將單獨(dú)一種或者一類負(fù)荷電流分解成為不同電流基波和各次諧波含量的疊加。當(dāng)電力系統(tǒng)內(nèi)只有一種或者一類負(fù)荷工作時(shí)，可以通過比對(duì)不同種類負(fù)荷的電流基波和各次諧波參數(shù)，構(gòu)建特征空間，識(shí)別正在工作的負(fù)荷種類。

3 非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)分類

通過分析分解后的數(shù)據(jù)對(duì)非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，基于大數(shù)據(jù)分析的k 均值聚類法與隨機(jī)森林算法對(duì)非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分類過程如圖3 所示。

圖3 負(fù)荷數(shù)據(jù)分類過程

根據(jù)圖3 可知，負(fù)荷數(shù)據(jù)分類通過聚類分析劃分分解后的非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)，將其分割成多個(gè)互斥的簇，通過隨機(jī)森林算法對(duì)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。

3.1 相似性度量

采用歐氏距離法對(duì)非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)的相似性進(jìn)行分類，由于電力負(fù)荷數(shù)據(jù)的相似性度量具有特殊性，作為相似性測(cè)量的電力負(fù)荷信號(hào)需要有很大的信噪比，因此必須做好去噪平滑工作。利用相似性度量方法進(jìn)行比較處理，通過測(cè)量電力負(fù)荷參數(shù)的相似性確定運(yùn)算距離。

兩種電力負(fù)荷數(shù)據(jù)間的距離是非負(fù)的，當(dāng)且僅當(dāng)兩個(gè)時(shí)間序列完全相同時(shí)，距離為0。滿足對(duì)稱性，如式（5）所示：

其中，m表示電力負(fù)荷數(shù)據(jù)在歐氏距離中的坐標(biāo)；x、y分別為橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)。

根據(jù)對(duì)稱性分析建立三角不等式，如式（6）所示：

基于以上假設(shè)，將電力負(fù)荷數(shù)據(jù)數(shù)值作為相似性的表示方式，用對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)之間的歐氏距離之和作為距離，完成對(duì)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)的相似性度量。

3.2 非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)分類

完成相似性度量后，便可利用隨機(jī)森林算法對(duì)非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。采用k 均值聚類方法進(jìn)行聚類，假定所有電力負(fù)荷數(shù)據(jù)集的平均數(shù)為X，而標(biāo)準(zhǔn)差為，則X的標(biāo)準(zhǔn)化因子如式（7）所示：

其中，Xan表示電流基波疊加前后的平均數(shù)，Xn表示X的標(biāo)準(zhǔn)化因子。標(biāo)準(zhǔn)化變量的數(shù)學(xué)期望值為0，而方差則為1[16]。通過簡(jiǎn)單推理，可以得出元素間的標(biāo)準(zhǔn)化歐氏距離的方法，如式（8）所示：

根據(jù)式（8）確定樣本空間中標(biāo)準(zhǔn)歐氏距離最大的k個(gè)樣本，針對(duì)樣本進(jìn)行分類：采用標(biāo)準(zhǔn)歐氏距離計(jì)算電力負(fù)荷數(shù)據(jù)集矩陣中元素之間的距離，輸出最大的距離及其樣本的下標(biāo)，記錄距離最大的兩個(gè)樣本作為聚類中心，計(jì)算矩陣中各個(gè)樣本之間的距離，生成聚類中心，利用隨機(jī)森林算法對(duì)生成的聚類中心進(jìn)行分類，以此完成對(duì)非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)的分類。

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證提出的基于大數(shù)據(jù)分析的非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)分類方法的有效性，選用某大數(shù)據(jù)平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。設(shè)定實(shí)驗(yàn)過程中的額定電壓為200 V，額定功率為1 000 W，選擇的功率因數(shù)為0.60。實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖4 所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

根據(jù)圖4 可知，實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)集主要來自數(shù)據(jù)庫(kù)，通過FIFO 技術(shù)完成中斷和讀寫工作，同時(shí)設(shè)定攔截器進(jìn)行信息攔截，利用采集器、顯示器、變壓器和處理器同時(shí)處理輸入信號(hào)。

利用上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)檢測(cè)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)特征，分別得到暫態(tài)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)特征和穩(wěn)態(tài)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)特征，如圖5 所示。

圖5 負(fù)荷數(shù)據(jù)特征

在分析電力負(fù)荷數(shù)據(jù)特征后，利用上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境，同時(shí)選用所提方法和文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，比較電力負(fù)荷的分類誤差，誤差計(jì)算公式如下：

其中，Z表示分類誤差；F表示分類的錯(cuò)誤電力負(fù)荷數(shù)據(jù)；T表示分類的正確電力負(fù)荷數(shù)據(jù)。

設(shè)定10 次實(shí)驗(yàn)，得到的誤差分類結(jié)果如表1 和表2 所示。

表1 暫態(tài)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)誤差率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表2 穩(wěn)態(tài)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)誤差率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1 可知，由于暫態(tài)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)具有極強(qiáng)的不穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[1]方法的誤差率基本在14%以上，文獻(xiàn)[2]方法誤差率始終在20%以上，在完成分類后，仍需要花費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行篩選，難以達(dá)到用戶要求。而所提方法具有很強(qiáng)的分類結(jié)果，誤差率始終低于5%，因此實(shí)際應(yīng)用效果更好。

根據(jù)表2 可知，由于穩(wěn)態(tài)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)具備一定的穩(wěn)定性，所提方法的分類誤差最小，始終低于0.30%，而文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法的誤差始終在5%附近波動(dòng)，后續(xù)仍然花費(fèi)一定時(shí)間進(jìn)行篩選，消耗成本相對(duì)較高。

綜上所述，所提方法對(duì)于暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)都有較好的分類效果，能夠很好地減少后續(xù)篩選時(shí)間，降低分類工作成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

非侵入式電力負(fù)荷數(shù)據(jù)分類能夠提高用戶的用電體驗(yàn)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用電情況，減少經(jīng)濟(jì)成本。并引入大數(shù)據(jù)分析技術(shù)深入分析數(shù)據(jù)特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)證明，所提方法的分類效果較好，可滿足電力負(fù)荷數(shù)據(jù)的分類要求。