基于雙層聚類算法的電力遠動系統(tǒng)異常檢測

陳利躍，沈曉東，何星

0 引言

電力系統(tǒng)遠動是電力系統(tǒng)調(diào)度服務(wù)的遠距離監(jiān)測控制技術(shù)．它將各個廠、所、站的運行情況（包括開關(guān)狀態(tài)、設(shè)備的運行參數(shù)等）轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)男盘栃问剑由媳Ｗo措施以防止傳輸過程中的外界干擾，經(jīng)過調(diào)制后，由專門的信息通道傳送到調(diào)度所。在調(diào)度所的中心站經(jīng)過解調(diào)，還原成對應(yīng)于廠、所、站信號再顯示出來，供調(diào)度人員監(jiān)控之用。調(diào)度人員的一些控制命令也可以通過類似過程傳送到遠方廠、所、站，驅(qū)動被控對象。遠動通訊的故障通常表現(xiàn)為通訊過程不暢，但要具體判斷是通道本身故障還是通訊規(guī)約使用故障，目前缺乏有效的手段和工具，導(dǎo)致遠動通道故障的修復(fù)常常需要較長的時間，投入較大的力量[1]。本文采用對遠動系統(tǒng)的通信數(shù)據(jù)進行分析，建立判斷遠動故障點判斷方法。

目前比較主流的異常檢測方法是建立模式（特征、條件等）描述，通過比對檢測目標實現(xiàn)異常檢測，稱之為模式匹配法。隨著被研究對象系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，狀態(tài)遷移和序列模式被逐漸引入并應(yīng)用在異常檢測系統(tǒng)中。模式匹配法發(fā)展的另一個方向是數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和傳統(tǒng)模式匹配方法的結(jié)合，其中典型代表是Apriori算法[2]。Apriori算法需要一定量的訓(xùn)練樣本，計算時間成本略高。除了模式匹配，還有一種常用異常檢測方法——統(tǒng)計分析法。這類方法的代表是聚類算法。聚類算法能在異常檢測中應(yīng)用的兩個前提是：在數(shù)據(jù)庫中，異常狀態(tài)和正常狀態(tài)有本質(zhì)區(qū)別；異常狀態(tài)在整體數(shù)據(jù)中的比例較小[3]。最典型的聚類算法是K-means算法。由于計算時間成本過高，K-means算法不適合對數(shù)據(jù)流的在線處理。在數(shù)據(jù)流的聚類算法研究過程中，Aggarwal等人提出了雙層框架分析模型CluStream聚類算法，提出簇和時間幀結(jié)構(gòu)，對數(shù)據(jù)流進行在線和離線分層次處理[4]。

本文所提出的雙層聚類算法也是基于此框架的一種算法應(yīng)用。該算法主要改進并結(jié)合K-means和DENCLUE兩種聚類算法，以較小的時間復(fù)雜度對非球面分布的數(shù)據(jù)進行聚類分析。本文主要內(nèi)容如下：第二章介紹基于雙層聚類算法；第三章對本文算法仿真結(jié)果進行比較分析，論證本文算法的有效性；第四章對本文進行總結(jié)。

1 雙層聚類算法

根據(jù)電網(wǎng)遠動監(jiān)測系統(tǒng)的特點和要求，雙層聚類算法對遠動監(jiān)測系統(tǒng)中的異常情況進行檢測。雙層聚類算法的原理是首先利用K-means聚類改進算法將數(shù)據(jù)對象聚攏稱K個簇，然后利用DENCLUE聚類改進算法對得到的K個簇代表點繼續(xù)進行聚類優(yōu)化，最大程度降低K值初始設(shè)定對分類結(jié)果的影響，同時也降低計算復(fù)雜度，得到理想的分類檢測結(jié)果。

1.1 K-means聚類算法

1.2 DENCLUE聚類算法

DENCLUE是一個基于核密度估計KDE（Kernel Density Esimate）的聚類算法。KDE[5-6]的思路是數(shù)據(jù)集中的每一個對象對其它對象的影響能力可以用一個核函數(shù)來衡量，該核函數(shù)描述了當前對象對鄰居的影響程度。核函數(shù)作用于每個數(shù)據(jù)對象，每個數(shù)據(jù)對象的核密度估計值就是所有其它對象對它的影響之和?？梢酝ㄟ^指定密度吸引點來劃分簇。密度吸引點就是一個局部中核密度估計值最大的那個對象，能有效地被希爾爬山程序確定。如果核函數(shù)在每個數(shù)據(jù)對象處連續(xù)并可導(dǎo)，則希爾爬山程序就能被核函數(shù)梯度所引導(dǎo)，核函數(shù)也允許簇是任意形狀的。

DENCLUE算法主要基于下面的想法[7]：（1）每個數(shù)據(jù)點的影響可以用一個數(shù)學(xué)函數(shù)來形式化地模擬，它描述了1個數(shù)據(jù)點在鄰域內(nèi)的影響，被稱為影響函數(shù)；（2）數(shù)據(jù)空間的整體密度可以被模型化為所有數(shù)據(jù)點的影響函數(shù)的總和；（3）然后聚類可以通過確定密度吸引點來得到，這里的密度吸引點是全局密度函數(shù)的局部最大。

假設(shè)x和y是d維特征空間中的對象。數(shù)據(jù)對象y對x的影響函數(shù)是一個函數(shù)，它是根據(jù)一個基本的影響函數(shù)來定義的。原則上，影響函數(shù)可以是一個任意的函數(shù)，它由某個鄰域內(nèi)的兩個對象之間的距離來決定。距離函數(shù)f(x，y)應(yīng)當是自反的和對稱的，例如歐幾里得距離函數(shù)，它用來計算—個方波影響函數(shù)，如公式（1）：

在一個對象x上的密度函數(shù)被定義為所有數(shù)據(jù)點的影響函數(shù)的和給定n個數(shù)據(jù)對象，在x上的密度函數(shù)定義如公式（2）：

根據(jù)密度函數(shù)，我們能夠定義該函數(shù)的梯度和密度吸引點。一個點x是被一個密度吸引點x*密度吸引的，如果存在一組點x0,x1,···xk；x0=x；xk=x*，對0

基于這些概念，能夠形式化地定義中心定義的簇和任意形狀的簇。密度吸引點x*的中心定義的簇是一個被x*密度吸引的子集C，在x*的密度函數(shù)值不小于閾值；否則它被認為是孤立點。一個任意形狀的簇是子集C的集合，每個點是密度吸引點且密度函數(shù)值不小于閾值，并從每個區(qū)域到另一個都存在一條路徑P，該路徑上每個點的密度函數(shù)值都不小于閾值。

DENCLUE與其他聚類算法相比主要的優(yōu)點有如下一些：（1）它有一個堅實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，概括了其他的聚類方法，包括基于劃分的、層次的、位置的方法；（2）對于有大量“噪聲”的數(shù)據(jù)集合，它有良好的聚類特征；（3）對高維數(shù)據(jù)集合的任意形狀的聚類，它給出了簡潔的數(shù)學(xué)描述；（4）它使用了網(wǎng)格單元，只保存關(guān)于實際包含數(shù)據(jù)點的網(wǎng)格單元的信息。它以一個基于樹的存取結(jié)構(gòu)來管理這些單元，因此比一些有影響的算法速度要快。但是，這個方法要求對密度參數(shù)和噪聲閾值進行仔細的選擇，因為這樣的參數(shù)選擇可能顯著地影響聚類結(jié)果的質(zhì)量。

2 仿真分析

本文仿真中使用KDD CUP99數(shù)據(jù)模擬電網(wǎng)遠動系統(tǒng)數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)為模擬局域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)連接和系統(tǒng)審計數(shù)據(jù)，被廣泛使用在異常檢測領(lǐng)域中。KDD CUP99數(shù)據(jù)集中包括近五百萬條訓(xùn)練數(shù)據(jù)和兩百多萬條測試數(shù)據(jù)，本文從中隨機抽取10000條測試數(shù)據(jù)。

為了去除屬性量綱對模型的影響，需要對數(shù)據(jù)進行標準化，包括中心化和無量綱化兩部分處理。中心化是對數(shù)據(jù)進行坐標變換，使得數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)對象中心重合。無量綱化通過將變量的方差歸一，使得每個變量具有等同的權(quán)重。

下面分別從準確性和時間復(fù)雜度兩個角度對本文算法進行分析。針對準確性，使用檢測率和誤報率。檢測率為檢測出的異常數(shù)據(jù)個數(shù)與異?？倲?shù)的比率，誤報率為被檢測為異常的正常數(shù)據(jù)個數(shù)與正常數(shù)據(jù)總數(shù)的比率，本文算法仿真結(jié)果檢測率和誤報率的ROC圖，如圖1所示：

圖1 檢測率和誤報率的ROC曲線

在檢測率大于90%時，誤報率隨檢測率的提高大幅升高。從檢測結(jié)果分析可得出，在檢測率大于90%時，部分正常情況不能在第二層聚類過程中完成合并，從而被鑒定為異常情況，造成了誤報率的大幅提高。本文算法比較理想的結(jié)果范圍為檢測率在80%~90%，誤報率在2%~8%之間。

與Apriori算法相比，本文算法在檢測率相近的情況下，誤報率比較低，如表1所示：

表1 異常檢測算法比較

和高檢測率一樣，低誤報率對電網(wǎng)異常檢測系統(tǒng)非常重要。與單獨的K-means聚類算法和DENCLUE聚類算法相比，本文算法的檢測率和誤報率效果都更好。同時較DENCLUE聚類算法，本文對大數(shù)據(jù)的處理速度得到了大幅的提高。

3 總結(jié)

本文分析了電網(wǎng)的遠動系統(tǒng)的特點和當前異常檢測技術(shù)，并根據(jù)遠動監(jiān)測系統(tǒng)的特點提出了基于雙層聚類算法進行遠動異常情況檢測。該算法具有以下特點：（1）所需要的樣本訓(xùn)練量??；（2）準確率高，在較高的檢測率情況下有較小的誤報率。本文算法在數(shù)據(jù)極大的情況下，計算時間依然較長。下一步工作是在保證準確性的情況下，進一步縮減計算時間，進而實現(xiàn)遠動系統(tǒng)實時異常檢測。

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