多系統(tǒng)融合的線損大數(shù)據(jù)挖掘與應(yīng)用

孫 峰，錢 嘯，呂 勤，郁家麟，金 燁，沈海華，張代紅

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314033）

0 引言

DM（數(shù)據(jù)挖掘）是從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機的數(shù)據(jù)中提取隱含在其中人們事先不知道但又有用的信息和知識的過程[1-2]。它集統(tǒng)計學(xué)、模式識別、人工智能、機器學(xué)習(xí)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)及高性能并行計算等領(lǐng)域于一體，是當(dāng)前國際上數(shù)據(jù)庫和信息決策領(lǐng)域的最前沿研究方向之一[3-5]。

根據(jù)線損分析需求，從電網(wǎng)SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控）系統(tǒng)、PMS（生產(chǎn)管理）系統(tǒng)和用電信息采集系統(tǒng)等多系統(tǒng)融合的數(shù)據(jù)中實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的收集、解析和運算，再利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對線損計算過程中的模型數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)理論線損結(jié)果進行挖掘，得到各電壓等級下的數(shù)據(jù)經(jīng)驗值，從而能夠在數(shù)據(jù)質(zhì)量不好的情況下進行理論線損推算和修正，為電網(wǎng)降損和 同期線損提供更準確的數(shù)據(jù)和理論依據(jù)[7-9]。

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是人工智能與數(shù)據(jù)庫技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它的許多方法來源于機器學(xué)習(xí)。因此，機器學(xué)習(xí)、模式識別和人工智能領(lǐng)域的常規(guī)技術(shù)，如聚類、決策樹和統(tǒng)計等方法經(jīng)過改進后均可用于大數(shù)據(jù)挖掘[11-14]。

對于不同的研究領(lǐng)域，數(shù)據(jù)挖掘?qū)嵤┻^程需要采用不同的技術(shù)方法和手段。目前主要有基于傳統(tǒng)數(shù)理統(tǒng)計等數(shù)學(xué)工具的方法、聚類分析法、ANN（人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)、決策樹、進化計算和基于事例的推理方法等。

1 基于多系統(tǒng)融合的線損大數(shù)據(jù)維護

1.1 線損大數(shù)據(jù)收集

在電力系統(tǒng)中，SCADA系統(tǒng)應(yīng)用最廣，技術(shù)發(fā)展也最成熟，它在遠動系統(tǒng)中占重要地位，可以對現(xiàn)場的運行設(shè)備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制、測量和參數(shù)調(diào)節(jié)及各類信號報警，即“四遙”功能。RTU（遠程終端單元）、FTU（饋線終端單元）是它的重要組成部分[15]。

PMS系統(tǒng)以設(shè)備管理為核心，通過建立全面的設(shè)備臺賬、運行數(shù)據(jù)、評價體系和相關(guān)業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)設(shè)備及生產(chǎn)運行的全過程管理。PMS系統(tǒng)中有完整的電網(wǎng)一次拓撲和參數(shù)，包括主網(wǎng)（10 kV母線及以上）和配電網(wǎng)（10 kV母線以下），可以從浙江省電力有限公司PMS系統(tǒng)導(dǎo)出配電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)。

用電信息采集系統(tǒng)主要由主站、通信網(wǎng)絡(luò)、采集終端和智能電表組成，且智能電表是最核心的投資方向。國家電網(wǎng)有限公司正在推廣統(tǒng)一的用電信息采集系統(tǒng)，這套系統(tǒng)實現(xiàn)了用電檢測、負荷管理、線損分析及自動抄表等功能。用電信息采集系統(tǒng)中有配電網(wǎng)臺區(qū)匯總表的常規(guī)電氣量數(shù)據(jù)，包括公變TTU（配電終端）和負控裝置數(shù)據(jù)，也有每塊終端用戶電表的數(shù)據(jù)。在用電采集信息系統(tǒng)中，通過數(shù)據(jù)采集接口傳輸采集所需要的變壓器負荷數(shù)據(jù)、低壓用戶負荷以及電量，通過接口數(shù)據(jù)傳輸通道進入配電網(wǎng)節(jié)能降損軟件系統(tǒng)中，進行所對應(yīng)的計算分析。

高壓網(wǎng)數(shù)據(jù)均由調(diào)度部門提供，包括模型數(shù)據(jù)和負荷數(shù)據(jù)，按照《理論線損計算與分析工作大綱》要求，負荷實測日當(dāng)天需要提供24 h整點數(shù)據(jù)。調(diào)度部門提供數(shù)據(jù)Web訪問下載地址供理論線損計算模塊數(shù)據(jù)獲取。

按照調(diào)度SCADA系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，上傳的數(shù)據(jù)應(yīng)該包含CIM文件、拓撲文件和E語言文件3類。CIM文件要求包含嘉興所有35～220 kV及以上的線路、主變壓器（以下簡稱“主變”）、開關(guān)等設(shè)備的型號參數(shù)信息，拓撲文件里要求存放所有元件互聯(lián)關(guān)系，E語言文件要求包含所有35～220 kV線路、變壓器的量測數(shù)據(jù)，負荷實測日當(dāng)天要求能提供24 h整點數(shù)據(jù)。

配電網(wǎng)和低壓網(wǎng)數(shù)據(jù)主要從PMS系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)和營配貫通采集，采集到的數(shù)據(jù)以文件（XML文件、E文件等）或者數(shù)據(jù)庫的形式存在。數(shù)據(jù)主要包括配電網(wǎng)桿塔信息、線路型號及長度、變壓器型號、開關(guān)位置信息和配電變壓器（以下簡稱“配變”）及用戶的量測數(shù)據(jù)。

1.2 線損大數(shù)據(jù)解析

以高壓網(wǎng)為例，對調(diào)度部門提供的CIM文件進行解析校驗，對參數(shù)缺失的線路及主變進行篩選記錄。使用相同電壓級別、容量級別下的參數(shù)比對，找出模型維護有誤的線路及主變，并形成標(biāo)準格式的模型糾錯報告，反饋至調(diào)度部門。

從500 kV變電站220 kV母線側(cè)開始，根據(jù)拓撲文件中元件連接關(guān)系及開關(guān)遙測狀態(tài)，向電網(wǎng)末端進行輻射式拓撲搜尋，當(dāng)遇到聯(lián)絡(luò)開關(guān)斷開或到達電網(wǎng)末端時拓撲結(jié)束，形成一個個“拓撲島”（通常“拓撲島”均有1個500 kV變電站220 kV母線作為其電源點，但有時由于存在開關(guān)遙測信號失效的情況，拓撲搜索時會發(fā)現(xiàn)與上級電源完全隔離的“孤立島”），篩選記錄拓撲島和孤立島的數(shù)據(jù)。

配電網(wǎng)和低壓電網(wǎng)數(shù)據(jù)收集之后，根據(jù)不同字段匹配對應(yīng)存入各自表空間，主要包括設(shè)備表和圖形表。將這些數(shù)據(jù)進行篩選和整理后，變成計算程序（可以調(diào)用的有類別、有規(guī)律的數(shù)據(jù)）。

1.3 線損大數(shù)據(jù)運算

面對線損大數(shù)據(jù)海量歷史數(shù)據(jù)和準實時量測數(shù)據(jù)混合計算的需求，研究包含批處理層、實時處理層和服務(wù)層的大數(shù)據(jù)混合計算架構(gòu)，使其能夠結(jié)合批處理并行計算模型和流式并行計算模型的優(yōu)點：對于任何的程序或者數(shù)據(jù)錯誤具有很好的容忍性，能夠很方便地從錯誤中恢復(fù)；很好的伸縮性，方便用戶來擴展本應(yīng)用架構(gòu)；很好的通用性，在大數(shù)據(jù)混合計算構(gòu)架的基礎(chǔ)上，可以實現(xiàn)多種理論計算和大數(shù)據(jù)展示應(yīng)用。

根據(jù)理論線損的需要，對數(shù)據(jù)進行去零、去空和去重等預(yù)處理操作；數(shù)據(jù)清洗大致要對全數(shù)據(jù)做一個遍歷，區(qū)分錯誤值、缺失值，辨別傳感器問題和事件數(shù)據(jù)，剔除錯誤值、極端值和缺失值，對可補全內(nèi)容進行適度補全；統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式和記錄精度；統(tǒng)一主鍵和外鍵，所有數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中關(guān)聯(lián)起來。

在數(shù)據(jù)預(yù)處理結(jié)果的基礎(chǔ)上，按照電壓等級和設(shè)備型號，利用并行計算平臺對設(shè)備參數(shù)進行大數(shù)據(jù)挖掘統(tǒng)計，檢測參數(shù)的一致性和平穩(wěn)性，篩查異常參數(shù)及其統(tǒng)計規(guī)律。利用無監(jiān)督機器學(xué)習(xí)對線路、變壓器等設(shè)備根據(jù)參數(shù)進行多維聚類分析，為理論線損結(jié)果分析應(yīng)用提供高級參數(shù)。

2 基于多系統(tǒng)融合的線損大數(shù)據(jù)應(yīng)用

2.1 模型數(shù)據(jù)校驗

從采集到的嘉興市多系統(tǒng)融合的大數(shù)據(jù)中，利用大數(shù)據(jù)挖掘算法對高壓網(wǎng)、配電網(wǎng)和低壓網(wǎng)中的模型數(shù)據(jù)進行校驗，包括各電壓層級的變壓器和線路物理參數(shù)校驗；通過聚類分析方法，得出各電壓層級變壓器、線路的類別，給出各類別模型參數(shù)的經(jīng)驗值。DB-SCAN聚類分析方法是一種基于高密度連通區(qū)域的聚類方法，該算法將具有足夠高密度的區(qū)域劃分為簇，并在具有噪聲的空間數(shù)據(jù)庫中發(fā)現(xiàn)任意形狀的簇。由于本文中變壓器、線路模型數(shù)據(jù)樣本來源于同一地市，數(shù)據(jù)會呈現(xiàn)高密度聚集。因此，本文聚類方法采用DB-SCAN聚類分析方法，具體挖掘流程見圖1（運行數(shù)據(jù)校驗流程與之一致）。

圖1 模型數(shù)據(jù)校驗流程

模型數(shù)據(jù)的分析主要有線路模型數(shù)據(jù)和變壓器模型數(shù)據(jù)，對于線路模型數(shù)據(jù)，按220 kV，110 kV，10 kV和0.4 kV電壓等級，取同一線徑型號的數(shù)據(jù)進行聚類，得到了大量不同型號線路長度范圍以及線路電阻、電抗與線路長度的關(guān)系。LGJ-300型號導(dǎo)線電阻、電抗值隨導(dǎo)線長度變化時的分布狀況如圖2所示。

嘉興地區(qū)220 kV線路主要采用線徑為300 mm2，400 mm2和500 mm2的導(dǎo)線，平均長度水平為30 km，平均線路電阻為1.2Ω，該數(shù)據(jù)根據(jù)導(dǎo)線單位等值電阻公式r=ρ/S計算得到，其中r為單位長度等值電阻；S為導(dǎo)線的額定截面積；ρ為鋁導(dǎo)線電阻率，ρ=31.2Ω·mm2/km。220 kV線路一般采用兩分列導(dǎo)線，則根據(jù)常用線徑、平均長度，理論上電阻R=31.2/400×30/2=1.17Ω，說明大數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果可信。110 kV線路主要采用線徑為300 mm2的導(dǎo)線，平均長度水平為5 km，平均線路電阻0.75Ω；10 kV線路主要采用線徑為120 mm2和150 mm2的導(dǎo)線，平均線段水平為400 m，平均線路長度為8 km，平均線路電阻為2Ω。在10 kV線路中，還有相當(dāng)一部分的導(dǎo)線線徑為70 mm2，這部分導(dǎo)線段有的長度在幾百米以上，而且還在線路的中間部分，容易造成10 kV饋線的瓶頸，建議合理改造。

220 kV變壓器平均容量為190 MVA，110 kV變壓器平均容量為43 MVA，35 kV變壓器平均容量為9 MVA，10 kV配變平均容量為0.35 MVA。

圖2 LGJ-300型號導(dǎo)線電阻電抗值隨長度變化分布

2.2 運行數(shù)據(jù)校驗

變壓器的運行數(shù)據(jù)主要包括變壓器有功電量、無功電量，通過這些數(shù)據(jù)，結(jié)合變壓器參數(shù)，可以計算得出變壓器平均負載率、平均有功功率、平均無功功率和功率因數(shù)。通過大量數(shù)據(jù)規(guī)律可以分析出變壓器的這些運行數(shù)據(jù)集中分布的范圍，該范圍可作為判斷變壓器是否工作在正常狀態(tài)的經(jīng)驗值。嘉興110 kV變壓器負載率分布狀況如圖3所示。

嘉興地區(qū)線路負載率基本在0.4以下，屬于輕載狀態(tài)。對于線路來說，負載率越低，損耗率越低，因此該地區(qū)線路運行狀況良好。各電壓等級變壓器均表現(xiàn)為輕載變壓器占比較多，約占40%；重載變壓器較少，大部分還是運行在經(jīng)濟負載率狀態(tài)下?？紤]到以后該地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展和用電量增加，輕載變壓器的占比會越來越小。合理安排變壓器運行方式，能有效降低輕載變壓器比例，提高線損管理水平，降低線路損耗率（以下簡稱“線損率”）。

圖3 嘉興110 kV變壓器負載率

2.3 理論線損計算結(jié)果校驗

從多系統(tǒng)融合的大數(shù)據(jù)中，利用大數(shù)據(jù)挖掘算法對全網(wǎng)、各電壓等級、分區(qū)、分線和分設(shè)備的理論計算結(jié)果進行校驗（包含全網(wǎng)、各電壓等級的供電量、損耗量、線路損耗、銅損、鐵損、銅鐵比、分設(shè)備損耗占比、分區(qū)和分線），通過聚類分析方法，得出各電壓等級、分區(qū)、分線和分設(shè)備的理論計算結(jié)果類別，給出各類別理論計算結(jié)果的經(jīng)驗值。

220 kV線損率受線路長短、線路負載影響較大，主要分布在0%～0.3%。線損率隨線路長度的增加而增加，線路幾乎每增加10 km，損耗率增加0.1%。由不同線徑時的線路損耗與線路有功電量關(guān)系分析可知，線損率隨有功電量的增加而增加，且線徑越小線損率越大。變壓器損耗率比較集中，受變壓器容量大小、負載大小影響很小，一般在0.22%～0.32%。由變壓器損耗率與負載率的關(guān)系分析可知，變壓器損耗率會隨負載率的增加呈輕微的先減后增的變化，大約在負載率為0.4～0.5時，變壓器損耗率最?。蛔儔浩鬏p載或重載時，其損耗率都高，這與實際情況相符。

110 kV線損率受線路長短、線路負載影響較大，主要分布在0%～0.3%。線損率隨線路長度的增加而增加，線路幾乎每增加1 km，線損率增加0.04%。由不同線徑時的線路損耗與線路有功電量關(guān)系分析可知，線損率隨有功電量的增加而增加，且線徑越小線損率越大。變壓器損耗率比較集中，受變壓器容量、負載影響很小，一般損耗率在0.25%～0.35%。由變壓器損耗率與負載率的關(guān)系分析可知，變壓器損耗率隨負載率的增加呈輕微的先減后增的趨勢，大約在負載率為0.4時，變壓器損耗率最小。

10 kV線損率主要分布在1%～2.5%，線損率隨線路長度增加而增加，大約每增加1 km線損率增加0.2%?！熬€路損耗占比∶變壓器損耗占比”小于4∶6時，線損率基本保持不變；大于4∶6時，線損率會隨線路損耗的增加而加速增加。線損率的變化隨配變的銅鐵比的增加呈先減后增的趨勢，配變的銅鐵比為0.7左右時線損率最小。線損率隨功率因數(shù)的增加呈緩慢降低的趨勢，一般10 kV線路的功率因數(shù)在0.85～1，功率因數(shù)每增加0.01，線損率增加0.07%。

由大數(shù)據(jù)分析可知，電壓等級越高，線損率越低。220 kV線損率為0.4%，變壓器損耗率為0.2%～0.3%；110 kV線損率為0.4%，變壓器損耗率0.25%～0.35%；35kV線損率為3%，變壓器損耗率為0.4%～0.7%；10 kV線路配變總損耗率為1%～2.5%。各電壓等級中，線路損耗率隨負載率的增加而增加，變壓器隨負載率先減后增。正常情況下，變壓器負載率在50%左右時變壓器損耗率最低；輕載時變壓器損耗率增加明顯；重載時變壓器損耗率也會一定程度增加，但比較平緩。變壓器的銅鐵比在1～2時變壓器運行較經(jīng)濟，此時變壓器負載率為50%左右；當(dāng)負載率增加至70%以上時，銅鐵比會急劇增加，一般可以達到3～5。如圖4為嘉興110 kV變壓器損耗率隨負載率變化時的分布狀況。

圖4 嘉興110 kV變壓器損耗率隨負載率變化分布

10 kV的線損率，受線路上的損耗影響較明顯，當(dāng)“線路損耗占比∶變壓器損耗占比”小于4∶6時，線損率基本保持不變；大于4∶6時，線損率會隨線路損耗的增加而加速增加。保證合理的線路變壓器損耗占比，能有效降低10 kV線損率，其途徑就是增加10 kV導(dǎo)線截面積或縮小10 kV饋線供電距離。

2.4 基于多系統(tǒng)融合數(shù)據(jù)的線損評價指標(biāo)體系分析

影響電網(wǎng)線損的主要因素可分為電網(wǎng)結(jié)構(gòu)特征、設(shè)備物理參數(shù)、電網(wǎng)運行特征、用電結(jié)構(gòu)特征、自然及社會發(fā)展?fàn)顩r五大類，這五大類為一級指標(biāo)，找出一級指標(biāo)的量化關(guān)系，建立細化的二級指標(biāo)，如圖5所示。具體指標(biāo)計算方法為：

（1）建立數(shù)學(xué)模型對細化的二級指標(biāo)進行量化，并逐一考慮各個指標(biāo)對線損的影響，建立相應(yīng)的指標(biāo)-線損評價函數(shù)并進行各地區(qū)二級指標(biāo)計算。

（2）構(gòu)建線損影響因素指標(biāo)層次分析模型，分別計算不同地區(qū)的線損指標(biāo)，得出各影響因素在地區(qū)線損中的主導(dǎo)權(quán)重，如表1所示。

（3）對于5個一級指標(biāo)取權(quán)重系數(shù)均為0.2，代入各個縣市的二級指標(biāo)評價評價值，得出綜合線損指標(biāo)。

根據(jù)指標(biāo)計算方法及嘉興供電公司提供的嘉興市2017年代表日線損數(shù)據(jù)和電網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對嘉興地區(qū)各縣/區(qū)/市級電網(wǎng)進行分析，計算得到綜合線損指標(biāo)，如表2所示。

由表2可知，嘉興市本級的綜合線損指標(biāo)最高，這是因為其用電結(jié)構(gòu)特征和自然發(fā)展?fàn)顩r這2個一級指標(biāo)極為突出，應(yīng)積極響應(yīng)削峰填谷政策，改善用電結(jié)構(gòu)，減少峰谷差，減少變壓器重載比例，改善電網(wǎng)運行方式，降低輕載比例，從而改善線損率。

圖5 多系統(tǒng)融合數(shù)據(jù)下線損指標(biāo)評價體系構(gòu)建

表1 二級指標(biāo)權(quán)重計算結(jié)果

表2 綜合線損指標(biāo)

3 結(jié)語

通過大數(shù)據(jù)分析可知，嘉興地區(qū)的導(dǎo)線線徑根據(jù)電壓等級、輸送距離的不同，絕大部分呈現(xiàn)合理的分布規(guī)律，很少出現(xiàn)輸電距離過長，導(dǎo)線線徑偏小的情況。嘉興地區(qū)的線路大部分工作在輕載狀態(tài)，變壓器大部分工作在經(jīng)濟負載狀態(tài)，少數(shù)工作在輕載狀態(tài)，重載變壓器幾乎沒有。因此，該地區(qū)的降損可以主要從合理優(yōu)化變壓器運行方式、減少輕載變比例、縮小超長線路送電距離和改造更換線徑不合理導(dǎo)線等方面入手。

從線損率的分布來看，各電壓等級主變的損耗率分布較集中，降損空間不是很大，線路損耗率除了大部分分布較集中外，還有很多遠遠高于集中分布區(qū)的線損率，因此有很大的降損空間。

從綜合線損指標(biāo)來看，嘉興市本級節(jié)能降損空間較大，可以從改善用電結(jié)構(gòu)、改善電網(wǎng)運行方式和改善電網(wǎng)結(jié)構(gòu)等方面改善線損率。