基于大數(shù)據(jù)價值挖掘的配電網(wǎng)線損管理方法分析

邱衍江，張 超，張新燕，張錫泉，常喜強(qiáng)

（1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司江門供電局，廣東 江門 529030；2.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司廣州供電局，廣州 510620；3.新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，烏魯木齊 830047；4.新疆電力公司電力調(diào)度控制中心，烏魯木齊 830002）

0 引言

近年來，隨著我國電網(wǎng)企業(yè)的數(shù)字化、智能化建設(shè)不斷推進(jìn)，輸電、變電、配電及營銷等領(lǐng)域開發(fā)并使用了多套業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)、營銷管理系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)及電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)等。在這些系統(tǒng)的使用過程中會產(chǎn)生并存儲海量的電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

為了順應(yīng)電網(wǎng)轉(zhuǎn)型和數(shù)字化建設(shè)融合發(fā)展趨勢，盤活電網(wǎng)的數(shù)據(jù)資產(chǎn)并挖掘電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的價值將成為電網(wǎng)企業(yè)未來重點(diǎn)關(guān)注方向，電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的分析已成為研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1-2]建立大數(shù)據(jù)運(yùn)算平臺，通過分析線損大數(shù)據(jù)得到竊電預(yù)警信號；文獻(xiàn)[3-5]從優(yōu)化線損分析方法的角度出發(fā)，提出線損計算的最優(yōu)算法。文獻(xiàn)[6-8]利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對線損特征進(jìn)行研究，并根據(jù)線損特征建立線損管理平臺。同時，線損定位技術(shù)與線損管理方法的優(yōu)化也是研究熱點(diǎn)[9-10]。當(dāng)前，關(guān)于線損大數(shù)據(jù)的研究僅停留在線損運(yùn)算及其數(shù)據(jù)的使用，而針對其本質(zhì)的價值挖掘與線損治理的有機(jī)統(tǒng)一等方面仍缺乏關(guān)注。本文以配電網(wǎng)運(yùn)行中產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在Tableau環(huán)境下建立線損大數(shù)據(jù)價值挖掘模型，對配電網(wǎng)線損大數(shù)據(jù)蘊(yùn)藏的信息進(jìn)行深度剖析，查找影響線損率的主要因素，提出具有針對性的線損管理措施，以提升配電網(wǎng)線損管理水平。

1 線損大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源

用電信息采集系統(tǒng)是線損大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源，主要由計量終端、通信網(wǎng)絡(luò)、工作主站等組成（如圖1所示），具有用電檢測、負(fù)荷管理、線損分析、電能質(zhì)量分析及自動抄表等功能。

圖1 用電信息采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

用電信息采集系統(tǒng)中，配電計量終端、負(fù)控裝置、終端用戶電能表等計量表計對供電量、售電量、線路負(fù)載、三相電壓與電流等配電臺區(qū)常規(guī)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過接口數(shù)據(jù)傳輸通道（TCP/IP規(guī)程）將其傳送至計量主站或其他工作主站，以供數(shù)據(jù)調(diào)用、計算分析與監(jiān)控等。而配電網(wǎng)線損大數(shù)據(jù)主要取自計量系統(tǒng)的線損管理、電能質(zhì)量分析2個數(shù)據(jù)庫，通過進(jìn)一步整合，將其存儲于數(shù)據(jù)倉庫中備用。

2 線損大數(shù)據(jù)價值挖掘模型

根據(jù)線損大數(shù)據(jù)價值挖掘需求，本文建立含數(shù)據(jù)處理、Tableau可視化與價值挖掘3個環(huán)節(jié)的線損大數(shù)據(jù)價值挖掘模型，具體流程如圖2所示。

圖2 線損大數(shù)據(jù)價值挖掘流程

2.1 數(shù)據(jù)處理

線損率ΔP是供電企業(yè)的重要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)，不僅可以反映某個時間段內(nèi)供電單位的經(jīng)濟(jì)性，還可以間接反映供電單位的線損管理技術(shù)條件和管理水平，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中：Psupply—供電量；

Psale—售電量；

P′—損耗電量。

在供電量一定時，ΔP越高，P′越大，說明該線路或臺區(qū)線損管理水平越差。因此選用ΔP作為線損大數(shù)據(jù)價值挖掘的影響因子。0＜ΔP≤8%為正常范圍，8%＜ΔP≤20%為不合格范圍。

計量終端在采集數(shù)據(jù)時可能會存在一定問題，如數(shù)據(jù)采集重復(fù)、錯漏等。為了避免數(shù)據(jù)冗雜，在保證不減少數(shù)據(jù)所包含信息的前提下，將數(shù)據(jù)中每月售電量大于供電量、有供電量但無售電量、數(shù)據(jù)格式亂碼等明顯異常的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩查。其次，將ΔP＜0或ΔP＞20%的極端數(shù)據(jù)剔除，以提高入庫數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

2.2 大數(shù)據(jù)可視化處理與分析

大數(shù)據(jù)可視化是將每一數(shù)據(jù)項(xiàng)作為圖元元素，將海量集中的數(shù)據(jù)集以圖形形式表示，數(shù)據(jù)各屬性值以多維數(shù)據(jù)形式表示。大數(shù)據(jù)價值挖掘是指利用數(shù)據(jù)分析和開發(fā)工具對大數(shù)據(jù)可視化圖形進(jìn)行分析，挖掘大數(shù)據(jù)蘊(yùn)藏的未知信息及潛在價值的處理過程。根據(jù)挖掘任務(wù)可將大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分為聚類分析、預(yù)測模型挖掘、趨勢發(fā)現(xiàn)、離群點(diǎn)檢測及曲線擬合等。

本文基于Tableau軟件建立線損大數(shù)據(jù)可視化模型，將線損大數(shù)據(jù)篩選出庫進(jìn)行計算與可視化。利用K均值聚類算法將線損離散數(shù)據(jù)進(jìn)行特征挖掘分析，提取數(shù)據(jù)蘊(yùn)藏的規(guī)律，再利用曲線擬合算法將其擬合為連續(xù)函數(shù)或離散方程，找出線損率與其他因素的相關(guān)性。

線損率數(shù)據(jù)集由n個數(shù)據(jù)點(diǎn)組成，且每個數(shù)據(jù)點(diǎn)均具有m個維度的屬性。在價值挖掘前，選取k個代表點(diǎn)P1、P2、P3、…、Pk，建立k個聚類中心C1、C2、C3、…、Ck（1＜k≤n）。按照最小距離法則對空間聚類表樣本值到聚類中心的距離逐個進(jìn)行計算，表達(dá)式為：

式中：Xi—第i個聚類樣本值；

Cj—第j個聚類中心；

Xit—第i個聚類樣本值的第t種屬性；Cjt—第j個聚類中心的第t種屬性。

將樣本值劃分至離相應(yīng)聚類中心最近的類簇中，再進(jìn)行新聚類中心的計算，直到計算收斂[11]。計算公式為：

式中：Cl—第l個聚類中心，1≤l≤k；

Sl—第l個類簇的樣本值個數(shù)；

Xi—第l個類簇中第i個樣本值，1≤Xi≤Sl。

3 案例分析

3.1 線損情況分析

在計量系統(tǒng)中提取2019年11月至2020年3月某供電局7個縣區(qū)局（A、B、C、D、E、F、G）的10 kV配電網(wǎng)線損大數(shù)據(jù)，包括供電單位名稱、配電線路信息、臺區(qū)信息、供電量與售電量、損失電量、線損率、負(fù)載率、三相參數(shù)等。為了對比各局在5個月內(nèi)損耗電量與線損率的變化情況，在Tableau中建立損耗電量與線損率對比圖（如圖3所示）。由圖3可知，5個月內(nèi)各局損耗電量總體變化不大，其中C局在各個月中損耗電量均最大；線損率平均值由大到小依次為C、F、A、G、E、D、B局。結(jié)合損耗電量與線損率分析，F(xiàn)與E局線損管理水平最差。A局從2020年開始線損率大幅下降，說明其線損管理成效較好。

圖3 損耗電量與線損率對比

為了詳細(xì)分析各局的線損管理情況，利用K均值聚類算法將線損數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析后在Tableau建立各局供電量與線損率散點(diǎn)圖，進(jìn)一步根據(jù)散點(diǎn)分布規(guī)律擬合線損率趨勢線（如圖4所示）。圖4中，線損率趨勢線代表供電量與線損率的發(fā)展趨勢，對應(yīng)線損的管理水平，趨勢線衰減越快反映線損管理越差，反之則線損管理越好。E、F、G、D局的趨勢線為減函數(shù)，說明其線損管理水平較低；C、A、B局趨勢線為增函數(shù)，說明其線損管理水平較高。

圖4 各局供電量與線損率散點(diǎn)及趨勢線

取線損管理水平較差的E、F、G、D局大數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，確定線損率過大或線損率不合格（ΔP≥8%）的臺區(qū)分布，結(jié)果如圖5所示。圖5中，F(xiàn)局不合格臺區(qū)分布在12個供電所轄區(qū)內(nèi)，涉及范圍最廣。其次是E、G局，而D局線損率不合格臺區(qū)涉及供電所數(shù)量最少。D3、E8、F3及G9供電所線損問題最突出。

圖5 線損率不合格臺區(qū)分布

3.2 原因分析

對線損問題較嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行原因分析、重點(diǎn)治理。對E、F、G、D局線損率不合格臺區(qū)（ΔP≥8%）的三相電流電壓數(shù)據(jù)、變壓器負(fù)載、配電網(wǎng)線路參數(shù)及供電長度等數(shù)據(jù)進(jìn)行K均值線損聚類分群計算，查找線損率不合格的主要影響因素，結(jié)果如圖6所示。

圖6 線損率不合格影響因素占比

由于地理位置分布差異，線損率不合格的因素也不盡相同。配電網(wǎng)參數(shù)三相不平衡是E與F局線損率不合格的主要原因，分別占38.89%、43.24%；供電范圍、供電結(jié)構(gòu)不合理是G局線損率過高的主要原因，同時也是E局線損率過高的重要原因之一。而D局線損率過高主要由配電臺區(qū)負(fù)載率問題引起，占比超過了50%。

3.3 線損管理方案

根據(jù)配電網(wǎng)線損大數(shù)據(jù)價值挖掘與分析結(jié)果，提出以下管理方案。

（1）配電網(wǎng)供電范圍及結(jié)構(gòu)不合理性的情況主要有臺區(qū)配電網(wǎng)絡(luò)中供電半徑過大、線路交叉分布、供電裝置超負(fù)荷運(yùn)行等。E、F、G局此類問題較突出，可以對供電范圍內(nèi)用戶的用電信息進(jìn)行全面統(tǒng)計后更換變壓器裝置。其次，對交叉架設(shè)的線路進(jìn)行絕緣改造，避免線路感應(yīng)引起損耗。在臺區(qū)新建時，合理進(jìn)行臺區(qū)布點(diǎn)，縮減配電、供電范圍，實(shí)現(xiàn)智能臺區(qū)線損治理。

（2）臺區(qū)設(shè)備落后、變壓器不合理運(yùn)行等問題都可能引起配電網(wǎng)三相參數(shù)不平衡，導(dǎo)致計量表用電數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確。對于三相參數(shù)不平衡問題較突出的E、F局，可通過SCADA系統(tǒng)監(jiān)測配電線路三相電壓、電流等數(shù)據(jù)，分析引起三相參數(shù)不平衡的原因，不定期進(jìn)行負(fù)荷檢測，根據(jù)負(fù)荷電氣量調(diào)整配電線路的用電負(fù)荷。

（3）正常情況下，變壓器負(fù)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；重載時損耗率也會增加。由圖6可知，各局由于負(fù)載率問題導(dǎo)致線損率不合格的占比較大，在新增臺區(qū)配電變壓器時，在設(shè)計階段充分考慮供電半徑及用戶負(fù)載大小，平衡分配。

（4）配電臺區(qū)集中器有失壓、斷流、接線錯誤及計量表故障等都可能使線損率不合格。用戶竊電行為也是導(dǎo)致線損率較高的重要原因之一。對此，應(yīng)加強(qiáng)配電線路和計量表計的運(yùn)維，對疑似故障或存在隱患的表計及時校驗(yàn)和更換。核對營銷系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，確保用戶用電信息采集無誤，電流互感器變流比與現(xiàn)場一致，避免系統(tǒng)漏抄、錯抄計量表計的情況。另外，還要加強(qiáng)宣傳依法用電相關(guān)知識，結(jié)合智能營銷平臺推進(jìn)反竊電工作，扼制違法用電行為。

4 結(jié)語

將線損大數(shù)據(jù)價值挖掘模型推廣應(yīng)用，不僅便于供電企業(yè)掌握線損管理水平，而且可以實(shí)現(xiàn)科學(xué)降損，減少損失電量帶來的經(jīng)濟(jì)損失。下一階段，考慮對線損大數(shù)據(jù)價值挖掘模型進(jìn)行優(yōu)化，并嵌入供電企業(yè)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，建設(shè)基于大數(shù)據(jù)價值挖掘的線損管理平臺，實(shí)現(xiàn)供電企業(yè)的線損精細(xì)化管理。