基于離群點檢測的低壓臺區(qū)同期線損異常辨識研究

周麗霞，譚志強，鄭思達，張勛，戚成飛

（國網(wǎng)冀北電力有限公司營銷服務中心（計量中心），北京 100032）

離群點是一種對于數(shù)據(jù)對象存在形式的描述，與其他數(shù)據(jù)對象不同，這類數(shù)據(jù)對象參量能夠同時受到多種不同檢測條件的影響。有時離群點也被稱為“異常數(shù)據(jù)”，而非離群點則被稱為“正常數(shù)據(jù)”。在既定的數(shù)據(jù)集環(huán)境中，若一個數(shù)據(jù)對象屬于全局型離群點，在不考慮其他干擾條件的情況下，可自發(fā)遠離該集合之中的其他數(shù)據(jù)對象[1-2]。一般情況下，所有離群點檢測方法都能在最短時間內(nèi)確定全局離群點所處的實際連接位置。

在供電網(wǎng)絡環(huán)境中，低壓臺區(qū)是對變壓器低壓供電范圍或區(qū)域的統(tǒng)稱。隨著實際供電時間的延長，整個區(qū)域內(nèi)的同期線損會出現(xiàn)明顯增強的趨勢[3]。為避免上述情況的發(fā)生，傳統(tǒng)SVDD 型辨識測量手段在自適應FCM 算法的支持下，通過確定相鄰線損節(jié)點之間的傳輸距離，再根據(jù)移相法竊電原理，對線損數(shù)值進行計數(shù)。但在此方法的應用過程中，定向電子之間的傳輸距離過長，易導致電壓參量差數(shù)值的不斷提升。為解決此問題，引入離群點檢測原理，設計一種新型的低壓臺區(qū)同期線損異常辨識方法，在分類線損行為的同時，建立標準化應用核函數(shù)，再通過參數(shù)優(yōu)化的方式，實現(xiàn)該方法的順利應用。

1 基于離群點檢測的低壓臺區(qū)同期線損計算

基于離群點檢測的低壓臺區(qū)同期線損計算包含離群點定義、線損分類、最大負荷損失量確定3 個處理環(huán)節(jié)，具體操作方法如下。

1.1 離群點定義

在低壓臺區(qū)的檢測范圍之中，離群點也被稱為異常點、偏離點或奇異值，與其他數(shù)據(jù)點具有明顯的差異性特征，常常因線損量檢測需求的不同，而有多種不同的異常量辨識機制。因此，離群點檢測始終以弄清低壓臺區(qū)同期線損異常量產(chǎn)生機制為目標，且隨著電壓、電流等電力參數(shù)數(shù)值的增大，必須從辨識檢測角度，提出多種假設計算條件。在電力數(shù)據(jù)集中，一個異常線損量數(shù)據(jù)點若明顯偏離集合中的其他數(shù)據(jù)節(jié)點，通?？蓪⒃摻Y(jié)構(gòu)點定義為全局型離群點[4-5]。在既定應用環(huán)境中，若低壓臺區(qū)環(huán)境中的電力數(shù)據(jù)未進行清晰化處理，則會導致最后的辨識精度下降。設p代表低壓臺區(qū)環(huán)境中的電力參數(shù)應用系數(shù)，p′代表電力參數(shù)辨識權(quán)限值，聯(lián)立上述物理量，可將異常線損量的離群點定義結(jié)果表示為：

其中，代表慣常性電量傳輸均值，代表待檢測離群點的完全匹配系數(shù)，D代表電力參數(shù)離群系數(shù)。

1.2 線損分類

根據(jù)線損產(chǎn)生原因的不同，低壓臺區(qū)同期線損可以分為管理線損、理論線損兩大類。其中，管理線損也叫電力線路中的營業(yè)或不明損失，是指由計量設備誤差及其他人為因素造成的電能損失量，在電網(wǎng)低壓臺區(qū)運行管理過程中，可針對待檢測離群點進行集中化處置與規(guī)劃。理論線損也叫技術(shù)線損，是由電網(wǎng)設備運行產(chǎn)生的，在低壓臺區(qū)環(huán)境中，該項物理量無法直接避免，但可根據(jù)設備自身運行參數(shù)的執(zhí)行情況計算得出[6-7]。具體異常線損量分類標準如表1 所示。

表1 線損分類標準

1.3 最大負荷損失量

最大負荷損失量是指傳輸電能在低壓臺區(qū)環(huán)境中的應用消耗總量，會隨電信號傳輸時間的延長，出現(xiàn)明顯累積趨勢。所謂負荷描述的是一種動態(tài)的電子參量傳輸行為，在既定檢測時間內(nèi)，若離群點內(nèi)的電量存儲行為不出現(xiàn)明顯變化，則傳輸線路內(nèi)中電力負荷損失量也不會產(chǎn)生明顯增大的變化趨勢[8-9]。設emin代表低壓同期線損，emax代表高壓同期線損。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（1），可將電網(wǎng)低壓臺區(qū)的電能最大負荷損失量表示為：

式中，Uˉ代表低壓臺區(qū)環(huán)境中的電壓傳輸均值，Imax代表低壓臺區(qū)環(huán)境中的最大電流傳輸值，cosφ代表線損壓差角的余弦值，ΔT代表低壓臺區(qū)同期線損量的單位檢測時長。

2 線損異常辨識方法

在離群點檢測原理的支持下，按照線損數(shù)據(jù)準備、核函數(shù)建立、辨識參數(shù)優(yōu)化的處理流程，實現(xiàn)新型低壓臺區(qū)同期線損異常辨識方法的設計與順利應用。

2.1 線損數(shù)據(jù)準備

由于待檢測的離群點電能數(shù)據(jù)可能存在不一致的情況，因此在執(zhí)行線損異常辨識指令前，需要對所有線損數(shù)據(jù)進行初步準備處理[10-11]。數(shù)據(jù)準備是指通過填補電能缺失值的方式，對整個低壓臺區(qū)內(nèi)的噪聲信息得到平滑化處置，從而使待辨識節(jié)點得到有效清洗，實現(xiàn)對固定數(shù)值區(qū)間內(nèi)電壓、電流、電阻等參數(shù)項的直接計算[12]。設R1、R2、…、Rn分別代表n個不同的連接電阻實值，在既定低壓臺區(qū)空間內(nèi)，這些應用電阻的阻值不能在同一時間為零，也不能在同一時間達到物理最大值。Iˉ代表離群點檢測原理影響下，既定電量傳輸線路所承擔的電流均值，若不考慮其他干擾量對低壓臺區(qū)同期線損量造成的影響，則可認為該項物理系數(shù)的表現(xiàn)實值始終保持不變。在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（2），可將異常線損數(shù)據(jù)準備結(jié)果表示為：

其中，Un代表最后一個與低壓臺區(qū)同期線損量相關(guān)的電壓數(shù)值，U1代表第一個與低壓臺區(qū)同期線損量相關(guān)的電壓數(shù)值。

2.2 核函數(shù)建立

在電網(wǎng)低壓臺區(qū)中，非線性線損問題難以解決，因此需要引入核函數(shù)。以離群點檢測原理為基礎，將原有非線性輸入電子量作為映射條件，直接作用于新的電能特征空間中，就可將原有的非線性分類問題轉(zhuǎn)化為簡單的線性問題[13-14]。核函數(shù)應用的基本技巧是通過非線性變換，將原有的電能空間映射到全新的低壓臺區(qū)電能空間之中，再通過電壓量擴充、電流量擴充兩種處理方法，實現(xiàn)對線損異常行為的定向性控制。規(guī)定un代表線性條件下的線損數(shù)據(jù)辨識系數(shù)，u1代表非線性條件下的線損數(shù)據(jù)辨識系數(shù)，λ代表電量離群點節(jié)點處的檢測權(quán)限，聯(lián)立公式（3），可將低壓臺區(qū)同期線損異常辨識的核函數(shù)條件定義為：

式中，f代表電能空間中的線損量映射系數(shù)，h代表電壓量擴充條件，A代表電流量擴充權(quán)限，β代表既定擴充系數(shù)。

2.3 辨識參數(shù)優(yōu)化

辨識參數(shù)優(yōu)化是提出基于離群點檢測低壓臺區(qū)同期線損異常辨識方法建立的最后一個環(huán)節(jié)，可在已知核函數(shù)條件的基礎上，推導出既定區(qū)域中的電能實際消耗行為，從而使得線損異常量辨識精度水平的穩(wěn)定提升。當電力輸出水平逐漸趨于穩(wěn)定時，低壓臺區(qū)內(nèi)的所有電能都會在較短時間內(nèi)達到最大值輸出狀態(tài)，從而使得待檢測離群點所承擔的電能值逐漸達到理想化水平[15-16]。設sn代表離群點檢測行為支持下的最高同期線損輸入量，聯(lián)立式（4），可將辨識參數(shù)的優(yōu)化結(jié)果表示為：

其中，ξ1代表核函數(shù)應用條件，ω1代表電能的最小處置權(quán)限值，D1代表異常性線損處置條件。至此，實現(xiàn)各項物理應用數(shù)值的計算與處理，在離群點檢測原理的支持下，完成新型低壓臺區(qū)同期線損異常辨識方法的設計。

3 實用能力檢測

為驗證基于離群點檢測低壓臺區(qū)同期線損異常辨識方法的實際應用價值，設計如下對比實驗。通過人工干預的方式，分別將實驗組、對照組線損控制主機接入同一電網(wǎng)低壓臺區(qū)檢測環(huán)境之中，其中，實驗組主機搭載基于離群點檢測低壓臺區(qū)同期線損異常辨識方法，對照組主機搭載傳統(tǒng)SVDD 型辨識測量手段。在其他實驗條件保持不變的情況下，記錄各項實驗指標的實際變化情況。電網(wǎng)低壓臺區(qū)檢測環(huán)境如圖1 所示。

圖1 電網(wǎng)低壓臺區(qū)檢測環(huán)境

已知實時電壓參量差、定向電子傳輸距離均能表示電網(wǎng)組織對同期線損量異常行為的實際抵抗能力，一般情況下，電壓參量差值越低、傳輸距離值越短，電網(wǎng)組織對同期線損量異常行為的實際抵抗能力也就越強，反之則越弱。表2 記錄了實驗組、對照組實時電壓參量差值與定向電子傳輸距離值的具體變化情況。

表2 實時電壓參量差值對比表

分析表2 可知，隨著實驗時間的延長，實驗組實時電壓參量差基本保持不斷下降的變化趨勢，在實驗過程中雖出現(xiàn)過一段時間的穩(wěn)定狀態(tài)，但對整體影響程度不大，全局最大值僅能達到35 V。對照組實時電壓參量差則保持先小幅上升、再穩(wěn)定、最后大幅上升的變化趨勢，全局最大值達到了77 V，與實驗組極值相比，上升了42 V。綜上可知，隨著基于離群點檢測低壓臺區(qū)同期線損異常辨識方法的應用，實時電壓參量差的實際數(shù)值水平得到有效控制，以此使得電網(wǎng)組織對同期線損量異常行為抵抗能力的不斷增強。

分析表3 可知，隨著實驗時間的延長，實驗組定向電子傳輸距離值始終保持相對穩(wěn)定的變化狀態(tài)，全局最大值也僅能達到3.8 μm。對照組定向電子傳輸距離值則始終保持先上升、再穩(wěn)定的變化趨勢，全局最大值達到了8.0 μm，與實驗組極值相比，上升了4.2 μm。綜上可知，隨著基于離群點檢測低壓臺區(qū)同期線損異常辨識方法的應用，定向電子傳輸距離值出現(xiàn)了明顯下降的變化趨勢，符合增強電網(wǎng)組織對同期線損量異常行為抵抗能力的實際應用需求。

表3 定向電子傳輸距離值對比表

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)SVDD 型辨識測量手段相比，新型低壓臺區(qū)同期線損異常辨識方法在離群點檢測原理的支持下，可實現(xiàn)對最大負荷損失量的精準定義，且隨著線損數(shù)據(jù)準備量的增大，最終辨識參數(shù)也得到了有效的優(yōu)化。從實用性角度來看，實時電壓參量差值與定向電子傳輸距離值的下降，可促進電網(wǎng)組織對同期線損量異常行為抵抗能力的增強，在一定程度上滿足了電網(wǎng)環(huán)境對于安全性與穩(wěn)定性的需求。