基于數(shù)據(jù)挖掘的電能誤差數(shù)據(jù)自動化校正方法

楊軍，莊文德，張育輝

（南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東廣州 510520）

在實(shí)際分析電能數(shù)據(jù)時，受到外部環(huán)境的影響，常常會產(chǎn)生誤差[1-2]，為此，研究誤差數(shù)據(jù)的校正成為了當(dāng)前相關(guān)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。對于規(guī)模較大的電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，其誤差數(shù)據(jù)規(guī)模也更為龐大[3]，對實(shí)際的校正工作產(chǎn)生了較大的阻礙[4-6]，為此，設(shè)計一種誤差數(shù)據(jù)自動化校正方法是很有必要的。

文獻(xiàn)[7]提出基于TDR 的自動墑情站監(jiān)測數(shù)據(jù)校正，引用了正確的電能數(shù)據(jù)估計值替換原有的誤差數(shù)值，但該估計值的精度不高，導(dǎo)致最終的校正正確率較小。文獻(xiàn)[8]提出基于線電壓差積分的電能誤差檢測及校正方法，整合了誤差數(shù)據(jù)的特征，定義了誤差數(shù)據(jù)的校正狀態(tài)，但狀態(tài)數(shù)據(jù)產(chǎn)生了一定的噪聲，導(dǎo)致實(shí)際校正時的正確率變小。

綜合當(dāng)前研究成果來看，建立自動化校正方法很有必要，為此，提出基于數(shù)據(jù)挖掘的電能誤差數(shù)據(jù)自動化校正方法。

1 數(shù)據(jù)自動化校正方法

1.1 挖掘供電網(wǎng)誤差電能數(shù)據(jù)

在挖掘供電網(wǎng)誤差電能數(shù)據(jù)時，劃定相同區(qū)域的供電網(wǎng)作為處理對象[9]，整理為不同類別的數(shù)據(jù)集后，采用主成分方法處理采集得到的電能數(shù)據(jù)，處理過程可表示為：

其中，W0表示采集得到的電能數(shù)據(jù)，E(W0) 表示計量得到的電能數(shù)據(jù)，D(W0)表示標(biāo)準(zhǔn)化電能數(shù)據(jù)。劃分上述電能數(shù)據(jù)為不同的時間間隔等級，劃分過程可表示為：

其中，j表示配電網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，n表示配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電能表的數(shù)據(jù)，Wj表示時間間隔周期內(nèi)的電能數(shù)據(jù)。假設(shè)實(shí)際間隔內(nèi)的時間周期呈獨(dú)立分布[10]，此時挖掘得到的電能數(shù)據(jù)呈現(xiàn)正態(tài)分布，電能數(shù)據(jù)狀態(tài)可表示為：

其中，e(j)表示電能數(shù)據(jù)間的線性關(guān)系，η2表示電能數(shù)據(jù)誤差方差，I表示電能數(shù)據(jù)的單位矩陣，其余參數(shù)含義不變。不斷增大采集電網(wǎng)的范圍后[11]，在上述電能數(shù)據(jù)狀態(tài)的控制下，區(qū)域內(nèi)的電能數(shù)據(jù)的變化如圖1 所示。

圖1 采集電能數(shù)據(jù)的變化

由圖1可知，不同采集周期下，受到外部環(huán)境的干擾，電能數(shù)據(jù)中產(chǎn)生了部分的誤差數(shù)據(jù)，對該部分誤差數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[12]，確定電能數(shù)據(jù)中的誤差數(shù)據(jù)指標(biāo)。

1.2 確定誤差數(shù)據(jù)指標(biāo)

在上述確定得到的電能誤差數(shù)據(jù)下，同區(qū)域同周期不同分支內(nèi)的電能數(shù)據(jù)，受到外部隨機(jī)噪聲的影響，導(dǎo)致電能數(shù)據(jù)誤差，可表示為：

其中，Q表示電能誤差數(shù)據(jù)集合，N表示實(shí)際產(chǎn)生噪聲數(shù)據(jù)的支路數(shù)量，U1表示電能數(shù)據(jù)的協(xié)方差特征值。在該數(shù)據(jù)控制下，將電能數(shù)據(jù)誤差指標(biāo)數(shù)量作為一種誤差數(shù)據(jù)指標(biāo)。因外部供電電壓較低而導(dǎo)致電能數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差[13]，該部分的電能數(shù)據(jù)誤差就可表示為：

其中，M表示實(shí)際配電網(wǎng)的供電量。Wz表示電網(wǎng)支路中與預(yù)期的數(shù)值差缺少的電壓數(shù)值，y為預(yù)期電壓數(shù)值，在統(tǒng)計區(qū)間內(nèi)，配電網(wǎng)用戶在限值范圍內(nèi)產(chǎn)生一定的累積[14]，此時實(shí)際運(yùn)行的電壓與預(yù)算電壓產(chǎn)生的誤差，該部分誤差就可表示為：

其中，Ri表示配電過程產(chǎn)生的電能誤差，ti為配電網(wǎng)用戶在限值范圍內(nèi)的電壓差值，q為配電網(wǎng)用戶極限電壓值，M表示電能數(shù)據(jù)實(shí)際運(yùn)行產(chǎn)生的電能，T表示采集電能數(shù)據(jù)周期。在上述統(tǒng)計周期內(nèi)，供電網(wǎng)內(nèi)的電壓會產(chǎn)生一定的暫降，進(jìn)而在供電網(wǎng)中產(chǎn)生一定的電能誤差，可表示為：

其中，Hi表示電能數(shù)據(jù)的暫態(tài)誤差，ΔDi表示配電網(wǎng)的統(tǒng)計時間周期，其余參數(shù)含義不變。匯總上述得到的電能誤差數(shù)據(jù)，構(gòu)建誤差自動校正方法。

1.3 實(shí)現(xiàn)對電能誤差數(shù)據(jù)的自動化校正

將不同誤差來源的數(shù)據(jù)劃分為不同的數(shù)據(jù)組，將數(shù)據(jù)組中的數(shù)據(jù)劃分為已測數(shù)據(jù)與未測數(shù)據(jù)，并構(gòu)建一個狀態(tài)判斷公式，可表示為：

其中，P表示全部的誤差數(shù)據(jù)，P1表示已測數(shù)據(jù)，P2表示未測數(shù)據(jù)，A表示非零列的電能誤差數(shù)據(jù)。定義上述電能數(shù)據(jù)為一個無顯著狀態(tài)，協(xié)調(diào)兩個狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)后，形成一個電能穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)，可表示為：

其中，f(x)表示電能穩(wěn)態(tài)約束函數(shù)向量，B表示未測顯著參數(shù)，n表示電能穩(wěn)態(tài)參數(shù)。在上述電能穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的控制下，構(gòu)建得到的校正模型就可表示為：

其中，s表示電能誤差數(shù)據(jù)的數(shù)量，ai表示配電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)函數(shù)，F(xiàn)表示實(shí)際產(chǎn)生的電能誤差數(shù)值，C表示非容性節(jié)點(diǎn)相關(guān)系數(shù)，其余參數(shù)含義不變。在上述校正矩陣的控制下，設(shè)定校正矩陣的校正周期[15-16]，使用該校正周期參數(shù)不斷控制電能誤差數(shù)據(jù)的采集過程，最終實(shí)現(xiàn)對電能誤差數(shù)據(jù)的自動化校正。

2 仿真實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

選定一供電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為電能數(shù)據(jù)的采集對象，使用的電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 選定的供電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在圖2 所示的供電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，供電線路采用放射式的接線形式，控制供電網(wǎng)中的母線電壓為10 kV，并連接分支饋線，并在二級配電設(shè)備的控制下，通過分支箱的接線形式，實(shí)現(xiàn)電能的分支輸送。采集供電網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的電能數(shù)據(jù)，采集得到的電能數(shù)據(jù)如表1 所示[17]。

使用表1 采集得到的電能數(shù)據(jù)，以文獻(xiàn)[7]方法、文獻(xiàn)[8]方法及該文校正方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對比三種校正方法的性能。

2.2 結(jié)果及分析

基于上述實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，控制三種校正方法處理表1中的電能數(shù)據(jù)，定義三種校正方法累積的校正誤差可計算為：

表1 采集得到的電能數(shù)據(jù)

其中，Xi表示采集得到的電能數(shù)據(jù)集，表示顯著誤差數(shù)據(jù)，Q表示誤差顯著參數(shù)。在上述計算公式控制下，三種校正方法校正時產(chǎn)生的誤差，結(jié)果如表2 所示。

表2 三種校正方法產(chǎn)生的誤差

由表2 所示的校正結(jié)果可知，控制三種校正方法處理相同的誤差數(shù)據(jù)集，根據(jù)計算得到的校正誤差可知，文獻(xiàn)[7]方法校正誤差在27%左右，實(shí)際校正效果較差，文獻(xiàn)[8]方法產(chǎn)生的校正誤差在12%左右，校正誤差較小，且實(shí)際校正效果較強(qiáng)。而設(shè)計得到的校正方法產(chǎn)生的校正誤差在4%左右，與兩種對比校正方法相比，設(shè)計得到的校正誤差最小，實(shí)際校正誤差數(shù)據(jù)的效果較強(qiáng)。

當(dāng)電能數(shù)據(jù)產(chǎn)生數(shù)值變化時，則定義為一次異常數(shù)據(jù)替換過程，統(tǒng)計三種校正方法可替換異常數(shù)據(jù)的數(shù)量，結(jié)果如表3 所示。

根據(jù)表3 所示的數(shù)值結(jié)果可知，控制三種誤差數(shù)據(jù)校正方法替換原有的電能誤差數(shù)據(jù)，文獻(xiàn)[7]方法可替換的誤差數(shù)據(jù)數(shù)量在21-29 組之間，可替換的誤差數(shù)據(jù)數(shù)量較少，文獻(xiàn)[8]方法可替換的誤差數(shù)據(jù)數(shù)量在32-38 組之間，而設(shè)計得到的校正方法可替換誤差數(shù)據(jù)組的數(shù)量在40-44組之間，與兩種常規(guī)校正方法相比，該種校正方法幾乎可替換所有的誤差數(shù)據(jù)。

表3 三種校正方法替換異常數(shù)據(jù)個數(shù)結(jié)果

保持上述實(shí)驗(yàn)環(huán)境不變，在使用三種校正方法處理誤差數(shù)據(jù)時，控制誤差數(shù)據(jù)集迭代100次，統(tǒng)計三種校正方法正確校正的數(shù)量，計算得到校正正確率，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 三種校正方法校正正確率結(jié)果

由圖3 所示的校正正確率結(jié)果可知，控制數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)迭代100 次后，變換電能誤差數(shù)據(jù)的形式，根據(jù)統(tǒng)計文獻(xiàn)[7]方法平均正確率數(shù)值在85%左右，得到的正確率數(shù)值較小，文獻(xiàn)[8]方法的平均校正方法平均正確率數(shù)值在94%左右，實(shí)際校正正確率數(shù)值較大，而設(shè)計校正方法平均正確率數(shù)值在97%左右，與兩種常規(guī)校正方法相比，該種校正方法校正正確率最高，實(shí)際的校正效果最佳。

3 結(jié)束語

配電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，導(dǎo)致電能誤差數(shù)據(jù)量的增加，為此提出基于數(shù)據(jù)挖掘的電能誤差數(shù)據(jù)自動化校正方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計方法能夠改善原有校正方法存在的不足，為今后研究誤差校正提供一定的理論支持。