基于數(shù)據(jù)挖掘的臺(tái)區(qū)配電峰值超負(fù)荷預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

侯立興，韓林娜

（國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司慶陽(yáng)供電公司，甘肅慶陽(yáng) 745000）

由于電網(wǎng)通常處于十分復(fù)雜且惡劣的環(huán)境中，周?chē)鞣N影響因素過(guò)多，增加了電網(wǎng)超負(fù)荷的概率，因此在電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中必須對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷進(jìn)行預(yù)警。目前電網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)均存在單一性，只能針對(duì)某一種或幾種情況進(jìn)行預(yù)警，效率十分低下且極容易漏掉某些不易察覺(jué)的問(wèn)題[1]。針對(duì)目前預(yù)警系統(tǒng)存在的問(wèn)題，對(duì)電力超負(fù)荷預(yù)警系統(tǒng)展開(kāi)研究[2-3]。

鄭陽(yáng)平[4]等人首先對(duì)船舶的電力安全狀態(tài)進(jìn)行分析，并一一提取出船舶電網(wǎng)可能出現(xiàn)或已經(jīng)出現(xiàn)的電力缺陷；其次通過(guò)光傳感器收集電力系統(tǒng)的全部數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)的小波信息熵辨識(shí)出目前電力系統(tǒng)的負(fù)荷狀態(tài)，利用電力安全狀態(tài)結(jié)果設(shè)計(jì)出電力負(fù)荷的預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)配電峰值超負(fù)荷預(yù)警。劉豐[5]等人首先對(duì)電網(wǎng)中絕緣子的損失以及劣化情況進(jìn)行分析；其次根據(jù)絕緣子的最高臨界點(diǎn)超負(fù)荷進(jìn)行預(yù)警，并在其中加入行波技術(shù)進(jìn)而設(shè)計(jì)出電力超負(fù)荷預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)配電峰值超負(fù)荷預(yù)警。楊海峰[6]等人首先將電力系統(tǒng)與通信網(wǎng)進(jìn)行連接，保證數(shù)據(jù)的完整，并設(shè)計(jì)出含有電力數(shù)據(jù)狀態(tài)分析處理模塊和安全認(rèn)證模塊的硬件系統(tǒng)；其次設(shè)計(jì)出關(guān)于電力數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換單元，進(jìn)而得出電力超負(fù)荷預(yù)警算法形成電力預(yù)警軟件系統(tǒng)，利用硬件和軟件共同對(duì)電力負(fù)荷進(jìn)行預(yù)警，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)配電峰值超負(fù)荷預(yù)警。以上三種方法受電力海量數(shù)據(jù)的影響，導(dǎo)致其中冗余數(shù)據(jù)過(guò)多，缺失數(shù)據(jù)無(wú)法刪除或修改，因此在預(yù)警過(guò)程中需要用一定時(shí)間排除無(wú)用數(shù)據(jù)，進(jìn)而加長(zhǎng)預(yù)警時(shí)間。

為了解決上述方法中存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于數(shù)據(jù)挖掘的臺(tái)區(qū)配電峰值超負(fù)荷預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)構(gòu)建數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)，預(yù)處理其中的無(wú)用數(shù)據(jù)，避免冗余數(shù)據(jù)過(guò)多對(duì)臺(tái)區(qū)配電峰值超負(fù)荷預(yù)警準(zhǔn)確性造成的影響。

1 配電網(wǎng)的數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

臺(tái)區(qū)配電峰值超負(fù)荷預(yù)警的主要目的是確定電力系統(tǒng)發(fā)電設(shè)備及輸變電設(shè)備的容量，以及為選擇合理的電源結(jié)構(gòu)以及燃料計(jì)劃等提供參考。這一過(guò)程中包括了用戶側(cè)的用電偏好、電能質(zhì)量狀況、用電可靠性信息等多種數(shù)據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)配電峰值超負(fù)荷準(zhǔn)確預(yù)警，預(yù)先構(gòu)建配電網(wǎng)數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)，在海量電力數(shù)據(jù)中提取出未知且有價(jià)值的知識(shí)[7]。

數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)據(jù)挖掘流程圖

依據(jù)數(shù)據(jù)挖掘流程圖，從數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)采集以及結(jié)果描述三部分完成臺(tái)區(qū)配電數(shù)據(jù)預(yù)處理。

1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備是數(shù)據(jù)挖掘的關(guān)鍵步驟，其主要功能是去除電力數(shù)據(jù)噪聲以及冗余數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的前期準(zhǔn)備直接決定最終數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果精度以及效率等[8]。數(shù)據(jù)準(zhǔn)備包含數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)預(yù)處理，其中數(shù)據(jù)集成是將數(shù)據(jù)中的相似數(shù)據(jù)進(jìn)行合并，數(shù)據(jù)篩選是篩選出可進(jìn)一步分析的數(shù)據(jù)，進(jìn)而減少數(shù)據(jù)量，保證數(shù)據(jù)挖掘的效率。在上述數(shù)據(jù)準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集過(guò)程為利用挖掘算法查找數(shù)據(jù)，再根據(jù)挖掘規(guī)律采集數(shù)據(jù)[9]。數(shù)據(jù)挖掘的預(yù)處理是將采集的數(shù)據(jù)保存成方便挖掘的形式，必要時(shí)將數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化處理。

3）描述結(jié)果

該模塊用于評(píng)估預(yù)處理后的數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出最有效的數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行可視化處理[10-11]，向用戶展示。

2 臺(tái)區(qū)配電峰值超負(fù)荷預(yù)警系統(tǒng)

以數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)臺(tái)區(qū)配電峰值超負(fù)荷預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用模塊組成的形式[12]構(gòu)建，其中每個(gè)模塊均屬于獨(dú)立的子系統(tǒng)，可獨(dú)自進(jìn)行作業(yè)。設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括操作模塊、設(shè)置模塊、超負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊、監(jiān)測(cè)與預(yù)警模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、數(shù)據(jù)維護(hù)模塊以及幫助模塊。

2.1 操作模塊

操作模塊主要包含三方面，分別為進(jìn)入系統(tǒng)、退出系統(tǒng)以及注銷(xiāo)系統(tǒng)，其主要作用是用戶進(jìn)入系統(tǒng)開(kāi)始預(yù)警工作以及完成預(yù)警后退出系統(tǒng)，當(dāng)用戶不再使用該系統(tǒng)時(shí)，為保護(hù)用戶身份可直接將系統(tǒng)注銷(xiāo)[13]。

2.2 設(shè)置模塊

在設(shè)置模塊中，將用戶劃分為普通用戶與高級(jí)用戶兩種[14]，普通用戶只能根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)存在的數(shù)據(jù)進(jìn)行電網(wǎng)超負(fù)荷的預(yù)警，即僅限于使用預(yù)警系統(tǒng)。高級(jí)用戶在使用預(yù)警系統(tǒng)的同時(shí)可對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改以及刪除等處理，高級(jí)用戶具有較高權(quán)限，它可控制普通用戶的進(jìn)入，即管理普通用戶。除了對(duì)用戶的限制還可對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行設(shè)置，將不同數(shù)據(jù)庫(kù)連接不同的操作目標(biāo)，再次啟動(dòng)系統(tǒng)后可直接默認(rèn)該設(shè)置。

2.3 超負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊

電力超負(fù)荷預(yù)測(cè)的關(guān)鍵因素是預(yù)測(cè)模型的優(yōu)劣，由于預(yù)測(cè)模型都具有各自的特點(diǎn)，因此將預(yù)測(cè)系統(tǒng)中可用的預(yù)測(cè)模型收集到一起構(gòu)成模型庫(kù)，所以超負(fù)荷預(yù)測(cè)模塊的關(guān)鍵是收集足夠全面的預(yù)測(cè)模型。預(yù)測(cè)模型庫(kù)如圖2 所示。

圖2 預(yù)測(cè)模型庫(kù)

基于圖2 的預(yù)測(cè)模型庫(kù)，在預(yù)警過(guò)程中選擇合適的模型可加大預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

在預(yù)測(cè)過(guò)程中，數(shù)據(jù)的預(yù)處理是對(duì)有用數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)化、修改等。預(yù)測(cè)的核心是模型的選取，選取預(yù)測(cè)模型的方法有兩種，第一種較為簡(jiǎn)單，即針對(duì)環(huán)境以及電力等條件因素選擇合適的模型；第二種是在預(yù)測(cè)系統(tǒng)中將所有預(yù)測(cè)模型測(cè)試一遍，從中選取出最優(yōu)異的模型，這種方法又叫系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行方法，系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行方法雖然較為復(fù)雜但其準(zhǔn)確性較其余方法是最高的，其運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行結(jié)構(gòu)圖

2.4 監(jiān)測(cè)與預(yù)警模塊

監(jiān)測(cè)與預(yù)警模塊的主要功能是基于電荷的預(yù)測(cè)結(jié)果以及數(shù)據(jù)庫(kù)，在經(jīng)濟(jì)預(yù)警原理的幫助下分析配電網(wǎng)電荷，進(jìn)而對(duì)需要預(yù)警的區(qū)域發(fā)出預(yù)警信號(hào)。

在該模塊中需要設(shè)置兩個(gè)指標(biāo)，即絕對(duì)指標(biāo)和相對(duì)指標(biāo)。絕對(duì)指標(biāo)是衡量電力系統(tǒng)需求平衡的絕對(duì)標(biāo)準(zhǔn)，也是對(duì)目前時(shí)間段真實(shí)電力供需情況的監(jiān)測(cè)預(yù)警；相對(duì)指標(biāo)是指當(dāng)前時(shí)間段電力需求的理想化數(shù)值，通過(guò)這兩個(gè)指標(biāo)對(duì)電力的負(fù)荷情況監(jiān)測(cè)。

2.5 統(tǒng)計(jì)分析模塊

統(tǒng)計(jì)分析模塊是對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的以往數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和運(yùn)算，得出電力負(fù)荷的相關(guān)曲線[15-16]，其中包含縱向與橫向比較、網(wǎng)間電量的轉(zhuǎn)換分析以及電量的進(jìn)出口情況。

2.6 數(shù)據(jù)查詢模塊

普通用戶根據(jù)自身需要在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢，生成不同種類(lèi)的電力負(fù)荷相關(guān)曲線。

2.7 數(shù)據(jù)維護(hù)模塊

數(shù)據(jù)維護(hù)模塊的主要功能是針對(duì)數(shù)據(jù)而言，將挖掘出的數(shù)據(jù)代入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，并對(duì)其進(jìn)行修改以及刪除等處理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的維護(hù)。

2.8 幫助模塊

幫助模塊的主要功能是協(xié)助預(yù)警系統(tǒng)，將其他模塊不可處理的問(wèn)題在此模塊中進(jìn)行處理。

以上即為臺(tái)區(qū)配電峰值超負(fù)荷預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中，最主要的模塊就是監(jiān)測(cè)與預(yù)警模塊，根據(jù)該模塊中的絕對(duì)指標(biāo)與相對(duì)指標(biāo)對(duì)電力負(fù)荷進(jìn)行監(jiān)測(cè)，再利用經(jīng)濟(jì)預(yù)警原理對(duì)用電地區(qū)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電力超負(fù)荷的預(yù)警。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

為了驗(yàn)證基于數(shù)據(jù)挖掘的臺(tái)區(qū)配電峰值超負(fù)荷預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的整體有效性，分別采用所提方法、文獻(xiàn)[4]方法和文獻(xiàn)[5]方法進(jìn)行預(yù)警精度、預(yù)警用時(shí)和預(yù)警效果的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如下。

3.1 預(yù)警準(zhǔn)確率

選取不同種類(lèi)的配電網(wǎng)，針對(duì)每種配電網(wǎng)可承載的負(fù)荷電量不同，利用三種方法對(duì)該配電網(wǎng)進(jìn)行預(yù)警，對(duì)比三種方法最終的預(yù)警精度得出最優(yōu)預(yù)警系統(tǒng)。不同方法的預(yù)警準(zhǔn)確率如表1 所示。

表1 不同方法的預(yù)警準(zhǔn)確率

根據(jù)表1 可知，在不同類(lèi)型的超負(fù)荷配電網(wǎng)下，三種方法均可對(duì)電網(wǎng)的超負(fù)荷發(fā)出預(yù)警信號(hào)。針對(duì)不同的超負(fù)荷電量，三種方法得出的預(yù)警結(jié)果也有所不同，但經(jīng)過(guò)比較，所提方法是三種方法中預(yù)警準(zhǔn)確率最高的方法，準(zhǔn)確率高于96.5%，其余兩種方法的預(yù)警準(zhǔn)確率均不同程度地低于所提方法，文獻(xiàn)[4]方法最高預(yù)警準(zhǔn)確率為91.3%，文獻(xiàn)[5]方法最高預(yù)警準(zhǔn)確率為81.6%。所提方法預(yù)警準(zhǔn)確率高的原因是在設(shè)計(jì)電力超負(fù)荷預(yù)警系統(tǒng)前，對(duì)電力負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行修改以及刪除的預(yù)處理，排除了缺失數(shù)據(jù)，同時(shí)完善電力數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性，確保在預(yù)警系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的安全和簡(jiǎn)潔，進(jìn)而提高了所提方法的預(yù)警準(zhǔn)確率。

3.2 預(yù)警用時(shí)

預(yù)警用時(shí)是直接判斷預(yù)警系統(tǒng)優(yōu)劣的指標(biāo)，在外界環(huán)境完全相同的條件下，選擇所提方法、文獻(xiàn)[4]方法以及文獻(xiàn)[5]方法進(jìn)行預(yù)警用時(shí)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同方法的預(yù)警用時(shí)

此次測(cè)試在不同負(fù)荷裕度下完成，經(jīng)統(tǒng)計(jì)所提方法的預(yù)警速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他兩種方法，最高預(yù)警用時(shí)為5 s，所提方法的用時(shí)最短，效率最高，可及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，避免因電量超負(fù)荷帶來(lái)的電力故障。文獻(xiàn)[4]方法的最高預(yù)警用時(shí)為10 s，會(huì)因?yàn)轭A(yù)警時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，速度過(guò)慢而頻繁出現(xiàn)較大的預(yù)警誤差，誤差變大直接導(dǎo)致將超負(fù)荷用電量辨識(shí)為正常用電量，從而不能及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)，且預(yù)警信號(hào)延時(shí)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間極可能導(dǎo)致電路出現(xiàn)崩潰等問(wèn)題。文獻(xiàn)[5]方法的最高預(yù)警用時(shí)為13 s，極可能導(dǎo)致電路出現(xiàn)故障。綜上所述，所提方法的預(yù)警效果最好，效率最高，用時(shí)最短，是三種方法中預(yù)警性能最優(yōu)的系統(tǒng)。

3.3 預(yù)警效果

為驗(yàn)證預(yù)警系統(tǒng)效果的好壞程度，在相同條件下選取五天同樣用電量較大的時(shí)間段進(jìn)行電量負(fù)荷預(yù)警，假設(shè)電力負(fù)荷程度最大為100%，超過(guò)100%即為電力超負(fù)荷運(yùn)行，而預(yù)警系統(tǒng)的最好預(yù)警時(shí)刻就是電力系統(tǒng)中用電量較高且即將超負(fù)荷前的時(shí)刻，在用電量過(guò)低以及超出最大用電量的時(shí)刻進(jìn)行預(yù)警均不理想，根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)三種方法發(fā)出預(yù)警信號(hào)時(shí)刻的用電量進(jìn)行比較，得出最優(yōu)預(yù)警系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5 所示。

圖5 發(fā)出預(yù)警信號(hào)時(shí)的負(fù)荷量

文獻(xiàn)[5]方法發(fā)出預(yù)警信號(hào)時(shí)，電力系統(tǒng)的電力負(fù)荷程度均超過(guò)最高負(fù)荷量，只起到了電力超負(fù)荷通知的作用，文獻(xiàn)[4]方法雖只有部分預(yù)警信號(hào)是在電量超負(fù)荷情況下發(fā)出的，但是其余發(fā)出預(yù)警信號(hào)時(shí)刻的電量皆低于最高負(fù)荷，所提方法發(fā)出的信號(hào)始終在80%～100%內(nèi)波動(dòng)，既能在電網(wǎng)即將超負(fù)荷前發(fā)出預(yù)警提醒工作人員，也能保證電力的總電量不會(huì)下降過(guò)多。

4 結(jié)束語(yǔ)

多次超負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致電力的不可逆損壞，為保證人們生活中可正常用電，也確保工業(yè)生產(chǎn)不受任何財(cái)產(chǎn)損失，因此設(shè)計(jì)基于數(shù)據(jù)挖掘的臺(tái)區(qū)配電峰值超負(fù)荷預(yù)警系統(tǒng)。在建立數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)致地處理，設(shè)計(jì)出帶有多個(gè)模塊形式的預(yù)警模型，在其中加入數(shù)據(jù)挖掘得出的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)區(qū)配電峰值超負(fù)荷預(yù)警，解決了預(yù)警精度低、預(yù)警用時(shí)長(zhǎng)和預(yù)警效果差的問(wèn)題。