《基于數(shù)據(jù)挖掘的配電網(wǎng)故障風(fēng)險預(yù)警》
劉科研1 ,吳心忠2 ,石琛2,賈東梨1
(1.中國電力科學(xué)研究院,北京 100192 ;2.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院 ,北京 100044〉
摘要:為了提高配電網(wǎng)風(fēng)險預(yù)警的準(zhǔn)確性 ,提出了基于數(shù)據(jù)挖掘的配電網(wǎng)故障關(guān)聯(lián)因素分析與風(fēng)險預(yù)警的方法 。通過數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)變換 、數(shù)據(jù)集成和離群樣本剔除 ,歸納配電網(wǎng)四大類共28個故障特征;采用改進(jìn)的 Relief-Wrapper算法進(jìn)行故障關(guān)聯(lián)因素分析 ,剔除了 6個冗余特征 ,形成了由22個故障特征組成的最優(yōu)故障
特征子集;提出了兼顧故障發(fā)生頻率和失電負(fù)荷比例的配電網(wǎng)故障風(fēng)險指標(biāo)和風(fēng)險等級劃分方法 ,采用基于徑向基函數(shù)的支持向量機(jī)(SVM)方法和最優(yōu)故障特征子集進(jìn)行風(fēng)險預(yù)警—對某市120條饋線配電網(wǎng)進(jìn)行了 風(fēng)險預(yù)警算例分析 ,結(jié)果驗證了所提方法的有效性。
關(guān)鍵詞:配電網(wǎng) ;數(shù)據(jù)挖掘 ;故障關(guān)聯(lián)因素;最優(yōu)故障特征子集 ;風(fēng)險預(yù)警 ;支持向量機(jī);風(fēng)險指標(biāo)
0 引言 據(jù)統(tǒng)計 ,用戶停電事故中80%以上都為配電網(wǎng)發(fā)生故障導(dǎo)致的,因此,對配電網(wǎng)運(yùn)行過程中存在的故障風(fēng)險進(jìn)行有效的預(yù)警,及時采取風(fēng)險防控措施,對保障供電安全性和可靠性顯得尤為重要。
停電事故風(fēng)險預(yù)警技術(shù)已較多地應(yīng)用在輸電網(wǎng) 中 ,主要基于潮流、電壓、頻率等狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),并對 輸電網(wǎng)的運(yùn)行風(fēng)險進(jìn)行評估并預(yù)警,但是這些成果很難應(yīng)用到配電網(wǎng)中。配電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋸?fù)雜, 設(shè)備種類眾多、分布相對分散,設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)容易受 到外部因素的影響,故障發(fā)生的隨機(jī)性強(qiáng),因此難 以通過分析機(jī)理實現(xiàn)風(fēng)險預(yù)警。文獻(xiàn)在配電網(wǎng)實時風(fēng)險評估中,考慮了設(shè) 備實時故障率 ,并對故障停電影響后果中的各指標(biāo) 進(jìn)行量化。文獻(xiàn)以用戶為中心進(jìn)行風(fēng)險評估, 近似采用穩(wěn)態(tài)的失效率計算故障率,但僅能用于評 估短期的運(yùn)行風(fēng)險狀況。文獻(xiàn)通過分析突發(fā)事 件對設(shè)備故障率的影響建立評估模型,考慮孤島運(yùn) 行情況,并給出了風(fēng)險預(yù)警等級和劃分方法。文獻(xiàn)以最小過熱區(qū)域為單位計算停運(yùn)概率,同時考慮故障恢復(fù)重構(gòu) ,計算不同災(zāi)害下的停電指標(biāo) ,縮短了計算時間。傳統(tǒng)的配電網(wǎng)風(fēng)險評估預(yù)警研究主要從故障率和故障影響后果人手 ,偏向于建立停電風(fēng)
險指標(biāo) ,對停電風(fēng)險關(guān)聯(lián)因素及其風(fēng)險預(yù)警模型的 建立涉及較少。
近年來 ,數(shù)據(jù)挖掘算法憑借計算速度快 、泛化能力強(qiáng)等優(yōu)點廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)研究和工程實際。數(shù)據(jù)挖掘的重要應(yīng)用之一就是預(yù)測性分析 ,數(shù)據(jù)挖掘算法能夠從大規(guī)模海量數(shù)據(jù)中挖掘數(shù)據(jù)間的潛在規(guī)則。文獻(xiàn)在電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定評估中綜合
利用不同參數(shù)訓(xùn)練的支持向量機(jī)SVM ( Support Vector Machine),減少了“誤判穩(wěn)定”樣本的個數(shù)。
文獻(xiàn)利用因子分析法提取風(fēng)險指標(biāo)中的共有因素,采用SVM構(gòu)建故障風(fēng)險模型,實現(xiàn)了電網(wǎng)的 故障風(fēng)險評估。文獻(xiàn)在分析發(fā)電機(jī)的進(jìn)相能
力時,建立了基于相關(guān)向量機(jī)(RVM)的模型,提高了模型精度。
;诟倪M(jìn) Relief-Wrapper算法分析配電網(wǎng)故障關(guān)聯(lián)因素,篩選 22個與故障強(qiáng)相關(guān)的故障特征變量構(gòu)成最優(yōu)故障
特征子集;提出一種基于徑向基核函數(shù)RBF(Radical Basic Function) 的SVM方法和最優(yōu)故障特征子集的配電網(wǎng)風(fēng)險評估指標(biāo)和風(fēng)險等級劃分方法;以某地 級市配電網(wǎng)120條饋線作為算例進(jìn)行測試,驗證了所提風(fēng)險預(yù)警模型和方法的有效性、準(zhǔn)確性,對工程
實際應(yīng)用有一定的指導(dǎo)意義。
因此 ,針對配電網(wǎng)故障停電風(fēng)險,本文提出一種基于數(shù)據(jù)挖掘的配電網(wǎng)風(fēng)險預(yù)警方法?div id="d48novz" class="flower left">
1 配電網(wǎng)原始故障數(shù)據(jù)的預(yù)處理 本文研究是針對某地級市配電網(wǎng)120條饋線展開的。通過對該市配電網(wǎng)信息管理系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研 , 從營銷業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)、企業(yè)資源計劃(ERP)系統(tǒng)、配 電自動化系統(tǒng)、用電信息采集系統(tǒng)、配電線路在線監(jiān) 測系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、配電地理信息系統(tǒng)、智能公 用配變監(jiān)測系統(tǒng)這8個信息子系統(tǒng)中,獲取了從 2014年1月至2015年6月1.5 a的饋線故障相關(guān)數(shù)據(jù),并收集該區(qū)域?qū)?yīng)時間段的溫度、降水等天氣數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)清洗 、數(shù)據(jù)變換、數(shù)據(jù)集成和離群樣本剔除4個步驟。
a. 數(shù)據(jù)清洗:包含數(shù)據(jù)空缺值處理
b. 數(shù)據(jù)變換:將原有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為易于分析和
應(yīng)用的形式,主要內(nèi)容包含特征構(gòu)造
c. 數(shù)據(jù)集成:進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計
d. 離群樣本剔除:經(jīng)過前述預(yù)處理的原始數(shù)據(jù)中還可能包含異常的樣本
由于各特征變童的影響程度與其取值范圍有密 切關(guān)系
其中
通過數(shù)據(jù)預(yù)處理可將配電網(wǎng)故障特征分成故障 因素
2 配電網(wǎng)故障關(guān)聯(lián)因素分析
為了提高配電網(wǎng)風(fēng)險預(yù)警的效率和準(zhǔn)確性
表1配電網(wǎng)故障特征變量分類
Relief算法的步驟如下:對每個特征賦予權(quán)值初值Wj=0(j=1
其中,x i為從數(shù)據(jù)集隨機(jī)選擇的一個樣本
Relief算法可以給出每個特征的權(quán)重系數(shù),但不
能識別冗余特征
其中
單個特征fi與已選特征集合s之間的相關(guān)性指
標(biāo)可以用fi與s中任一特征之間相關(guān)系數(shù)絕對值的
最大值描述:
綜合考慮特征的重要性與冗余性,定義如下的 特征評價指標(biāo):
其中
3 基于RBF-SVM的配電網(wǎng)風(fēng)險預(yù)警
SVM是數(shù)據(jù)挖掘中用于分類識別的常用技術(shù)
配電網(wǎng)的風(fēng)險不但與停電的頻繁程度有關(guān),還與每次停電事故中的失電范圍有關(guān)
根據(jù)以上指標(biāo)將配電網(wǎng)饋線風(fēng)險劃分成3個等級
表2 配電網(wǎng)風(fēng)險等級劃分
本文采用預(yù)警準(zhǔn)確率及Kappa統(tǒng)計指標(biāo)作為饋
線故障預(yù)測模型評估指標(biāo)
其中
本文的研究思路和風(fēng)險預(yù)警流程如圖1所示。
圖1 風(fēng)險預(yù)警流程圖
4 算例分析
4.1 故障關(guān)聯(lián)因素分析
以某地級市配電網(wǎng)120條饋線1.5 a的運(yùn)行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)
表3 預(yù)測方法結(jié)果對比
采用Relief算法可以計算得到所有特征值的權(quán)重大小,如圖2所示
圖2 特征權(quán)重值
4.2 風(fēng)險預(yù)警
表5 配電網(wǎng)故障風(fēng)險等級預(yù)警結(jié)果
5 結(jié)論
a. 本文基于數(shù)據(jù)挖掘的方法以某地級市配電網(wǎng)120條饋線1.5 a的數(shù)據(jù)為研究對象,對配電網(wǎng)故障關(guān)聯(lián)因素分析和風(fēng)險預(yù)警的模型和方法進(jìn)行了研究
b. 提出了兼顧故障發(fā)生頻率和失電負(fù)荷比例的配電網(wǎng)故障風(fēng)險指標(biāo)和風(fēng)險等級劃分方法
c. 建議加強(qiáng)配電網(wǎng)信息管理系統(tǒng)的互聯(lián)與融合
d. 本文旨古提出一種基于大數(shù)據(jù)的配電網(wǎng)故障因素關(guān)聯(lián)分析和風(fēng)險預(yù)警的模型和方法 |