黃緒勇，劉文波，王裴劼，陳達(dá)

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217；2.昆明能訊科技有限責(zé)任公司，昆明650217)

在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)特性分析

黃緒勇1，劉文波2，王裴劼2，陳達(dá)2

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明650217；2.昆明能訊科技有限責(zé)任公司，昆明650217)

以云南地區(qū)變電站數(shù)據(jù)為例，從數(shù)據(jù)的角度充分分析和總結(jié)了設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀及存在的問題，并分別對(duì)數(shù)據(jù)缺失、均值特性、數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)加以分析，從中發(fā)現(xiàn)隱含的趨勢(shì)和規(guī)律，提出適當(dāng)?shù)挠行?yīng)對(duì)措施和解決方案。

在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；采集現(xiàn)狀；數(shù)據(jù)缺失值；均值特性；分布趨勢(shì)分析

0 前言

設(shè)備在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、觀察和記錄各設(shè)備運(yùn)行指標(biāo)的變化，多集中于電網(wǎng)系統(tǒng)中的一次主設(shè)備、二次設(shè)備一類大型設(shè)備的監(jiān)測(cè)。開發(fā)設(shè)備數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析的系統(tǒng)功能應(yīng)用研究，具有非常重要的實(shí)踐意義，為推動(dòng)數(shù)據(jù)分析領(lǐng)域在電網(wǎng)系統(tǒng)工程應(yīng)用方面的進(jìn)展提供經(jīng)驗(yàn)[1]。

近年來研究智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用領(lǐng)域取得了較為豐碩研究成果，涉及電網(wǎng)故障診斷[2-3]、電網(wǎng)調(diào)度控制[4]、數(shù)據(jù)整合[5]、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)[6]等應(yīng)用。事實(shí)上，針對(duì)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析、數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析的理論研究和應(yīng)用是一個(gè)長(zhǎng)期而復(fù)雜的工作。相關(guān)技術(shù)仍在快速發(fā)展中且未進(jìn)入穩(wěn)定期[7]。

文中基于統(tǒng)計(jì)分析原理和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，提出基于云南電網(wǎng)現(xiàn)有技術(shù)監(jiān)督數(shù)據(jù)分析中心變電設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)和分析設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(以變壓器為例)的數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀、缺失值分析、均值特點(diǎn)和數(shù)據(jù)分布趨勢(shì)，探索監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)的規(guī)律應(yīng)用，為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量和決策水平提供有益的經(jīng)驗(yàn)。

1 設(shè)備在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀研究

本文數(shù)據(jù)特點(diǎn)分析的數(shù)據(jù)來源于云南電網(wǎng)技術(shù)監(jiān)督平臺(tái)變電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)庫(kù)，用于分析的是8個(gè)云南省地級(jí)市縣供電局的17個(gè)110 kV及以上等級(jí)變壓器的全部油色譜數(shù)據(jù)。

本文通過對(duì)部分設(shè)備65 500多條非空現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的觀察分析，總結(jié)得出現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)監(jiān)督中心實(shí)際采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)現(xiàn)狀，描述如下：

1)從局部視角看，數(shù)據(jù)缺失、冗余比例大，采集到的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)集基本是片段式，數(shù)據(jù)的完整比例較小，有效分析數(shù)據(jù)量少。以分析數(shù)據(jù)集為例，各監(jiān)測(cè)設(shè)備變量在以 “天”為采集頻率上傳至數(shù)據(jù)中心的實(shí)際非空數(shù)據(jù)占理想數(shù)據(jù)的比例都≤68.9%，刪除非空數(shù)據(jù)集中冗余數(shù)據(jù)后真正剩下的有效數(shù)據(jù)比例都縮小至≤29.1%，即最多一組數(shù)據(jù)的變量記錄為63條，數(shù)據(jù)跨度僅包含1月至3月。由此，超過一半比例的缺失數(shù)據(jù)是現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)推動(dòng)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用的難題。

2)從整體視角看，電網(wǎng)系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定且時(shí)間持久，除規(guī)劃拆除的監(jiān)測(cè)設(shè)備外，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)持續(xù)積累的數(shù)據(jù)量龐大，監(jiān)測(cè)對(duì)象較為固定，以年為單位的數(shù)據(jù)總集已能足夠反映設(shè)備運(yùn)行的發(fā)展趨勢(shì)，且若能在已有的有效數(shù)據(jù)集上適當(dāng)?shù)膽?yīng)用數(shù)據(jù)分析技術(shù) (包括缺失補(bǔ)全)，那么從數(shù)據(jù)角度來實(shí)現(xiàn)客觀評(píng)估和考察系統(tǒng)運(yùn)行、設(shè)備狀態(tài)等應(yīng)用將有望得到突破。

3)從數(shù)據(jù)本身視角看，按設(shè)備各變量分組的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集，在同類單個(gè)設(shè)備之間監(jiān)測(cè)變量的數(shù)據(jù)集間距較為明顯，但組內(nèi)數(shù)值的波動(dòng)卻較為集中，滿足聚類分布情況。聚類中心差距較明顯。但仍存在少部分?jǐn)?shù)據(jù)集有交疊，聚類中心相距較近的情況，則需按實(shí)際數(shù)據(jù)情況而論。

4)從數(shù)據(jù)視角看組內(nèi)數(shù)據(jù)集，在運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，單位監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)的監(jiān)測(cè)變量數(shù)據(jù)分布較為規(guī)律，近似服從正態(tài)分布。數(shù)據(jù)的正態(tài)分布圖如下：

圖1 氧化碳、乙烯數(shù)據(jù)的正態(tài)分布圖

文中分析的數(shù)據(jù)采集范圍只是一段時(shí)間內(nèi)的，但表現(xiàn)出的數(shù)據(jù)現(xiàn)狀同樣適用于整體數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀分析。

2 設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)及處理方法

2.1 缺失值分析

2.1.1 數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)狀

現(xiàn)場(chǎng)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集上傳到數(shù)據(jù)中心的原始數(shù)據(jù)存在著一定比例的缺失情況[9～12]，從具體分析實(shí)例來看，只有不到一半比例的監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)是非空數(shù)據(jù)，其他時(shí)刻都為變量的空缺數(shù)據(jù)。造成監(jiān)測(cè)時(shí)間數(shù)據(jù)空缺的原因是多方面的，主要有以下幾種情況：

1)可能由于通信網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)上傳路徑出現(xiàn)短時(shí)中斷、故障、長(zhǎng)期掉線等網(wǎng)絡(luò)信號(hào)問題；

2)可能因外界環(huán)境刺激或硬件本身所引起的監(jiān)測(cè)設(shè)備、通信設(shè)備、傳輸信道故障或掉電；

3)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理技術(shù)或人為操作不當(dāng)?shù)仍颉?/p>

針對(duì)上述現(xiàn)狀，文中提出通過缺失分析理論，對(duì)不同場(chǎng)景下的缺失數(shù)據(jù)采用不同的處理策略，最大限度地補(bǔ)全和修正三種缺失數(shù)據(jù)。原始數(shù)據(jù)經(jīng)過缺失值分析處理后，更新得到的數(shù)據(jù)集雖然仍存在數(shù)據(jù)空缺，但較好地解決了有效數(shù)據(jù)段內(nèi)的缺失問題，填補(bǔ)并修正了有效數(shù)據(jù)段內(nèi)的空缺及零值，有效提高了數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性，更大程度地保留了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

2.1.2 缺失處理

文中為較好的還原真實(shí)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合工作中實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，提出不同場(chǎng)景下的不同缺失數(shù)據(jù)的處理方法。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)已有文獻(xiàn) [10]，可知三種缺失數(shù)據(jù)中，冗余數(shù)據(jù)是最好處理的一種數(shù)據(jù)形式，可采用指定檢查每條記錄重新信息的簡(jiǎn)單方式，直接刪除每條數(shù)據(jù)記錄的冗余項(xiàng)，并重新覆蓋數(shù)據(jù)集；而對(duì)空數(shù)據(jù)和零值數(shù)據(jù)，則可先對(duì)數(shù)據(jù)出現(xiàn)的情況進(jìn)行分類討論，再根據(jù)不同情況采取不同的缺失處理方法，從而更好的補(bǔ)全數(shù)據(jù)的缺失。本文以數(shù)據(jù)現(xiàn)狀研究的樣本為例，將數(shù)據(jù)缺失情況分為如下幾類：

1)對(duì)出現(xiàn)數(shù)據(jù) “空”或 “零值”缺失的且持續(xù)時(shí)間周期超過一個(gè)月的缺失情況，系統(tǒng)將不予缺失補(bǔ)全處理，直接輸出變量數(shù)據(jù)的缺失分析結(jié)論：“為網(wǎng)絡(luò)持續(xù)中斷、監(jiān)測(cè)終端損壞或掉電出現(xiàn)的不可恢復(fù)缺失”。

2)按就近有效數(shù)據(jù)值進(jìn)行分段分組，對(duì)出現(xiàn)數(shù)據(jù) “空”或 “零值”缺失比例小于一半的各段數(shù)據(jù)對(duì)象，分別采用鄰近點(diǎn)均值、線性插值、曲線擬合的方法進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)的補(bǔ)全或修改，通過檢驗(yàn)比較缺失處理前后三種方法對(duì)原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量的變化大小，最終選用變化最小的方法處理該段數(shù)據(jù)的缺失，將補(bǔ)全和修改后的數(shù)據(jù)集更新替代原始數(shù)據(jù)集。

在上述缺失處理策略中，我們考慮對(duì)空缺量太多的數(shù)據(jù)段采取放棄補(bǔ)全的方式，是由于數(shù)據(jù)處理中心已存儲(chǔ)了多年積累的龐大數(shù)據(jù)量，盡管數(shù)據(jù)采集情況不穩(wěn)定，但利用統(tǒng)計(jì)的原理探索和還原監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)本身的特征規(guī)律還是非?？尚械?。

2.2 均值分析

在數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)原理中，若變量數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布，可通過求取數(shù)據(jù)集合的均值來表征該數(shù)據(jù)變量在集合中的集中趨勢(shì)，求取標(biāo)準(zhǔn)值來度量該數(shù)據(jù)集合的離散程度，即表征變量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定程度。由上節(jié)設(shè)備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀分析可知，以電網(wǎng)主設(shè)備為監(jiān)測(cè)對(duì)象的監(jiān)測(cè)變量數(shù)據(jù)都近似服從正態(tài)分布，那么可考慮適當(dāng)?shù)膽?yīng)用正態(tài)分布中的統(tǒng)計(jì)學(xué)定理，為設(shè)備數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)分析提供參考。

文中結(jié)合電網(wǎng)數(shù)據(jù)本身特性，結(jié)合工程實(shí)際中的應(yīng)用需求，提出如下均值分析功能包括：

1)分類統(tǒng)計(jì)分析時(shí)間段內(nèi)不同種類單個(gè)設(shè)備各監(jiān)測(cè)變量數(shù)據(jù)集合的均值、標(biāo)準(zhǔn)值。

2)利用切比雪夫定理，判斷分析當(dāng)前時(shí)刻設(shè)備數(shù)據(jù)的異常狀態(tài)，以此給電網(wǎng)人員提供設(shè)備狀態(tài)的觀察提示。

3)對(duì)比分析多個(gè)同類設(shè)備同一時(shí)間段或多個(gè)時(shí)段同一臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)穩(wěn)定程度，作為觀察設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的輔助參考。

2.3 數(shù)據(jù)分布分析與趨勢(shì)分析

通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖不僅可以直接、客觀地觀察各監(jiān)測(cè)變量數(shù)據(jù)的變化走勢(shì)，還能伴隨輸出變量數(shù)據(jù)的回歸分析結(jié)論，其分析結(jié)果可幫助電網(wǎng)人員掌握數(shù)據(jù)分布、分析趨勢(shì)走向，并提供一定的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)功能，為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步利用做好鋪墊。常利用散點(diǎn)圖和時(shí)間序列圖這兩種統(tǒng)計(jì)分析工具，利用散點(diǎn)圖可統(tǒng)計(jì)不同類型單個(gè)設(shè)備各監(jiān)測(cè)變量數(shù)據(jù)在不同運(yùn)行狀態(tài)下 (正常、缺陷)的數(shù)值取值范圍，利用時(shí)間序列圖可比較同一設(shè)備不同時(shí)段或不同設(shè)備同一時(shí)段監(jiān)測(cè)變量的曲線變化，還可求取對(duì)應(yīng)曲線的回歸方程。為降低計(jì)算復(fù)雜度，求得較好擬合效果的曲線回歸方程，系統(tǒng)采用基于最小二乘法的自動(dòng)分段曲線擬合方法[8]，選取直線形式、指數(shù)形式、三次曲線這三種典型回歸方程類型，分段擬合數(shù)據(jù)集。擬合分析過程如下：

1)利用三種擬合函數(shù)擬合選取時(shí)段的所有數(shù)據(jù)，計(jì)算數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合值與實(shí)測(cè)值的誤差均值。

2)比較各時(shí)間點(diǎn)誤差與，若兩者差的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)在3個(gè)以上則進(jìn)行分段，否則不分段。

3)從分段點(diǎn)處到最后一個(gè)數(shù)據(jù)，重復(fù)上述步驟。最終，依次求得各分段數(shù)據(jù)的回歸方程組。

對(duì)比同一等級(jí)的不同設(shè)備各監(jiān)測(cè)變量均值、標(biāo)準(zhǔn)差，可知同一設(shè)備變量值的集中程度與另一設(shè)備相比具有相同的大小趨勢(shì)。對(duì)照相同時(shí)間內(nèi)這兩臺(tái)設(shè)備登記缺陷發(fā)生總次數(shù)，發(fā)現(xiàn)缺陷發(fā)生頻率多的設(shè)備相應(yīng)的變量標(biāo)準(zhǔn)差都較大，由此基本可推斷，利用設(shè)備變量數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)差來衡量比較不同設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定程度，為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控提供參考。同理，根據(jù)切比定理判斷變量狀態(tài)的理論同樣能滿足實(shí)踐應(yīng)用需求。

4)數(shù)據(jù)分布分析與趨勢(shì)分析：以均值分析的數(shù)據(jù)為例，電網(wǎng)人員可通過數(shù)據(jù)分布分析與趨勢(shì)分析把握設(shè)備變量的數(shù)據(jù)分布情況與變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)當(dāng)前設(shè)備在未來一段時(shí)間內(nèi)可能的變量值。本文通過利用基于最小二乘法的自動(dòng)分段多項(xiàng)式曲線擬合方法[8]對(duì)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢(shì)擬合，計(jì)算得到分析時(shí)段內(nèi)監(jiān)測(cè)項(xiàng)數(shù)據(jù)的擬合方程組，幫助用戶更準(zhǔn)確的把握監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)過去和未來的變化走勢(shì)，同時(shí)也能在一定程度上通過觀察趨勢(shì)評(píng)估設(shè)備的運(yùn)行狀況。另外，單個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)所有數(shù)據(jù)的概率分布情況也能為設(shè)備監(jiān)測(cè)、變量監(jiān)測(cè)提供重要評(píng)判依據(jù)。

3 結(jié)束語

在智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用的大背景下，本文提出對(duì)監(jiān)測(cè)類設(shè)備數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀與特征進(jìn)行分析，不僅有助于幫助電網(wǎng)人員真實(shí)的掌握現(xiàn)有電網(wǎng)數(shù)據(jù)的情況，還為電網(wǎng)數(shù)據(jù)化應(yīng)用的工程實(shí)現(xiàn)提供參考依據(jù)。針對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)特征現(xiàn)狀，采用的幾種分析應(yīng)用手段能在一定程度上提高設(shè)備的安全風(fēng)險(xiǎn)防控、輔助狀態(tài)決策提供幫助，為進(jìn)一步探索智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供研究基礎(chǔ)。

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Research on Analysis of Equipments Data Characteristics Based on On-line Monitoring System

HUANG Xuyong1，LIU Wenbo2，WANG Peijie2，CHEN Da2
(1.Yunnan Electric Power Research Institute，Yunnan Power Grid Co.，Ltd.，Kunming 650217，China；2.Kunming Enersun Technology Co.Ltd.，Kunming，650217，China)

By using Yunnan region substation data，and analysis the collection status，missing values，data average characteristics and data distribution trend of all equipment monitoring data individually.Then the hidden tendency and rules are discovered which may explore appropriate responses and solutions and lay the foundation of equipment operation research by field data.

online monitoring data；collection status；missing values；mean characteristics；distribution trend analysis；

TM76

B

1006-7345(2015)06-0009-04

黃緒勇 (1974)，男，博士，高級(jí)工程師，云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，從事電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化分析方面研究工作，(email)15504024＠qq.com。

劉文波 (1988)，女，碩士，工程師，昆明能訊科技有限責(zé)任公司，從事智能電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備運(yùn)行分析研究工作 (email)liuwenbo＠enersun.com.cn。

王裴劼 (1984)，男，博士，高級(jí)工程師，昆明能訊科技有限責(zé)任公司，從事智能電網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)及通信系統(tǒng)性能分析方面 (e-mail)wangpeijie＠enersun.com.cn。