謝瀚陽，彭澤武，唐重陽，肖嘯，魏理豪

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司信息中心， 廣州 510062； 2.深圳市康拓普信息技術有限公司，廣東 深圳 518034)

0 引 言

隨著科學技術的不斷進步，電網(wǎng)的智能化水平也越來越高，也因此在電網(wǎng)運行和設備監(jiān)測的過程中產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)[1-2]，例如系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)、設備狀態(tài)數(shù)據(jù)、用戶需求數(shù)據(jù)等等。另外，物聯(lián)網(wǎng)技術和云計算的蓬勃發(fā)展，也進一步增強了電網(wǎng)數(shù)據(jù)的體量和復雜度。如此龐大的數(shù)據(jù)體系難免會帶來一些數(shù)據(jù)質量問題，如數(shù)據(jù)缺失、數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)異常等。數(shù)據(jù)質量的好壞不僅關乎電網(wǎng)應用分析的可靠性與正確性，還會對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響[3-4]。所以，進行高效可靠的數(shù)據(jù)質量管理對電力系統(tǒng)具有重要意義。

數(shù)據(jù)質量維護是數(shù)據(jù)質量管理的重要組成部分[5]，可以有效檢測出問題數(shù)據(jù)并進行篩除，是改善數(shù)據(jù)質量的重要組成部分。不少學者在數(shù)據(jù)質量維護方面作出了相關的貢獻。

文獻[6]以CIM/E文本為載體，改進多源數(shù)據(jù)篩選較優(yōu)質量數(shù)據(jù)的手段，由借助主站狀態(tài)估計對現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行反饋，提高了電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)質量；文獻[7]從多源多時空角度出發(fā)，基于配網(wǎng)SCADA數(shù)據(jù)提出一種用于綜合檢測與修正電壓數(shù)據(jù)質量的策略，并通過算例證明了所提方法能有效檢測出不滿足精度要求的電壓數(shù)據(jù)；文獻[8]設計一種考慮多維度電網(wǎng)調(diào)度數(shù)據(jù)質量的綜合分析與評價系統(tǒng)，為電網(wǎng)調(diào)度人員提供更為直觀的綜合數(shù)據(jù)考核與評價手段。

近年來，數(shù)據(jù)挖掘技術在電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理中的應用也越來越廣泛[9-10]。文獻[11]針對電能質量檢測問題，應用數(shù)據(jù)挖掘技術，提出了一種的電能質量數(shù)據(jù)分析處理體系，并應以某城市電網(wǎng)為例，獲得了良好的效果；文獻[12]建立基于數(shù)據(jù)挖掘的營銷分析方法模型，成功用于分析給定市場環(huán)境中各種因素之間價格變化的層次關系。文獻[13]對模糊角力分析進行改進，并用于電網(wǎng)不良數(shù)據(jù)的檢測與辨識，獲得良好成效。

關于電力數(shù)據(jù)質量檢測已有不少研究，但仍存在以下問題：

(1)大多檢測方法對全部樣本進行統(tǒng)一分析，但隨著數(shù)據(jù)量的不斷增長，逐漸出現(xiàn)檢測效率低下的問題;

(2)對數(shù)據(jù)的質量好壞評價已有較多研究，但對于數(shù)據(jù)的問題定位研究相對較少。

基于數(shù)據(jù)挖掘技術，針對不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結構特點有所不同的特點，結合使用決策樹算法與數(shù)據(jù)離群檢測兩種方法，提高數(shù)據(jù)檢測的效率的同時，快速定位數(shù)據(jù)的問題類型，便于開展數(shù)據(jù)修復與改進。

1 智能電網(wǎng)時序數(shù)據(jù)質量分析

1.1 電力數(shù)據(jù)傳輸過程分析

科學技術的不斷發(fā)展使電網(wǎng)的智能化和信息化水平大大提高，對電網(wǎng)數(shù)據(jù)的需求量也逐漸增大。智能電網(wǎng)系統(tǒng)可以通過數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)等，實時獲取相關生產(chǎn)和運行數(shù)據(jù)。智能電網(wǎng)將獲取的源頭數(shù)據(jù)存儲進入數(shù)據(jù)庫，并進行相關管理。與此同時，用戶則可通過用戶訪問接口、手機APP等訪問所需數(shù)據(jù)[14]。該數(shù)據(jù)邏輯結構如圖1所示。

圖1 電力數(shù)據(jù)傳輸邏輯結構圖Fig.1 Logical structure diagram of power data transmission

1.2 電力統(tǒng)計數(shù)據(jù)問題

隨著電網(wǎng)體系規(guī)模的不斷擴大，其運行過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量也越來越豐富，這其中蘊含著大量的信息，是可以影響發(fā)電、輸配電、用戶用電管理的決策指標的基礎。但由于設備故障、認為原因等，電力數(shù)據(jù)可能會存在一些誤差甚至是錯誤，這不僅不能為電力系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)分析基礎，而且可能因此帶來決策錯誤，影響整個系統(tǒng)的良好運行。圖2指出電力數(shù)據(jù)傳輸過程中可能會遇到的問題。

圖2 電力數(shù)據(jù)主要問題Fig.2 Main problems of power data

(1)格式錯誤。所獲取的數(shù)據(jù)格式應是統(tǒng)一的，不滿足格式的數(shù)據(jù)組應視為不合格。另外在數(shù)據(jù)傳送過程中，可能會出現(xiàn)亂碼等錯誤，這也是格式檢查的重要方向;

(2)精度錯誤。在數(shù)據(jù)獲取和傳輸過程中，所有數(shù)據(jù)的精度都應保持一致，精度與規(guī)定不一致的數(shù)據(jù)應為不合格;

(3)數(shù)據(jù)越限。每個數(shù)據(jù)都有自身約束范圍，數(shù)據(jù)應在規(guī)定范圍內(nèi);

(4)數(shù)據(jù)冗余。數(shù)據(jù)傳輸過程中可能存在重復記錄的問題，因此會產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余;

(5)數(shù)據(jù)缺失。在數(shù)據(jù)獲取和用戶訪問端，所獲取的數(shù)據(jù)量應一致，不能存在缺失記錄或缺失字段;

(6)合理性問題。所獲取數(shù)據(jù)都應滿足電力系統(tǒng)運行要求，各數(shù)據(jù)之間互相約束，數(shù)據(jù)段不滿足運行條件的為不合格數(shù)據(jù)段。

2 時序數(shù)據(jù)質量維護體系構建

為了快速準確地篩選質量差的數(shù)據(jù)，結合使用數(shù)據(jù)挖掘技術中的決策樹法和離群檢測法，充分利用決策樹的快速分類和離群檢測法在數(shù)據(jù)相關性檢測的優(yōu)勢，可操作性和準確度更高。

2.1 決策樹算法

決策樹算法是分類算法的一種。它首先要預處理原始數(shù)據(jù)，然后通過對原始數(shù)據(jù)的初步分析建立分類規(guī)則，分類規(guī)則一般以樹的形式出現(xiàn)，通過建立的樹對樣本訓練集進行實質的分析[15-16]。

采用最經(jīng)典的ID3算法建立相關決策樹。在該算法中，各類別的不確定性是判斷分類效果的標準。這里用信息增益值描述該標準，其中信息增益值越高，不確定性越低。具體的步驟如下：

設S是包含m個數(shù)據(jù)樣本的集合，分類特性共n個，記為Bi(1,2...n)，其中Bi所包含的樣本數(shù)為mi，則對于S的總信息熵為：

(1)

令Sj是集合S中特性Bi類別中有j個數(shù)據(jù)點的子集，則屬性Bi的信息熵為：

(2)

式中I(Sj)是Sj分至各個屬性的信息熵。

屬性Bi在集合S的信息增益G(S,Bi)為：

G(S,Bi)=I(D)-I(D,Bi)

(3)

G(S,Bi)越大，說明屬性Bi對分類起到的作用越大。所以，決策樹的分支節(jié)點應是信息增益最大的特性。

構建時序數(shù)據(jù)質量檢測順序決策樹時，決策樹算法需要使用歷史數(shù)據(jù)訓練集。選取某地區(qū)的典型歷史數(shù)據(jù)，并形成數(shù)據(jù)訓練集，具體如表1所示。

表1 電網(wǎng)數(shù)據(jù)訓練集Tab.1 Power grid data training set

輸入訓練集經(jīng)過決策樹算法可形成初始決策流程，指標檢測順序如圖3所示。

圖3 指標決策順序Fig.3 Order of indicator decision

由上述分析可知，電力數(shù)據(jù)的格式錯誤、精度錯誤、數(shù)據(jù)越限、數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)缺失等問題的檢測方式相對簡單，可對該數(shù)據(jù)點獨立進行檢測。但數(shù)據(jù)的合理性問題需要綜合考慮整體運行情況，檢測相對更為復雜，引入離群檢測法對數(shù)據(jù)合理性進行分析。

2.2 離群檢測法

離群點檢測用于檢測數(shù)據(jù)樣本中明顯偏離于其他數(shù)據(jù)的樣本，該類樣本不能滿足數(shù)據(jù)的普遍特征或行為，是數(shù)據(jù)挖掘技術的重要研究方向[17-18]。離群點檢測方法按照數(shù)據(jù)挖掘技術的不同可分為基于統(tǒng)計的離群檢測、基于深度的離群檢測、基于聚類的離群檢測等。本文采用基于距離的利離群檢測對數(shù)據(jù)合理性問題進行分析，篩選出不合格的數(shù)據(jù)。

聚類的思想主要是利用數(shù)據(jù)樣本和各類別間的相互關系[19-20]，通過把樣本劃分為不同的類，使得同一分類內(nèi)的數(shù)據(jù)點相似性最大，而不同分類之間的差異性最高。所采用的離群檢測方法主要分為兩個階段：首先采用K-means將數(shù)據(jù)進行聚類；然后針對每個數(shù)據(jù)樣本，計算其到距其最近類中心的距離，將該距離記為離群度量值。如果該數(shù)據(jù)樣本的離群度量值偏大，則為離群數(shù)據(jù)；反之，就是正常數(shù)據(jù)。

假設數(shù)據(jù)樣本X={x1,x2, …,xi, …,xn}，設定分類數(shù)目為M，形成M個簇T={tm,m=1, 2, …,M}

步驟1：首先隨機選擇M個數(shù)據(jù)序列作為初始聚類中心c1,c2,…cM；

步驟2：計算每個數(shù)據(jù)序列和每個聚類中心的距離，把數(shù)據(jù)序列分配給距它距離最小的聚類中心，直到全部數(shù)據(jù)序列都被分配。計算各類聚類中心cm到所有屬于tm簇的元素xi的距離平方和為：

(4)

步驟3：計算各類數(shù)據(jù)序列距其所在類別中心cm的距離平方和L(T)。

(5)

式中rmi表示類別判定系數(shù)，當xi∈tm，rmi=1；反之，rmi=0。聚類中心更新為各類別中全部數(shù)據(jù)序列的平均值；

步驟4：返回步驟2，直至各聚類中心都不發(fā)生改變且L(T)小于設定參考值，聚類結束。

引入BMP指標來確定數(shù)據(jù)樣本的最佳分類數(shù)和評估聚類結果[21-22]。BWP是描述某樣本分類和它相鄰類別關系的指標，數(shù)學表達式如下:

(6)

式中Dw為聚類距離，表示最小類間距離和類內(nèi)距離之和；Dn為聚類離差距離，表示最小類間距離和類內(nèi)距離之差。

BWP基于樣本幾何結構對數(shù)據(jù)進行分析，BWP數(shù)值越大，說明數(shù)據(jù)樣本的聚類效果越準確。

2.3 數(shù)據(jù)質量維護總流程

數(shù)據(jù)質量維護流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)質量維護流程圖Fig.4 Flow chart of data quality maintenance process

2.4 數(shù)據(jù)質量異常原因

在電網(wǎng)運行過程中，以下幾種情況可能會導致異常數(shù)據(jù)的產(chǎn)生：

(1)量測數(shù)據(jù)在傳輸過程中出現(xiàn)偶然性誤差，可能導致數(shù)據(jù)冗余、格式不正確、數(shù)據(jù)缺失、精度不足等問題；

(2)量測或傳輸系統(tǒng)故障、受到干擾引起的異常，可能導致數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)越限等問題；

(3)電力系統(tǒng)各個量測點非同時測量，可能會引起數(shù)據(jù)合理性不足等問題[23]。

3 算例分析

以某地區(qū)配電網(wǎng)某檢測點為研究對象，結合本文提出的時序數(shù)據(jù)質量維護體系，對該地區(qū)某時段內(nèi)電力數(shù)據(jù)進行分析。該點相關數(shù)據(jù)參數(shù)取值范圍為：電壓U∈[198，235.4]，電流I∈[0，288.68]，有功功率P∈[0，200]，無功功率Q∈[0，120]。為了便于對比分析，本文僅列出部分樣本數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 部分樣本數(shù)據(jù)Tab.2 Partial sample data

通過文中的時序數(shù)據(jù)質量維護體系可以分析出數(shù)據(jù)是否有格式錯誤、精度錯誤、數(shù)據(jù)越限、數(shù)據(jù)冗余、數(shù)據(jù)缺失等問題，得到如表3所示結果。

表3 電網(wǎng)數(shù)據(jù)訓練集Tab.3 Power grid data training set

在樣本中，有的數(shù)據(jù)點沒有上述問題，但是否存在合理性問題仍需通過離群檢測法進行判斷。有上述分析可知，共20個樣本數(shù)據(jù)需進行離群檢測。采用基于聚類的離群檢測法，樣本集分類個數(shù)依據(jù)BWP指標確定。不同分類數(shù)的BWP指標變化如圖5所示。

由圖5可知，最佳分組數(shù)為六組。當分組數(shù)為6時，結果如圖6所示。

圖5 不同分類數(shù)的BWP指標Fig.5 BWP indices of different classification numbers

圖6 離群檢測結果示意圖Fig.6 Schematic diagram of outlier detection results

可以看出，數(shù)據(jù)點2、7、15、21明顯偏離其余大類，為不合理數(shù)據(jù)。為了驗證結果的準確性，對上述四個數(shù)據(jù)點的各項數(shù)據(jù)進行深入分析，各數(shù)據(jù)點存在問題如下：

(1)數(shù)據(jù)點2的B、C兩相電壓和三相電流值相比于其他合理數(shù)據(jù)都明顯偏低，因此作為孤立點是合理的;

(2)數(shù)據(jù)點7和數(shù)據(jù)點15相接近，但相比于B集群它們的無功功率值都偏大不少，因此作為孤立點是合理的;

(3)數(shù)據(jù)點21的C相電壓和有功功率值相比于C集群的其他數(shù)據(jù)明顯偏低很多，因此數(shù)據(jù)點21作為孤立點也是合理的。

為了確保未標識數(shù)據(jù)均為正確數(shù)據(jù)，根據(jù)所有樣本數(shù)據(jù)間的物理關聯(lián)關系進行狀態(tài)估計，監(jiān)測結果如圖7所示，圖中1表示數(shù)據(jù)異常，0表示數(shù)據(jù)正常。

圖7 狀態(tài)估計檢測結果示意圖Fig.7 Schematic diagram of state estimation detection results

由圖7可知所提方法與狀態(tài)估計法檢測結果一致。經(jīng)上述分析可知，通過文中的時序數(shù)據(jù)質量維護可有效快速發(fā)現(xiàn)各數(shù)據(jù)點存在的問題，定位問題數(shù)據(jù)，并確定數(shù)據(jù)的問題類型，為運行維護人員確定數(shù)據(jù)問題原因，提高數(shù)據(jù)可靠性奠定基礎。

4 結束語

基于數(shù)據(jù)挖掘技術提出一種時序數(shù)據(jù)質量維護體系，通過該檢測體系，可有效發(fā)現(xiàn)問題數(shù)據(jù)點，并進行篩除，主要結論如下：

(1)不同地區(qū)的數(shù)據(jù)特點不同，為了提高檢測速度，本身首先利用決策樹法對歷史數(shù)據(jù)進行分析，得出適應于該地區(qū)的數(shù)據(jù)問題檢測順序，可在一定程度上提高計算效率；

(2)與其他數(shù)據(jù)問題不同，數(shù)據(jù)的合理性問題檢測較為復雜。引入基于聚類的離群檢測法對所獲取的數(shù)據(jù)進行分析，可有效篩選出問題數(shù)據(jù)；

(3)提出一種時序數(shù)據(jù)質量維護體系，不僅可以定位問題數(shù)據(jù)，還可以確定數(shù)據(jù)出現(xiàn)的問題，保證用于電網(wǎng)分析與規(guī)劃的數(shù)據(jù)的可靠性，同時也利于及時發(fā)現(xiàn)問題數(shù)據(jù)，快速定位問題點，便于快速修復與改進。