孫志杰，張艷麗，王利賽，劉繼鵬

（國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司計(jì)量中心，北京 100045）

用電數(shù)據(jù)的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)直接反映出用電系統(tǒng)的工作狀態(tài)，任何數(shù)據(jù)之間都存在相關(guān)性，為了保障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，一方面系統(tǒng)不僅對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行條件、環(huán)境、狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]；另一方面還對(duì)儀器工作產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果電力系統(tǒng)內(nèi)用電數(shù)據(jù)出現(xiàn)超出或者與規(guī)定用電數(shù)據(jù)不達(dá)標(biāo)的情況，即使對(duì)電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)無(wú)誤，也需要對(duì)異常電力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[2]，及時(shí)診斷出電力系統(tǒng)的故障，保障電網(wǎng)的用電安全。傳統(tǒng)的基于大數(shù)據(jù)挖掘的異常用電監(jiān)測(cè)方法[3]與基于局部離群因子的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)檢測(cè)方法[4]，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時(shí)不能降低網(wǎng)絡(luò)權(quán)重，存在分析迭代次數(shù)多、分析范圍小的問(wèn)題。為了解決目前用電數(shù)據(jù)異常動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的應(yīng)用問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不僅融入了極限學(xué)習(xí)機(jī)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練方法，還借助格蘭杰因果關(guān)系理論，完成對(duì)用電數(shù)據(jù)的分析，提高異常數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該文設(shè)計(jì)的基于極限學(xué)習(xí)機(jī)[5]的用電數(shù)據(jù)異常動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 服務(wù)器接收端

服務(wù)器接收端的工作任務(wù)是調(diào)用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)，協(xié)助軟件區(qū)域的交叉監(jiān)測(cè)方法完成監(jiān)測(cè)任務(wù)[6]，為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，選擇Hg-56 服務(wù)器接收端完成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此服務(wù)器的傳輸數(shù)據(jù)速率為20 M/s，器件運(yùn)行后臺(tái)與GPS 技術(shù)、電頻測(cè)量器等器件相互協(xié)調(diào)[7]，完成監(jiān)測(cè)任務(wù)。服務(wù)器接收端的負(fù)載率小于50%，向其他器件發(fā)送數(shù)據(jù)幀的頻率為50 幀每秒，服務(wù)器每秒可以處理15 萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。服務(wù)器接收端結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 服務(wù)器接收端結(jié)構(gòu)

1.2 麒麟980芯片

考慮到基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的用電數(shù)據(jù)異常動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作性質(zhì)，該文選擇麒麟980 系列的超薄芯片[8]，此芯片與其他器件連接遵守IEC0061970 組件的通信原則，可識(shí)別任何格式的編程語(yǔ)言，芯片內(nèi)存儲(chǔ)的內(nèi)容可以根據(jù)實(shí)時(shí)的需求，進(jìn)行維護(hù)和修改。芯片示意圖如圖3 所示。

圖3 麒麟980芯片示意圖

硬件區(qū)域內(nèi)所有的連接接口都采用非實(shí)時(shí)的CIS 接口，可以完成數(shù)據(jù)訪問(wèn)和數(shù)據(jù)模型的導(dǎo)入。

1.3 數(shù)據(jù)通信器

數(shù)據(jù)通信器在該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的作用是將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸給管理中心，并且在數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)過(guò)程中完成監(jiān)測(cè)需要的數(shù)據(jù)通信[9]。數(shù)據(jù)通信器的傳輸實(shí)驗(yàn)為10 ms，器件單個(gè)向量數(shù)據(jù)包的大小為64 字節(jié)，系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)器件之間數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)間為5 ms，可以滿足用電異常數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的需求。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 極限學(xué)習(xí)機(jī)工作原理

極限學(xué)習(xí)機(jī)算法簡(jiǎn)稱為ELM，是目前最簡(jiǎn)便的單隱層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練方法，具有較高的訓(xùn)練學(xué)習(xí)速度和學(xué)習(xí)精度[10]。極限學(xué)習(xí)機(jī)算法的本質(zhì)是一個(gè)集合，用來(lái)計(jì)算訓(xùn)練集合內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。因?yàn)閿?shù)據(jù)的性質(zhì)，集合存在多個(gè)隱層，存儲(chǔ)不同類型的節(jié)點(diǎn)，初始化極限學(xué)習(xí)機(jī)算法的集合網(wǎng)絡(luò)如下：

其中，g(·)表示激活函數(shù)表示連接第i個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)的輸出權(quán)重向量；表示第i個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)的輸入權(quán)重向量；bi表示第i個(gè)隱層節(jié)點(diǎn)的偏置系數(shù)；l表示集合內(nèi)隱層節(jié)點(diǎn)的數(shù)量；β表示單隱層訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)；i表示集合內(nèi)需要訓(xùn)練的數(shù)據(jù)樣本。

極限學(xué)習(xí)機(jī)算法將需要訓(xùn)練的數(shù)據(jù)樣本收納到集合內(nèi)，首先對(duì)集合內(nèi)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分層處理[11]，將相同數(shù)據(jù)屬性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在集合的同一隱層，為后期數(shù)據(jù)分析奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。集合內(nèi)部的分層遵守以下規(guī)則：

其中，T表示隱層節(jié)點(diǎn)的輸出矩陣；p表示期望輸出矩陣，其他未知數(shù)的意義同上。

每一個(gè)隱層內(nèi)數(shù)據(jù)樣本的個(gè)數(shù)是有限的，當(dāng)每層存儲(chǔ)滿后，立即輸出此隱層的逆矩陣，數(shù)據(jù)層不再接收數(shù)據(jù)[12]。集合內(nèi)所有數(shù)據(jù)完成分層后，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練。算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練是以每個(gè)隱層為單位進(jìn)行工作，根據(jù)每個(gè)隱層初始化的輸出權(quán)重和隱層的偏置值完成數(shù)據(jù)的訓(xùn)練[13]，尋找集合內(nèi)隱層的數(shù)據(jù)是否存在異常數(shù)據(jù)，如果存在則將隱層內(nèi)的所有數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)輸出，等待處理；如果不存在，則直接保存隱層內(nèi)的數(shù)據(jù)。極限學(xué)習(xí)機(jī)算法的網(wǎng)絡(luò)權(quán)重參數(shù)的值越小，表示數(shù)據(jù)訓(xùn)練的精度越大，此算法的優(yōu)勢(shì)在于根據(jù)最小范數(shù)參數(shù)可以保證數(shù)據(jù)集合的最小數(shù)據(jù)訓(xùn)練誤差[14]，另外極限學(xué)習(xí)機(jī)算法對(duì)于數(shù)據(jù)訓(xùn)練速度快，并且在訓(xùn)練計(jì)算過(guò)程中可以保證數(shù)據(jù)的安全性。

2.2 格蘭杰因果檢驗(yàn)

因?yàn)闃O限學(xué)習(xí)機(jī)算法只是完成異常數(shù)據(jù)的初次篩選，為了提高該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性，在極限學(xué)習(xí)機(jī)算法的基礎(chǔ)上應(yīng)用了格蘭杰因果檢驗(yàn)方法，對(duì)極限學(xué)習(xí)機(jī)算法訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)[15]。格蘭杰因果檢驗(yàn)的原理是利用計(jì)量檢驗(yàn)每個(gè)數(shù)據(jù)之間關(guān)系，一旦相同隱層內(nèi)的數(shù)據(jù)變量關(guān)系不符合關(guān)系設(shè)定，那么此層次內(nèi)存在異常數(shù)據(jù)。格蘭杰因果檢驗(yàn)方法要求被計(jì)算的變量時(shí)間序列具有平穩(wěn)性，并且向量之間是同階的關(guān)系。如果通過(guò)格蘭杰因果檢驗(yàn)方法計(jì)算出極限學(xué)習(xí)機(jī)算法輸出的異常數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)隱層集合內(nèi)的數(shù)據(jù)存在因果關(guān)系，那么此異常數(shù)據(jù)是誤判的，應(yīng)是正常數(shù)據(jù)。反之，此異常數(shù)據(jù)是真實(shí)的異常數(shù)據(jù)。

2.3 用電數(shù)據(jù)異常動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)對(duì)異常數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的核心是觀察異常數(shù)據(jù)幀的三相總功率的波動(dòng)情況，當(dāng)異常數(shù)據(jù)幀的三相總功率因子大于0.5，并且功率實(shí)時(shí)處于不規(guī)律的狀態(tài)下，需要發(fā)出警告。通過(guò)以上算法計(jì)算出用電數(shù)據(jù)集合內(nèi)的異常數(shù)據(jù)，然后調(diào)用系統(tǒng)持續(xù)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，保證用電系統(tǒng)的安全，具體監(jiān)測(cè)流程如下：首先，調(diào)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器采集需要監(jiān)測(cè)的用電系統(tǒng)內(nèi)近期的數(shù)據(jù)。然后，調(diào)用極限學(xué)習(xí)機(jī)算法和格蘭杰因果檢驗(yàn)方法對(duì)需要監(jiān)測(cè)的用電系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練和數(shù)據(jù)分析。最后，根據(jù)輸出結(jié)果確定用電異常數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)幀[16]，利用用電系統(tǒng)有效功率的輸出情況，開(kāi)始實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。如果用電異常數(shù)據(jù)的有效功率和數(shù)據(jù)幀的異常率持續(xù)5 min 高于20%，則向調(diào)度員發(fā)送實(shí)時(shí)的告警信息。

3 實(shí)驗(yàn)分析

通過(guò)以上的論述，完成了基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的用電數(shù)據(jù)異常動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為了檢驗(yàn)系統(tǒng)的性能，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比測(cè)試。測(cè)試選擇基于大數(shù)據(jù)挖掘的異常用電監(jiān)測(cè)方法（以下統(tǒng)稱為傳統(tǒng)系統(tǒng)1）和基于葉根載荷辨識(shí)方法的用電數(shù)據(jù)異常動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（以下統(tǒng)稱為傳統(tǒng)系統(tǒng)2）共同完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)試選擇的用電系統(tǒng)是沈陽(yáng)市陽(yáng)光街道的用電系統(tǒng)，將3 種監(jiān)測(cè)方法同時(shí)接入用電系統(tǒng)中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為48 h，如果在規(guī)定前24 h 內(nèi)，此用電系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)不存在異常數(shù)據(jù)，那么在剩余的時(shí)間內(nèi)，對(duì)此用電系統(tǒng)進(jìn)行人工異常數(shù)據(jù)的干預(yù)，使得系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常狀態(tài)，完成系統(tǒng)性能的檢驗(yàn)。如果存在數(shù)據(jù)異常情況，則不需對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行干預(yù)，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)結(jié)束實(shí)驗(yàn)即可。

1）準(zhǔn)確性

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，首先將三套系統(tǒng)輸出的用電異常數(shù)據(jù)幀的基本信息與人工干預(yù)形成的用電異常數(shù)據(jù)幀的信息進(jìn)程匹配，匹配結(jié)果顯示，傳統(tǒng)系統(tǒng)1 和該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)都能準(zhǔn)確定位到異常的用電數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)系統(tǒng)2 對(duì)于異常數(shù)據(jù)的定位存在偏差。因此傳統(tǒng)系統(tǒng)2 不具有對(duì)比的條件。接下來(lái)計(jì)算兩套系統(tǒng)輸出用電異常數(shù)據(jù)與真實(shí)的用電異常數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 精準(zhǔn)度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖4 可知，該文設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于用電異常數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)度始終較高，但是傳統(tǒng)系統(tǒng)1 的監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度隨著用電異常數(shù)據(jù)樣本增加而降低，不具有穩(wěn)定性，并且個(gè)別異常數(shù)據(jù)幀的誤差率超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)。

2）靈敏性

在用電異常數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定位的基礎(chǔ)上，繼續(xù)分析系統(tǒng)對(duì)用電異常數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的靈敏性，此靈敏性是系統(tǒng)性能的重要評(píng)估指標(biāo)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈敏性越高，表示系統(tǒng)對(duì)于異常數(shù)據(jù)變化參數(shù)的捕獲量越多，對(duì)于異常數(shù)據(jù)的波動(dòng)監(jiān)測(cè)效果越真實(shí)。系統(tǒng)靈敏性對(duì)比如圖5 所示。

由圖5 可知，該文設(shè)計(jì)的基于極限學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)輸出的用電異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)絕對(duì)誤差較小，兩套傳統(tǒng)系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)輸出的用電異常監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)始終趨近于穩(wěn)定，在數(shù)據(jù)中不能展現(xiàn)出異常數(shù)據(jù)的波動(dòng)趨勢(shì)以及其他信息，只是對(duì)異常用電數(shù)據(jù)進(jìn)行追蹤，沒(méi)有對(duì)異常數(shù)據(jù)的波動(dòng)進(jìn)一步分析和預(yù)測(cè)?；跇O限學(xué)習(xí)的用電數(shù)據(jù)異常動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)卻具有此功能，對(duì)異常用電數(shù)據(jù)進(jìn)行深度解析，不僅監(jiān)測(cè)異常數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況，而且對(duì)可能影響異常數(shù)據(jù)波動(dòng)的因素也同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而使得用電異常數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)的時(shí)間快于傳統(tǒng)的系統(tǒng)，具有較高的靈敏性。

圖5 系統(tǒng)靈敏性對(duì)比

綜上所述，該文設(shè)計(jì)的基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的用電數(shù)據(jù)異常動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)于異常數(shù)據(jù)的定位具有較高的準(zhǔn)確性，在對(duì)異常數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的過(guò)程中，誤差幾乎為零，并可以在不同狀態(tài)內(nèi)作出反應(yīng)，保障用電系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

4 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)是診斷用電系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵，該文設(shè)計(jì)的基于極限學(xué)習(xí)機(jī)的用電數(shù)據(jù)異常動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時(shí)，采用極限學(xué)習(xí)機(jī)方法，提高對(duì)用電數(shù)據(jù)分析訓(xùn)練的速度和精度，但是極限學(xué)習(xí)機(jī)方法在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，具有不穩(wěn)定性，為了解決該問(wèn)題，在系統(tǒng)的軟件區(qū)域增加了格蘭杰因果檢驗(yàn)策略，對(duì)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的異常用電數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，提高監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作的準(zhǔn)確度。該文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以提前對(duì)電力系統(tǒng)的故障發(fā)出預(yù)警，促進(jìn)用電系統(tǒng)安全性的發(fā)展。