陸煜鋅，趙 云，周 密，錢 斌

（南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣東廣州 510663）

聚類融合是以非監(jiān)督機(jī)器學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)的新型應(yīng)用算法，可對(duì)所有聚類成員進(jìn)行清晰劃分，再聯(lián)合既定函數(shù)定義式，確定融合處理的具體操作權(quán)限量。在融合函數(shù)設(shè)計(jì)方面，聚類融合可將數(shù)據(jù)參量的優(yōu)化問(wèn)題，轉(zhuǎn)化為信息值的平均分配與處理，一般情況下，待處理的信息參量水平越高，最終所得聚類融合結(jié)果的實(shí)際應(yīng)用能力也就越強(qiáng)[1-2]。近年來(lái)，該算法主要被應(yīng)用于電信號(hào)處理、電負(fù)荷指標(biāo)測(cè)量等多個(gè)領(lǐng)域。

在數(shù)字電網(wǎng)環(huán)境中，隨著供電時(shí)間的延長(zhǎng)，用電量與電子負(fù)荷逐漸增大，容易導(dǎo)致供電效果難以控制的問(wèn)題。為解決此問(wèn)題，傳統(tǒng)需求響應(yīng)型電負(fù)荷量測(cè)系統(tǒng)在實(shí)時(shí)調(diào)控策略的支持下，確定電子傳輸量的魯棒性水平，再通過(guò)用戶用電行為引導(dǎo)的方式，確定相關(guān)電量節(jié)點(diǎn)處的電壓與電流量測(cè)水平。但該系統(tǒng)所需消耗的電壓差數(shù)值過(guò)高，易導(dǎo)致電子負(fù)荷量水平的持續(xù)走低。

為避免上述情況的發(fā)生，設(shè)計(jì)基于聚類融合的數(shù)字電網(wǎng)用電負(fù)荷智能量測(cè)系統(tǒng)，在互聯(lián)多微電網(wǎng)架構(gòu)與Hadoop 云計(jì)算平臺(tái)的作用下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電負(fù)荷融合條件的準(zhǔn)確計(jì)算，再通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)的方式，突出該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 互聯(lián)多微電網(wǎng)架構(gòu)

互聯(lián)多微電網(wǎng)由光電板、風(fēng)電機(jī)、逆變器、蓄電池組、電量負(fù)載等多個(gè)應(yīng)用結(jié)構(gòu)共同組成，如圖1 所示。其中，光電板、風(fēng)電機(jī)與發(fā)電機(jī)同時(shí)位于互聯(lián)多微電網(wǎng)的頂層執(zhí)行單元中，可在電量負(fù)載結(jié)構(gòu)體的作用下，將高壓電子轉(zhuǎn)變?yōu)榧榷ǖ牡蛪捍鎯?chǔ)形式，再借助電網(wǎng)信道，將這些應(yīng)用電子量傳輸至既定電網(wǎng)元件結(jié)構(gòu)之中[3-4]。數(shù)字逆變器、聚類逆變器同時(shí)位于互聯(lián)多微電網(wǎng)的中層執(zhí)行單元中，可在感知蓄電池組現(xiàn)有電量轉(zhuǎn)存能力的情況下，獲取光電板中的電子應(yīng)用信號(hào)，并可借助電量負(fù)載元件，控制電子量的實(shí)際傳輸流量水平。電量負(fù)載結(jié)構(gòu)不具備獨(dú)立的電網(wǎng)執(zhí)行能力，只能作為附屬元件，配合其他電網(wǎng)設(shè)備的實(shí)際電子轉(zhuǎn)存需求[5]。

圖1 互聯(lián)多微電網(wǎng)架構(gòu)示意圖

1.2 智能量測(cè)電路

智能量測(cè)電路負(fù)責(zé)提供數(shù)字電網(wǎng)用電負(fù)荷智能量測(cè)系統(tǒng)所需的傳輸電子量，可在互聯(lián)多微電網(wǎng)架構(gòu)的作用下，對(duì)第一電源、第二電源進(jìn)行分布轉(zhuǎn)接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器執(zhí)行設(shè)備的有效促進(jìn)。IC4NE555設(shè)備作為智能量測(cè)電路中的核心應(yīng)用元件，能夠干擾數(shù)字耦合元件的現(xiàn)有連接狀態(tài)，并可根據(jù)R1、R2電阻值的不同，對(duì)傳輸電量進(jìn)行分流處理[6-7]。K1繼電器、K2繼電器同時(shí)存在于電動(dòng)機(jī)M 的兩端，可通過(guò)區(qū)分正向、負(fù)向存儲(chǔ)電流的方式，影響D1、D2電負(fù)荷元件中應(yīng)用電子的輸出連接狀態(tài)。一般情況下，待轉(zhuǎn)存的電網(wǎng)數(shù)字電流傳輸值越大，D1、D2電負(fù)荷元件的實(shí)際存儲(chǔ)能力就越強(qiáng)，反之則越弱。電路示意圖如圖2 所示。

圖2 智能量測(cè)電路示意圖

1.3 電網(wǎng)用電負(fù)荷感知模塊

用電負(fù)荷感知模塊能夠記錄數(shù)字電網(wǎng)環(huán)境下各類電感元件中應(yīng)用電流的現(xiàn)有輸出水平，并可根據(jù)智能量測(cè)電路的電量應(yīng)用等級(jí)，確定智能量測(cè)主機(jī)所具備的電子存儲(chǔ)能力。通常情況下，該模塊以TMS320LF2407A 元件作為核心搭建設(shè)備，可在聚類融合法則的作用下，確定數(shù)字電子量在單位時(shí)間內(nèi)的傳輸轉(zhuǎn)存標(biāo)準(zhǔn)，并可遵照Hadoop 云計(jì)算平臺(tái)的實(shí)際處理能力，更改與數(shù)字電網(wǎng)空間匹配的電負(fù)荷消耗數(shù)值[8-9]。設(shè)u0代表既定時(shí)間節(jié)點(diǎn)處的最小電量負(fù)荷系數(shù)，un代表既定時(shí)間節(jié)點(diǎn)處的最大電量負(fù)荷系數(shù)，n代表單位時(shí)間內(nèi)的電量轉(zhuǎn)存次數(shù)，代表數(shù)字電網(wǎng)環(huán)境中的智能化電子量測(cè)指標(biāo)。聯(lián)立上述物理量，可將電網(wǎng)用電負(fù)荷感知模塊的連接執(zhí)行能力定義為：

式中，Ui代表數(shù)字電網(wǎng)總線處的電壓負(fù)載水平，U1代表數(shù)字電網(wǎng)支線處的電壓負(fù)載水平，ΔT代表電子量的單位傳輸時(shí)長(zhǎng)，Pˉ代表用電負(fù)荷指標(biāo)在單位時(shí)間內(nèi)的消耗均值量。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 Hadoop云計(jì)算平臺(tái)

Hadoop 云計(jì)算平臺(tái)是數(shù)字電網(wǎng)用電負(fù)荷智能量測(cè)系統(tǒng)中的軟件執(zhí)行基礎(chǔ)，可在聚類融合法則的作用下，通過(guò)控制電子輸入與輸出行為的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)連接狀態(tài)的定向性干預(yù)[10]。整個(gè)電量調(diào)度單元包含MQ、Redis、File 三類執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，其中前兩者可記錄聚類融合法則環(huán)境下Pig1 與Pig2 節(jié)點(diǎn)的接入狀態(tài)，再聯(lián)合N1 與N2 兩側(cè)結(jié)構(gòu)體，實(shí)現(xiàn)對(duì)待傳輸電子量的規(guī)劃與分配，從而避免負(fù)荷電量累積行為的出現(xiàn)[11-12]。Hadoop 體系位于云計(jì)算平臺(tái)最底層，包含Reduce、Hbase、Storm 三類基礎(chǔ)執(zhí)行節(jié)點(diǎn)，可在感知MySQL 數(shù)據(jù)庫(kù)現(xiàn)有連接狀態(tài)的情況下，完成對(duì)待融合電量的提取與應(yīng)用。平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 Hadoop云計(jì)算平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

2.2 電網(wǎng)子空間聚類

電網(wǎng)子空間聚類的基本思想是：先將目標(biāo)電負(fù)荷數(shù)據(jù)集根據(jù)聚類屬性分成若干個(gè)獨(dú)立組別，再根據(jù)特殊融合原則，將各個(gè)屬性組參量整合成全新的聚類數(shù)據(jù)集，此時(shí)的電網(wǎng)子空間已經(jīng)得到了降維處理，一般情況下，這種聚類行為始終圍繞著電量屬性數(shù)據(jù)集進(jìn)行[13]。實(shí)質(zhì)上，電網(wǎng)子空間聚類是對(duì)所有電量信息點(diǎn)和電負(fù)荷屬性的同時(shí)融合處理，可以將所有待量測(cè)電子參量和其屬性描述信息看作是一個(gè)獨(dú)立矩陣[14]。設(shè)e0代表電網(wǎng)子空間中的初級(jí)負(fù)荷電量聚類條件，en代表電網(wǎng)子空間中的終極負(fù)荷電量聚類條件，聯(lián)立式（1），可將電網(wǎng)子空間的聚類條件定義為：

式中，β代表與聚類融合原則相關(guān)的電負(fù)荷量測(cè)系數(shù)，代表第一個(gè)輸入的數(shù)字電網(wǎng)負(fù)荷參量，代表第n個(gè)輸入的數(shù)字電網(wǎng)負(fù)荷參量，Q′代表數(shù)字電網(wǎng)環(huán)境中的電量負(fù)荷指標(biāo)。

2.3 電負(fù)荷融合條件計(jì)算

電負(fù)荷融合條件計(jì)算是基于聚類融合數(shù)字電網(wǎng)用電負(fù)荷智能量測(cè)系統(tǒng)搭建的末尾設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可在已知電網(wǎng)子空間聚類條件的情況下，確定電負(fù)荷指標(biāo)的實(shí)際傳輸方向，從而避免非合理電量消耗行為的出現(xiàn)[15-16]。設(shè)j0代表階段性電子傳輸時(shí)間內(nèi)的最小電量聚類融合系數(shù)，jn代表階段性電子傳輸時(shí)間內(nèi)的最大電量聚類融合系數(shù)，一般情況下，由上述兩項(xiàng)指標(biāo)限定的物理數(shù)值空間越大，數(shù)字電網(wǎng)主機(jī)所具備的電負(fù)荷量測(cè)能力也就越強(qiáng)，反之則越弱。設(shè)gmin代表數(shù)字電網(wǎng)環(huán)境中的最小電量負(fù)荷傳輸指標(biāo)，gmax代表數(shù)字電網(wǎng)環(huán)境中的最大電量負(fù)荷傳輸指標(biāo)，在上述物理量的支持下，聯(lián)立式（2），可將電負(fù)荷融合條件的計(jì)算結(jié)果表示為：

式中，fj代表既定的電負(fù)荷參量傳輸系數(shù)條件，ΔH代表傳輸電荷在單位時(shí)間內(nèi)的變化量數(shù)值，χ代表與電信號(hào)相關(guān)的冪次項(xiàng)傳輸量測(cè)系數(shù)。至此，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)軟、硬件系統(tǒng)執(zhí)行環(huán)境的搭建，在聚類融合算法的支持下，實(shí)現(xiàn)新型數(shù)字電網(wǎng)用電負(fù)荷智能量測(cè)系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

3 系統(tǒng)應(yīng)用能力檢測(cè)

為驗(yàn)證基于聚類融合數(shù)字電網(wǎng)用電負(fù)荷智能量測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)。搭建數(shù)字電網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境，將實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組電負(fù)荷執(zhí)行主機(jī)同時(shí)接入該電量傳輸環(huán)境中，其中實(shí)驗(yàn)組主機(jī)搭載基于聚類融合數(shù)字電網(wǎng)用電負(fù)荷智能量測(cè)系統(tǒng)，對(duì)照組主機(jī)搭載基于需求響應(yīng)的電負(fù)荷量測(cè)系統(tǒng)。其他實(shí)驗(yàn)條件保持不變的情況下，記錄各項(xiàng)電負(fù)荷量測(cè)指標(biāo)的具體變化情況。

已知單位時(shí)間內(nèi)的電子負(fù)荷量水平及電壓差數(shù)值均能描述數(shù)字電網(wǎng)主機(jī)對(duì)用電負(fù)荷指標(biāo)的合理性規(guī)劃能力，一般情況下，電子負(fù)荷量水平越高、電壓差數(shù)值越小，數(shù)字電網(wǎng)主機(jī)對(duì)用電負(fù)荷指標(biāo)的合理性規(guī)劃能力也就越強(qiáng)，反之則越弱。表1、表2 記錄了實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組電子負(fù)荷量及電壓差數(shù)值的實(shí)際變化趨勢(shì)。

表1 單位時(shí)間內(nèi)的電子負(fù)荷量對(duì)比表

分析表1 可知，在前兩個(gè)單位時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，實(shí)驗(yàn)組電子負(fù)荷量始終保持不斷上升的變化趨勢(shì)，從第3 個(gè)單位時(shí)長(zhǎng)開始，這種數(shù)值變化狀態(tài)逐漸趨于穩(wěn)定，全局最大值達(dá)到了8.8×1015T。對(duì)照組電子負(fù)荷量則始終保持相對(duì)穩(wěn)定的波動(dòng)變化狀態(tài)，全局最大值僅能達(dá)到6.6×1015T，與實(shí)驗(yàn)組極大值相比，下降了2.2×1015T。綜上可知，應(yīng)用基于聚類融合數(shù)字電網(wǎng)用電負(fù)荷智能量測(cè)系統(tǒng)后，單位時(shí)間內(nèi)的電子負(fù)荷量出現(xiàn)了明顯遞增的變化狀態(tài)，可促進(jìn)數(shù)字電網(wǎng)主機(jī)對(duì)用電負(fù)荷指標(biāo)合理性規(guī)劃能力不斷增強(qiáng)。

分析表2 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組電壓差數(shù)值保持先上升、再穩(wěn)定、最后下降的變化趨勢(shì)，全局最大值只能達(dá)到21 V。對(duì)照組電壓差數(shù)值在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中始終保持不斷上升的變化趨勢(shì)，全局最大值達(dá)到了47 V，與實(shí)驗(yàn)組極大值相比，上升了26 V。綜上可知，應(yīng)用基于聚類融合數(shù)字電網(wǎng)用電負(fù)荷智能量測(cè)系統(tǒng)后，電壓差數(shù)值的上升趨勢(shì)得到了有效控制，實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷能力的穩(wěn)定提升。

表2 電壓差數(shù)值對(duì)比表

4 結(jié)束語(yǔ)

文中設(shè)計(jì)了基于聚類融合的數(shù)字電網(wǎng)用電負(fù)荷智能量測(cè)系統(tǒng)，與基于需求響應(yīng)的電負(fù)荷量測(cè)系統(tǒng)相比，應(yīng)用基于聚類融合的數(shù)字電網(wǎng)用電負(fù)荷智能量測(cè)系統(tǒng)后，可在增大單位時(shí)間內(nèi)電子負(fù)荷量水平的同時(shí)，控制電壓差數(shù)值的實(shí)際上升趨勢(shì)，從而促進(jìn)數(shù)字電網(wǎng)主機(jī)對(duì)用電負(fù)荷指標(biāo)合理性規(guī)劃能力不斷增強(qiáng)。從搭建流程的角度來(lái)看，在互聯(lián)多微電網(wǎng)架構(gòu)、智能量測(cè)電路等多個(gè)硬件執(zhí)行結(jié)構(gòu)的作用下，新型用電負(fù)荷量測(cè)系統(tǒng)可在實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)子空間聚類處理的同時(shí)，得到準(zhǔn)確的電負(fù)荷融合條件計(jì)算值，具備較強(qiáng)的應(yīng)用可行性。