本發(fā)明屬于計算機領域，通過分析變壓器日負荷曲線和區(qū)域、季節(jié)等影響因素，計算得到變壓器典型日負荷曲線，從而達到辨識公用變壓器的負荷成分以及所屬類型的目的，具體涉及一種基于大數(shù)據(jù)技術的公用變壓器負荷類型分析和辨識方法。

背景技術：

隨著國家電網公司不斷加大對配電網建設的投入，配電網的規(guī)模不斷擴大，結構日趨復雜，與此同時，配電網中的公用變壓器供電半徑內的負荷類型(用電模式)呈現(xiàn)多樣化和快速動態(tài)變化的趨勢。為了更加科學有效地規(guī)劃配電網，電網公司需要對區(qū)域公用變壓器進行有效監(jiān)控，掌握區(qū)域負荷變化、發(fā)展趨勢；但由于配網規(guī)?？焖贁U展導致配網設備相關數(shù)據(jù)尤其是公用變壓器數(shù)據(jù)的快速增加，已經形成事實上的海量數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的公用變壓器負荷分析方法已經無法適應海量數(shù)據(jù)的處理要求，公變類型辨識效率和精度都已經無法滿足現(xiàn)階段的要求。

在此背景下，本專利提出一種公用變壓器負荷類型分析和辨識方法，該方法通過大數(shù)據(jù)平臺相關技術對配網負荷數(shù)據(jù)進行存儲和預處理，并根據(jù)不同區(qū)域和季節(jié)的負荷特點分別建立分析模型，最后實現(xiàn)對公用變壓器負荷類型的辨識。

目前用采系統(tǒng)還沒有采集公用變壓器下單個用戶的負荷信息，因此傳統(tǒng)公用變壓器負荷分析方法主要是分析變壓器級別的負荷數(shù)據(jù)，由于缺乏具體用戶的負荷特征數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)分析方法無法準確辨別該公用變壓器的負荷類型，而且隨著配網規(guī)?？焖贁U大公用變壓器數(shù)據(jù)也隨之急劇增加，傳統(tǒng)的公用變壓器負荷分析方法已經無法承受海量數(shù)據(jù)的存儲和處理壓力，也無法適應公用變壓器用戶負荷模式的多樣性和快速變化等趨勢。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于大數(shù)據(jù)技術的公用變壓器負荷類型分析和辨識方法，該方法提高了變壓器典型日負荷曲線計算效率和準確性，實現(xiàn)了對公用變壓器的負荷類型辨識，為配網設備的監(jiān)控和檢修以及配網規(guī)劃和結構優(yōu)化提供了科學嚴謹?shù)臎Q策支持。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是：一種基于大數(shù)據(jù)技術的公用變壓器負荷類型分析和辨識方法，包括如下步驟，

s1、對配電變壓器的數(shù)據(jù)進行抽??；

s2、采用分布式聚類算法對步驟s1得到的數(shù)據(jù)進行處理，計算得到典型日負荷曲線；

s3、基于典型日負荷曲線，建立公用變壓器負荷類型辨識模型，分析公用變壓器負荷成分并辨識負荷類型，最終通過界面展示模型結果。

在本發(fā)明一實施例中，所述步驟s1具體實現(xiàn)如下，

通過大數(shù)據(jù)平臺sqoop組件將配電變壓器數(shù)據(jù)從用采系統(tǒng)和營銷業(yè)務系統(tǒng)抽取到大數(shù)據(jù)平臺分布式數(shù)據(jù)庫hbase中，根據(jù)后續(xù)建模分析的需要，通過分布式數(shù)據(jù)倉庫組件hive對包括數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)粒度進行轉換和規(guī)整，最后進行數(shù)據(jù)清洗形成分析模型所需要的寬表數(shù)據(jù)。

在本發(fā)明一實施例中，所述步驟s2具體實現(xiàn)如下，

利用大數(shù)據(jù)平臺提供的數(shù)據(jù)，基于spark內存計算框架開發(fā)分布式聚類算法，綜合考慮區(qū)域和季節(jié)導致的負荷特征差異，對不同地區(qū)、季節(jié)的公用變壓器負荷數(shù)據(jù)分別進行聚類建模分析，計算得到五種典型的日負荷類型曲線：具體聚類過程如下：

輸入：聚類個數(shù)k，包含n個負荷數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)集s；

輸出：k個聚類；

(1)從n個負荷數(shù)據(jù)對象中任意選取k個對象作為初始的聚類中心：

從數(shù)據(jù)集s＝{x1,...,xn}中隨機選取k個作為初始的類中心，從而構成初始的質心集合z＝{z1,z2,...,zk}；其中，每一樣本可由若干特征指標來描述，即xi＝[xi1xi2…xij]，其中，j為特征指標數(shù)，xi,j為第i個樣本的第j個特征指標取值；同樣，每一簇i的中心zi＝[zi1zi2…zij]是質心的j個特征指標取值構成的向量；

(2)分別計算每個對象到各個聚類中心的距離，把對象分配到距離最近的聚類中：

對數(shù)據(jù)集s＝{x1,...,xn}中的每一樣本i，計算它到各類中心zi(j＝1,…,k)的距離，以距離最小的類作為樣本i所屬的類；若記樣本i所屬的類為s，則s滿足

其中：||·||表示兩個向量之間的距離，其計算公式為

其中：j為屬性數(shù)；xij為樣本i的第j個屬性取值；余類推。由此將所有樣本分類k個類，以下記其中第i類中所含樣本集為ci；

(3)所有對象分配完成以后，重新計算k個聚類的中心：

用如下方法調整類的中心，得到新的類中心為

其中，ni是ci中包含的樣本點的數(shù)目；

(4)與前一次計算得到的k個聚類中心比較，如果聚類中心發(fā)生變化，則轉到步驟(2)，否則轉到步驟(5)：

判斷是否滿足若是則迭代終止，輸出最優(yōu)的聚類結果{c1,...,cn}；否則返回第(2)步；

(5)輸出聚類結果；

最后，通過求解各類別負荷數(shù)據(jù)的平均值，得到典型的日負荷類型曲線。

在本發(fā)明一實施例中，所述步驟s3中，是基于典型日負荷曲線構建負荷的特征矩陣，然后根據(jù)已知的公用變壓器的日負荷曲線，建立負荷特征矩陣與公用變壓器日負荷功率采樣點的功率平衡方程，求解各用電模式對應的負荷容量基向量，根據(jù)求解出來的負荷容量基向量，修正各用電模式對應負荷的計算結果，得到公用變壓器的典型用電模式負荷構成比例，根據(jù)用電模式占比分布辨識公用變壓器負荷類型。

在本發(fā)明一實施例中，所述步驟s3具體實現(xiàn)如下，

(1)構建功率平衡方程

假設一公用變壓器綜合負荷含有m個典型用電模式，任一典型用電模式對應的基準容量為sj(j＝1,2,…,m)，則通過對負控系統(tǒng)中的用戶日負荷數(shù)據(jù)進行聚類后，得到各典型的標幺化的日負荷曲線如下式所示：

式中，為各典型用電模式以sj為基準標幺功率，n為負荷曲線的采樣時間點數(shù)，本節(jié)中對應的采樣時間點數(shù)為24點；

設公用變壓器的日負荷曲線為下式：

fg(pgi)＝{pg1,pg2,...,pgn}

式中，pgi為公變在時刻i的負荷功率有名值；

則對應任一時刻i的公用變壓器綜合負荷功率pgi，下式成立：

對于負荷功率的任意采樣時刻i(i＝1,2,3,…,n)都應該滿足上式，從而對于日負荷曲線的所有采樣時間點，構建功率平衡方程如下：

上式簡記為：

其中，m為構成公用變壓器的典型用電模式個數(shù)；n為日負荷曲線的采樣點數(shù)；

其每列元素即為典型用電標幺化的日負荷曲線，反映了各用電模式的負荷特征，稱之為負荷特征矩陣；sg＝{sj}∈r^m×1，為各典型行業(yè)負荷的基準容量構成的列向量，稱為行業(yè)負荷容量基向量；pg＝{pgj}∈r^n×1為公用變壓器的日負荷曲線各采樣時間點負荷構成的列向量；

各典型的標幺化日負荷曲線在步驟s2進行聚類得到，因此，負荷特征矩陣為已知的系數(shù)矩陣；公用變壓器的日負荷曲線功率列向量pg是現(xiàn)有的數(shù)據(jù)平臺獲取的已知列向量；負荷容量基向量sg為待求的未知列向量，將負荷容量基向量sg求出并進行結果的相應修正，即可確定公用變壓器的用電負荷構成比例；

(2)求解負荷容量基向量

在上述功率平衡方程中，通常有n>m，因此其解是非唯一的；由矩陣理論可知，該非齊次線性方程組有唯一解的充要條件是系數(shù)矩陣與增廣矩陣的秩相等，此時功率平衡方程的解如下所示，為的廣義逆矩陣；

求解上述方程實際上是一個求解廣義逆的問題，在工程實踐中其解的唯一性條件：與等秩常常不一定成立，所以它沒有通常意義下的解，這種方程稱為矛盾方程組；

求解上述方程組的有效方法之一就是最小二乘法，接下來簡述其基本的求解原理；令sg＝[s1,s2,...,sm]^t∈r^m×1，則||lgsg-pg||是[s1,s2,...,sm]的m元實值函數(shù)，如下式所示：

f(sg)＝f(s1,s2,...,sm)＝||lgsg-pg||

由于容量不能為負值，所以求解時加上約束條件sg＞0，可以證明，在rⁿ空間中，任一線性方程組總存在一個解sg^*，使得功率平衡方程確定的公變在各時間點的負荷功率計算與數(shù)據(jù)平臺實際獲得的量測值之間的殘差平方和最小，即下式成立，sg^*被稱為矛盾方程組，即功率平衡方程的最小二乘解。

minf(sg^*)＝||lgsg^*-pg||＝||pg^*-pg||

求解行業(yè)負荷容量基向量的具體的目標函數(shù)如下式所示：

(3)修正負荷計算結果

運用最小二乘法原理求得負荷容量基向量sg^*后，對負荷容量基向量進行結果的修正，也相當于對用電負荷構成比例的修正；可通過sg^*確定初始的各典型用電模式的有名值化的日負荷曲線：

為確保公變的綜合負荷曲線與通過最小二乘法計算得到的各負荷曲線擬合的結果一致。定義：

δpgi＝pgi-pgi^*

將δpgi按照各用電模式的日負荷有名值曲線上的采樣點負荷功率有名值之間的比例進行分配。即：

式中，δpij代表第j個用電模式在時刻i分配到的負荷功率附加值，lij代表第j個用電模式在時刻i的負荷功率有名值；得到修正后的各典型用電模式的負荷曲線有名值：

fj(lij^d)＝{l1j+δp1j,l2j+δp2j,l3j+δp3j,...,lnj+δpnj}

分配后得到修正的負荷曲線計算結果fj(lij^d)，即最終確定的公用變壓器下所屬的各負荷曲線功率采樣點的有名值；

(4)提取公用變壓器的用電負荷構成比例

通過日用電量的占比確定公用變壓器的用電負荷構成比例：

式中，m為構成公用變壓器的典型用電模式個數(shù)；n為日負荷曲線的采樣點數(shù)；為第j個典型用電模式的日負荷電量；為公用變壓器的日負荷電量。

相較于現(xiàn)有技術，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明方法通過大數(shù)據(jù)平臺對配網負荷數(shù)據(jù)進行存儲和預處理，根據(jù)不同區(qū)域和季節(jié)的負荷特點建立變壓器典型日負荷曲線計算模型和公用變壓器負荷類型辨識模型；本發(fā)明提高了變壓器典型日負荷曲線計算效率和準確性，實現(xiàn)了對公用變壓器的負荷類型辨識，為配網設備的監(jiān)控和檢修以及配網規(guī)劃和結構優(yōu)化提供了科學嚴謹?shù)臎Q策支持。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的公用變壓器負荷類型辨識模型流程圖。

圖2為本發(fā)明的配變負荷類型辨識方法架構圖。

圖3為本發(fā)明的基于大數(shù)據(jù)平臺的海量數(shù)據(jù)抽取、存儲和預處理。

圖4為本發(fā)明的變壓器典型日負荷曲線計算模型。

圖5為本發(fā)明的公用變壓器負荷類型辨識模型。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發(fā)明的技術方案進行具體說明。

本發(fā)明的一種基于大數(shù)據(jù)技術的公用變壓器負荷類型分析和辨識方法，包括如下步驟，

s1、對配電變壓器的數(shù)據(jù)進行抽??；

s2、采用分布式聚類算法對步驟s1得到的數(shù)據(jù)進行處理，計算得到典型日負荷曲線；

s3、基于典型日負荷曲線，建立公用變壓器負荷類型辨識模型，分析公用變壓器負荷成分并辨識負荷類型，最終通過界面展示模型結果。

所述步驟s1具體實現(xiàn)如下，

通過大數(shù)據(jù)平臺sqoop組件將配電變壓器數(shù)據(jù)從用采系統(tǒng)和營銷業(yè)務系統(tǒng)抽取到大數(shù)據(jù)平臺分布式數(shù)據(jù)庫hbase中，根據(jù)后續(xù)建模分析的需要，通過分布式數(shù)據(jù)倉庫組件hive對包括數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)粒度進行轉換和規(guī)整，最后進行數(shù)據(jù)清洗形成分析模型所需要的寬表數(shù)據(jù)。

所述步驟s2具體實現(xiàn)如下，

利用大數(shù)據(jù)平臺提供的數(shù)據(jù)，基于spark內存計算框架開發(fā)分布式聚類算法，綜合考慮區(qū)域和季節(jié)導致的負荷特征差異，對不同地區(qū)、季節(jié)的公用變壓器負荷數(shù)據(jù)分別進行聚類建模分析，計算得到五種典型的日負荷類型曲線：具體聚類過程如下：

輸入：聚類個數(shù)k，包含n個負荷數(shù)據(jù)對象的數(shù)據(jù)集s；

輸出：k個聚類；

(1)從n個負荷數(shù)據(jù)對象中任意選取k個對象作為初始的聚類中心：

從數(shù)據(jù)集s＝{x1,...,xn}中隨機選取k個作為初始的類中心，從而構成初始的質心集合z＝{z1,z2,...,zk}；其中，每一樣本可由若干特征指標來描述，即xi＝[xi1xi2…xij]，其中，j為特征指標數(shù)，xi,j為第i個樣本的第j個特征指標取值；同樣，每一簇i的中心zi＝[zi1zi2…zij]是質心的j個特征指標取值構成的向量；

(2)分別計算每個對象到各個聚類中心的距離，把對象分配到距離最近的聚類中：

對數(shù)據(jù)集s＝{x1,...,xn}中的每一樣本i，計算它到各類中心zi(j＝1,…,k)的距離，以距離最小的類作為樣本i所屬的類；若記樣本i所屬的類為s，則s滿足

其中：||·||表示兩個向量之間的距離，其計算公式為

其中：j為屬性數(shù)；xij為樣本i的第j個屬性取值；余類推。由此將所有樣本分類k個類，以下記其中第i類中所含樣本集為ci；

(3)所有對象分配完成以后，重新計算k個聚類的中心：

用如下方法調整類的中心，得到新的類中心為

其中，ni是ci中包含的樣本點的數(shù)目；

(4)與前一次計算得到的k個聚類中心比較，如果聚類中心發(fā)生變化，則轉到步驟(2)，否則轉到步驟(5)：

判斷是否滿足若是則迭代終止，輸出最優(yōu)的聚類結果{c1,...,cn}；否則返回第(2)步；

(5)輸出聚類結果；

最后，通過求解各類別負荷數(shù)據(jù)的平均值，得到典型的日負荷類型曲線。

所述步驟s3中，是基于典型日負荷曲線構建負荷的特征矩陣，然后根據(jù)已知的公用變壓器的日負荷曲線，建立負荷特征矩陣與公用變壓器日負荷功率采樣點的功率平衡方程，求解各用電模式對應的負荷容量基向量，根據(jù)求解出來的負荷容量基向量，修正各用電模式對應負荷的計算結果，得到公用變壓器的典型用電模式負荷構成比例，根據(jù)用電模式占比分布辨識公用變壓器負荷類型；所述步驟s3具體實現(xiàn)如下，

(1)構建功率平衡方程

假設一公用變壓器綜合負荷含有m個典型用電模式，任一典型用電模式對應的基準容量為sj(j＝1,2,…,m)，則通過對負控系統(tǒng)中的用戶日負荷數(shù)據(jù)進行聚類后，得到各典型的標幺化的日負荷曲線如下式所示：

式中，為各典型用電模式以sj為基準標幺功率，n為負荷曲線的采樣時間點數(shù)，本節(jié)中對應的采樣時間點數(shù)為24點；

設公用變壓器的日負荷曲線為下式：

fg(pgi)＝{pg1,pg2,...,pgn}

式中，pgi為公變在時刻i的負荷功率有名值；

則對應任一時刻i的公用變壓器綜合負荷功率pgi，下式成立：

對于負荷功率的任意采樣時刻i(i＝1,2,3,…,n)都應該滿足上式，從而對于日負荷曲線的所有采樣時間點，構建功率平衡方程如下：

上式簡記為：

其中，m為構成公用變壓器的典型用電模式個數(shù)；n為日負荷曲線的采樣點數(shù)；

其每列元素即為典型用電標幺化的日負荷曲線，反映了各用電模式的負荷特征，稱之為負荷特征矩陣；sg＝{sj}∈r^m×1，為各典型行業(yè)負荷的基準容量構成的列向量，稱為行業(yè)負荷容量基向量；pg＝{pgj}∈r^n×1為公用變壓器的日負荷曲線各采樣時間點負荷構成的列向量；

各典型的標幺化日負荷曲線在步驟s2進行聚類得到，因此，負荷特征矩陣為已知的系數(shù)矩陣；公用變壓器的日負荷曲線功率列向量pg是現(xiàn)有的數(shù)據(jù)平臺獲取的已知列向量；負荷容量基向量sg為待求的未知列向量，將負荷容量基向量sg求出并進行結果的相應修正，即可確定公用變壓器的用電負荷構成比例；

(2)求解負荷容量基向量

在上述功率平衡方程中，通常有n>m，因此其解是非唯一的；由矩陣理論可知，該非齊次線性方程組有唯一解的充要條件是系數(shù)矩陣與增廣矩陣的秩相等，此時功率平衡方程的解如下所示，為的廣義逆矩陣；

求解上述方程實際上是一個求解廣義逆的問題，在工程實踐中其解的唯一性條件：與等秩常常不一定成立，所以它沒有通常意義下的解，這種方程稱為矛盾方程組；

求解上述方程組的有效方法之一就是最小二乘法，接下來簡述其基本的求解原理；令sg＝[s1,s2,...,sm]^t∈r^m×1，則||lgsg-pg||是[s1,s2,...,sm]的m元實值函數(shù)，如下式所示：

f(sg)＝f(s1,s2,...,sm)＝||lgsg-pg||

由于容量不能為負值，所以求解時加上約束條件sg＞0，可以證明，在rⁿ空間中，任一線性方程組總存在一個解sg^*，使得功率平衡方程確定的公變在各時間點的負荷功率計算與數(shù)據(jù)平臺實際獲得的量測值之間的殘差平方和最小，即下式成立，sg^*被稱為矛盾方程組，即功率平衡方程的最小二乘解。

minf(sg^*)＝||lgsg^*-pg||＝||pg^*-pg||

求解行業(yè)負荷容量基向量的具體的目標函數(shù)如下式所示：

(3)修正負荷計算結果

運用最小二乘法原理求得負荷容量基向量sg^*后，對負荷容量基向量進行結果的修正，也相當于對用電負荷構成比例的修正；可通過sg^*確定初始的各典型用電模式的有名值化的日負荷曲線：

為確保公變的綜合負荷曲線與通過最小二乘法計算得到的各負荷曲線擬合的結果一致。定義：

δpgi＝pgi-pgi^*

將δpgi按照各用電模式的日負荷有名值曲線上的采樣點負荷功率有名值之間的比例進行分配。即：

式中，δpij代表第j個用電模式在時刻i分配到的負荷功率附加值，lij代表第j個用電模式在時刻i的負荷功率有名值；得到修正后的各典型用電模式的負荷曲線有名值：

fj(lij^d)＝{l1j+δp1j,l2j+δp2j,l3j+δp3j,...,lnj+δpnj}

分配后得到修正的負荷曲線計算結果fj(lij^d)，即最終確定的公用變壓器下所屬的各負荷曲線功率采樣點的有名值；

(4)提取公用變壓器的用電負荷構成比例

通過日用電量的占比確定公用變壓器的用電負荷構成比例：

式中，m為構成公用變壓器的典型用電模式個數(shù)；n為日負荷曲線的采樣點數(shù)；為第j個典型用電模式的日負荷電量；為公用變壓器的日負荷電量。

以下為本發(fā)明的具體實現(xiàn)過程。

如圖1、2所示，本發(fā)明提出一種基于大數(shù)據(jù)技術的公用變壓器負荷成分分析及負荷類型辨識方法。具體實施步驟主要分為以下幾部分：基于大數(shù)據(jù)平臺技術的海量公用變壓器數(shù)據(jù)的抽取、存儲；數(shù)據(jù)預處理(轉換、聚合、清洗)；構建分布式聚類分析模型計算得到典型日負荷數(shù)據(jù)；基于典型日負荷數(shù)據(jù)建立公用變壓器負荷類型辨識模型，分析公用變壓器負荷成分并辨識負荷類型，最終通過界面展示模型結果。

(1)基于大數(shù)據(jù)平臺的的海量數(shù)據(jù)抽取、存儲和預處理

通過大數(shù)據(jù)平臺sqoop組件將配電變壓器數(shù)據(jù)從用采系統(tǒng)和營銷業(yè)務系統(tǒng)抽取到大數(shù)據(jù)平臺分布式數(shù)據(jù)庫hbase中，根據(jù)后續(xù)建模分析的需要，通過分布式數(shù)據(jù)倉庫組件hive對數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)粒度等進行轉換和規(guī)整，最后數(shù)據(jù)進行清洗形成分析模型所需要的寬表數(shù)據(jù)。處理過程如圖3所示。

(2)建立變壓器典型日負荷曲線計算模型

利用大數(shù)據(jù)平臺提供的計算資源，基于spark內存計算框架開發(fā)分布式聚類算法，綜合考慮區(qū)域和季節(jié)導致的負荷特征差異，對不同地區(qū)、季節(jié)的海量公用變壓器負荷數(shù)據(jù)分別進行聚類建模分析，計算得到五種典型的日負荷類型(用電模式)曲線。并行聚類模型流程如圖4所示。

(3)建立公用變壓器負荷類型辨識模型

公用變壓器的日負荷曲線是由其供電范圍內所有用戶的日負荷曲線疊加而成，由于不同用戶具有不同的用電模式，所以公變日負荷曲線實際上是由不同用電模式的負荷在不同時刻疊加而成，且隨著區(qū)域發(fā)展水平不同和季節(jié)的變化，不同公用變壓器的日負荷曲線特征存在明顯的差異。通過步驟(2)計算得到的典型日負荷曲線，構建負荷的特征矩陣，然后根據(jù)已知的公用變壓器的日負荷曲線，建立負荷特征矩陣與公用變壓器的日負荷功率采樣點的功率平衡方程，求解各個用電模式對應的負荷容量基向量，根據(jù)計算得到的負荷容量基向量，修正各用電模式對應的負荷計算結果得到公用變壓器的典型用電模式負荷構成比例，根據(jù)負荷成分占比分布，最終實現(xiàn)公用變壓器的類型辨識。公用變壓器負荷類型辨識模型流程如圖5所示。

以上是本發(fā)明的較佳實施例，凡依本發(fā)明技術方案所作的改變，所產生的功能作用未超出本發(fā)明技術方案的范圍時，均屬于本發(fā)明的保護范圍。