一種配電網(wǎng)無功優(yōu)化大數(shù)據(jù)建模及異常方案檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種配電網(wǎng)無功優(yōu)化大數(shù)據(jù)建模及異常方案檢測方法，所述方法包括如下步驟：(1)分析與配電網(wǎng)無功優(yōu)化相關的數(shù)據(jù)，建立配電網(wǎng)無功優(yōu)化方案模型；(2)構建無功優(yōu)化方案的高維隨機矩陣；(3)對所述高維隨機矩陣進行高維隨機矩陣譜分析，獲得高維隨機矩陣的特征根譜分布以及無功優(yōu)化方案的譜分布特征；(4)基于實時無功優(yōu)化數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)及譜分析結果進行異常方案檢測，分析方案是否異常，從而分析對無功優(yōu)化的結果進行評估。本發(fā)明建立了無功優(yōu)化方案高維隨機矩陣模型，從根本上突破以往對隨機因素的假設和簡化，提高了無功優(yōu)化的精確度與處理效率。
【專利說明】
-種配電網(wǎng)無功優(yōu)化大數(shù)據(jù)建模及異常方案檢測方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及一種配電網(wǎng)優(yōu)化大數(shù)據(jù)W及檢測方法，具體設及一種配電網(wǎng)無功優(yōu)化 大數(shù)據(jù)建模及異常方案檢測方法。
【背景技術】
[0002] 隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，配電網(wǎng)絡已由采用主干、分線、支線的單向轄射狀供電方式 為主向多分段、多連接供電方式過渡。傳統(tǒng)的無功優(yōu)化方法已研究和應用多年，但往往需要 某些假設條件，且容易陷入局部最優(yōu)點，難于得到全局最優(yōu)解。
[0003] 近年來大數(shù)據(jù)技術得到了各國政府和全球學術界、工業(yè)界的高度關注和重視，在 各行業(yè)領域的應用得到迅猛發(fā)展。隨著大數(shù)據(jù)理論和技術的發(fā)展，將基于數(shù)據(jù)建模的理論 分析方法用于電網(wǎng)全局優(yōu)化，W突破W往對隨機因素的假設和簡化成為可能。
[0004] 隨機矩陣是在某個給定概率空間下，W隨機變量為元素組成的矩陣。而大維數(shù)據(jù) 是指樣本維數(shù)和樣本量W具有相同的階趨向無窮的數(shù)據(jù)。由于經典多元統(tǒng)計分析理論不再 適用于處理大維數(shù)據(jù)的問題，隨機矩陣理論作為處理大維數(shù)據(jù)行之有效的方法之一，在最 近幾十年得到了廣泛的關注和發(fā)展。將大維隨機矩陣理論引入到配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析中，合 理利用隨機矩陣相關理論，如特征根譜分析、中屯、極限定理等，對配電網(wǎng)無功優(yōu)化大數(shù)據(jù)進 行分析和處理，是解決大數(shù)據(jù)架構下配電網(wǎng)無功優(yōu)化問題的一個新路徑。傳統(tǒng)配電網(wǎng)無功 優(yōu)化的研究中往往需要某些假設條件，且容易陷入局部最優(yōu)點，難于得到全局最優(yōu)解的問 題。

【發(fā)明內容】

[0005] 為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供一種配電網(wǎng)無功優(yōu)化大數(shù)據(jù)建模及異 常方案檢測方法，本發(fā)明建立了無功優(yōu)化方案高維隨機矩陣模型，從根本上突破W往對隨 機因素的假設和簡化，提高了無功優(yōu)化的精確度與處理效率。
[0006] 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取如下技術方案：
[0007] -種配電網(wǎng)無功優(yōu)化大數(shù)據(jù)建模及異常方案檢測方法，所述方法包括如下步驟：
[0008] (1)分析與配電網(wǎng)無功優(yōu)化相關的數(shù)據(jù)，建立配電網(wǎng)無功優(yōu)化方案模型；
[0009 ] (2)構建無功優(yōu)化方案的高維隨機矩陣；
[0010] (3)對所述高維隨機矩陣進行高維隨機矩陣譜分析，獲得高維隨機矩陣的特征根 譜分布W及無功優(yōu)化方案的譜分布特征；
[0011] (4)基于實時無功優(yōu)化數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)及譜分析結果進行異常方案檢測，分析方 案是否異常，從而分析對無功優(yōu)化的結果進行評估。
[0012] 優(yōu)選的，所述步驟（1)中，所述與配電網(wǎng)無功優(yōu)化相關的數(shù)據(jù)包括:配電網(wǎng)運行數(shù) 據(jù)和優(yōu)化控制數(shù)據(jù)，所述配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)包括配電網(wǎng)分區(qū)域母線電壓數(shù)據(jù)、負荷數(shù)據(jù)和電 流數(shù)據(jù)，所述優(yōu)化控制數(shù)據(jù)包括:經過無功優(yōu)化后的配電變壓器分接頭投切控制序列和無 功補償電容投切控制序列。
[0013] 優(yōu)選的，所述無功優(yōu)化方案模型W節(jié)點為優(yōu)化單元，表示如下：
[0014] ["節(jié)點ID V線路號V始端"，"末端"，"時標V電流"，"始端節(jié)點號"，"末端節(jié)點 號"，"有功功率"，"無功功率"，"電壓幅值"，"電壓相角"，"變壓器型號"，"分接頭投切序 列"，"無功補償電容投切序列"]
[0015] 式中，"節(jié)點I護為無功補償數(shù)據(jù)模型的關鍵字，用于標識優(yōu)化單元，其它字段為無 功優(yōu)化方案的各項特征。
[0016] 優(yōu)選的，所述步驟(2)中，所述高維隨機矩陣表示為：
[0017]
(1)
[001引式中，X為一個nXm維隨機矩陣，每個分量Xis(t)為一個時間序列，Xis(t)表示第i 個優(yōu)化節(jié)點第S個特征量t時間的數(shù)值，i = l，2,. . .，n，s = l，2,. . .，m，t = l，2,. . .，T。
[0019] 優(yōu)選的，所述步驟(3)包括如下步驟：
[0020] 步驟3-1、所述高維隨機矩陣X={xis}nxm為標準非化rmitian隨機矩陣，其中元素 Xis滿足獨立分布，并且期望E(Xis) =0,標準差O (Xis) = 1，對于標準非Hermitian隨機矩陣序 列{、}〇 = 1，2,3, ? ? ?，L)，存在奇異值等價于矩陣序列{Xuj}(j = l，2,3, ? ? ?，L)滿 足
[0021] 巧.）
[002^ 式中，種、的為Xj、Xu,J的共輛轉置，Xuj為隨機矩陣序列Xj的奇異值等價序列，Xu,J 為n維方陣，隨機矩陣序列(?}的矩陣積的公式如下：
[0023]
(4)
[0024] 式中，L為自然數(shù)；
[0025] 步驟3-2、將矩陣積Z經過標準化變換，轉化到其對應的標準矩陣積Zu= {Zis}nxn，標 準矩陣積元素滿足期望E( Zis) = 0，標準差O (Zis) = 1/n;
[00%] 步驟3-3、當矩陣行列比c = n/m保持不變，且n和m趨近于無窮大時，Zu的特征值\ 的經驗譜分布收斂到單環(huán)定律，概率密度函數(shù)
[0027]
(5)
[002引式中，矩陣行列比c = n/mG(0，l]，在復平面內，Zu的特征值\分布在內徑為 (i_rr、外徑為1的圓環(huán)范圍內；
[0029] 步驟3-4、設定最小置信度e(〇<e<l)，基于正常歷史無功優(yōu)化方案，選取最小的 正整數(shù)L，使得無功優(yōu)化方案隨機矩陣對應的Zu的特征值\分布在單環(huán)內的概率大于e，計 算從而得到無功優(yōu)化方案隨機矩陣的譜分布。
[0030] 優(yōu)選的，所述步驟(4)包括如下步驟：
[0031] 步驟4-1、設定比例p(0<p<l)，輸入新的無功優(yōu)化方案樣本，進行譜分析；
[0032] 步驟4-2、判斷特征值分布在內徑為(I-<.V、外徑為I的圓環(huán)范圍外的概率與P的大 小，若所述概率小于或等于P，則輸入新的無功優(yōu)化方案樣本正常，否則為異常。
[0033] 與最接近的現(xiàn)有技術比，本發(fā)明提供的技術方案具有W下優(yōu)異效果：
[0034] 本發(fā)明建立的配電網(wǎng)無功優(yōu)化大數(shù)據(jù)模型綜合考慮了配電網(wǎng)各節(jié)點的時空特性、 空間特性、量值特性，建立的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，可為全局無功優(yōu)化的實現(xiàn)提供數(shù)據(jù)基礎；
[0035] 本發(fā)明基于無功優(yōu)化方案的高維隨機矩陣構建方法，建立了無功優(yōu)化方案高維隨 機矩陣模型，從根本上突破W往對隨機因素的假設和簡化，提高了無功優(yōu)化的精確度與處 理效率；
[0036] 本發(fā)明提出了基于高維隨機矩陣譜分析的異常方案檢測方法可W快速有效地對 實時無功優(yōu)化方案進行檢測，從而實現(xiàn)實時無功優(yōu)化分析。
【附圖說明】
[0037] 圖1是本發(fā)明配電網(wǎng)無功優(yōu)化大數(shù)據(jù)建模及異常方案檢測方法流程圖。
【具體實施方式】
[0038] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0039] 如附圖1所示，本發(fā)明針對配電網(wǎng)無功優(yōu)化問題提出一種配電網(wǎng)無功優(yōu)化大數(shù)據(jù) 建模及異常無功補償方案檢測方法包括四個步驟，首先基于配電網(wǎng)無功優(yōu)化大數(shù)據(jù)的來 源，分析智能監(jiān)測終端、營銷系統(tǒng)、SCADA/EMS系統(tǒng)、生產管理系統(tǒng)等數(shù)據(jù)源所采集到的配電 網(wǎng)規(guī)劃與運行數(shù)據(jù)的時間、空間、量值等特性，考慮配電網(wǎng)無功優(yōu)化實際情況，提取與無功 優(yōu)化相關的數(shù)據(jù)，建立配電網(wǎng)無功優(yōu)化方案的數(shù)據(jù)模型，然后基于無功優(yōu)化方案的高維隨 機矩陣構建方法，建立無功優(yōu)化方案高維隨機矩陣模型；在配電網(wǎng)無功優(yōu)化數(shù)據(jù)源建模W 及高維隨機矩陣建模的基礎上，基于高維隨機矩陣特征根譜分布及其特征提取技術，采用 歷史數(shù)據(jù)分析提煉配電網(wǎng)無功優(yōu)化方案的特征，最后，基于無功優(yōu)化方案的特征，對新的實 時方案或者仿真方案進行檢測，判斷新的方案是否異常，具體包括W下步驟：
[0040] 步驟1:分析與配電網(wǎng)無功優(yōu)化相關的數(shù)據(jù)，包括影響無功功率的主要因素及無功 優(yōu)化的主要指標，基于配電網(wǎng)無功優(yōu)化大數(shù)據(jù)的來源，分析不同來源的數(shù)據(jù)的采集方式、傳 輸方式、存儲方式、數(shù)據(jù)模型(信息模型），進而分析配電網(wǎng)規(guī)劃與運行數(shù)據(jù)的時間、空間、量 值等特性，考慮配電網(wǎng)無功優(yōu)化實際情況，從不同的系統(tǒng)中，根據(jù)無功優(yōu)化的需求，提取與 無功優(yōu)化相關的數(shù)據(jù)，包括配電網(wǎng)分區(qū)域母線電壓數(shù)據(jù)(包括幅值和相角）、負荷數(shù)據(jù)(有功 功率、無功功率）W及電流數(shù)據(jù)（電流)等配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，W及經過無功優(yōu)化后的配電變壓 器分接頭投切控制序列和無功補償電容投切控制序列。對所提取的無功優(yōu)化相關進行統(tǒng)一 建模，建立配電網(wǎng)無功優(yōu)化方案的數(shù)據(jù)模型。
[0041] 隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展與普及，配電網(wǎng)數(shù)據(jù)來源廣泛，大多數(shù)區(qū)域性配電網(wǎng)中含有 多個管理系統(tǒng)，包含配電自動化系統(tǒng)、調度自動化系統(tǒng)、電網(wǎng)氣象信息系統(tǒng)、電能質量監(jiān)測 管理系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)、配變負荷監(jiān)測系統(tǒng)、負荷控制系統(tǒng)、營銷業(yè)務管理系統(tǒng)等。其中， 與配電網(wǎng)無功優(yōu)化相關的數(shù)據(jù)包括:配電網(wǎng)分區(qū)域母線電壓數(shù)據(jù)(包括幅值和相角）、負荷 數(shù)據(jù)(有功功率、無功功率）W及電流數(shù)據(jù)（電流)等配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，W及經過無功優(yōu)化后 的配電變壓器分接頭投切控制序列和無功補償電容投切控制序列等優(yōu)化控制數(shù)據(jù)。由于配 電網(wǎng)母線負荷分布在空間和時間上均存在隨機特性，導致配電網(wǎng)母線電壓、電流也具有隨 機分布特性，由運些具有隨機分布特性數(shù)據(jù)所構成配電網(wǎng)數(shù)據(jù)源稱為配電網(wǎng)隨機數(shù)據(jù)源。 W節(jié)點為優(yōu)化單元的無功優(yōu)化方案的數(shù)據(jù)模型如下所示：
[0042]
["節(jié)點化線路號"，"始端"，"市端"，"時巧"，"電流"，"始端節(jié)點號"，"末端巧點號"，"有功功率"， "古功巧率"，"電圧幅值"，"電壓相角"，"變壓器型號"，"分接頭巧切序列寸:功補償電容投切序列"]
[0043] 式（1)中，"節(jié)點ID"為無功補償數(shù)據(jù)模型的關鍵字，用于標識優(yōu)化單元，其它字段 為無功優(yōu)化方案的各項特征。
[0044] 步驟2:構建無功優(yōu)化方案的高維隨機矩陣；
[0045] 在配電網(wǎng)無功優(yōu)化中，每個節(jié)點都看作一個無功優(yōu)化單元，每個節(jié)點的數(shù)據(jù)來自 各個數(shù)據(jù)采集及管理系統(tǒng)，將攜帶GPS統(tǒng)一時間戳的不同電氣特征量源源不斷的傳輸?shù)娇?制中屯、，運些特征量在地域上分別來自不同地點的系統(tǒng)，具備空間特性;在時間上，是按照 時間順序采樣的數(shù)據(jù)，即時序數(shù)據(jù);將上述二者特性結合起來，成為配電網(wǎng)無功優(yōu)化大數(shù)據(jù) 的主要構成。
[0046] 在配電系統(tǒng)中，對n個節(jié)點進行無功優(yōu)化，選取m個特征為參考指標，時間長度為T， xis(t)表示第i個優(yōu)化節(jié)點第S個特征在t時間的數(shù)值，即構成主要數(shù)據(jù)形式。在該無功優(yōu)化 數(shù)據(jù)中，可W用一個高維隨機矩陣的形式來表示，如表1所示：
[0047] 表1WMS大數(shù)據(jù)隨機矩陣表示
[004引
[0
[0051] 式(2)中，X為一個nXm維隨機矩陣，每個分量xis(t)為一個時間序列，W下簡寫為
[0
[0052] 步驟3:基于歷史優(yōu)化方案進行高維隨機矩陣譜分析，獲得高維隨機矩陣的特征根 譜分布，從而獲得無功優(yōu)化方案的譜分布特征；
[0053] 依據(jù)隨機矩陣理論，對于正常歷史方案，該方案協(xié)方差矩陣的特征值分布滿足M-P 定律，即所有特征值集中在一個圓環(huán)內，且內環(huán)與外環(huán)半徑是與異常方案無關的確定量。當 存在異常方案時，一些特征值必定落在圓環(huán)的外側，通過分析特征值的譜分布可實現(xiàn)異常 方案檢測。
[0054] 矩陣X={xis}nxm為標準非化rmitian隨機矩陣，其中元素 Xis滿足獨立分布，并且期 望E(Xis) = 0，標準差日（Xis) = 1，對于標準非Hermitian隨機矩陣序列Uj} (j = 1，2， 3, ? ? ?，L)，存在奇異值等價矩陣序列{Xu,j}(j = l，2,3, ? ? ?，L)滿足
[0055]
婦）
[0056] 其中，軒，片,.為Xj、Xuj的共輛轉置，Xu,功隨機矩陣序列而的奇異值等價序列，Xu,J 為n維方陣，則隨機矩陣序列(?}的矩陣積可定義
[0化7]
(4)
[005引其中L為自然數(shù)。將矩陣積Z經過標準化變換，轉化到其對應的標準矩陣積Zu, Zu = {zis}nxn，標準矩陣積元素滿足期望E(Zis) = 0,標準差O(Zis) = l/n。當矩陣行列比C = n/m保 持不變，且n和m趨近于無窮大時，Zu的特征值\的經驗譜分布收斂到單環(huán)內，概率密度函數(shù) 為：
[0化9]
(S)
[0060] 其中矩陣行列比c = n/mG(0，l]，在復平面內，Zu的特征值4"大致分布在內徑為 (1-"^、夕帷化的圓環(huán)范圍內。
[0061] 設定最小置信度e(0<e<l)?；谡v史無功優(yōu)化方案，選取最小的正整數(shù)L， 使得無功優(yōu)化方案隨機矩陣對應的Zu的特征值4分布在單環(huán)內的概率大于e。計算 從而得到無功優(yōu)化方案隨機矩陣的譜分布。
[0062] 步驟4:基于實時無功優(yōu)化數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)及譜分析結果進行異常方案檢測，分析 方案是否異常，從而分析對無功優(yōu)化的結果進行評估。
[0063] 設定一個比例p(0命<1)，輸入新的無功優(yōu)化方案樣本，進行譜分析，若特征值分布 在內徑為外徑為1的圓環(huán)范圍外的概率小于或等于P，則判斷新的樣本數(shù)據(jù)正常，反 之，若特征值分布在內徑為外徑為1的圓環(huán)范圍外的概率大于P，則判斷新的樣本數(shù) 據(jù)異常，需要更改分接頭投切序列值或無功補償電容投切序列值，形成新的無功優(yōu)化方案， 進行異常檢測，直到找到正常的無功優(yōu)化方案。
[0064] 最后應當說明的是：W上實施例僅用W說明本發(fā)明的技術方案而非對其限制，盡 管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然 可W對本發(fā)明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何 修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種配電網(wǎng)無功優(yōu)化大數(shù)據(jù)建模及異常方案檢測方法，其特征在于，所述方法包括 如下步驟： (1) 分析與配電網(wǎng)無功優(yōu)化相關的數(shù)據(jù)，建立配電網(wǎng)無功優(yōu)化方案模型； (2) 構建無功優(yōu)化方案的高維隨機矩陣； (3) 對所述高維隨機矩陣進行高維隨機矩陣譜分析，獲得高維隨機矩陣的特征根譜分 布W及無功優(yōu)化方案的譜分布特征； (4) 基于實時無功優(yōu)化數(shù)據(jù)或仿真數(shù)據(jù)及譜分析結果進行異常方案檢測，分析方案是 否異常，從而分析對無功優(yōu)化的結果進行評估。2. 根據(jù)權利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟（1)中，所述與配電網(wǎng)無功優(yōu)化相關 的數(shù)據(jù)包括:配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)和優(yōu)化控制數(shù)據(jù)，所述配電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)包括配電網(wǎng)分區(qū)域母 線電壓數(shù)據(jù)、負荷數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)，所述優(yōu)化控制數(shù)據(jù)包括:經過無功優(yōu)化后的配電變壓器 分接頭投切控制序列和無功補償電容投切控制序列。3. 根據(jù)權利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟（1)中，無功優(yōu)化方案模型W節(jié)點為 優(yōu)化單元，表示如下： ["節(jié)點ID"，"線路號"，"始端"，"末端"，"時標"，"電流"，"始端節(jié)點號"，"末端節(jié)點 號"，"有功功率"，"無功功率"，"電壓幅值"，"電壓相角"，"變壓器型號"，"分接頭投切序 列"，"無功補償電容投切序列"] 式中，"節(jié)點ID"為無功補償數(shù)據(jù)模型的關鍵字，用于標識優(yōu)化單元，其它字段為無功優(yōu) 化方案的各項特征。4. 根據(jù)權利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟(2)中，所述高維隨機矩陣表示為：(1) 式中，X為一個nXm維隨機矩陣，每個分量xis(t)為一個時間序列，xis(t)表示第i個優(yōu)化 節(jié)點第S個特征量t時間的數(shù)值，i = l，2,. . .，n，s = l，2,. . .，m，t = l，2,…，Τ。5. 根據(jù)權利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟(3)包括如下步驟： 步驟3-1、所述高維隨機矩陣X= {xis}nxm為標準非化rmitian隨機矩陣，其中元素 xis滿 足獨立分布，并且期望E (Xis) = 0，標準差σ (xis) = 1，對于標準非化rmi t ian隨機矩陣序列 {的}〇 = 1，2,3^-，山，存在奇異值等價于矩陣序列村。^}〇 = 1，2,3，-，，1^滿足C3') 式中，、抑為Xj、Xuj的共輛轉置，Xu,功隨機矩陣序列、的奇異值等價序列，Xu,功η 維方陣，隨機矩陣序列(?}的矩陣積的公式如下：14) 式中，L為自然數(shù)； 步驟3-2、將矩陣積Z經過標準化變換，轉化到其對應的標準矩陣積Zu={zis}nxn，標準矩 陣積元素滿足期望E( Zis) = 0，標準差σ (Zis) = 1/n; 步驟3-3、當矩陣行列比c = n/m保持不變，且η和m趨近于無窮大時，Zu的特征值\的經驗 譜分布收斂到單環(huán)定律，概率密度函數(shù)C5) 式中，矩陣行列比c = n/me(〇，l]，在復平面內，Zu的特征值4分布在內徑為g._0!、外 徑為1的圓環(huán)范圍內； 步驟3-4、設定最小置信度ε(〇<ε<1)，基于正常歷史無功優(yōu)化方案，選取最小的正整 數(shù)L，使得無功優(yōu)化方案隨機矩陣對應的Zu的特征值\分布在單環(huán)內的概率大于ε，計算 從而得到無功優(yōu)化方案隨機矩陣的譜分布。6.根據(jù)權利要求1所述方法，其特征在于，所述步驟(4)包括如下步驟： 步驟4-1、設定比例p(0<p<l)，輸入新的無功優(yōu)化方案樣本，進行譜分析； 步驟4-2、判斷特征值分布在內徑為外徑為1的圓環(huán)范圍外的概率與P的大小，若 所述概率小于或等于P，則輸入新的無功優(yōu)化方案樣本正常，否則為異常。
【文檔編號】H02J3/18GK106099945SQ201610576087
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月20日 公開號201610576087.6, CN 106099945 A, CN 106099945A, CN 201610576087, CN-A-106099945, CN106099945 A, CN106099945A, CN201610576087, CN201610576087.6
【發(fā)明人】胡麗娟, 盛萬興, 劉科研, 孟曉麗, 刁贏龍, 賈東梨, 董偉杰, 李雅潔, 何開元, 葉學順, 唐建崗
【申請人】中國電力科學研究院, 國家電網(wǎng)公司, 國網(wǎng)江蘇省電力公司