基于数据挖掘设计与实现智能电网调度运行分析系统.docx

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基于数据挖掘设计与实现智能电网调度运行分析系统基于数据挖掘设计与实现智能电网调度运行分析系统李胜利任军东方电子股份有限公司,山东烟台264000摘要本文依据电力调度实际运行情况和业务知识需求，考虑智能电网发展趋势，提出了利用数据挖掘技术建设智能电网调度运行分析系统的解决方案，讨论了调度运行分析系统的数据挖掘模型和业务功能，并介绍了调度运行业务信息分析实例中的系统体系架构和实现技术。

关键字数据挖掘；智能电网；调度运行分析；综合信息平台0引言作为下一代电网自动化、信息化解决方案，智能电网是电网运行和管理的“中枢神经系统”,被认为是电力系统的重大科技创新和发展趋势。

智能电网旨在通过升级改造原有电网的发电、输电、配电和用电环节达到更加环保、高效、互动的现代化电力系统，可综合处理各类调度自动化数据信息，为调度员提供各种智能分析和辅助决策工具，具有高度开放性、可用性和信息安全性，可适应各种标准信息集成框架的调度自动化系统[6-7]。

本文针对我国智能电网的建设背景，结合电网调度实际情况和业务需求，提出了利用数据挖掘技术构建应用系统的方案，解决了大量分散数据和技术瓶颈形成的信息孤岛导致数据资源难以快速抽取出有价值知识从而有效支持决策的问题。

构建的电网调度运行分析系统按照“集成信息——构建模型——提取知识”的思路，能够消除信息孤岛，从大量业务数据中挖掘信息并抽取知识，支持智能化调度运行分析与决策。

1数据挖掘模型数据挖掘就是从海量的数据中挖掘出有价值信息的技术，应用一系列技术从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的数据中，提取隐含在其中的、有用的信息和知识的过程。

其工作过程包括数据整合、建立模型、挖掘和知识分析。

数据可以是结构化的，如关系数据库中的数据；也可以是半结构化的，如文本、图形、图像数据，甚至是分布在电力调度各类业务间的异构型数据。

提取的知识表示为概念、规则、模式等形式[1-2]。

数据挖掘技术在处理电力调度海量数据和挖掘深层次信息方面有着很大的优势，针对电力调度业务需求，可以采用数据挖掘中发现知识的预测模型、多维分析模型、关联分析模型等方法构建挖掘模型，实现知识提取。

1.1预测模型为了把握分析对象发展规律，需要对时序数据和序列数据进行数据挖掘，用已有数据序列预测未来趋势。

电力负荷预测是调度业务中常用技术，在充分考虑系统运行特性、增容决策、自然环境和社会影响的条件下，研究或利用一套能系统地处理过去与未来负荷的数学方法，根据气温、湿度等因素预测未来用电需求，在满足一定精度要求的前提下，确定某特定时刻的负荷数值，指导电力调度决策。

负荷预测比较常用的方法有：

时间序列法、灰色预测法、模糊聚类识别预测法、神经网络预测法和优选组合预测法等。

人工神经网络能够建立任意非线性的模型，适用于解决时间序列预测问题。

时间序列模型强调考虑时间特性，尤其是考虑时间周期的层次，如日、星期、月等，还可考虑日历的影响，如节假日等，适合应用于电力系统的负荷预测。

1.2多维分析模型维是信息所对应的层次概念，多维分析以维为基础，将数据分类进行抽象统计分析，按照分析对象的属性、特征，建立业务信息分类模型。

多维分析基于统计学原理，在不同维度之间关联后做数据分析，在电力调度分析中通常按时间（年、季度、月、周、日）和区域（地区、省、城市、区）进行分析，常用的方法有回归分析、方差分析等。

电力调度业务数据也可以采用分类模式进行统计分析，将数据分为三类进行归纳，提取能代表共同特性的信息：

①设备台账类，描述电力调度对象固有属性的数据，包括一次设备、二次设备、自动化设备、通信设备等，主要来自业务系统的设备数据库，包括各种参数、定值；②动作记录类，电力调度所从事的工作，实质上就是对电网设备的操作，以及处理电网设备的动作，这类数据来自日志（调度、保护、自动化、通信）、操作票、工作票，开关变位、保护故障信息系统等，反映电力系统运行的非连续过程；③时间采样类，反映电力系统连续变动过程的一系列数据，其最大特点就是时间性，根据应用目的不同设置不同的粒度，如来自SCADA/EMS的原始数据可达到秒级的时间间隔，有分钟级或小时级的采集电量，还有按日、旬、月、季、年汇总加工的报表数据等。

1.3关联分析模型关联规则反映事物之间依赖或关联的知识，关联规则挖掘是在数据库或信息知识库的项目集或者对象集中寻找关联、相关、或有因果关系的信息，涉及的两个重要参数是最小支持度和最小信任度，支持度表示规则前件和后件同时在数据集中出现的概率；信任度表示在规则前件成立时能够推出规则后件的概率，或者说规则后件相对于规则前件的可信程度。

相关性指某种事物发生时其他事物会发生的一种联系，可以通过关联的支持度和可信度来描述。

进行电力负荷特性分析时，可以将影响负荷特性变化的因素分为两类：

一类是对负荷具有长期影响效应的因素，对负荷的影响表现为负荷变化的长期趋势性，例如经济发展、产业结构变化等；另一类是对负荷的影响具有短期效应的影响因素，比如温度、降雨量等气候因素。

研究各种相关因素对各行业或区域用电负荷变化的影响规律，有助于提高电力负荷的预测精度，确保电力系统的安全、经济运行。

本系统在具体应用中改进ID3算法，不仅考虑决策属性带来的信息增益，还考虑到选择该属性后继续选择的属性所带来的信息增益，即同时考虑树的两层结点，构造出高质量的决策树。

运用该算法，能够减少结点数目，使树的深度更小，提高挖掘速度和效率。

具体算法为：

设A为侯选的属性，A有n项属性值，对应的概率分别为,,,，按照最小信息墒原理对属性A扩展，{,,,}为n个子结点选择的属性，分别对应的信息嫡为,,,，则

（1）算法选择属性的标准是使得最小。

算法的详细步骤如下：

（a）对任意未选择的属性A，假设A有n个属性值，对应的概率分别为,,,，以属性A扩展，生成n个子结点{,,,}，是属性A取第i个值时，按照最小信息嫡原理选择的A的后继属性，分别对应的信息嫡为,,,；（b）根据公式

（1），计算；（c）选择使得最小，将作为新选的属性；（d）利用步骤（a）的计算结果，建立结点A*的后继结点{,,,}；（e）对所有的，若为叶结点，则停止扩展此结点，否则递归执行（a）-（e）的过程。

电力负荷具有随机性，在实际预测中不可能考虑到所有的因素，一方面是由于历史数据的收集和观测困难；另一方面是因为因素太多不仅会引起建模困难，而且会带来运算复杂和数值不稳定等问题。

因此选取对负荷预测有较大影响的星期因素和温度、湿度等气象信息作为主要考虑因素，改进决策树预测模型，克服算法的计算依赖于属性值较多的属性、属性间相关性强度不够及对噪声较为敏感的缺点，具有较好的预测结果，在一定程度上揭示影响日特征负荷的各个影响因素的重要程度。

2调度运行分析业务功能为了电力安全经济调度,必须认真分析所有收集到的数据，将其转化为直观、易懂的调度经验知识。

为此，本文基于数据挖掘的调度运行知识获取模型，观测分析结果、提供可视化程度高，便于调度运行人员获得有价值的信息，快速、有效地支持实际调度业务分析。

2.1电网运行情况统计分析分析挖掘电网运行的宏观信息，支持电网运行调度知识的发现，根据分析信息合理安排未来的输电计划，充分发挥其跨区输电的潜力，能最大限度满足当前电力需求。

如图1所示，建立用电区域、电压等级、用电负荷三维的电网运行数据透视和分析模型，可以直观分析出海淀区10kV线路和崇文区110kV线路负荷明显高于其他线路负荷，海淀区各电压等级线路负荷普遍高于其他区，朝阳区各电压等级线路负荷都低于其他区。

根据分析结果，可进行编制初步的电力调度计划。

图1电网运行统计信息业务分析过程中，可以利用多种复杂检索对数据源各特征的总体均值、方差、标准差、中心矩、总体偏度、总体峰度进行计算，提取电网运行信息。

按照故障类型、故障发生时间、严重程度和系统的运行模式、人员素质进行相关性分析，从而挖掘出更多的调度运行经验，指导实际调度运行业务。

2.2区域负荷趋势分析电力负荷具有经常变化的特点，不但按小时变、按日变，而且按周变，按年变，同时负荷又是以天为单位不断起伏的，具有较大的周期性，负荷变化是连续的过程，一般不会出现大的跃变，但电力负荷对季节、温度、天气等是敏感的，不同的季节，不同地区的气候，以及温度的变化都会对负荷造成明显的影响。

图2分区负荷趋势对比分析为了选择适当的电网供电机组类型和合理的电源结构，还必须预测负荷及电量。

负荷预测根据目的的不同可以分为超短期、短期、中期和长期。

电力系统负荷预测包括最大负荷功率、负荷电量及负荷曲线的预测。

最大负荷功率预测对于确定电力系统发电设备及输变电设备的容量非常重要。

如图2所示建立分区负荷趋势对比分析，挖掘电网负荷的变化趋势规律，用于指导电网供电负荷调度。

2.3电力负荷特性分析电力优化调度的目标之一就是要努力减少用户在电网峰荷时段的电力需求，使用户更有效地利用能源，在满足同样能源服务的同时减少其用电量。

目前重点实施的削峰填谷等措施在一定程度上改变了负荷曲线的形状，基于用户用电特性的分类方法，通过用户曲线与系统曲线的对比，为电力调度选择用户、采取各种价格措施（如峰谷分时电价、可中断电价、避峰电价等）影响用户用电行为、改善系统负荷曲线形状提供有益参考，促进电力系统的生产和运行效率的提高。

图3用电特性分析基于负荷量的用户分类是分析用电特性的基础，建立如图3所示的各类用电特性分析，能直观表明某供电区域商业用电和生活用电是调峰重点，可以加强电力需求侧管理，运用各种措施减少该时间段这两类电量消耗，降低电网最大负荷。

3系统体系架构和实现技术3.1系统体系架构电力调度运行分析系统综合数据报表、数据挖掘（DataMining，DM）和多维分析等技术，从历史数据中提取信息，分析对调度决策有价值的知识。

系统体系分为三层：

数据层整合各种业务系统的结构化和非结构化数据，构建综合信息平台；应用服务层通过ESB集成业务模块，根据粒度大小整合业务服务对象，实现基于数据挖掘模型的知识发现，并通过消息通讯和工作流技术进行业务衔接，跨越多个应用进行业务流程整合；展现层主要实现系统访问层次上的整合，向用户提供统一的交互模式。

系统体系结构如图4所示。

展现层实时报表、即时查询、交互查询、表单定制、应用集成应用服务层数据分析预案模型业务建模工作流管理企业应用集成统计分析报表数据抽取、数据合并、数据转换、数据加载ESB（消息服务、目录服务、命名服务、信息转换、事务处理、传输服务、信息安全服务）数据层EMS数据、SCADA数据、TMR数据、GIS数据、其他数据、图4系统体系结构电力企业目前已积累了许多有关调度运行和管理的数据，这些数据处于SCADA、EMS、TMR和GIS等系统中。

由于这些数据的分散性、异构性，再加上安全分区、横向隔离的要求，使得很难直接获取这些系统的数据并基于这些数据发现隐藏在海量数据背后的信息或知识。

为了发现这种信息或知识，首先需要对数据进行整合，对这些分散的数据进行抽取、转换、加载和清洗，然后基于该数据信息平台进行相关主题的数据挖掘以获取所需要的知识。

业务整合是将原有的分散于企业内部或外部的“业务流程断点”进行链接，完成业务活动自动化的过程，利用工作流、消息、协同等技术，实现跨系统整合，使跨部门业务能够在网络环境中实现对同一事务的协同处理。

降低服务对系统交互的信赖性。

服务之间通过简单、精确定义的接口进行通信，实现各系统间业务流程整合和管理。

展现层实现信息系统用户交互层次的整合，访问企业内分布存储的、各种来源的信息内容，并提供统一的检索和内容访问控制。

内部用户可通过Intranet根据系统赋予的不同权限实现各个业务应用访问的集成，提供集成化的服务，实现信息查询和报表展示。

3.2基于综合信息平台实现信息集成综合信息平台是建设调度业务分析系统的基础，实现数据整合和集成业务信息，以企业应用集成总线ESB方式提供数据模型，而无需进行点对点转换；基于公共模式的集成数据模型有助于减少数据重复，而且企业范围内参与集成运行的应用可以同时知道数据变化。

平台提供灵活的模式定义工具，用户可自定义一些特殊数据模式。

分布式计算环境下的多层客户/服务器模式、跨平台、跨网络透明通信框架的特点，实现了电力企业应用以软插件形式插入软总线实现集成运行。

综合信息平台不同于所谓的“数据平台”，数据平台重点在于采用统一的方法进行数据的存储管理，能提供规范的数据接口，简单的查询统计工具。

而综合信息平台的建立，除了要包含数据平台的功能外，还要做到数据信息上的整合。

从整体综合规划数据信息，结合业务需求，使用面向服务的方法建立信息模型、业务知识模型和服务模型，把数据和应用结合到一起，方便地解决信息的交流问题，完成信息发布、全文搜索、知识抽取和应用集成。

3.3利用事务处理提高应用性能应用平台提供事务处理服务JTS和事务处理JTA，适合系统要求的高效计算性能和数据分析能力，能够解决系统中模型运算的实时性、系统接口连接适配性等要求。

在实现负荷预测和特性分析等功能时，经常遇到嵌套式业务需求，利用嵌套式事务模型即可解决此类问题，模型允许操作单元中嵌入原子操作单元，被嵌入的原子操作单元可以发生回退，而不影响整个事务的执行效果。

所有事务源于“主事务”，如计算某区域负荷特性时，挖掘某时段其历史负荷走势是其子事务，若此子事务总不成功，则提交历史负荷电量为“零”并独自回退，执行诸如计算其最近时段的负荷电量，从而实现主事务此区域的负荷特性分析。

3.4动态报表和图形分析为增强应用效果，系统将动态业务报表和图形分析技术相结合，提供包括棒图、饼图、折线图等各种图表，使数据统计分析信息以美观、直观的方式展示，提高系统应用水平。

系统提供的动态报表可以满足用户复杂Web报表需求，轻松实现企业分散数据信息集成，以个性化的Web报表进行展现，方便用户和业务人员进行查询、统计与分析。

进行业务分析过程中，将电力负荷、预测负荷和历史平均负荷以多条曲线同画面显示，能直观地分析偏差走势，支持调度决策。

4结语实际运行经验表明，本文讨论构建的调度业务分析系统能够满足电力企业运营模式和调度业务功能需求，适合调度人员进行业务分析，提取调度运行知识信息。

不过数据挖掘是一个人机交互、多次反复的过程，应用中尚面临超大数据量的挑战，如何正确处理冗余信息和噪声数据、提升挖掘结果的有效性和信息的实用性都是系统建设需不断完善的要素。

参考文献[1]李雄飞,李军.数据挖掘与知识发现[M].高等教育出版社,2003[2]陈星莺,张晓花,矍峰,等.数据挖掘在电力系统中的应用综述[J].电力科学与技术学报,2007,3:

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1-7.[7]肖世杰.构建中国智能电网技术思考[J].电力系统自动化,2009,33（9）:

1-4.DesignandRealizationofSmartGridDispatchingOperationAnalysisSystemBasedonDataMiningLiShengliRenJunDongfangElectronicIndustryCo.,Ltd,ShanDong264000Abstract:

Basedondataminingandthepracticebusinessinformationrequestinelectricpowerdispatching,thispaperpresentsthesystemsolutiononSmartGriddispatchingoperation,discussesthedataminingmodelandthesystemfunction.Itisdescribedthattheinstancesystemarchitectureofdispatchingbusinessanalysisandthetechnologiesofsystemdevelopment.Keywords:

DataMining;SmartGrid;DispatchingOperationAnalysis;IntegrationInformationPlatform作者简历：

李胜利（1972-），男，高级工程师，硕士，多年从事项目管理、软件工程、系统架构、中间件、数据挖掘、企业信息集成、电力自动化与经济调度研究工作，E-mail:

lisl72@。

任军（1972-），女，高级工程师，硕士，多年从事中间件技术、网络通信、电力自动化和变电站自动化研究工作。

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