基于配電網(wǎng)cps在線數(shù)據(jù)挖掘的優(yōu)化控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種優(yōu)化控制方法，具體涉及基于配電網(wǎng)CPS在線數(shù)據(jù)挖掘的優(yōu)化控 制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 信息物理系統(tǒng)（Cyber Physical Systems，CPS)又叫信息物理融合系統(tǒng)，是隨著信 息與通信技術(shù)的快速發(fā)展，在近幾年涌現(xiàn)的一個新的研究領(lǐng)域，最早由美國國家基金委員 會（NSF, National Science Foundation)于2006年提出。CPS被認(rèn)為有望成為繼計算機(jī)、 互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息技術(shù)的第三次浪潮，其核心是計算、通訊、控制的融合，如圖2所示。 CPS是一個在環(huán)境感知的基礎(chǔ)上，深度融合了計算、通信和控制能力的可控、可信、可擴(kuò)展的 網(wǎng)絡(luò)化物理設(shè)備系統(tǒng)，它通過計算進(jìn)程和物理進(jìn)程相互影響的反饋循環(huán)實現(xiàn)深度融合和實 時交互來增加或擴(kuò)展新的功能，以安全、可靠、高效和實時的方式監(jiān)測或者控制一個物理實 體，它包含了無處不在的環(huán)境感知、嵌入式計算、網(wǎng)絡(luò)通信和網(wǎng)絡(luò)控制等系統(tǒng)工程，使得物 理系統(tǒng)具有計算、通信、精確控制、遠(yuǎn)程協(xié)作和自治功能。
[0003] 隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，配電網(wǎng)構(gòu)成日益復(fù)雜，智能配電網(wǎng)在組織結(jié)構(gòu)上包括電網(wǎng) 一次部分（分布式電源、饋線、變壓器、負(fù)荷）、大量的數(shù)據(jù)采集設(shè)備（傳感器、FTU、RTU以及 嵌入式數(shù)據(jù)采集設(shè)備）、先進(jìn)高速通信網(wǎng)絡(luò)（電力專用光纖網(wǎng)絡(luò)、調(diào)度數(shù)據(jù)通信網(wǎng)、公共有 線Internet和無線網(wǎng)絡(luò)）、控制中心和大量的計算分析資源，是典型的CPS。配電網(wǎng)CPS依 托現(xiàn)實世界豐富的信息監(jiān)測設(shè)備，以及完善可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)配電網(wǎng)運行調(diào)度與其所 涉及的內(nèi)部數(shù)據(jù)、外部數(shù)據(jù)等信息量的集成融合、相互使用。將配電網(wǎng)作為CPS，更好地描述 了現(xiàn)實配電網(wǎng)，并能對運行調(diào)度進(jìn)行更加精確有效的控制。
[0004] 在智能電網(wǎng)的背景下，配電網(wǎng)CPS提供了海量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)已成為電力企業(yè)進(jìn) 行決策的基礎(chǔ)。但是，單純數(shù)據(jù)的積累并不能給電力企業(yè)帶來益處，只有運用相關(guān)的技術(shù)手 段，對海量的數(shù)據(jù)進(jìn)行深加工，發(fā)現(xiàn)隱含的信息并加以利用，進(jìn)而指導(dǎo)電力企業(yè)做出正確的 決策，這樣海量數(shù)據(jù)的作用才能發(fā)揮到極致。
[0005] 計算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的迅猛發(fā)展將人類社會帶入到了信息時代。為了進(jìn)一步提 高數(shù)據(jù)信息的利用率，基于數(shù)據(jù)庫的知識發(fā)現(xiàn)（Knowledge Discovery in Database，簡稱 KDD)及其核心技術(shù)--數(shù)據(jù)挖掘（Data Mining，簡稱DM)便應(yīng)運而生了。KDD是從數(shù)據(jù)中 發(fā)現(xiàn)有用知識的整個過程，數(shù)據(jù)挖掘是KDD過程中的一個特定步驟。KDD的定義有若干個 版本，現(xiàn)在被普遍采用的定義如下：KDD是指從大量數(shù)據(jù)中提取有效的、新穎的、潛在有用 的和最終可理解的模式的非平凡過程。狹義上講，數(shù)據(jù)挖掘是知識挖掘過程中的一個主要 步驟。但是配電網(wǎng)中的數(shù)據(jù)挖掘一般表示整個知識挖掘過程，是指從數(shù)據(jù)中提取隱含在其 中人們事先未知但又潛在有用的信息和知識，并將其最終表示成人們可理解模式的高級過 程。
[0006] 基于配電網(wǎng)CPS每天產(chǎn)生的海量運營數(shù)據(jù)。如何利用現(xiàn)有的技術(shù)和手段，從如此 眾多的數(shù)據(jù)中發(fā)掘出潛在的價值，進(jìn)而更好的控制配電網(wǎng)，提高配電網(wǎng)運行的安全性、可靠 性，是當(dāng)前亟需解決的問題。
[0007] 實現(xiàn)配電網(wǎng)CPS的最終目標(biāo)是增強對物理系統(tǒng)的控制能力。目前配電網(wǎng)采用相對 簡單而固定的控制模式，控制的靈活性差，且由于難以實現(xiàn)系統(tǒng)范圍內(nèi)的最優(yōu)控制而不得 不犧牲系統(tǒng)的整體運行效率。
[0008] 針對配電網(wǎng)在運行過程中不斷產(chǎn)生和積累大量運行數(shù)據(jù)，已有不少學(xué)者研究運用 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)從中揭示隱藏在其背后的設(shè)備運行特點或規(guī)律，找出使配電網(wǎng)更加安全可靠 運行的方法，提高運行人員的決策水平。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)具有五大任務(wù)：預(yù)測（Prediction)、 分類（Classification)、關(guān)聯(lián)規(guī)則分析（Association Rules Analysis)、聚類分析 (Cluster)、離群分析（Outlier Analysis)。目前，各類任務(wù)都已在電力系統(tǒng)中進(jìn)行了應(yīng)用。 但是基于數(shù)據(jù)挖掘的各類應(yīng)用都沒有把配電網(wǎng)作為CPS來考慮，也未考慮數(shù)據(jù)的實時性， 數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果未能進(jìn)一步作用于配電網(wǎng)中各種物理實體，未能實現(xiàn)配電網(wǎng)的整體綜合化的 最優(yōu)控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為解決上述問題，本發(fā)明提出基于配電網(wǎng)CPS在線數(shù)據(jù)挖掘的優(yōu)化控制方法，包 括：將配電網(wǎng)CPS提供的海量歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，挖掘其潛在價值，找出數(shù)據(jù)間 關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過算例進(jìn)行分析驗證關(guān)聯(lián)規(guī)則的有效性，并不斷修正關(guān)聯(lián)規(guī)則，將配電網(wǎng)CPS 提供的實時數(shù)據(jù)與挖掘結(jié)果進(jìn)行匹配，輸出結(jié)果并將其反饋給配電網(wǎng)CPS控制中心，實現(xiàn) 配電網(wǎng)的最優(yōu)控制。
[0010] 本發(fā)明的目的是采用下述技術(shù)方案實現(xiàn)的：
[0011] 基于配電網(wǎng)CPS在線數(shù)據(jù)挖掘的優(yōu)化控制方法，包括：
[0012] (1)獲取配電網(wǎng)CPS的數(shù)據(jù)源，對數(shù)據(jù)源進(jìn)行清洗；
[0013] (2)建立數(shù)據(jù)源與控制量之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則模型，并進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘；
[0014] (3)將實際配電網(wǎng)絡(luò)作為算例，驗證關(guān)聯(lián)規(guī)則是否正確，若正確，轉(zhuǎn)至步驟（4)，否 則修正關(guān)聯(lián)規(guī)則；
[0015] (4)接收配電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)與關(guān)聯(lián)規(guī)則進(jìn)行匹配，輸出匹配結(jié)果。
[0016] 優(yōu)選的，所述步驟（1)中獲取配電網(wǎng)CPS的數(shù)據(jù)源的獲取方法包括，在配電網(wǎng)CPS 中嵌入傳感器，用于獲取配電網(wǎng)CPS中的實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。
[0017] 優(yōu)選的，對數(shù)據(jù)源進(jìn)行清洗包括，
[0018] 步驟（1-1)采用拉格朗日內(nèi)插法，將數(shù)據(jù)源的缺失數(shù)據(jù)補齊；yn+1為缺失數(shù)據(jù)，則：
[0020] 其中，X1為數(shù)列中的第i個數(shù)據(jù)，η為數(shù)列所包含的數(shù)據(jù)量；設(shè)Xl^x 1, -,Xm和 y。，yi，…，yn為已知量。
[0021] 步驟（1-2)采用統(tǒng)計檢測法分別計算數(shù)列X。，X1，…，Xn的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差，獲取數(shù) 據(jù)源中的疑似異常數(shù)據(jù)，其表達(dá)式為： CN 105184394 A 說明書 3/7 頁
[0024] 基于切比雪夫定理，判斷當(dāng)前數(shù)據(jù)^是否為疑似異常數(shù)據(jù)；若Χ,>?+βσ:或者 $ 則X1為疑似異常數(shù)據(jù)；其中，ε為自定義因子。
[0025] 步驟（1-3)對所述疑似異常數(shù)據(jù)^進(jìn)行分析，若所述X i由采集設(shè)備和/或采集通 道發(fā)生故障產(chǎn)生，則X1為錯誤數(shù)據(jù)；若為由線路故障產(chǎn)生，則X i為正確數(shù)據(jù)。
[0026] 進(jìn)一步地，驗證分析結(jié)果是否正確包括，將數(shù)據(jù)^與下一個數(shù)據(jù)采集周期采集到 的數(shù)據(jù)X1'進(jìn)行對比，如果Xl' ·（l-λ) · (l+λ)，則Χι為正確數(shù)據(jù)，否則 錯誤數(shù)據(jù)；其中，λ為用戶自定義常數(shù)，取值為5%。
[0027] 進(jìn)一步地，驗證完成后，對錯誤數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；所述數(shù)據(jù)修正方法與缺失數(shù)據(jù)補齊 方法相同。
[0028] 優(yōu)選的，所述步驟（2)建立數(shù)據(jù)源與控制量之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則模型包括，定義數(shù)據(jù) 挖掘?qū)ο鬄閿?shù)據(jù)項集I = U1, i2，…，ij，其包含m個不同數(shù)據(jù)項；ik為第k個數(shù)據(jù)項k = 1，2,…，m ;所述I中的元素個數(shù)即數(shù)據(jù)項集長度，長度為k的數(shù)據(jù)項集為k維數(shù)據(jù)項集；
[0029] 事件T為數(shù)據(jù)項集I的一個子集，每個事件均攜帶一個唯一標(biāo)識tid與之相連，記 作Tl ;1為tid值；多個不同的事件構(gòu)成事件數(shù)據(jù)庫D ;
[0030] 設(shè)X為數(shù)據(jù)項集I中項的集合，如果IETI則表示事件T包含X。
[0031] 進(jìn)一步地，所述關(guān)聯(lián)規(guī)則為模型H F的蘊含式，有X C /，F(xiàn)c / 且;Tn F = 0 包括支持度、置信度和相關(guān)度。
[0032] 優(yōu)選的，通過執(zhí)行所述步驟（2)的數(shù)據(jù)挖掘，獲取支持度、置信度和相關(guān)度，具體 包括：
[0033] 設(shè)f G J為數(shù)據(jù)項集，B為事件集D中包含X的事件數(shù)量，A為事件集D中所有事 件的總數(shù)，所述數(shù)據(jù)項集X的支持度為Sup (X)，則：
[0035] 定義關(guān)聯(lián)規(guī)則R的置信度Conf(R)，用于描述規(guī)則的可靠程度，??其中， X c /，y d /,且I n r = 0,則：
[0037] 所述相關(guān)度用于表征X和Y之間的相關(guān)程度，其表達(dá)式為：
[0039] 式中，Sup (Y)為事件D中包含Y的事件數(shù)量與事件D中所有事件總數(shù)之比。
[0040] 優(yōu)選的，所述步驟（3)的驗證方法具體包括，若Sup (X U Y) = Sup (X) Sup (Y)，表 示X獨立于Y ;若相關(guān)度大于1，則X和Y為正相關(guān)，反之，若相關(guān)度小于1則模式X和Y為 負(fù)相關(guān)，將該規(guī)則刪除。
[0041] 優(yōu)選的，所述步驟（4)輸出匹配結(jié)果包括：
[0043] 式中，SupnilA最小支持度，Sup _> 0 ;若數(shù)據(jù)項集滿足最小支持度，則為頻繁項 集；Confmin為最小置信度，Conf min> 0 ;Rel min為最小相關(guān)度，Rel min> 1〇
[0044] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明達(dá)到的有益效果是：
[0045] 本發(fā)明提出的方法的配電網(wǎng)CPS將全局控制與局部分散控制有機(jī)結(jié)合起來，使得 數(shù)據(jù)挖掘結(jié)果傳輸?shù)脚潆娋W(wǎng)CPS的控制中心，配電網(wǎng)CPS可通過各種嵌入式控制系統(tǒng)對物 理設(shè)備進(jìn)行局部控制，控制中心通過在線調(diào)整控制系統(tǒng)的參數(shù)和在必要時直接控制物理設(shè) 備協(xié)調(diào)優(yōu)化整個系統(tǒng)，實現(xiàn)了配電網(wǎng)的閉環(huán)控制。
[0046] 將配電網(wǎng)CPS提供的海量歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，挖掘其潛在價值，找出 數(shù)據(jù)間關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過算例進(jìn)行分析驗證關(guān)聯(lián)規(guī)則的有效性，并不斷修正關(guān)聯(lián)規(guī)則，將配電 網(wǎng)CPS提供的實時數(shù)據(jù)與挖掘結(jié)果進(jìn)行匹配，輸出結(jié)果并將其反饋給配電網(wǎng)CPS，實現(xiàn)配電 網(wǎng)的最優(yōu)控制。
[0047] 充分利用配電網(wǎng)CPS輸出的歷史數(shù)據(jù)和實時數(shù)據(jù)，深度挖掘配電網(wǎng)潛在的、有用 的信息，將準(zhǔn)確性高、及時性好、數(shù)據(jù)有效性良好的挖掘結(jié)果反饋給配電網(wǎng)CPS控制中心， 實現(xiàn)配電網(wǎng)的整體綜合化的最優(yōu)控制，必將在電力企業(yè)成本降低、配電網(wǎng)安全運行等方面 發(fā)揮重大作用。
【附圖說明】
[0048] 圖1為基于配電網(wǎng)CPS在線數(shù)據(jù)挖掘的優(yōu)化控制方法流程圖；
[0049] 圖2為【背景技術(shù)】提供的CPS的核心示意圖；
[0050] 圖3為基于配電網(wǎng)CPS的閉環(huán)控制過程示意圖。
【具體實施方式】
[0051] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
[0052] 如圖1所示，針對配電網(wǎng)健全信息條件下，從健全信息的復(fù)雜性、矛盾性、冗余性 等特點，提出基于配電網(wǎng)CPS在線數(shù)據(jù)挖掘的優(yōu)化控制方法，其中，配電網(wǎng)是典型的CPS ;
[0053] 具體步驟包括：
[0054] (1)獲取配電網(wǎng)CPS的數(shù)據(jù)源，對數(shù)據(jù)源進(jìn)行清洗；對配電網(wǎng)數(shù)據(jù)來源、信息狀況 以及數(shù)據(jù)格式進(jìn)行清洗，是本發(fā)明的前提與基礎(chǔ)。
[0055] 步驟（1)的獲取方法包括，在配電網(wǎng)CPS中嵌入傳感器，用于獲取配電網(wǎng)CPS中的 實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。配電網(wǎng)CPS中的物理實體均嵌入了傳感設(shè)備，以實現(xiàn)對