基于相關(guān)性分析的配電網(wǎng)多源數(shù)據(jù)質(zhì)量提升方法

蒙小胖， 孫常浩， 蔡雷鳴， 施廣德， 金舒

摘? 要： 智能配電網(wǎng)采集數(shù)據(jù)來(lái)源廣、數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，價(jià)值密度低。因此首先對(duì)配電網(wǎng)中各類系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)應(yīng)用K-means聚類算法進(jìn)行特征提取，結(jié)合局部異常因子（LOF）算法進(jìn)行異常檢測(cè)，篩選出異常數(shù)據(jù);隨后根據(jù)數(shù)據(jù)的多維特征運(yùn)用相關(guān)性分析結(jié)合數(shù)據(jù)特征對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行修正;最后通過(guò)實(shí)際工程應(yīng)用，驗(yàn)證多源數(shù)據(jù)質(zhì)量提升方法的數(shù)據(jù)修正效果。

關(guān)鍵詞： 數(shù)據(jù)質(zhì)量; 關(guān)聯(lián)分析; 智能配電網(wǎng); 聚類算法; 多源數(shù)據(jù)

中圖分類號(hào)：TP3? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2022）06-01-05

A quality improvement method of multi-source data in distribution network

based on correlation analysis

Meng Xiaopang1， Sun Changhao2， Cai Leiming2， Shi Guangde2， Jin Shu2

（1. Shaanxi Regional Electric Power Group Co.， LTD， Baoji， Shaanxi 721000， China; 2. Guodian Nanjing Automation Co.， Ltd.）

Abstract： The data collected by distribution network has the characteristics of wide sources， poor data quality and low value density. Therefore， a strategy for improving the quality of multi-source data in the intelligent distribution network is proposed. Firstly， the K-means clustering algorithm is applied to the data collected by various systems in the distribution network for feature extraction， and the local outlier factor （LOF） algorithm is used for abnormal detection to screen out abnormal data. Then， according to the multi-dimensional characteristics of the data， the abnormal data is corrected by correlation analysis combined with the data characteristics. Finally， the effect of multi-source data quality improvement algorithm is verified by practical engineering application.

Key words： data quality; correlation analysis; intelligent distribution network; clustering algorithm; multi-source data

0 引言

智能配電網(wǎng)信息化和智能化的程度不斷提升，配電網(wǎng)采集數(shù)據(jù)逐步呈現(xiàn)多源、異構(gòu)的大數(shù)據(jù)特征[1]。對(duì)海量多源數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，可以為配電網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)感知[2]，運(yùn)行狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)提供重要數(shù)據(jù)支撐。

配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集終端由于數(shù)量多、分布廣并且部分終端環(huán)境惡劣，工況復(fù)雜，在采集和通信過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生數(shù)據(jù)丟失或異?，F(xiàn)象[3]。異常數(shù)據(jù)嚴(yán)重影響數(shù)據(jù)挖掘分析的效率，對(duì)缺失或者異常數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析會(huì)使得結(jié)果與實(shí)際值差別較大，影響預(yù)測(cè)精度和運(yùn)行控制決策的準(zhǔn)確性[4]。因此，如何對(duì)配電網(wǎng)采集的多源數(shù)據(jù)進(jìn)行異常檢測(cè)和數(shù)據(jù)預(yù)處理是配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析的前提和基礎(chǔ)。

近年來(lái)，對(duì)于大數(shù)據(jù)技術(shù)在配電網(wǎng)中應(yīng)用已有很多研究成果。文獻(xiàn)[5]對(duì)大數(shù)據(jù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了總結(jié)。文獻(xiàn)[6]提出一種基于大數(shù)據(jù)分析的配電網(wǎng)態(tài)勢(shì)感知方法，通過(guò)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)電網(wǎng)運(yùn)行的趨勢(shì)。文獻(xiàn)[7]運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)配電網(wǎng)運(yùn)行歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和評(píng)估，實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。但研究成果大多集中在數(shù)據(jù)分析層面，對(duì)底層多源數(shù)據(jù)融合以及數(shù)據(jù)質(zhì)量的提升研究較少。對(duì)于配電網(wǎng)的大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用而言，數(shù)據(jù)的多源融合是基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，對(duì)數(shù)據(jù)挖掘效率和結(jié)果準(zhǔn)確性有重要影響。文獻(xiàn)[8]采用插值法對(duì)電網(wǎng)采集數(shù)據(jù)中缺失較少且變化較為平緩的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，取得較好效果;文獻(xiàn)[9]提出一種基于數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)治理和修復(fù)策略的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量提升管理平臺(tái)架構(gòu)。文獻(xiàn)[10]提出基于自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)風(fēng)電缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行填補(bǔ)，取得較好效果，但不適用于大面積數(shù)據(jù)缺失。以上對(duì)數(shù)據(jù)質(zhì)量提升的研究大多基于某一維度或者某一方法對(duì)數(shù)據(jù)異常進(jìn)行修正，應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)量和連續(xù)、大面積的異常數(shù)據(jù)處理較為困難。配電網(wǎng)中各個(gè)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)之間關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)，其多維關(guān)聯(lián)性特征不可忽視。因此，本文根據(jù)配電網(wǎng)數(shù)據(jù)的多維相關(guān)性特點(diǎn)，采用聚類算法和相關(guān)性分析結(jié)合的方法提升數(shù)據(jù)修正的效率和效果，從而提升配電網(wǎng)整體數(shù)據(jù)質(zhì)量，成為大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用的有力支撐。

1 多源數(shù)據(jù)質(zhì)量提升整體架構(gòu)

多源、異構(gòu)的數(shù)據(jù)場(chǎng)景給數(shù)據(jù)集成帶來(lái)困難并且使得信息系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出一種多源融合數(shù)據(jù)質(zhì)量提升架構(gòu)如圖1所示。

架構(gòu)包含數(shù)據(jù)來(lái)源層，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層，數(shù)據(jù)質(zhì)量管理層以及數(shù)據(jù)發(fā)布層。該框架通過(guò)分析不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)特征進(jìn)行分庫(kù)存儲(chǔ);隨后通過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)量管理模塊對(duì)數(shù)據(jù)整體質(zhì)量進(jìn)行把控;最后將修正數(shù)據(jù)進(jìn)行整理發(fā)布，支撐智能配電網(wǎng)的大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用。

2 多源數(shù)據(jù)質(zhì)量提升方法

系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量管理模塊首先對(duì)缺失數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)行補(bǔ)0操作;隨后采用K-means聚類法對(duì)系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，結(jié)合LOF算法進(jìn)行異常數(shù)據(jù)篩查。數(shù)據(jù)修正模塊通過(guò)多維數(shù)據(jù)相關(guān)性特征來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。

2.1 異常數(shù)據(jù)檢測(cè)方法

LOF算法是一種基于數(shù)據(jù)密度對(duì)異常點(diǎn)進(jìn)行篩選的高精度算法，能夠量化數(shù)據(jù)的異常程度，在數(shù)據(jù)清洗和異常檢測(cè)中具有廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)LOF算法需要計(jì)算數(shù)據(jù)集合中所有數(shù)據(jù)兩點(diǎn)之間的距離，導(dǎo)致復(fù)雜度達(dá)高，難以應(yīng)對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)[11]。

本文運(yùn)用K-means算法[12]與LOF算法結(jié)合進(jìn)行異常數(shù)據(jù)檢測(cè)，首先運(yùn)用K-means算法將相同數(shù)據(jù)特征的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類，隨后運(yùn)用LOF算法對(duì)每個(gè)類簇中的數(shù)據(jù)進(jìn)行異常篩查，最后將待檢測(cè)數(shù)據(jù)集篩選出異常數(shù)據(jù)。K-means算法可以用于數(shù)據(jù)特征提取，降低LOF算法復(fù)雜度，LOF算法對(duì)類簇內(nèi)異常值進(jìn)行檢測(cè)可以增強(qiáng)K-means數(shù)據(jù)特征提取的準(zhǔn)確性和效果。

2.1.1 K-means聚類法數(shù)據(jù)特征提取

配網(wǎng)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)具有較強(qiáng)的周期性，采用數(shù)據(jù)挖掘中的K-means聚類法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲取采集數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特征。

K-means算法的主要思想是將n個(gè)對(duì)象劃分為K個(gè)類簇[C1…CK]，每個(gè)類簇具有較高的相似度。算法的優(yōu)化目標(biāo)是最小化類簇的平方誤差E。

[E=i=1Kx∈Cix-ui22]? ⑴

其中，[ui=1Cix∈Cix]為類簇[Ci]的聚類中心。

其算法流程如下。

⑴ 從數(shù)據(jù)集合D中選取K個(gè)初始聚類中心點(diǎn)。

⑵ 計(jì)算集合內(nèi)各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)到聚類中心點(diǎn)之間的歐幾里得距離（公式2），選取最近的聚類中心點(diǎn)并納入到該類中。

⑶ 計(jì)算完所有數(shù)據(jù)點(diǎn)后對(duì)各個(gè)類簇重新計(jì)算聚類中心。

⑷ 判斷聚類中心是否發(fā)生變化，如果發(fā)生變化則返回步驟⑵，如果不發(fā)生變化則輸出結(jié)果。

2.1.2 LOF算法概念

LOF算法的核心概念有以下四點(diǎn)。

⑴ 第k距離鄰域：給定一個(gè)數(shù)據(jù)集合D，對(duì)于集合內(nèi)的任意一點(diǎn)p，計(jì)算其他點(diǎn)與p點(diǎn)的歐幾里得距離并從小到大排序，第k個(gè)記為該點(diǎn)的第k距離，第k距離以內(nèi)的所有點(diǎn)為第k距離鄰域，記作[Nk（p）]。其中歐幾里得距離可以表示為：

[distp，q][=（p1-q1）2+（p2-q2）2+…+（pn-qn）2] ⑵

其中，[ p]和[q]分別為n維空間中的兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，[dist（p，q）]為兩個(gè)點(diǎn)之間的歐幾里得距離。

⑵ 可達(dá)距離：空間中p點(diǎn)和o點(diǎn)之間的可達(dá)距離定義為點(diǎn)o的第k距離和[dist（p，o）]之間的最大值，記為[reach-dist（p，o）]。

⑶ 局部可達(dá)密度：數(shù)據(jù)點(diǎn)p的局部可達(dá)密度[lrdk（p）]為它鄰近點(diǎn)之間平均可達(dá)距離的倒數(shù)。

[lrdk（p）=1o∈Nk（p）reach-dist（p，o）Nk（p）]? ⑶

⑷ 局部異常因子：局部異常因子為點(diǎn)p鄰域內(nèi)點(diǎn)的局部可達(dá)密度與點(diǎn)p的局部可達(dá)密度之比的平均值，記為[LOFk（p）]。

[LOFk（p）=1Nk（p）o∈Nk（p）lrdk（o）lrdk（p）]? ⑷

根據(jù)局部異常因子的定義，[LOFk（p）]值在1左右說(shuō)明點(diǎn)p數(shù)據(jù)密度與其鄰域內(nèi)點(diǎn)的數(shù)據(jù)密度相當(dāng);當(dāng)[LOFk（p）]遠(yuǎn)大于1或者遠(yuǎn)小于1則說(shuō)明點(diǎn)p與其他點(diǎn)較為疏遠(yuǎn)，為異常點(diǎn)。

2.1.3 算法流程

基于K-means聚類和LOF算法的數(shù)據(jù)異常檢測(cè)流程如圖2所示。

通過(guò)兩種算法結(jié)合，我們可以提取數(shù)據(jù)集合的特征，并篩選出數(shù)據(jù)集合中的異常數(shù)據(jù)。隨后通過(guò)數(shù)據(jù)的多維相關(guān)性，來(lái)對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行修正和填補(bǔ)。

2.2 多維數(shù)據(jù)相關(guān)性分析原理

本文相關(guān)性分析算法采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法[13，14]來(lái)衡量不同來(lái)源數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性;隨后通過(guò)熵權(quán)法計(jì)算變量之間的權(quán)重關(guān)系。

2.2.1 皮爾遜相關(guān)系數(shù)

皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式如下：

[ρx1，x2=Cov（x1，x2）σxσx2]? ⑸

其中，[x1，x2]分別為n維數(shù)據(jù)變量，[σx1， σx2]分別為[x1]和[x2]的標(biāo)準(zhǔn)差，[Cov（x1，x2）]兩者間協(xié)方差。協(xié)方差計(jì)算公式如下：

[Cov（x1，x2）=i=1nx1（i）-x1x2（i）-x2n-1]? ?⑹

皮爾遜相關(guān)系數(shù)用于評(píng)價(jià)兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，當(dāng)相關(guān)系數(shù)大于某一特定值則認(rèn)為兩個(gè)數(shù)據(jù)具有強(qiáng)相關(guān)性。

2.2.2 熵權(quán)法確定權(quán)重

熵權(quán)法[15]通過(guò)指標(biāo)所含信息量大小來(lái)確定權(quán)重，能夠有效地利用數(shù)據(jù)，排除主觀因素影響。首先根據(jù)公式⑺計(jì)算各個(gè)變量之間的熵。

[Εj=i=1mρx1，x2lnρx1，x2lnm ]? ⑺

各個(gè)變量的權(quán)重也可以由公式⑻獲得。

[ωj=1-Εjj=1m1-Εj ]? ⑻

權(quán)重[ωj]體現(xiàn)了指標(biāo)信息量的大小，能夠量化指標(biāo)對(duì)于結(jié)果的影響。[j=1mωj=1]。

2.3 基于多維數(shù)據(jù)特征的配電網(wǎng)數(shù)據(jù)修正方法

配電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集周期選定為T=24h。采集的數(shù)據(jù)集合[C={c1， c2，…，cM}]中包含有M個(gè)屬性（如電流、電壓等）。對(duì)于屬性[ci]的異常數(shù)據(jù)集合，基于多維數(shù)據(jù)特征的數(shù)據(jù)修正方法如下。

⑴ 運(yùn)用K-means聚類法對(duì)集合C中的各項(xiàng)屬性歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，運(yùn)用LOF異常檢測(cè)算法篩選出異常數(shù)據(jù)集合和正常數(shù)據(jù)集合。

⑵ 選取各屬性的正常數(shù)據(jù)集合，通過(guò)關(guān)聯(lián)分析計(jì)算各個(gè)屬性之間的皮爾遜系數(shù)。對(duì)于需要修正的屬性[ci]，篩選出與其強(qiáng)相關(guān)的m個(gè)屬性建立各個(gè)屬性之間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)矩陣[Σ]，運(yùn)用熵權(quán)法確定各自權(quán)重[wj，j=1，2，…，m];

⑶ 屬性[ci]的異常數(shù)據(jù)集記為[Xi={xi1， xi2， …，xin}]，對(duì)于其中一條異常數(shù)據(jù)記為[xik， k=1，2..n]，在m個(gè)強(qiáng)關(guān)聯(lián)屬性中選取[ci]的一個(gè)強(qiáng)關(guān)聯(lián)屬性[cj]，在其數(shù)據(jù)集合[Yj={yj1， yj2， ...，yjn} ]中尋找與[xik]相同時(shí)間歷史數(shù)據(jù)點(diǎn)記為[yjk]，[ yjk]所處類的聚類中心記為[yj*k]。

⑷ 在選取所有m個(gè)強(qiáng)關(guān)聯(lián)屬性后，通過(guò)加權(quán)求和求得原始數(shù)據(jù)的最優(yōu)修正結(jié)果：[xi*k=j=1mwjyj*k]。

⑸ 選取[Xi]中的下一條異常數(shù)據(jù)，重復(fù)步驟⑶和⑷直到所有異常數(shù)據(jù)被修復(fù)。

數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)質(zhì)量提升流程可以總結(jié)如圖3所示。

3 實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證

這里以陜西地電電力公司應(yīng)用的數(shù)據(jù)服務(wù)中心的運(yùn)行采集數(shù)據(jù)作為實(shí)例驗(yàn)證本文提出的數(shù)據(jù)質(zhì)量提升策略的有效性。

數(shù)據(jù)服務(wù)中心接入數(shù)據(jù)包括：電力公司的營(yíng)銷系統(tǒng)、配電自動(dòng)化系統(tǒng)、故障搶修管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

3.1 關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證

本文以配電自動(dòng)化系統(tǒng)中遙測(cè)數(shù)據(jù)50組采集數(shù)據(jù)為例，驗(yàn)證數(shù)據(jù)質(zhì)量提升技術(shù)的應(yīng)用效果。

首先根據(jù)歷史數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)性分析，得到與饋線A端斷路器A相電流采集數(shù)據(jù)強(qiáng)關(guān)聯(lián)的屬性（皮爾遜系數(shù)）。如表1所示。

隨后通過(guò)本文的數(shù)據(jù)質(zhì)量提升方法進(jìn)行異常數(shù)據(jù)的檢測(cè)和修正，修正后的歷史數(shù)據(jù)存入修正庫(kù)。

通過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)量管理流程前后饋線電流缺失數(shù)據(jù)修正情況如圖4所示，異常數(shù)據(jù)修正情況如圖5所示。

從數(shù)據(jù)質(zhì)量管理結(jié)果來(lái)看數(shù)據(jù)修正方法能夠有效檢測(cè)并修正缺失數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)，并且對(duì)于連續(xù)、大面積缺失或者異常數(shù)據(jù)有較好效果。

3.2 算法對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證算法在異常數(shù)據(jù)辨識(shí)、修正效率和效果上的優(yōu)勢(shì)。本文運(yùn)用不同算法到同一算例中進(jìn)行仿真，評(píng)價(jià)指標(biāo)選用精確率（precision rate）和召回率（recall rate）來(lái)測(cè)試算法效果。最終結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出本文運(yùn)用的改進(jìn)LOF算法與LOF算法的精確率和召回率均在90%左右，對(duì)比于傳統(tǒng)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)[3σ]方法提升較大。而根據(jù)圖7在不同樣本數(shù)據(jù)條件下的算法運(yùn)行效率，LOF算法對(duì)樣本數(shù)量最為敏感，其次為統(tǒng)計(jì)法，而改進(jìn)的LOF算法由于首先運(yùn)用K-means法進(jìn)行據(jù)類處理，能夠在數(shù)據(jù)數(shù)量較大時(shí)保持較高的求解速度。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種基于數(shù)據(jù)多維特征分析的數(shù)據(jù)質(zhì)量提升策略，針對(duì)配電網(wǎng)采集數(shù)據(jù)量大、質(zhì)量低的情況，通過(guò)聚類算法與相關(guān)性分析的結(jié)合，對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行多維數(shù)據(jù)修正，從而提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。實(shí)際應(yīng)用表明，策略能有效提高配電網(wǎng)數(shù)據(jù)質(zhì)量，擁有較高的運(yùn)行計(jì)算效率，應(yīng)對(duì)連續(xù)、大面積數(shù)據(jù)異常效果較好，可以為智能配電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析應(yīng)用提供基礎(chǔ)和有力支撐。

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