基于電力用戶負(fù)荷特性曲線的聚類(lèi)分析模型設(shè)計(jì)

白 勇

(重慶電力高等專(zhuān)科學(xué)校， 重慶 400050)

聚類(lèi)分析從人類(lèi)行為角度對(duì)物理對(duì)象或集合進(jìn)行抽象研究，并通過(guò)分類(lèi)相似數(shù)據(jù)的手段，達(dá)到精細(xì)處理數(shù)據(jù)的目的。隨著科學(xué)技術(shù)手段的進(jìn)步，該項(xiàng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于電力負(fù)荷運(yùn)算、計(jì)算機(jī)科學(xué)處理等多個(gè)領(lǐng)域。在保證數(shù)據(jù)自身完整性的前提下，應(yīng)用聚類(lèi)分析手段可使每個(gè)數(shù)據(jù)簇中的集合源都得到平均分配[1-16]。傳統(tǒng)ME-Wheel模型在統(tǒng)計(jì)用戶耗電行為的過(guò)程中，通過(guò)確定電力因子承載驅(qū)動(dòng)參數(shù)的方式，得到標(biāo)準(zhǔn)的用電有限元模型，再通過(guò)建立概念性描述曲線的手段，達(dá)到分析電力用戶集中耗電特點(diǎn)的目的。但隨著用戶耗電總量的不斷增加，這種傳統(tǒng)應(yīng)用分析模型在單位時(shí)間內(nèi)用戶耗電行為的分析完整度始終達(dá)不到預(yù)期水平。為避免上述情況的出現(xiàn)，引入負(fù)荷特性曲線，在約束荷載施加量的促進(jìn)下，設(shè)計(jì)一種基于電力用戶負(fù)荷特性曲線的聚類(lèi)分析模型，并在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，突出該新型分析模型的實(shí)用性價(jià)值。

1 基于電力負(fù)荷特性曲線的用戶耗電特征分析

基于電力負(fù)荷特性曲線用戶耗電特征分析是新型聚類(lèi)模型的搭建基礎(chǔ)，在曲線網(wǎng)格劃分、特征參數(shù)計(jì)算等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的支持下，其具體分析過(guò)程可按如下步驟進(jìn)行。

1.1 電力負(fù)荷特性曲線的網(wǎng)格劃分

電力負(fù)荷特性曲線網(wǎng)格為用戶負(fù)載特征參數(shù)提供了依存條件，且隨著平均耗電時(shí)間的不斷增加，網(wǎng)格自身的上限存儲(chǔ)條件不斷增加、下限存儲(chǔ)條件不斷降低，使得特性曲線的寄居空間得到不斷擴(kuò)充，達(dá)到擴(kuò)充用戶負(fù)載特征參數(shù)依存面積的目的[17-19]。為保證用戶耗電行為在單位時(shí)間內(nèi)得到有效分析，設(shè)：χ代表電力負(fù)荷特性曲線寄居的上限存儲(chǔ)條件，γ代表電力負(fù)荷特性曲線寄居的下限存儲(chǔ)條件，利用χ、γ可將標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格劃分結(jié)果表示為：

(1)

其中：r代表電力負(fù)荷特性曲線的平均斜率；e代表用戶的平均耗電參量；w代表寄居空間中的電力負(fù)荷變量；i代表單位供電時(shí)間；y代表用戶耗電能力參數(shù)。

1.2 用戶負(fù)載特征參數(shù)計(jì)算

在電力負(fù)荷特性曲線的網(wǎng)格空間內(nèi)，每個(gè)用戶負(fù)載參數(shù)都具備唯一且固定的依存范圍。作為影響用戶耗電行為的關(guān)鍵因素，負(fù)載特征參數(shù)既能限定約束負(fù)荷施加量的變化范圍，也能在一定程度上規(guī)范電力原數(shù)據(jù)矩陣中參數(shù)的主要存在條件[20-21]。在已知電力負(fù)荷特性曲線網(wǎng)格劃分結(jié)果的基礎(chǔ)上，設(shè)電力用戶的耗電時(shí)間為t，網(wǎng)格核心負(fù)載能力系數(shù)為p，聯(lián)立式(1)可將用戶負(fù)載特征參數(shù)表示為：

(2)

1.3 約束載荷施加量確定

約束載荷施加量在電力負(fù)荷特性曲線網(wǎng)格中，利用用戶負(fù)荷特征參數(shù)，對(duì)單位時(shí)間內(nèi)電力用戶的耗電特征進(jìn)行定向分析。在其他影響因素不發(fā)生改變的前提下，約束載荷施加量?jī)H與單位時(shí)間內(nèi)用戶耗電常規(guī)系數(shù)f、網(wǎng)格存儲(chǔ)因子k保持正相關(guān)影響關(guān)系。利用f、k聯(lián)立式(2)可將約束載荷的施加量表示為

(3)

2 新型聚類(lèi)分析模型的搭建

在基于電力負(fù)荷特性曲線用戶耗電特征分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立原始數(shù)據(jù)矩陣、完善分析流程等步驟，實(shí)現(xiàn)新型聚類(lèi)分析模型的搭建。

2.1 電力用戶負(fù)荷原始數(shù)據(jù)矩陣建立

電力用戶負(fù)荷原始數(shù)據(jù)矩陣是未經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理聚類(lèi)數(shù)據(jù)的唯一存儲(chǔ)空間，且矩陣內(nèi)所有數(shù)值都與約束載荷施加量保持正相關(guān)影響關(guān)系。設(shè)a代表電力用戶負(fù)荷原數(shù)據(jù)矩陣中的標(biāo)準(zhǔn)參量，則a與約束載荷施加量ω間的關(guān)系可表示為

(4)

其中j′代表原始數(shù)據(jù)矩陣的平均負(fù)荷參數(shù)。默認(rèn)完整的電力用戶負(fù)荷原始數(shù)據(jù)矩陣為3行、3列的標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)，則利用式(4)可將該矩陣Fω表示為：

(5)

2.2 特性聚類(lèi)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理

特性聚類(lèi)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化處理是在電力用戶負(fù)荷原始數(shù)據(jù)矩陣中，根據(jù)量綱數(shù)量級(jí)計(jì)算原理，對(duì)用戶特征參數(shù)進(jìn)行的按比重劃分處理[22-23]。隨著用戶耗電需求的不斷增加，單位時(shí)間內(nèi)電力用戶負(fù)荷特性曲線的斜率開(kāi)始不斷變化，這也是導(dǎo)致傳統(tǒng)ME-Wheel模型對(duì)用戶耗電行為分析完整度逐漸下降的主要原因。為解決上述問(wèn)題，新型聚類(lèi)分析模型增設(shè)電力用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理流程，并通過(guò)精細(xì)化矩陣變量因子的方式達(dá)到提升用戶耗電行為分析完整度的目的。詳細(xì)計(jì)算過(guò)程如式(6)所示。

(6)

2.3 聚類(lèi)分析流程的完善

新型聚類(lèi)分析模型的處理流程以電力負(fù)荷特性曲線網(wǎng)格結(jié)構(gòu)劃分作為起始環(huán)節(jié)，且隨著用戶耗電量的不斷增加，與其相關(guān)負(fù)載特征參數(shù)的平均值也會(huì)隨之發(fā)生改變。在保證負(fù)荷特征曲線約束載荷施加量波動(dòng)幅度可控的前提下，對(duì)負(fù)載特征參數(shù)進(jìn)行歸一化處理[24-25]。再利用上述結(jié)果建立標(biāo)準(zhǔn)的電力用戶負(fù)荷原始數(shù)據(jù)矩陣，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理手段得到具備聚類(lèi)屬性的特性數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)新型聚類(lèi)分析模型的順利應(yīng)用。圖1為完整的聚類(lèi)分析處理流程。

圖1 聚類(lèi)分析流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證基于電力用戶負(fù)荷特性曲線聚類(lèi)分析模型的實(shí)用性，設(shè)計(jì)如下對(duì)比實(shí)驗(yàn)：截取一段完整的用戶耗電曲線，分別應(yīng)用新型聚類(lèi)分析模型和現(xiàn)有ME-Wheel模型，對(duì)該用戶的耗電行為進(jìn)行分析，其中前者作為實(shí)驗(yàn)組，后者作為對(duì)照組。

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，可按照表1完成相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

表1中：ETT參數(shù)代表實(shí)驗(yàn)時(shí)間；BPP參數(shù)代表基本耗電參量；CBL代表耗電行為分析完整度極限。為保證對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果的絕對(duì)公平性，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組實(shí)驗(yàn)參數(shù)始終保持一致。

3.2 單位時(shí)間內(nèi)用戶耗電行為分析完整度對(duì)比

用戶耗電行為分析完整度是指在新型聚類(lèi)分析模型的影響下，單位時(shí)間內(nèi)用戶耗電量與用電器承載最大電流間的比值，其具體計(jì)算方法如式(7)所示。

(7)

其中：Q′代表單位時(shí)間內(nèi)用戶耗電量；Imax代表用電器承載最大電流；Z代表基本耗電參量。在基本耗電參量為0.38的條件下，以10 min作為單位時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，分別記錄在5次單位時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組用戶耗電行為分析完整度的變化情況。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖2所示。

圖2 單位時(shí)間內(nèi)用戶耗電行為分析完整度對(duì)比

分析圖2可知：實(shí)驗(yàn)組用戶耗電行為分析完整度在前4個(gè)單位時(shí)間內(nèi)，均呈現(xiàn)逐漸上升的變化趨勢(shì)，在第5個(gè)單位時(shí)間內(nèi)基本保持穩(wěn)定，最大值達(dá)到了62.78%，與極限數(shù)值相比上升了9.57%；對(duì)照組耗電行為分析完整度在第1個(gè)單位時(shí)間內(nèi)先上升、再下降，在第2個(gè)單位時(shí)間內(nèi)不斷上升，在第3、4個(gè)單位時(shí)間內(nèi)都保持先上升、再下降的變化趨勢(shì)，在第5個(gè)單位時(shí)間內(nèi)基本保持穩(wěn)定，最大值可以達(dá)到47.36%，與極限數(shù)值相比下降了5.85%。綜上可知，在基本耗電參量為0.38的條件下，應(yīng)用基于電力用戶負(fù)荷特性曲線聚類(lèi)分析模型，可使單位時(shí)間內(nèi)用戶耗電行為的分析完整度上升15.42%。

4 結(jié)束語(yǔ)

與現(xiàn)有ME-Wheel模型相比，基于電力用戶負(fù)荷特性曲線聚類(lèi)分析模型的搭建過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，且所有參數(shù)計(jì)算處理均圍繞負(fù)荷特性曲線進(jìn)行。從實(shí)際應(yīng)用性方面來(lái)看，這種運(yùn)算方式具備更強(qiáng)的說(shuō)服力，能從根本上提升模型自身的分析精準(zhǔn)程度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：應(yīng)用新型聚類(lèi)分析模型后，用戶耗電行為定向分析結(jié)果具備更強(qiáng)的說(shuō)服力，證明模型自身的實(shí)用性價(jià)值。