一种基于聚类分析的配电网项目改造迫切度评估方法及系统与流程

1.本发明涉及配电网改造领域，具体而言，涉及一种基于聚类分析的配电网项目改造迫切度评估方法及系统。


背景技术：

2.随着经济发展及人民生活水平的提高，本地用电负荷持续快速增长，配电网供电能力与用电需求水平的矛盾日益突出。同时，配电网中低压项目改造决策存在基础数据点多面广、人工经验预判准确性不高且效率低下等问题，在配网改造资金有限的情况下，亟需开展配电网中低压改造项目迫切度分析工作，为配电网改造和电网规划提供参考，不断提升配电网的供电能力。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种基于聚类分析的配电网项目改造迫切度评估方法及系统，以解决相关技术中的问题。
4.为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于聚类分析的配电网项目改造迫切度评估方法，包括10kv馈线迫切度计算和10kv台区迫切度计算，所述10kv馈线迫切度计算包括如下步骤：
5.步骤一：对配电网馈线主干长度、主干截面、装接容量、重过载、可转供比例、接线模式和线损率等数据进行封装整理，得到迫切度分析数据样本，选取其中的5条10kv馈线作为测试数据样本；
6.步骤二：通过改进层次分析法，建立配电网馈线改造项目综合评价体系，在资金约束下，对线路存在问题的多少与严重程度进行细致分析，提出线路改造项目迫切度的概念，即线路指标不合格对电网安全经济运行影响的严重程度折算值，并采用基于决策实验与评价实验室方法及交叉增援矩阵法的改进层次分析法计算指标权重，将线路指标不合格值与权重值相乘并累加计算线路改造迫切值；
7.步骤三：以总项目投资等为约束条件，以线路迫切度改善最大为目标函数建立了优化模型，建立3层层次分析法模型；
8.步骤四：对数据样本计算得到馈线改造迫切度综合值；
9.所述10kv台区迫切度计算包括如下步骤：
10.步骤五：从相关应用系统获取台区的经纬度坐标、重过载、运行年限、低电压等信息，建立台区问题聚类数据库，选取存在问题的台区作为数据样本；
11.步骤六：对台区过载、重载、老旧、低电压等问题采取两步聚类算法，判断是否重复出现低电压、是否成片出现低电压、是否监测数据质量问题、是否属于管理手段可解决的问题、是否确需纳入配电网项目解决以及先前投资安排策略是否合理，确定台区改造迫切度。
12.进一步地，层次分析法具体包括：先把复杂的问题的组成因素拆分组织成有序的递阶层次结构，再量化测度人的主观判断，逐层建立判断矩阵，求解各判断矩阵的权重，最
后获得最优方案的排序表。
13.进一步地，层次分析法还包括优先级的分解、比较和综合。
14.进一步地，优先级的分解应用于构建层次结构，其中同级水平的元素相互独立；从最高的一级目标层开始，到最高的若干准则层，再从一般的子准则到最底层的备选方案措施层。
15.进一步地，优先级的分解应用于构建层次结构，其中同级水平的元素相互独立；从最高的一级目标层开始，到最高的若干准则层，再从一般的子准则到最底层的备选方案措施层。
16.进一步地，优先级的比较包括应用于构建低层水平上的元素两两之间关于其上层水平的每个元素相对重要性的成对比较倒数矩阵，其主要特征向量给出了优先级。
17.进一步地，优先级的综合是对某个层的元素，取其相对于上层标准的优先度为权重，并进行加权求和，得到综合指数。
18.进一步地，两步聚类算法具体为：设聚类i与聚类j，(ij)表示它们合并成的聚类，它们含有的样本点个数依次为ni、nj、n
(ij)
。数据集中有k个连续变量，其中第k个变量，k＝1，2，
…
，k在整个数据集内、聚类i、聚类j及(ij)的方差估计分别为及则聚类i与聚类j的间的对数似然距离为d
ij
定义如下：
[0019][0020]
进一步地，两步聚类算法如果未预先确定所需的聚类数量，则算法可以使用schwarz的贝叶斯准则或赤池信息标准自动确定最佳数量。设聚类数量为j，数据集总观测值个数n，则有：
[0021][0022][0023]
另一方面，提供一种基于聚类分析的配电网项目改造迫切度评估系统，其特征在于，用于装载并执行上述任一项所述的基于聚类分析的配电网项目改造迫切度评估方法。
[0024]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：以生产管理信息系统pms2.0、营销管理系统sg186、调度自动化系统ies600、设备(资产)运维精益管理系统(gis系统)、电能量计量系统tmr和用电信息采集系统六大系统的电网参数及运行数据为基础，采用大数据采集、清洗、整理归类等方法预先处理数据，再综合应用统计方法建立优化模型，其中对层次分析法做改进，采用dematel方法和交叉增援矩阵法计算改造迫切度，层次分析法模型的主要指标包括10kv馈线主干长度、主干截面等七个问题不合格指标。同时采用两步聚类算法挖掘台区项目改造优先区域。最后颗粒化管理项目，使项目储备与星级问题相对应，确保项目需求与电网发展衔接，并将结果融合至superset实现图表实现可视化展示。
附图说明
[0025]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0026]
本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
[0027]
图1为本发明实施例中层次分析法分模型层次结构图；
[0028]
图2为本发明实施例中迫切度分析结果在卫星地图中的展示图；
[0029]
图3为本发明实施例中样本聚类结果图；
[0030]
图4为本发明实施例中样本聚类结果空间展示图；
[0031]
图5为孝感2017年第二批配电网线路项目迫切度分析图。
具体实施方式
[0032]
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
[0034]
层次分析法(ahp)是关于目标、多方案优化决策的系统方法，它首先把复杂的问题的组成因素拆分组织成有序的递阶层次结构，再量化测度人的主观判断，逐层建立判断矩阵，求解各判断矩阵的权重，最后获得最优方案的排序表。
[0035]
在解决问题的过程中，层次分析法使用了三个原理：优先级的分解，比较和综合。
[0036]
分解原理应用于构建层次结构，其中同级水平的元素相互独立。从最高的一级目标层开始，到支撑目标的第二级准则，再到第三级子准则，等等若干准则层，再从一般的(有时是不确定的)子准则到最底层的备选方案措施层。
[0037]
比较判断的原理应用于构建低层水平上的元素两两之间关于其上层水平的每个元素相对重要性(优先度)的成对比较倒数矩阵，它的主要特征向量给出了优先级。
[0038]
第三个原理是对某个层的元素，取其相对于上层标准的优先度为权重，并进行加权求和，得到综合指数。
[0039]
可以看出，层次分析法是不使用三段论确实行演绎思维和归纳思维的一个非线性框架。它通过同时考虑多个因素并允许依赖和反馈，并进行数值折衷以获得综合或结论。所以用它决策分析具有合理的方面。
[0040]
两步聚类分析是一种统计方法，可以自动识别数据集中的相似人群或对象。相比传统的聚类方法(例如均值聚类算法)，两步聚类分析也被认为更可靠和更加准确，被认为是最合适的、对连续和分类数据都有效的聚类技术
[8]
。两步聚类允许保留数据完整的信息，分析之前不必对数据转换，因而其结果能提供丰富的解释。两步聚类可兼顾处理数值型变量与分类型变量、自动处理异常值，舍弃或归入最近的类，比较适用于大型数据集的挖掘，所以本项目的优化模型第二部分也应用了两步聚类算法，并进行了改进，即在研究过程中，
对于数据的其它非正态分布，我们使用非参数检验代替t-检验，从统计上检验聚类之间是否存在显著性差异。
[0041]
两步聚类分析涉及两步，预聚类和聚类。第一步，原始案例是通过构建聚类特征树将其先聚类。在第二步，使用标准层次聚类算法，形成分层的聚类，可以允许人们探索具有不同数量聚类的解决方案。对于产生的多个解决方案，它能根据schwarz的贝叶斯信息标准(bic)归纳出最优的聚类数目。一旦形成集群解决方案，就需要三种验证措施。首先，内聚和分离的轮廓度量必须高于要求的0.05的水平，以表明集群内距离和集群间距离是有效的。其次，分别对分类变量和连续变量执行χ2检验和t-检验
[9]
，以识别聚类中各个变量的重要性，并指出聚类之间的显着差异。如果聚类里某个变量的统计信息的绝对值为大于临界值，则该变量被认为在区分某个聚类不同于其他聚类时是重要的。第三，减半后的最终聚类解决方案必须相似(例如，群集的大小，数量和特征)。
[0042]
下面详述两步聚类分析方法的统计指标。
[0043]
在两步聚类分析中使用对数似然标准来揭示数据中的自然分组。设聚类i与聚类j，(ij)表示它们合并成的聚类，它们含有的样本点个数依次为ni、nj、n
(ij)
。数据集中有k个连续变量，其中第k个变量，k＝1，2，
…
，k在整个数据集内、聚类i、聚类j及(ij)的方差估计分别为分别为及则聚类i与聚类j的间的对数似然距离为d
ij
定义如下：
[0044][0045]
显然，对数似然距离是一种基于概率的距离。当两个聚类合并为一个聚类时，它们之间的距离与对数似然性的减少有关。在预聚类步骤中，将扫描数据中的所有情况，并测量它们之间的对数似然距离，以基于某个阈值距离准则确定它们是否将形成预簇。在第二步中，使用凝聚聚类算法，把来自于预聚簇步骤的聚类集聚为最佳数量的聚类。这时第一步的每个子聚类被视为单个记录，如果它们满足(1)中的最小距离门限，则再被合并为一个大记录，直到所有数据记录被集聚成一个群集中。
[0046]
如果未预先确定所需的聚类数量，则算法可以使用schwarz的贝叶斯准则(aic)或赤池信息标准(aic)自动确定最佳数量。设聚类数量为j，数据集总观测值个数(总记录)n，则有：
[0047][0048][0049]
bic被认为是最重要的之一有用和客观的选择标准，因为它避免了传统聚类技术的任意性。在考虑哪些变量要从分析中删除，最好选择bic最低的。学生t-检验用来确定两组数据的均值彼此是否不同。然而学生t-检验假定数据服从正态分布。轮廓测量值小于0.2时，聚类比较差；在0.2到0.5之间，聚类尚可；大于0.5代表良好。
[0050]
轮廓系数(silhouette)用于测度簇密度和分离度。设有一个聚类结果c＝{c1，
…
，ck，
…
，cm，
…
，cc}，i，j为样本点，d(i，j)是它们之间的某个距离，|ck|为ck族的大小。当i∈ck时，设则点i轮廓系数定义为
[0051]
所有样本点的平均轮廓系数为
[0052]
从轮廓系数看出聚类效果。si衡量一个点i是否适宜归为某个聚类程度。如果si＜0，说明点i处于不准确的聚类ck里。si＞0且月接近1，说明点i准确的被分类在聚类ck里。如果大多数样本点都有很高的轮廓系数系数，即比较大，说明聚类适当，否则，说明分类数过多或者过少。
[0053]
下面就10kv馈线迫切度和10kv台区迫切度分别分三个层面介绍以上统计方法的应用结果。
[0054]
10kv馈线迫切度计算：
[0055]
1、数据层
[0056]
配电网的数据流主要由实时数据流、离线数据流和在线数据查询组成，对配电网馈线主干长度、主干截面、装接容量、重过载、可转供比例、接线模式和线损率等数据进行封装整理，得到迫切度分析数据样本，选取其中的5条10kv馈线作为测试数据样本。
[0057]
2、方法层
[0058]
中压配电网线路项目涉及线路和设备繁多，且需综合考虑改造效果、资金计划、供电可靠性、电能质量和经济效益等因素，传统的数学优化方法难以对其进行统一、整体的建模，层次分析法及其改进的方法是应用较多的优选方法。
[0059]
通过改进层次分析法，建立配电网馈线改造项目综合评价体系，在资金约束下，对线路存在问题的多少与严重程度进行细致分析，提出线路改造项目迫切度的概念，即线路指标不合格对电网安全经济运行影响的严重程度折算值，并采用基于决策实验与评价实验室(dematel)方法及交叉增援矩阵法的改进层次分析法计算指标权重，将线路指标不合格值与权重值相乘并累加计算线路改造迫切值。
[0060]
以总项目投资等为约束条件，以线路迫切度改善最大为目标函数建立了优化模型，可在有限的资金约束下更科学、有效地安排建设与改造项目的优先次序。建立3层层次分析法模型，其结构如图1所示。
[0061]
对数据样本计算得到馈线改造迫切度综合值如表1所示。
[0062]
表1馈线指标不合格值折算表
[0063]
[0064][0065]
3、应用层
[0066]
迫切度计算结果以数据可视化的方式在卫星地图上显示。馈线改造迫切度由高至低依次为巡58杨坡线、巡55桑树线、巡53八里线、巡56巡店线、巡59高店线，展示效果如图2所示。
[0067]
10kv台区迫切度计算：
[0068]
1、数据层
[0069]
从相关应用系统获取台区的经纬度坐标、重过载、运行年限、低电压等信息，建立台区问题聚类数据库，选取云梦公司存在问题的台区作为数据样本。
[0070]
2、方法层
[0071]
对台区过载、重载、老旧、低电压等问题采取两步聚类算法，判断是否重复出现低电压、是否成片出现低电压、是否监测数据质量问题、是否属于管理手段可解决的问题、是否确需纳入配电网项目解决以及先前投资安排策略是否合理，确定台区改造迫切度，结果见图3。
[0072]
3、应用层
[0073]
云梦公司375个台区共聚为3类，如图4。
[0074]
从图4中白线为区县行政边界，可以看出问题台区主要分布在县公司的西部和南部。
[0075]
由此可以得到如下结论：
[0076]
同时存老旧和过载问题的台区为聚类-1，占比18.4％，此类问题最迫切，共69台，应优先解决此类台区，约需改造资金1700万元。
[0077]
样本台区中老旧问题最为突出，聚类-3为只存在老旧问题的台区，占比高达67.7％，对此类问题台区宜可结合负荷发展逐步通过整体统筹方案解决。
[0078]
应用成效：
[0079]
1、本项目应用于孝感2017年第二批配电网项目评审，通过层次分析法计算得到101条线路项目迫切度，如图5。
[0080]
通过本项目的实施可以为配电网线路项目评审提供根据专家经验较为客观且符合投资导向的迫切度评价。
[0081]
2、配电网规划电网规划以问题和需求为导向，通过项目迫切度数据分析，明确问题和需求所处的区域，确定配电网规划的重点区域。
[0082]
3、中低压项目评审以馈线迫切度改善最大为目标函数，总项目投资等为约束条件，建立配电网优化改造模型，以使资金得到最大限度使用，有效安排项目改造顺序。
[0083]
4、中低压项目后评价对已投产中低压项目进行项目后评价，可改进投资决策管理，完善相关政策措施，提高科学管理水平，为今后中低压项目建设提供经验。
[0084]
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根
据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
[0085]
需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0086]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。