（农业电气化与自动化专业论文）数据挖掘技术在电能能耗管理系统中的应用与研究.pdf

摘要 随着我国经济的高速发展，电能作为主要能源之一，需求逐步增高，企业对 电能的依赖程度也越来越高，对电能质量的要求也越来越高。由于电能的特殊性 质，电能的质量、效率和消费过程很难被大众重视，因此电能管理工作难以丌展， 企业存在着电能管理混乱、电能浪费、利用率不高的状况。针对这种状况，采用 先进的电子、通信和计算机技术建立电能能耗管理系统无疑是企业节能降耗、强 化电能管理工作的一种重要手段。 本文以电能能耗管理系统为平台，将数据挖掘技术引入电力系统的数据分析 与处理中。针对电能能耗管理系统在监测的过程中，大量的负荷及其相关数据被 储存在系统数据库的情况，本文研究进一步来合理、有效地利用这些数据，从中 获取有用的“知识”的重要课题。研究表明，数据挖掘方法可以从这些海量的电能 数据中挖掘出隐式的、未知的、对管理决策具有潜在价值的知识和规则，这些知 识蕴涵了数据集中的数据对象之间的特定联系。本文对电能管理平台、相关电能 参数、参数之间的关联和数据挖掘技术进行了深入的研究；针对监测数据在数据 挖掘前的预处理方式，提出了基于灰色理论的监测数据修j 下方法；采用s q l s e r v e r 数据库和a d o 技术，实现了大量电能质量监测数据的存储、查询和修改 等功能；应用数据挖掘技术的关联规则对电能监测数据进行深入分析，提出了一 种基于关联树的挖掘算法，挖掘电耗异常数据之问的强关联规则。 本文对数据挖掘技术在电力系统中的应用进行了探讨，将数据挖掘应用于电 能能耗管理系统中并在实验室环境下进行了初步测试，测试结果表明该系统对企 业电能管理智能化具有较高的价值。 关键词：数据挖掘，电能能耗，灰色理论，s q ls e r v e r ，关联规则 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m y , t h e r ei sa ne v e r - r i s i n gd e m a n d f o re l e c t r i cp o w e r , t h em a j o rs o u r c eo fe n e r g y b u s i n e s s e s d e p e n d e n c eo ne l e c t r i c p o w e ra n dt h e i rr e q u i r e m e n t sf o ri t sq u a l i t ya r ea l s oi n c r e a s i n g d u et ot h eu n i q u e c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cp o w e r , a n dt h ei n s u f f i c i e n ta t t e n t i o np a i db yt h ep u b l i ct ot h e e l e c t r i cp o w e rq u a l i t y , e f f i c i e n c ya n dt h ec o u r s eo fc o n s u m p t i o n ，e l e c t r i cp o w e r m a n a g e m e n ti sd i f f i c u l tt ol a u n c h ，a n dt h e r ee x i s tp h e n o m e n ao fm e s s ym a n a g e m e n t ， w a s t ea n dl o we f f i c i e n c yo fp o w e ri nb u s i n e s s e s i no r d e rt od e a lw i t ht h e s ep r o b l e m s ， t oe s t a b l i s ha ne l e c t r i c p o w e rc o n s u m p t i o nm a n a g e m e n ts y s t e mu s i n gm o d e r n e l e c t r o n i c s ，t e l e c o m m u n i c a t i o n sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g i e sw i l lb eu n d o u b t e d l ya l l i m p o r t a n tm e a s u r ef o rb u s i n e s s e st oc o n s e r v ee n e r g ya n dr e d u c ep o l l u t a n t sd i s c h a r g e a n dt os t r e n g t h e nm a n a g e m e n t b a s e do ne l e c t r i cp o w e r c o n s u m p t i o nm a n a g e m e n tp l a t f o r m ，t h i se s s a y i n t r o d u c e sd a t am i n i n gt e c h n o l o g yi n t ot h ed a t aa n a l y z i n ga n dp r o c e s s i n go fe l e c t r i c p o w e rs y s t e m d u r i n gt h ec o u r s eo fm o n i t o r i n ge l e c t r i cp o w e rc o n s u m p t i o n ，al a r g e a m o u n to fl o a di n f o r m a t i o na n dr e l a t i v ed a t aa r es t o r e di nt h es y s t e md a t a b a s e h o w t o r e a s o n a b l ya n de f f e c t i v e l yt a k ea d v a n t a g eo ft h e s ed a t aa n do b t a i nu s e f u l k n o w l e d g e i sa ni m p o r t a n tr e s e a r c hs u b j e c t o fe l e c t r i c p o w e rc o n s u m p t i o n m a n a g e m e n t d a t am i n i n gc a ns e e ko u ts u b t l e ，u n k n o w nk n o w l e d g ea n dr u l e sw h i c h a r eo fp o t e n t i a lv a l u et om a n a g e m e n ta n dp o l i c ym a k i n g t h i sk n o w l e d g ec o n t a i n s s p e c i f i cr e l a t i o n s h i pa m o n gt h ed a t a i nt h ed a t a b a s ea n dr e v e a l ss o m eu s e f u l i n f o r m a t i o n t h i se s s a yf i r s td o e sad e e pr e s e a r c hi n t o e l e c t r i cp o w e rc o n s u m p t i o n m a n a g e m e n tp l a t f o r m ，r e l a t i v ep o w e rp a r a m e t e r s ，a s s o c i a t i o n sa m o n gt h e s e p a r a m e t e r s a n dd a t a m i n i n gt e c h n o l o g y , t h e ns u g g e s t s t h em e t h o do fd a t a m o d i f i c a t i o nb a s e do nt h eg r a yt h e o r yw i t hr e g a r dt ot h ep r e p r o c e s s i n go ft h e m o n i t o r i n gd a t ab e f o r ed a t am i n i n g u s i n gs q l s e r v e rd a t a b a s ea n da d o t e c h n o l o g y , t h ee s s a yr e a l i z e st h ef u n c t i o n so fs t o r a g e ，q u e r ya n dm o d i f i c a t i o no fm a s s i v ep o w e r q u a l i t ym o n i t o r i n gd a t a a c c o r d i n gt ot h ea s s o c i a t i o nr u l eo fd a t am i n i n gt e c h n o l o g y , t h ee s s a yl a s t l yp u t sf o r t han e wa l g o r i t h mb a s e do na s s o c i a t i o nt r e et op e r f o r m m i m n g t h ea s s o c i a t i o nr u l ea m o n ga b n o r m a lp o w e r c o n s u m p t i o nd a t a t h ee s s a yp r o b e si n t ot h ea p p l i c a t i o no fd a t am i n i n gi np o w e rs y s t e mw h i c hi s t e s t e dp r e l i m i n a r i l ya tt h ee x p e r i m e n t a ls t a g e t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h es y s t e mi so f h i g hv a l u ei ni n t e l l i g e n t i z i n gb u s i n e s s e s p o w e rm a n a g e m e n t k e yw o r d s ：d a t am i n i n g ，e l e c t r i cp o w e rc o n s u m p t i o n ，g r a yt h e o r y , s q ls e r v e r , a s s o c i a t i o nr u l e 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文作者签名： 砌歹年6 月多日 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 叫芰 h 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 主、7 炙 1 日期：枷罗年占月多e t 第一章绪论 1 1 课题的提出及意义 国民经济可持续发展是我国的基本国策和战略方针之一，我国能源匮乏，但 又是一个能源消耗和需求大国，g d p 能耗是发达国家和地区平均水平的五至六 倍，因此国家将“十一五”期间建设节约型社会、节能降耗任务作为经济工作的重 点，确立了“十一血”期间能耗降低2 0 的目标。如今电能在经济生活中扮演越来 越重要的角色。电能作为主要能源，是当今社会的必须消费品，由于电能产品的 特殊性，其质量、效率和消费过程历来无法被广大消费者重视。准确地考核、管 理能耗往往让电能管理人员显得心有余而力不足，企业应从上到下做好能耗管理 的梳理工作，做好和抓好节电、提高电能效率和电能管理三方面的工作【1 2 1 。这 三个方面的一个共同的基础工作就是电力需求侧( 用电单位、个人) 产品、产量、 人员能耗的监测与管理工作，将能耗管理工作落实到用电设备这些能耗的基本单 元。 目前大量基于计算机系统的控制设备和电子装置等一类敏感负荷的出现使 得冲击性、非线性负载的不断增多，暂态过电压和顺态过电压、电压凹陷与短时 间间断等一些以前未被人们所重视电能质量问题不断增加【”】，谐波、电压波动 c i j 变、三相不平衡等传统电能质量问题更加恶化【引，电能效率降低，统计能耗提 高，这些都是我们对电能管理不善的后果。曾有统计表明，几十年前，电网中非 线性负载与线性负载量之比为l ：9 ，如今非线性负载与线性负载量之比则为8 ：2 。 非线性负载主要有：1 、具有铁磁饱和特性的铁芯没备，如：变压器、电抗器等；2 、 以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如：气体放电灯、交流弧焊机、 炼钢电弧炉等：3 、以电力电子器件为基础的开关电源设备，如：各种电力变流设备 ( 整流器、逆变器、变频器) 、相控调速和调压装置，大容量电力晶闸管可控开关 设备等【5 1 。它们大量的用于化工、电气铁道，冶金，矿山等工矿企业以及各式各 样的家用电器中。非线性、线性负载的移位，对电网运行会产生严重的影响。试 想如果电力需求侧的管理人员都有一双慧眼，能看清自己配网电能消耗的明细情 况，包括设备的额定消耗、额外消耗，电能效率、电力污染、电网损耗、电能浪 费等情况。那么，他会对那些额外能耗无动于衷吗? 随着电子技术的飞速发展，嵌入式智能设备的微处理器、主频速度、控制软 件的水平逐步提高，互联网的飞速普及使以太网络通信技术在嵌入式智能设备的 通讯上得到了愈来愈广泛的应用。如今具有以太网接口的现场数据采集器和现场 仪表已广泛应用于企事业单位。企业对用电系统的运行状态进行监测，运行性能 进行分析和评估，已日显突出和重要，而建立电能能耗管理系统是目6 订最先进的 管理手段。电能能耗管理系统利用计算机与通讯网络在线监测电能质量数据，实 时将监测的数据显示保存到数据库中。数据挖掘技术能够实现电力系统的数据深 入分析与处理、系统运行状态特征值提取、故障诊断与识别，实时监控和诊断系 统的运行状态，实现电力系统监控与管理的智能化和现代化，从而有效地提高企 业电能质量管理水平。 能耗管理系统主要从科学管理角度解决需求侧电能管理问题，它通过在主要 负荷点安装电能管理监测仪，实时采集电力、电量、电能质量数据，分析电能效 率与能耗情况。我们可以从能耗管理系统中得到大量的数据，这些海量数据是否 还有价值，能否从这些数据中进一步分析，发现影响企业能耗、设备性能和运行 效率等的未知因素，传统的数据处理方法存在一些不足，因此本文引入先进的数 据分析和处理工具一数据挖掘技术【6 】，针对能耗管理系统监测的大量数据进行分 析和挖掘。国内外的许多学者对数据挖掘技术在电力行业中的应用展开了研究， 并取得了一定的成果。 1 2 电h 月匕ez r l i 匕a 耗监测研究现状和发展趋势 目前国内相关研究与开发主要有交通部正在进行的交通运输行业能源消耗 状况分析及能源标准体系建设研究与开发、北京和利时股份有限公司的能源管 理系统、电力行业的能量管理系统( e m s 、电力公司的电力负荷监控与管理信息 系统( p l m i s 等。浙江省政府通过推行全省重点用能企业监管信息化，依法实行 企业能源消费与利用状况报送制度，7 8 5 家企业加入能源管理信息网，能源信息 化监管企业覆盖面达到6 5 。大庆等重点国有企业自身己经建立本企业的能源管 理信息系统，有效控制炼油能源消耗。 国外对能源效率和消耗的管理主要是通过内部建立能源信息管理系统和统 计标准，对外部是通过能源标识的方式进行配套推广的。美国在能源效率的管理 方面有很多的创新，如推广“能源之星”效率评价，凡是节能型电器、用电设备及 2 企业都会获得政府的竭力推荐，纽约州政府研究与开发与发展局( n e wy o r ks t a t e r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ta u t h o r i t y ) 通过p d f b cp r o j e c td e v e l o p m e n tf u n d 国家 实施方案b 档准备金) 推行“聪慧能源”项目为购买节能型电器的家庭提供减息贷 款：为大工业用户提供相对复杂的能效建设装置，并为之量身定做一套完善的能 效管理系统。同时政府从1 9 9 5 年就开始做能源统计分析，极大地减少了投资者 和决策者对未来能源形势的不可预见性，从而避免了能源建设投资和能源供应的 大起大落。德国政府努力推动供热供电结合的项口，鼓励发电公司利用发电余热 供暖，提高能源利用效率，并通过2 0 0 2 年颁布的供电供热结合法规、节省 能源法案推动家用电器、建筑和汽车行业提高能源利用效率。 电能质量监测的设备有专用测量仪、数字式示波器、干扰分析仪、频谱分析 仪和谐波分析仪、谐波综合分析仪、电压闪变测量仪、变送器、线路和接地测试 仪、电网序分量测试仪等。这些装置在电能质量监测方面的功能比较单一，不具 备综合分析和判断功能，一般也不具备异常报警功能。同时，要分析电压特性化 都是相互关联的，如果使用能同时测量多种特性的多功能设备也会降低开支，简 化装置。因此随着电力系统电能质量的问题目益增多，研制一种能综合多种电能 质量指标的电能监测仪并建立在线监测系统是现代科技发展的必然需要，也为数 据挖掘技术应用于电力系统提供了充足的条件。文献 7 】利用回归树、数据挖掘、 人工智能多层感知相结合的混合模式；文献 8 】从分布式客户数据库中抽取隐藏信 息和关联规则，使用多代理技术，一种代理作为数据挖掘，一种代理作为知识合 成，代理之间进行数据通信；文献 9 】提出了一个在不确定性的前提下，如何应用 数据挖掘技术进行分类的问题，因为当线路达到最大传输容量时，会发生结构性 拥挤，这涉及到一个系统规划的问题；文献 1 0 】在分布式控制系统中挖掘关联规 则，如温度、湿度等；文献【1 l 】建立安全信息数据库，挖掘出有用信息和决策规则， 合成信息的使用，以在线或离线的方式工作；其它还有以粗糙集为工具对数据库 进行约简，将数据挖掘和人工智能网络相结合寻找最优因子，综合决策树、回归 树、最近邻居、人工神经网络，建立智能处理包等研究。由此可见，数据挖掘技 术已成为电力系统领域研究的热点。 1 3 论文的主要研究内容 3 面对浩瀚无垠的电耗数据，如何从中获取有价值的信息，充分发挥电耗数据 信息应有的价值和功能，是企业管理决策层十分关心的问题。而随着计算机管理 系统的不断完善、数据信息的采集量大量增加，为了充分利用电耗数据信息，应 用数据挖掘技术研究电耗数据信息的价值和作用也f 在逐步开展。 本文建立在电能能耗管理系统的基础上，发挥数据挖掘技术具有处理超大规 模数据库的优势，运用数据挖掘的原理和方法，对企业电能能耗管理系统的监测 数据进行深入分析和挖掘，抽取有用信息和规则，通过数据挖掘对这些数据进行 横向对比、纵向层层深入剖析，发现数据中存在的关系和规则并从中发现影响企 业能耗、设备性能和运行效率等的未知因素。系统通过对监测点数据异常、三相 负荷平衡、设备用电量数据的挖掘实现对故障先兆作出及时预警，消除了以前因 时间、地点限制管理人员监测管理电网的不便，保证大型机组安全运行，防止恶 性事故的发生，避免了定期检修引起的生产停顿，预防和消除故障，对设备的运 行进行必要的指导，提高设备运行的可靠性、安全性和有效性，以期把故障损失 降低到最低水平，因此，可以产生巨大的经济效益，对企业管理具有十分积极的 意义。 数据挖掘技术虽然在许多行业得到了一定程度的应用，但现有挖掘算法存在 着一些不足，缺乏时序性、动态增益性，不能满足尤其是电力系统的需要。本文 力求从数据处理和挖掘算法上有所创新，提出切合电力数据特点的数据处理方式 和新的挖掘算法，克服传统挖掘算法的不足。 本文首先介绍了电能能耗管理的意义及研究发展现状，然后对数据挖掘技术 应用于企业电能能耗管理系统进行了分析研究。本文的主要研究可分为以下几个 部分： 1 基础研究部分。分析了电能能耗管理系统的构成、功能、具备的性能， 阐述了与电网监测有关的电能参数，讨论分析了参数之间的关系。 2 对数据挖掘技术进行介绍，研究监测数据的处理方法、基于灰色理论的 监测数据修正方法。建立g m ( i ，1 ) 灰色预测模型，对电能缺失值进行预测、填补； 研究异常值的平滑处理方法以及监测数据在数据挖掘i i 的转换处理方式。 4 3 建立系统数据库结构，综合分析电能能耗数据的结构特点，在s q ls e r v e r 2 0 0 0 的坏境下完成了能耗数据库的模型、结构和操作方法设计，在v i s u a l s t u d i o n e t 集成环境下实现了能耗数据存储、查询和修改等功能。 4 研究了数据挖掘处理模型的结构和功能，对数据挖掘技术的关联规则进 行了深入分析并提出了适用于电力系统的超大数据量的改进算法a t m ，实现了基 于数据挖掘技术的电耗预警设计。 第二章电能能耗管理平台与参数分析 电能能耗管理平台主要针对电能需求侧，建立一套统一的、开放的电网运行 状况监测、电能审计、节能评估与决策管理平台，通过高度智能化电网综合监控 单元的实时在线监测，及时掌握需求侧电能质量水平与状况，分析运行负荷与变 化与电网运行参数的动态时间分布特性，探索不同负荷电状况下引起能效率指标 下降的内在规律，通过取得大量详实的，不同运行工况的现场数据，应用数据库 技术、数据仓库技术、数据建模技术、电力技术等，为企业提供全面的实时电能 管理。 2 1 电能能耗管理系统构成 电能能耗管理系统依据能耗审计与管理理论，以电能管理达到节能降耗的目 的，因此，在系统的丌发研究中，主要从以下几个方面展开： ( 1 ) 研究电力客户的配电网络性能与产品能耗的关系，在此基础上建立能 耗标准数据库，建设产品能耗在线审计系统，科学实施能耗审计机制，健全社会 电能管理体系。 ( 2 ) 研究企业科学管理电能的思想、方法和工具，让企业管理电能像管理“人 财物”一样直观，以电能管理工具均衡、提高企业电能管理水平。 ( 3 ) 在电能审计的基础上，应用专家系统与人工智能方法生成节能改造的 建议方案，以此提高电能的质量与使用效率，降低企业的运行成本。 系统的构成主要包括3 个部分： ( 1 ) 电能管理系统： 它是一套纯软件系统，是i t 技术与现代电能管理思想的融合，是系统用户 在使用系统的过程中不知不觉地接受现代电能管理思想。主要功能是对中央数据 处理系统的数据进一步加工处理，根据电网和电能的特性，使用行业数学分析模 型形成电能管理人员所需的报表和分析图，让电能管理人员体验电能的运动，把 握电能的脉搏，操纵电能的消耗。 ( 2 ) 中央数据处理机： 6 主要功能是接收、解析监测仪传来的数据，控制监测仪的运行状态，调节监 测仪的性能。并将监测仪传来的数据按既定规则存储、计算供电能管理系统使用。 它是一个软硬件结合产品，集计算机、通信机和系统软件为一体。 ( 3 ) 电能参数监测仪： 主要是针对电能质量的各项指标( 参数) ，实时地、定时地或者根据需要随机 地进行观测和监视，以便随时了解监测范围内电网的电能质量状况和趋势。主要 功能是根据中央数据处理机指令采集配网的电能指标数据，并将数据传输到中央 数据处理机中，并根据中央数据处理机的要求与其它电网控制设备( 如无功自动 监测与投切装置、变频器等) 进行通信。 电能监测仪安装在电网网络的各个分布点，用于电网电能质量的长期监测， 通过以太网接口将相应分布点的电能质量参数提供给监控中心，电能监测仪具有 如下功能： 1 ) 对三相电压、电流信号实时测量，实时计算电压有效值、电流有效值、 电压电流三相不平衡度、有功功率、无功功率、视在功率、频率、功率因数和稳 态谐波分析； 2 ) 具有事件记录、故障报警功能； 3 ) 具有开关量输入输出能力，可以实现各种开关控制功能； 4 ) 具有以太网通信接口，服务于更高层的企业信息分析和管理系统； 5 ) 通过人机交互功能，让用户对电网的运行状况快速洞察，迅速决策。 功能需求决定了对系统性能的要求，为了实现上述功能，系统的构建要为功 能的实现提供足够的性能保障。因此系统具备以下性能： 1 ) 为满足实时性需求，必须具备高速的运行速度； 2 ) 为了支持大计算量和复杂算法，必须具备较强大的数字信号处理能力； 3 ) 系统功能覆盖了从底层任务执行到高层应用，需要足够的系统资源； 4 ) 具备以太网通信能力； 2 2 电能质量 为了系统地分析研究电能质量现象，并能够对其测量结果进行分析，从而找 出引起电能质量问题的原因和采取针对性的解决办法，有关方面对电能质量进行 了分类并给出相应的定义或规定。对于电能质量现象可以从不同角度分类。针对 7 我国目前对电能质量的研究、分析和监测，主要集中在现有电能质量国家标准的 六个方面：供电电压偏差；电力系统频率偏差；公用电网谐波；电压波动和闪变；三相 电压不平衡度：过电压。下面主要阐述一下与电网监测有关的指标1 6 1 。 ( 1 ) 电网谐波 谐波是一个周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。电网 谐波产生的原因是非线性负载造成的，如p c 机，打印机，荧光灯，调速马达驱 动，充电器以及电镀设备等。这些设备从电路中获取跃变的脉冲电流而不是平滑 的正弦波，结果是含有谐波的畸变电流回流到电力系统的其它地方。 非线性负载只有在输入电压被控制的地方吸取电流，这样可以很好的提高效 率，但却会在负载电流中引起谐波。一个j 下常的5 0 h z 线路的电压在示波器上几 乎是一个很好的正弦波。谐波出现时，波形会明显失真。即使没有明显症状，谐 波也会使电力系统的功率因素下降。 在电力系统对于周期为t = 2 r d o ) 。的非正弦电量，在满足狄罩赫利条件下， 电压信号可分解为以下的傅里叶级数形式( 1 7 】： u ( o = 啪+ 乏- 。c o s f ，n q + 吧) 当n = 2 时，为对应于n 次的单次谐波分量。 在进行谐波信号分析时，采用的测量算法主要是离散傅单叶变换( d f t ) 和快 速傅罩叶变换( f f t ) ，其n 次谐波电压向量的实部和虚部分别为： = 上nk 芝= o 删s 【簪，0 , l n = 上n 萎h 例s 访 簪，l 】 利用上式可计算基波和各次谐波的实部和虚部，进而可以计算幅值和相角。 为分析每次谐波的大小，单次谐波的含有率h r u 通常用该次谐波幅值的有效值 与基波幅值的有效值之百分比来表示，如n 次谐波电压含有率h r u n 为： hr u 。= 嫠1 0 0 谐波对电力系统的危害极大。主要有【1 8 】： 1 使旋转电机的附加损耗增大和过热。 2 引起变压器绕组的附加损耗，使变压器的外壳、外层硅钢片和某些固件 发热，并引起变压器的振动。 3 对继电保护和自动装置产生干扰。 4 输电线路的谐波放大有町能引起系统的谐振。 谐波“污染”已成为电力系统的公害之一，因此对谐波进行准确的测量与分析 己成为电力行业普遍关心的问题。测量和计算电压、电流的谐波，从装置的实现 上考虑：将来自电压互感器和电流互感器的系统电压和电流畸变波形，经线性衰 减分量转换为低电平信号，使模拟信号经采样、模数转换离散化为数字序列信号 后，经微机进行谐波分析和计算，得到基波和各次谐波的幅值和相位，并可获得 更多的信息，以及对谐波进行各种统计处理和各种分析等。 ( 2 ) 电压波动和的闪变 电压波动是指一系列电压变动或工频电压的周期性变化。电压波动值为电压 均方根值的两个极值u 瑚x 和u m i 。之差u ，通常以其额定电压u n 的百分数表示： a v ：a u 10 0 u n a v 一旦峦氅二竺墨i 2 lo o u n 闪变( f l i c k e r ) 是人们对照明波动的主观感觉。 r 光灯和电视机等设备对电压的敏感度远低于白炽灯，如果电压波动的大小 不足以引起白炽灯闪变，则可以肯定不会使电视机和日光灯出现异常。所以，可 选择白炽灯作为电压波动值是否被接受的依据。 闪变的主要决定因素有：( 1 ) 供电电压波动的幅值、频度和波形；( 2 ) 照明装置， 白炽灯的照度波动影响最大，而且与白炽灯的瓦数和额定电压等有关；( 3 ) 人们对 闪变的主观感觉。 供电系统中电压的波动和闪变多是由用户的波动性负荷引起的，波动负荷可 分为周期性波动负荷和非周期性波动负荷两类。周期性或近似周期性的波动负荷 对c i j 变的影响更为严重。波动性负荷在系统阻抗上将引起电压降上的波动。当负 荷波动时，系统功率和系统阻抗越大，则它所导致的电压波动越大，这决定于供 电系统的容量、供电电压、用户负荷位置、类型、电动机起动频度和功率等。波 动性负荷主要有：电弧炉、感应炉的变频电源、绞车和轧机、电焊机、电动机起 9 动、采矿的挖掘机、锯木机和粉碎机等。这些波动性负荷，影响和危害着与其连 接在公共供电点的其他用户的电工设备。这些波动性负荷，影响和危害公共连接 点( p c c ) 上的其它用户设备，必须引起重视。 ( 3 ) 三相电压不平衡度 在理想的三相交流电力系统中，三相电压应该具有相同的数值，且按a ，b ，c 三相顺序互成1 2 0 角度，这样的系统叫做- - f h 平衡( 或对称) 系统。然而由于存在 种种不平衡因素，实际的电力系统并不是完全平衡的。不平衡度允许值指的是在 电力系统j 下常运行的最小方式下负荷所引起的电压不平衡度为最大的生产( 运行) 周期中的实测值，例如炼钢电弧炉应在熔化期测量等。在确定三相电压允许不平 衡指标时，国标g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 规定用9 5 概率值作为衡量值。即正常运行方 式下不平衡度允许值，对于波动性较小的场合，应和实际测量的五次接近数值的 算术平均值对比：对于波动性较大的场合，应和实际测量的9 5 概率值对比来判 断是否合格。其短时允许值是指任何时刻均不能超过的限制值，以保证保护和自 动装置的正确动作。 不平衡因素可归结为事故性的和j 下常性的两大类。事故性的不平衡是由于三 相系统中一相( 或两相) 出现故障所致，这种不平衡工况是系统运行所不允许的， 一般由继电保护、自动装置动作切除故障元件后在短期内使系统恢复正常。正常 的不平衡则是负荷不平衡、系统三相阻抗不对称以及消弧线圈的不正确调谐所 致。作为电能质量指标之一的电压不平衡是针对正常不平衡运行工况制定的。 三相电压不平衡度是指三相系统中三相电压的不平衡程度，用电压或者电流 负序分量与正序分量的均方根百分比表示。在忽略零序分量的三项系统中，只 要知道3 个不对称相量大小，即可以求出不平衡度。其算法公式如下式。 广；= = = = = = 8 = p 警i o o n l +- 3 6 l l = r 秽：+ 秽：+ 移：夕r 秽：+ 秽；+ 秽；，2 三相电压不平衡会对电力系统和用户造成一系列的危害，其中主要有： 1 引起旋转电机的附加发热和振荡，危及其安全运行和正常出力； 2 引起以负序分量为起动元件的多种保护误动作： 3 使半导体变流设备产生附加的谐波电流： 1 0 4 使发电机的利用率下降； 5 将引起电网损耗增加： 6 会增大对通信的干扰，影响j 下常通信质量。 2 3 电能参数之间的关系分析 2 3 1 功率因数与能耗 根据f f t 可以计算得到有功功率形、视在功率s 和功率因数阿分别为： 形= 事r 螂( r ) 加古篆“( 七) 小) s = k p ，：旦 s 电压的有效值为： = 抓砜) 2 + ( ( u ) 2 + ( ) 2 + ) 2 ( 2 7 ) 电流的有效值为： k = ( 厶) 2 + ( ( ) 2 + ( 厶) 2 + ) 2 ( 2 8 ) 功率因数是指电力网中线路的视在功率供给有功功率的消耗所占百分数。在 电力网的运行中，希望功率因数越大越好，功率因数越大，则电路中的视在功率 将大部分用来供给有功功率，以减少无功功率的消耗。用户功率因数的高低，对 于电力系统发、供、用电设备的充分利用，有着显著的影响。适当提高企业的功 率因数，不但可以充分地发挥供电设备的生产能力、减少线路损失、改善电压质 量，而且可以提高企业用电设备的工作效率和为用户节约电能。改善提高企业功 率因数，能够有效地降低电能损失，减少企业电费开支。其社会效益及经济效益 都会是非常显著的。 2 3 2 电压与无功功率 电压与无功功率的分布有着密切的关系。 电力系统的经济、安全、稳定运行，与控制电压技术及调节无功功率分不开 的。电压是电能质量的重要标志。供给用户的电压与额定电压值的偏移不超过规 定的数值，是电力系统运行调整的基本任务之一。各种用电设备是按照额定电压 来设计制造的，只有在额定电压下运行才能取得最佳的工作效率。电压质量对电 力系统本身有影响。当电压过高时：会对负荷的运行带来不良影响；影响产品的 质量和产量，损坏设备；各种电气设备绝缘会损坏，在超高压输电线路中还将增 加电晕损耗；甚至会引起电力系统电压崩溃，造成大面积停电。电压降低时：会 使电网中的有功功率损耗和能量损耗增加，过低还会危及电力系统运行的稳定 性。 电力系统中无功功率平衡是保证电力系统电压质量的基本前提。对于运行中 的所有设备，要求系统无功功率电源所发出的无功功率( q g ) 与无功功率负荷 ( z q d ) 及无功功率损耗( e q l ) 相平衡，即 q g = q d + q l 在交流电路中，由电源供给负载的电功率有功功率和无功功率。其中有功功 率是保持用电设备正常运行所需的电功率，无功功率用于电路内电场与磁场的交 换，并用来在电气设备中建立和维持磁场的电功率。电力系统运行调整的基本任 务之一是保证用户电压接近额定值运行，而电压水平则取决于系统中无功功率的 平衡，系统中无功电源的无功功率输出能否满足系统负荷和网络损耗中的无功功 率需求，将影响着电压的质量。当无功电源输出的无功功率大于无功负荷及网络 中损耗时，负荷侧的电压就偏高，当无功电源发出的无功功率小于无功负荷及网 络中的损耗时，负荷侧的电压就偏低。电压过高将造成各种电气设备绝缘受到损 害，用电设备受命大大缩短，电压过低将危及电力系统运行的稳定性。 z q g y q d + e q l 电压偏高 q g l i m e i ) a n d f t i m e t i m e 2 ) 馥t a b l e a d a p t e r 执行时需要传八的参数i f ；一个，指定年问号为p o w e r i d ，时 洲段的下限 t i m e l ，时川段下限 t i m e 2 ，完成厉一动成的名称是 g e t p o w e r d a t a b y l d l i m e ( p o w e r i d ， t i m e l ， t i m e 2 ) 。 464 能耗数据库显示设计与实现 c # 寅现数据库的显示主要使用d a t a g r i d v i e w 控件。d a t a g n d v i e w 控什以表 格的形式呈现数据信息，通过d a t a g r i d v i e w 拄件的d a t as o u r c e 属性绑定到 b j n d i r g s o u r c e 上。b i n d i n g , s o u r c e 粪是用于数姑绑定的关键类，它在数据源和绑 定到馥数掘源上的控件之闻提供了一个非直接层。通过设嚣b i n d i n g s o u r c e 的 d a t a s o u r c e 和d a t a m e m b e ：琏性，将b i n d i n g s o u r c e 附着到个数据源上，从而实 现数据的交b 。将d a t a g r i d v i e w 控件配合b i n d i n g s o u r c e 数据组件的使用，可以 使我们能够直观方便的实现数据的显不，定位、增加、删除和保存数据。 初始化d a t a g f i d v i e w 没置三页，每页的数据源分别选择数据集 p o w e r d a t a s e t 的p s _ p o w e r l ，p s _ j p o w e r 2 表r 通过设置b i a g i n g s o u r c e 实现了数 据表与d a t a g r i d v i e w 控件的绑定。能耗数据库显示界面如图6 7 所示。 阚蔷霍霎霪墅登墅霎攀雷 i 鑫鞫j z o 孤i 玉，i _ 3 丽 3 i i 一2 ，晶s 臻i t * | 目自日目翻g 目! 自目自g g g 目自i 目晡目目g _ i 日l ，圳； 4 6 能耗数据显示界面 由于能耗数据表是寅时更新的，应该t rd a t a g r i d v i e w 实时绑定最新的数据 表。所以，设置了个1 秒钟的定时器，每隔秒钟让d a t a g r i d v i e w 分别绑定 数据表，并且通过倒序昂示的方式昆示数据表中壤新的数据。以p s w e r l 电能 数据为例，实现定时绑定的程序如f # r e g i o n s q l c o n n e c t i o nc o n = n e ws q l c o n n e c t i o n ( ”s e r v e s = ( 1 0 c a l ) ；u i d 2 s a ；p w d = ；d a t a b a s e = d b _ p o w e r d a t a ”) ； c o n o p e n ( ) ； d a t a s e td s = n e wd a t a s e t 0 ； s q l d a t a a d a p t e rd a = n e ws q l d a t a a d a p t e r ( ”s e l e c t 卓f r o mp s - p o w e r l ”，c o n ) ； d a f i l l ( d s ) ； d a t a g r i d _ p o w e r d a t a s o u r c e = d s t a b l e s 0 d e f a u l t v i e w ； d a t a g r i d v i e w 控件自身带有排序的方法，选择倒序显示的程序如下： d a t a g r i d _ p o w e r s o r t ( d a t a g r i d _ p o w e r c o l u m n s s ； l i s t s o r t d i r e c t i o n d e s c e n d i n g ) ； # e n d r e g i o n 3 3 第五章数据挖掘处理模型的设计与实现 电耗系统信息数据库中拥有大量的信息，包括正常数据，也包括异常数据， 同时一个异常结果可能伴随多个异常数据，往往并不知道哪些信息是有用的，而 只是将所有的数据都存入数据库中，这样加大了信息的处理量，影响了系统诊断 的效率。本节通过数据挖掘对这些数据进行横向对比、纵向层层深入剖析，发现 异常情况，相当于节能监管的“听诊器”和“显示器”，找到企业电网的故障先兆、 能耗浪费原因和节电节能潜力，对于研究大企业能耗特点、进行用电监管、开展 节电节能工作具有重要意义。企业应用数据挖掘结果辅助决策、调度人员进行决 策和调整检修策略，合理安排设备的检修，优化设备维护和资源配置，大大提高 企业电能管理水平，同时也有利于企业掌握用电负荷密度的系统的基础数据，为 节能的相关技术和措施提供依据，改变长期以来一直参照国外数据进行相关设计 的现状。 5 1 系统的建设目标 以“统一规划、统一标准、网络互联、分步实施”为指导，以节能降耗、安全 保障为目标，按照一体化管理的要求和系统工程的理论、方法进行系统建设。最 大程度地利用现有人员、数据、设备资源，以避免系统重复建设带来的浪费。系 统保留一定的扩展空间，既做好与电耗管理信息系统的接口处理，又保持自身的 独立性。 数据挖掘系统建设首先是孥持实用性和可靠性。系统建设以满足业务需求为 首要目标，采用稳定可靠的成熟技术，保证系统长期安全运行。系统软硬件及信 息资源要满足可靠性设计要求，建设方案以实际可接受能力为尺度，避免盲目追 求新技术。二是峰持先进性和开放性。在实用可靠的前提下，尽可能跟踪国内外 先进的计算机软硬件技术、信息技术及网络通信技术，使系统具有较高的性能价 格比。技术上立足于长远发展，坚持选用开放性系统。采用先进的体系结构和技 术发展的主流产品，保证整个系统高效运行。三是坚持安全性。遵循有关信息安 全标准，具有切实可行的安全保护和保密措施，以及对计算机犯罪和病毒的防范 能力，确保数据永久安全。四是要实现可扩充、易维护及易操作。应充分考虑到 联网用户增加和业务扩展，有扩充能力及接口。应用软件的模块化程度要高，对 不同业务流程和管理方式的适应能力要强，建立友好的用户界面，使操作简单软 件维护方便；面向最终用户，操作简单、直观、灵活，易于学习掌握。 5 2 系统的总体结构 数据挖掘系统的体系结构包含电能能耗监