CN107679292A - 一种基于数据挖掘的输电线路电磁环境参数预测方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于数据挖掘的输电线路电磁环境参数预测方法,包括以下步骤:(1)收集数据;(2)划分数据;(3)分析电磁环境参数之间的关系;(4)分析空间电场以及离子流参数之间的关系;(5)分析影响电磁环境的主因素;(6)对电磁环境参数和空间电场参数进行预测。通过运用本发明的方法,可在线路设计阶段对导线线型、导线分裂间距、极间距等线路参数进一步优化,实现更为环境友好的电网发展方式。同时尽可能减小输电走廊,降低线路征地及建设成本,具有重大工程实用价值。
Description
技术领域
本发明属于电力系统电磁环境防护技术领域,特别涉及一种基于数据挖掘的输电线路电磁环境参数预测方法。
背景技术
电磁环境是输电线路设计的主要考虑因素,输电线路的电磁环境的根源是线路的电晕放电。电晕放电一方面会造成电能损耗,增加输电成本 ;另一方面影响导线周边电磁环境,进一步干扰人们的正常生活。随着经济的不断发展和民众环境意识的增强,电磁环境问题愈加引人关注,输电线路其电磁环境问题已成为其系统设计和运行的主要制约因素。输电线路的电磁环境参数主要包括有可听噪声、无线电干扰、地面合成场强、地面离子流密度和电晕损耗。若能在线路设计阶段合理预测电磁环境参数,则可对导线线型、导线分裂间距、极间距等线路参数进一步优化,实现更为环境友好的电网发展方式 ;或在保证合理的电磁环境水平下,尽可能减小输电走廊,降低线路征地及建设成本。这对在建及规划中的输变电工程具有重大工程实用价值。
电磁环境参数影响因素众多,且具有明显的随机特性。当前电磁环境的模型有两个重要的不足:首先,大多数模型都是通过多元线性回归训练的,线性模型不能描述复杂的非线性模型。其次,这些模型都是针对海平面的电磁环境进行设计的,于是包含了一些潜在设定,比如标准大气压等等。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处,提出一种基于数据挖掘的输电线路电磁环境参数预测方法,本方法不仅可以考虑非线性关系, 还能将不同的环境参数作为模型的参量进行考虑, 如海拔等,本模型能更加全面地描述电磁辐射,不仅提高其预测精度,还提高该模型的工程实用价值。为此,本发明采用的技术方案为:
一种基于数据挖掘的输电线路电磁环境参数预测方法,包括以下步骤:
S1:收集数据:所述数据包括线路基本参数、电磁环境参数和空间电场参数以及离子流参数,所述线路基本参数包括分裂导线数、子导线直径、分裂导线间距、导线平均高度和海拔,所述电磁环境参数包括电晕放电CL、无线电干扰RI和可听噪声AN,空间电场以及离子流参数包括最大标称场强NFS、最大复合电场强度MCEFI和最大离子流密度MICD。
S2:划分数据:将步骤S1收集到的数据划分为自变量和因变量两部分,其中自变量包括所述的线路基本参数,因变量包括电磁环境参数、空间电场参数和离子流参数,系统模型为:
在上式中, 为自变量, 为因变量;
S3:分析所述电磁环境参数之间的关系,验证RI分别与AN、CL线性相关;
S4:分析所述空间电场以及离子流参数之间的关系,验证NFS分别与MCEFI、MICD线性相关;
S5:分析影响电磁环境的主因素;
S6:对所述电磁环境参数和空间电场参数进行预测。
优选的,所述步骤S3具体为:
S31:假设所述无线电干扰RI分别与可听噪声AN、电晕放电CL不存在线性相关;
S32:假设
其中 为模型线性回归后的斜率, 为自变量的标准差;
S33:对进行统计,并将统计阈值设定为95% ,得出步骤S31的假设均不成立;
S34:得出结论,即RI分别与AN、CL线性相关。
优选的,所述步骤S4具体为:
S41:假设所述最大标称场强NFS分别与最大复合电场强度MCEFI、最大离子流密度MICD不存在线性相关;
S42:假设
其中 为模型线性回归后的斜率, 为自变量的标准差;
S43:对进行统计,并将统计阈值设定为95% ,得出步骤S41的假设均不成立;
S44:得出结论,即NFS分别与MCEFI、MICD线性相关。
优选的,所述步骤S5具体为:
S51:定义信息熵的公式为:
其中H 为信息熵, 是系统成为状态的概率;
S52:定义信息增益IG的公式为:
其中 表示一系列的训练样本,而代表样本的其中一个参数;
S53:以RI和NFS为因变量,根据步骤S52中的式子分别计算RI和NFS所对应的信息增益,其中T表示一系列的训练样本,每一个训练样本代表一组线路基本参数,a代表训练样本的其中一个参数,具体为分裂导线数、子导线直径、分裂导线间距、导线平均高度和海拔中的一个;
S54:统计步骤S53的计算结果,归纳总结出影响无线电干扰RI和最大标称场强NFS的主要因素和次要因素。
优选的,所述步骤S6中的预测采用决策树回归方法。
优选的,所述决策树回归方法具体为:
将整个样本数据分为训练集和测试集两组,训练组占总样本的 90%,测试组占总样本的10%,将训练集对决策树模型进行训练后,再利用测试集对决策树模型进行计算, 得到均方误差。
优选的,所述决策树模型中每个方框中的百分比表示样本的比例,剩下的数值是相应的预测结果,在每个分割点上, 左侧表示条件满足的情况,右侧则表示条件不满足的情况。
本发明的益处在于:
(1)运用本发明的预测方法,可在线路设计阶段对导线线型、导线分裂间距、极间距等线路参数进一步优化,实现更为环境友好的电网发展方式;
(2)运用本发明的预测方法,可在保证合理的电磁环境水平下,尽可能减小输电走廊,降低线路征地及建设成本,具有重大工程实用价值;
(3)本发明的预测方法,不仅可以考虑非线性关系, 还能将不同的环境参数作为模型的参量进行考虑,更加全面地描述电磁辐射。从而提高其预测精度以及该模型的工程实用价值。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为电磁环境参数之间的关系图。
图3为空间电场参数和离子流参数之间的关系图。
图4为无线电干扰RI的决策树模型图。
图5为最大标称场强NFS的决策树模型图。
具体实施方式
一种基于数据挖掘的输电线路电磁环境参数预测方法,如图1所示,包括以下步骤:
S1:收集数据,所述数据包括线路基本参数、电磁环境参数和空间电场参数以及离子流参数。本实施例中,主要收集±800kV 直流输电线路的基本参数信息及其所对应的电磁环境参数,空间电场参数以及离子流参数。具体的参数和单位如下所示:
线路基本参数:
分裂导线数、子导线直径 (cm)、分裂导线间距 (cm)、极间距 (m)、导线平均高度 (m)、海拔 (m);
电磁环境参数:
电晕放电 (CL, kW/km)、无线电干扰 (RI, dB)、可听噪声 (AN, dB);
空间电场以及离子流参数:
最大标称场强 (NFS, kV/cm)、最大复合电场强度 (MCEFI, kV/cm)、最大离子流密度(MICD, nA/)。
S2:划分数据:将步骤S1收集到的数据划分为自变量和因变量两部分,其中自变量包括所述的线路基本参数,因变量包括电磁环境参数、空间电场参数和离子流参数,系统模型为
在上式中, 为自变量, 为因变量;
S3:分析所述电磁环境参数之间的关系,验证RI分别与AN、CL线性相关;
由上述分析可知,尽管有电晕放电CL、无线电干扰RI、可听噪声AN、最大标称场强NFS、最大复合电场强度MCEFI和最大离子流密度MICD等6个不同的因变量需要分析,但它们当中有一些是高度线性相关的。为了分析其线性相关特性,本实施例首先绘制了不同因变量之间的关系,如图2和图3所示。
图2为电磁环境参数之间的关系图。由图2可知,CL,RI和AN都有着明显的线性相关性。为了更加严密地证明这一点, 本实施例使用检测来判断这三个参量间的线性相关。即首先提出两个空假设,即RI 和AN没有线性相关性以及RI和CL也没有线性相关性。通过统计的假设,它的表达式可写为:
其中 为模型线性回归后的斜率, 是自变量的标准差。
最后统计后就得到线性相关检验假设的结果,如表1所示:
表1
因变量 | 自变量 | 值 |
RI | CL | |
RI | AN | |
NFS | MCEFI | |
MCEFI | MICD |
由表1可知,通过设定统计阈值为95%,之前提出的两个空假设都会被否定。因此,可以判断RI与AN,RI与CL都存在线性相关。
图3为空间电场参数和离子流参数之间的关系图。由图3可知,MICD和MCEFI是线性相关的,而MCEFI和NFS之间的关系不明显。同上所述,可以采用了检测对它们之间的关系进行判断。即假设NFS与MCEFI不存在线性相关以及NFS与MICD也不存在线性相关。检验的结果可以从表1中得到。因此,两个假设都被否定,即NFS与MCEFI、MICD都存在线性相关。
由于显著线性相关的参量,它们理论上有着相近的模型。因此,本实施例只分析了显著线性相关参量的一部分,即只采用RI和NFS进行分析。
S5:分析影响电磁环境的主因素;
本发明采用信息增益IG作为不同因变量主因素分析的度量方法。信息增益IG 是信息从一个状态到另一个状态后信息熵的变化。而信息熵H则是表示系统紊乱程度的度量, 其定义为:
其中 是系统成为状态的概率。比如,一个拥有两个相等概率状态的系统,其信息熵为1,这是两态系统信息熵的最大值,也就是说,这种系统处于完全的无规律状态。
此时,信息增益IG则可以表达为:
(1)
其中 表示一系列的训练样本,而代表训练样本的其中一个参数。更大的信息增益代表因素可以为系统的判断带来更大的信息量,即知道参量之后可以大大减小系统的无序程度。
根据上述对信息增益的定义,以RI和NFS为因变量,以线路基本参数值作为训练样本,而以分裂导线数、子导线直径、分裂导线间距、导线平均高度和海拔中的任一个作为这个训练样本的其中一个参数,代入式(1)进行计算统计,其结果如表2所示。
表2
由表2可知,分裂导线数量是影响无线电干扰RI和最大标称场强NFS的主要因素,而分裂导线间距则是影响无线电干扰RI的次要因素,导线平均高度是影响最大标称场强NFS的次要因素。
S6:采用决策树回归方法对电磁环境参数和空间电场参数进行预测。
由上述分析可知,RI与AN、CL都存在线性相关,而NFS与MCEFI、MICD也存在线性相关。由于线性相关的参量,它们理论上有着相近的模型。因此,本实施例只采用RI和NFS进行分析。
构建决策树模型时,决策树模型的每个方框中的百分比表示样本的比例,剩下的数值是相应的预测结果,在每个分割点上, 左侧表示条件满足的情况,右侧则表示条件不满足的情况。
将整个样本数据分为训练集和测试集两组,训练组占总样本的 90%,测试组占总样本的10%,将训练集对决策树模型进行训练后,再利用测试集对决策树模型进行计算, 得到均方误差(mse),均方误差表示了模型的性能。
无线电干扰RI的决策树模型如图4所示。正如信息增益所表明的,分裂导线数量是影响它的主要因素,即分裂导线数量的增加产生更小的无线电干扰。同时,在分裂导线数量相当的范围之内,较小的海拔将导致较少的无线电干扰。通过测试集在模型上的计算可以得出,该模型实现了2.44的均方误差。
最大标称场强NFS的决策树模型如图5所示。由图5可知,其导体的平均高度越高,分裂导线数量越多, 显示的NFS强度越低,而较少的分裂导线数量意味着更大的场强。与无线电干扰决策树模型的结构相似,在一定条件下,子导线直径越小,NFS强度越高。最大标称场强的决策树模型在测试数据上实现了5.46的均方误差。
Claims (7)
1.一种基于数据挖掘的输电线路电磁环境参数预测方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:收集数据:所述数据包括线路基本参数、电磁环境参数和空间电场参数以及离子流参数,所述线路基本参数包括分裂导线数、子导线直径、分裂导线间距、导线平均高度和海拔,所述电磁环境参数包括电晕放电CL、无线电干扰RI和可听噪声AN,空间电场以及离子流参数包括最大标称场强NFS、最大复合电场强度MCEFI和最大离子流密度MICD;
S2:划分数据:将步骤S1收集到的数据划分为自变量和因变量两部分,其中自变量包括所述的线路基本参数,因变量包括电磁环境参数、空间电场参数和离子流参数,系统模型为:
在上式中, 为自变量, 为因变量;
S3:分析所述电磁环境参数之间的关系,验证RI分别与AN、CL线性相关;
S4:分析所述空间电场以及离子流参数之间的关系,验证NFS分别与MCEFI、MICD线性相关;
S5:分析影响电磁环境的主因素;
S6:对所述电磁环境参数和空间电场参数进行预测。
2.根据权利要求1所述的一种基于数据挖掘的输电线路电磁环境参数预测方法,其特征在于,所述步骤S3具体为:
S31:假设所述无线电干扰RI分别与可听噪声AN、电晕放电CL不存在线性相关;
S32:假设
其中 为模型线性回归后的斜率, 为自变量的标准差;
S33:对进行统计,并将统计阈值设定为95% ,得出步骤S31的假设均不成立;
S34:得出结论,即RI分别与AN、CL线性相关。
3.根据权利要求1所述的一种基于数据挖掘的输电线路电磁环境参数预测方法,其特征在于,所述步骤S4具体为:
S41:假设所述最大标称场强NFS分别与最大复合电场强度MCEFI、最大离子流密度MICD不存在线性相关;
S42:假设
其中 为模型线性回归后的斜率, 为自变量的标准差;
S43:对进行统计,并将统计阈值设定为95% ,得出步骤S41的假设均不成立;
S44:得出结论,即NFS分别与MCEFI、MICD线性相关。
4.根据权利要求1所述的一种基于数据挖掘的输电线路电磁环境参数预测方法,其特征在于,所述步骤S5具体为:
S51:定义信息熵的公式为:
其中H 为信息熵, 是系统成为状态的概率;
S52:定义信息增益IG的公式为:
其中 表示一系列的训练样本,而代表样本的其中一个参数;
S53:以RI和NFS为因变量,根据步骤S52中的式子分别计算RI和NFS所对应的信息增益,其中T表示一系列的训练样本,每一个训练样本代表一组线路基本参数,a代表训练样本的其中一个参数,具体为分裂导线数、子导线直径、分裂导线间距、导线平均高度和海拔中的一个;
S54:统计步骤S53的计算结果,归纳总结出影响无线电干扰RI和最大标称场强NFS的主要因素和次要因素。
5.根据权利要求1所述的一种基于数据挖掘的输电线路电磁环境参数预测方法,其特征在于,所述步骤S6中的预测采用决策树回归方法。
6.根据权利要求5所述的一种基于数据挖掘的输电线路电磁环境参数预测方法,其特征在于,所述决策树回归方法具体为:
将整个样本数据分为训练集和测试集两组,训练组占总样本的 90%,测试组占总样本的10%,将训练集对决策树模型进行训练后,再利用测试集对决策树模型进行计算, 得到均方误差。
7.根据权利要求6所述的一种基于数据挖掘的输电线路电磁环境参数预测方法,其特征在于,所述决策树模型中每个方框中的百分比表示样本的比例,剩下的数值是相应的预测结果,在每个分割点上, 左侧表示条件满足的情况,右侧则表示条件不满足的情况。
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