电压无功调控时段划分方法及装置与流程

本发明涉及一种电压无功调控时段划分方法及装置，适用于电力调控系统，属于电力系统运行与控制技术领域。

背景技术：

电压无功调控经过多年的研究已日趋成熟且广泛用于实际电网控制并取得了较好的效果。然而随着电网规模的不断扩大以及负荷变化的日渐复杂，电压无功调控中常会出现由于参数设置不合理而导致优化运行效果不理想的现象，究其原因主要是运行人员很难准确把握参数的合理设置，如变压器分接头和补偿设备的动作次数等，而实现这类参数的合理设置的一个关键的步骤是如何实现对控制时段的自动划分。

目前的方法多基于聚类、合并等人工智能的方法，并不能抓住负荷变化主要矛盾，大多针对局部的的相似规则出力，且操作复杂，依赖规则多，很难用于实际现场。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种电压无功调控时段划分方法及装置，实现时段划分，计算过程简单。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电压无功调控时段划分方法，其特征是，包括以下过程：

获取变电站日负荷数据{p(ti)}，其中p(ti)为ti时刻变电站的负荷值，i＝1,2...,n，n为日负荷采样点数；

根据所述日负荷数据{p(ti)}对预先设置的目标函数求解，得到趋势项序列s＝[s1,s2,...,sn]^t；si为ti～ti+1时间段内对应的趋势项，所述目标函数以负荷波动序列平方和最小以及趋势项二次差分的1范数最小为目标；

计算序列s的一阶差分，得到一阶差分向量δd＝[d1,d2,...,dn-1]^t；

根据一阶差分向量δd中相邻两个元素值，来判断对应两个时间段是否属于同一个时段，以完成时段的划分。

优选的，所述目标函数如下：

其中，λ是规则化参数，d∈r^n×n是一个二次差分矩阵。

优选的，所述对预先设置的目标函数求解，包括：通过原对偶内点算法求解目标函数。

优选的，所述一阶差分向量δd中元素的计算公式为di＝si+1-si，di代表ti+1～ti+2到ti～ti+1两个时段内趋势的变化量。

优选的，所述根据一阶差分向量δd中相邻两个元素值，来判断对应两个时间段是否属于同一个时段，以完成时段的划分，包括：

对于一阶差分向量δd中任意相邻两个元素dk,dk+1，k＝1,2...,n-2；

如果相邻的两个元素值同时满足其中β^-<0,β⁺>0，则判定tk～tk+1与tk+1～tk+2不属于同一个时段，两个时段内的趋势分别为sk和sk+1；否则tk～tk+1与tk+1～tk+2划分至同一个时段，该时段内的趋势项为

重复以上过程直至判断完一阶差分向量中所有元素。

相应的，本发明还提供了一种电压无功调控时段划分装置，其特征是，包括：

日负荷数据获取模块，用于获取变电站日负荷数据{p(ti)}，其中p(ti)为ti时刻变电站的负荷值，i＝1,2...,n，n为日负荷采样点数；

趋势项序列计算模块，根据所述日负荷数据{p(ti)}对预先设置的目标函数求解，得到趋势项序列s＝[s1,s2,...,sn]^t；si为ti～ti+1时间段内对应的趋势项，所述目标函数以负荷波动序列平方和最小以及趋势项二次差分的1范数最小为目标；

差分向量计算模块，用于计算序列s的一阶差分，得到一阶差分向量δd＝[d1,d2,...,dn-1]^t；

时段划分模块，用于根据一阶差分向量中相邻两个元素值，来判断对应两个时间段是否属于同一个时段，以完成时段的划分。。

优选的，趋势项序列计算模块中，所述目标函数如下：

其中，λ是规则化参数，d∈r^n×n是一个二次差分矩阵。

优选的，差分向量计算模块中，所述一阶差分向量δd中元素的计算公式为di＝si+1-si，di代表ti+1～ti+2到ti～ti+1两个时段内趋势的变化量。

优选的，时段划分模块中，所述根据一阶差分向量δd中相邻两个元素值，来判断对应两个时间段是否属于同一个时段，以完成时段的划分，包括：

对于一阶差分向量δd中任意相邻两个元素dk,dk+1，k＝1,2...,n-2；

如果相邻的两个元素值同时满足其中β^-<0,β⁺>0，则判定tk～tk+1与tk+1～tk+2不属于同一个时段，两个时段内的趋势分别为sk和sk+1；否则tk～tk+1与tk+1～tk+2划分至同一个时段，该时段内的趋势项为

重复以上过程直至判断完一阶差分向量中所有元素。

相应的，本发明还提供了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征是，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述电压无功调控时段划分方法。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

1)计算代价小；

2)适用于分段线性趋势；

3)1范数的正则化作用会产生全变分去噪效应，使趋势项的二次差分许多系数为零，突出负荷的峰谷点。

附图说明

图1为本发明实施例变电站日288点负荷曲线；

图2为图1实施例中采用本发明方法确定的变电站时段划分结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

电力系统电压无功问题中控制时段划分在本质上就是确定负荷在不同时段呈现的不同趋势。需要确定的部分包括两点，一个是时段分割点(拐点，趋势起始点)，一个是时段内的趋势的态势(变化量)。

也就是说，电压无功调控中控制时段划分要解决的主要问题有两个：

1)时段分割点在哪？即是要确定负荷峰谷拐点，用以确定设备动作次数的时间起始点。

2)不同时段内的负荷趋势是什么？即是要确定负荷在某一个时段内变化的速度，用以确定该时段内设备动作次数。

一旦负荷的趋势确定了，就可以明确的给出时段分割点。然而对无功控制时段而言，负荷存在大小的波动，且采集和传输存在各种误差，无法较好的反映趋势。数学上说，所谓的“趋势”数学上对应平滑项，可用平方形式逼近，而拐点处，两侧二次差分的变化情况完全不同，用1范数可较好的描述。

以一个序列x＝[135810753]为例：

一阶差分为dx＝[2232-3-2-2]，二次差分为dx＝[01-1-5-10]；

可见，二次差分后，拐点对应的二次差分项为-5，其绝对值较剩下的二次差分项大，对比可认为剩余的二次差分项为0，也就是说二次差分项呈现强稀疏性，满足1范数的物理意义。

电力系统的负荷通常由两部分构成，一部分是波动项，另一部分是趋势项，本发明抓住电压无功的主要矛盾，将负荷趋势项的二次差分的1范数为正则化目标，能自适应的适应光滑度的局部水平，从负荷时间序列中提取负荷峰谷特征，并能较精确的刻画时段分割点以及时段内的趋势的态势，从为电压无功控制参数的设置提供理论依据。

本发明的电压无功调控时段划分的l1正则化方法，具体包括以下实现过程：

步骤s1，获取变电站日负荷数据{p(ti)}，其中p(ti)为ti时刻变电站的负荷值，i＝1,2...,n，n为日负荷采样点数。

例如，采样周期为5分钟，则日负荷采样点n为288，某变电站日288点负荷曲线如图1所示，图中横坐标代表采样时刻，纵坐标代表采样时刻对应的负荷值，注意此图中采样点信号是离散的，曲线看起来是连续的，那是因为采样密度大且软件画图的时候自动做了插值平滑。

步骤s2，建立如下目标函数：

这里si为ti～ti+1时间段内对应的趋势项，s＝[s1,s2,...,sn]^t，λ是规则化参数，控制了目标函数和正则项的权重，d∈r^n×n是一个二次差分矩阵，形式如下：

利用l1正则化技术，使用总变差1范数为正则化条件对有功负荷序列进行线性化拟合，目的是求得一个序列si，该序列一方面保证是波动序列平方和最小即其意义在于在同一分割时段内，变电站负荷变化很小，这同时段划分的意义是一致的；另一部分是趋势项二次差分的1范数最小，即λ||d*s||1，1范数正则化的意义是使趋势项的变化量趋于稀疏特征，这意味着：

同一时段内，连续三个点sk-1,sk,sk+1满足：

其中k＝2...,n-1，这里δ是一个很小的阈值，事实上，电力系统相同时段内，负荷变化趋势变化相似，无论是负荷小波动还是缓慢变化，sk均可由sk-1和sk+1的平均而来，上述条件的物理意义是很明确的；

不同一时段间，连续三个点sk-1,sk,sk+1满足：

电力系统不同时段内，负荷变化趋势完全不同，尤其是在时段分割点左右两侧，sk与sk-1和sk+1的平均差值很大。

该模型的优势在于：

1)计算代价小；

2)适用于分段线性趋势，但si并不是p(ti)的线性函数；

3)1范数的正则化作用会产生全变分去噪效应，使趋势项的二次差分许多系数为零，突出负荷的峰谷点。

步骤s3，通过原对偶内点算法求解上述目标函数，得到s＝[s1,s2,...,sn]^t。

原对偶内点算法属于现有技术，求解速度快，效率高。此详细的计算过程请参见现有技术，此处不多赘述。

步骤s4，计算s＝[s1,s2,...,sn]^t的一阶差分，即di＝si+1-si，进而得到一阶差分向量δd＝[d1,d2,...,dn-1]^t，该差分向量的物理意义是两个时段内趋势的变化量。

步骤s5，对一阶差分向量δd中两个元素dk,dk+1，k＝1,2...,n-2；

如果相邻的两个元素值同时满足其中β^-<0,β⁺>0，此两个变量是设定值，可依据经验确定，说明sk+1<sk,sk+2>sk+1，即tk～tk+1与tk+1～tk+2两个时段内趋势是相反的，那么则tk～tk+1与tk+1～tk+2不属于同一个时段，两个时段内的趋势分别为sk和sk+1；否则tk～tk+1与tk+1～tk+2划分至同一个时段，该时段内的趋势项为

重复以上过程直至判断完一阶差分向量中所有元素，以此完成时段的划分。

图2为图1中显示的负荷曲线利用l1正则化时段划分结果，可见，总共有4个时段分割点，时段由5部分组成。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种电压无功调控时段划分装置，包括：

日负荷数据获取模块，用于获取变电站日负荷数据{p(ti)}，其中p(ti)为ti时刻变电站的负荷值，i＝1,2...,n，n为日负荷采样点数；

目标函数建立模块，记si为ti～ti+1时间段内对应的趋势项，建立以所有负荷值与趋势项差值的平方和最小以及趋势项二次差分的1范数最小为目标的目标函数；

趋势项序列计算模块，用于求解上述目标函数，得到趋势项序列s＝[s1,s2,...,sn]^t；

差分向量计算模块，用于计算序列s的一阶差分，得到一阶差分向量；

时段划分模块，用于根据一阶差分向量中相邻两个元素值，来判断对应两个时间段是否属于同一个时段，以完成时段的划分。

优选的，目标函数建立模块中，建立目标函数如下：

其中，λ是规则化参数，d∈r^n×n是一个二次差分矩阵。

优选的，差分向量计算模块中，一阶差分向量δd中元素计算公式为di＝si+1-si，di代表ti+1～ti+2到ti～ti+1两个时段内趋势的变化量。

优选的，时段划分模块中，时段划分的具体过程为：对于一阶差分向量δd中任意相邻两个元素dk,dk+1，k＝1,2...,n-2；

如果相邻的两个元素值同时满足其中β^-<0,β⁺>0，则判定tk～tk+1与tk+1～tk+2不属于同一个时段，两个时段内的趋势分别为sk和sk+1；否则tk～tk+1与tk+1～tk+2划分至同一个时段，该时段内的趋势项为

重复以上过程直至判断完一阶差分向量中所有元素。

基于同一发明构思，本发明还提供了一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述电压无功调控时段划分方法。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。