基于LightGBM分类和潮流计算的配变档位识别方法、系统及装置与流程

本发明属于配电网配变档位识别，具体涉及一种基于lightgbm分类和潮流计算的配变档位识别方法、系统及装置。

背景技术：

1、台区电压合格率是衡量电能质量的主要标准之一，是作为考核台区电压质量的标准。根据赋能基层专项调研反馈，近年来随着用电用户数量不断增加，用电负荷的波动变化越来越快，电压波动也随之增加。部分地区存在配电线路电压波动较大，需频繁进行配电变压器（简称配变）调档。而pms（设备资产精益管理）系统维护配变档位数据质量差，台区运维人员需要停电去现场检查配变实际档位再制定调档方案，进一步增加了配变电压调节压力与难度。

2、目前，发明专利“基于指数型非线性回归的配电变压器档位识别方法及系统”（公告号：cn113691174b）提出了基于指数型非线性回归的配电变压器档位识别方法及系统，利用配变日电压曲线归一化处理后划分电压区间进行档位计算。发明专利“基于双侧电流测量的配电变压器档位识别方法”（公开号：cn117517754a）提出了基于双侧电流测量的配电变压器档位识别方法，需安装电流互感器并计算配电变压器一二次电流比值法判断出三相平衡状态下的变压器档位。现有技术只是采用统计方法或安装装置的方式简单计算配变档位，算法较不准确，安装装置也不便捷，也没有识别配变是否调档。

3、因此，研究一种能够快速、准确、便捷地识别出配变是否调档并计算出配变具体档位的方法及相关技术具有重要的应用价值，为配变档位设置与调整精益管控提供数据支撑，可帮助台区运维人员提前掌握配变档位及时制定调档方案，提高配变调档管理水平，促进台区电压合格率的提升。

技术实现思路

1、发明目的：为解决当前配变频繁调档、配变档位维护数据质量差、配变逢调必停执行难度大的问题，本发明提出一种基于lightgbm分类和潮流计算的配变档位识别方法、系统及装置，基于lightgbm分类和潮流计算方法快速、准确、便捷地识别出配变是否调档并计算出配变具体档位。

2、技术方案：第一方面，一种基于lightgbm分类和潮流计算的配变档位识别方法，包括以下步骤：

3、步骤1：获取待诊断线路的拓扑结构、配变台账、线路参数、配变参数、电气距离数据；以及获取线路的量测数据、配变的量测数据和中低压停电事件；所述配变位于待诊断线路上；

4、步骤2：根据获取的数据提取特征指标，包括：配变是否存在短时停电、配变电压一阶差分变异系数、线路与配变电压比值最大均值差、配变与线路电压相关系数、配变功率因数极差、配变与相邻配变电压比值标准差；

5、步骤3：将提取的特征指标输入到基于lightgbm分类算法的配变调档识别模型中，识别配变是否疑似调档，若配变疑似调档且配变所属线路未发生转供，则该配变为调档配变，否则该配变为未调档配变；

6、步骤4：利用基于潮流计算的配变档位计算方法计算出配变时刻档位，对于调档配变，根据配变时刻档位计算配变调档时间点和配变调档前后的档位；对于未调档配变，根据配变时刻档位计算配变当前档位。

7、进一步的，根据获取的数据提取特征指标，包括：配变是否存在短时停电、配变电压一阶差分变异系数、线路与配变电压比值最大均值差、配变与线路电压相关系数、配变功率因数极差、配变与相邻配变电压比值标准差，具体指标计算如下：

8、配变是否存在短时停电：根据配变中低压停电事件，包括配变停电事件和配变下级的用户停电事件，若配变或配变下级用户存在短时停电，其中短时停电指当日停复电时长小于阈值，则配变存在短时停电，否则配变不存在短时停电；将配变是否存在短时停电作为配变是否存在短时停电的指标；第个配变否存在短时停电指标计算公式如下：

9、，

10、配变电压一阶差分变异系数：根据配变电压量测数据，计算配变电压的一阶差分，然后计算配变电压一阶差分的标准差和均值，将标准差和均值的比值作为配变电压一阶差分变异系数指标；第个配变电压一阶差分变异系数指标具体计算过程如下：

11、获取第个配变在时间段内等间距采样的电压量测数据，且采样时间点为，时间间隔均为，计算配变电压的一阶差分为：

12、，

13、式中，表示第个配变在第个时刻的电压一阶差分，计算公式如下：

14、，

15、式中，表示第个配变在第个时刻的电压；

16、计算配变电压一阶差分的标准差和均值，计算公式如下：

17、，

18、，

19、将上述标准差和均值的比值作为第个配变的电压一阶差分变异系数指标，计算公式如下：

20、，

21、线路与配变电压比值最大均值差：根据配变电压量测数据和线路电压量测数据，计算每个时刻的线路电压与配变电压的比值，然后计算线路电压与配变电压的比值一阶差分，取线路电压与配变电压的比值一阶差分绝对值最大时刻，分别计算该最大时刻前后的线路电压与配变电压的比值平均值，将该最大时刻前后的线路电压与配变电压的比值平均值差值绝对值作为线路与配变电压比值最大均值差指标；第个配变的线路与配变电压比值最大均值差指标具体计算过程如下：

22、获取第个配变电压量测数据和第个配变所属线路电压量测数据，计算每个时刻的线路电压与配变电压的比值为：

23、，

24、式中，表示第个配变的线路电压与配变电压的比值，计算公式如下：

25、，

26、式中，、分别表示第个配变在第个时刻的配变电压和所属线路电压；

27、计算线路电压与配变电压的比值一阶差分为：

28、，

29、式中，表示第个配变在第个时刻的线路电压与配变电压的比值一阶差分，计算公式如下：

30、，

31、计算线路电压与配变电压的比值一阶差分绝对值最大值对应的时刻为：

32、，

33、分别计算该最大时刻前后的线路电压与配变电压的比值平均值为：

34、，

35、，

36、式中，、分别为第个配变在最大时刻前线路电压与配变电压的比值平均值、最大时刻后线路电压与配变电压的比值平均值；为第个配变在最大时刻对应的采样点序号；

37、将上述最大时刻前后的线路电压与配变电压的比值平均值差值绝对值作为第个配变的线路与配变电压比值最大均值差指标，计算公式如下：

38、，

39、配变与线路电压相关系数：根据配变电压量测数据和线路电压量测数据，利用pearson相关系数公式计算配变电压与线路电压的相关系数，作为配变与线路电压相关系数指标；第个配变的配变与线路电压相关系数指标计算公式如下：

40、，

41、其中，为第个配变与所属线路的电压相关系数，、分别为第个配变和所属线路的电压平均值，、为第个配变第个时刻的配变电压和所属线路电压；

42、配变功率因数极差：根据配变有功功率和无功功率数据，将有功功率和无功功率的平方和的平方根作为视在功率，利用有功功率除以视在功率计算出配变每个时刻功率因数，将配变功率因数的最大值和最小值的差值作为配变功率因数极差指标；第个配变的功率因数极差指标具体计算过程如下：

43、获取第个配变在时间段内的有功功率量测序列为：

44、，

45、式中，、分别表示第个配变的有功功率量测序列和第个配变在第个时刻的有功功率；

46、获取第个配变在时间段内的无功功率量测序列为：

47、，

48、式中，、分别表示第个配变的无功功率量测序列和第个配变在第个时刻的无功功率；

49、将有功功率和无功功率的平方和的平方根作为视在功率，利用有功功率除以视在功率计算出配变每个时刻功率因数，第个配变的功率因数序列为：

50、，

51、式中，表示第个配变在第个时刻的功率因数，计算公式如下：

52、，

53、将第个配变功率因数的最大值和最小值的差值作为第个配变功率因数极差指标，计算公式如下：

54、，

55、配变与相邻配变电压比值标准差：根据线路下所有配变电压数据和电气距离数据，循环计算配变与线路下其他配变的电气距离，筛选出配变与其他配变距离最小的那个配变，将配变电压与距离最小的配变电压的比值的标准差作为配变与相邻配变电压比值标准差指标；第个配变的配变与相邻配变电压比值标准差指标具体计算过程如下：

56、获取线路下个配变电气距离数据，循环计算第个配变与线路下其他配变的电气距离，筛选出第个配变与其他配变距离最小的那个配变；

57、获取第个配变和第个配变的电压数据，将第个配变电压与距离最小的第个配变电压的比值的标准差作为配变与相邻配变电压比值标准差指标，计算公式如下：

58、，

59、式中，为第个配变电压在第个时刻与距离最小的第个配变电压的比值；为第个配变电压与距离最小的第个配变电压的比值的平均值；的计算公式如下：

60、，

61、式中，、为第个配变第个时刻的配变电压和距离最小的第个配变电压；、分别为第个配变和距离最小的第个配变的额定电压。

62、进一步的，所述将提取的特征指标输入到基于lightgbm分类算法的配变调档识别模型中，识别配变是否疑似调档，若配变疑似调档且配变所属线路未发生转供，则该配变为调档配变，否则该配变为未调档配变，具体步骤如下：

63、步骤s31：利用lightgbm分类算法进行配变调档识别模型训练，包括：

64、采用随机划分方法选取历史样本数据集中一部分样本作为训练集，剩余样本作为测试集，将训练集中配变的特征指标作为模型输入，将配变是否调档作为模型输出，利用lightgbm分类算法进行配变调档识别模型训练，该模型后续简称lightgbm配变调档识别模型；

65、利用测试集评估分类模型的识别准确率，采用精准率和召回率调和平均数的分数进行评估，直到分数超过阈值，保存训练好的lightgbm配变调档识别模型；其中分数的定义如下：

66、，

67、式中，为将实际为配变调档且预测为配变调档的个数；为将实际为配变未调档且预测为配变调档的个数；为将实际为配变调档且预测为配变未调档的个数；

68、步骤s32：将提取的特征指标输入到训练好的lightgbm配变调档识别模型中，识别配变是否疑似调档；

69、步骤s33：若配变疑似调档且配变所属线路未发生转供，则该配变为调档配变；若配变疑似调档但配变所属线路发生转供，则该配变为未调档配变；若配变疑似未调档，则该配变为未调档配变。其中线路是否发生转供可以参考发明专利“一种中压配电网转供操作识别方法、装置以及设备”（公开号：cn113642601a）中的转供操作识别方法进行判断。

70、进一步的，所述利用基于潮流计算的配变档位计算方法计算出配变时刻档位，具体步骤包括：

71、步骤a：对配变所属线路进行潮流计算，若线路首端功率偏差率低于阈值，则将潮流计算估算出的配变高压侧电压作为配变高压侧电压估算值；若线路首端功率偏差率高于阈值，则利用电气距离数据获取配变最近的高供高计配变，将配变最近的高供高计配变电压作为配变高压侧电压估算值；

72、步骤b：利用配变高压侧电压估算值与配变低压侧电压实际值的相关系数进行时钟偏移，将配变高压侧电压估算值标准化与时钟偏移后的配变低压侧电压实际值标准化的比值作为配变时刻变比；

73、步骤c：对历史变比与档位数据进行高斯分布验证，给出档位变比分级范围，对配变时刻变比曲线进行平滑处理，根据档位变比分级范围进行归档，计算出配变时刻档位。

74、进一步的，所述对配变所属线路进行潮流计算，若线路首端功率偏差率低于阈值，则将潮流计算估算出的配变高压侧电压作为配变高压侧电压估算值；若线路首端功率偏差率高于阈值，则利用电气距离数据获取配变最近的高供高计配变，将配变最近的高供高计配变电压作为配变高压侧电压估算值，具体步骤包括：

75、获取配变所属线路的拓扑结构、线路参数、配变参数、量测数据，利用前推回代方法进行潮流计算，估算出线路所有节点的电压估算值和功率估算值；

76、将线路首端功率实测值与线路首端功率估算值都除以线路额定功率进行标准化，再利用标准化后的线路首端功率实测值和估算值的平均绝对误差计算出线路首端功率偏差率；线路首端功率偏差率的计算公式如下：

77、，

78、式中，为线路首端功率偏差率，为线路的额定功率，和为第个采样点的线路首端功率实测值和估算值，表示数据时间段内的采样点个数；

79、若线路首端功率偏差率低于阈值，则将潮流计算估算出的配变高压侧电压作为配变高压侧电压估算值；

80、若线路首端功率偏差率高于阈值，获取线路下所有节点电气距离数据，循环计算配变与线路下所有高供高计配变的电气距离，筛选出电气距离最小的高供高计配变作为配变最近的高供高计配变；将配变最近的高供高计配变的电压作为配变高压侧电压估算值。

81、进一步的，所述利用配变高压侧电压估算值与配变低压侧电压实际值的相关系数进行时钟偏移，将配变高压侧电压估算值标准化与时钟偏移后的配变低压侧电压实际值标准化的比值作为配变时刻变比，具体步骤包括：

82、假设对第个配变低压侧电压实际值进行时钟偏移的偏移量为，计算第个配变高压侧电压估算值与时钟偏移后的配变低压侧电压实际值的相关系数，计算公式如下：

83、，

84、其中，为第个配变高压侧电压估算值与时钟偏移后的配变低压侧电压实际值的相关系数，、分别为第个配变低压侧电压实际值和第个配变高压侧电压估算值的平均值，、分别为第个配变低压侧电压实际值和第个配变高压侧电压估算值，取值范围为0、1、-1、2、-2，分别代表对配变低压侧电压实际值不偏移、向后偏移1个时刻点、向前偏移1个时刻点、向后偏移2个时刻点、向前偏移2个时刻点；

85、若相关系数大于等于阈值，则对第个配变低压侧电压实际值不进行时钟偏移；

86、若相关系数小于阈值，则对第个配变低压侧电压实际值向后偏移1个时刻点、向前偏移1个时刻点、向后偏移2个时刻点、向前偏移2个时刻点，分别计算配变高压侧电压估算值与时钟偏移后的配变低压侧电压实际值的相关系数、、、，取、、、、最大值对应的偏移量，记为；

87、将配变高压侧电压估算值标准化与时钟偏移后的配变低压侧电压实际值标准化的比值作为配变时刻变比；

88、第个配变在第个时刻的变比计算公式如下：

89、，

90、式中，为第个配变在第个时刻的变比，、分别为第个配变的额定电压和第个配变高压侧电压估算值对应的额定电压，、分别为时钟偏移后的第个配变低压侧电压实际值和第个配变高压侧电压估算值。

91、进一步的，所述对历史变比与档位数据进行高斯分布验证，给出档位变比分级范围，对配变时刻变比曲线进行平滑处理，根据档位变比分级范围进行归档，计算出配变时刻档位，具体步骤包括：

92、对历史变比与档位数据进行高斯分布验证，变比和档位的关系服从高斯分布；

93、按高斯分布中3sigma原则，给出每个档位对应的变比分级范围；

94、利用中值滤波方法对配变时刻变比曲线的平滑处理，排除配变变比曲线的异常点和噪音；

95、根据档位变比分级范围进行归档，计算出配变时刻档位。

96、进一步的，所述对于调档配变，根据配变时刻档位计算配变调档时间点和配变调档前后的档位，具体步骤如下：

97、根据基于潮流计算的配变档位计算方法的计算结果，第个配变在时间段内的时刻档位为：，式中，为第个配变在第个时刻的档位；

98、计算配变各时刻档位的一阶差分，将配变档位一阶差分的绝对值最大值对应的时刻点作为配变调档时间点，第个配变调档时间点的计算公式为：，式中，表示第个配变在第个时刻档位的一阶差分；将配变调档时间点前的配变时刻档位平均值取整作为配变调档前的档位，将配变调档时间点后的配变时刻档位平均值取整作为配变调档后的档位。第个配变的配变调档前的档位、配变调档后的档位分别为：

99、，

100、，

101、式中，、分别为第个配变在调档时间点前后的档位平均值四舍五入取整；为第个配变在最大时刻对应的采样点序号。

102、进一步的，所述对于未调档配变，根据配变时刻档位计算配变当前档位，具体步骤如下：

103、未调档配变包括两种情况：配变疑似未调档，以及配变疑似调档且配变所属线路发生转供；

104、若配变疑似未调档，则将配变时刻档位平均值取整作为配变当前档位；第个配变的当前档位为：

105、，

106、式中，为第个配变在时间段内的时刻档位平均值四舍五入取整；

107、若配变疑似调档且配变所属线路发生转供，则将配变档位一阶差分的绝对值最大值对应的时刻点前的档位平均值取整作为配变当前档位。第个配变的当前档位为：

108、，

109、式中，为第个配变在配变档位一阶差分的绝对值最大值对应的时刻点前的档位平均值四舍五入取整；为第个配变在最大时刻对应的采样点序号。

110、第二方面，一种基于lightgbm分类和潮流计算的配变档位识别系统，包括：

111、数据获取模块，获取待诊断线路的拓扑结构、配变台账、线路参数、配变参数、电气距离数据；以及获取线路的量测数据、配变的量测数据和中低压停电事件；所述配变位于待诊断线路上；

112、特征提取模块，根据获取的数据提取特征指标，包括：配变是否存在短时停电、配变电压一阶差分变异系数、线路与配变电压比值最大均值差、配变与线路电压相关系数、配变功率因数极差、配变与相邻配变电压比值标准差；

113、调档识别模块，将提取的特征指标输入到基于lightgbm分类算法的配变调档识别模型中，识别配变是否疑似调档，若配变疑似调档且配变所属线路未发生转供，则该配变为调档配变，否则该配变为未调档配变；

114、档位计算模块，利用基于潮流计算的配变档位计算方法计算出配变时刻档位，对于调档配变，根据配变时刻档位计算配变调档时间点和配变调档前后的档位；对于未调档配变，根据配变时刻档位计算配变当前档位。

115、第三方面，提供一种计算机装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如第一方面所述的基于lightgbm分类和潮流计算的配变档位识别方法的步骤。

116、第四方面，提供一种存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时实现如第一方面所述的基于lightgbm分类和潮流计算的配变档位识别方法的步骤。

117、本发明具有以下有益效果：

118、（1）本发明提出了基于lightgbm分类和潮流计算的配变档位识别方法，能够识别出配变是否调档并计算出配变具体档位，为配变档位设置与调整精益管控提供数据支撑；

119、（2）本发明利用lightgbm分类算法进行配变调档识别，大大提高配变调档诊断的准确率，相比于现有的识别方法，本发明能够快速、准确、便捷地识别出配变是否调档；

120、（3）本发明提出了基于潮流计算的配变档位计算方法，能够准确计算出配变时刻档位，进而计算出配变当前档位和配变调档前后档位，可解决配变档位维护数据质量差问题；

121、（4）本发明计算简单，原理明确，可实现配变调档识别和档位计算，帮助运维人员提前掌握配变档位及时制定调档方案，提供了配变调档管理有力抓手，具有良好的应用前景。