基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常用電數(shù)據(jù)檢測(cè)方法

王婧驊，崔璨，張?jiān)骑w，段玉瑋，趙婉茹

（國(guó)網(wǎng)上海市電力公司，上海 200030）

隨著電力網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍的擴(kuò)大，個(gè)別電量節(jié)點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)明顯的異常耗電行為[1]，這也是導(dǎo)致異常用電數(shù)據(jù)出現(xiàn)的主要原因。為了構(gòu)建更加穩(wěn)定的電量供應(yīng)環(huán)境，相關(guān)的異常用電數(shù)據(jù)檢測(cè)方法引起了學(xué)者的關(guān)注?；陔p向長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常用電數(shù)據(jù)檢測(cè)方法可以針對(duì)不同配電節(jié)點(diǎn)處的電信號(hào)消耗量進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，但由于電量壓差的存在，由異常用電數(shù)據(jù)造成的電能消耗過量情況并不能得到有效緩解[2]。

循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以序列數(shù)據(jù)作為輸入樣本的遞歸型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系。在循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，輸入樣本的遞歸方向始終與序列數(shù)據(jù)的演進(jìn)方向保持一致，且所有循環(huán)節(jié)點(diǎn)單元之間的連接關(guān)系都符合按鍵式原則[3]。與其他類型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相比，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有參數(shù)共享、信息完備、記憶能力強(qiáng)等多項(xiàng)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，因此在排列非線性序列數(shù)據(jù)時(shí)，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以在保障信息參量傳輸完整性的同時(shí)，控制單元節(jié)點(diǎn)組織之間的遞歸關(guān)系[4]。在實(shí)際應(yīng)用過程中，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建需要門結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)信息序列的共同配合，前者負(fù)責(zé)對(duì)信息參量的傳輸能力進(jìn)行判別，而后者則可以通過映射集合的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息參量的轉(zhuǎn)存與處理。為此，該文設(shè)計(jì)基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常用電數(shù)據(jù)檢測(cè)方法，并通過比對(duì)實(shí)驗(yàn)的方式，驗(yàn)證該方法的實(shí)際應(yīng)用能力。

1 異常用電數(shù)據(jù)特征提取

針對(duì)異常用電數(shù)據(jù)特征的提取，以構(gòu)建循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，可以通過求解竊電系數(shù)指標(biāo)的方式，得到準(zhǔn)確的電量壓差計(jì)算結(jié)果。

1.1 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于電力系統(tǒng)而言，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)遵循由左至右的連接原則，在輸入支路中，用電數(shù)據(jù)具有循環(huán)傳輸?shù)哪芰?，?dāng)數(shù)據(jù)樣本所包含信息滿足循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)篩選原則時(shí)，已輸入信息參量則可以借助傳輸支路流向下級(jí)顯示節(jié)點(diǎn)；而當(dāng)數(shù)據(jù)樣本所包含信息不滿足循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)篩選原則時(shí)，已輸入信息參量則會(huì)被再次反饋回輸入節(jié)點(diǎn)[5]。完整的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在傳輸用電數(shù)據(jù)的過程中，輸入節(jié)點(diǎn)對(duì)于信息參量的錄入并不會(huì)停止，但由于循環(huán)結(jié)構(gòu)的存在，所有被錄入信息都會(huì)暫時(shí)存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)組織中，當(dāng)下級(jí)顯示節(jié)點(diǎn)發(fā)出明顯的傳輸指令時(shí)，這些數(shù)據(jù)信息參量才會(huì)經(jīng)由傳輸通路進(jìn)入下級(jí)顯示支路[6]。

1.2 竊電系數(shù)

在電力系統(tǒng)環(huán)境中，竊電系數(shù)的取值越大，表示循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需轉(zhuǎn)運(yùn)的異常用電數(shù)據(jù)參量越多。由于異常用電行為的發(fā)生并不受到電力網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積的直接影響，因此在求解竊電系數(shù)時(shí)，還需對(duì)電量敏感度、點(diǎn)電荷強(qiáng)度兩項(xiàng)參量的取值結(jié)果進(jìn)行判別[7-8]。

電量敏感度常表示為χ，在存在異常用電行為的電力系統(tǒng)中，該項(xiàng)指標(biāo)參量的取值屬于(0,1] 的區(qū)間。點(diǎn)電荷強(qiáng)度常表示為w，規(guī)定當(dāng)該項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)的取值等于“1”時(shí)，竊電系數(shù)參量才有可能取得最小值。

竊電系數(shù)求解表達(dá)式如下：

式中，qmin表示點(diǎn)電荷的最小帶電量，qmax表示點(diǎn)電荷的最大帶電量，δ表示異常用電數(shù)據(jù)的傳輸方向系數(shù)。電力系統(tǒng)環(huán)境中的用電數(shù)據(jù)信息不存在反向傳輸?shù)目赡?，所需系?shù)δ的取值恒大于零。

1.3 電量壓差

電量壓差指標(biāo)決定了異常用電數(shù)據(jù)在電力系統(tǒng)中的傳輸能力。在已知竊電系數(shù)取值的前提下，電網(wǎng)主機(jī)可以根據(jù)電量壓差的數(shù)值水平，判斷異常用電數(shù)據(jù)的傳輸能力[9]。通常情況下，若電量壓差大于零，則表示電網(wǎng)主機(jī)對(duì)于異常用電數(shù)據(jù)的處理能力較強(qiáng)，此時(shí)所得檢測(cè)結(jié)果的可參考價(jià)值也就相對(duì)較強(qiáng)；反之，若電量壓差小于零，則表示電網(wǎng)主機(jī)對(duì)于異常用電數(shù)據(jù)的處理能力較弱，此時(shí)所得檢測(cè)結(jié)果也就不具備參考價(jià)值[10]。

設(shè)α表示電量信號(hào)參考系數(shù)，e表示基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常用電數(shù)據(jù)篩選系數(shù)，其取值范圍為[1,E]，可將基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電量壓差表示為：

其中，re表示異常用電數(shù)據(jù)賦值，β表示電量信號(hào)選值系數(shù)，U表示電壓數(shù)值，I表示電流數(shù)值。為保證電量壓差始終大于零，在求解式（2）時(shí)，要求系數(shù)re也必須大于零，由此提取異常用電數(shù)據(jù)特征。

2 檢測(cè)方法建模

在循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系的支持下，按照異常數(shù)據(jù)樣本集合建立、缺失數(shù)據(jù)填充、檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算的處理流程，完成異常用電數(shù)據(jù)檢測(cè)方法的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

2.1 異常數(shù)據(jù)樣本集合建立

異常數(shù)據(jù)樣本集合是包含全部異常用電數(shù)據(jù)的信息空間，對(duì)于電網(wǎng)主機(jī)設(shè)備而言，在實(shí)施數(shù)據(jù)參量檢測(cè)時(shí)，要求所有樣本指標(biāo)都必須來源于初始數(shù)據(jù)集合。隨著異常用電數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量的增大，樣本集合空間中承載的信息參量也會(huì)逐漸增大，但為避免錯(cuò)誤檢測(cè)行為的出現(xiàn)，在建立樣本集合時(shí)，還需注重相關(guān)參量指標(biāo)之間的數(shù)值配比關(guān)系[11-12]。

設(shè)p1,p2,…,pn表示n個(gè)不同的異常用電數(shù)據(jù)樣本定義指標(biāo)，且p1,p2,…,pn≥1 的不等式條件同時(shí)成立，φ表示異常數(shù)據(jù)樣本集合中一個(gè)隨機(jī)變量。

電力網(wǎng)絡(luò)異常數(shù)據(jù)樣本集合定義式為：

式中，λ表示基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常用電數(shù)據(jù)檢測(cè)編碼系數(shù)。由于異常數(shù)據(jù)樣本集合必須適應(yīng)電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀態(tài)，所以在求解集合表達(dá)式時(shí)，φ系數(shù)取值結(jié)果不可能為零。

2.2 缺失數(shù)據(jù)填充

缺失數(shù)據(jù)填充處理能夠?qū)惓Ｓ秒姅?shù)據(jù)參量從檢測(cè)信息序列中提取處理，并可以根據(jù)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)所處位置，補(bǔ)足異常用電數(shù)據(jù)信息的不完整部分，一方面確保循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以獲得足量的待提取信息，另一方面也可以避免數(shù)據(jù)參量堆積行為的出現(xiàn)[13-14]。進(jìn)行缺失數(shù)據(jù)填充處理時(shí)，要求所選取信息標(biāo)記系數(shù)必須屬于異常數(shù)據(jù)樣本集合P。

設(shè)v1、v2表示異常數(shù)據(jù)樣本集合P中兩個(gè)非零標(biāo)記系數(shù)，且v1≠v2的不等式條件恒成立，m表示缺失數(shù)據(jù)定位系數(shù)，c表示填充指令的初始執(zhí)行賦值條件，gm表示基于系數(shù)m的檢測(cè)數(shù)據(jù)處理向量，gc表示基于賦值條件c的檢測(cè)數(shù)據(jù)處理向量。

基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常用電缺失數(shù)據(jù)填充處理表達(dá)式為：

隨著異常用電數(shù)據(jù)累積量的增大，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息節(jié)點(diǎn)缺失量也會(huì)不斷增大，此時(shí)為使所得數(shù)據(jù)檢測(cè)結(jié)果能夠準(zhǔn)確反映出電力網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃特質(zhì)，在求解缺失數(shù)據(jù)填充處理表達(dá)式時(shí)，應(yīng)控制系數(shù)c的取值恒大于自然數(shù)“1”。

2.3 檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)決定了循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系對(duì)于異常用電數(shù)據(jù)的檢測(cè)與處理能力，在已知缺失數(shù)據(jù)填充處理原則的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)數(shù)據(jù)參量標(biāo)注均值、信息指標(biāo)識(shí)別量化差值等多項(xiàng)物理系數(shù)的取值結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的準(zhǔn)確計(jì)算[15-16]。數(shù)據(jù)參量標(biāo)注均值常表示為，信息指標(biāo)識(shí)別量化差值常表示為ξ，在不考慮其他干擾條件的情況下，上述兩項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)取值恒大于零。

檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算表達(dá)式為：

其中，?表示異常用電數(shù)據(jù)的循環(huán)傳輸次數(shù)。根據(jù)檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果，對(duì)異常用電數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)電能消耗量的有效控制。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在電力網(wǎng)絡(luò)中，由異常用電數(shù)據(jù)造成的電能消耗行為可以影響電量供應(yīng)環(huán)境的穩(wěn)定性水平。若確保已接入用電裝置不會(huì)發(fā)生過載行為，則可認(rèn)為由異常用電數(shù)據(jù)造成的電能消耗量越大，電力網(wǎng)絡(luò)中電量信號(hào)的傳輸穩(wěn)定性也就越差。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

實(shí)驗(yàn)所選取設(shè)備的具體型號(hào)及相關(guān)電量指標(biāo)的數(shù)值如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

基于表1 的參數(shù)設(shè)置，確定實(shí)驗(yàn)的具體執(zhí)行流程如下：

步驟一：閉合電路管控開關(guān)，調(diào)節(jié)電信號(hào)觸發(fā)器使得用電數(shù)據(jù)傳輸行為趨于穩(wěn)定；

步驟二：利用基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常用電數(shù)據(jù)檢測(cè)方法控制SCB-10 型變壓器設(shè)備，選取已輸出用電數(shù)據(jù)中的異常信息參量，記錄在已選取異常用電數(shù)據(jù)作用下，電力網(wǎng)絡(luò)電能消耗量數(shù)值的變化情況，將所得數(shù)據(jù)記為實(shí)驗(yàn)組變量；

步驟三：將電路及電網(wǎng)設(shè)備恢復(fù)至初始連接狀態(tài)；

步驟四：利用基于雙向長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)方法控制SCB-10 型變壓器設(shè)備，重復(fù)步驟二的后半部分執(zhí)行流程，將所得數(shù)據(jù)記為對(duì)照組變量；

步驟五：對(duì)比實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組變量數(shù)據(jù)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律。

依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)流程，將實(shí)驗(yàn)分為兩部分進(jìn)行：第一部分為記錄異常用電數(shù)據(jù)順向傳輸過程中，電能消耗量的數(shù)值變化情況；第二部分為記錄異常用電數(shù)據(jù)逆向傳輸過程中，電能消耗量的數(shù)值變化情況。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將基于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的異常用電數(shù)據(jù)檢測(cè)方法設(shè)定為實(shí)驗(yàn)組，將基于雙向長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的配網(wǎng)電壓異常數(shù)據(jù)檢測(cè)方法設(shè)定為對(duì)照組，測(cè)試實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組異常用電數(shù)據(jù)檢測(cè)過程中的電能。順向傳輸和逆向傳輸?shù)慕Y(jié)果分別如圖2、圖3 所示。

圖2 電能消耗量（順向傳輸）

圖3 電能消耗量（逆向傳輸）

分析圖2 可知，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組電能消耗量都呈現(xiàn)出不斷上升的數(shù)值變化狀態(tài)，然而對(duì)照組數(shù)值的單位上升幅度明顯大于實(shí)驗(yàn)組。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)組電能消耗量最大值僅能達(dá)到2.0×108kW·h，而對(duì)照組最大值達(dá)到了2.9×108kW·h，高于實(shí)驗(yàn)組極值水平。

分析圖3 可知，實(shí)驗(yàn)組、對(duì)照組電能消耗量隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)而上升，且由于異常用電數(shù)據(jù)逆向傳輸行為所造成的電能消耗量均值相較于順向傳輸時(shí)略高。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)組電能消耗量最大值為3.2×108kW·h，低于對(duì)照組最大值3.8×108kW·h。

綜上可知，循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)方法的應(yīng)用，可以有效解決由異常用電數(shù)據(jù)順向傳輸行為、逆向傳輸行為造成的電能消耗量過大的問題。隨著循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，電能消耗量出現(xiàn)了明顯減小的數(shù)值變化狀態(tài)，符合構(gòu)建穩(wěn)定電量供應(yīng)環(huán)境的實(shí)際應(yīng)用需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

異常用電數(shù)據(jù)檢測(cè)方法在循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的支持下，通過準(zhǔn)確求解竊電系數(shù)與電量壓差的方式，建立完整的異常數(shù)據(jù)樣本集合，根據(jù)缺失數(shù)據(jù)填充處理原則，得到檢測(cè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的具體計(jì)算數(shù)值。所提出方法在循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)體系的作用下，由異常用電數(shù)據(jù)造成的電能消耗過量問題得到了妥善解決，在構(gòu)建穩(wěn)定電量供應(yīng)環(huán)境方面具有一定的促進(jìn)作用。