如今是大數(shù)據(jù)時代，大數(shù)據(jù)的價值被越來越多的人所認(rèn)知與關(guān)注。大數(shù)據(jù)對于電力系統(tǒng)來說既是機遇，也是挑戰(zhàn)。本文基于大數(shù)據(jù)中側(cè)重相關(guān)分析的思想，運用數(shù)據(jù)挖掘中皮爾遜關(guān)聯(lián)分析法分析電能質(zhì)量各項監(jiān)測數(shù)據(jù)與電容器組故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)的相關(guān)性，分析的結(jié)果表明電壓偏差和諧波電壓畸變率與電容器組故障的相關(guān)性最大，在各次諧波中三次諧波與電容器組故障的相關(guān)性最大，與普遍認(rèn)知一致，從而驗證了大數(shù)據(jù)相關(guān)分析在電力系統(tǒng)中運用的有效性。

引言

中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要（簡稱“十三五”規(guī)劃（2016－2020年））中提出：“實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，推進數(shù)據(jù)資源開放共享”。在這樣的背景下，大數(shù)據(jù)的應(yīng)用必然會越來越廣泛，創(chuàng)造的價值也必然會越來越多。然而，大數(shù)據(jù)帶來的不僅僅是機遇，還有挑戰(zhàn)。大數(shù)據(jù)帶來的挑戰(zhàn)不僅僅存在于技術(shù)方面，更重要的是思想方法和思維方式的變革。

大數(shù)據(jù)更側(cè)重相關(guān)關(guān)系的分析，而非因果關(guān)系，這是大數(shù)據(jù)帶來的挑戰(zhàn)之一。當(dāng)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)或物理模型不明確時，這一側(cè)重關(guān)聯(lián)分析的思想尤其有效，不同類別數(shù)據(jù)交叉關(guān)聯(lián)分析不僅能完成從數(shù)據(jù)到有用信息的轉(zhuǎn)化，完成數(shù)據(jù)分析與挖掘的基本工作，而且能避免數(shù)學(xué)或物理模型不確定所帶來的分析困難，提升數(shù)據(jù)的分析挖掘效率。因此，多類別數(shù)據(jù)交叉關(guān)聯(lián)分析是大數(shù)據(jù)思想的重要體現(xiàn)，是大數(shù)據(jù)分析的重要理念之一。

在每天的運行中電網(wǎng)內(nèi)部都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)主要包括以下三種類型：電網(wǎng)設(shè)備運行中的監(jiān)測數(shù)據(jù)、電網(wǎng)運營數(shù)據(jù)和電網(wǎng)管理數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)包括調(diào)度運行數(shù)據(jù)、設(shè)備故障與檢修數(shù)據(jù)和GIS數(shù)據(jù)等；運營數(shù)據(jù)包括電力市場數(shù)據(jù)和客戶服務(wù)數(shù)據(jù)等電網(wǎng)外部數(shù)據(jù)；管理數(shù)據(jù)包括電網(wǎng)內(nèi)部行政管理的一些數(shù)據(jù)。由于用戶直接與配電網(wǎng)打交道，因此配電網(wǎng)運營數(shù)據(jù)的數(shù)量至少是輸電網(wǎng)中運營數(shù)據(jù)的數(shù)量十倍以上。除了電網(wǎng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，電網(wǎng)外部數(shù)據(jù)諸如天氣數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)甚至日后的電動汽車GPS數(shù)據(jù)都會提供數(shù)量極大的數(shù)據(jù)以供分析和挖掘。

因此，運用大數(shù)據(jù)的方法對電網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析就顯得尤為重要。面對數(shù)量和維度都如此巨大的電網(wǎng)數(shù)據(jù)時，多變量交叉關(guān)聯(lián)分析更能凸顯出其優(yōu)越性。

目前，對電力系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的挖掘與分析仍處于單一類別的分析狀態(tài)，未將多類別數(shù)據(jù)聯(lián)合起來進行分析，導(dǎo)致很多有用的信息無法通過數(shù)據(jù)分析與挖掘得出。本文基于大數(shù)據(jù)中側(cè)重相關(guān)分析的思想方法，運用皮爾遜相關(guān)分析，對電網(wǎng)設(shè)備故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)和電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行大量交叉分組關(guān)聯(lián)分析，分析的結(jié)果表明在眾多電網(wǎng)設(shè)備中，電容器組故障與電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的相關(guān)性最強，而在眾多的電能質(zhì)量指標(biāo)中，電壓偏差與三次諧波電壓畸變率與電容器組故障的相關(guān)性最強，這與普遍認(rèn)知一致。因此，大數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析可以在電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)中完成從數(shù)據(jù)向有用信息的轉(zhuǎn)化，驗證了方法的有效性。

1 數(shù)據(jù)來源及關(guān)聯(lián)分析緯度

本文分析所用數(shù)據(jù)來源為2013年7月至2015年3月某市389個變電站的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和所有變電站統(tǒng)計的設(shè)備故障信息。設(shè)備故障數(shù)據(jù)主要包括110kV及以上變電站內(nèi)的主變、電容器、電抗器、開關(guān)、避雷器、電壓互感器、電流互感器、GIS設(shè)備、有載調(diào)壓器和套管等設(shè)備的故障記錄。每條記錄中都包含故障設(shè)備所屬變電站，故障發(fā)生時間，故障類型等信息。將電容器和電抗器歸為一類、電壓互感器和電流骨干其歸為一類，則統(tǒng)計數(shù)據(jù)中各種類型設(shè)備故障發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計如圖1所示，所有設(shè)備故障中電容器/電抗器發(fā)生故障的比重最大，達到42%。

電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)包括諧波電壓總畸變率、各次電壓諧波含有率、電壓偏差、電壓長時閃變和三相電壓不平衡度5個主要指標(biāo)，包含各個相別中各個指標(biāo)的最大值、平均值和95概率大值等。將上述兩組數(shù)據(jù)各個分量進行組合型關(guān)聯(lián)分析，關(guān)聯(lián)分析緯度如圖2所示。

2 關(guān)聯(lián)分析原理及其流程

2.1關(guān)聯(lián)分析原理

本文的關(guān)聯(lián)分析采用皮爾遜相關(guān)分析法，也稱為積差相關(guān)，是英國統(tǒng)計學(xué)家皮爾遜與20世紀(jì)提出的一種計算直線相關(guān)性的方法。其基本原理是假設(shè)存在兩個變量X，Y，那么兩變量的皮爾遜相關(guān)系數(shù)可以通過式（1）進行計算。

皮爾遜相關(guān)系數(shù)的范圍為[-1,1]，絕對值越接近1，相關(guān)性越強；絕對值越接近于0，相關(guān)性越弱，相關(guān)系數(shù)小于0時表示兩個變量呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)大于0時表示兩個變量呈正相關(guān)。一般皮爾遜系數(shù)大于0.2時，可認(rèn)為兩個變量之間存在相關(guān)性。

2.2關(guān)聯(lián)分析流程

對電網(wǎng)設(shè)備故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)與電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析時，首先需要分別對電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和電網(wǎng)設(shè)備故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

對電網(wǎng)設(shè)備故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)的預(yù)處理包括兩個步驟：

挑選出已安裝電能質(zhì)量監(jiān)測終端的變電站內(nèi)的設(shè)備故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)，并將各變電站內(nèi)的各類設(shè)備故障發(fā)生次數(shù)進行匯總；

將匯總得到的數(shù)據(jù)進行歸一化處理，變換至[0,1]之間；

由于電網(wǎng)設(shè)備故障是瞬時性的，而穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)是長期性的。本文針對電網(wǎng)設(shè)備發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計與電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，因此只能計及電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的空間特性，忽略時間特性。篩選出對應(yīng)設(shè)備發(fā)生故障變電站，并獲取其電能質(zhì)量監(jiān)測終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)，對監(jiān)測數(shù)據(jù)按以下步驟進行預(yù)處理：

整個監(jiān)測周期內(nèi)電能質(zhì)量監(jiān)測終端監(jiān)測得到的各電能質(zhì)量指標(biāo)最大值作為該變電站的電能質(zhì)量指標(biāo)最大值。

將電能質(zhì)量監(jiān)測終端按月統(tǒng)計的各電能質(zhì)量指標(biāo)平均值在整個監(jiān)測周期內(nèi)進行平均，獲得該變電站各電能質(zhì)量指標(biāo)的平均值。

整個監(jiān)測周期內(nèi)容電能質(zhì)量監(jiān)測終端按月統(tǒng)計的各電能質(zhì)量指標(biāo)95概率大值在整個監(jiān)測周期內(nèi)做95概率大值進行計算，作為該變電站各電能質(zhì)量指標(biāo)的95概率大值。

對以上三個步驟中計算出的各變電站中各電能質(zhì)量指標(biāo)值進行歸一化處理，將所有數(shù)據(jù)變換至[0,1]之間。

通過數(shù)據(jù)的預(yù)處理，電網(wǎng)設(shè)備故障次數(shù)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)和電能質(zhì)量監(jiān)測的各項電能質(zhì)量指標(biāo)均映射為[0,1]區(qū)間的數(shù)值

通過皮爾遜相關(guān)分析法計算變量間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，可獲得皮爾遜系數(shù)構(gòu)成的mxn維的關(guān)聯(lián)矩陣，如式（4）所示。

關(guān)聯(lián)矩陣關(guān)聯(lián)矩陣中皮爾遜相關(guān)系數(shù)大于0.3的兩個變量可以認(rèn)為具有相關(guān)性。

總結(jié)相關(guān)性分析流

電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的預(yù)處理按如下步驟進行：

設(shè)備故障數(shù)據(jù)的預(yù)處理按如下步驟進行：

將預(yù)處理后電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備故障數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布檢驗或單峰分布檢驗，若檢驗未通過則進行適當(dāng)?shù)淖儞Q使變換后的數(shù)據(jù)近似服從正態(tài)分布或單峰分布，縮小皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計算誤差。

將通過正態(tài)分布或單峰分布檢驗的電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)和設(shè)備故障數(shù)據(jù)按變電站進行配對，準(zhǔn)備計算各組數(shù)據(jù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)。

在完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理后，對各設(shè)備和各電能質(zhì)量指標(biāo)進行大范圍、多角度的皮爾遜關(guān)聯(lián)分析，由于分析過程較長，故較詳細(xì)的分析過程不能在文章中給出。分析結(jié)果表明，電容器組故障與電能質(zhì)量的相關(guān)性最強，因此，本文分析的重點放在電容器組故障與各電能質(zhì)量指標(biāo)相關(guān)性的分析。

3 關(guān)聯(lián)分析結(jié)果分析

3.1諧波電壓畸變率與電容/電抗器組故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)

計算諧波電壓各監(jiān)測項目與電容器組故障數(shù)據(jù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，各相諧波電壓監(jiān)測項目與電容器組故障數(shù)據(jù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計算結(jié)果如表3所示。

各次諧波電壓含有率的95概率大值與電容器組故障數(shù)據(jù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)的計算結(jié)果如表4所示。

對于表3，首先從皮爾遜相關(guān)系數(shù)的正負(fù)性這個角度來分析。各相諧波電壓的最大值、平均值與95概率大值都與電容器組故障數(shù)據(jù)呈正相關(guān)，而各相諧波電壓合格率與電容器組故障數(shù)據(jù)都呈負(fù)相關(guān)，這符合我們的一般認(rèn)知，說明計算結(jié)果合理、有效。其次從皮爾遜相關(guān)系數(shù)絕對值的大小這個角度來分析。我們可以看出，各相諧波電壓監(jiān)測項目中，諧波電壓最大值與電容器組故障數(shù)據(jù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)均為最小，95概率大值次之，平均值和合格率均大于之前二者，但平均值與合格率的相對大小因相別的不同而不同。

從皮爾遜相關(guān)系數(shù)的這個特征我們可以得出，電容器組故障對諧波電壓最大值不敏感，皮爾遜相關(guān)系數(shù)均小于0.1，從數(shù)據(jù)中無法得出二者存在相關(guān)性；而電容器組故障對諧波電壓的平均值和合格率較為敏感，皮爾遜相關(guān)系數(shù)的絕對值均在0.35左右，相關(guān)性存在的證據(jù)較為明顯。因此，從以上分析可以看出，諧波電壓對電容器組故障的影響是長期性的，對個別峰值不敏感，若諧波電壓長期處在較高水平，易引發(fā)電容器組的故障。

各次諧波對電容器組故障的影響可以很清晰地從表4中看出，其中三次諧波的諧波電壓95概率大值與電容器組故障數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)的絕對值最大，達到了0.405，已算中等程度相關(guān)，其他各次諧波相關(guān)性均比較小。因此，以減少電容器組故障為目標(biāo)的諧波治理重點在三次諧波。

3.2電壓偏差與電容器組故障

計算電壓偏差各監(jiān)測項目與電容器組故障數(shù)據(jù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，計算結(jié)果如表5所示。

分析表5中各電壓偏差監(jiān)測項目與電容器組故障的皮爾遜相關(guān)系數(shù)可以得出，A、B、C三相中A相電壓偏差與電容器組故障的相關(guān)性最大，A相電壓合格率的皮爾遜相關(guān)系數(shù)達到了-0.448，已屬于中等程度相關(guān)；B、C相電壓偏差與電容器組故障的相關(guān)性不明顯，數(shù)據(jù)無法支持二者存在相關(guān)性。在A相電壓偏差各監(jiān)測項目中，電壓偏差合格率的皮爾遜相關(guān)系數(shù)的絕對值最大，A相電壓最大值的皮爾遜相關(guān)系數(shù)的絕對值最小，因此，可以得出，在由A相電壓偏差引起的電容器組故障中，電壓峰值較電壓合格率影響較小，電容器組故障對電壓偏差的個別峰值不敏感，電壓偏差引起電容器組故障是一個長期過程。

3.3電壓長時閃變與電容器組故障

計算電壓閃變各監(jiān)測項目與電容器組故障數(shù)據(jù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，計算結(jié)果如表6所示。各電壓閃變檢測項目與電容器組故障數(shù)據(jù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)絕對值均很小，無法從現(xiàn)有數(shù)據(jù)中得到電壓閃變與電容器組故障之間存在相關(guān)性。

3.4三相電壓不平衡度與電容器組故障

完成對三相電壓不平衡度數(shù)據(jù)的預(yù)處理后，計算三相電壓不平衡度各監(jiān)測項目與電容器組故障數(shù)據(jù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，計算結(jié)果如表7所示。

各三相電壓不平衡度檢測項目與電容器組故障數(shù)據(jù)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)絕對值均很小，無法從現(xiàn)有數(shù)據(jù)中得到三相電壓不平衡度與電容器組故障之間存在相關(guān)性。

3.5各電能質(zhì)量項目對電容器組故障的綜合對比

綜合諧波電壓、電壓偏差、電壓閃變和三相電壓不平衡度的皮爾遜相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果，選取各電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的最大值，95概率大值，平均值和合格率綜合進行對比、分析，對比結(jié)果如表8所示。

4 結(jié)論

通過對電能質(zhì)量各監(jiān)測項目和電網(wǎng)設(shè)備故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)的皮爾遜相關(guān)分析，可以得到某地區(qū)電容器組故障與電能質(zhì)量的相關(guān)性最強，而在各項電能質(zhì)量指標(biāo)中，電壓偏差和三次諧波電壓畸變率與電容器組故障相關(guān)性最強，這與普遍認(rèn)知一致。因此，基于大數(shù)據(jù)的思想方法，將皮爾遜相關(guān)分析應(yīng)用在電網(wǎng)設(shè)備故障關(guān)聯(lián)特征提取這個場景中被證明是成功的。大數(shù)據(jù)思想方法和相關(guān)技術(shù)在電力系統(tǒng)其他應(yīng)用場景中的應(yīng)用仍需要進一步的探索和研究。

原標(biāo)題:設(shè)備故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)與電能質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)分析