智能配電網大數(shù)據應用技術與前景分析

劉 亮，周 鋒，馮 婉，張 明，劉 偉

（長沙學院，湖南 長沙 410003）

0 引 言

國內外對大數(shù)據在智能配電網中的應用研究缺少實際應用指導。本文梳理智能配電網大數(shù)據理論技術，分析大數(shù)據在智能配電網中的應用前景。

1 智能配電網大數(shù)據概述

隨著智能配電網信息化和互動化水平的提高，電力企業(yè)量測體系內部積累大量數(shù)據，如設備檢測數(shù)據等。電力企業(yè)積累大量運營數(shù)據，內部數(shù)據外有許多潛在外部數(shù)據源，如移動設備GPS等大數(shù)據可挖掘利用。可將智能配電網大數(shù)據分為電力企業(yè)運營數(shù)據、量測與外部數(shù)據。3類數(shù)據共同服務于智能配電網運行發(fā)展，如用戶用電情況變化影響電網建設規(guī)模，為電力企業(yè)制定合理營銷策略提供參考。

目前對智能配電網數(shù)據利用集中于電力企業(yè)量測數(shù)據，對其蘊含價值未得到系統(tǒng)開發(fā)應用。今后電動汽車快速發(fā)展將為智能電網大數(shù)據資源注入更多數(shù)據流。智能配電網大數(shù)據一次特征包括來源廣泛、粒度精細以及生成快速等，其二次特征是信息豐富和體量巨大等。智能配電網大數(shù)據可能來自智能電表，不同用電行業(yè)體數(shù)據源具有差異化數(shù)據生產方式。通信技術發(fā)展使得大規(guī)模用電信息采集可以達到分鐘級別[1]。現(xiàn)代電力企業(yè)服務質量提升，非結構化數(shù)據如客戶服務系統(tǒng)語音數(shù)據等大規(guī)模持續(xù)涌入。傳統(tǒng)數(shù)據處理技術難以應對龐大的數(shù)據集合，需要尋求符合智能配電網的大數(shù)據應用技術。智能配電網部分數(shù)據關系網示意如圖1所示。

圖1 智能配電網部分數(shù)據關系網示意圖

從復雜系統(tǒng)中得到的大數(shù)據反映的是孤立的數(shù)據集，但將反映相互關系鏈接整合的是網絡。網絡整體特征隱藏在數(shù)據網絡中，需要深入分析數(shù)據網絡，一些網絡參數(shù)可能刻畫大數(shù)據背后網絡的共性。智能配電網中部分數(shù)據包含來自電力企業(yè)及社會的數(shù)據，以混雜難以準確描述的方式推動配電網的運行[2]。電網規(guī)劃以用電預測等數(shù)據為基礎，電網問題造成停電客戶投訴等影響電網規(guī)劃。將智能配電網大數(shù)據視為復雜系統(tǒng)，以用電預測數(shù)據等二次數(shù)據為中間變量。

目標數(shù)據集具有直接應用價值，由于存在關系多重嵌套，數(shù)據集自身存在諸多隨機性，使得數(shù)據集與目標集隱形數(shù)據價值鏈不明晰。通過將數(shù)據與關系進行解耦，變隱藏的關聯(lián)為直接關聯(lián)，形成連接一次輸入與目標輸出數(shù)據驅動型顯性數(shù)據價值鏈，提高輸出結果的準確性。

2 面向智能配電網的大數(shù)據應用技術

2.1 大數(shù)據關鍵應用技術

從大數(shù)據存儲與處理關系角度出發(fā)，處理技術分為流與批處理。流處理適用于配電網中對實時性要求較高的業(yè)務，如電源與負荷聯(lián)合調度等，批處理有狀態(tài)的流處理，適合對實時性要求不高的業(yè)務[3]。針對智能配電網測點多，部分數(shù)據實效性等特點，需要對大數(shù)據存儲系統(tǒng)自優(yōu)化，分布式流處理系統(tǒng)異構節(jié)點高效協(xié)同信息技術等進行研究。智能配電網是不斷發(fā)展的系統(tǒng)工程，將各方面數(shù)據集中管控難以保證其可靠性，融合分布式文件系統(tǒng)及數(shù)據庫等云計算，可作為大數(shù)據基礎平臺為在智能配電網中應用服務。

大數(shù)據解析包括對數(shù)據分析解讀，通過研究巨量數(shù)據發(fā)現(xiàn)，隱藏模式及有用信息過程中每個數(shù)據集為子系統(tǒng)，可能產生超出原子系統(tǒng)數(shù)據簡單相加得到新信息，數(shù)據系統(tǒng)有了質的提升。為使大數(shù)據分析結果契合應用，需要解讀大數(shù)據。深層次剖析大數(shù)據自身及分析過程，由于在解讀中伴隨著數(shù)據分析，可視為特殊大數(shù)據分析方法。目前領域普適知識挖掘，數(shù)據可視化等技術可用于智能配電網[4]。領域普適知識挖掘通過大數(shù)據呈現(xiàn)普適現(xiàn)象與驗證評估及理論分析→仿真模擬→發(fā)現(xiàn)普適現(xiàn)象的范式相互匹配，探索大數(shù)據層面普適規(guī)律，其應用優(yōu)勢是負有洞察性。智能配電網規(guī)劃中存在較強的規(guī)律，但尚未上升到理論層面直觀展現(xiàn)，利用普適知識挖掘技術挖掘智能配電網大數(shù)據，可以幫助配電網規(guī)劃人員提高對配電網系統(tǒng)的感知度。

數(shù)據可視化技術思想是將數(shù)據庫數(shù)據作為單個單元表構成數(shù)據圖像，對數(shù)據進行深入觀察分析，從邏輯等維度集中管理數(shù)據，得到簡易多維數(shù)據立方體視圖，在時間空間交叉點嵌入層次化數(shù)據列表，實現(xiàn)對數(shù)據的精準把握。通過數(shù)據可視化技術可為智能配電網提供更好的服務，包括給出完整電網數(shù)據集全貌、對數(shù)據進行降維以及向業(yè)務部門提供有價值的信息等。放大用戶相關興趣點，選擇用戶關注的浮動電價，細化展示用戶能耗等級等內容，態(tài)勢預估具有不確定性變化點，如網架擴展態(tài)勢展現(xiàn)等。數(shù)據可視化是數(shù)據分析工具，能只體現(xiàn)智能配電網大數(shù)據應用方式。

數(shù)據驅動決策分為基于大數(shù)據分析的決策、數(shù)據驅動無模型決策以及以數(shù)據驅動為主的決策。第一類是利用精準的數(shù)據分析結果做出決策，第二類是不含決策系統(tǒng)的數(shù)據模型，針對大規(guī)模重復進行的行為做出決策，第三類決策方式特點是不全采用原來的模型，借助與模型匹配做出決策[5]。電網規(guī)劃采用第一類決策方式，大數(shù)據可帶來更精確的空間負荷預測數(shù)據和分布式電源接入數(shù)據等。采用現(xiàn)有規(guī)劃模型可給出更優(yōu)的電網規(guī)劃方案，如利用捕獲到的大數(shù)據進行數(shù)據建模，對大數(shù)據進行解析中同步修正網架優(yōu)化模型，可能得到適應性強的電網規(guī)劃方案。

過程數(shù)據挖掘指在建立事件數(shù)據與處理模型的聯(lián)系，傳統(tǒng)業(yè)務流程管理是模型驅動，面向數(shù)據分析技術聚焦于簡單的分類和回歸等問題，通過過程數(shù)據挖掘技術可將事件數(shù)據與端到端業(yè)務處理聯(lián)系。隨著大量相關事件記錄，反映人群行為特征的期望線確定更為可行，將其升華為規(guī)范化模型。對于事件數(shù)據中偏離模式化軌跡行為，需分析其出現(xiàn)原因，將偏離行為重新納入模式化軌跡中。通過與規(guī)范化模型的一致性檢測，過程挖掘技術在引導用戶錯峰用電和異常用電行為檢測等方面發(fā)揮重要作用。

2.2 大數(shù)據應用的飛機型理論框架

為在智能電網中應用大數(shù)據，提出如圖2所示的面向智能配電網的飛機型大數(shù)據理論框架。大數(shù)據分析利用中，大數(shù)據平臺為其提供技術支撐。大數(shù)據挖掘與價值鏈基于大數(shù)據的實際分析，組成大數(shù)據理論框架的主干[6]。數(shù)據科學是推動大數(shù)據發(fā)展的力量，包括研究數(shù)據的變化形式與規(guī)律，可利用隨機矩陣理論對大數(shù)據建模，以發(fā)現(xiàn)其中隱藏的規(guī)律。融合流計算等多種技術的大數(shù)據平臺研究重點是推動數(shù)據存儲技術進步。

圖2 大數(shù)據的飛機型理論框架

大數(shù)據平臺是支撐大數(shù)據應用汽車運行的公路。大數(shù)據挖掘技術從大規(guī)模數(shù)據流中挖掘數(shù)據間的隱藏關系，繪制精確數(shù)據關系強度網絡。大數(shù)據往往表現(xiàn)為孤立數(shù)據集分散鏈接，整合反映關系的鏈接才能得到充滿數(shù)據流的關系網絡。大數(shù)據關系網可為數(shù)據驅動決策提供依據，數(shù)據驅動決策對應飛機型理論框架調節(jié)作用的尾翼。云計算等數(shù)據處理技術為大數(shù)據挖掘提供平臺，隨機矩陣理論等為其提供理論指導。信息共享是各階段順利進行的保證，智能配電網大數(shù)據涵蓋相應的理論體系，體現(xiàn)于飛機型理論框架各模塊中。

3 智能配電網建設中大數(shù)據應用的問題

近年來，我國配電網建設改造行動計劃等背景下，智能配電網發(fā)展焦點轉向如何實現(xiàn)大規(guī)模配電資產的科學精益控制。我國智能電網小區(qū)試點日趨完善，形成配電網所需數(shù)據庫基礎，大數(shù)據處理分析技術應深入應用其中。我國電力發(fā)展中有很多電力網損耗在電力運輸中，當前技術水平下發(fā)電效率僅達到50%，出現(xiàn)發(fā)電未用情況。

目前，我國智能電網建設中存在配電網自動化覆蓋率較低、信息交互與應用以及有關標準執(zhí)行力度弱等問題，配網架構不平衡，西部經濟不發(fā)達地區(qū)網架結構薄弱，城市電網與農村差距明顯。近年來電力行業(yè)頒布系列關于配電網建設標準，但貫徹執(zhí)行力度較小。我國配電網范圍廣闊，相比配電系統(tǒng)已建成自動化配電覆蓋區(qū)域比例較小，對配電自動化產生影響。針對某些地區(qū)總線間的信息交互，管理職責方面定位效果模糊，出現(xiàn)無人維護總線現(xiàn)象。總線信息交互業(yè)務應用較少，配網圖模異常造成信息交互總線使用效率低。智能配電大數(shù)據基于云計算平臺，客戶等是數(shù)據來源，用戶信息泄露不利于國家安全。

我國電力系統(tǒng)中端配電網環(huán)節(jié)，通過分析用電需求進行電力調度，隨著我國經濟的發(fā)展，社會用電需求發(fā)生變化。使用電力數(shù)據采集系統(tǒng)采集頻率低，不能滿足電力系統(tǒng)對數(shù)據采集的要求。傳統(tǒng)電力數(shù)據采集系統(tǒng)使用中由于通信網絡影響造成數(shù)據上傳失敗，無法構建數(shù)據庫。當下我國電力技術水平較高，但配電網大數(shù)據應用較少。過去生產環(huán)節(jié)是我國電網建設主要任務，近幾年配電網中裝設數(shù)據采集設備得到充實，但由于缺乏統(tǒng)一規(guī)范標準管理配網數(shù)據為數(shù)據使用帶來困難。

4 大數(shù)據在智能配電網中的應用前景

大數(shù)據在智能配電網中具有廣闊的應用前景，本文從智能配電網網架發(fā)展趨勢分析，精準的用電預測結果對智能配電網規(guī)劃具有積極意義。通過建立自適應用電預測模型，可能得到更細粒度的預測結果。通過分析用戶用電數(shù)據關系預測用電量變化趨勢，如研究霧霾等惡劣天氣發(fā)生頻度，將抽象關系量化表征，利用自適應用電預測模型實把握用電宏觀變化趨勢。基于分布式電源發(fā)電預測結果，通過錯峰影響要素關聯(lián)度分析探究不同電源優(yōu)化組合方法，完成電源與負荷的協(xié)同調度。對與不空間中不同用戶個體，采用差異化建模方法，將用戶用電特性多維度分解，采用不同模型進行精細化預測。

傳統(tǒng)配電網網架規(guī)劃中，網架優(yōu)化面臨許多不確定性，大數(shù)據環(huán)境下多類型數(shù)據引入可減少網架優(yōu)化不確定性[7]。模型中對應邊界條件使得優(yōu)化出現(xiàn)組合爆炸，需要對傳統(tǒng)優(yōu)化方法改進。四維空間中智能配電網并非孤立，其發(fā)展趨勢具有復雜動態(tài)性，結合對現(xiàn)有網架態(tài)勢感知，將城市綜合體發(fā)展趨勢結合開展并行聚類，可獲得準確網架擴展趨勢，分析可視化結果[8]。傳統(tǒng)配電網網架規(guī)劃中對用戶特定需求考慮較少，面對用戶差異化需求開展聚類分析，有利于提高供電企業(yè)服務水平[9]。考慮分布式電源及利用基于大數(shù)據用電預測等多方面信息，構建分層分類數(shù)據關聯(lián)模型，研究網架快速優(yōu)化算法。

不同用戶負荷特性與節(jié)電策略存在較大差異，導致用戶用電行為模式多樣性，新型設備接入加速多樣性的發(fā)展[10]。電能在分配使用中損耗呈時空分布特性，通過對電價與用戶用電行為模式等數(shù)據關聯(lián)分析，建立用戶用電峰谷分時電價聯(lián)合優(yōu)化模型。結合用戶能效水平為用戶訂制智能化用電方案，降低用戶購電成本。結合電動出租汽車GPS數(shù)據、歷史搜索數(shù)據以及配電網運行數(shù)據等，對乘客用車行為預測，配合開展行車路線等運行方案，實現(xiàn)出租車與配電網信息實時共享。挖掘用戶用電行為模式等多種因素的關聯(lián)關系，精確識別高損耗線路，建立數(shù)據關聯(lián)模型，指導調整電網運行方式，降低配電網運行成本。

5 結 論

本文從數(shù)據抽取與清洗、數(shù)據解析與應用等角度出發(fā)，提出大數(shù)據在智能電網中的應用線路圖。大數(shù)據應用模板從數(shù)據中挖掘更大價值，通過大數(shù)據在智能配電網中應用研究，可以提升智能配電網運行水平。未來智能配電網中數(shù)據流與業(yè)務流共同承擔，通過研究大數(shù)據理論，將電力企業(yè)內外部資源應用于智能配電網規(guī)劃，此外應用中針對各項業(yè)務數(shù)據模型構建等問題有待深入研究。