基于多維大數(shù)據(jù)的長三角電力服務(wù)快速響應(yīng)模型

張穎，徐愛蓉，牟鍇，沈星辰，曹沁愉

（國網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201700）

電力需求與社會經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)，是一種宏觀經(jīng)濟(jì)的指標(biāo)，已經(jīng)涉及到經(jīng)濟(jì)和人民生活的各個方面[1]。只有保證所采集的大量的電力數(shù)據(jù)采集具有實(shí)時性和準(zhǔn)確性，才能夠?qū)崟r反映經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀況[2]。我國現(xiàn)階段仍面臨著電力供應(yīng)不足的問題，只有保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，才能夠保障居民用電安全，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，這些都已經(jīng)成為全社會關(guān)注的熱點(diǎn)問題。轉(zhuǎn)變用戶用電方式，可有效節(jié)約能源，緩解電力系統(tǒng)容量和電力消耗不足的矛盾[3]。電力用戶根據(jù)電價信號或其他激勵因素，改變自己用電習(xí)慣的行為稱為需求響應(yīng)。需求響應(yīng)是電力服務(wù)的一部分，用戶參與到要求響應(yīng)中，可以有效降低電網(wǎng)運(yùn)行成本，節(jié)約電費(fèi)和資源，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。以往使用基于激勵需求響應(yīng)建模方法，鼓勵用戶消減負(fù)荷，通過求取電力負(fù)荷變化確定長三角電力服務(wù)方案，使用該模型獲取的數(shù)據(jù)較為分散，且響應(yīng)周期短，在響應(yīng)時間方面存在一定弊端；使用需求彈性建模方法，分析一定區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)變量，用來描述用戶響應(yīng)的不確定性，然而使用該方法求取的值并非確定值，而是在一定范圍內(nèi)波動。依托國家電網(wǎng)公司“網(wǎng)上國網(wǎng)”APP、微信公眾號、長三角一體化辦電服務(wù)平臺及國家電網(wǎng)營銷業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，以便提供長三角示范區(qū)電力客戶“碼上辦”優(yōu)質(zhì)服務(wù)，因此提出了基于多維大數(shù)據(jù)的長三角電力服務(wù)快速響應(yīng)模型，利用該模型實(shí)現(xiàn)客戶用電的精準(zhǔn)服務(wù)、便利辦電。

1 長三角電力服務(wù)需求多維大數(shù)據(jù)采集

隨著電力需求側(cè)負(fù)荷逐漸多樣化，電力自動化控制水平不斷提高，新能源管理系統(tǒng)的開發(fā)為配電系統(tǒng)提供了一定的經(jīng)濟(jì)激勵[4-5]。不僅如此，長三角電力數(shù)據(jù)還包括長三角電力客戶基礎(chǔ)檔案數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、關(guān)鍵設(shè)備智能化監(jiān)測數(shù)據(jù)等，因此該文設(shè)計了一種電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于需求側(cè)響應(yīng)分為3 層，包括底層采集終端、中間層的采集服務(wù)器、平臺層的需求側(cè)管理平臺。具體如圖1所示。

圖1 長三角電力服務(wù)需求數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

采集終端采用具有聯(lián)網(wǎng)功能的智能電表，通過485 型變換器將采集到的電能數(shù)據(jù)傳送給采集服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了電能數(shù)據(jù)的采集。使用具有聯(lián)網(wǎng)功能的儀器，按要求功率參數(shù)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集和上傳。中間層采集服務(wù)器把收到的數(shù)據(jù)存儲起來，發(fā)送給需求端管理平臺[6-7]。在網(wǎng)絡(luò)信號微弱時，具有存儲功能的采集服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)存儲和發(fā)送[8-9]。

在此過程中要保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中不會丟失，確保數(shù)據(jù)傳輸可靠性。采用定時采集服務(wù)器，減少數(shù)據(jù)傳輸容量，避免網(wǎng)絡(luò)擁擠；PDSM 平臺主要是對采集服務(wù)器上傳的長三角電力客戶基礎(chǔ)檔案數(shù)據(jù)、生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)、關(guān)鍵設(shè)備智能化監(jiān)測數(shù)據(jù)等進(jìn)行處理，其中包括實(shí)時聯(lián)機(jī)顯示數(shù)據(jù)、需求響應(yīng)策略以及報告等[10-11]。得到的電能數(shù)據(jù)主要包括：電能、電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)[12]。采集的數(shù)據(jù)存儲在現(xiàn)場收集服務(wù)器上，此外還需要將無線4G 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)叫枨髠?cè)管理平臺，為用戶需求響應(yīng)提供交互條件[13]。RS485 數(shù)據(jù)通信協(xié)議用于底層數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集過程如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集流程

2 電力需求信息分區(qū)定位

從3 個方面建立電力數(shù)據(jù)倉庫：1）采集各類電力數(shù)據(jù)；2）對所收集的電力數(shù)據(jù)進(jìn)行管理、整理、存儲；3）將功率數(shù)據(jù)加以應(yīng)用，以發(fā)揮其特定的功能[14]。根據(jù)電力信息數(shù)據(jù)語言特點(diǎn)，建立相應(yīng)的電力字典。在此過程中，需要將頻繁項(xiàng)集內(nèi)容合并到頻繁項(xiàng)集表，所有數(shù)據(jù)只需從表中獲取即可，從而有效減少了搜索運(yùn)行時間[15]。

采用K-means的文本聚類算法對數(shù)據(jù)倉庫進(jìn)行分類，把原始數(shù)據(jù)庫中用電量信息和用電量敘詞表分類存儲在Word 表中，用電量信息標(biāo)題和關(guān)鍵字存儲在表的senrence 中，可以用這個表格來顯示分詞結(jié)果[16]。

在運(yùn)行分詞程序之后，項(xiàng)目集表包含3 個表：一項(xiàng)集、兩項(xiàng)集和三項(xiàng)集，分別對應(yīng)于必須包含ID 字段和關(guān)鍵字的頻繁1 項(xiàng)目集和頻繁3 項(xiàng)目集，一項(xiàng)包含關(guān)鍵字對應(yīng)的支持度，二項(xiàng)、三項(xiàng)包含相應(yīng)的信任度、支持度，電力需求信息分區(qū)如圖3 所示。

圖3 電力需求信息分區(qū)

使用者可按下列步驟尋找專業(yè)權(quán)限信息：在選擇權(quán)限信息的具體區(qū)域時，使用者需將查詢權(quán)限信息的關(guān)鍵詞或自然語言描述輸入表格，這種搜索方法可以根據(jù)相似性計算，快速地找到問題所在的一個或多個區(qū)域，并在相關(guān)區(qū)域中找到用戶所需的信息或關(guān)聯(lián)，從而大大提高了定位速度。

3 電力服務(wù)快速響應(yīng)模型構(gòu)建

以采集到的電力多維大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，采用決策樹對電力客戶特征進(jìn)行分級，根據(jù)定位與分級結(jié)果構(gòu)建電力服務(wù)響應(yīng)模型。

3.1 電力服務(wù)響應(yīng)模型

電力服務(wù)響應(yīng)模型為：

式（1）、（2）中，Cept表示總成本；k表示電價變化序列；ρz表示采用決策樹進(jìn)行電力客戶特征分級的結(jié)果，共分為z個等級；X0表示初始電能存儲量；Xk表示在k序列的電能存儲量；Xmax表示最大電能存儲量；Ek表示最大電能消耗量；Wk表示在k序列所消耗的電能。

當(dāng)電力系統(tǒng)處于用電低峰期時，所消耗的電能就較小，則最大電能消耗量主要用于能量存儲；當(dāng)電力系統(tǒng)處于用電高峰期時，向電力系統(tǒng)獲取的電能消耗量較小，所消耗的電能選取自存儲的電能。依據(jù)上述公式，用戶不難確定不同分區(qū)內(nèi)電價，達(dá)到電力服務(wù)需求響應(yīng)目標(biāo)。

3.2 基于電力負(fù)荷轉(zhuǎn)移的響應(yīng)時間調(diào)整

在響應(yīng)模型優(yōu)化過程中，部分電力負(fù)荷受到工序限制無法轉(zhuǎn)移。為了能夠?yàn)橛脩籼峁┛焖俜?wù)，需先轉(zhuǎn)移電力負(fù)荷，以縮短客戶訴求響應(yīng)時間。

設(shè)從階段k向j轉(zhuǎn)移的電力負(fù)荷為，該過程所耗費(fèi)的轉(zhuǎn)移成本為Ckj，原各個階段電能為Qk，經(jīng)過轉(zhuǎn)移調(diào)整后，得到的電量為，該情況下的電力負(fù)荷轉(zhuǎn)移模型為：

式（3）中，Qkmin表示在k序列的最小消耗電量；Qkmax表示在k序列的最大消耗電量；ρkj表示第j階段的電價。

3.3 服務(wù)質(zhì)量評價模型

根據(jù)電力負(fù)荷轉(zhuǎn)移的響應(yīng)時間調(diào)整結(jié)果，構(gòu)建服務(wù)質(zhì)量評價模型，提升用電服務(wù)效率以及客戶滿意度。

模型構(gòu)建過程如下所示：

Step1：構(gòu)建指標(biāo)獲取實(shí)際得分矩陣P0和期望得分矩陣E0：

式（4）中，P0、E0分別表示用戶對不同指標(biāo)的實(shí)際體驗(yàn)得分和期望得分，分值依次為1～7分，其中1分表示服務(wù)質(zhì)量非常差；2 分表示服務(wù)質(zhì)量較差；3 分表示服務(wù)質(zhì)量差；4 分表示服務(wù)質(zhì)量一般；5 分表示服務(wù)質(zhì)量良好；6 分表示服務(wù)質(zhì)量較好；7 分表示服務(wù)質(zhì)量非常好。

Step2：確定各項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重W；

Step3：計算不同指標(biāo)的實(shí)際得分和期望得分：

Step4：計算各指標(biāo)的實(shí)際得分與期望得分差值：

根據(jù)該公式，能夠得到服務(wù)質(zhì)量評價結(jié)果。長三角電力公司依據(jù)該結(jié)果，及時調(diào)整電力服務(wù)方案，提升客戶滿意度。

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

選取2009-2018 年長三角地區(qū)月度電力消費(fèi)數(shù)據(jù)，將2009-2017 年的數(shù)據(jù)作為樣本數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行訓(xùn)練，2018 年數(shù)據(jù)作為測試集，變量數(shù)據(jù)來源于Wind 數(shù)據(jù)庫。

4.2 客戶訴求響應(yīng)時間分析

分別使用基于激勵需求響應(yīng)建模方法、需求彈性建模方法和基于多維大數(shù)據(jù)模型分析客戶訴求響應(yīng)時間，對比結(jié)果如圖4 所示。

圖4 不同方法客戶訴求響應(yīng)時間對比結(jié)果

由圖4 可知，使用基于激勵需求響應(yīng)建模方法客戶訴求響應(yīng)時間比需求彈性建模方法短，最短時間為14 s。而使用基于多維大數(shù)據(jù)的模型最短時間為2 s，由此可知，該模型的電力服務(wù)響應(yīng)較快。

4.3 客戶滿意度分析

分別使用基于激勵需求響應(yīng)建模方法、需求彈性建模方法和基于多維大數(shù)據(jù)模型分析客戶滿意度，對比結(jié)果如表1 所示。

由表1 可知，使用基于激勵需求響應(yīng)建模方法各項(xiàng)指標(biāo)評價結(jié)果都低于5 分；使用需求彈性建模方法各項(xiàng)指標(biāo)評價結(jié)果大于2，但小于7；使用基于多維大數(shù)據(jù)的模型大多數(shù)評價結(jié)果為7，只有準(zhǔn)確服務(wù)程度和后臺支持人員知識評價結(jié)果為6。由此可知，使用基于多維大數(shù)據(jù)的長三角電力服務(wù)快速響應(yīng)模型能夠提升客戶滿意度。

表1 不同方法客戶滿意度對比結(jié)果

5 結(jié)束語

該文設(shè)計了一種長三角電力服務(wù)快速響應(yīng)模型，結(jié)合多維大數(shù)據(jù)為電力服務(wù)快速響應(yīng)提供研究基礎(chǔ)，以便及時、準(zhǔn)確獲取電力數(shù)據(jù)。通過服務(wù)質(zhì)量評價模型，彌補(bǔ)傳統(tǒng)系統(tǒng)存在的不健全問題，以縮短客戶訴求響應(yīng)時間。