基于數(shù)據挖掘的供電服務需求主動響應系統(tǒng)

張 莉,丁毛毛,安業(yè)騰,許世輝,王 穎

(國家電網有限公司客戶服務中心,天津 300306)

為用戶提供滿意服務是電力市場發(fā)展的主要目標。但目前電力用戶作為電力市場服務的主要對象,在發(fā)展過程中沒有受到重視[1]。為了促進電力市場的發(fā)展,需要分析用戶需求。為此,構建供電服務需求響應系統(tǒng),可以滿足用戶滿意度,為供電系統(tǒng)優(yōu)化調控提供新的依據[2]。

杜進橋[3]等人首先分析了系統(tǒng)的潮流分布和出力特性,根據分析結果將最低成本作為目標,建立電網調度優(yōu)化模型,實現(xiàn)電網的優(yōu)化,該方法的系統(tǒng)出力無法控制在合理范圍內,存在出力效果差的問題。林俐[4]等人在不同情況下獲取響應波動量與需求響應量之間存在的關系,以此為依據建立不確定性云模型,采用粒子群算法對其求解,實現(xiàn)優(yōu)化,該方法無法實現(xiàn)削峰填谷,存在需求響應控制效果差的問題。方紹鳳[5]等人基于需求響應分析電熱負荷的供熱舒適度模糊性和傳輸延時,根據分析結果構建微網模型,實現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化,該方法的系統(tǒng)負荷總量波動較大,需求響應控制效果差。為了解決上述方法中存在的問題,提出基于數(shù)據挖掘的供電服務需求主動響應系統(tǒng)設計。

1 硬件設計

1.1 總體架構

供電服務需求主動響應系統(tǒng)由信息內網、信息外網和互聯(lián)網構成,如圖1所示。

圖1 供電服務需求主動響應系統(tǒng)總體架構

1.2 業(yè)務架構

供電服務需求主動響應系統(tǒng)的業(yè)務主要分為以下6個部分:

(1)統(tǒng)計分析:該業(yè)務主要分析關鍵字、需求趨勢、需求分類、來源、話題追蹤、關聯(lián)關系等;

(2)展示業(yè)務:該業(yè)務主要包括傳播鏈分析、需求區(qū)域、需求對象、趨勢、需求熱點、熱度等業(yè)務;

(3)大數(shù)據分析:該業(yè)務包括檢索引擎、需求檢索、溯源分析、多維度統(tǒng)計分析、內容分析、聚類分析、情感分析和語義分析等;

(4)規(guī)則庫:由熱度、需求等級和業(yè)務分類等構成;

(5)需求報告:包括分析報告、日周月報告、區(qū)域報告、專題報告和類型報告;

(6)工單流轉:包括時限監(jiān)控、工單制單、流程查詢、工單派發(fā)、派單監(jiān)測、工單處理等。

供電服務需求主動響應系統(tǒng)的業(yè)務架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)業(yè)務架構圖

1.3 數(shù)據架構

在供電服務需求系統(tǒng)的實時計算平臺和批處理平臺中實現(xiàn)數(shù)據的流轉和計算。供電服務需求系統(tǒng)中批量處理功能主要目的是為用戶提供批量處理數(shù)據。在數(shù)倉商業(yè)智能、分層匯總計算、數(shù)據挖掘和機器學習等領域中得到廣泛應用。系統(tǒng)通過實時計算功能實現(xiàn)海量數(shù)據的采集與處理[6-7]。

(1)實時處理:采用ogg或flume實時同步方法將實時平臺中存在業(yè)務數(shù)據同步到kafka中,利用系統(tǒng)中的計算組件分析并加工處理數(shù)據,并將數(shù)據處理結果存儲到存儲庫hbasse或緩存庫redis中;

(2)批處理:當業(yè)務數(shù)據的實時性要求較低時,利用采集工具在批處理平臺中將其接入貼源層,通過sgetl工具在貼源層中標準化、加工處理數(shù)據,并將處理后的數(shù)據存儲到明細層hive中,粒度匯總、建模處理數(shù)據。

2 軟件設計

供電服務需求主動響應系統(tǒng)軟件的主要目的是根據硬件系統(tǒng)采集和處理后數(shù)據,分析供電服務需求,根據分析結果構建配電網運行的目標函數(shù),以此實現(xiàn)配電網的運行優(yōu)化。

2.1 需求響應分析

主動配電網在配電側售電市場不斷發(fā)展的背景下成為電能交易過程中主要角色。需求響應可分為以下兩類:

(1)彈性需求:用電量需求受電價影響;

(2)剛性需求:需求不會受到電價波動的影響。

針對價格與彈性需求關系,所提方法通過下述彈性需求函數(shù)[8-9]得以描述:

a=βfζ

(1)

式中:a為售電價格;f為用電需求;β、ζ為彈性需求系數(shù)。分析式(1)可知,用電量與電價之間成反比。購電量與價格之間存在的相關性通過下述函數(shù)描述:

(2)

(3)

由于計算過程較為復雜,價格曲線在實際電力交易過程中不光滑。因此,針對需求響應函數(shù)的等效處理,基于數(shù)據挖掘的供電服務需求主動響應系統(tǒng)設計中通過分段階梯化完成:

(4)

根據上述分析,獲得彈性需求函數(shù)的分段階梯化示意圖,如圖3所示。

圖3 彈性需求函數(shù)

利用彈性需求函數(shù)分析供電服務需求,根據分析結果構建配電網的目標函數(shù)[10-11]:

g=min(Vrespond+Vloss+Vdevice+Vquality)

(5)

式中:Vquality為電壓波動性指標;Vrespond為經濟成本指標;Vdevice為設備動作次數(shù)指標;Vloss為網絡指標。

2.2 供電服務優(yōu)化

基于數(shù)據挖掘的供電服務需求主動響應系統(tǒng)設計方法采用差分進化算法[12]求解上述目標函數(shù),實現(xiàn)配電網供電服務的優(yōu)化,具體流程如下:

(2)變異操作,通過下式對個體做變異操作:

(6)

分別在上下兩個方向中對整數(shù)變量中存在的變異個體取整,獲得兩個存在差異的變異個體。為了擴大搜索范圍,對其做交叉操作,通過下述公式完成整數(shù)變量的變異操作:

(7)

式中:[·]為取整。

(8)

式中:randj()為隨機數(shù),在區(qū)間[0,1]內取值;VR?為發(fā)生交叉的概率;jrand為整數(shù),在區(qū)間[1,F]中取值,F為變量維數(shù)。

(4)獲取最優(yōu)解,在模糊隸屬度函數(shù)δi的基礎上獲取目標函數(shù)的最優(yōu)解δ:

(9)

(10)

式中:gi為目標函數(shù)的第i個值;gimax、gimin分別為函數(shù)最大值和函數(shù)最小值;m為待優(yōu)化的目標函數(shù)數(shù)量。

3 實驗分析

為了驗證基于數(shù)據挖掘的供電服務需求主動響應系統(tǒng)設計方法的整體有效性,需要對其測試。測試對象選用美國PG&E69節(jié)點配電系統(tǒng),如圖4所示。

圖4 配電系統(tǒng)

采用基于數(shù)據挖掘的供電服務需求主動響應系統(tǒng)設計方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法測試上述系統(tǒng)在5∶00—16∶00點內的出力情況,測試結果如表1所示。

表1 系統(tǒng)出力情況 MW

由表1中數(shù)據可知,不同時間段內系統(tǒng)出力情況都不相同,小于最大出力,大于最小出力即為系統(tǒng)的合理出力區(qū)間。當系統(tǒng)出力控制在合理出力區(qū)間時,表明系統(tǒng)出力效果好,越接近期望出力,響應效果越好,采用所提方法測試時,獲得出力均控制在合理區(qū)間內,與期望出力相近,采用文獻[3]方法測試時,獲得的出力均高于出力最大值,采用文獻[4]方法測試時,獲得的出力均低于出力最小值,表明以上兩種方法的系統(tǒng)出力效果較差,所提方法具有良好的出力效果。這是由于所提方法在系統(tǒng)軟件設計中構建彈性需求模型,在該模型基礎上構建目標函數(shù),實現(xiàn)配電網的優(yōu)化運行,將系統(tǒng)出力控制在合理范圍內,提高系統(tǒng)出力效果。

根據系統(tǒng)負荷總量,測試所提方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的需求響應控制效果,得到的結果如圖5 所示。

圖5 負荷總量測試結果

分析圖5可知,采用所提方法測試時,系統(tǒng)在運行過程中負荷總量沒有太大波動,表明所提方法具有削峰填谷的效果,而文獻[3]方法和文獻[4]方法負荷總量波動較大,表明以上兩種方法無法實現(xiàn)削峰填谷,方法需求響應控制效果較差,所提方法具有良好的需求響應控制效果。

4 結 語

需求響應技術在電力市場發(fā)展過程中成為一種管理用戶側的重要手段。針對激勵信號或價格,用戶做出相關響應,可影響電力消費模式。在供電充裕條件下可以降低電價,并解決負荷波動問題,提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。目前,供電服務需求主動響應系統(tǒng)設計存在系統(tǒng)出力效果差和響應控制效果差的問題,提出基于數(shù)據挖掘的供電服務需求主動響應系統(tǒng)方法。該方法可將系統(tǒng)出力控制在合理范圍內,具有良好削峰填谷效果,為配電網穩(wěn)定運行奠定基礎。