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    大數(shù)據(jù)技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用研究

    2017-04-27 01:50:04伯運(yùn)鶴
    科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2017年11期
    關(guān)鍵詞:大數(shù)據(jù)

    伯運(yùn)鶴

    摘 要:電力大數(shù)據(jù)具有規(guī)模大、種類多、生成速度快、價(jià)值巨大但密度低的特點(diǎn),具有重要的研究意義和實(shí)際價(jià)值。重點(diǎn)介紹了電力大數(shù)據(jù)特點(diǎn)、數(shù)據(jù)來源和核心技術(shù)。將電力大數(shù)據(jù)應(yīng)用歸納為六個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)--發(fā)電、輸電、變電、配電、用電和調(diào)度,分別介紹了電力大數(shù)據(jù)在六個(gè)環(huán)節(jié)的具體應(yīng)用。最后從數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)據(jù)融合、硬件設(shè)備和隱私安全四個(gè)方面,指出電力大數(shù)據(jù)當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)。

    關(guān)鍵詞:大數(shù)據(jù);電力信息化;數(shù)據(jù)科學(xué)

    1 概述

    隨著數(shù)字化和信息化建設(shè)的迅猛增長,信息量也呈現(xiàn)出了爆炸性的增長態(tài)勢。截至2012年,人類每日能夠產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量就已達(dá)到2.5EB(1018 byte)[1],而且數(shù)據(jù)規(guī)模還將持續(xù)增長。麥肯錫(McKinsey)2011年發(fā)布的《大數(shù)據(jù):創(chuàng)新、競爭和生產(chǎn)力的下一個(gè)新領(lǐng)域》的報(bào)告顯示,大數(shù)據(jù)正在成為從工業(yè)經(jīng)濟(jì)向知識經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變的重要特征,已經(jīng)成為新時(shí)代最關(guān)鍵的產(chǎn)品形態(tài)和生產(chǎn)要素。目前,“大數(shù)據(jù)”的概念已經(jīng)滲透到社會的各行各業(yè),電力工業(yè)作為國家的基礎(chǔ)性能源設(shè)施,同樣概莫能外。

    對于電力行業(yè)而言,來自企業(yè)生產(chǎn)的數(shù)據(jù)(如發(fā)電量、溫度、壓力等),來自電力企業(yè)的運(yùn)營數(shù)據(jù)(如交易電價(jià)、用電客戶等),來自電力企業(yè)管理數(shù)據(jù)(如一體化平臺、ERP等),這三方面的數(shù)據(jù)共同構(gòu)成了“電力大數(shù)據(jù)”?!半娏Υ髷?shù)據(jù)”涉及電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié),綜合了電力企業(yè)的產(chǎn)、運(yùn)、銷及運(yùn)營和管理數(shù)據(jù),為提升企業(yè)的競爭力和生產(chǎn)效率、深化企業(yè)層次、強(qiáng)化企業(yè)管理提供了強(qiáng)有力技術(shù)手段[2-5]。

    2 電力大數(shù)據(jù)概述

    電力行業(yè)的信息時(shí)代正處于關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn),以往單一、變化平緩的數(shù)據(jù)類型將逐漸被復(fù)雜及異構(gòu)數(shù)據(jù)取代。這就要求電力企業(yè)需要有更高的對數(shù)據(jù)處理、挖掘、管理及互操作的能力。

    2.1 電力大數(shù)據(jù)的特征

    2011年,國際數(shù)據(jù)公司(IDC)將大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)總結(jié)成四個(gè)“V”,即體量大(Volume)、類型多(Variety)和速度快(Velocity)和價(jià)值高但密度低(Value)[6],電力大數(shù)據(jù)同樣具有以上特點(diǎn)。此外,《中國電力大數(shù)據(jù)發(fā)展白皮書》中指出電力大數(shù)據(jù)同時(shí)具有“3E”特征,即能量(Energy)、交互(Exchange)和共情(Empathy)[3]。電力大數(shù)據(jù)與其它行業(yè)數(shù)據(jù)相比,有著更為廣義的范疇。因此,如何用高效的方法將電力大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理,使用科學(xué)的技術(shù)手段以挖掘出數(shù)據(jù)潛在的巨大價(jià)值是十分必要的。

    2.2 電力大數(shù)據(jù)的來源

    如前文所述,電力大數(shù)據(jù)的來源主要有三個(gè)方面,即電力企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運(yùn)營數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)。

    (1)電力企業(yè)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。此類數(shù)據(jù)是電力大數(shù)據(jù)的產(chǎn)生源頭,主要包括實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)和設(shè)備生命周期數(shù)據(jù)兩類。這些數(shù)據(jù)往往由發(fā)電側(cè)產(chǎn)生,用故障檢測、恢復(fù)電網(wǎng)運(yùn)行及發(fā)電設(shè)備的檢查和維修等方面。

    (2)電力企業(yè)的運(yùn)營數(shù)據(jù)。此類數(shù)據(jù)包含了用戶側(cè)的相關(guān)信息,如客戶名稱、電費(fèi)計(jì)價(jià)、客戶用電特點(diǎn),并提供給相關(guān)部門,用以對客戶行為進(jìn)行分析決策,挖掘數(shù)據(jù)中存在的隱藏信息,構(gòu)建針對營銷的系統(tǒng)性算法模型數(shù)據(jù)庫,用以改善服務(wù)模式,提高服務(wù)質(zhì)量,滿足不斷發(fā)展的營銷需求。

    (3)電力企業(yè)的管理數(shù)據(jù)。對于電力企業(yè)來說,如果能充分利用來自電網(wǎng)的數(shù)據(jù),通過軟件對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分析和管理,將有助于提高企業(yè)管理水平,降低運(yùn)營成本,提高企業(yè)的工作效率,保證決策的正確性。對于用戶來說,可以享受到由電力大數(shù)據(jù)產(chǎn)生的增值業(yè)務(wù)所帶來的實(shí)惠,得到更高質(zhì)量的服務(wù)。這就體現(xiàn)出了電力大數(shù)據(jù)“以人為本”的核心價(jià)值。

    2.3 電力大數(shù)據(jù)的核心技術(shù)

    根據(jù)業(yè)界對大數(shù)據(jù)的研究,歸納出電力大數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù),包括數(shù)據(jù)集成管理技術(shù)、數(shù)據(jù)分析技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)可視化技術(shù)。

    (1)數(shù)據(jù)集成管理技術(shù)

    電力大數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)集成管理技術(shù),是對不同數(shù)據(jù)源、不同數(shù)據(jù)形式、不同特征的大數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理,經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、加載后得到新的數(shù)據(jù)源,之后對得到的新的數(shù)據(jù)源進(jìn)行管理,統(tǒng)一對外提供服務(wù)。這一技術(shù)可以為電力企業(yè)創(chuàng)造出許多新的服務(wù)項(xiàng)目和應(yīng)用功能。數(shù)據(jù)集成管理技術(shù)主要包含數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)集成技術(shù)、數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)以及萃取-轉(zhuǎn)換置-加載技術(shù)(ETC)。圖1給出了數(shù)據(jù)集成和管理技術(shù)的原理過程。

    (2)數(shù)據(jù)分析技術(shù)

    電力大數(shù)據(jù)中的數(shù)據(jù)分析技術(shù)包括機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)、相關(guān)分析技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),通過數(shù)據(jù)分析,就能夠?qū)⒂杏玫男畔暮棋拇髷?shù)據(jù)中提取出來。其中,機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)是人工智能的核心,它是利用經(jīng)驗(yàn)來改善計(jì)算機(jī)系統(tǒng)自身的性能。該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的不同領(lǐng)域,如電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定評估、電力設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測等。相關(guān)分析技術(shù)可以識別數(shù)據(jù)間的相關(guān)或因果關(guān)系,而被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的投資決策和電力負(fù)荷預(yù)測等方面。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)是當(dāng)前數(shù)據(jù)庫和人工智能領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)課題,用以解決復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、多種類型、海量數(shù)據(jù)的有效分析處理問題,提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和可信度,在電力大數(shù)據(jù)中,數(shù)據(jù)挖掘主要用于企業(yè)決策和用電行為預(yù)測等。

    (3)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

    大電力數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)主要有分布式計(jì)算技術(shù),內(nèi)存計(jì)算技術(shù)和分布式數(shù)據(jù)流處理技術(shù)。其中,分布式計(jì)算技術(shù)是利用網(wǎng)絡(luò)將電力系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)連接起來,以組成一臺虛擬的超級計(jì)算機(jī),完成大規(guī)模數(shù)據(jù)的存儲和計(jì)算。內(nèi)存處理技術(shù)將收集到的電力大數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存中,并直接在內(nèi)存中對海量數(shù)據(jù)的計(jì)算和分析,大大地提高了計(jì)算速度。分布式數(shù)據(jù)流處理技術(shù)由于具有良好的伸縮性、開放性和實(shí)時(shí)性,在對電力系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理中有著不可替代的地位。

    (4)可視化技術(shù)

    可視化技術(shù)借助圖形化手段,將各種信息以更容易理解的方式呈現(xiàn)出來,為運(yùn)行和管理人員提供直觀、準(zhǔn)確的信息,同時(shí)該技術(shù)對發(fā)現(xiàn)大數(shù)據(jù)中新的信息起到至關(guān)重要的作用。可視化的目的是發(fā)現(xiàn)信息、洞察數(shù)據(jù)和做出決策。電力大數(shù)據(jù)中的可視化技術(shù)主要包括三個(gè)方面,即三維可視化、歷史信息可視化和地理信息可視化。可視化技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測控制、調(diào)度、規(guī)劃和分析,大大提高了電力系統(tǒng)的自動化水平。

    3 大數(shù)據(jù)技術(shù)在電力行業(yè)中的應(yīng)用

    大數(shù)據(jù)時(shí)代對電力行業(yè)發(fā)展帶來新的發(fā)展機(jī)遇。大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略的踐行,將對電力系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)(發(fā)電、輸電、變電、配電、用電、調(diào)度)的生產(chǎn)和管理水平起到極大的改善作用,同時(shí)還能為電力企業(yè)提供更為強(qiáng)大的信息技術(shù)支撐。

    3.1 發(fā)電環(huán)節(jié)

    盡管最近幾年我國新能源發(fā)電比重有所提高,但我國目前及以后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍將以火力發(fā)電為主,能源結(jié)構(gòu)較為單一;火力發(fā)電煤耗率、廠用電率也高于世界用電水平,大力加強(qiáng)火電廠降耗節(jié)能已經(jīng)刻不容緩,可持續(xù)發(fā)展思想仍需加強(qiáng)。

    利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)信息方法與系統(tǒng),積極探索火電深度、快速變負(fù)荷控制理論與技術(shù),可以充分發(fā)揮火電在多源互補(bǔ)和規(guī)?;履茉措娏ο到y(tǒng)消納中的作用,以增強(qiáng)火電機(jī)組深度、快速變負(fù)荷能力,提高火力發(fā)電在新能源電力系統(tǒng)中的彈性運(yùn)行水平。

    大數(shù)據(jù)在發(fā)電環(huán)節(jié)的應(yīng)用,如利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和數(shù)據(jù)倉庫技術(shù)應(yīng)用于發(fā)電廠特定設(shè)備的狀態(tài)檢修,取得了較好的效果。采用模糊集理論和相關(guān)函數(shù)結(jié)合的大數(shù)據(jù)分析方法,可以預(yù)測出不同邊界和運(yùn)行工況下的機(jī)組供電煤耗率,對火電機(jī)組的節(jié)能發(fā)電具有參考意義。

    3.2 輸電環(huán)節(jié)

    輸電線路是電力系統(tǒng)的重要組成部分,其作用是分配和輸送由電廠產(chǎn)生的電能。輸電線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行是經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的有力保障。但由于我國地理環(huán)境和自然環(huán)境等方面的原因,輸電線路現(xiàn)面臨諸多安全隱患。

    結(jié)合線路、氣象、地理、運(yùn)行等數(shù)據(jù),利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),建立運(yùn)維大數(shù)據(jù)綜合分析系統(tǒng),能夠?qū)崿F(xiàn)故障分析、防災(zāi)研究和狀態(tài)評價(jià),能為設(shè)備的管理運(yùn)行和維護(hù)提供可靠的技術(shù)支持。

    大數(shù)據(jù)在輸電環(huán)節(jié)的應(yīng)用,有學(xué)者提出了一種基于大數(shù)據(jù)分析的輸變電設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的異??焖贆z測方法,很好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)備異常的實(shí)時(shí)檢測。利用軟件處理和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)得到了落雷區(qū)域的雷電分布特征,對輸電走廊的防雷工作具有一定的指導(dǎo)作用。

    3.3 變電環(huán)節(jié)

    變電運(yùn)行承擔(dān)著對電網(wǎng)進(jìn)行管理和調(diào)度的作用,因此變電設(shè)備的可靠性是電網(wǎng)供電可靠性的重要環(huán)節(jié)。目前,檢修管理模式單一、一次裝備智能化程度不足、變電自動化系統(tǒng)信息共享程度不高是當(dāng)前變電環(huán)節(jié)面臨的主要問題。

    針對上述存在的問題,學(xué)者提出應(yīng)用數(shù)據(jù)儲存和處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)變電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測。同時(shí),通過引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),建立了基于遠(yuǎn)程的變電站智能數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng),對實(shí)際的生產(chǎn)產(chǎn)生了切實(shí)的幫助。

    3.4 配電環(huán)節(jié)

    配電是配電企業(yè)將輸電網(wǎng)的高壓電利用變電設(shè)備,使其轉(zhuǎn)變成用戶所需電力產(chǎn)品類型并輸送給用戶的過程。我國目前對于智能化、信息化的配電網(wǎng)的建設(shè)已經(jīng)全面展開,但智能化和信息化的程度仍需進(jìn)一步加強(qiáng)。與傳統(tǒng)配電網(wǎng)相比,智能配電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)能量流的雙向流動和信息的全面集成,同時(shí)還能夠支持互動業(yè)務(wù)流程,從全局的角度進(jìn)行決策的優(yōu)化。

    大數(shù)據(jù)技術(shù)可以為配電環(huán)節(jié)提供全面的技術(shù)支撐:可以更好的掌握用電負(fù)荷變化規(guī)律,提高對于負(fù)荷要求的預(yù)測準(zhǔn)確程度;可以更好地指導(dǎo)設(shè)備的狀態(tài)檢修,排除現(xiàn)場的安全隱患,提高事故的響應(yīng)程度;可以對新能源發(fā)電進(jìn)行統(tǒng)一有效管理,提高電網(wǎng)運(yùn)行水平的全面提升。此外,大數(shù)據(jù)在智能配電網(wǎng)能量優(yōu)化、運(yùn)行狀態(tài)、不良數(shù)據(jù)變識負(fù)荷預(yù)測等方面對于配電網(wǎng)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

    3.5 用電環(huán)節(jié)

    在電力系統(tǒng)的用電環(huán)節(jié),我國用電信息采集、營銷用電管理的信息化系統(tǒng)建設(shè)已初見成效,來自需求側(cè)的數(shù)據(jù)的數(shù)量和種類也已頗具規(guī)模,這就為大數(shù)據(jù)在用電側(cè)的研究開展奠定了良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

    電力大數(shù)據(jù)在面向需求側(cè)的國外典型應(yīng)用實(shí)例:如美國利用可視化數(shù)據(jù)技術(shù),已設(shè)計(jì)和開發(fā)出洛杉磯地區(qū)的電力地圖,為管理者提供了直觀有效的負(fù)荷需求依據(jù),進(jìn)而準(zhǔn)確地進(jìn)行能源投資;法國電力公司通過安裝數(shù)萬臺智能儀表用以獲取客戶的用電信息,開發(fā)出基于大數(shù)據(jù)的用電采集應(yīng)用系統(tǒng)。歐美其他一些國家同樣有類似舉措。國內(nèi)學(xué)者在此領(lǐng)域的研究,如基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),對上海的電力大客戶建立了客戶細(xì)分模型,進(jìn)而對該地區(qū)提供更加豐滿和完善的營銷策略。利用海量數(shù)據(jù),結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),同樣對上海居民用戶進(jìn)行了用電特征分析,并提出“冬夏敏感”指數(shù)、行業(yè)“加班”指數(shù)等概念,進(jìn)一步指導(dǎo)用戶個(gè)性化智能用電。將數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用于反竊電系統(tǒng)中,為用電側(cè)的電量管理提供了技術(shù)保障。

    3.6 調(diào)度環(huán)節(jié)

    調(diào)度環(huán)節(jié)通過對信息進(jìn)行獲取、傳輸和處理,實(shí)現(xiàn)對一次電力系統(tǒng)運(yùn)行的監(jiān)視、分析和控制,確保電能能夠安全流通,實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。因此,調(diào)度環(huán)節(jié)被稱為是智能電網(wǎng)的“神經(jīng)中樞”。

    隨著大容量風(fēng)光儲等新能源廣泛接入,利用電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行過程中涉及到海量數(shù)據(jù),建設(shè)以數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能調(diào)度體系,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)向知識的轉(zhuǎn)化,提高電網(wǎng)高度的經(jīng)濟(jì)性、安全性,是智能調(diào)度發(fā)展的必然趨勢。大數(shù)據(jù)在多時(shí)間尺度的負(fù)荷特性參數(shù)在線辨識、互動負(fù)荷大范圍的廣域優(yōu)化調(diào)度、級聯(lián)式停電模式等方面也同樣具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

    4 電力大數(shù)據(jù)面臨的挑戰(zhàn)

    大數(shù)據(jù)技術(shù)為電力行業(yè)帶來機(jī)遇的同時(shí)也帶來許多挑戰(zhàn)。

    4.1 數(shù)據(jù)質(zhì)量的挑戰(zhàn)

    數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接影響到數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性。由于當(dāng)前對數(shù)據(jù)的管控力度不足,導(dǎo)致很多歷史數(shù)據(jù)無法收集,部分?jǐn)?shù)據(jù)仍需手動輸入,電力數(shù)據(jù)完整性、準(zhǔn)確性一致性、和顆粒度亟待提高。

    4.2 數(shù)據(jù)融合的挑戰(zhàn)

    多數(shù)據(jù)融合后所獲得的價(jià)值遠(yuǎn)大于數(shù)據(jù)個(gè)體價(jià)值的總和,但就如何實(shí)現(xiàn)電力大數(shù)據(jù)的集成化還存在很多問題:系統(tǒng)在初期建設(shè)時(shí)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃,導(dǎo)致數(shù)據(jù)模式不統(tǒng)一、冗余數(shù)據(jù)量大等問題,行業(yè)存在較為嚴(yán)重的數(shù)據(jù)壁壘。

    4.3 硬件設(shè)施承載力的挑戰(zhàn)

    當(dāng)前電力行業(yè)的信息數(shù)量呈現(xiàn)爆炸性增長態(tài)勢,數(shù)據(jù)規(guī)模越來越大,對數(shù)據(jù)存儲的顆粒程度、存儲時(shí)間以及對信息的處理速度和準(zhǔn)確度、數(shù)據(jù)可視化、網(wǎng)絡(luò)傳輸能力等要求越來越高。這就需要對現(xiàn)有的系統(tǒng)架構(gòu)和硬件設(shè)備進(jìn)行升級改造,以滿足日益增長的電力大數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)需求。

    4.4 在隱私、安全方面的挑戰(zhàn)

    數(shù)據(jù)隱私主要包括兩個(gè)方面:一是用電用戶個(gè)人的隱私,如用電習(xí)慣、地理信息等;二是即使得到用戶的許可,一些數(shù)據(jù)在傳輸和存放的過程中,仍存在被泄露的危險(xiǎn),特別是在防護(hù)體系尚未健全的地區(qū)。為保障廣大用戶的權(quán)益,這就對電力行業(yè)的信息安全工作提出了更高的要求。

    5 結(jié)束語

    電力大數(shù)據(jù)作為新興技術(shù),雖然處在前期研究階段,但就其蘊(yùn)藏的巨大能量,應(yīng)值得人們的廣泛關(guān)注。筆者認(rèn)為,只有將傳統(tǒng)的電力企業(yè)信息管理工作思路轉(zhuǎn)變?yōu)橐源髷?shù)據(jù)為中心的現(xiàn)代化、信息化理念,充分利用大數(shù)據(jù)技術(shù),努力打造全新的商業(yè)模式和工作模式,才能促進(jìn)電力行業(yè)轉(zhuǎn)型升級,進(jìn)而推動社會和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。因此,如何利用大數(shù)據(jù)以更好地服務(wù)電力行業(yè)發(fā)展和廣大電力用戶,實(shí)現(xiàn)其“以人以本”的根本價(jià)值,將成為今后很長一段時(shí)間的重要研究課題。

    參考文獻(xiàn)

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