大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”下的電力需求側(cè)管理典型應(yīng)用

文_孫 芊 馬建偉 李 強(qiáng)

大數(shù)據(jù)、“互聯(lián)網(wǎng)+”下的電力需求側(cè)管理典型應(yīng)用

文_孫 芊 馬建偉 李 強(qiáng)

孫芊，國家電網(wǎng)公司“配電網(wǎng)智能化應(yīng)用與關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（河南）”核心技術(shù)骨干。2011年開始從事智能電網(wǎng)技術(shù)研究與應(yīng)用，先后負(fù)責(zé)承擔(dān)河南省重大科技專項(xiàng)1項(xiàng)，國家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目3項(xiàng)，獲得省部級科技進(jìn)步獎(jiǎng)3項(xiàng)，中國專利優(yōu)秀獎(jiǎng)1項(xiàng)。

近年來，德美等發(fā)達(dá)國家陸續(xù)提出工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等戰(zhàn)略，我國提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，實(shí)施“中國制造2025”，以阿里、騰訊為代表的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)在金融、交通和餐飲等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)運(yùn)用數(shù)據(jù)分析，解決發(fā)展困局，產(chǎn)生了顛覆性影響，數(shù)據(jù)分析對產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的巨大驅(qū)動(dòng)能力得以顯現(xiàn)。

我國提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，明確提出鼓勵(lì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)樹立互聯(lián)網(wǎng)思維，積極與“互聯(lián)網(wǎng)+”相結(jié)合。電力作為重要的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，在當(dāng)前經(jīng)濟(jì)社會(huì)高速發(fā)展的形勢下，其“保障電力供應(yīng)、高效優(yōu)質(zhì)服務(wù)”也面臨著重大困局，例如用電環(huán)節(jié)能效水平低、用電科學(xué)性不足等問題尤為突出。隨著電網(wǎng)信息化建設(shè)不斷深入，利用大數(shù)據(jù)及“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，結(jié)合新形勢下的電力需求側(cè)管理，可有效解決這些突出問題。

高附加值的電力大數(shù)據(jù)

在能源行業(yè)中，智能電網(wǎng)領(lǐng)域被當(dāng)做大數(shù)據(jù)應(yīng)用的重要技術(shù)領(lǐng)域之一。麥肯錫在研究報(bào)告《大數(shù)據(jù)：創(chuàng)新、競爭和生產(chǎn)力的下一個(gè)前沿領(lǐng)域》中指出，大數(shù)據(jù)的應(yīng)用具有顯著的財(cái)務(wù)價(jià)值，而作為天然聯(lián)系千家萬戶廠礦企業(yè)的電網(wǎng)，其所產(chǎn)生的電力大數(shù)據(jù)價(jià)值尤為寶貴，著名的“克強(qiáng)指數(shù)”將耗電量作為評估經(jīng)濟(jì)社會(huì)增長的重要內(nèi)容就足以說明。

電網(wǎng)公司建立多個(gè)業(yè)務(wù)信息化系統(tǒng)，形成了大量良好的數(shù)據(jù)資源，大致可分為生產(chǎn)、營銷、管理三大類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，包括直接采集監(jiān)測的原生數(shù)據(jù)和經(jīng)處理加工的衍生數(shù)據(jù)，同時(shí)也積累了電力系統(tǒng)外部數(shù)據(jù)，如區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展?fàn)顩r、氣象預(yù)報(bào)、空間地理信息等。

電力大數(shù)據(jù)呈現(xiàn)多源、異構(gòu)、海量的特點(diǎn)。在數(shù)據(jù)來源方面，電力數(shù)據(jù)來自多個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)，正逐步從分散放置、分布式管理模式向數(shù)據(jù)融合、多業(yè)務(wù)貫通轉(zhuǎn)變；在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方面，除傳統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)、設(shè)備及客戶臺賬等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)外，還包括輸變電狀態(tài)監(jiān)測中的視頻圖像、狀態(tài)檢修的紅外成像、電力氣象云圖、客服語音等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)；在數(shù)據(jù)規(guī)模方面，省級電網(wǎng)運(yùn)維近3000座變電站、2萬余條10千伏配電線路，50萬余臺配電變壓器以及近4000萬低壓用戶，其產(chǎn)生數(shù)據(jù)量巨大，并且數(shù)據(jù)增量較大。以河南電網(wǎng)SCADA、用電信息采集系統(tǒng)為例，數(shù)據(jù)日增量分別可達(dá)到10GB/日、3GB/日（詳見表1省級電網(wǎng)部分?jǐn)?shù)據(jù)資源）。

在這樣良好的數(shù)據(jù)資源基礎(chǔ)上，電力大數(shù)據(jù)的高附加值在諸多方面有所體現(xiàn)。《中國電力大數(shù)據(jù)發(fā)展白皮書》明確指出電力數(shù)據(jù)以其同用電客戶的緊密耦合，可以實(shí)現(xiàn)對用戶360度的精確定位，與用戶和電網(wǎng)息息相關(guān)的電力需求側(cè)管理就是重要的價(jià)值體現(xiàn)之處。為此，建立了“電力大數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)室”，在國家電網(wǎng)公司系統(tǒng)率先開展電力大數(shù)據(jù)運(yùn)營模式研究，并重點(diǎn)開展電力大數(shù)據(jù)信息支撐關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用場景深化研究。

新形勢下的電力需求側(cè)管理

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，電力需求持續(xù)增長，2017年河南用電負(fù)荷達(dá)到5785萬千瓦。電力增長的同時(shí)也存在諸多問題：一方面，電力負(fù)荷峰谷差逐年增大，河南目前已達(dá)到最大負(fù)荷的30%，僅靠電力建設(shè)滿足最大負(fù)荷需求成本巨大；另一方面，整體能效水平低，用電管理模式粗放，能效提升缺乏量化分析依據(jù)，節(jié)能潛力巨大。

為解決以上問題，進(jìn)一步提高電力行業(yè)的能源使用效率，不僅要從電網(wǎng)側(cè)進(jìn)行有效的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行管理，還要充分發(fā)掘用戶需求側(cè)資源。在電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行削峰填谷時(shí)，可綜合分析電網(wǎng)和用戶信息，將用戶可調(diào)負(fù)荷納入控制范圍，服務(wù)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；可對用戶用能信息進(jìn)行能效評價(jià)，為節(jié)能減排提供量化分析依據(jù)。

2015年，國務(wù)院頒布《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》（中發(fā)[2015]9號文），促進(jìn)區(qū)域電力平衡和需求側(cè)負(fù)荷資源優(yōu)化配置成為電力工作的重點(diǎn)。隨著售電側(cè)改革逐步深入，各類售電主體和售電模式涌現(xiàn)，需求側(cè)管理作為用戶側(cè)負(fù)荷資源集成的重要手段，其應(yīng)用于區(qū)域負(fù)荷資源的優(yōu)化配置和電網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行具有重大意義。需求側(cè)管理在市場化改革下，成為新的負(fù)荷優(yōu)化方式、新的交易機(jī)制和新的業(yè)務(wù)模式。

2015年，李克強(qiáng)總理提出“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃，國務(wù)院頒布《關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見》，鼓勵(lì)能源企業(yè)運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)對設(shè)備狀態(tài)、電能負(fù)載等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析挖掘與預(yù)測，提高能源利用效率和安全穩(wěn)定運(yùn)行水平。為此，發(fā)改委發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》（發(fā)改能源[2016]392號），促進(jìn)智能終端及接入設(shè)施的普及、支撐能源互聯(lián)網(wǎng)的信息通信系統(tǒng)建設(shè)，并鼓勵(lì)發(fā)展智慧用能新模式。隨著智能電網(wǎng)用電環(huán)節(jié)持續(xù)建設(shè)，用戶用電信息采集、傳輸、分析等各個(gè)環(huán)節(jié)逐步健全，如用電信息采集系統(tǒng)已基本全覆蓋；部分用戶負(fù)荷包括分布式電源、儲(chǔ)能、可控負(fù)荷等均可采集。用戶能量流和信息流初步呈現(xiàn)雙向特性，用戶參與需求側(cè)管理具備了一定的技術(shù)手段和基礎(chǔ)條件。

表1 省級電網(wǎng)部分?jǐn)?shù)據(jù)資源

在新一輪電力體制改革和“互聯(lián)網(wǎng)+”發(fā)展的雙重背景下，《電力發(fā)展“十三五規(guī)劃”》中特別強(qiáng)調(diào)需大力提高電力需求側(cè)響應(yīng)能力。電力生產(chǎn)供應(yīng)和消費(fèi)應(yīng)貫徹節(jié)約優(yōu)先、綠色低碳的國家能源發(fā)展戰(zhàn)略，在增加電力供應(yīng)時(shí)，統(tǒng)籌并優(yōu)先采取電力需求側(cè)管理措施。六部委聯(lián)合修定發(fā)布了《電力需求側(cè)管理辦法（修訂版）》（以下簡稱《辦法》），突出體現(xiàn)了節(jié)約用電、環(huán)保用電、綠色用電、智能用電、有序用電五大內(nèi)涵。《辦法》提出“開展用電在線監(jiān)測、深化用電大數(shù)據(jù)應(yīng)用，整合用電數(shù)據(jù)資源，為電力經(jīng)濟(jì)運(yùn)行分析、用電和節(jié)電決策等提供充足、及時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持?！蓖ㄟ^大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，充分挖掘用戶側(cè)數(shù)據(jù)潛在價(jià)值，開展用戶智能用電、優(yōu)化用電和需求響應(yīng)，成為新形勢下需求側(cè)管理的重點(diǎn)之一和新的盈利增長點(diǎn)。

用戶用電行為分析與控制

智能電網(wǎng)的高級量測體系不斷完善，用戶用電數(shù)據(jù)量呈幾何倍數(shù)增長，同時(shí)電網(wǎng)也在積極尋求方法讓需求側(cè)可以充分參與電網(wǎng)調(diào)控，增強(qiáng)電網(wǎng)的可控性和經(jīng)濟(jì)性?！蛾P(guān)于推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧能源發(fā)展的指導(dǎo)意見》指出：“鼓勵(lì)開展面向能源終端用戶的用能大數(shù)據(jù)信息服務(wù)，對用能行為進(jìn)行實(shí)時(shí)感知與動(dòng)態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、友好、互動(dòng)的智能用能控制?！?/p>

用戶用電行為分析是用能大數(shù)據(jù)服務(wù)的重要內(nèi)容。在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，分析用電數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性，挖掘潛藏在用電數(shù)據(jù)之中的用戶用電行為習(xí)慣，對不同類別用戶進(jìn)行細(xì)分，高效、準(zhǔn)確地挖掘出用電行為、電量消費(fèi)等高附加值的信息，為服務(wù)用戶節(jié)能工作、電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)調(diào)度和智能化營銷業(yè)務(wù)分析與決策提供有力支撐。用戶用電行為分析通過對用戶用電量、用戶負(fù)荷、客戶信用、用電業(yè)擴(kuò)報(bào)裝等用電行為的深入分析，準(zhǔn)確掌握客戶用電特點(diǎn)與潛在需求，為電網(wǎng)公司開展負(fù)荷調(diào)控、電網(wǎng)改造升級、營銷互動(dòng)服務(wù)提供決策依據(jù)，為節(jié)能公司開展能效分析、節(jié)能服務(wù)對象篩選提供技術(shù)手段，為用戶掌握用電構(gòu)成、耗能環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)支撐。

用戶負(fù)荷曲線含有反映負(fù)荷特性的豐富信息，但用戶類型多、信息量大，缺乏準(zhǔn)確有效的分析方法，亟須一種針對海量用戶負(fù)荷曲線的用電行為分析方法，便于需求響應(yīng)控制及能效分析。國家電網(wǎng)“配電網(wǎng)智能化應(yīng)用及關(guān)鍵設(shè)備聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（河南）”將配用信息分析與應(yīng)用作為主要研究方向，針對用電行為開展深入分析研究，提出并應(yīng)用“基于用戶行為特點(diǎn)的用電模式分類和控制方法”，通過大數(shù)據(jù)、負(fù)荷雙向管理技術(shù)的有效整合，實(shí)時(shí)感知與動(dòng)態(tài)分析工業(yè)用戶用能行為，服務(wù)遠(yuǎn)程、互動(dòng)的智能用能控制。

技術(shù)創(chuàng)新顯著。該項(xiàng)技術(shù)采用聚類分析方法進(jìn)行用電模式分類，評估用戶負(fù)荷可調(diào)能力，開創(chuàng)性地解決了負(fù)荷曲線樣本數(shù)量大、特征向量維數(shù)多的難題；創(chuàng)新性建立了考慮用戶負(fù)荷可調(diào)能力的用電控制方法，解決了用戶與電網(wǎng)友好雙向互動(dòng)的難題；創(chuàng)新性建立了工業(yè)用戶用電模式行為庫，為能效評估、負(fù)荷預(yù)測、故障診斷提供依據(jù)，填補(bǔ)了用能大數(shù)據(jù)分析服務(wù)的空白。

應(yīng)用效果明顯。該項(xiàng)技術(shù)先后應(yīng)用于多個(gè)地區(qū)電網(wǎng)、工業(yè)用戶，在企業(yè)節(jié)能降損、節(jié)能公司開展節(jié)能服務(wù)、電網(wǎng)削峰填谷等方面效果顯著。針對200余家企業(yè)開展企業(yè)用戶用電行為分析，評估其負(fù)荷可調(diào)節(jié)能力及能效水平，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)移峰填谷，延緩電網(wǎng)投資，并充分考慮用戶調(diào)整能力，避免對企業(yè)生產(chǎn)限制；可依托節(jié)能服務(wù)有限公司開展多家企業(yè)能效分析，涵蓋制造、水泥、造紙等多個(gè)行業(yè)，評估能效水平，服務(wù)節(jié)能改造，預(yù)期節(jié)能效果達(dá)到3%至5%。

推廣前景廣闊。該項(xiàng)技術(shù)滿足“互聯(lián)網(wǎng)+智慧能源”對于數(shù)據(jù)分析及雙向互動(dòng)的要求，特別是能源消費(fèi)行為分析方面具有較強(qiáng)的適用性，特別在電力、石化、燃?xì)獾取盎ヂ?lián)網(wǎng)+傳統(tǒng)能源行業(yè)”具有較好的應(yīng)用前景；適用于工業(yè)、商業(yè)及居民各類用戶，在適用于鋼鐵、水泥、機(jī)械加工等工業(yè)用戶的同時(shí)，可對商業(yè)、居民用戶的用電可調(diào)能力、能效水平進(jìn)行評估；可開展設(shè)備級的能效分析與故障診斷，例如對多地區(qū)近800條配電線路進(jìn)行篩選，依據(jù)評估結(jié)果，對能耗水平高、設(shè)備老舊的61條線路開展增容改造，降低運(yùn)行損耗，防止設(shè)備老舊、線路重過載引起設(shè)備燒毀情況的發(fā)生，保障供用電安全可靠。

（作者單位：省公司電力科學(xué)研究院）