大數(shù)據(jù)背景下智能電網(wǎng)的前景及應(yīng)用綜述

趙琳　高巖

摘要：隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)產(chǎn)生于整個(gè)系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)，如電力供應(yīng)端等。輸變電端的智能傳感技術(shù)的發(fā)展，可以對(duì)輸變電設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；智能終端的部署，可以實(shí)時(shí)獲取發(fā)電信息和負(fù)荷信息；智能電表的安裝，電力供應(yīng)商可以每隔一段時(shí)間自動(dòng)讀取一次用戶用電信息。海量的電力數(shù)據(jù)的收集，從而構(gòu)成了智能電網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)海量數(shù)據(jù)深度挖掘，不僅具有提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，促進(jìn)社會(huì)資源合理等優(yōu)點(diǎn)，還能激勵(lì)用戶在低谷時(shí)段用電，從而達(dá)到削減峰值負(fù)荷，節(jié)能減排等目的。本文綜合大量智能電網(wǎng)相關(guān)的文獻(xiàn)，分析和總結(jié)了智能電網(wǎng)中大數(shù)據(jù)特點(diǎn)及其相關(guān)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)電價(jià)；負(fù)荷預(yù)測(cè)；故障識(shí)別

引言

近年來(lái)，隨著人類(lèi)文明的不斷進(jìn)步，工業(yè)文明的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)能源以驚人的速度在消耗，為此也引發(fā)了諸多環(huán)境問(wèn)題，比如：海平面逐漸上升，溫室效應(yīng)日益嚴(yán)重等。為了可持續(xù)發(fā)展，提高能源利用率和減少二氧化碳及有害氣體的排放，現(xiàn)代電網(wǎng)制定了優(yōu)質(zhì)、可靠、自適應(yīng)、經(jīng)濟(jì)、綠色環(huán)保等目標(biāo)，智能電網(wǎng)的概念由此而生。

智能電網(wǎng)是一種新型的電力網(wǎng)絡(luò)，它利用監(jiān)測(cè)、控制、自我協(xié)調(diào)等功能來(lái)提高電網(wǎng)的有效性、靈活性、安全性、可靠性。相較于現(xiàn)在的電網(wǎng)，智能電網(wǎng)不僅具有雙向通信、分布式發(fā)電、自愈、實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程調(diào)控等優(yōu)點(diǎn)，而且能夠很大程度上調(diào)度部署分布式能源，如可再生能源、電力儲(chǔ)蓄系統(tǒng)等；允許用戶和電力供應(yīng)商之間的實(shí)時(shí)交流互動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)需求側(cè)和控制負(fù)載等功能；通過(guò)智能電表和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶電價(jià)。

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)廣泛地應(yīng)用在當(dāng)今社會(huì)和經(jīng)濟(jì)中，世界上大多數(shù)國(guó)家都已將大數(shù)據(jù)作為戰(zhàn)略資源，2012年，美國(guó)政府率先宣布推出“大數(shù)據(jù)的研究和發(fā)展計(jì)劃”，日本、歐盟也緊隨其后，相應(yīng)開(kāi)展一系列與大數(shù)據(jù)有關(guān)的研究項(xiàng)目。我國(guó)也順應(yīng)時(shí)代的潮流，2013年北京、上海等地率先建立了政府?dāng)?shù)據(jù)資源開(kāi)放平臺(tái)，推動(dòng)數(shù)據(jù)的開(kāi)放和共享；中關(guān)村牽頭建立京津冀“大數(shù)據(jù)走廊”，啟動(dòng)全國(guó)首個(gè)大數(shù)據(jù)交易平臺(tái)。

基于大數(shù)據(jù)背景下的智能電網(wǎng)中，智能電表是不可或缺的一部分。它不僅能實(shí)時(shí)提供用戶的電價(jià)計(jì)費(fèi)以及稅收數(shù)據(jù)等信息，還具有雙向通信、遠(yuǎn)程調(diào)控、功能擴(kuò)展等能力。利用高速雙向交流、信息、控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)中多種電價(jià)計(jì)費(fèi)、遠(yuǎn)程斷供電、電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)、與用戶互動(dòng)等功能。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、分析是發(fā)展優(yōu)質(zhì)、可靠、自適應(yīng)智能電網(wǎng)的核心技術(shù)，其運(yùn)用于整個(gè)電力系統(tǒng)，包括發(fā)電、輸變電、用電等環(huán)節(jié)。因此，本文將智能電網(wǎng)中大數(shù)據(jù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述，并對(duì)未來(lái)挑戰(zhàn)提出展望。

1、智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)及特點(diǎn)

1.1智能電網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)

與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)具有更高的智能化水平，而實(shí)現(xiàn)智能化的前提是能夠?qū)崟r(shí)獲取海量數(shù)據(jù)并做出快速分析處理。智能電網(wǎng)中，大數(shù)據(jù)產(chǎn)生于電力系統(tǒng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)中，如圖1：

①電力供應(yīng)商端：隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)化建設(shè)發(fā)展，大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)被保存，這些數(shù)據(jù)不僅對(duì)電力供應(yīng)商生產(chǎn)運(yùn)行，優(yōu)化電力生產(chǎn)策略、故障診斷等方面有著重要的意義，而且能及時(shí)準(zhǔn)確掌握分布式能源的設(shè)備及運(yùn)行狀態(tài)。

②輸變電側(cè)：目前，我國(guó)已有幾百座數(shù)字化變電站投入運(yùn)行使用，一天能收集上億的數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)據(jù)量以GB為單位。在輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)中，海量的數(shù)據(jù)被收集、監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的深度挖掘，異常數(shù)據(jù)為故障檢測(cè)、狀態(tài)檢修的重要依據(jù)。

③用戶端：為了能夠準(zhǔn)確地獲取用戶的用電數(shù)據(jù)，電力供應(yīng)商在用戶端部署安裝了智能電表，電力供應(yīng)商每隔5分鐘就能讀取一次實(shí)時(shí)用電信息。海量的電力數(shù)據(jù)的收集，從而構(gòu)成了智能電網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)這些海量數(shù)據(jù)的觀察以及定性和定量分析，電力供應(yīng)商能及時(shí)地對(duì)用戶端的用電模式進(jìn)行調(diào)整，從而做到削峰填谷，節(jié)能減排，優(yōu)化人們生活，為廣大用戶提供更優(yōu)質(zhì)、安全、可靠的服務(wù)。

1.2智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

不僅互聯(lián)網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)有“4V”特點(diǎn)，智能電網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)也具有類(lèi)似特點(diǎn)：

①大容量（Volume）：電力供應(yīng)商每隔5分鐘就能讀取一次實(shí)時(shí)用電信息，每年產(chǎn)生上百TB的數(shù)據(jù)。我國(guó)某省電力公司已有178座數(shù)字化變電站，每天能產(chǎn)生約700TB的數(shù)量，隨著檢測(cè)系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大以及數(shù)據(jù)采樣頻率的提高，數(shù)據(jù)量將會(huì)成倍增加。

②多樣性（Variety）：智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)不僅分布較廣，而且種類(lèi)繁多，其中主要包括歷史數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，時(shí)間序列數(shù)據(jù)等原始數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。多樣化的數(shù)據(jù)是智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)威力所在，可以根據(jù)電網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出傍晚辦公室集中關(guān)燈的時(shí)間，加上偏移量就可以估算晚高峰堵車(chē)時(shí)間段。

③價(jià)值密度低（Value）：在不間斷監(jiān)控發(fā)電設(shè)備和輸變電設(shè)備中，所采集的數(shù)據(jù)大部分是正常數(shù)據(jù)，只有少量數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)，在快速檢測(cè)電網(wǎng)的異常故障過(guò)程中，可能只對(duì)異常數(shù)據(jù)（小時(shí)間段的數(shù)據(jù)）進(jìn)行關(guān)注、處理、分析，而丟棄了“正常數(shù)據(jù)”，然而對(duì)這些正常數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘也可能是故障分析重要線索。

④真實(shí)性（Veracity）：數(shù)據(jù)的規(guī)模并不是衡量其是否具有價(jià)值的最重要指標(biāo)，數(shù)據(jù)的真實(shí)性和質(zhì)量才是其最重要的因素。電力供應(yīng)端與用戶端通過(guò)智能電表進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互促，準(zhǔn)確獲取用戶的用電行為，對(duì)用戶進(jìn)行觀察分析，建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，針對(duì)不同用電模式下的用戶，提供不同的用電服務(wù)，削峰平谷，優(yōu)化電力分配。

此外，智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)特征還包括“3E”：數(shù)據(jù)即交互（Exchange）、數(shù)據(jù)即能量（Energy）、數(shù)據(jù)即共情（Empathy）。從某種意義上講，對(duì)電力大數(shù)據(jù)深度挖掘不僅能夠做到節(jié)能減排，而且能夠與電力行業(yè)以外的進(jìn)行數(shù)據(jù)交互共享，促進(jìn)社會(huì)資源合理利用。智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的相關(guān)應(yīng)用

2.1實(shí)時(shí)電價(jià)

電力定價(jià)方式有許多種，其中包括：固定電價(jià)、分時(shí)電價(jià)、階梯電價(jià)、自適應(yīng)電價(jià)和實(shí)時(shí)電價(jià)等。良好的電價(jià)機(jī)制需要用戶根據(jù)電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)和自身的用電需求靈活地調(diào)整用電時(shí)間和用電數(shù)量，實(shí)現(xiàn)減少支出。從社會(huì)角度來(lái)看，良好的電價(jià)機(jī)制可以有效地緩解電力供需不平衡，將污染與溫室氣體排放降低到最小程度，從而增加社會(huì)綜合效益。在各種定價(jià)機(jī)制中，最理想電價(jià)機(jī)制應(yīng)該是實(shí)時(shí)電價(jià)。

實(shí)時(shí)電價(jià)（real-timepricing）的概念最早由Schweppe于上世紀(jì)80年代提出，實(shí)時(shí)電價(jià)是指電力銷(xiāo)售過(guò)程中某一瞬間發(fā)生的費(fèi)用，體現(xiàn)電價(jià)隨時(shí)間變化而變化的特點(diǎn)。在實(shí)時(shí)電價(jià)實(shí)施過(guò)程中，電力供應(yīng)商根據(jù)智能電表所讀取的供需信息，實(shí)時(shí)制定電價(jià)來(lái)引導(dǎo)用戶減少高峰時(shí)間段用電，激勵(lì)用戶低谷時(shí)段用電，從而達(dá)到削峰填谷的目的。

早期的實(shí)時(shí)電價(jià)也被稱之為動(dòng)態(tài)電價(jià)，包括分時(shí)定價(jià)，尖峰定價(jià)等（殷樹(shù)剛（2009），Bu（2011），Giuliano（2015）.這種實(shí)時(shí)電價(jià)實(shí)際上也包括在較長(zhǎng)時(shí)段上的價(jià)格變化，例如按白天與夜晚，冬季與夏季等劃分時(shí)段，每個(gè)時(shí)段制定不同的電力價(jià)格。這種意義下的實(shí)時(shí)電價(jià)相關(guān)研究有較長(zhǎng)的歷史，取得了一系列有意義的研究成果。文獻(xiàn)中，根據(jù)幾個(gè)小時(shí)前甚至一天前的用電數(shù)據(jù)，對(duì)下一階段電價(jià)進(jìn)行預(yù)測(cè)，以用于實(shí)際電價(jià)的制定，在給定的時(shí)間段內(nèi)向用戶提供實(shí)時(shí)電價(jià)。

2.2負(fù)荷預(yù)測(cè)

在智能電網(wǎng)中，電力負(fù)荷是一個(gè)隨機(jī)變量，通過(guò)智能電表進(jìn)行采樣記錄下來(lái)的集合是一個(gè)時(shí)間序列，用這個(gè)序列對(duì)電力負(fù)荷變化的規(guī)律進(jìn)行分析并對(duì)未來(lái)負(fù)荷做出預(yù)測(cè)。

電力負(fù)荷預(yù)測(cè)對(duì)于電力調(diào)度，可靠性分析和發(fā)電機(jī)維護(hù)計(jì)劃至關(guān)重要，是一個(gè)復(fù)雜的非線性問(wèn)題，通常有天氣，城市地理位置，社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等因素。

近年來(lái)有關(guān)數(shù)據(jù)挖掘的相關(guān)技術(shù)被應(yīng)用于電力負(fù)荷預(yù)測(cè)，并取得了許多的研究成果，其中文獻(xiàn)利用灰色模型分析法處理原始發(fā)電序列，用新序列來(lái)建立灰色模型預(yù)測(cè)未來(lái)值，再進(jìn)行反變換得到原序列的發(fā)電需求；文獻(xiàn)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)長(zhǎng)期高峰負(fù)荷和平均負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)數(shù)據(jù)中應(yīng)用預(yù)處理技術(shù)和調(diào)整控制參數(shù)可以提高精度；文獻(xiàn)使用回歸方法分析尋找發(fā)電量序列與其影響因素之間的因果關(guān)系，并建立回歸模型進(jìn)行電力預(yù)測(cè)；文獻(xiàn)針對(duì)電力用戶側(cè)大數(shù)據(jù)展開(kāi)了研究，分析了用戶側(cè)大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，提出了一個(gè)大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，并在此平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了基于Hadoop的電力用戶側(cè)大數(shù)據(jù)并行負(fù)荷預(yù)測(cè)原型系統(tǒng)；文獻(xiàn)基于湖北省發(fā)電量數(shù)據(jù)使用自回歸求和滑動(dòng)平均模型預(yù)測(cè)其趨勢(shì)項(xiàng)和周期項(xiàng)，并提出了乘積模型。

2.3故障識(shí)別

隨著電力系統(tǒng)日益重要，輸電線路和變電站發(fā)生故障危害社會(huì)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，影響人們的日常生活。因此，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行不僅十分重要，其本身也是一個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，所以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)是十分有必要的。

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，配合故障投訴系統(tǒng)，利用聚類(lèi)劃分、異常點(diǎn)檢測(cè)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，建立新型配電網(wǎng)故障管理系統(tǒng)，可以更好地對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障檢測(cè)與診斷，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高電網(wǎng)的優(yōu)質(zhì)、可靠性。

目前國(guó)內(nèi)已有許多學(xué)者利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)故障診斷進(jìn)行分類(lèi)研究：文獻(xiàn)通過(guò)分析系統(tǒng)中異常數(shù)據(jù)的電流與波形，為供技術(shù)人員更準(zhǔn)確、快速處理比對(duì)、分析，確定電網(wǎng)故障區(qū)提供依據(jù)；文獻(xiàn)使用支持向量機(jī)（SVM）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的方法來(lái)檢測(cè)和診斷智能電網(wǎng)故障；文獻(xiàn)使用生成空間一時(shí)間特征和隱馬爾可夫模型（HMM）來(lái)檢測(cè)識(shí)別智能電網(wǎng)故障，并引入Granger因果關(guān)系來(lái)研究智能電網(wǎng)中所有公交車(chē)故障影響因果分析。

2.4關(guān)聯(lián)應(yīng)用

關(guān)聯(lián)規(guī)則分析是指挖掘出變量之間的關(guān)聯(lián)性和依存性，例如，用電量與電價(jià)之間的關(guān)聯(lián)性等。對(duì)關(guān)聯(lián)性規(guī)則的數(shù)據(jù)挖掘，對(duì)電力供應(yīng)商具有重要價(jià)值。將關(guān)聯(lián)分析引入電力營(yíng)銷(xiāo)和負(fù)荷管理，可以為電力供應(yīng)商制定合理的售電策略提供數(shù)據(jù)分析；在城市輸配電規(guī)劃中，為城市用電量與GDP、中心性級(jí)別、其后類(lèi)型等因素潛在關(guān)系提供依據(jù)；文獻(xiàn)介紹了關(guān)聯(lián)分析技術(shù)在智能電網(wǎng)監(jiān)視告警系統(tǒng)中的重要性，并論述了關(guān)聯(lián)事件分析引擎的工作原理以及關(guān)聯(lián)分析引擎應(yīng)實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能。

3、結(jié)束語(yǔ)

隨著智能電網(wǎng)的信息化，通過(guò)對(duì)海量數(shù)據(jù)深度挖掘，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸變電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)獲取發(fā)電和負(fù)荷信息，以達(dá)到優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多種能源供給互補(bǔ)的目的；其不僅能有效地提高能源利用率，增強(qiáng)電網(wǎng)的穩(wěn)定性、可靠性、靈活性；還實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)商與用戶的雙向互動(dòng)，打破了傳統(tǒng)的電力服務(wù)模式，為用戶提高更加優(yōu)質(zhì)、便捷的服務(wù)。能源互聯(lián)網(wǎng)是智能電網(wǎng)的進(jìn)一步深化和發(fā)展，以數(shù)據(jù)為核心的綜合能源管理模式，以大數(shù)據(jù)為支撐下的能源互聯(lián)，是一場(chǎng)智能體系的改革。