面向泛在物聯(lián)網(wǎng)的電力營(yíng)銷(xiāo)大數(shù)據(jù)處理方法*

彭 龍 化振謙 黨三磊 趙炳輝 張永旺

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司計(jì)量中心 廣州 511547)

1 引言

隨著電力技術(shù)的飛速發(fā)展，電力營(yíng)銷(xiāo)管理業(yè)務(wù)的范圍逐漸擴(kuò)大，其包括多種業(yè)務(wù)形式，比如抄表、繳費(fèi)、電力營(yíng)銷(xiāo)作業(yè)、電力故障維修、計(jì)量點(diǎn)管理、電力信息服務(wù)等[1-4]。在應(yīng)用時(shí)，由于電力營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)具有較廣的業(yè)務(wù)分布，并且大量的項(xiàng)目分布分散，業(yè)務(wù)形式繁多，電力信息采集量大，相鄰系統(tǒng)件的耦合關(guān)聯(lián)性比較強(qiáng)[5-7]。用戶在進(jìn)行業(yè)務(wù)處理就顯得不夠及時(shí)，時(shí)效性較差，系統(tǒng)之間的互聯(lián)性不佳。因此，如何便捷、實(shí)時(shí)使用電力營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)、提高電力營(yíng)銷(xiāo)系統(tǒng)的使用效率就成為當(dāng)前電網(wǎng)用戶亟待解決的問(wèn)題。電力營(yíng)銷(xiāo)管理信息系統(tǒng)(Material management information system，MMIS)是供電企業(yè)提高經(jīng)營(yíng)管理效能和決策水平，向客戶提供“優(yōu)質(zhì)、方便、規(guī)范、真誠(chéng)”服務(wù)的重要條件[8-12]。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個(gè)工業(yè)中的應(yīng)用，這就為電力營(yíng)銷(xiāo)管理系統(tǒng)的應(yīng)用提供了新的技術(shù)方向。通過(guò)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電力營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)電力營(yíng)銷(xiāo)各項(xiàng)業(yè)務(wù)的集中化、實(shí)時(shí)化、精細(xì)化管理，使用戶可以跨地域、跨業(yè)務(wù)范圍地使用、管理電力系統(tǒng)[13]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)還能夠使各種應(yīng)用終端與電力營(yíng)銷(xiāo)管理系統(tǒng)形成互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大大提高了電力營(yíng)銷(xiāo)數(shù)據(jù)的傳輸和交互能力[14]?；诖耍疚幕谖锫?lián)網(wǎng)構(gòu)建出電力營(yíng)銷(xiāo)管理信息系統(tǒng)(MMIS)，增加了電力營(yíng)銷(xiāo)管理應(yīng)用的范圍。

2 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于可擴(kuò)展性、可用性、穩(wěn)定性、安全性和互聯(lián)性原則，構(gòu)建出如圖1 所示的架構(gòu)圖。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，MMIS 基于智能用電服務(wù)系統(tǒng)技術(shù)支撐平臺(tái)而建立電力信息管理平臺(tái)，其根據(jù)國(guó)家電力公司《電力營(yíng)銷(xiāo)管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)》的要求[15]，將電力營(yíng)銷(xiāo)管理信息系統(tǒng)大致劃分4 個(gè)層面，分別為客戶服務(wù)層、營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)層、營(yíng)銷(xiāo)工作質(zhì)量管理層和營(yíng)銷(xiāo)管理決策支持層。將MMIS 與物聯(lián)網(wǎng)連接通信，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)信息互通。在物聯(lián)網(wǎng)中，其包含應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層以及用戶層。

在本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將物聯(lián)層大致劃分為三層，即物聯(lián)網(wǎng)感知層、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層。其中物聯(lián)網(wǎng)感知層包含有不同的營(yíng)銷(xiāo)終端，用戶通過(guò)營(yíng)銷(xiāo)終端使用、利用電力設(shè)備，并與電力設(shè)備進(jìn)行通信。在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層，其應(yīng)用了不同的通信方式(比如無(wú)線通信或者有線通信)。通過(guò)這種方式與不同的終端和移動(dòng)營(yíng)銷(xiāo)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)信息互通(遠(yuǎn)程通信和近距離通信)，如圖2 所示。在常規(guī)電力通信中，通常采用基站、交換機(jī)和路由器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，并采用以太網(wǎng)TCP/IP 通信協(xié)議。

在本文設(shè)計(jì)的方案中，可以采用多種通信方式。遠(yuǎn)程無(wú)線通信方式可以為CDMA、GPRS、2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)、Mobitex 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等。在移動(dòng)營(yíng)銷(xiāo)終端內(nèi)，通常還可以設(shè)置Mobitex 無(wú)線調(diào)制解調(diào)器，通過(guò)該解調(diào)器實(shí)現(xiàn)與Mobitex 基站的通信，Mobitex 基站還能夠與以太網(wǎng)交換機(jī)以TCP/IP 方式互通信息，通信方式是通過(guò)Mobitex 協(xié)議包的形式完成。近程無(wú)線 通信可以為Zigbee 網(wǎng)絡(luò)、RFID 射頻識(shí)別、藍(lán)牙通信、紅外通信、WiFi 通信等。基于多種通信的方式有利于實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)電力營(yíng)銷(xiāo)管理系統(tǒng)，從而構(gòu)建出信息暢通的互聯(lián)模式。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用層中，主要實(shí)現(xiàn)與移動(dòng)終端、移動(dòng)營(yíng)銷(xiāo)互動(dòng)平臺(tái)之間的通信，其中包括移動(dòng)作業(yè)、移動(dòng)獲知、移動(dòng)服務(wù)和移動(dòng)通信等。從而更有效地獲取業(yè)務(wù)客戶的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)客戶與支撐平臺(tái)之間的通信[16-17]。

3 大數(shù)據(jù)處理方法

大數(shù)據(jù)軟件平臺(tái)主要包含客戶服務(wù)層、營(yíng)銷(xiāo)業(yè)務(wù)層、營(yíng)銷(xiāo)工作質(zhì)量管理層、營(yíng)銷(xiāo)管理決策支持層。在本文方案中，應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘算法對(duì)MMIS 中各種不同類(lèi)型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)，使用戶能夠根據(jù)需求輸出不同的目標(biāo)數(shù)據(jù)，減少用戶搜索數(shù)據(jù)的時(shí)間[18-19]。然后根據(jù)檢索到的數(shù)據(jù)，再利用隨機(jī)矩陣?yán)碚摻y(tǒng)計(jì)、分析MMIS 中數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)，從而有效地分析出數(shù)據(jù)的信息的能譜和本征態(tài)，得出實(shí)際數(shù)據(jù)的隨機(jī)程度，根據(jù)數(shù)值，揭示不同類(lèi)型數(shù)據(jù)之間包含的事件特征之間的關(guān)系。從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理、用電業(yè)擴(kuò)管理、電費(fèi)計(jì)算、電費(fèi)審核、計(jì)量管理、工程管理、報(bào)表管理等各種功能，從而便于用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)管理和應(yīng)用，圖3 為本系統(tǒng)軟件的總體框圖。MMIS 能夠覆蓋所屬各地、市供電企業(yè)的廣域網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)上傳下達(dá)數(shù)據(jù)的目的，滿足用戶獲取數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)性。在任務(wù)開(kāi)始時(shí)，MMIS 通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線通信或其他通信方式接收電力設(shè)備底層數(shù)據(jù)，或者接收抄表信息。通信方式請(qǐng)參考上文介紹在此不做詳細(xì)說(shuō)明，下面針對(duì)數(shù)據(jù)的算法處理進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 數(shù)據(jù)挖掘算法

MMIS 中的數(shù)據(jù)庫(kù)通常包含基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、共享數(shù)據(jù)庫(kù)以及決策數(shù)據(jù)庫(kù)。在對(duì)這些數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行處理時(shí)，選擇采用決策樹(shù)算法進(jìn)行運(yùn)算的原因在于，這種方法能夠處理數(shù)據(jù)量比較大的數(shù)據(jù)，能夠使用戶從大量的數(shù)據(jù)庫(kù)中快速選出用戶期望的數(shù)據(jù)。下面對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行說(shuō)明。如圖4 所示?；A(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)是各個(gè)業(yè)務(wù)子系統(tǒng)中業(yè)務(wù)信息的重要資產(chǎn)信息，它是建立其他數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)。共享數(shù)據(jù)庫(kù)的使用范圍比較廣，綜合性較強(qiáng)，其包含的數(shù)據(jù)類(lèi)型也較多。決策數(shù)據(jù)庫(kù)使企業(yè)決策者執(zhí)行決策、計(jì)算的常用數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)作為電力營(yíng)銷(xiāo)管理系統(tǒng)的核心部分，各級(jí)MMIS 通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)交互數(shù)據(jù)錯(cuò)綜復(fù)雜。用戶在使用數(shù)據(jù)時(shí)，操作、處理數(shù)據(jù)的能力顯得不足。

在本文技術(shù)方案中，選擇使用決策樹(shù)算法中的ID3 算法來(lái)構(gòu)建決策樹(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的分類(lèi)。這種算法處理速度快，分類(lèi)精確，并且能夠根據(jù)用戶選擇的分類(lèi)屬性進(jìn)行分類(lèi)，最終輸出分類(lèi)的具體結(jié)果，下面對(duì)該分類(lèi)步驟進(jìn)行詳細(xì)介紹。在分類(lèi)時(shí)，首先要訓(xùn)練分類(lèi)器，再將若干個(gè)弱分類(lèi)器訓(xùn)練成強(qiáng)分類(lèi)器，如圖5 所示。

在選擇分類(lèi)器之后，通過(guò)確定決策樹(shù)的節(jié)點(diǎn)和分支節(jié)點(diǎn)來(lái)建立決策樹(shù)模型。如圖6 所示，首先介紹數(shù)據(jù)組經(jīng)驗(yàn)熵H(D)的計(jì)算公式

式中，i 為電力營(yíng)銷(xiāo)數(shù)據(jù)類(lèi)型的個(gè)數(shù)；|D|是數(shù)據(jù)庫(kù)集中所有樣本個(gè)數(shù)；k 是目標(biāo)變量的種類(lèi)；|Ck|是該分類(lèi)下的樣本個(gè)數(shù)。

用戶從所選的MMIS 數(shù)據(jù)庫(kù)中計(jì)算數(shù)據(jù)庫(kù)集的經(jīng)驗(yàn)熵，并選擇信息增益最大的特征作為當(dāng)前分裂特征。

在所有的特征中，假設(shè)計(jì)算特征A 對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)集 D 的經(jīng)驗(yàn)條件熵H(D|A)，則有計(jì)算特征A 的信息增益公式為

根據(jù)式(1)和(2)計(jì)算出經(jīng)驗(yàn)熵選擇決策樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)。在選擇目前數(shù)據(jù)庫(kù)集的分割特征屬性時(shí)，使用信息增益度來(lái)計(jì)算。如果出現(xiàn)大信息增益度值的頻率高，則表示在這個(gè)屬性特征上，數(shù)據(jù)損失得較少，可將計(jì)算出的較大信息增益度值的屬性置于決策樹(shù)的上層，作為根節(jié)點(diǎn)來(lái)考慮，將較小信息增益度值的屬性作為葉節(jié)點(diǎn)使用。根據(jù)上述方法確定的根節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)，從而建立數(shù)據(jù)模型。

3.2 隨機(jī)矩陣?yán)碚?/h3>

在進(jìn)行了決策樹(shù)算法之后，能夠使用戶有效地將不同營(yíng)銷(xiāo)數(shù)據(jù)類(lèi)型按照一定的屬性選擇出來(lái)。在輸出的數(shù)據(jù)中，如果要考察不同數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性以及不同數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，即通過(guò)各種數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行評(píng)估電力營(yíng)銷(xiāo)不同大數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，則需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的研究，因此引入了隨機(jī)矩陣?yán)碚?。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還能夠統(tǒng)計(jì)、分析不同地區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系。在應(yīng)用隨機(jī)矩陣?yán)碚撝埃紫纫鱿嚓P(guān)性矩陣公式[9-12]，如式(3)所示

在式(3)～(5)中，假設(shè)不同市、地區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫(kù)(諸如A 市MMIS 數(shù)據(jù)庫(kù)中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、B 市區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫(kù)中的共享數(shù)據(jù)庫(kù)、C 市區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫(kù)中的決策數(shù)據(jù)庫(kù)等)有M 種，數(shù)據(jù)庫(kù)集合為：{P1, P2, P3, …, PM}，參數(shù)(如電量電費(fèi)數(shù)據(jù)、收費(fèi)服務(wù)數(shù)據(jù)、負(fù)荷管理數(shù)據(jù)等)的數(shù)據(jù)有N 種，數(shù)據(jù)集合為：{Q1, Q2, Q3, …, QN}，在評(píng)估時(shí)間窗區(qū)間范圍內(nèi)，連續(xù)測(cè)試T 次，其中將構(gòu)成用戶投訴的數(shù)據(jù)構(gòu)建為矩陣D1，矩陣中，數(shù)據(jù)集合元素Pij為第i 個(gè)MMIS 數(shù)據(jù)庫(kù)在j 時(shí)間下進(jìn)行檢測(cè)數(shù)值[20-22]。D2表示電能計(jì)量數(shù)據(jù)，比如電量電費(fèi)數(shù)據(jù)、收費(fèi)服務(wù)數(shù)據(jù)、負(fù)荷管理數(shù)據(jù)等。

4 應(yīng)用與分析

下面結(jié)合具體案例，對(duì)本文設(shè)計(jì)的技術(shù)方案進(jìn)行驗(yàn)證。在試驗(yàn)時(shí)，可采用LoadRunner 性能測(cè)試工具[23-25]。測(cè)試模型如圖8 所示。

4.1 采用決策樹(shù)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

假設(shè)用戶選擇的MMIS 數(shù)據(jù)庫(kù)集為D，基于上述論述，將最大信息增益作為最優(yōu)特征而選擇，然后生成極小熵決策樹(shù)，計(jì)算出各特征A1、A2、A3、A4、A5對(duì)數(shù)據(jù)D 的信息增益，如表1 所示。

表1 中的D1和D2，D3分別表示在各個(gè)特征中取值為1、2 和3 的樣本子集，基于式(1)計(jì)算出

表1 MMIS 數(shù)據(jù)庫(kù)樣本計(jì)算

根據(jù)上面的計(jì)算結(jié)果，特征A5的信息增益最大，即選擇A5為根節(jié)點(diǎn)。將A5的取值將樣本劃分為3 個(gè)集合，S1={2, 3, 6, 8, 12, 13}，S2={1, 5, 7, 14}，S3= {4, 9, 10, 11, 15}，集合S2已全部屬于同一個(gè)類(lèi)，不需要再分支，已成為葉子節(jié)點(diǎn)。采用類(lèi)似的方法可確定其他根節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)。利用上述數(shù)據(jù)集構(gòu)建決策樹(shù)如圖9 所示。

通過(guò)上述決策樹(shù)的建立，用戶可以快速?gòu)腗MIS 數(shù)據(jù)庫(kù)中篩選出稽核表中的故障數(shù)據(jù)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，采用該算法數(shù)據(jù)檢索速度提高了95%以上。

4.2 采用隨機(jī)矩陣數(shù)據(jù)驗(yàn)證

在Matpower 的IEEE-118 節(jié)點(diǎn)的仿真系統(tǒng)中模擬各個(gè)市地區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫(kù)之間的關(guān)系。在樣本數(shù)據(jù)庫(kù)中，假設(shè)選擇矩陣D1=80×150，D2=400×500，根據(jù)公式Dstd=[w1, w2, w3,…,wM+N]T計(jì)算求值，其中D1分別為不同市地區(qū)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)、共享數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)、決策數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)構(gòu)成的矩陣。為了便于計(jì)算，將D1組建5 個(gè)矩陣，D2為電量電費(fèi)數(shù)據(jù)、收費(fèi)服務(wù)數(shù)據(jù)、負(fù)荷管理數(shù)據(jù)等(這些數(shù)據(jù)僅為示例說(shuō)明)，樣本數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

基于該樣本數(shù)據(jù)表，將式(4)代入計(jì)算，得出

再將式(5)代入計(jì)算，得出

為了更加直接得出電量電費(fèi)數(shù)據(jù)、收費(fèi)服務(wù)數(shù)據(jù)、負(fù)荷管理數(shù)據(jù)等與各個(gè)市地區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫(kù)之間的關(guān)系，將其繪成曲線圖，如圖 10～12所示。

通過(guò)圖10 可以看出，電費(fèi)電量數(shù)據(jù)與各個(gè)市地區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫(kù)之間的關(guān)系，使用戶獲知電費(fèi)電量數(shù)據(jù)異常情況。通過(guò)圖11 可以看出，收費(fèi)服務(wù)數(shù)據(jù)與各個(gè)市地區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫(kù)之間的關(guān)系，使用戶獲 知收費(fèi)服務(wù)數(shù)據(jù)的異常情況。通過(guò)圖12 可以看出，負(fù)荷管理數(shù)據(jù)與各個(gè)市地區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫(kù)之間的關(guān)系，使用戶獲知負(fù)荷管理數(shù)據(jù)的異常情況。上述僅僅是示例性說(shuō)明，其他數(shù)據(jù)的評(píng)估以類(lèi)似方法進(jìn)行[26]。通過(guò)試驗(yàn)，用戶在終端能夠以最短的時(shí)間接收數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選和分析，效果顯著。

5 結(jié)論

本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了電力營(yíng)銷(xiāo)管理信息系統(tǒng)架構(gòu)，具有積極有益的效果。

(1) 用戶通過(guò)遠(yuǎn)程/近程無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)與不同的終端和移動(dòng)營(yíng)銷(xiāo)平臺(tái)的信息互通，使獲取數(shù)據(jù)的及時(shí)性、實(shí)時(shí)性大大提高。

(2) 在電力營(yíng)銷(xiāo)管理軟件平臺(tái)，又通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘算法建立數(shù)據(jù)模型，通過(guò)決策樹(shù)算法對(duì)各個(gè)市地區(qū)MMIS 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行樣本學(xué)習(xí)、訓(xùn)練，使得多個(gè)弱分類(lèi)器訓(xùn)練成強(qiáng)分類(lèi)器，最終建立起成熟的決策樹(shù)算法，使用戶篩選數(shù)據(jù)的能力得到很大提高。

(3) 軟件平臺(tái)又采用隨機(jī)矩陣?yán)碚搶?duì)MMIS 數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，深化了對(duì)數(shù)據(jù)的感官認(rèn)知，使得用戶發(fā)現(xiàn)MMIS 數(shù)據(jù)更本質(zhì)的規(guī)律，通過(guò)試驗(yàn)，具有明顯的效果，為用戶使用MMIS 提供了技術(shù)參考。

綜上所述，本文采用的技術(shù)方案具有諸多優(yōu)點(diǎn)，便于用戶綜合處理電力營(yíng)銷(xiāo)大數(shù)據(jù)。