基于數(shù)據(jù)挖掘的供電服務(wù)需求主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)

張 莉,丁毛毛,安業(yè)騰,許世輝,王 穎

(國(guó)家電網(wǎng)有限公司客戶(hù)服務(wù)中心,天津 300306)

為用戶(hù)提供滿意服務(wù)是電力市場(chǎng)發(fā)展的主要目標(biāo)。但目前電力用戶(hù)作為電力市場(chǎng)服務(wù)的主要對(duì)象,在發(fā)展過(guò)程中沒(méi)有受到重視[1]。為了促進(jìn)電力市場(chǎng)的發(fā)展,需要分析用戶(hù)需求。為此,構(gòu)建供電服務(wù)需求響應(yīng)系統(tǒng),可以滿足用戶(hù)滿意度,為供電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控提供新的依據(jù)[2]。

杜進(jìn)橋[3]等人首先分析了系統(tǒng)的潮流分布和出力特性,根據(jù)分析結(jié)果將最低成本作為目標(biāo),建立電網(wǎng)調(diào)度優(yōu)化模型,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的優(yōu)化,該方法的系統(tǒng)出力無(wú)法控制在合理范圍內(nèi),存在出力效果差的問(wèn)題。林俐[4]等人在不同情況下獲取響應(yīng)波動(dòng)量與需求響應(yīng)量之間存在的關(guān)系,以此為依據(jù)建立不確定性云模型,采用粒子群算法對(duì)其求解,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化,該方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)削峰填谷,存在需求響應(yīng)控制效果差的問(wèn)題。方紹鳳[5]等人基于需求響應(yīng)分析電熱負(fù)荷的供熱舒適度模糊性和傳輸延時(shí),根據(jù)分析結(jié)果構(gòu)建微網(wǎng)模型,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化,該方法的系統(tǒng)負(fù)荷總量波動(dòng)較大,需求響應(yīng)控制效果差。為了解決上述方法中存在的問(wèn)題,提出基于數(shù)據(jù)挖掘的供電服務(wù)需求主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體架構(gòu)

供電服務(wù)需求主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)由信息內(nèi)網(wǎng)、信息外網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成,如圖1所示。

圖1 供電服務(wù)需求主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 業(yè)務(wù)架構(gòu)

供電服務(wù)需求主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)主要分為以下6個(gè)部分:

(1)統(tǒng)計(jì)分析:該業(yè)務(wù)主要分析關(guān)鍵字、需求趨勢(shì)、需求分類(lèi)、來(lái)源、話題追蹤、關(guān)聯(lián)關(guān)系等;

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

(3)大數(shù)據(jù)分析:該業(yè)務(wù)包括檢索引擎、需求檢索、溯源分析、多維度統(tǒng)計(jì)分析、內(nèi)容分析、聚類(lèi)分析、情感分析和語(yǔ)義分析等;

(4)規(guī)則庫(kù):由熱度、需求等級(jí)和業(yè)務(wù)分類(lèi)等構(gòu)成;

(5)需求報(bào)告:包括分析報(bào)告、日周月報(bào)告、區(qū)域報(bào)告、專(zhuān)題報(bào)告和類(lèi)型報(bào)告;

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

供電服務(wù)需求主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)業(yè)務(wù)架構(gòu)圖

1.3 數(shù)據(jù)架構(gòu)

在供電服務(wù)需求系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算平臺(tái)和批處理平臺(tái)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的流轉(zhuǎn)和計(jì)算。供電服務(wù)需求系統(tǒng)中批量處理功能主要目的是為用戶(hù)提供批量處理數(shù)據(jù)。在數(shù)倉(cāng)商業(yè)智能、分層匯總計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算功能實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的采集與處理[6-7]。

(1)實(shí)時(shí)處理:采用ogg或flume實(shí)時(shí)同步方法將實(shí)時(shí)平臺(tái)中存在業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)同步到kafka中,利用系統(tǒng)中的計(jì)算組件分析并加工處理數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果存儲(chǔ)到存儲(chǔ)庫(kù)hbasse或緩存庫(kù)redis中;

(2)批處理:當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求較低時(shí),利用采集工具在批處理平臺(tái)中將其接入貼源層,通過(guò)sgetl工具在貼源層中標(biāo)準(zhǔn)化、加工處理數(shù)據(jù),并將處理后的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到明細(xì)層hive中,粒度匯總、建模處理數(shù)據(jù)。

2 軟件設(shè)計(jì)

供電服務(wù)需求主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)軟件的主要目的是根據(jù)硬件系統(tǒng)采集和處理后數(shù)據(jù),分析供電服務(wù)需求,根據(jù)分析結(jié)果構(gòu)建配電網(wǎng)運(yùn)行的目標(biāo)函數(shù),以此實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的運(yùn)行優(yōu)化。

2.1 需求響應(yīng)分析

主動(dòng)配電網(wǎng)在配電側(cè)售電市場(chǎng)不斷發(fā)展的背景下成為電能交易過(guò)程中主要角色。需求響應(yīng)可分為以下兩類(lèi):

(1)彈性需求:用電量需求受電價(jià)影響;

(2)剛性需求:需求不會(huì)受到電價(jià)波動(dòng)的影響。

針對(duì)價(jià)格與彈性需求關(guān)系,所提方法通過(guò)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(jià)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(jià)之間成反比。購(gòu)電量與價(jià)格之間存在的相關(guān)性通過(guò)下述函數(shù)描述:

(2)

(3)

由于計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜,價(jià)格曲線在實(shí)際電力交易過(guò)程中不光滑。因此,針對(duì)需求響應(yīng)函數(shù)的等效處理,基于數(shù)據(jù)挖掘的供電服務(wù)需求主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中通過(guò)分段階梯化完成:

(4)

根據(jù)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(wù)需求,根據(jù)分析結(jié)果構(gòu)建配電網(wǎng)的目標(biāo)函數(shù)[10-11]:

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

(5)

式中:Vquality為電壓波動(dòng)性指標(biāo);Vrespond為經(jīng)濟(jì)成本指標(biāo);Vdevice為設(shè)備動(dòng)作次數(shù)指標(biāo);Vloss為網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。

2.2 供電服務(wù)優(yōu)化

基于數(shù)據(jù)挖掘的供電服務(wù)需求主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法采用差分進(jìn)化算法[12]求解上述目標(biāo)函數(shù),實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)供電服務(wù)的優(yōu)化,具體流程如下:

(2)變異操作,通過(guò)下式對(duì)個(gè)體做變異操作:

(6)

分別在上下兩個(gè)方向中對(duì)整數(shù)變量中存在的變異個(gè)體取整,獲得兩個(gè)存在差異的變異個(gè)體。為了擴(kuò)大搜索范圍,對(duì)其做交叉操作,通過(guò)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(jī)數(shù),在區(qū)間[0,1]內(nèi)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(chǔ)上獲取目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解δ:

(9)

(10)

式中:gi為目標(biāo)函數(shù)的第i個(gè)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(biāo)函數(shù)數(shù)量。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證基于數(shù)據(jù)挖掘的供電服務(wù)需求主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的整體有效性,需要對(duì)其測(cè)試。測(cè)試對(duì)象選用美國(guó)PG&E69節(jié)點(diǎn)配電系統(tǒng),如圖4所示。

圖4 配電系統(tǒng)

采用基于數(shù)據(jù)挖掘的供電服務(wù)需求主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法測(cè)試上述系統(tǒng)在5∶00—16∶00點(diǎn)內(nèi)的出力情況,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)出力情況 MW

由表1中數(shù)據(jù)可知,不同時(shí)間段內(nèi)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(dāng)系統(tǒng)出力控制在合理出力區(qū)間時(shí),表明系統(tǒng)出力效果好,越接近期望出力,響應(yīng)效果越好,采用所提方法測(cè)試時(shí),獲得出力均控制在合理區(qū)間內(nèi),與期望出力相近,采用文獻(xiàn)[3]方法測(cè)試時(shí),獲得的出力均高于出力最大值,采用文獻(xiàn)[4]方法測(cè)試時(shí),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(shè)計(jì)中構(gòu)建彈性需求模型,在該模型基礎(chǔ)上構(gòu)建目標(biāo)函數(shù),實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)的優(yōu)化運(yùn)行,將系統(tǒng)出力控制在合理范圍內(nèi),提高系統(tǒng)出力效果。

根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷總量,測(cè)試所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的需求響應(yīng)控制效果,得到的結(jié)果如圖5 所示。

圖5 負(fù)荷總量測(cè)試結(jié)果

分析圖5可知,采用所提方法測(cè)試時(shí),系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中負(fù)荷總量沒(méi)有太大波動(dòng),表明所提方法具有削峰填谷的效果,而文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法負(fù)荷總量波動(dòng)較大,表明以上兩種方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)削峰填谷,方法需求響應(yīng)控制效果較差,所提方法具有良好的需求響應(yīng)控制效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

需求響應(yīng)技術(shù)在電力市場(chǎng)發(fā)展過(guò)程中成為一種管理用戶(hù)側(cè)的重要手段。針對(duì)激勵(lì)信號(hào)或價(jià)格,用戶(hù)做出相關(guān)響應(yīng),可影響電力消費(fèi)模式。在供電充裕條件下可以降低電價(jià),并解決負(fù)荷波動(dòng)問(wèn)題,提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。目前,供電服務(wù)需求主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)存在系統(tǒng)出力效果差和響應(yīng)控制效果差的問(wèn)題,提出基于數(shù)據(jù)挖掘的供電服務(wù)需求主動(dòng)響應(yīng)系統(tǒng)方法。該方法可將系統(tǒng)出力控制在合理范圍內(nèi),具有良好削峰填谷效果,為配電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。