基于電力物聯(lián)網(wǎng)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的用電行為優(yōu)化研究

張 倩

摘要：電力物聯(lián)網(wǎng)有利于建設(shè)電力用戶用電行為大數(shù)據(jù)，為用電行為的識(shí)別和優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。鑒于此，搭建了基于電力物聯(lián)網(wǎng)的用電行為管控系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)流量需求和功能部署方案采用分層建設(shè)的體系架構(gòu)。終端層用于向各用電設(shè)備提供接口和協(xié)議轉(zhuǎn)換服務(wù)，具備邊緣計(jì)算和安全防護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)分布式資源的彈性管理。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶用電功率進(jìn)行預(yù)測，實(shí)現(xiàn)用電行為識(shí)別。在滿足各種安全穩(wěn)定約束條件下，以用電經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，對(duì)用戶用電成本進(jìn)行核算，并對(duì)用電行為進(jìn)行優(yōu)化，用以提高用戶互動(dòng)水平，實(shí)現(xiàn)電力需求側(cè)管理向需求側(cè)響應(yīng)的轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：電力物聯(lián)網(wǎng)；BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；邊緣計(jì)算；用電行為優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TM73? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）17-0016-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.17.005

0? ? 引言

傳統(tǒng)電力用戶負(fù)荷控制多從保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的角度，根據(jù)電網(wǎng)頻率穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定的需要，按照負(fù)荷性質(zhì)和重要性等約束條件，采用拉閘限電等強(qiáng)制性手段，未與電力用戶實(shí)現(xiàn)有效互動(dòng)[1]。電力物聯(lián)網(wǎng)相對(duì)于傳統(tǒng)電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，接入的用戶更為廣泛，擁有的數(shù)據(jù)量更大，信息類型更為豐富，為建立電力用戶用電行為管控系統(tǒng)、優(yōu)化用戶用電行為，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)公司與電力用戶的實(shí)時(shí)互動(dòng)奠定了良好的基礎(chǔ)[2]。傳統(tǒng)用戶用電功率預(yù)測多采用高階函數(shù)擬合法，計(jì)算量較大，對(duì)外界條件變化的自適應(yīng)性較差。在電力物聯(lián)網(wǎng)獲取的用電負(fù)荷大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，考慮采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶用電功率進(jìn)行預(yù)測，代替?zhèn)鹘y(tǒng)固定數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)用戶用電行為識(shí)別。用戶用電行為優(yōu)化的目標(biāo)是根據(jù)外部分時(shí)電價(jià)和用戶自身用電習(xí)慣，在對(duì)未來用電功率預(yù)測的基礎(chǔ)上，在滿足一定約束條件下，通過調(diào)整用電行為，使用戶個(gè)體取得最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)效益，并對(duì)電網(wǎng)整體實(shí)現(xiàn)削峰填谷，減輕功率大幅變化對(duì)電網(wǎng)的沖擊，使得電網(wǎng)保留足夠的旋轉(zhuǎn)備用，將拉閘限電等負(fù)荷控制手段轉(zhuǎn)變?yōu)橛脩糁鲃?dòng)參與電力需求側(cè)響應(yīng)[3-4]。因此，研究基于電力物聯(lián)網(wǎng)和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的用戶用電行為優(yōu)化策略，對(duì)保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和提高電網(wǎng)服務(wù)水平具有重要作用。

1? ? 基于電力物聯(lián)網(wǎng)的用電行為管控系統(tǒng)

基于電力物聯(lián)網(wǎng)的用電行為管控系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示，自下而上分為終端層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。

在基于電力物聯(lián)網(wǎng)的用電行為管控系統(tǒng)中，終端層用于實(shí)現(xiàn)電力用戶各用電設(shè)備接入電力物聯(lián)網(wǎng)。針對(duì)不同的設(shè)備接口，終端層負(fù)責(zé)RS485、MODBUS、CAN、以太網(wǎng)等接口和通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，為不同業(yè)務(wù)終端提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)化能力支撐。作為邊緣物聯(lián)代理，終端層應(yīng)具備本地化的邊緣計(jì)算能力和大數(shù)據(jù)服務(wù)能力以及網(wǎng)絡(luò)入侵檢測、安全日志審計(jì)和惡意代碼防范等數(shù)據(jù)安全防護(hù)措施[5]。終端層資源管理功能是對(duì)本級(jí)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源等進(jìn)行管理，以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用資源隨業(yè)務(wù)需求彈性伸縮。用電行為管控系統(tǒng)終端層架構(gòu)如圖2所示。

用電行為管控系統(tǒng)平臺(tái)層提供網(wǎng)絡(luò)管理、設(shè)備管理、用戶管理、運(yùn)行監(jiān)控和安全監(jiān)控功能；應(yīng)用層用于建設(shè)用電行為管控主站系統(tǒng)，對(duì)管轄區(qū)域的各用戶用電行為進(jìn)行統(tǒng)一的管理。用電行為管控系統(tǒng)平臺(tái)層和應(yīng)用層硬件建設(shè)方案如圖3所示。

在圖3中，數(shù)據(jù)聚合服務(wù)器用于實(shí)現(xiàn)用電負(fù)荷大數(shù)據(jù)的處理；負(fù)載均衡服務(wù)器用于實(shí)現(xiàn)服務(wù)器資源的彈性調(diào)配；實(shí)時(shí)監(jiān)控服務(wù)器用于對(duì)各用戶的用電行為進(jìn)行監(jiān)控；邊緣代理服務(wù)器用于將不同用電信息整合至統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)；大數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)器用于實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)用電數(shù)據(jù)的統(tǒng)一計(jì)算和分析；數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和各種類型的數(shù)據(jù)庫平臺(tái)用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)閱；應(yīng)用服務(wù)器用于實(shí)現(xiàn)用電行為識(shí)別與優(yōu)化的各項(xiàng)功能；工作站為運(yùn)維人員提供人機(jī)交互界面。

2? ? 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的用電行為識(shí)別策略

在用電行為識(shí)別策略中，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入量考慮為以1 h為間隔的時(shí)間段、溫度、濕度、節(jié)假日，輸出量為用戶用電功率。用戶用電功率預(yù)測流程如圖4所示。

在BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，輸入向量設(shè)為X=（x1，x2，…，xn）T；輸出層的輸出向量設(shè)為Y=（y1，y2，…，yn）T；隱藏層的輸出向量設(shè)為Z=（z1，z2，…，zn）T。從輸入層節(jié)點(diǎn)至隱藏層節(jié)點(diǎn)的權(quán)值設(shè)為wik，從隱藏層節(jié)點(diǎn)至輸出層節(jié)點(diǎn)的權(quán)值設(shè)為vkj；隱藏層節(jié)點(diǎn)的閾值設(shè)為θk，輸出層節(jié)點(diǎn)的閾值設(shè)為γj；隱藏層激活函數(shù)設(shè)為f1，輸出層激活函數(shù)設(shè)為f2。

在信號(hào)前向傳遞中，隱藏層節(jié)點(diǎn)的輸出見式（1），輸出層節(jié)點(diǎn)的輸出見式（2）：

在誤差反向傳遞中，計(jì)算實(shí)際輸出與目標(biāo)輸出之間的差值，采用梯度下降法修正各層的權(quán)值和閾值，其中ej表示第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出值，yj表示記錄輸出值，xi表示記錄輸入值，α、β表示修正率。在隱藏層和輸出層激活函數(shù)采用對(duì)數(shù)S型激活函數(shù)時(shí)，從隱藏層節(jié)點(diǎn)至輸出層節(jié)點(diǎn)的權(quán)值修正如式（3）所示：

輸出層節(jié)點(diǎn)的閾值修正如式（4）所示：

從輸入層節(jié)點(diǎn)至隱藏層節(jié)點(diǎn)的權(quán)值修正如式（5）所示：

隱藏層節(jié)點(diǎn)的閾值修正如式（6）所示：

綜上，經(jīng)過不斷迭代，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用電行為識(shí)別的實(shí)際輸出與目標(biāo)輸出之間的誤差將被控制在允許范圍內(nèi)；或訓(xùn)練樣本數(shù)量集已全部使用，從而得到用戶在未來一段時(shí)間內(nèi)用電功率的絕對(duì)數(shù)值和變化幅度，進(jìn)而可以制定用戶用電功率預(yù)測曲線，對(duì)用戶的用電行為進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和識(shí)別，包括用電量、用電方式和用電時(shí)間等。

3? ? 用戶用電行為優(yōu)化策略

在電力用戶用電行為識(shí)別的基礎(chǔ)上，考慮以用電費(fèi)用最少為目標(biāo)進(jìn)行用戶用電行為優(yōu)化，如式（7）所示：

式中：price為每一小時(shí)的分時(shí)電價(jià)；power（i）為各用電設(shè)備功率。

用戶用電行為的約束條件主要包括功率約束、運(yùn)行時(shí)間約束、負(fù)荷順序性約束和負(fù)荷連續(xù)性約束。

功率約束主要表現(xiàn)在：在單位時(shí)間內(nèi)，用戶各用電設(shè)備的負(fù)荷功率總和不得大于電網(wǎng)要求的功率上限值。功率約束如式（8）所示：

式中：Y（i，t）為各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；power（i）為各用電設(shè)備功率。

運(yùn)行時(shí)間約束主要表現(xiàn)在：用戶各用電設(shè)備的每日運(yùn)行總小時(shí)數(shù)不得大于電網(wǎng)要求的上限值，且各用電設(shè)備應(yīng)運(yùn)行在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)。

負(fù)荷順序性約束主要表現(xiàn)在：在某一用電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化或達(dá)到一定運(yùn)行時(shí)間后，另一用電設(shè)備必須相應(yīng)進(jìn)行改變。

負(fù)荷連續(xù)性約束主要表現(xiàn)在：在某一用電設(shè)備投入運(yùn)行后，在其當(dāng)前任務(wù)結(jié)束前，該用電設(shè)備不能停止運(yùn)行或改變運(yùn)行狀態(tài)。

在考慮上述約束條件下，電力用戶用電行為優(yōu)化的成本如式（9）所示：

式中：fc為不適成本；fm為電力花費(fèi)；Cc和Cm為相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)。

用戶用電行為應(yīng)與電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)指令相匹配。在電網(wǎng)有大規(guī)模負(fù)荷削減需求時(shí)，用戶可以通過調(diào)節(jié)用電設(shè)備運(yùn)行參數(shù)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，實(shí)現(xiàn)緊急需求響應(yīng)的輕度參與；用戶可以短時(shí)中斷用電設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)緊急需求響應(yīng)的中度參與；為獲取更多的需求響應(yīng)補(bǔ)償，用戶也可以在激勵(lì)時(shí)段停止用電設(shè)備的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)緊急需求響應(yīng)的深度參與。

用戶接收到電網(wǎng)調(diào)度指令后，應(yīng)按照電力交易約定的期限及時(shí)將指令措施分配至各用電設(shè)備。用戶應(yīng)保證各用電設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間滿足電力交易約定的持續(xù)時(shí)間。電力交易結(jié)束后，用戶應(yīng)控制各用電設(shè)備以合理的速率恢復(fù)功率，避免對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。用戶應(yīng)保證每個(gè)用電負(fù)荷留有一定的備用響應(yīng)潛力，以在電網(wǎng)有削減負(fù)荷的需求時(shí)，能夠滿足電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。用戶用電行為優(yōu)化的效果可以從功率調(diào)整及時(shí)性、運(yùn)行狀態(tài)持續(xù)性、調(diào)整結(jié)束后恢復(fù)過程、響應(yīng)潛力等方面進(jìn)行評(píng)估。

4? ? 結(jié)束語

本文提出了基于電力物聯(lián)網(wǎng)的用電行為管控系統(tǒng)的體系架構(gòu)和硬件配置方案，根據(jù)數(shù)據(jù)流量需求和功能部署方案采用分層的體系架構(gòu)，提出了用電負(fù)荷大數(shù)據(jù)的建設(shè)方案，并考慮采用邊緣代理的方式實(shí)現(xiàn)不同用電設(shè)備的接口和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。此外，本文提出了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的用電行為識(shí)別策略，用于代替采用固定數(shù)學(xué)模型進(jìn)行用電負(fù)荷預(yù)測的方式。在滿足各種安全穩(wěn)定約束條件下，以用電經(jīng)濟(jì)性為目標(biāo)，提出了用戶用電成本核算和行為優(yōu)化策略，用于在保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，提高電網(wǎng)服務(wù)水平和用戶互動(dòng)水平，實(shí)現(xiàn)電力需求側(cè)管理向需求側(cè)響應(yīng)的轉(zhuǎn)變，提高供電服務(wù)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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收稿日期：2023-05-25

作者簡介：張倩（1988—），女，陜西渭南人，碩士研究生，工程師，研究方向：電力營銷管理。