綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測(cè)模型研究

鄭 瑛,司福利,喻 蕓,任龍霞

(南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)集團(tuán)有限公司,廣東 廣州 510663)

0 引言

為了有效落實(shí)雙碳目標(biāo),國(guó)家提出“在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰,在2060年前全面落實(shí)碳中和”的戰(zhàn)略部署。國(guó)務(wù)院與黨中央針對(duì)綠色能源市場(chǎng),提出建立并完善市場(chǎng)體系的決策。在此背景下,我國(guó)制定了還原綠電和綠色產(chǎn)品屬性的《綠色電力交易試點(diǎn)工作方案》。該方案可以促進(jìn)多機(jī)制之間的融合銜接,激活綠色電力的消費(fèi)側(cè)和生產(chǎn)側(cè)[1]。綠色電力交易是我國(guó)帶動(dòng)綠色能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展必不可缺的一部分[2]。但在綠色電力交易結(jié)算過(guò)程中存在一些安全隱患,威脅著國(guó)家和個(gè)人的財(cái)產(chǎn)安全。因此,亟需一種有效的綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測(cè)方法。

王賽娥等[3]劃分了網(wǎng)絡(luò)交易過(guò)程中存在的風(fēng)險(xiǎn),對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)所對(duì)應(yīng)的攻擊行為展開(kāi)分析,并以分析結(jié)果為依據(jù)構(gòu)建交易攻擊樹(shù)模型。其在模糊矩陣建立過(guò)程中引入模糊層次分析法,獲取葉節(jié)點(diǎn)在攻擊樹(shù)中對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)概率,并以此為依據(jù)實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)。但其在實(shí)踐過(guò)程中存在數(shù)據(jù)處理效果差、監(jiān)測(cè)精度低的問(wèn)題。李群等[4]結(jié)合特征提取方法和濾波方法獲取數(shù)據(jù)特征,并建立安全監(jiān)測(cè)器,將數(shù)據(jù)特征輸入安全監(jiān)測(cè)器中以確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和位置。但其監(jiān)測(cè)覆蓋程度較小,無(wú)法監(jiān)測(cè)整個(gè)流程。

為了解決上述方法中存在的問(wèn)題,本文提出基于多時(shí)間尺度耦合的綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測(cè)模型。該模型基于時(shí)間光滑正則化的序列數(shù)據(jù)融合方法,構(gòu)建綠色電力交易數(shù)據(jù)融合模型,以提高數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精度。本文在所構(gòu)建的模型中建立組Lasso正則化罰函數(shù),以優(yōu)化數(shù)據(jù)融合模型的融合效果。本文在數(shù)據(jù)融合的基礎(chǔ)上結(jié)合蒙特卡洛模擬法,構(gòu)建綠色電力交易結(jié)算模型,為結(jié)算流程的安全監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。本文基于馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)知識(shí),結(jié)合綠色電力交易計(jì)算流程,建立安全監(jiān)測(cè)模型,以有效監(jiān)測(cè)結(jié)算環(huán)境。該模型提高了監(jiān)測(cè)覆蓋度,保障了綠色電力交易的安全性。

1 安全監(jiān)測(cè)模型的構(gòu)建

1.1 多時(shí)間電力交易數(shù)據(jù)尺度耦合

基于多時(shí)間尺度耦合的綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測(cè)模型采用基于時(shí)間光滑正則化的序列數(shù)據(jù)融合方法,對(duì)電力時(shí)間數(shù)據(jù)展開(kāi)融合處理。綠色電力交易結(jié)算流程安全檢測(cè)模型通過(guò)回歸分析法建立數(shù)據(jù)融合模型。訓(xùn)練模型時(shí),建立時(shí)間光滑正則化罰函數(shù),分析電力交易數(shù)據(jù)源之間的時(shí)間關(guān)聯(lián)性,并在時(shí)間光滑正則化的基礎(chǔ)上建立電力交易數(shù)據(jù)融合模型。

本文將綠色電力交易數(shù)據(jù)表示為n個(gè)階段的序列數(shù)據(jù)x1,x2,…,xn。xt為第t階段綠色電力交易數(shù)據(jù)的特征,為m維。y為第(n+1)階段電力交易數(shù)據(jù)的融合結(jié)果。所提模型在回歸模型的基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)融合模型[5-6],用X=[x1,x2,…,xn]T表示第n階段綠色電力交易數(shù)據(jù)的特征矩陣。第(n+1)階段電力交易數(shù)據(jù)融合結(jié)果的預(yù)測(cè)模型g(X)為:

(1)

式中:v為截距;et為數(shù)據(jù)特征xt為對(duì)應(yīng)的權(quán)重;T為轉(zhuǎn)置符號(hào)。

通過(guò)邏輯損失函數(shù)擬合電力交易數(shù)據(jù)融合結(jié)果的預(yù)測(cè)模型參數(shù),所獲得的模型解為:

(2)

為了在不同階段描述電力交易數(shù)據(jù)融合特征的時(shí)間關(guān)聯(lián)性,所提模型通過(guò)結(jié)構(gòu)化稀疏的方法進(jìn)行參數(shù)擬合。所提模型優(yōu)化建立時(shí)間光滑正則化罰函數(shù)[7-8],以提高數(shù)據(jù)融合的一致性和連續(xù)性。本文建立綠色電力交易數(shù)據(jù)融合模型。該模型表達(dá)式如下。

(3)

(4)

利用綠色電力交易數(shù)據(jù)融合模型完成綠色電力交易數(shù)據(jù)的融合,可以為綠色電力交易模型的建立提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 綠色電力交易結(jié)算模型

本文根據(jù)數(shù)據(jù)融合結(jié)果,建立綠色電力交易結(jié)算模型,為結(jié)算流程的安全監(jiān)測(cè)提供依據(jù)。

本文在綠色電力交易過(guò)程中,通過(guò)購(gòu)買(mǎi)綠色電力證書(shū)完成綠色電力的消費(fèi)。

綠色電力交易結(jié)算流程如下。

①發(fā)布認(rèn)購(gòu)公告。購(gòu)買(mǎi)者在發(fā)布綠色電力交易之前發(fā)布包含優(yōu)惠價(jià)格vL、認(rèn)購(gòu)價(jià)格vH、認(rèn)購(gòu)數(shù)量H以及其他相關(guān)信息的綠色電力證書(shū)認(rèn)購(gòu)公告[9-10]。為了提高綠色電力售賣(mài)企業(yè)參與交易的積極性,所提模型將市場(chǎng)最高限制價(jià)格默認(rèn)為認(rèn)購(gòu)價(jià)格。優(yōu)惠比例β可通過(guò)式(5)計(jì)算得到:

(5)

為了節(jié)省綠色電力購(gòu)買(mǎi)者的購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用,同時(shí)提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力,本文等量劃分綠色電力認(rèn)購(gòu)數(shù)量H。本文將H劃分為y′份,每份中存在h個(gè)售賣(mài)數(shù)量。根據(jù)電力市場(chǎng)中的認(rèn)購(gòu)公告確定y′的值,則h為:

(6)

②售賣(mài)與成交。交易時(shí)間通常是有限制的。賣(mài)方在有限的時(shí)間內(nèi)決定是否進(jìn)行綠色電力的交易。當(dāng)證書(shū)在交易過(guò)程中的數(shù)量超過(guò)m′時(shí),按照提前約定的時(shí)間和交易價(jià)格完成綠色電力的交易結(jié)算。如果沒(méi)有達(dá)到m′,則交易失敗,返回步驟①。

③接收與結(jié)算。購(gòu)買(mǎi)方和出售方根據(jù)成交記錄分別向?qū)Ψ浇桓顿M(fèi)用和綠色電力證書(shū)。

本文設(shè)Rpv為最終交易綠色電力證書(shū)的價(jià)格?；诙鄷r(shí)間尺度耦合的綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測(cè)模型采用蒙特卡洛模擬法建立:

(7)

式中:lβ′為第β′種成交組合在綠色電力交易市場(chǎng)中出現(xiàn)的次數(shù)[11-13];aβ′為綠色電力交易證書(shū)在第β′種成交組合中的成交價(jià)格;l為綠色電力交易的模擬次數(shù)。

1.3 綠色電力交易結(jié)算安全監(jiān)測(cè)模型

所提模型在馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)知識(shí)的基礎(chǔ)上結(jié)合綠色電力交易計(jì)算流程,建立安全監(jiān)測(cè)模型。

本文以變量集合C=(c1,c2,…,cn)對(duì)應(yīng)的聯(lián)合分布模型表示綠色電力交易的馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)。在馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)中,交易數(shù)據(jù)的建模通常分為觀測(cè)點(diǎn)和隱藏點(diǎn)。所有觀測(cè)點(diǎn)在模型中都存在一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的隱藏點(diǎn)。隱藏點(diǎn)中存在的信息即節(jié)點(diǎn)在該觀測(cè)點(diǎn)下對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。本文用Ui表示節(jié)點(diǎn)i在模型中的觀測(cè)量;用相容性函數(shù)φ(xi,yi)表示隱藏狀態(tài)Ci與Ui之間存在的相關(guān)性。針對(duì)Ci的概率分布,由馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)定義可知,Ci在模型中與鄰域節(jié)點(diǎn)之間存在關(guān)聯(lián)。每條邊在無(wú)向圖G中為連接變量Ui、Uj之間的相關(guān)性,可用相容性函數(shù)γ(xi,yi)描述。因此,所有變量在馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)中的聯(lián)合概率分布A(x,y)可描述為:

(8)

式中:X為常量。

本文采用點(diǎn)陣描述場(chǎng)景和圖像;采用i(i=1,2,…,N)表示點(diǎn)陣中存在的節(jié)點(diǎn);采用ci表示待定的隱含場(chǎng)景值;采用ui′表示第i′個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的觀測(cè)值。

本文初始化處理相容函數(shù)γ(xi,yi)和邊緣相容函數(shù)φ(xi,yi),用傳播矩陣|D|×|D|表示邊緣相容函數(shù)γ(xi,yi)。此時(shí),φ(xi,yi)為:

(9)

函數(shù)γ(xi,yi)、φ(xi,yi)建立的基礎(chǔ)條件如下。

①與合作者進(jìn)行綠色電力交易的多為欺詐者。欺詐者之間的合作較少。

②合謀者在綠色電力交易過(guò)程中基本不與其他合作者展開(kāi)交易,與誠(chéng)實(shí)者之間的交易次數(shù)高于與欺詐者的交易次數(shù)。

為了準(zhǔn)確地完成綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測(cè),基于多時(shí)間尺度耦合的綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測(cè)模型采用二維矩陣|D|×|E′|。其中:E′為觀測(cè)值。觀測(cè)矩陣如表1所示。

表1 觀測(cè)矩陣

表1中,φ0為用戶級(jí)因素中存在的不確定觀測(cè)值。

計(jì)算節(jié)點(diǎn)在馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)模型中的置信度ni(ζ)時(shí),節(jié)點(diǎn)i將信息傳遞給鄰節(jié)點(diǎn)j的過(guò)程用消息函數(shù)qij(ζ)表示?？傮w監(jiān)測(cè)流程如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)流程圖

在綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測(cè)過(guò)程中,首先計(jì)算節(jié)點(diǎn)自身觀測(cè)點(diǎn)和隱含點(diǎn)傳遞的消息值以及節(jié)點(diǎn)從鄰節(jié)點(diǎn)獲取的信息,并以此為依據(jù)獲取節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的置信度ni(ζ)。根據(jù)ni(ζ)判斷節(jié)點(diǎn)狀態(tài),設(shè)ei為節(jié)點(diǎn)i對(duì)應(yīng)的觀測(cè)值、描述隱含點(diǎn)在馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)模型中的狀態(tài)為ζ。其相鄰隱含點(diǎn)在模型中的狀態(tài)為ζ′的概率。此時(shí),置信度ni(ζ)和消息函數(shù)qij(ζ)的表達(dá)式如下。

(10)

式(10)即綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測(cè)模型。通過(guò)更新節(jié)點(diǎn)置信度ni(ζ),可以獲得用戶在綠色電力交易結(jié)算流程中的行為狀態(tài),從而實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)。

基于多時(shí)間尺度耦合的綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測(cè)模型的具體監(jiān)測(cè)流程如下。

①采用基于時(shí)間光滑正則化的序列數(shù)據(jù)融合方法,對(duì)多時(shí)間尺度的綠色電力交易數(shù)據(jù)展開(kāi)融合處理。

②分析綠色電力交易結(jié)算的具體流程,并通過(guò)蒙特卡洛模擬方法,根據(jù)數(shù)據(jù)融合結(jié)果建立綠色電力交易模型。

③根據(jù)馬爾科夫隨機(jī)場(chǎng)模型和綠色電力交易結(jié)算流程的特點(diǎn),建立安全監(jiān)測(cè)模型,以完成綠色電力交易計(jì)算流程的監(jiān)測(cè)。

2 試驗(yàn)與分析

為了驗(yàn)證基于多時(shí)間尺度耦合的綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測(cè)模型的整體有效性,需要對(duì)其展開(kāi)測(cè)試。

綠色電力交易數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)精度直接影響安全監(jiān)測(cè)精度。為了動(dòng)態(tài)分析多尺度耦合下的數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定性,試驗(yàn)取穩(wěn)定裕度作為指標(biāo)。試驗(yàn)采用所提模型、文獻(xiàn)[3]模型和文獻(xiàn)[4]模型監(jiān)測(cè)綠色電力交易數(shù)據(jù)的穩(wěn)定裕度,并將監(jiān)測(cè)結(jié)果與真實(shí)值作對(duì)比。

不同模型的數(shù)據(jù)穩(wěn)定裕度檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同模型的數(shù)據(jù)穩(wěn)定裕度檢測(cè)結(jié)果

由圖2可知:所提模型對(duì)綠色電力交易數(shù)據(jù)的穩(wěn)定裕度監(jiān)測(cè)時(shí),獲得的監(jiān)測(cè)值均勻地覆蓋在真實(shí)曲線上;文獻(xiàn)[3]模型和文獻(xiàn)[4]模型的監(jiān)測(cè)值與真實(shí)曲線之間存在一定的差距。通過(guò)上述測(cè)試可知,所提模型具有較高的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精度。因?yàn)樗崮Ｐ突跁r(shí)間光滑正則化的序列數(shù)據(jù)融合方法對(duì)綠色電力交易數(shù)據(jù)展開(kāi)融合處理,可保留數(shù)據(jù)的特征信息,進(jìn)而提高了數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)精度。

本文使用5×5的矩形表示綠色電力交易環(huán)境,并采用所提模型、文獻(xiàn)[3]模型和文獻(xiàn)[4]模型監(jiān)測(cè)綠色電力交易結(jié)算流程。

不同模型的覆蓋程度檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同模型的覆蓋程度監(jiān)測(cè)結(jié)果

圖3中,點(diǎn)越多,表明方法覆蓋的交易環(huán)境越大。由圖3可知:所提模型基本覆蓋了整個(gè)電力交易流程;文獻(xiàn)[3]模型和文獻(xiàn)[4]模型的點(diǎn)分布不均勻且數(shù)量較少,表明以上兩種模型無(wú)法完全覆蓋整個(gè)綠色電力交易流程。所提模型對(duì)綠色電力交易結(jié)算流程監(jiān)測(cè)前,根據(jù)融合的綠色電力交易數(shù)據(jù)分析了交易的整個(gè)流程,并通過(guò)蒙特卡洛模擬法建立了綠色電力交易模型;在模型的基礎(chǔ)上監(jiān)測(cè)其結(jié)算環(huán)境,提高了監(jiān)測(cè)的覆蓋程度。

本文設(shè)置條件如下:三個(gè)賣(mài)家為賣(mài)家1、賣(mài)家2、賣(mài)家3;三個(gè)買(mǎi)家為買(mǎi)家1、買(mǎi)家2、買(mǎi)家3;三種綠色電力產(chǎn)品為產(chǎn)品1、產(chǎn)品2、產(chǎn)品3。

三種交易方式如下。

①賣(mài)家1→產(chǎn)品1→買(mǎi)家2。

②賣(mài)家3→產(chǎn)品2→買(mǎi)家1。

③賣(mài)家2→產(chǎn)品3→買(mǎi)家3。

本文分別采用所提模型、文獻(xiàn)[3]模型和文獻(xiàn)[4]模型監(jiān)測(cè)本文設(shè)置的交易方式在24 h內(nèi)的安全態(tài)勢(shì)值。所提模型的安全監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 所提模型的安全監(jiān)測(cè)結(jié)果

文獻(xiàn)[3]模型的安全監(jiān)測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 文獻(xiàn)[3]模型的安全監(jiān)測(cè)結(jié)果

文獻(xiàn)[4]模型的安全監(jiān)測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 文獻(xiàn)[4]模型的安全監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖4～圖6可知,針對(duì)三種交易24 h的安全態(tài)勢(shì),與文獻(xiàn)[3]模型和文獻(xiàn)[4]模型相比,所提模型具有較高的監(jiān)測(cè)精度。這表明所提模型適用于多種綠色電力交易結(jié)算流程的安全監(jiān)測(cè),并且具有較高的監(jiān)測(cè)精度。

3 結(jié)論

針對(duì)目前綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測(cè)方法存在的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)精度低、監(jiān)測(cè)覆蓋度低的問(wèn)題,本文提出基于多時(shí)間尺度耦合的綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測(cè)模型。該模型融合了綠色電力交易數(shù)據(jù),并對(duì)交易流程展開(kāi)分析。本文在此基礎(chǔ)上建立安全監(jiān)測(cè)模型,以實(shí)現(xiàn)綠色電力交易結(jié)算流程的安全監(jiān)測(cè)。該模型在綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測(cè)過(guò)程中表現(xiàn)出良好的性能,保障了交易的安全性。