基于精細(xì)化管理的有序用電輔助決策

吳 佳，張凱俊，王金躍，吳 迪，胡雷劍

（平湖市供電局，浙江 平湖 314200）

1 有序用電業(yè)務(wù)現(xiàn)狀

有序用電是指通過(guò)法律、行政、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等手段，加強(qiáng)用電管理，改變用戶用電方式，采取錯(cuò)峰用電、避峰用電、限電、緊急拉閘等措施，避免無(wú)計(jì)劃拉閘限電，規(guī)范用電秩序，將季節(jié)性、時(shí)段性電力供需矛盾給社會(huì)和企業(yè)帶來(lái)的不利影響降至最低。

目前頒布的有序用電工作辦法只給出了操作流程，對(duì)實(shí)施細(xì)節(jié)并未作出規(guī)定。因此，在實(shí)施過(guò)程中，執(zhí)行較粗放，精細(xì)化程度不高。以平湖市供電局為例，有序用電方案主要由平湖市有序用電領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室、供電局和調(diào)度中心編制。雖然平湖供電局的業(yè)務(wù)信息平臺(tái)較為完善，但在有序用電方案編制中，沒(méi)有綜合考慮到用戶的多維度信息，如所屬地域、用電類別、是否為高耗能行業(yè)、重要等級(jí)、信用等級(jí)、用電容量、用電量大小、線路名稱等，因此方案的科學(xué)性和公平性有待提高。

本文提出基于精細(xì)化管理的有序用電輔助決策，根據(jù)用戶用電行為和評(píng)價(jià)指標(biāo)，進(jìn)行粗粒度的模式聚類和細(xì)粒度的模式分類，并結(jié)合用電設(shè)備和用電時(shí)段特性設(shè)置有序用電優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，進(jìn)而生成精細(xì)化的有序用電優(yōu)化群組及方案，實(shí)現(xiàn)有序用電的精細(xì)化管理。

2 基于精細(xì)化管理的有序用電輔助決策

基于精細(xì)化管理的有序用電輔助決策是在滿足動(dòng)態(tài)負(fù)荷缺口的前提下，根據(jù)設(shè)定的優(yōu)化目標(biāo)，如用電客戶的滿意度最優(yōu)或斷電損失最小，在細(xì)分參與有序用電的客戶范圍、進(jìn)一步細(xì)分其用電設(shè)備類型和用電時(shí)段偏好的基礎(chǔ)上，生成“定用戶、定設(shè)備、定時(shí)段、定群組”的有序用電精細(xì)化管理方案。

2.1 定用戶

為進(jìn)一步提高用戶模式分類的準(zhǔn)確性，除考慮用電負(fù)荷外，同時(shí)利用其它多維度信息，對(duì)企業(yè)進(jìn)行有序用電評(píng)估，如企業(yè)的重要等級(jí)、信用等級(jí)、所屬地域、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、用電容量與類別等信息，輔助確定錯(cuò)/避峰企業(yè)群組。

通過(guò)組間分類和組內(nèi)聚類對(duì)用戶模式進(jìn)行分類，對(duì)各類用戶分別進(jìn)行不同方案的有序用電管理。首先，根據(jù)用電行為，對(duì)用戶進(jìn)行分類；然后，在模式組內(nèi)，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行聚類，進(jìn)行細(xì)粒度的用戶細(xì)分。

2.1.1 組間分類方法

為了根據(jù)用電行為模式進(jìn)行組間分類，首先將 1 天 24 小時(shí)內(nèi)的時(shí)間軸（00∶00～24∶00）劃分為N個(gè)時(shí)間段，分別為T1，T2，…，TN。以目前有序用電時(shí)刻為起點(diǎn)，選取前M天的用電數(shù)據(jù)為樣本庫(kù)，分別計(jì)算各用戶的評(píng)分指標(biāo)。

用戶評(píng)分指標(biāo)的計(jì)算方法如下：

（1）對(duì)于第k天的用電數(shù)據(jù)，用戶在Ti時(shí)段的評(píng)分STi為該用戶在Ti時(shí)段的用電時(shí)長(zhǎng)與Ti時(shí)段的總時(shí)長(zhǎng)之比，即在該時(shí)段的用電時(shí)間比例。

根據(jù)各用戶在樣本庫(kù)中的總評(píng)分進(jìn)行聚類分析，將總評(píng)分相近的用戶分類到同一個(gè)模式群組內(nèi)。通過(guò)聚類分析，可以認(rèn)為同一組內(nèi)用戶具有相似的用電行為模式，總共分析出4類用電行為模式，分別是白天高、早晚高、夜間高和全天平均，如圖1所示。

圖1 不同模式的用電行為曲線

2.1.2 組內(nèi)聚類方法

針對(duì)該地區(qū)特征和用戶特性，如所屬地域、用電類別、耗能水平、重要等級(jí)、信用情況、用電量等，建立針對(duì)用戶的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)表1。

根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，采用層次分析法或調(diào)研方式設(shè)置各個(gè)指標(biāo)相應(yīng)的權(quán)重，然后對(duì)2.1.1中生成的分類用戶進(jìn)行評(píng)分。對(duì)于某一聚類中的用戶，其評(píng)分 I=f（λ1S1，λ2S2，…，λnSn），其中n 為評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量，λi為第i個(gè)指標(biāo)的權(quán)重，Si為該用戶第i個(gè)指標(biāo)的得分，f（）為指標(biāo)計(jì)算函數(shù)。然后，根據(jù)每個(gè)用戶的指標(biāo)得分，在各子聚類中進(jìn)行二次聚類。對(duì)不同的模式分類重復(fù)上述步驟，直至對(duì)所有分類完成聚類，將組內(nèi)評(píng)價(jià)指標(biāo)得分相近的用戶編為小群組，如圖2所示。

表1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

圖2 根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)聚類

2.2 定設(shè)備

對(duì)用電設(shè)備的細(xì)分和控制，是基于用電設(shè)備的分類及相應(yīng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集傳輸，結(jié)合負(fù)荷需求進(jìn)行用電設(shè)備統(tǒng)一協(xié)同優(yōu)化控制。

2.2.1 用電設(shè)備分類

將用電設(shè)備分為3類，見(jiàn)表2。

表2 用電設(shè)備分類

對(duì)于可控參數(shù)設(shè)備和可控通斷設(shè)備，通過(guò)單片機(jī)數(shù)據(jù)接口與設(shè)備對(duì)接，通過(guò)有線或無(wú)線傳輸?shù)姆绞綄⒃O(shè)備用電負(fù)荷數(shù)據(jù)傳至中央控制系統(tǒng)，進(jìn)而采用可傳達(dá)中央控制系統(tǒng)指令的控制器來(lái)控制用電設(shè)備。其中，用戶可輸入簡(jiǎn)單指令和預(yù)期設(shè)備運(yùn)行目標(biāo)到API（可編程模塊），便于后期分析處理。另外，對(duì)于不可控設(shè)備，可采集其用電數(shù)據(jù)，并監(jiān)測(cè)其運(yùn)行狀態(tài)。

2.2.2 分布式中央控制器協(xié)調(diào)管理

分布式中央控制設(shè)備接收分布控制器和傳感器的設(shè)備數(shù)據(jù)，并傳送用電負(fù)荷數(shù)據(jù)至上級(jí)中央控制系統(tǒng)，同時(shí)接收上級(jí)中央控制系統(tǒng)的調(diào)度指令，通過(guò)CPU對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，從數(shù)據(jù)中實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)用戶用電模式、訓(xùn)練智能調(diào)度方法，然后傳達(dá)指令至分布控制器，控制各用電設(shè)備，實(shí)現(xiàn)隱性的削峰填谷。

分布式中央控制設(shè)備不直接互聯(lián)，而是分別與上級(jí)中央控制系統(tǒng)互聯(lián)，并由其統(tǒng)一進(jìn)行協(xié)調(diào)管理；每個(gè)分布式中央控制設(shè)備根據(jù)上級(jí)中央控制系統(tǒng)下發(fā)的調(diào)控指令，對(duì)所控制的單元進(jìn)行單獨(dú)管理。

2.2.3 用電設(shè)備控制方法

根據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)和用電模式形成控制指令，采用智能控制方法，提供在離散時(shí)段內(nèi)用電設(shè)備的控制策略?？刂品椒ㄖ饕▽?shí)時(shí)控制和基于預(yù)測(cè)分析的控制。

（1）實(shí)時(shí)控制：已知各時(shí)間點(diǎn)的用電設(shè)備負(fù)荷信息Pi和控制信息xi∈{0，1}（其中0代表關(guān)，1表示開(kāi)），由中央控制設(shè)備給出某時(shí)間段內(nèi)的電力缺口L，設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)，將電力缺口分配至每個(gè)離散時(shí)刻。對(duì)于每個(gè)離散時(shí)刻，在滿足API（分布式控制器）中設(shè)置的約束條件下，以最小化目標(biāo)函數(shù)為目標(biāo)，利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法，尋找整個(gè)時(shí)間段內(nèi)的最優(yōu)控制信息集，然后由中央控制系統(tǒng)向各分布式控制器下發(fā)控制信息。

（2）基于預(yù)測(cè)分析的控制：預(yù)測(cè)未來(lái)一定時(shí)間的電力缺口，同時(shí)根據(jù)設(shè)備用電模式及其歷史數(shù)據(jù)建立預(yù)測(cè)模型（如回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等），以預(yù)測(cè)未來(lái)一定時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷信息和控制信息，然后采用實(shí)時(shí)控制方式自適應(yīng)地調(diào)整控制信息。

2.3 定時(shí)段

對(duì)用戶的限定時(shí)段和限定等級(jí)進(jìn)行細(xì)分類,根據(jù)用戶用電行為分類結(jié)果，統(tǒng)計(jì)出各用戶有序用電時(shí)段，及其在該有序用電時(shí)段內(nèi)的限定等級(jí)，進(jìn)而指定有序用電方案。圖3的例子是根據(jù)限電時(shí)段聚類與分析得到的3類有序用電用戶群組的日用電曲線模式，基于這三類用戶不同的用電高峰時(shí)段制定相應(yīng)的分時(shí)段限電計(jì)劃。可以看出，用戶組1的用電高峰時(shí)段為上午和下午，用戶組2的用電高峰時(shí)段為早中晚，用戶組3的用電全天較為平均。根據(jù)對(duì)每一類用戶進(jìn)行限電時(shí)段和限電等級(jí)細(xì)分，最后得到每類用戶在有序用電時(shí)段的限電計(jì)劃表。

2.4 定群組

利用層次優(yōu)化技術(shù)，設(shè)置合理的優(yōu)化目標(biāo)。首先，在用電行為模式分類群組中，進(jìn)行廣度級(jí)別的優(yōu)化，以搜索目標(biāo)模式群組。然后，在挑選出的模式群組中，進(jìn)行深度搜索，即低粒度優(yōu)化，以獲得更精細(xì)的有序用電群組。而后，配置算法的優(yōu)化引擎（默認(rèn)為動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法），生成各離散時(shí)段內(nèi)聚類用戶中用電設(shè)備的控制策略，輸出各組內(nèi)群組中用戶用電設(shè)備的控制方式。

圖3 用戶限電時(shí)段分析

基于前述內(nèi)容，以“定用戶、定設(shè)備、定時(shí)段、定群組”為主線，綜合用戶行為模式分析，科學(xué)化的指標(biāo)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、聚類分析和智能優(yōu)化算法等關(guān)鍵技術(shù)，形成給定有序用電時(shí)段內(nèi)精細(xì)到設(shè)備級(jí)的有序用電群組，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)有序用電精細(xì)化管理。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)采用經(jīng)典的Browser/Server體系結(jié)構(gòu)，分為Web端和服務(wù)器端兩大部分。Web端主要使用JavaScript，HTML和Ajax等技術(shù)，其中 Ajax技術(shù)向服務(wù)器提交數(shù)據(jù)和接受服務(wù)器返回的數(shù)據(jù)，然后再用Java Script刷新前臺(tái)界面。

系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)分為3層，從前到后依次為客戶端、應(yīng)用服務(wù)層和資源層，應(yīng)用服務(wù)層為系統(tǒng)的主體，這部分系統(tǒng)從前到后依次可以分為：表現(xiàn)層、控制層、業(yè)務(wù)層、持久層、數(shù)據(jù)庫(kù)等幾個(gè)層次。表現(xiàn)層負(fù)責(zé)處理用戶的交互與系統(tǒng)分析結(jié)果的展示，主要采用JSP技術(shù)?？刂茖硬捎肧truts框架，接受前端的請(qǐng)求，調(diào)用業(yè)務(wù)層的Service Bean來(lái)處理請(qǐng)求，并將處理結(jié)果傳遞到表現(xiàn)層展現(xiàn)給用戶。業(yè)務(wù)層采用Spring框架，每個(gè)Service Bean可以在多個(gè)不同類型的請(qǐng)求間共享。持久層采用了Ibatis框架，可以在降低開(kāi)發(fā)工作量、提高代碼質(zhì)量的同時(shí)，通過(guò)優(yōu)化SQL語(yǔ)句等方式保證持久層的性能。數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle 10.1。

3.2 數(shù)據(jù)庫(kù)總體設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)包括6個(gè)模塊，即應(yīng)用流程監(jiān)控模塊、權(quán)限控制模塊、模型配置模塊、規(guī)則與指標(biāo)管理模塊、系統(tǒng)參數(shù)模塊和高級(jí)應(yīng)用模塊。

應(yīng)用流程監(jiān)控模塊主要用于記錄應(yīng)用流程的發(fā)起者、流程執(zhí)行的進(jìn)度和狀態(tài)，以及流程運(yùn)行過(guò)程中的概要信息，并維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行日志表。權(quán)限控制模塊主要用于記錄系統(tǒng)的用戶、角色和功能及其相互之間的關(guān)系。模型配置模塊用于評(píng)估模型表和明細(xì)。規(guī)則與指標(biāo)管理模塊給出了數(shù)據(jù)項(xiàng)、指標(biāo)和規(guī)則的定義。系統(tǒng)參數(shù)模塊定義了系統(tǒng)字典表。高級(jí)應(yīng)用模塊直接給系統(tǒng)中有序化提供數(shù)據(jù)支撐。

4 實(shí)施案例

基于精細(xì)化管理的有序用電輔助決策系統(tǒng)由平湖供電局和IBM中國(guó)研究院共同研發(fā)，于2011年12月建成并投入試運(yùn)行。其主要功能框架如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)構(gòu)架

系統(tǒng)的輸入為動(dòng)態(tài)負(fù)荷缺口、用戶的日負(fù)荷數(shù)據(jù)，根據(jù)細(xì)分指標(biāo)、用電設(shè)備數(shù)據(jù)及有序用電時(shí)段，用戶可以設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，系統(tǒng)自動(dòng)生成有序用電群組，并得到有序用電方案。系統(tǒng)效益體現(xiàn)在以下方面：

（1）提供更高效、更優(yōu)質(zhì)的用戶細(xì)分服務(wù)。通過(guò)有序用電精細(xì)化輔助決策系統(tǒng)，可以高效整合海量的客戶信息，對(duì)客戶用電行為進(jìn)行分類，便于高效科學(xué)地進(jìn)行用戶細(xì)分，從而進(jìn)一步提升服務(wù)水平。

（2）提高設(shè)備細(xì)分粒度及智能化控制水平。通過(guò)有序用電精細(xì)化輔助決策系統(tǒng)，可以對(duì)用戶設(shè)備特性進(jìn)行分析，并提供智能化控制手段。

（3）提高用戶滿意度。通過(guò)有序用電精細(xì)化輔助決策系統(tǒng)，可以提高有序用電方案的科學(xué)性和公平性，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，對(duì)提高用戶滿意度，提高地區(qū)整體經(jīng)濟(jì)水平，具有重要作用。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于“定用戶、定設(shè)備、定時(shí)段、定群組”精細(xì)化管理的有序用電輔助決策，并通過(guò)系統(tǒng)得到應(yīng)用。該系統(tǒng)根據(jù)用戶用電行為和評(píng)價(jià)指標(biāo)，精細(xì)劃分用戶，進(jìn)一步精細(xì)劃分用電設(shè)備及時(shí)段，設(shè)置有序用電優(yōu)化目標(biāo)和約束條件，生成精細(xì)化的有序用電群組及實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)有序用電的精細(xì)化管理。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了系統(tǒng)效果，有效地提高了有序用電精細(xì)化管理水平。

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