基于大數(shù)據(jù)的電網(wǎng)成本結(jié)構(gòu)及效益綜合分析研究與應(yīng)用

劉嘉， 蔡雨楠， 邢琳

(國(guó)網(wǎng)陜西省電力公司 運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)(控)中心，陜西 西安 710048)

0 引 言

隨著國(guó)家電網(wǎng)公司“三集五大”管理體系和調(diào)控、運(yùn)監(jiān)、客服三中心的全面建設(shè)，信息化已全面融入公司生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理業(yè)務(wù)的各個(gè)方面，積累了海量的數(shù)據(jù)。2014年1月，國(guó)家電網(wǎng)公司董事長(zhǎng)、黨組書記劉振亞在2014年工作會(huì)議的報(bào)告上提出要強(qiáng)化數(shù)據(jù)分析，提升數(shù)據(jù)應(yīng)用水平和商業(yè)價(jià)值，推動(dòng)第三次工業(yè)革命，推進(jìn)新能源技術(shù)、智能技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能電網(wǎng)全面融合，搶占科技創(chuàng)新制高點(diǎn)。

目前，雖然電網(wǎng)企業(yè)成本管控[1]22方式已經(jīng)由總額控制向分項(xiàng)控制轉(zhuǎn)變，但控制精度仍然不高。成本控制仍以財(cái)務(wù)部門的決算報(bào)告為主，管理方法時(shí)效性差，不能及時(shí)準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)成本管理中所存在的根本問題。因此，本文基于大數(shù)據(jù)電網(wǎng)成本結(jié)構(gòu)及效益綜合分析課題研究，采用大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘及可視化技術(shù)，構(gòu)建分析模型，提升電網(wǎng)企業(yè)成本管控和效益分析能力，為管理層和決策層提供理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1 理論發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)

1.1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

大數(shù)據(jù)是近年來受到廣泛關(guān)注的新概念，是指通過對(duì)大量的、種類和來源復(fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行高速地捕捉、發(fā)現(xiàn)和分析，用經(jīng)濟(jì)的方法提取其價(jià)值的技術(shù)體系或技術(shù)架構(gòu)。大數(shù)據(jù)早期應(yīng)用于商業(yè)、金融等領(lǐng)域，后逐漸擴(kuò)展到交通、醫(yī)療、能源等領(lǐng)域，智能電網(wǎng)被看作是大數(shù)據(jù)應(yīng)用的重要技術(shù)領(lǐng)域之一。

國(guó)外大數(shù)據(jù)的相關(guān)研究從2012年開始，IBM和C3-Energy開發(fā)了針對(duì)智能電網(wǎng)的大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，Oracle提出了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)公共數(shù)據(jù)模型；美國(guó)電科院等研究機(jī)構(gòu)啟動(dòng)了智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)研究項(xiàng)目；美國(guó)的太平洋燃?xì)怆娏镜入娏净谟脩粲秒姅?shù)據(jù)開展了大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用研究。

自2012年以來，國(guó)家電網(wǎng)公司啟動(dòng)了多項(xiàng)智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)研究項(xiàng)目，江蘇省電力公司于2013年初率先開始建設(shè)營(yíng)銷大數(shù)據(jù)智能分析系統(tǒng)，開展了基于大數(shù)據(jù)的客戶服務(wù)新模式應(yīng)用開發(fā)研究。智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)[2]2研究和應(yīng)用已取得了一些成效。但總的來看，針對(duì)電網(wǎng)成本的大數(shù)據(jù)研究和應(yīng)用尚處于起步和探索階段。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

基于大數(shù)據(jù)的電網(wǎng)成本結(jié)構(gòu)及效益綜合分析的關(guān)鍵技術(shù)主要有大數(shù)據(jù)[3]503、數(shù)據(jù)挖掘及可視化技術(shù)等。

(1)大數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)。大數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)是在進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，針對(duì)海量的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動(dòng)去噪、分類和分析。目前，最主要的分布式計(jì)算架構(gòu)是Map-Reduce，非常適合處理超大數(shù)據(jù)集的算法模型。主要包括了數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)變換、數(shù)據(jù)消減等。

(2)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)[4]15。大數(shù)據(jù)挖掘建模技術(shù)在整個(gè)基于大數(shù)據(jù)的電網(wǎng)成本結(jié)構(gòu)與效益綜合分析系統(tǒng)中處于核心地位。采用數(shù)據(jù)挖掘模型的優(yōu)劣將直接影響設(shè)備狀態(tài)分析評(píng)價(jià)的效果和準(zhǔn)確度。如采用目前業(yè)界最先進(jìn)的視覺聚類算法理論、L1/2稀疏化理論來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的層次聚類、樸素貝葉斯等算法、文本聚類、文本分類、文本關(guān)聯(lián)規(guī)則等。

(3)可視化技術(shù)。數(shù)據(jù)可視化是關(guān)于數(shù)據(jù)的視覺表現(xiàn)形式的研究，旨在借助于圖形化手段，清晰有效地傳達(dá)與溝通信息。數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的運(yùn)用需要有相應(yīng)成熟的組件支持，當(dāng)前數(shù)據(jù)可視化技術(shù)的組件主要包括平行坐標(biāo)系圖、散點(diǎn)圖矩陣、數(shù)據(jù)流圖、Tree map(樹圖)、弦圖、文字云圖、網(wǎng)絡(luò)圖和線路圖八大類。

2 總體架構(gòu)

基于大數(shù)據(jù)的電網(wǎng)成本結(jié)構(gòu)及效益綜合分析系統(tǒng)的總體架構(gòu)分為展現(xiàn)層、業(yè)務(wù)應(yīng)用層、集成技術(shù)框架、數(shù)據(jù)層和硬件支撐層?？傮w架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)圖

(1)展現(xiàn)層：是各級(jí)管理人員和用戶進(jìn)行決策信息獲取的關(guān)鍵渠道，對(duì)系統(tǒng)功能和數(shù)據(jù)提供了可視化圖像展現(xiàn)、功能性應(yīng)用、綜合查詢統(tǒng)計(jì)和分析報(bào)表等展現(xiàn)方式。

(2)業(yè)務(wù)應(yīng)用：包括輸配電成本結(jié)構(gòu)及趨勢(shì)預(yù)測(cè)、邊際貢獻(xiàn)分析及資產(chǎn)效率分析模型。

(3)集成技術(shù)框架：輔助決策平臺(tái)的運(yùn)行主要通過企業(yè)服務(wù)總線和各類服務(wù)組件所提供的功能進(jìn)行支撐和整合。其中服務(wù)組件包括國(guó)網(wǎng)已有的統(tǒng)一權(quán)限組件、門戶接口組件、數(shù)據(jù)訪問組件、數(shù)據(jù)傳輸組件等，并且包括本系統(tǒng)新建的數(shù)據(jù)挖掘組件、數(shù)據(jù)可視化組件和模型運(yùn)行組件等。

(4)數(shù)據(jù)層：主要由分析數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)清洗轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理和本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫構(gòu)成。

3 應(yīng)用案例

3.1 輸配電成本趨勢(shì)預(yù)測(cè)

時(shí)間序列分析[5](Time series analysis)是一種動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)處理的統(tǒng)計(jì)方法。該方法基于隨機(jī)過程理論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，研究隨機(jī)數(shù)據(jù)序列所遵從的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，以用于解決實(shí)際問題。時(shí)間序列預(yù)測(cè)一般反映三種實(shí)際變化規(guī)律:趨勢(shì)變化、周期性變化、隨機(jī)性變化。時(shí)間序列分析常用在國(guó)民經(jīng)濟(jì)宏觀控制、區(qū)域綜合發(fā)展規(guī)劃、企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理、市場(chǎng)潛量預(yù)測(cè)等。時(shí)間序列方法最常用的模型是ARMA模型及其修正模型。本監(jiān)測(cè)分析模型主要采用ARMA、ARIMA模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)企業(yè)輸配電成本趨勢(shì)預(yù)測(cè)分析。

3.2 邊際貢獻(xiàn)分析

目前，售電單價(jià)和上網(wǎng)電價(jià)均由國(guó)家統(tǒng)一制定，導(dǎo)致電力企業(yè)盈利空間十分有限。邊際貢獻(xiàn)分析[6]27模型作為研究銷售收入、銷售成本和銷售利潤(rùn)之間的變量關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，為分析電網(wǎng)企業(yè)經(jīng)營(yíng)狀況提供了理論依據(jù)。邊際貢獻(xiàn)分析，也叫保本分析或盈虧平衡分析，是分析成本、銷量、利潤(rùn)之間相互關(guān)系的方法。這一方法以成本按成本性態(tài)(固定成本和變動(dòng)成本)劃分為基礎(chǔ)，通過建立數(shù)學(xué)模型，分析研究銷量、銷售單價(jià)、成本的變化對(duì)利潤(rùn)的影響程度，用以確定企業(yè)的盈虧平衡點(diǎn)、實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)利潤(rùn)和控制成本。

基于電網(wǎng)企業(yè)成本結(jié)構(gòu)，明確固定成本與變動(dòng)成本范圍，將購電單價(jià)確定為購電單位成本。按照利潤(rùn)與售電量、售電平均電價(jià)、購電單價(jià)、成本之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，建立電網(wǎng)企業(yè)的邊際貢獻(xiàn)分析模型。具體計(jì)算公式如下：

利潤(rùn)(P)=銷售收入-總成本-財(cái)務(wù)費(fèi)用(N)+營(yíng)業(yè)外收支凈額(C)

其中：銷售收入=售電收入+其他收入(S)

售電收入=售電量(X)*售電平均電價(jià)(H)

總成本=固定成本(F)+變動(dòng)成本

變動(dòng)成本=購電量*購電單價(jià)=售電量/(1-線損率(Q))*購電單價(jià)(G)

即：P=X(H-G/(1-Q))+S-F-N+C

3.2.1盈虧平衡分析

電網(wǎng)企業(yè)的邊際貢獻(xiàn)是指售電收入超過變動(dòng)成本的金額，它反映了一定時(shí)期銷售電力產(chǎn)品的獲利能力。電力產(chǎn)品提供的邊際貢獻(xiàn)不是企業(yè)的利潤(rùn)，它首先用來補(bǔ)償固定成本，若補(bǔ)償后，尚有盈余，再扣除稅金則為企業(yè)利潤(rùn)，否則為虧損，即邊際貢獻(xiàn)等于固定成本則企業(yè)不盈不虧。盈虧平衡分析原理如圖2所示。

圖2 盈虧平衡點(diǎn)分析

由圖2不僅可以確定企業(yè)當(dāng)年的盈虧平衡售電量，判斷企業(yè)目前處于盈利區(qū)還是虧損區(qū)、生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)狀況如何、企業(yè)安全性高低等基本情況，還可以根據(jù)企業(yè)目標(biāo)利潤(rùn)，進(jìn)行售電量預(yù)測(cè)，使企業(yè)經(jīng)營(yíng)決策更具主動(dòng)性和科學(xué)性。

3.2.2利潤(rùn)敏感分析

基于邊際貢獻(xiàn)分析模型，分析售電單價(jià)、固定成本、單位變動(dòng)成本、售電量、線損率五個(gè)影響因素變化對(duì)利潤(rùn)的影響情況。其中對(duì)利潤(rùn)影響最為敏感的是售電平均單價(jià)，其次是購電價(jià)、售電量、固定成本和線損率。進(jìn)一步分析售電單價(jià)變化趨勢(shì)，發(fā)現(xiàn)盡管購電單價(jià)對(duì)利潤(rùn)的影響較為敏感，但是購電單價(jià)在一定期間相對(duì)不變。因此，購電單價(jià)對(duì)利潤(rùn)影響的敏感程度就大大降低了，研究其它因素成為擴(kuò)大企業(yè)利潤(rùn)空間的關(guān)鍵。

分析和掌握相關(guān)因素對(duì)企業(yè)利潤(rùn)影響的敏感程度，增強(qiáng)了企業(yè)經(jīng)營(yíng)的預(yù)見性，為企業(yè)增加利潤(rùn)指出了努力方向。另外，為確保企業(yè)年度利潤(rùn)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，企業(yè)在售電經(jīng)營(yíng)中要緊緊圍繞完成這些目標(biāo)制定并采取有效措施，加強(qiáng)管理，為社會(huì)提供電能服務(wù)的同時(shí)提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

4 算例分析

4.1 輸配電成本預(yù)測(cè)模型

4.1.1模型構(gòu)建

針對(duì)于電網(wǎng)企業(yè)輸配電成本的趨勢(shì)預(yù)測(cè)，分析發(fā)現(xiàn)指標(biāo)在時(shí)間序列的變化特征，并結(jié)合業(yè)務(wù)特征，采用時(shí)間序列算法構(gòu)建輸配電成本趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型，分別運(yùn)用指數(shù)平滑法與ARIMA模型進(jìn)行測(cè)試對(duì)比，通過計(jì)算波動(dòng)區(qū)間，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸配電成本的動(dòng)態(tài)異動(dòng)監(jiān)測(cè)，從而為計(jì)劃預(yù)算編制、成本控制提供依據(jù)。選取2010年1月到2014年12月的數(shù)據(jù)作為時(shí)間序列建模的訓(xùn)練樣本，2015年1月到4月的數(shù)據(jù)作為測(cè)試樣本。分析模型性能指標(biāo)，平均相對(duì)誤差為0.103 780 872，該模型對(duì)于趨勢(shì)預(yù)測(cè)具有可用性。輸配電成本預(yù)測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 時(shí)間序列預(yù)測(cè)結(jié)果

4.1.2波動(dòng)區(qū)間估計(jì)

以2010年1月到2014年12月數(shù)據(jù)作為模型訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)，同時(shí)以該樣本數(shù)據(jù)訓(xùn)練過程中形成的樣本預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)的偏差為分析對(duì)象， 計(jì)算其誤差均值與標(biāo)準(zhǔn)差。誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為：115 687 412。按正態(tài)分布置信區(qū)間與樣本覆蓋率的對(duì)照關(guān)系，得出輸配電指標(biāo)值的上、下限。上限： 預(yù)測(cè)值+2*115 687 412,

下限：預(yù)測(cè)值-2*115 687 412。輸配電成本預(yù)測(cè)區(qū)間如圖4所示。

圖4 預(yù)測(cè)區(qū)間圖

4.1.3結(jié)果分析

輸配電成本可利用時(shí)間序列模型，預(yù)測(cè)當(dāng)前指標(biāo)數(shù)據(jù)，作為該指標(biāo)的當(dāng)期中心點(diǎn)。然后利用截止到上個(gè)月，指標(biāo)預(yù)測(cè)與實(shí)際數(shù)據(jù)誤差波動(dòng)區(qū)間的評(píng)估計(jì)算結(jié)果(指標(biāo)波動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差)，形成當(dāng)期指標(biāo)閥值(上下限)，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸配電成本的動(dòng)態(tài)異動(dòng)監(jiān)測(cè)。從上述分析，可以看出2011年12月，2012年2月，2012年12月，2014年6月的輸配電成本出現(xiàn)明顯波動(dòng)情況，可以作為業(yè)務(wù)異動(dòng)重點(diǎn)關(guān)注。

4.2 邊際貢獻(xiàn)分析模型

4.2.1盈虧平衡分析

通過計(jì)算分析企業(yè)盈虧臨界點(diǎn)售電量、邊際貢獻(xiàn)率、邊際貢獻(xiàn)、安全邊際、安全邊際率等指標(biāo)。其中，安全邊際指正常銷售額超過盈虧臨界點(diǎn)銷售額的差額，表明銷售額下降多少企業(yè)仍不至虧損當(dāng)，安全邊際率是安全邊際與正常銷售額的比值。經(jīng)計(jì)算2012-2015年數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，2013售電平均單價(jià)565.21最高，其對(duì)應(yīng)盈虧臨界點(diǎn)售電量5 946 091.41最低，邊際貢獻(xiàn)率31.5%與安全邊際率最高，2012年售電平均電價(jià)467.64最低，邊際貢獻(xiàn)率與安全邊際率都相對(duì)較低，說明售電單價(jià)的提高，是提高盈利的最有效手段，售電單價(jià)降低也是企業(yè)的最大威脅。盈虧平衡指標(biāo)詳細(xì)信息如表1所示。

表1 盈虧平衡情況

4.2.2利潤(rùn)敏感性分析

采用因素分析法分析各影響因素對(duì)利潤(rùn)的影響程度，通過分析研究對(duì)利潤(rùn)影響程度依次為售電平均電價(jià)，其次是購電單價(jià)，再次為售電量、固定成本和線損率。其中線損率的影響程度不同是因?yàn)樵诶又芯€損的變化率為0.1%，而其他各項(xiàng)的變化率均為1%。雖然售電單價(jià)對(duì)利潤(rùn)的影響最為敏感,但是由于售電單價(jià)不是由供電企業(yè)來確定,而且在一定期間內(nèi)相對(duì)不變,因此售電單價(jià)影響利潤(rùn)的敏感程度實(shí)際大打折扣。利潤(rùn)敏感分析影響程度如表2所示。

表2 利潤(rùn)敏感分析

5 結(jié)束語

智能電網(wǎng)是大數(shù)據(jù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。面對(duì)日益復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)和市場(chǎng)化挑戰(zhàn)，電網(wǎng)企業(yè)的運(yùn)營(yíng)管理理念和手段也發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，原本存在于部門內(nèi)、專業(yè)級(jí)的歷史積累和不斷產(chǎn)生的數(shù)據(jù)融合、關(guān)聯(lián)，匯集成海量數(shù)據(jù)。國(guó)內(nèi)外智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的研究課題處于起步階段，本文結(jié)合電網(wǎng)企業(yè)業(yè)務(wù)和相關(guān)理論，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)為優(yōu)化企業(yè)成本結(jié)構(gòu)，提高經(jīng)濟(jì)效益作出探索。

基于大數(shù)據(jù)的電網(wǎng)成本結(jié)構(gòu)及效益綜合分析研究與應(yīng)用的顯著成果，在于通過運(yùn)用大數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)挖掘及可視化技術(shù)，針對(duì)歷史數(shù)據(jù)按照成本性態(tài)和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)環(huán)節(jié)兩個(gè)方面的變化情況，分別基于時(shí)間序列算法、熵值法及邊際貢獻(xiàn)原理構(gòu)建了輸配電成本分析預(yù)測(cè)、邊際貢獻(xiàn)分析模型。挖掘分析隱藏?cái)?shù)據(jù)中的價(jià)值，為優(yōu)化電網(wǎng)企業(yè)成本結(jié)構(gòu)、降低成本支出、提高企業(yè)經(jīng)營(yíng)效益提供全面的決策服務(wù)。

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