基于負(fù)荷特性分析平臺(tái)的用戶負(fù)荷特性及用電行為研究

陳奮開，何永秀

（華北電力大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，北京 102206）

0 引言

《關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》提出有序向社會(huì)資本放開售電業(yè)務(wù)，多途徑培育售電側(cè)市場(chǎng)競爭主體，這有利于更多的用戶擁有選擇權(quán)［1］，用戶與售電主體之間的交易會(huì)愈發(fā)頻繁，電價(jià)在引導(dǎo)用戶調(diào)整用電方式的作用愈發(fā)明顯。在此情況下，用戶負(fù)荷特性與用電行為變得無規(guī)律性，對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷特性產(chǎn)生一定影響。因此，為精確分析用戶負(fù)荷特性和用電行為，了解用戶的差異化需求和保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，研發(fā)一種考慮負(fù)荷特性的用戶用電行為分析平臺(tái)具有重要意義。

近年來，用戶負(fù)荷特性分析和用電行為研究被廣泛關(guān)注，國內(nèi)外學(xué)者均開展了研究。在負(fù)荷特性分析方面，文獻(xiàn)［2］從負(fù)荷密度、年最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)、負(fù)荷特性曲線等方面描述用戶負(fù)荷特性特點(diǎn)，并作對(duì)比分析；文獻(xiàn)［3-4］在調(diào)研基礎(chǔ)上，總結(jié)分析不同類型用戶的負(fù)荷特性和用電特點(diǎn)；文獻(xiàn)［5］從產(chǎn)業(yè)用電結(jié)構(gòu)、氣溫及電改政策等方面分析了負(fù)荷特性的變化規(guī)律與影響因素的相互關(guān)系；文獻(xiàn)［6］基于典型負(fù)荷日負(fù)荷曲線，由負(fù)荷平均值、負(fù)荷變化周期和峰谷比等指標(biāo)分析負(fù)荷特性。在用戶用電行為研究方面，文獻(xiàn)［7］分別采用K-means 聚類法和模糊C均值聚類法研究用戶用電行為；文獻(xiàn)［8］在自適應(yīng)模糊C 均值算法的基礎(chǔ)上，提出一種用戶分類的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)居民用電行為特性的差異化分析；文獻(xiàn)［9］以構(gòu)建的負(fù)荷轉(zhuǎn)移率模型為基礎(chǔ)，建立用戶基于峰谷電價(jià)的調(diào)節(jié)潛力指標(biāo)，以分析用戶用電行為；文獻(xiàn)［10-11］基于用戶行為學(xué)，研究用戶側(cè)的需求響應(yīng)行為，并構(gòu)建需求響應(yīng)模型，以反映用戶在分時(shí)電價(jià)下的需求響應(yīng)行為；文獻(xiàn)［12］分析了各類商業(yè)用戶在不同電價(jià)水平下不同用電時(shí)段的負(fù)荷響應(yīng)程度，并基于概率分布函數(shù)預(yù)測(cè)了各類用戶在不同時(shí)段的負(fù)荷調(diào)整潛力。

已有文獻(xiàn)對(duì)用戶負(fù)荷特性和用電行為的研究大都基于模型等方法定量分析，計(jì)算較為費(fèi)時(shí)，且不能快速獲取分析結(jié)果。本文通過篩選分析負(fù)荷特性指標(biāo)和用電行為指標(biāo)，研發(fā)出一種考慮用戶負(fù)荷特性的用電行為分析平臺(tái)，其可以依據(jù)負(fù)荷數(shù)據(jù)快速分析用戶負(fù)荷特性和研究用戶用電行為，供負(fù)荷數(shù)據(jù)分析人員使用。

1 負(fù)荷特性指標(biāo)與用電行為指標(biāo)選取

1.1 負(fù)荷特性指標(biāo)選取

為正確分析用戶負(fù)荷特性，常常通過選取具有代表性的負(fù)荷特性指標(biāo)，其能夠反映用戶用電負(fù)荷的變化規(guī)律。目前，典型的電力負(fù)荷特性指標(biāo)從時(shí)間維度和物理量維度兩個(gè)維度進(jìn)行劃分。在該平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，按照時(shí)間維度和物理量維度選取的負(fù)荷特性指標(biāo)如表1 所示。

表1 用戶負(fù)荷特性指標(biāo)選取

1.2 用電行為指標(biāo)選取

隨著售電側(cè)競爭機(jī)制的建立，售電主體與用戶之間的交易會(huì)愈發(fā)頻繁，電價(jià)在引導(dǎo)用戶調(diào)整用電方式、優(yōu)化配置資源的作用會(huì)愈發(fā)重要。為合理分析用戶對(duì)電價(jià)改變的響應(yīng)程度，在平臺(tái)的設(shè)計(jì)過程中，通過對(duì)比分析用戶在電價(jià)變化前后的負(fù)荷曲線，著重選取了特定的用電行為指標(biāo)如響應(yīng)度、峰谷比變化率、削峰率及填谷率。

1）響應(yīng)度：電價(jià)政策實(shí)施后，用戶對(duì)電價(jià)的變化做出的響應(yīng)。

式中：ΔQt和ΔPt分別為用戶t 時(shí)刻的電量變化量和電價(jià)變化量；Q0、P0分別為最初時(shí)刻的原始電量和原始電價(jià)。

2）峰谷比變化率：電價(jià)實(shí)施前后用戶用電負(fù)荷峰谷比值的變化。

式中：ΔR為峰谷比變化率；lf，bi、lg，bi分別為實(shí)施電價(jià)后用戶在i 時(shí)段內(nèi)用電負(fù)荷峰值、負(fù)荷谷值；lf，ai、lg，ai分別為實(shí)施電價(jià)前用戶在i 時(shí)段內(nèi)用電負(fù)荷峰值、負(fù)荷谷值。

3）削峰率：電價(jià)實(shí)施后用戶用電負(fù)荷峰值減小量。

式中：lf，aj、lf，bj分別為實(shí)施電價(jià)前、后用戶在j 時(shí)段內(nèi)用電負(fù)荷峰值。

4）填谷率：電價(jià)實(shí)施后用戶用電負(fù)荷谷值增加量。

式中：lg，am、lg，bm分別為實(shí)施電價(jià)前、后用戶在m 時(shí)段內(nèi)用電負(fù)荷谷值。

2 考慮負(fù)荷特性的用戶用電行為分析平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)機(jī)理

在平臺(tái)設(shè)計(jì)時(shí)，首先借助負(fù)荷特性指標(biāo)分析用戶負(fù)荷特性；其次引入電價(jià)因素，借助用電行為指標(biāo)分析用戶因電價(jià)發(fā)生變化做出的響應(yīng)。其中，平臺(tái)設(shè)計(jì)機(jī)理如圖1 所示。

2.2 平臺(tái)各界面展示

在上述機(jī)理分析的基礎(chǔ)上，采用前端與后端相結(jié)合的方式開發(fā)該平臺(tái)。其中，前端設(shè)計(jì)頁面展示；后端編輯指標(biāo)的邏輯關(guān)系。

圖1 考慮負(fù)荷特性的用戶用電行為分析平臺(tái)設(shè)計(jì)機(jī)理

該平臺(tái)共有5 個(gè)界面，主界面與各分界面之間采用嵌套方式實(shí)現(xiàn)。主界面包括用戶負(fù)荷特性分析和用戶用電行為分析2 個(gè)功能按鈕，如圖2 所示；用戶負(fù)荷特性分析界面采用按鈕方式，包括菜單欄、指標(biāo)展示模塊、負(fù)荷曲線展示模塊和負(fù)荷時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)展示模塊4 部分，其中，菜單欄由日負(fù)荷分析、月負(fù)荷分析、年負(fù)荷分析、返回首頁及日期查詢等成分組成，如圖3～5 所示；用戶用電行為分析界面也采用按鈕方式，包括菜單欄、指標(biāo)展示模塊和負(fù)荷曲線展示模塊3 部分，如圖6 所示。

圖2 平臺(tái)主界面展示

圖3 用戶日負(fù)荷特性分析界面展示

圖4 用戶月負(fù)荷特性分析界面展示

圖5 用戶年負(fù)荷特性分析界面展示

圖6 用戶用電行為分析界面展示

3 實(shí)證分析

為驗(yàn)證該平臺(tái)的實(shí)用性，以某地區(qū)2016—2018年的用戶負(fù)荷使用情況為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以同時(shí)期電價(jià)政策為輔助數(shù)據(jù)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫mysql 5.7，輔助數(shù)據(jù)以邏輯關(guān)系的形式在后端開發(fā)中用Java 語言實(shí)現(xiàn)。

3.1 用戶負(fù)荷特性分析

分析用戶負(fù)荷特性，該平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)從時(shí)間維度出發(fā)，包括3 部分，日負(fù)荷特性分析、月負(fù)荷特性分析和年負(fù)荷特性。以2016 年用戶負(fù)荷數(shù)據(jù)為例，分析用戶日負(fù)荷特性、月負(fù)荷特性及年負(fù)荷特性。

3.1.1 用戶日負(fù)荷特性分析

按照季節(jié)維度劃分為春季（3—5 月）、夏季（6—8月）、秋季（9—11 月）及冬季（12—2 月）。夏季為用電高峰時(shí)期，為保證用戶日負(fù)荷特性分析的合理性，選取夏季最大負(fù)荷日為典型日，即為2016-07-31。在日負(fù)荷特性分析界面中，點(diǎn)擊時(shí)間查詢按鈕，然后選擇典型日，日負(fù)荷特性指標(biāo)分析結(jié)果如表2 所示，日負(fù)荷曲線如圖7 所示。

表2 用戶日負(fù)荷特性分析

圖7 典型日用戶日負(fù)荷曲線

如表2 所示，在該平臺(tái)中，負(fù)荷時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)展示模塊看出用戶各個(gè)時(shí)刻用電負(fù)荷情況，以此得到負(fù)荷特性指標(biāo)展示模塊的負(fù)荷特性指標(biāo)計(jì)算取值；如圖7 所示，夏季用電高峰期間，尤其下午時(shí)間用電最多。

3.1.2 用戶月負(fù)荷特性分析

以典型日所在月份為分析對(duì)象，在月負(fù)荷特性分析界面中，點(diǎn)擊時(shí)間查詢按鈕，選擇2016 年7 月，分析結(jié)果如表3 所示。

表3 中，在負(fù)荷特性指標(biāo)展示模塊區(qū)域，可以清楚各負(fù)荷特性指標(biāo)取值，同時(shí)，也可獲得8—11 月的用戶月負(fù)荷特性指標(biāo)取值，通過對(duì)比各月負(fù)荷特性指標(biāo)取值，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)用戶秋季負(fù)荷月峰谷差率低于夏季負(fù)荷月峰谷差率、9 月份的月負(fù)荷率高于其他月份月負(fù)荷率，即9 月份的用電設(shè)備利用率較高。

表3 用戶月負(fù)荷特性分析

3.1.3 用戶年負(fù)荷特性分析

將2016 年用戶所有負(fù)荷數(shù)據(jù)作為分析對(duì)象，在年負(fù)荷特性分析界面中，點(diǎn)擊時(shí)間查詢按鈕，選擇2016 年，年負(fù)荷特性指標(biāo)分析結(jié)果和曲線分析結(jié)果分別如表4 和圖8 所示，其中，曲線分析以年日最大負(fù)荷曲線為例進(jìn)行分析。

表4 年負(fù)荷特性指標(biāo)分析結(jié)果

圖8 用戶年負(fù)荷特性分析

如表4 所示，通過觀察負(fù)荷特性指標(biāo)可以得到用戶在2016 年內(nèi)的用電負(fù)荷使用情況；如圖8 所示，負(fù)荷曲線展示模塊可以看出用戶在一年內(nèi)用電變化趨勢(shì)。

3.2 用戶用電行為分析

由于電價(jià)的主導(dǎo)作用，用戶會(huì)及時(shí)調(diào)整其用電行為，對(duì)電價(jià)做出響應(yīng)。該地區(qū)在2016—2018 年內(nèi)共實(shí)施了3 次電價(jià)調(diào)整政策，以2016 年6 月實(shí)施的電價(jià)政策為例，分析用戶對(duì)電價(jià)調(diào)整水平的響應(yīng)程度。其中，分析機(jī)理為研究電價(jià)調(diào)整前后各2 個(gè)月內(nèi)用戶用電負(fù)荷變化情況，分析電價(jià)實(shí)施后用戶用電負(fù)荷轉(zhuǎn)移量。

在用戶用電行為分析界面，點(diǎn)擊時(shí)間查詢按鈕，選擇2016-06-14，用戶用電行為指標(biāo)分析結(jié)果如表5 所示，曲線分析結(jié)果分別如圖9 所示。

表5 用戶用電行為指標(biāo)分析結(jié)果 %

圖9 用戶用電行為曲線分析結(jié)果

如表5 和圖9 所示，在電價(jià)做出調(diào)整之后，可以計(jì)算出用戶的響應(yīng)度為30.16%；負(fù)荷曲線峰谷比變化率為0.16%、削峰率為5.49%、填谷率為5.37%。

4 結(jié)語

基于考慮負(fù)荷特性的用戶用電行為分析平臺(tái)，售電主體工作人員可以導(dǎo)入用電負(fù)荷原始數(shù)據(jù)，可以快速獲取各用戶負(fù)荷特性指標(biāo)計(jì)算結(jié)果，簡化模型計(jì)算的復(fù)雜性。

以時(shí)間和物理量兩個(gè)維度相結(jié)合構(gòu)建用戶負(fù)荷特性指標(biāo)體系，分析用戶負(fù)荷特性，詳盡反映用戶用電規(guī)律，為售電主體分析用戶的用電行為及進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)提供借鑒。

借助于電價(jià)因素，構(gòu)建用戶用電行為指標(biāo)模型，分析了用戶對(duì)電價(jià)調(diào)整政策的響應(yīng)程度，進(jìn)而引導(dǎo)用戶峰谷時(shí)段的用電負(fù)荷轉(zhuǎn)移。