基于精細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 有序用電業務現狀

有序用電是指通過法律、行政、經濟、技術等手段，加強用電管理，改變用戶用電方式，采取錯峰用電、避峰用電、限電、緊急拉閘等措施，避免無計劃拉閘限電，規范用電秩序，將季節性、時段性電力供需矛盾給社會和企業帶來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，對實施細節并未作出規定。因此，在實施過程中，執行較粗放，精細化程度不高。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導小組辦公室、供電局和調度中心編制。雖然平湖供電局的業務信息平臺較為完善，但在有序用電方案編制中，沒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、重要等級、信用等級、用電容量、用電量大小、線路名稱等，因此方案的科學性和公平性有待提高。

本文提出基于精細化管理的有序用電輔助決策，根據用戶用電行為和評價指標，進行粗粒度的模式聚類和細粒度的模式分類，并結合用電設備和用電時段特性設置有序用電優化目標和約束條件，進而生成精細化的有序用電優化群組及方案，實現有序用電的精細化管理。

2 基于精細化管理的有序用電輔助決策

基于精細化管理的有序用電輔助決策是在滿足動態負荷缺口的前提下，根據設定的優化目標，如用電客戶的滿意度最優或斷電損失最小，在細分參與有序用電的客戶范圍、進一步細分其用電設備類型和用電時段偏好的基礎上，生成“定用戶、定設備、定時段、定群組”的有序用電精細化管理方案。

2.1 定用戶

為進一步提高用戶模式分類的準確性，除考慮用電負荷外，同時利用其它多維度信息，對企業進行有序用電評估，如企業的重要等級、信用等級、所屬地域、風險等級、用電容量與類別等信息，輔助確定錯/避峰企業群組。

通過組間分類和組內聚類對用戶模式進行分類，對各類用戶分別進行不同方案的有序用電管理。首先，根據用電行為，對用戶進行分類；然后，在模式組內，根據評價指標進行聚類，進行細粒度的用戶細分。

2.1.1 組間分類方法

為了根據用電行為模式進行組間分類，首先將 1 天 24 小時內的時間軸（00∶00～24∶00）劃分為N個時間段，分別為T1，T2，…，TN。以目前有序用電時刻為起點，選取前M天的用電數據為樣本庫，分別計算各用戶的評分指標。

用戶評分指標的計算方法如下：

（1）對于第k天的用電數據，用戶在Ti時段的評分STi為該用戶在Ti時段的用電時長與Ti時段的總時長之比，即在該時段的用電時間比例。

根據各用戶在樣本庫中的總評分進行聚類分析，將總評分相近的用戶分類到同一個模式群組內。通過聚類分析，可以認為同一組內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 組內聚類方法

針對該地區特征和用戶特性，如所屬地域、用電類別、耗能水平、重要等級、信用情況、用電量等，建立針對用戶的評價指標體系，見表1。

根據評價指標體系，采用層次分析法或調研方式設置各個指標相應的權重，然后對2.1.1中生成的分類用戶進行評分。對于某一聚類中的用戶，其評分 I=f（λ1S1，λ2S2，…，λnSn），其中n 為評價指標的數量，λi為第i個指標的權重，Si為該用戶第i個指標的得分，f（）為指標計算函數。然后，根據每個用戶的指標得分，在各子聚類中進行二次聚類。對不同的模式分類重復上述步驟，直至對所有分類完成聚類，將組內評價指標得分相近的用戶編為小群組，如圖2所示。

表1 評價指標體系

圖2 根據評價指標聚類

2.2 定設備

對用電設備的細分和控制，是基于用電設備的分類及相應設備運行數據的采集傳輸，結合負荷需求進行用電設備統一協同優化控制。

2.2.1 用電設備分類

將用電設備分為3類，見表2。

表2 用電設備分類

對于可控參數設備和可控通斷設備，通過單片機數據接口與設備對接，通過有線或無線傳輸的方式將設備用電負荷數據傳至中央控制系統，進而采用可傳達中央控制系統指令的控制器來控制用電設備。其中，用戶可輸入簡單指令和預期設備運行目標到API（可編程模塊），便于后期分析處理。另外，對于不可控設備，可采集其用電數據，并監測其運行狀態。

2.2.2 分布式中央控制器協調管理

分布式中央控制設備接收分布控制器和傳感器的設備數據，并傳送用電負荷數據至上級中央控制系統，同時接收上級中央控制系統的調度指令，通過CPU對數據進行分析處理，從數據中實時學習用戶用電模式、訓練智能調度方法，然后傳達指令至分布控制器，控制各用電設備，實現隱性的削峰填谷。

分布式中央控制設備不直接互聯，而是分別與上級中央控制系統互聯，并由其統一進行協調管理；每個分布式中央控制設備根據上級中央控制系統下發的調控指令，對所控制的單元進行單獨管理。

2.2.3 用電設備控制方法

根據設備數據和用電模式形成控制指令，采用智能控制方法，提供在離散時段內用電設備的控制策略。控制方法主要包括實時控制和基于預測分析的控制。

（1）實時控制：已知各時間點的用電設備負荷信息Pi和控制信息xi∈{0，1}（其中0代表關，1表示開），由中央控制設備給出某時間段內的電力缺口L，設置時間步長，將電力缺口分配至每個離散時刻。對于每個離散時刻，在滿足API（分布式控制器）中設置的約束條件下，以最小化目標函數為目標，利用動態規劃算法，尋找整個時間段內的最優控制信息集，然后由中央控制系統向各分布式控制器下發控制信息。

（2）基于預測分析的控制：預測未來一定時間的電力缺口，同時根據設備用電模式及其歷史數據建立預測模型（如回歸、神經網絡模型等），以預測未來一定時間內的負荷信息和控制信息，然后采用實時控制方式自適應地調整控制信息。

2.3 定時段

對用戶的限定時段和限定等級進行細分類,根據用戶用電行為分類結果，統計出各用戶有序用電時段，及其在該有序用電時段內的限定等級，進而指定有序用電方案。圖3的例子是根據限電時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段制定相應的分時段限電計劃。可以看出，用戶組1的用電高峰時段為上午和下午，用戶組2的用電高峰時段為早中晚，用戶組3的用電全天較為平均。根據對每一類用戶進行限電時段和限電等級細分，最后得到每類用戶在有序用電時段的限電計劃表。

2.4 定群組

利用層次優化技術，設置合理的優化目標。首先，在用電行為模式分類群組中，進行廣度級別的優化，以搜索目標模式群組。然后，在挑選出的模式群組中，進行深度搜索，即低粒度優化，以獲得更精細的有序用電群組。而后，配置算法的優化引擎（默認為動態規劃算法），生成各離散時段內聚類用戶中用電設備的控制策略，輸出各組內群組中用戶用電設備的控制方式。

圖3 用戶限電時段分析

基于前述內容，以“定用戶、定設備、定時段、定群組”為主線，綜合用戶行為模式分析，科學化的指標分析、機器學習、聚類分析和智能優化算法等關鍵技術，形成給定有序用電時段內精細到設備級的有序用電群組，進而實現有序用電精細化管理。

3 系統實現

3.1 系統架構

本系統采用經典的Browser/Server體系結構，分為Web端和服務器端兩大部分。Web端主要使用JavaScript，HTML和Ajax等技術，其中 Ajax技術向服務器提交數據和接受服務器返回的數據，然后再用Java Script刷新前臺界面。

系統的體系結構分為3層，從前到后依次為客戶端、應用服務層和資源層，應用服務層為系統的主體，這部分系統從前到后依次可以分為：表現層、控制層、業務層、持久層、數據庫等幾個層次。表現層負責處理用戶的交互與系統分析結果的展示，主要采用JSP技術。控制層采用Struts框架，接受前端的請求，調用業務層的Service Bean來處理請求，并將處理結果傳遞到表現層展現給用戶。業務層采用Spring框架，每個Service Bean可以在多個不同類型的請求間共享。持久層采用了Ibatis框架，可以在降低開發工作量、提高代碼質量的同時，通過優化SQL語句等方式保證持久層的性能。數據庫采用Oracle 10.1。

3.2 數據庫總體設計

數據庫設計包括6個模塊，即應用流程監控模塊、權限控制模塊、模型配置模塊、規則與指標管理模塊、系統參數模塊和高級應用模塊。

應用流程監控模塊主要用于記錄應用流程的發起者、流程執行的進度和狀態，以及流程運行過程中的概要信息，并維護系統運行日志表。權限控制模塊主要用于記錄系統的用戶、角色和功能及其相互之間的關系。模型配置模塊用于評估模型表和明細。規則與指標管理模塊給出了數據項、指標和規則的定義。系統參數模塊定義了系統字典表。高級應用模塊直接給系統中有序化提供數據支撐。

4 實施案例

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

圖4 系統構架

系統的輸入為動態負荷缺口、用戶的日負荷數據，根據細分指標、用電設備數據及有序用電時段，用戶可以設置優化目標和約束條件，系統自動生成有序用電群組，并得到有序用電方案。系統效益體現在以下方面：

（1）提供更高效、更優質的用戶細分服務。通過有序用電精細化輔助決策系統，可以高效整合海量的客戶信息，對客戶用電行為進行分類，便于高效科學地進行用戶細分，從而進一步提升服務水平。

（2）提高設備細分粒度及智能化控制水平。通過有序用電精細化輔助決策系統，可以對用戶設備特性進行分析，并提供智能化控制手段。

（3）提高用戶滿意度。通過有序用電精細化輔助決策系統，可以提高有序用電方案的科學性和公平性，從長遠來看，對提高用戶滿意度，提高地區整體經濟水平，具有重要作用。

5 結語

本文提出了基于“定用戶、定設備、定時段、定群組”精細化管理的有序用電輔助決策，并通過系統得到應用。該系統根據用戶用電行為和評價指標，精細劃分用戶，進一步精細劃分用電設備及時段，設置有序用電優化目標和約束條件，生成精細化的有序用電群組及實施方案，實現有序用電的精細化管理。通過實際應用驗證了系統效果，有效地提高了有序用電精細化管理水平。

[1]王衛平.如何科學合理地實施有序用電[J].電力需求側管理，2007，9（3）∶29-32.

[2]王衛平.建立完善用電機制科學合理實施有序用電[J].電力需求側管理，2004，6（5）∶51-52.

[3]舒永生，申康，劉倩.重慶北碚供電局有序用電精益化管理探索與實踐[J].電力需求側管理，2012（1）∶43-45.

[4]陳海燕，劉新才.有序用電工作的精細化管理過程[J].電力需求側管理，2010，12（3）∶30-33.

[5]徐志勇，曾鳴.有序用電的經濟學分析及實施建議[J].電力需求側管理，2009，11（1）∶35-37.

[6]王劍，胡浙瑩.有序用電管理模式優化與應用[J].電力需求側管理，2012（3）∶38-39.

[7]張鋒.有序用電指標體系及其評價方法的研究[D].華北電力大學，2009.

[8]肖龍海，金鋒，周浦江，等.配電網生產作業計劃的智能優化探索[J].浙江電力，2010，29（4）∶47-50.