動態監測系統在電力市場環境下的應用

彭超逸，張昆，胡亞平，聶涌泉

（中國南方電網電力調度控制中心，廣東省 廣州市 510663）

0 引言

自20世紀90年代起，世界范圍內掀起了電力市場的改革熱潮，各國根據自身的電力工業發展進程進行了相應程度的市場化因素注入，使得電力市場的建設思路和發展模式得到不斷調整和完善，傳統的電力行業迸發出鮮活的競爭活力[1-3]。

以我國為例，隨著電力交易中心、現貨試點等工作在各地如雨后春筍般涌現，電力市場行業結構、市場體系、調控市場價格等方面取得了顯著的進展[4-6]。然而，電力市場建設的繁榮使得電力交易品種不斷增多、交易業務量迅猛擴增，導致市場監管方及運營方的各種數據變得日益復雜，其數據量呈指數級增長，數據的有效管理和利用愈發困難，數據中潛藏的市場行為規律難以被揭示和利用[7-8]。因此，在電力市場環境下，開展動態監測系統(dynamic monitoring system，DMS)的設計和研發工作對實現市場的安全有序運行、交易運營系統的有效保障、各類數據的分類管理具有重要意義[9-12]。

動態監測系統平臺的設計和研發在電力行業建設進程中一直是一個熱點問題，備受學者關注。文獻[13]以電力市場交易運營場景為例，詳細分析了市場交易運營數據的分類特點，并輔以數據有效性甄別規則對運營系統數據進行有效管理，保證了電力市場交易運營系統的穩定、高效運行，為保障多級電力市場建設和高效協調運作提供了基礎支撐；文獻[14-15]以國外數據監控平臺典型技術為切入點，詳細介紹了該監控平臺在數據質量方面的治理力度，有效保證了電力數據的安全傳輸；文獻[16]以全球能源互聯網為工業背景，針對提升電力時空大數據智能挖掘深度和廣度問題，設計了信息驅動的全球能源互聯網全景安全防御系統，對提升電網全景態勢的感知水平具有重要意義。

為此，針對電力市場日趨復雜的數據交互場景，為了深度挖掘市場數據下的隱含式規律，本文從電力市場監控系統的建設需求出發，進行了該系統綜合架構的頂層設計，并部署了現代化的算法和數據處理模塊作為該系統的技術支撐。最后，以典型應用場景為例，闡明該系統的應用價值，通過該系統對市場動態的采集、匯總、整理、研究、分析等，可實現對市場動態進行全方位分析，有望為電力市場監控分析貢獻新的價值模式和理念。

1 動態監測系統發展現狀及需求分析

1.1 動態監測系統的定義

動態監測系統是指采集和監測設備運行狀態下有關電氣、機械的實時數據，建立正確的信息、數據處理系統，并利用相應的行業內專業知識，結合數據分析和挖掘的理論和方法，為設備級或系統級防控提供科學依據。

與此同時，伴隨著互聯網、大數據時代到來，以新一代數據挖掘技術為代表的分析方法為DMS提供理論支撐，加速了DMS在各行各業的研制與開發。如圖1所示，基于DMS背景，可實現數據交互視角下數字空間、物理空間和社會空間的信息物理系統高度交織，提升行業智能化分析、運行水平。

圖1 DMS概念價值圖 Fig. 1 DMS concept value map

1.2 動態監測系統發展概況及存在的問題

電力場景下，以廣域測量系統(wide area measurement system，WAMS)、能量管理系統(energy management system，EMS)為代表的調度自動化監控系統在電力系統中應用已久，其最主要的功能就是實現電力系統動態行為的可觀測性，為調控運行人員提供運行決策的輔助手段，保障大電網的安全運行。調度自動化監控系統的基本組成部分如圖2所示。

圖2 調度自動化監控系統 Fig. 2 Dispatching automation monitoring system

近年來，隨著電力工業的轉型和重組，我國電力改革積極推進，政企分開、有序競爭的電力市場也逐漸形成，給傳統的發、變、輸、配、用一體化的電力工業注入新的市場競爭活力。然而，靈活的競爭性資源配置能力給電力監管機構帶來的市場力問題常常導致資源配置失效，使得不同利益主體可以通過限制容量、策略性報價等手段解決輸電阻塞、價格亂序、效率低下等市場性難題，給電力市場進一步發展帶來諸多困難，主要體現在以下方面：

1）市場環境下用戶行為數據、發電主體用戶數據、市場彈性變化數據未得到有效監管和利用，市場力監控力度有待加強；

2）由于發電資源的集中性以及市場力易于形成的先天屬性，未能實現對市場成員操縱市場的行為進行及時有效的監督和處理；

3）由于電力商品區別于傳統商品的實時交易、不可退回等特征，亟需建立合理客觀的市場行為評價體系，用于市場成員的評級和獎懲。

因此，針對電力市場背景下由用戶數據、市場數據、各利益主體數據未有效流通、共享所導致的電力市場各類問題，有必要充分利用當前先進的信息技術，建立電力市場環境下的動態監測系統，為培育健康有序的電力市場生態體系提供技術和理論支撐。

1.3 電力市場動態監測系統的建設需求

電力市場動態監測系統(electricity market dynamic monitoring system，EM-DMS)建設主要圍繞3個維度，即建設目標、監控對象、反饋控制，共同構成三位一體的EM-DMS，如圖3所示。

圖3 電力市場動態監測系統的建設維度 Fig. 3 Construction dimension of EM-DMS

1）建設目標

EM-DMS建設目標是促進和建立健康有序的電力市場運行生態體系。要實現這一目標，需從以下2方面著手：

①確保市場有效競爭。競爭性是市場監視的直接目標，電力市場結構與市場成員的行為均應滿足競爭性要求。

②確保市場資源有效配置。市場監視的最終目標是為了實現經濟效率的提高，除了直接監視市場的競爭性之外，還需要發現市場設計中不利于實現有效競爭的部分。

2）監控對象

EM-DMS監控市場中的非競爭行為和市場力的動態變化，以確保市場活力常駐，具體如下：

①監測市場中的非競爭行為，為查處這些行為提供支持，從而確保有效的市場競爭。競爭性是市場監測的直接目的。

②監測市場行為偏離度，并據此動態分析市場價格是否發生畸形以及畸形的程度。

3）反饋控制

通過EM-DMS對監控對象動態行為進行觀測，輔助電力監管人員進行有效決策，具體如下：

①對監控歷史數據中各利益主體的交易數據進行有效統計，評價主體的違規性行為，形成違規性處置策略，包括形成罰款金額、公布違規利益主體名單、形成消費者投訴文案等。

②發現并反饋市場規則、結構設計中的缺陷，定期反饋市場監管人員的隱性運行規則，為建立完善、高效的市場提供支持。

2 電力市場動態監測系統的設計

電力市場背景下的動態監測系統較之于針對電力設備進行監視和控制的傳統動態監測系統有所不同。在數據采集層面，除了需要采集系統電氣信息之外，同時還需要對電力市場的電價、成交量等交易信息進行采集，因此處理手段也必然隨之發生變化；在功能應用層面，除了需要確保電力系統的安全穩定運行之外，在保證自由公平競爭的條件下，充分激發市場活力還是EM-DMS的特色任務。

2.1 總體架構

圖4展示了EM-DMS的總體構架，共分為4層，根據系統工作原理，由下向上依次為基礎設施層、數據采集層、數據處理層和功能應用層。

圖4 電力市場動態監測系統總體架構圖 Fig. 4 Overall structure of EM-DMS

基礎設施層主要包括涉及電力交易的各種數據、信息的測量裝置，有電氣量測量裝置和非電氣量測量裝置之分。電氣量測量裝置主要包括電壓/電流互感器、智能電表等電氣設備；非電氣量測量裝置主要包括營銷平臺的記錄設備和外部環境的監測設備。

數據采集層同樣具有電氣量和非電氣量之分。電氣部分主要包括數據采集與監控系統(supervisory control and data acquisition，SCADA)、廣域測量系統、電量系統等，廠站電氣信息經過遠程終端設備(remote terminal unit，RTU)或智能電表上傳至主站數據庫，用于測量電能、功率等電氣數據，并通過相關系統獲取數據。非電氣部分則用于記錄實時電價、交易量等市場交易信息，以及天氣、溫度、濕度等外部環境信息。另外，為了模擬或復刻特殊情況下的電力市場狀態，也可將部分具有代表意義的仿真數據一并記錄到數據庫中。

數據處理層用于對各類記錄信息進行清洗、融合、轉換、壓縮，為進一步實現各類功能應用提供標準、全面、精確的數據格式，并采用先進的數據存儲技術對數據進行標準化管理和存儲。

功能應用層是EM-DMS的重點部分，分為態勢指標體系、主體畫像體系、告警體系和反演體系四大類主體功能。

2.2 關鍵功能構成

根據電力市場背景下監測系統的建設需求，EM-DMS的關鍵功能構成如圖5所示。

圖5 電力市場動態監測系統關鍵功能構成示意圖 Fig. 5 Schematic diagram of key functions of EM-DMS

1）態勢指標體系。該體系主要用于反映電力 市場的市場力。市場力是反映市場成員所具備的操縱市場價格的能力，有水平向和垂直向之分，是經濟學中的基本概念。電力市場中的市場力定義為“具有以盈利為目的，操縱電價，在一段時間內使之遠離正常競爭價格水平的能力”。態勢指標體系通過建立相應評價指標和實時態勢分析對市場力進行評估，對市場力表現、市場力監測和市場力緩解3個方面做出反應。其中：市場力表現用于反映保留、持留等市場狀態；市場力監測是借助市場狀態指標和交易行為指標對各市場主體進行監管；市場力緩解則有事前管控和事后管控之分，用于發現和處理市場力。

2）主體畫像體系。該體系是基于數據挖掘技術對不同類型用戶的用電行為特征進行描述，是建立精準服務策略的重要工具，可實現用戶的精細化服務和管理，為不同需求的用戶提供個性化服務。通過電量采集系統、用戶信息系統所獲得的用戶用電行為記錄，為大數據分析提供了強大的數據支持，進而可深度探究用戶的潛在需求。

3）告警體系。該體系主要用于協調、監督和管理各市場成員的交易沖突，特指監測交易爭端和違規行為。自由市場交易行為是供需雙方為謀求自身利益最大化而達成交易的過程。由于利益的沖突，貿易糾紛在所難免，嚴重者甚至會為單方面謀求自身利益而破壞既定的交易規則。對市場監管部門而言，實時監測各市場成員的交易情況、發現并查處違規行為、及時平息交易爭端，能夠為電力市場的有序運行提供保障。

4）反演體系。該體系主要用于對主管部門制定政策提供支持和對交易體系提出修正建議。一方面，電力市場的健康運行離不開科學的管控，動態監測系統除需要滿足常規的市場監測功能外，還應為政府或市場監督部門制定相應政策提供數據和分析支持；另一方面，市場規則體系也未必完美，必定會有一定缺陷，且隨著影響電力市場發展的因素不斷變化，如社會、人文、經濟等各方面，電力交易行為也將與原有的規則制度不相稱。反演體系應從電力市場的實時監測情況出發，對市場體系和制度進行分析和評價，為主管部門提供數據和分析支持，從而逐步完善交易規則和市場結構，促進電力市場的長期健康發展。

2.3 關鍵技術支撐

2.3.1 關鍵技術組成

EM-DMS主要涉及如圖6所示的5項關鍵技術，包括高效數據處理技術、精準測辨建模技術、數據挖掘技術、優化決策技術和可視化人機交互 技術，上述關鍵技術以相應的硬件平臺作為載體。

圖6 電力市場動態監測系統關鍵支撐技術 Fig. 6 Key supporting technologies of EM-DMS

2.3.2 硬件部署

硬件系統是電力市場動態監測平臺的載體，主要包括智能電表、營銷平臺記錄裝置、環境監測裝置等其他數據采集裝置，數據分析處理服務器，人機交互終端以及數據傳輸總線等。

2.3.3 關鍵技術

1）高效數據處理技術

電力市場動態監測需面臨涉及電力市場運行的海量多元異構數據，對這些數據進行高效的清洗、融合、轉換、壓縮和存儲是動態監測系統的基礎。其中，數據融合是整個數據處理技術的關鍵部分，是聯系數據之間關聯關系的紐帶。數據融合技術主要包括：根據EM-DMS的功能需求，建立標準化數據平臺和統一的數據接口格式；完善實時監測和虛擬分析2個層級的高性能并行計算框架；統籌協調在線監測與離線分析的流式計算框架。

2）精準測辨建模技術

若想對電力市場的交易行為進行實時準確的跟蹤和監測，就離不開對各市場主體的精準測辨建模。EM-DMS模型主要包括市場交易模型、競價模型、市場需求模型、風險評估模型、輔助決策模型等，用于反映電力市場交易狀態、趨勢預估等。動態監測系統的主體功能全部依賴于上述模型實現，模型參數的精準性能會影響到系統的使用效果。

3）數據挖掘技術

數據挖掘技術在EM-DMS中主要借助相應算法從海量監測數據中挖掘隱含其中的關鍵信息。該技術在EM-DMS中的應用從宏觀上可分為4個層面，即態勢分析、功能完善、統籌決策和風險規避，具體包括用戶用電行為提取、負荷預測、拓展服務范疇、異常行為評估等。若要完善數據挖掘技術在EM-DMS中的應用，就必須建立標準化的數據平臺，開發服務于EM-DMS的數據挖掘軟件，以嚴謹客觀的態度把握數據挖掘的實際應用范圍。

4）優化決策技術

結合電力市場的實際運營場景，利用數據挖掘信息，在綜合態勢評估的基礎上，統籌協調能源系統與營銷系統的時空關聯關系，制定多維分析優化策略。具體包括：綜合考慮電力系統安全運行要素和市場運營的經濟要素，明確各市場主體的職能職責；結合市場評價體系，借助高效優化算法準確引導市場運營方向；及時發現潛在市場風險，扼制危險行為的發生。

5）可視化與人機交互技術

上述所有功能的實現都離不開可視化與人機交互系統的清晰呈現，可視化界面和人機交互的友好程度也能夠直接影響動態監測系統的實際應用效果。

3 電力市場動態監測系統應用

3.1 EM-DMS

3.1.1 EM-DMS前端界面

綜上所述，EM-DMS具備市場態勢感知、主體畫像構建、市場行為告警及事故反演四大功能，結合目前主要展示技術，開發了融合地理信息系統(geographic information system，GIS)和實時渲染技術的EM-DMS前端展示界面，如圖7所示。

圖7 電力市場動態監測前端環境圖 Fig. 7 Environmental map of EM-DMS

1）市場態勢感知。系統通過指標來感知當前市場態勢，主要采用市場力表現、監測、緩解三大指標來構成指標體系，通過儀表盤形式進行直觀展示。

2）主體畫像構建。通過用戶的歷史用電數據，利用數據挖掘技術對潛在用電特征進行發掘，構建用電消費模型，通過柱狀圖形式對用電趨勢進行展示。

3）市場行為告警。系統主要密切關注區域電網實時交易動態，對市場具備較大影響作用的參與主體以GIS形式通過發光圓圈展現，并在GIS圖右側展示告警裕度。

4）事故反演。通過主體畫像所得的用戶潛在特征，對比電力市場的實時監測情況，密切關注異常離群點，反演異常事故發生過程。

3.1.2 電量預測及市場主體行為檢測

將市場競爭機制引入到電力交易，可以合理地調配和使用資源，充分激發市場潛能。其中，電量交易是電力市場交易的核心環節，準確地預估市場用戶的需求量，對于供需雙方均具有重要作用。

傳統電量預測多依賴于預測算法(包括線性回歸法、灰度預測法等)本身的模型精度，未能充分挖掘監測數據的潛藏規律。隨著電力負荷波動性越來越強，電量預測的精準度受各方面因素綜合影響，因此有必要采用新的理念和方法實現電量預測。

EM-DMS通過采集所得海量電量數據，根據用戶的歷史用電習慣，采用以支持向量機、模糊理論以及卷積神經網絡為代表的深度學習方法，充分挖掘蘊含于歷史數據中的用電模式，構建用戶電量的智能預測模型，可實現用戶電量的準確跟蹤。圖8展示了EM-DMS系統中某用戶在一周內的用電量趨勢，以前6日的量測數據為依據對第7日的用戶用電量進行預估。

圖8 EM-DMS環境下的電量預測 Fig. 8 Electricity prediction in EM-DMS environment

電力市場環境下，及時檢測各參與方的異常行為，對保證市場有序高效運行具有重要意義。其中，異常用電行為通常會引發電量流失、線損增加等現象，影響電網的運營效率，更有可能造成設備損壞、人員傷亡等嚴重的生產事故。及時準確地發現異常行為，能夠有效避免上述問題的產生，因此必須加強對市場主體行為的有效監管。

EM-DMS通過歷史數據形成各電力用戶的特定用電行為習慣，實時監視用戶用電量曲線，并設定相應的閾值規則，若在某時段下實際用電量大幅偏離預測曲線，即用戶曲線超出了設定的閾值范圍，則可認定在該時段下該用戶存在異常的用電行為，如圖9所示。

圖9 市場主體行為異常檢測 Fig. 9 Abnormal behavior detection of market subjects

3.2 EM-DMS應用場景

EM-DMS作用于電力市場運行的諸多環節，是監測電力市場運行行為特性的有力工具，其主要應用場景如圖10所示。

圖10 EM-DMS的應用場景 Fig. 10 EM-DMS application scenario

3.2.1 發現市場異常行為

電力市場運行行為的異常通常表現為電力企業改變市場價格，使之偏離市場充分競爭情況下所具有的價格水平，也即市場力發生異常。EM-DMS通過采集底層監控數據，分析當前市場環境下電力交易價格的波動性，并比較當前的價格與歷史平均價格的方差，給予定量性告警；通過功能應用層的告警體系，提示電力監管者當前電力市場運行行為是否發生異常。

3.2.2 監督市場主體行為

電力市場主體行為是由電力市場各參與方在各自利益經營范圍內采取相應措施，使得其利益最大化的過程。通常各參與方采用市場規則漏洞、市場產品接縫、市場規則不詳等方式進行動作，增加其利益儲備。EM-DMS可根據采集所得市場參與方的動作數據，密切關注各參與方市場交易過程中的數據變化規律，可有效規避市場主體不正常或不合規的動作行為。

3.2.3 更迭市場行為機制

電力市場處在早期運行時，往往因為前期交易經驗不足，導致市場交易呈現電力資源稀缺或電力資源過剩等非正常運行態勢，暴露出市場運行機制科學性規劃缺乏等問題。EM-DMS在功能應用層所設定的態勢指標體系，可依據眾多融合數據實現當前電力市場運行態勢好的綜合打分，因此可揭示市場運行機制的潛在關聯因素，以此作為電力市場規則更新的依據，進行市場行為機制的優化更迭。

3.2.4 調整市場價格補貼

電力市場的價格是反映電力資源平衡形態的關鍵特征，因而調整市場價格或對市場價格進行補貼是平衡電力供需雙方的重要手段。通常，扭曲的價格信號會給市場參與方增加不必要的成本與風險，加劇電力市場環境下的電力資源配置難題。EM-DMS在功能應用層所設定的反演體系，可以反映并提醒市場監控方對市場價格或補貼行為進行進一步調整。

3.2.5 輔助市場主體決策

電力市場是由多利益主體參與、定量性市場規則約束所構成的復雜交易系統，這給市場監管運行人員帶來調控的困難，而市場的有效監控是解決該類問題的有效手段。EM-DMS通過實時監控各參與方、市場環境的有效數據，利用大數據、人工智能算法挖掘潛在其中的隱式規律，針對功能應用層的主體畫像體系，生成相應的輔助策略，支撐市場主體決策生成。

4 結論

介紹了DMS的概念和定義，闡述了DMS在電力系統中應用現狀，并以電力市場為工業背景，分析了DMS在電力市場場景下的建設需求，詳細設計了EM-DMS的架構體系，系統部署了相應集成功能框架，并闡明了各層面的關鍵技術支撐體系，形成完整的工業監控落地形態。最后，從電力市場下典型場景問題入手，論述了EM-DMS的應用價值，有望為公平有序、公正透明的電力市場培育和建設提供理論參考及工程建設經驗。下一步，將開展EM-DMS在實際電力市場環境下的工程示范工作。