基于大數(shù)據(jù)的電能替代發(fā)展現(xiàn)狀與展望

國(guó)網(wǎng)內(nèi)蒙古東部電力公司供電服務(wù)監(jiān)管與支持中心 石 研 王巳騰 張祿晞 楊鳳玖

隨著全球氣候變暖，各國(guó)對(duì)環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)重視，分別針對(duì)各國(guó)的具體情況提出了各自的節(jié)能減排政策，并發(fā)展與建設(shè)風(fēng)力、光伏等清潔能源使用清潔電力替代傳統(tǒng)的化石能源。因此，世界各國(guó)的能源轉(zhuǎn)型迫在眉睫。我國(guó)傳統(tǒng)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，由于中國(guó)是一個(gè)富煤國(guó)家，因此煤炭占主導(dǎo)地位。煤炭燃燒產(chǎn)生大量的二氧化碳、氮氧化物、煙塵等環(huán)境污染物，在我國(guó)帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題，以冬季北方地區(qū)的霧霾為甚。為改變此現(xiàn)狀，習(xí)近平提出了2030年前中國(guó)實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放達(dá)到峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。并根據(jù)此目標(biāo)提出了“以電代煤、以電代油”為核心的電能替代戰(zhàn)略，力求改變中國(guó)現(xiàn)有的以煤炭為主的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，并更多地使用以風(fēng)力、光伏、水能為首的清潔能源，實(shí)現(xiàn)社會(huì)的節(jié)能減排，在全社會(huì)推進(jìn)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程。

在電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型過(guò)程中發(fā)電側(cè)的轉(zhuǎn)變主要表現(xiàn)在傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠逐漸被清潔能源所替換；而在用戶負(fù)荷側(cè)，不少居民的燃煤供暖也逐漸被替換為電采暖及其他清潔供暖方式，極大減少煙塵的排放，促使清潔的電能逐漸替代煤炭成為中國(guó)的能源體系中心。由此，電能替代的重要性逐漸提高。而大數(shù)據(jù)系統(tǒng)作為第五次工業(yè)革命的產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)了多元數(shù)據(jù)收集、處理、分析等一系列工作，解決了原有海量數(shù)據(jù)無(wú)法處理的問(wèn)題，推進(jìn)社會(huì)服務(wù)的快速提升。該技術(shù)的發(fā)展使信息處置、算式演算等多層面快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)更多的數(shù)據(jù)與更快的處理，并逐漸實(shí)現(xiàn)與人工智能技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合。伴隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，大數(shù)據(jù)技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合愈發(fā)緊密并應(yīng)用滲透入各行各業(yè)中，發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。

大數(shù)據(jù)背景下電能替代發(fā)展現(xiàn)狀

大數(shù)據(jù)指的是所涉及的資料量規(guī)模巨大，無(wú)法透過(guò)目前主流軟件工具在合理時(shí)間內(nèi)達(dá)到擷取、管理、處理、并整理成為幫助企業(yè)經(jīng)營(yíng)決策更積極目的的資訊，并由IBM提出主要有以下5V特點(diǎn)：Volume、Velocity、Variety、Value、Veracity。在電能替代領(lǐng)域，主要體現(xiàn)在由電網(wǎng)企業(yè)所收集的大量用戶用能設(shè)備、用能數(shù)據(jù)、用戶政策認(rèn)知水平等信息，隨著大數(shù)據(jù)的發(fā)展，將會(huì)有更多的用戶數(shù)據(jù)被收集。

通過(guò)收集目標(biāo)地區(qū)用能用戶的大數(shù)據(jù)信息，便能夠掌握電能替代潛在用戶的替代意愿與設(shè)備替代潛力等信息，同時(shí)隨著大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量增加將使電網(wǎng)企業(yè)更好地掌握用戶的需求及用能結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)，隨著大數(shù)據(jù)系統(tǒng)進(jìn)入電能替代領(lǐng)域，將為電力企業(yè)及用戶解決不少問(wèn)題，如目前電能替代中出現(xiàn)的實(shí)地走訪調(diào)查用戶所帶來(lái)的效率低；電網(wǎng)企業(yè)實(shí)際走訪調(diào)查過(guò)程中，用戶填寫調(diào)查數(shù)據(jù)時(shí)存在亂填亂寫等問(wèn)題；企業(yè)在對(duì)普查數(shù)據(jù)進(jìn)行處理過(guò)程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)量過(guò)大難以處理或無(wú)法處理等問(wèn)題，極大地提高電能替代的推進(jìn)效率與進(jìn)程。

大數(shù)據(jù)在電能替代中主要有以下幾種應(yīng)用：第一種為電能替代市場(chǎng)潛力測(cè)算；第二種為電能替代潛力用戶畫像；第三種為電能替代市場(chǎng)營(yíng)銷服務(wù)；第四種為電能替代經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化。其中第一種、第二種應(yīng)用為目前主要研究方向，并出現(xiàn)了多種大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用方法。

在電能替代市場(chǎng)潛力測(cè)算中，需對(duì)目標(biāo)地區(qū)的目標(biāo)用戶建立大數(shù)據(jù)庫(kù)，并進(jìn)行分類。其中，可依據(jù)不同地區(qū)的用能特點(diǎn)分為不同種類。以中國(guó)北方某地的實(shí)際調(diào)查案例為例，依據(jù)被調(diào)查的不同用戶所屬的生產(chǎn)生活領(lǐng)域可將其可分為公共建筑領(lǐng)域、工業(yè)制造領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域、交通運(yùn)輸領(lǐng)域、學(xué)校領(lǐng)域五大類。其中公共建筑領(lǐng)域主要涉及電采暖改造、屋頂光伏電板的安裝；工業(yè)制造領(lǐng)域主要涉及燃煤、燃油鍋爐改電鍋爐、鍋爐的配套設(shè)施改造以及車輛的電氣化；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域主要為灌溉設(shè)備的電氣化及農(nóng)村散煤、秸稈燃燒的改造等工程；交通運(yùn)輸領(lǐng)域則涉及大面積的光伏電板建設(shè)及吊車等重型設(shè)備的改造；學(xué)校領(lǐng)域涉及學(xué)校的燃煤、燃油取暖鍋爐改造、老舊備用發(fā)電機(jī)改造學(xué)生宿舍公寓保暖設(shè)備改造等項(xiàng)目。根據(jù)實(shí)際調(diào)查結(jié)果分析，在該地區(qū)公共建筑領(lǐng)域、工業(yè)制造領(lǐng)域、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域、交通運(yùn)輸領(lǐng)域、學(xué)校領(lǐng)域根據(jù)折算后的電能替代潛力比例占比達(dá)到了12:76:7:1:5，因此解決該地區(qū)工業(yè)領(lǐng)域中的用戶電能替代問(wèn)題即可解決該地區(qū)約76%的電能替代問(wèn)題。

針對(duì)不同用戶中不同的用能設(shè)備種類特點(diǎn)，也可以將用戶的設(shè)備劃分為煤改電、油改電、氣改電等類別。其中煤改電改造主要為工業(yè)領(lǐng)域的鍋爐改造、學(xué)校的供暖鍋爐改造、農(nóng)村取暖散煤、秸稈燃燒等；油改電主要涉及部分特種車輛的電氣化，將原有的燃油車在不損失性能的前提下替換為電車；而氣改電主要涉及工業(yè)領(lǐng)域的燃?xì)忮仩t及部分居民家中老舊的天然氣系統(tǒng)改造等。通過(guò)對(duì)以上調(diào)查信息建立相對(duì)應(yīng)的大數(shù)據(jù)分析庫(kù)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，即可獲得目標(biāo)地區(qū)的所有電能替代潛在用戶用能數(shù)據(jù)及其用能情況。

同樣以中國(guó)北方某地的實(shí)際調(diào)查案例為例，該地區(qū)煤改電為主要電能替代領(lǐng)域，其中煤改電、油改電、氣改電的替代潛力比例占比達(dá)到95:4:1，解決用戶的燃煤設(shè)備替換問(wèn)題，提出針對(duì)各用戶特點(diǎn)的燃煤設(shè)備替換方案，通過(guò)電力企業(yè)與用戶之間的博弈，實(shí)現(xiàn)該地區(qū)煤改電潛力用戶的替換進(jìn)程，快速推進(jìn)電能替代。通過(guò)對(duì)不同種類用能設(shè)備進(jìn)行分類，更好確定電能替代目標(biāo)用戶的能耗水平及能耗種類等，為之后的電能替代工作提供科學(xué)依據(jù)。

電能替代潛力用戶畫像技術(shù)利用同一行業(yè)內(nèi)的不同用戶具有相似的用能特性這一特點(diǎn)，建立不同行業(yè)用戶用能大數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等手段分析目標(biāo)地區(qū)特定行業(yè)的用能特點(diǎn)。依據(jù)不同行業(yè)間存在相似的用能特性這一特點(diǎn)，利用數(shù)學(xué)分類算法如K-means算法、模糊C-均值聚類算法等算法，更好地對(duì)不同種類的電能替代目標(biāo)用戶進(jìn)行分類。

同樣以中國(guó)北方某地的實(shí)際調(diào)查案例為例。該地區(qū)的工業(yè)領(lǐng)域主要為從HB省、JL省等地區(qū)所搬遷的高能耗企業(yè)，依托該地區(qū)低廉的燃煤價(jià)格與優(yōu)秀的燃煤品質(zhì)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)。因此在這些企業(yè)未進(jìn)行電能替代的情況下，其燃煤鍋爐的耗能占據(jù)企業(yè)總能耗的85%以上，其余部分能耗主要為辦公及輔助設(shè)備用能，因此在該行業(yè)內(nèi)各企業(yè)間的用能結(jié)構(gòu)具有極大的相似度。據(jù)調(diào)查，其燃煤、燃油、燃?xì)獾谋壤_(dá)到96:4:0。因此，依據(jù)該用能比例則可推斷出其余的該行業(yè)內(nèi)企業(yè)是否與該企業(yè)相同具有電能替代潛力。

通過(guò)不斷完善電能替代大數(shù)據(jù)用戶庫(kù)將對(duì)用戶進(jìn)行更好的分類，通過(guò)大數(shù)據(jù)使得對(duì)目標(biāo)地區(qū)的用戶畫像更加適合于目標(biāo)地區(qū)的實(shí)際情況。其中，根據(jù)調(diào)查結(jié)果列舉該地區(qū)部分行業(yè)的用能結(jié)構(gòu)中燃煤、燃油、燃?xì)?、電力占比分別如下：工業(yè)制造領(lǐng)域（鋼鐵冶金）0.96/0/0/0.04；工業(yè)制造領(lǐng)域（采礦業(yè)）0.5/0/0/0.5；工業(yè)制造領(lǐng)域（設(shè)備制造）0/0.25/0/0.75；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域（農(nóng)林牧魚業(yè)）0/0.2/0/0.8；學(xué)校0.1/0.1/0/0.8。

基于大數(shù)據(jù)的電能替代市場(chǎng)營(yíng)銷服務(wù)主要收集目標(biāo)用戶的能耗種類、用能偏好、用電數(shù)據(jù)、所處的地理位置等大數(shù)據(jù)信息。通過(guò)對(duì)以上信息分析，可以對(duì)目標(biāo)用戶進(jìn)行以地域、用能情況為分類依據(jù)的分類。針對(duì)不同分類的用戶，分析考慮影響其用能結(jié)構(gòu)的多種因素，依據(jù)多種博弈論及對(duì)用戶的大數(shù)據(jù)分析，更好地提出針對(duì)目標(biāo)用戶的電能替代服務(wù)，實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)與用戶的雙贏。提高電能替代用戶的潛力挖掘能力與尋找精確度。為電網(wǎng)企業(yè)更好地為電能替代目標(biāo)用戶提供相對(duì)應(yīng)的市場(chǎng)營(yíng)銷服務(wù)。

電能替代經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化依托大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的海量用戶數(shù)據(jù)，分析在目標(biāo)地區(qū)的潛在電能替代用戶數(shù)量及替代潛力，并可根據(jù)分析結(jié)果預(yù)估目標(biāo)地區(qū)存在的電能替代經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益等收益。同時(shí)，通過(guò)大數(shù)據(jù)分析也可以尋找目前電能替代用戶的分布特點(diǎn)及分布方式等信息，給予電網(wǎng)企業(yè)在提供電能替代服務(wù)時(shí)的宏觀規(guī)劃決策等信息，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高數(shù)量電能替代項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)，提升電網(wǎng)企業(yè)與電能替代用戶的經(jīng)濟(jì)效益，也為全社會(huì)實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)的提高做出貢獻(xiàn)。

大數(shù)據(jù)背景下電能替代展望

隨著大數(shù)據(jù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的新興技術(shù)如云計(jì)算等技術(shù)逐漸與原有的數(shù)據(jù)分析、處理技術(shù)相結(jié)合，共同發(fā)揮出更加強(qiáng)大的實(shí)力。在這些技術(shù)中，尤其是以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的人工智能領(lǐng)域的快速發(fā)展，在電能替代領(lǐng)域就占據(jù)了主導(dǎo)地位，在多個(gè)領(lǐng)域中發(fā)揮了不可或缺的作用。

通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在電能替代潛力測(cè)算領(lǐng)域神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)精度已達(dá)到較高的置信水平，其預(yù)測(cè)精度遠(yuǎn)高于常規(guī)的非線性、預(yù)測(cè)樹、灰色預(yù)測(cè)等預(yù)測(cè)手段。而隨著諸如數(shù)字孿生、混沌算法等新技術(shù)的逐漸發(fā)展，越來(lái)越多的影響因素將被收集并存入現(xiàn)有的電網(wǎng)企業(yè)大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中，并形成一個(gè)逐漸完善的復(fù)雜系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的分析，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)情況的全模擬，助力企業(yè)更好地實(shí)現(xiàn)電能替代項(xiàng)目。

大數(shù)據(jù)在潛力用戶畫像技術(shù)上能夠更好地分類篩選與區(qū)別不同的用戶用能特點(diǎn)，避免出現(xiàn)部分?jǐn)?shù)學(xué)分類方法在對(duì)部分用戶進(jìn)行分類中存在無(wú)法達(dá)到預(yù)期的分類結(jié)果等諸多問(wèn)題，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，潛力用戶畫像技術(shù)也將會(huì)愈發(fā)完善，捕捉目標(biāo)用戶的每一個(gè)用能特點(diǎn)，真正做到“一類用戶一張像”與“一張像找一類用戶”的精確分類。

在在電能替代市場(chǎng)營(yíng)銷服務(wù)中，通過(guò)大數(shù)據(jù)的人工智能系統(tǒng)將逐漸發(fā)展成輔助決策系統(tǒng)，利用大數(shù)據(jù)系統(tǒng)中的海量數(shù)據(jù)及以往案例等數(shù)據(jù)，人工智能系統(tǒng)將通過(guò)深度學(xué)習(xí)等技術(shù)，為決策者針對(duì)不同種類的用戶提供針對(duì)其特點(diǎn)的可行的優(yōu)秀決策，提高整個(gè)電網(wǎng)企業(yè)的市場(chǎng)營(yíng)銷準(zhǔn)確性、合理性及效率，并隨著決策數(shù)量的增加，系統(tǒng)提供的決策質(zhì)量將不斷提高。而在電能替代經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化領(lǐng)域，越來(lái)越多的依據(jù)用戶多元信息大數(shù)據(jù)的決策軟件不斷出現(xiàn)。決策軟件依托更多的用戶數(shù)據(jù)，建立針對(duì)用戶用能特點(diǎn)的復(fù)雜系統(tǒng)，更好地針對(duì)電能替代用戶分析其電能替代轉(zhuǎn)型路徑，優(yōu)化目標(biāo)用戶的經(jīng)濟(jì)效益以提高其轉(zhuǎn)型可能性，由此增加電力企業(yè)電能替代用戶，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，其與電能替代領(lǐng)域結(jié)合愈發(fā)緊密。電能替代領(lǐng)域的發(fā)展將會(huì)愈加迅速、愈加精準(zhǔn)、愈加人性化。真正實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)在施行電能替代過(guò)程中做到企業(yè)與用戶雙贏的局面。而電能替代也將越來(lái)越快速地發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)國(guó)家能源消費(fèi)體系改革轉(zhuǎn)型成功，實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和。