趙琳　高巖

摘要：隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)產(chǎn)生于整個系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)，如電力供應(yīng)端等。輸變電端的智能傳感技術(shù)的發(fā)展，可以對輸變電設(shè)備進行實時監(jiān)控；智能終端的部署，可以實時獲取發(fā)電信息和負荷信息；智能電表的安裝，電力供應(yīng)商可以每隔一段時間自動讀取一次用戶用電信息。海量的電力數(shù)據(jù)的收集，從而構(gòu)成了智能電網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)。通過對海量數(shù)據(jù)深度挖掘，不僅具有提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性，促進社會資源合理等優(yōu)點，還能激勵用戶在低谷時段用電，從而達到削減峰值負荷，節(jié)能減排等目的。本文綜合大量智能電網(wǎng)相關(guān)的文獻，分析和總結(jié)了智能電網(wǎng)中大數(shù)據(jù)特點及其相關(guān)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：智能電網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；實時電價；負荷預(yù)測；故障識別

引言

近年來，隨著人類文明的不斷進步，工業(yè)文明的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)能源以驚人的速度在消耗，為此也引發(fā)了諸多環(huán)境問題，比如：海平面逐漸上升，溫室效應(yīng)日益嚴重等。為了可持續(xù)發(fā)展，提高能源利用率和減少二氧化碳及有害氣體的排放，現(xiàn)代電網(wǎng)制定了優(yōu)質(zhì)、可靠、自適應(yīng)、經(jīng)濟、綠色環(huán)保等目標，智能電網(wǎng)的概念由此而生。

智能電網(wǎng)是一種新型的電力網(wǎng)絡(luò)，它利用監(jiān)測、控制、自我協(xié)調(diào)等功能來提高電網(wǎng)的有效性、靈活性、安全性、可靠性。相較于現(xiàn)在的電網(wǎng)，智能電網(wǎng)不僅具有雙向通信、分布式發(fā)電、自愈、實時監(jiān)控、遠程調(diào)控等優(yōu)點，而且能夠很大程度上調(diào)度部署分布式能源，如可再生能源、電力儲蓄系統(tǒng)等；允許用戶和電力供應(yīng)商之間的實時交流互動來實現(xiàn)需求側(cè)和控制負載等功能；通過智能電表和監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測用戶電價。

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)廣泛地應(yīng)用在當今社會和經(jīng)濟中，世界上大多數(shù)國家都已將大數(shù)據(jù)作為戰(zhàn)略資源，2012年，美國政府率先宣布推出“大數(shù)據(jù)的研究和發(fā)展計劃”，日本、歐盟也緊隨其后，相應(yīng)開展一系列與大數(shù)據(jù)有關(guān)的研究項目。我國也順應(yīng)時代的潮流，2013年北京、上海等地率先建立了政府數(shù)據(jù)資源開放平臺，推動數(shù)據(jù)的開放和共享；中關(guān)村牽頭建立京津冀“大數(shù)據(jù)走廊”，啟動全國首個大數(shù)據(jù)交易平臺。

基于大數(shù)據(jù)背景下的智能電網(wǎng)中，智能電表是不可或缺的一部分。它不僅能實時提供用戶的電價計費以及稅收數(shù)據(jù)等信息，還具有雙向通信、遠程調(diào)控、功能擴展等能力。利用高速雙向交流、信息、控制技術(shù)來實現(xiàn)智能電網(wǎng)中多種電價計費、遠程斷供電、電能質(zhì)量監(jiān)測、與用戶互動等功能。

實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、分析是發(fā)展優(yōu)質(zhì)、可靠、自適應(yīng)智能電網(wǎng)的核心技術(shù)，其運用于整個電力系統(tǒng)，包括發(fā)電、輸變電、用電等環(huán)節(jié)。因此，本文將智能電網(wǎng)中大數(shù)據(jù)的研究及應(yīng)用現(xiàn)狀進行綜述，并對未來挑戰(zhàn)提出展望。

1、智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)及特點

1.1智能電網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)

與傳統(tǒng)電網(wǎng)相比，智能電網(wǎng)具有更高的智能化水平，而實現(xiàn)智能化的前提是能夠?qū)崟r獲取海量數(shù)據(jù)并做出快速分析處理。智能電網(wǎng)中，大數(shù)據(jù)產(chǎn)生于電力系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)中，如圖1：

①電力供應(yīng)商端：隨著現(xiàn)代數(shù)據(jù)化建設(shè)發(fā)展，大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)被保存，這些數(shù)據(jù)不僅對電力供應(yīng)商生產(chǎn)運行，優(yōu)化電力生產(chǎn)策略、故障診斷等方面有著重要的意義，而且能及時準確掌握分布式能源的設(shè)備及運行狀態(tài)。

②輸變電側(cè)：目前，我國已有幾百座數(shù)字化變電站投入運行使用，一天能收集上億的數(shù)據(jù)點，數(shù)據(jù)量以GB為單位。在輸變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測中，海量的數(shù)據(jù)被收集、監(jiān)測，通過對數(shù)據(jù)的深度挖掘，異常數(shù)據(jù)為故障檢測、狀態(tài)檢修的重要依據(jù)。

③用戶端：為了能夠準確地獲取用戶的用電數(shù)據(jù)，電力供應(yīng)商在用戶端部署安裝了智能電表，電力供應(yīng)商每隔5分鐘就能讀取一次實時用電信息。海量的電力數(shù)據(jù)的收集，從而構(gòu)成了智能電網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)，通過對這些海量數(shù)據(jù)的觀察以及定性和定量分析，電力供應(yīng)商能及時地對用戶端的用電模式進行調(diào)整，從而做到削峰填谷，節(jié)能減排，優(yōu)化人們生活，為廣大用戶提供更優(yōu)質(zhì)、安全、可靠的服務(wù)。

1.2智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的特點

不僅互聯(lián)網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)有“4V”特點，智能電網(wǎng)中的大數(shù)據(jù)也具有類似特點：

①大容量（Volume）：電力供應(yīng)商每隔5分鐘就能讀取一次實時用電信息，每年產(chǎn)生上百TB的數(shù)據(jù)。我國某省電力公司已有178座數(shù)字化變電站，每天能產(chǎn)生約700TB的數(shù)量，隨著檢測系統(tǒng)規(guī)模的擴大以及數(shù)據(jù)采樣頻率的提高，數(shù)據(jù)量將會成倍增加。

②多樣性（Variety）：智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)不僅分布較廣，而且種類繁多，其中主要包括歷史數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)，時間序列數(shù)據(jù)等原始數(shù)據(jù)、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。多樣化的數(shù)據(jù)是智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)威力所在，可以根據(jù)電網(wǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計出傍晚辦公室集中關(guān)燈的時間，加上偏移量就可以估算晚高峰堵車時間段。

③價值密度低（Value）：在不間斷監(jiān)控發(fā)電設(shè)備和輸變電設(shè)備中，所采集的數(shù)據(jù)大部分是正常數(shù)據(jù)，只有少量數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)，在快速檢測電網(wǎng)的異常故障過程中，可能只對異常數(shù)據(jù)（小時間段的數(shù)據(jù)）進行關(guān)注、處理、分析，而丟棄了“正常數(shù)據(jù)”，然而對這些正常數(shù)據(jù)進行深度挖掘也可能是故障分析重要線索。

④真實性（Veracity）：數(shù)據(jù)的規(guī)模并不是衡量其是否具有價值的最重要指標，數(shù)據(jù)的真實性和質(zhì)量才是其最重要的因素。電力供應(yīng)端與用戶端通過智能電表進行實時信息交互促，準確獲取用戶的用電行為，對用戶進行觀察分析，建立風險評估，針對不同用電模式下的用戶，提供不同的用電服務(wù)，削峰平谷，優(yōu)化電力分配。

此外，智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)特征還包括“3E”：數(shù)據(jù)即交互（Exchange）、數(shù)據(jù)即能量（Energy）、數(shù)據(jù)即共情（Empathy）。從某種意義上講，對電力大數(shù)據(jù)深度挖掘不僅能夠做到節(jié)能減排，而且能夠與電力行業(yè)以外的進行數(shù)據(jù)交互共享，促進社會資源合理利用。智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)的相關(guān)應(yīng)用

2.1實時電價

電力定價方式有許多種，其中包括：固定電價、分時電價、階梯電價、自適應(yīng)電價和實時電價等。良好的電價機制需要用戶根據(jù)電網(wǎng)的運行狀態(tài)和自身的用電需求靈活地調(diào)整用電時間和用電數(shù)量，實現(xiàn)減少支出。從社會角度來看，良好的電價機制可以有效地緩解電力供需不平衡，將污染與溫室氣體排放降低到最小程度，從而增加社會綜合效益。在各種定價機制中，最理想電價機制應(yīng)該是實時電價。

實時電價（real-timepricing）的概念最早由Schweppe于上世紀80年代提出，實時電價是指電力銷售過程中某一瞬間發(fā)生的費用，體現(xiàn)電價隨時間變化而變化的特點。在實時電價實施過程中，電力供應(yīng)商根據(jù)智能電表所讀取的供需信息，實時制定電價來引導(dǎo)用戶減少高峰時間段用電，激勵用戶低谷時段用電，從而達到削峰填谷的目的。

早期的實時電價也被稱之為動態(tài)電價，包括分時定價，尖峰定價等（殷樹剛（2009），Bu（2011），Giuliano（2015）.這種實時電價實際上也包括在較長時段上的價格變化，例如按白天與夜晚，冬季與夏季等劃分時段，每個時段制定不同的電力價格。這種意義下的實時電價相關(guān)研究有較長的歷史，取得了一系列有意義的研究成果。文獻中，根據(jù)幾個小時前甚至一天前的用電數(shù)據(jù)，對下一階段電價進行預(yù)測，以用于實際電價的制定，在給定的時間段內(nèi)向用戶提供實時電價。

2.2負荷預(yù)測

在智能電網(wǎng)中，電力負荷是一個隨機變量，通過智能電表進行采樣記錄下來的集合是一個時間序列，用這個序列對電力負荷變化的規(guī)律進行分析并對未來負荷做出預(yù)測。

電力負荷預(yù)測對于電力調(diào)度，可靠性分析和發(fā)電機維護計劃至關(guān)重要，是一個復(fù)雜的非線性問題，通常有天氣，城市地理位置，社會和經(jīng)濟等因素。

近年來有關(guān)數(shù)據(jù)挖掘的相關(guān)技術(shù)被應(yīng)用于電力負荷預(yù)測，并取得了許多的研究成果，其中文獻利用灰色模型分析法處理原始發(fā)電序列，用新序列來建立灰色模型預(yù)測未來值，再進行反變換得到原序列的發(fā)電需求；文獻使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對長期高峰負荷和平均負荷進行預(yù)測，通過數(shù)據(jù)中應(yīng)用預(yù)處理技術(shù)和調(diào)整控制參數(shù)可以提高精度；文獻使用回歸方法分析尋找發(fā)電量序列與其影響因素之間的因果關(guān)系，并建立回歸模型進行電力預(yù)測；文獻針對電力用戶側(cè)大數(shù)據(jù)展開了研究，分析了用戶側(cè)大數(shù)據(jù)的特點，提出了一個大數(shù)據(jù)分析平臺，并在此平臺上開發(fā)了基于Hadoop的電力用戶側(cè)大數(shù)據(jù)并行負荷預(yù)測原型系統(tǒng)；文獻基于湖北省發(fā)電量數(shù)據(jù)使用自回歸求和滑動平均模型預(yù)測其趨勢項和周期項，并提出了乘積模型。

2.3故障識別

隨著電力系統(tǒng)日益重要，輸電線路和變電站發(fā)生故障危害社會經(jīng)濟增長，影響人們的日常生活。因此，電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行不僅十分重要，其本身也是一個實時動態(tài)系統(tǒng)，所以實時監(jiān)測其運行狀態(tài)是十分有必要的。

利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，配合故障投訴系統(tǒng)，利用聚類劃分、異常點檢測、深度學習等技術(shù)，建立新型配電網(wǎng)故障管理系統(tǒng)，可以更好地對設(shè)備進行故障檢測與診斷，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，提高電網(wǎng)的優(yōu)質(zhì)、可靠性。

目前國內(nèi)已有許多學者利用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對電力系統(tǒng)故障診斷進行分類研究：文獻通過分析系統(tǒng)中異常數(shù)據(jù)的電流與波形，為供技術(shù)人員更準確、快速處理比對、分析，確定電網(wǎng)故障區(qū)提供依據(jù)；文獻使用支持向量機（SVM）和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的方法來檢測和診斷智能電網(wǎng)故障；文獻使用生成空間一時間特征和隱馬爾可夫模型（HMM）來檢測識別智能電網(wǎng)故障，并引入Granger因果關(guān)系來研究智能電網(wǎng)中所有公交車故障影響因果分析。

2.4關(guān)聯(lián)應(yīng)用

關(guān)聯(lián)規(guī)則分析是指挖掘出變量之間的關(guān)聯(lián)性和依存性，例如，用電量與電價之間的關(guān)聯(lián)性等。對關(guān)聯(lián)性規(guī)則的數(shù)據(jù)挖掘，對電力供應(yīng)商具有重要價值。將關(guān)聯(lián)分析引入電力營銷和負荷管理，可以為電力供應(yīng)商制定合理的售電策略提供數(shù)據(jù)分析；在城市輸配電規(guī)劃中，為城市用電量與GDP、中心性級別、其后類型等因素潛在關(guān)系提供依據(jù)；文獻介紹了關(guān)聯(lián)分析技術(shù)在智能電網(wǎng)監(jiān)視告警系統(tǒng)中的重要性，并論述了關(guān)聯(lián)事件分析引擎的工作原理以及關(guān)聯(lián)分析引擎應(yīng)實現(xiàn)的各項功能。

3、結(jié)束語

隨著智能電網(wǎng)的信息化，通過對海量數(shù)據(jù)深度挖掘，實現(xiàn)對輸變電設(shè)備的實時監(jiān)控，實時獲取發(fā)電和負荷信息，以達到優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多種能源供給互補的目的；其不僅能有效地提高能源利用率，增強電網(wǎng)的穩(wěn)定性、可靠性、靈活性；還實現(xiàn)電力供應(yīng)商與用戶的雙向互動，打破了傳統(tǒng)的電力服務(wù)模式，為用戶提高更加優(yōu)質(zhì)、便捷的服務(wù)。能源互聯(lián)網(wǎng)是智能電網(wǎng)的進一步深化和發(fā)展，以數(shù)據(jù)為核心的綜合能源管理模式，以大數(shù)據(jù)為支撐下的能源互聯(lián)，是一場智能體系的改革。