鄭 瑛,司福利,喻 蕓,任龍霞

(南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)集團有限公司,廣東 廣州 510663)

0 引言

為了有效落實雙碳目標,國家提出“在2030年前實現(xiàn)碳達峰,在2060年前全面落實碳中和”的戰(zhàn)略部署。國務院與黨中央針對綠色能源市場,提出建立并完善市場體系的決策。在此背景下,我國制定了還原綠電和綠色產(chǎn)品屬性的《綠色電力交易試點工作方案》。該方案可以促進多機制之間的融合銜接,激活綠色電力的消費側(cè)和生產(chǎn)側(cè)[1]。綠色電力交易是我國帶動綠色能源相關產(chǎn)業(yè)發(fā)展必不可缺的一部分[2]。但在綠色電力交易結(jié)算過程中存在一些安全隱患,威脅著國家和個人的財產(chǎn)安全。因此,亟需一種有效的綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測方法。

王賽娥等[3]劃分了網(wǎng)絡交易過程中存在的風險,對不同風險所對應的攻擊行為展開分析,并以分析結(jié)果為依據(jù)構(gòu)建交易攻擊樹模型。其在模糊矩陣建立過程中引入模糊層次分析法,獲取葉節(jié)點在攻擊樹中對應的風險概率,并以此為依據(jù)實現(xiàn)安全監(jiān)測。但其在實踐過程中存在數(shù)據(jù)處理效果差、監(jiān)測精度低的問題。李群等[4]結(jié)合特征提取方法和濾波方法獲取數(shù)據(jù)特征,并建立安全監(jiān)測器,將數(shù)據(jù)特征輸入安全監(jiān)測器中以確定風險等級和位置。但其監(jiān)測覆蓋程度較小,無法監(jiān)測整個流程。

為了解決上述方法中存在的問題,本文提出基于多時間尺度耦合的綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測模型。該模型基于時間光滑正則化的序列數(shù)據(jù)融合方法,構(gòu)建綠色電力交易數(shù)據(jù)融合模型,以提高數(shù)據(jù)監(jiān)測精度。本文在所構(gòu)建的模型中建立組Lasso正則化罰函數(shù),以優(yōu)化數(shù)據(jù)融合模型的融合效果。本文在數(shù)據(jù)融合的基礎上結(jié)合蒙特卡洛模擬法,構(gòu)建綠色電力交易結(jié)算模型,為結(jié)算流程的安全監(jiān)測提供依據(jù)。本文基于馬爾科夫隨機場知識,結(jié)合綠色電力交易計算流程,建立安全監(jiān)測模型,以有效監(jiān)測結(jié)算環(huán)境。該模型提高了監(jiān)測覆蓋度,保障了綠色電力交易的安全性。

1 安全監(jiān)測模型的構(gòu)建

1.1 多時間電力交易數(shù)據(jù)尺度耦合

基于多時間尺度耦合的綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測模型采用基于時間光滑正則化的序列數(shù)據(jù)融合方法,對電力時間數(shù)據(jù)展開融合處理。綠色電力交易結(jié)算流程安全檢測模型通過回歸分析法建立數(shù)據(jù)融合模型。訓練模型時,建立時間光滑正則化罰函數(shù),分析電力交易數(shù)據(jù)源之間的時間關聯(lián)性,并在時間光滑正則化的基礎上建立電力交易數(shù)據(jù)融合模型。

本文將綠色電力交易數(shù)據(jù)表示為n個階段的序列數(shù)據(jù)x1,x2,…,xn。xt為第t階段綠色電力交易數(shù)據(jù)的特征,為m維。y為第(n+1)階段電力交易數(shù)據(jù)的融合結(jié)果。所提模型在回歸模型的基礎上建立數(shù)據(jù)融合模型[5-6],用X=[x1,x2,…,xn]T表示第n階段綠色電力交易數(shù)據(jù)的特征矩陣。第(n+1)階段電力交易數(shù)據(jù)融合結(jié)果的預測模型g(X)為:

(1)

式中:v為截距;et為數(shù)據(jù)特征xt為對應的權(quán)重;T為轉(zhuǎn)置符號。

通過邏輯損失函數(shù)擬合電力交易數(shù)據(jù)融合結(jié)果的預測模型參數(shù),所獲得的模型解為:

(2)

為了在不同階段描述電力交易數(shù)據(jù)融合特征的時間關聯(lián)性,所提模型通過結(jié)構(gòu)化稀疏的方法進行參數(shù)擬合。所提模型優(yōu)化建立時間光滑正則化罰函數(shù)[7-8],以提高數(shù)據(jù)融合的一致性和連續(xù)性。本文建立綠色電力交易數(shù)據(jù)融合模型。該模型表達式如下。

(3)

(4)

利用綠色電力交易數(shù)據(jù)融合模型完成綠色電力交易數(shù)據(jù)的融合,可以為綠色電力交易模型的建立提供數(shù)據(jù)支持。

1.2 綠色電力交易結(jié)算模型

本文根據(jù)數(shù)據(jù)融合結(jié)果,建立綠色電力交易結(jié)算模型,為結(jié)算流程的安全監(jiān)測提供依據(jù)。

本文在綠色電力交易過程中,通過購買綠色電力證書完成綠色電力的消費。

綠色電力交易結(jié)算流程如下。

①發(fā)布認購公告。購買者在發(fā)布綠色電力交易之前發(fā)布包含優(yōu)惠價格vL、認購價格vH、認購數(shù)量H以及其他相關信息的綠色電力證書認購公告[9-10]。為了提高綠色電力售賣企業(yè)參與交易的積極性,所提模型將市場最高限制價格默認為認購價格。優(yōu)惠比例β可通過式(5)計算得到:

(5)

為了節(jié)省綠色電力購買者的購買費用,同時提高市場競爭力,本文等量劃分綠色電力認購數(shù)量H。本文將H劃分為y′份,每份中存在h個售賣數(shù)量。根據(jù)電力市場中的認購公告確定y′的值,則h為:

(6)

②售賣與成交。交易時間通常是有限制的。賣方在有限的時間內(nèi)決定是否進行綠色電力的交易。當證書在交易過程中的數(shù)量超過m′時,按照提前約定的時間和交易價格完成綠色電力的交易結(jié)算。如果沒有達到m′,則交易失敗,返回步驟①。

③接收與結(jié)算。購買方和出售方根據(jù)成交記錄分別向?qū)Ψ浇桓顿M用和綠色電力證書。

本文設Rpv為最終交易綠色電力證書的價格?；诙鄷r間尺度耦合的綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測模型采用蒙特卡洛模擬法建立:

(7)

式中:lβ′為第β′種成交組合在綠色電力交易市場中出現(xiàn)的次數(shù)[11-13];aβ′為綠色電力交易證書在第β′種成交組合中的成交價格;l為綠色電力交易的模擬次數(shù)。

1.3 綠色電力交易結(jié)算安全監(jiān)測模型

所提模型在馬爾科夫隨機場知識的基礎上結(jié)合綠色電力交易計算流程,建立安全監(jiān)測模型。

本文以變量集合C=(c1,c2,…,cn)對應的聯(lián)合分布模型表示綠色電力交易的馬爾科夫隨機場。在馬爾科夫隨機場中,交易數(shù)據(jù)的建模通常分為觀測點和隱藏點。所有觀測點在模型中都存在一個與之對應的隱藏點。隱藏點中存在的信息即節(jié)點在該觀測點下對應的狀態(tài)。本文用Ui表示節(jié)點i在模型中的觀測量;用相容性函數(shù)φ(xi,yi)表示隱藏狀態(tài)Ci與Ui之間存在的相關性。針對Ci的概率分布,由馬爾科夫隨機場定義可知,Ci在模型中與鄰域節(jié)點之間存在關聯(lián)。每條邊在無向圖G中為連接變量Ui、Uj之間的相關性,可用相容性函數(shù)γ(xi,yi)描述。因此,所有變量在馬爾科夫隨機場中的聯(lián)合概率分布A(x,y)可描述為:

(8)

式中:X為常量。

本文采用點陣描述場景和圖像;采用i(i=1,2,…,N)表示點陣中存在的節(jié)點;采用ci表示待定的隱含場景值;采用ui′表示第i′個節(jié)點對應的觀測值。

本文初始化處理相容函數(shù)γ(xi,yi)和邊緣相容函數(shù)φ(xi,yi),用傳播矩陣|D|×|D|表示邊緣相容函數(shù)γ(xi,yi)。此時,φ(xi,yi)為:

(9)

函數(shù)γ(xi,yi)、φ(xi,yi)建立的基礎條件如下。

①與合作者進行綠色電力交易的多為欺詐者。欺詐者之間的合作較少。

②合謀者在綠色電力交易過程中基本不與其他合作者展開交易,與誠實者之間的交易次數(shù)高于與欺詐者的交易次數(shù)。

為了準確地完成綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測,基于多時間尺度耦合的綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測模型采用二維矩陣|D|×|E′|。其中:E′為觀測值。觀測矩陣如表1所示。

表1 觀測矩陣

表1中,φ0為用戶級因素中存在的不確定觀測值。

計算節(jié)點在馬爾科夫隨機場模型中的置信度ni(ζ)時,節(jié)點i將信息傳遞給鄰節(jié)點j的過程用消息函數(shù)qij(ζ)表示?？傮w監(jiān)測流程如圖1所示。

圖1 監(jiān)測流程圖

在綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測過程中,首先計算節(jié)點自身觀測點和隱含點傳遞的消息值以及節(jié)點從鄰節(jié)點獲取的信息,并以此為依據(jù)獲取節(jié)點對應的置信度ni(ζ)。根據(jù)ni(ζ)判斷節(jié)點狀態(tài),設ei為節(jié)點i對應的觀測值、描述隱含點在馬爾科夫隨機場模型中的狀態(tài)為ζ。其相鄰隱含點在模型中的狀態(tài)為ζ′的概率。此時,置信度ni(ζ)和消息函數(shù)qij(ζ)的表達式如下。

(10)

式(10)即綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測模型。通過更新節(jié)點置信度ni(ζ),可以獲得用戶在綠色電力交易結(jié)算流程中的行為狀態(tài),從而實現(xiàn)安全監(jiān)測。

基于多時間尺度耦合的綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測模型的具體監(jiān)測流程如下。

①采用基于時間光滑正則化的序列數(shù)據(jù)融合方法,對多時間尺度的綠色電力交易數(shù)據(jù)展開融合處理。

②分析綠色電力交易結(jié)算的具體流程,并通過蒙特卡洛模擬方法,根據(jù)數(shù)據(jù)融合結(jié)果建立綠色電力交易模型。

③根據(jù)馬爾科夫隨機場模型和綠色電力交易結(jié)算流程的特點,建立安全監(jiān)測模型,以完成綠色電力交易計算流程的監(jiān)測。

2 試驗與分析

為了驗證基于多時間尺度耦合的綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測模型的整體有效性,需要對其展開測試。

綠色電力交易數(shù)據(jù)的監(jiān)測精度直接影響安全監(jiān)測精度。為了動態(tài)分析多尺度耦合下的數(shù)據(jù)相對穩(wěn)定性,試驗取穩(wěn)定裕度作為指標。試驗采用所提模型、文獻[3]模型和文獻[4]模型監(jiān)測綠色電力交易數(shù)據(jù)的穩(wěn)定裕度,并將監(jiān)測結(jié)果與真實值作對比。

不同模型的數(shù)據(jù)穩(wěn)定裕度檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同模型的數(shù)據(jù)穩(wěn)定裕度檢測結(jié)果

由圖2可知:所提模型對綠色電力交易數(shù)據(jù)的穩(wěn)定裕度監(jiān)測時,獲得的監(jiān)測值均勻地覆蓋在真實曲線上;文獻[3]模型和文獻[4]模型的監(jiān)測值與真實曲線之間存在一定的差距。通過上述測試可知,所提模型具有較高的數(shù)據(jù)監(jiān)測精度。因為所提模型基于時間光滑正則化的序列數(shù)據(jù)融合方法對綠色電力交易數(shù)據(jù)展開融合處理,可保留數(shù)據(jù)的特征信息,進而提高了數(shù)據(jù)的監(jiān)測精度。

本文使用5×5的矩形表示綠色電力交易環(huán)境,并采用所提模型、文獻[3]模型和文獻[4]模型監(jiān)測綠色電力交易結(jié)算流程。

不同模型的覆蓋程度檢測結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同模型的覆蓋程度監(jiān)測結(jié)果

圖3中,點越多,表明方法覆蓋的交易環(huán)境越大。由圖3可知:所提模型基本覆蓋了整個電力交易流程;文獻[3]模型和文獻[4]模型的點分布不均勻且數(shù)量較少,表明以上兩種模型無法完全覆蓋整個綠色電力交易流程。所提模型對綠色電力交易結(jié)算流程監(jiān)測前,根據(jù)融合的綠色電力交易數(shù)據(jù)分析了交易的整個流程,并通過蒙特卡洛模擬法建立了綠色電力交易模型;在模型的基礎上監(jiān)測其結(jié)算環(huán)境,提高了監(jiān)測的覆蓋程度。

本文設置條件如下:三個賣家為賣家1、賣家2、賣家3;三個買家為買家1、買家2、買家3;三種綠色電力產(chǎn)品為產(chǎn)品1、產(chǎn)品2、產(chǎn)品3。

三種交易方式如下。

①賣家1→產(chǎn)品1→買家2。

②賣家3→產(chǎn)品2→買家1。

③賣家2→產(chǎn)品3→買家3。

本文分別采用所提模型、文獻[3]模型和文獻[4]模型監(jiān)測本文設置的交易方式在24 h內(nèi)的安全態(tài)勢值。所提模型的安全監(jiān)測結(jié)果如表2所示。

表2 所提模型的安全監(jiān)測結(jié)果

文獻[3]模型的安全監(jiān)測結(jié)果如表3所示。

表3 文獻[3]模型的安全監(jiān)測結(jié)果

文獻[4]模型的安全監(jiān)測結(jié)果如表4所示。

表4 文獻[4]模型的安全監(jiān)測結(jié)果

由圖4～圖6可知,針對三種交易24 h的安全態(tài)勢,與文獻[3]模型和文獻[4]模型相比,所提模型具有較高的監(jiān)測精度。這表明所提模型適用于多種綠色電力交易結(jié)算流程的安全監(jiān)測,并且具有較高的監(jiān)測精度。

3 結(jié)論

針對目前綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測方法存在的數(shù)據(jù)監(jiān)測精度低、監(jiān)測覆蓋度低的問題,本文提出基于多時間尺度耦合的綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測模型。該模型融合了綠色電力交易數(shù)據(jù),并對交易流程展開分析。本文在此基礎上建立安全監(jiān)測模型,以實現(xiàn)綠色電力交易結(jié)算流程的安全監(jiān)測。該模型在綠色電力交易結(jié)算流程安全監(jiān)測過程中表現(xiàn)出良好的性能,保障了交易的安全性。