智能電網(wǎng)中的客戶行為分析電力行業(yè).pdf

1、基于通信、控制、IT技術(shù)的智能電網(wǎng)系統(tǒng)現(xiàn)在已成為全球趨勢(shì)。通過客戶行為預(yù)測(cè)未來電網(wǎng)負(fù)荷（電力使用）是向智能電網(wǎng)的重要任務(wù)，精確的預(yù)測(cè)可以幫助公用事業(yè)公司制定合理的資源分配計(jì)劃，采取控制措施來平衡供電和電力需求。在競(jìng)爭(zhēng)激烈的電力市場(chǎng)中,電力負(fù)荷預(yù)測(cè)對(duì)消費(fèi)者和電力生產(chǎn)商來說是至關(guān)重要的，既可以使消費(fèi)者了解自己的用電習(xí)慣，又可以幫助生產(chǎn)商根據(jù)客戶的消費(fèi)習(xí)慣制定特定的產(chǎn)品，從而規(guī)劃運(yùn)營(yíng)和防止電力風(fēng)險(xiǎn)。另外，預(yù)測(cè)在電力經(jīng)濟(jì)優(yōu)化中也起了非常重要的作

2、用。在本文中，提出了一個(gè)新的數(shù)據(jù)挖掘框架來分析客戶行為，以預(yù)測(cè)未來時(shí)間智能電網(wǎng)中特定消費(fèi)者實(shí)體的負(fù)載。然后，利用極限學(xué)習(xí)機(jī)(ELM)分析集群用戶電力行為的相似度，收集用戶電力負(fù)荷，將具有相似行為的用戶分類到相同的模型中預(yù)測(cè)，這樣可以增加模型的適應(yīng)性。為了證明所提方法的有效性,分別從理論和實(shí)驗(yàn)去分析。極限學(xué)習(xí)機(jī)是一種新型的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，其隨機(jī)初始化網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)權(quán)值和偏置的策略可以解決單層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和優(yōu)化慢的問題，并可取得全局最優(yōu)解。最后

3、，使用山東省電力公司的運(yùn)監(jiān)系統(tǒng)數(shù)據(jù)（包括設(shè)備信息、線路信息、用戶信息、負(fù)載信息等）和可能影響負(fù)荷變化的外部系統(tǒng)數(shù)據(jù)（如天氣信息），在MATLAB平臺(tái)進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方法能夠深入挖掘用戶電力行為,通過合理的用戶聚類提高負(fù)荷預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,揭示預(yù)測(cè)精度與集群數(shù)量之間的關(guān)系。
　　隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,先進(jìn)的計(jì)量基礎(chǔ)設(shè)施(AMI)和各種監(jiān)控系統(tǒng)的大量部署生成并積累了大量的數(shù)據(jù)。智能電表是AMI的重要組成部分,可以在一定時(shí)

4、間內(nèi)（如每15分鐘或者每60分鐘）獲得精確的用戶消耗的電力負(fù)荷。與傳統(tǒng)電網(wǎng)系統(tǒng)相比,智能電表收集數(shù)據(jù)頻率較高，能夠生成更多的數(shù)據(jù)。但是，累積的大數(shù)據(jù)一直處于擱置狀態(tài)。隨著機(jī)器學(xué)習(xí)算法和大數(shù)據(jù)的發(fā)展，可以對(duì)電力大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,充分挖掘這些隱藏在這些數(shù)據(jù)的背后的價(jià)值。例如,基于運(yùn)監(jiān)系統(tǒng)中的設(shè)備和客戶數(shù)據(jù)，結(jié)合聚類算法挖掘用戶用電行為，基于智能電表數(shù)據(jù)和分類回歸算法，預(yù)測(cè)未來負(fù)載的變化。[37]負(fù)載預(yù)測(cè)一直是電力系統(tǒng)安全發(fā)展的關(guān)鍵，因?yàn)樗梢?/p>

5、影響了許多有關(guān)電力系統(tǒng)的決策，如經(jīng)濟(jì)調(diào)度,自動(dòng)發(fā)電控制,安全評(píng)估，維護(hù)調(diào)度和能源商業(yè)化。精確的負(fù)載預(yù)測(cè)可以在經(jīng)濟(jì)合理的情況下啟動(dòng)和停止電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組，在維護(hù)安全穩(wěn)定方面發(fā)揮重要作用，保持社會(huì)正常生產(chǎn)和生活，有效降低發(fā)電成本。通常情況下，按照負(fù)荷預(yù)測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短，負(fù)載預(yù)測(cè)可分為三類:短期負(fù)載預(yù)測(cè),中期負(fù)載預(yù)測(cè),長(zhǎng)期負(fù)載預(yù)測(cè)。其中，短期負(fù)荷預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)時(shí)間范圍是未來1小時(shí),一天或一周。中期負(fù)載預(yù)測(cè)的預(yù)測(cè)時(shí)間范圍大概是未來一個(gè)月。長(zhǎng)期負(fù)載預(yù)測(cè)的

6、時(shí)間范圍則是未來一年，甚至三至五年。本文主要對(duì)用戶電力負(fù)荷進(jìn)行短期負(fù)荷預(yù)測(cè)。
　　負(fù)載預(yù)測(cè)對(duì)能源管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和安全性中起著主要作用，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)有利于電力系統(tǒng)的規(guī)劃者完成各種任務(wù),如發(fā)電量的經(jīng)濟(jì)調(diào)度,燃料采購(gòu)的調(diào)度等。難題是,負(fù)載預(yù)測(cè)是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)，因?yàn)槠渥兓艿皆S多因素的影響,如天氣條件,是否是節(jié)假日，人口流動(dòng)，經(jīng)濟(jì)狀況和客戶的用電習(xí)慣。不準(zhǔn)確或錯(cuò)誤地負(fù)載預(yù)測(cè)可能會(huì)增加運(yùn)營(yíng)成本。據(jù)觀察,電力需求預(yù)測(cè)誤差僅增長(zhǎng)百分之一,導(dǎo)致英

7、國(guó)電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本增加了1000萬英鎊。這是負(fù)載預(yù)測(cè)效用類型的嚴(yán)重失誤。而且，糟糕的負(fù)載預(yù)測(cè)會(huì)誤導(dǎo)了規(guī)劃者,導(dǎo)致錯(cuò)誤和昂貴的擴(kuò)張計(jì)劃。高估未來的電力負(fù)荷可能導(dǎo)致多余的儲(chǔ)備的電力，對(duì)負(fù)載的低估導(dǎo)致提供足夠電力的故障。相反，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)可使公用事業(yè)提供商提前計(jì)劃燃料等資源,并采取控制措施,如開后/關(guān)閉需求響應(yīng)裝置和修訂電價(jià)等。同樣地，高估未來的電力負(fù)荷可能導(dǎo)致多余的儲(chǔ)備的電力。相反，對(duì)負(fù)載的低估導(dǎo)致提供足夠電力的故障。
　　無論計(jì)劃者低

8、估還是誤判負(fù)荷，高精度的負(fù)載預(yù)測(cè)技術(shù)需要先進(jìn)的技術(shù)、自適應(yīng)的預(yù)測(cè)模型。雖然不同的模型在動(dòng)態(tài)系統(tǒng)中有一些優(yōu)勢(shì),但改善相關(guān)缺點(diǎn)的可能性是不能排除的。因此，需要開發(fā)最佳和準(zhǔn)確的負(fù)載預(yù)測(cè)模型來改善（最小化）預(yù)測(cè)誤差。通過對(duì)多種數(shù)據(jù)挖掘算法、機(jī)器學(xué)習(xí)算法的分析，致力于提出高精度的負(fù)載預(yù)測(cè)模型。極限學(xué)習(xí)機(jī)是新提出的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，不僅效率高而且可以防止過擬合。因此，該項(xiàng)目的主要研究問題是:融合跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理;對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘影響負(fù)載

9、變化的強(qiáng)關(guān)聯(lián)特征;利用極限學(xué)習(xí)機(jī)構(gòu)建負(fù)載預(yù)測(cè)模型，調(diào)整參數(shù)獲得精度最高的負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果。
　　在大數(shù)據(jù)的背景下，影響負(fù)載變化的因子眾多，電力負(fù)荷預(yù)測(cè)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，其呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性變換。傳統(tǒng)的電力負(fù)載預(yù)測(cè)模型，大都是線性模型，缺乏非線性映射能力。因此，以前的預(yù)測(cè)方法根本不適應(yīng)大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展。另一方面，智能電網(wǎng)缺乏通用的訓(xùn)練框架，為電力系統(tǒng)的其他任務(wù)提供支撐，以提高智能電網(wǎng)分析的效率。
　　自1990年以來，研究人員就開始

10、關(guān)注電力負(fù)載預(yù)測(cè)問題并提出了很多預(yù)測(cè)模型[1]。如提出的時(shí)間序列分析模型ARIMA,該模型重點(diǎn)在于分析負(fù)載根據(jù)時(shí)間的變化曲線，從而預(yù)測(cè)未來負(fù)荷的變化，其優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是沒有考慮影響負(fù)載變化的因子。使用模糊邏輯方法FuzzyLogic分析負(fù)載的變化，該方法考慮了影響負(fù)荷變化的各種影響因子，如溫度、濕度等，但其沒有考慮設(shè)備、線路信息。使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法構(gòu)建負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化和訓(xùn)練較慢，而且對(duì)復(fù)雜的負(fù)載變化，較易陷入局部最優(yōu)值。

11、使用支持向量回歸SVR,該方法將特征映射到核空間,可以取得全局最優(yōu)，但訓(xùn)練效率交低。
　　通過對(duì)已有負(fù)載預(yù)測(cè)方法的調(diào)研，本文提出基于極限機(jī)器學(xué)習(xí)ELM的負(fù)荷預(yù)測(cè)模型，并通過實(shí)際的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)去驗(yàn)證模型的有效性。在研究中,所涉及的消費(fèi)者實(shí)體可以具有各種粒度級(jí)別。例如，它可以是一個(gè)智能電表（一個(gè)家庭）,一組智能電表（一個(gè)區(qū)）,一個(gè)變電站（城鎮(zhèn)或城市）或電站（通常覆蓋一個(gè)很大的地理位置區(qū)）。類似地,所討論的電力負(fù)載的時(shí)間單位也具有不同的

12、長(zhǎng)度。它可以是5分鐘,15分鐘,1小時(shí)，1天，1周,1個(gè)月，1年等。在這項(xiàng)工作中,創(chuàng)建一個(gè)系統(tǒng)來預(yù)測(cè)每個(gè)智能電表的每日最高負(fù)載。另外，需要指出的是，在負(fù)載預(yù)測(cè)的研究中使用的框架和技術(shù)，也同樣適用于不同消費(fèi)者實(shí)體的行為預(yù)測(cè)。
　　已有的負(fù)載預(yù)測(cè)模型，都有些許的不足,無法滿足當(dāng)前智能電網(wǎng)的需求。通過研究相關(guān)的數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)算法,采用極限學(xué)習(xí)機(jī)來構(gòu)建負(fù)載預(yù)測(cè)模型。ELM是一種新型的極限學(xué)習(xí)機(jī)作為一類機(jī)器學(xué)習(xí)方法,以簡(jiǎn)單易用、有效的單

13、隱層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法,受到越來越多的研究者關(guān)注。傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法（如BP算法）需要人為設(shè)置大量的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù),并且容易產(chǎn)生局部最優(yōu)解。極限學(xué)習(xí)機(jī)只需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的隱層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),在算法執(zhí)行過程中不需要調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的輸入權(quán)值以及隱元的偏置,可以產(chǎn)生唯一的最優(yōu)解,因此它具有學(xué)習(xí)速度快且泛化性能好的優(yōu)點(diǎn)。
　　由于預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間的最高負(fù)載P，首先需要對(duì)采集到歷史電力負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取每天負(fù)載最大值，作為目標(biāo)屬性，設(shè)搜集的天數(shù)為N

14、。另外，從外部數(shù)據(jù)庫(kù)中爬取相應(yīng)日期的天氣信息，主要包括日最高溫、日最低溫、月最高溫、月最低溫、是否是節(jié)假日、星期幾。
　　因此，對(duì)于歷史記錄中的每個(gè)目標(biāo)峰值負(fù)載值，構(gòu)建與目標(biāo)相關(guān)聯(lián)的特征向量。在特征分析后,訓(xùn)練開始訓(xùn)練極限學(xué)習(xí)機(jī)ELM模型，使用N天的<特征向量,目標(biāo)>對(duì)來完成。在訓(xùn)練完ELM模型后,將使用得到的回歸模型來預(yù)測(cè)給定日期的峰值負(fù)載值P。為此，需要使用相同的方式處理待預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，并提取特征相同的特征向量。經(jīng)過ELM模型，可

15、以得出未來第d天的負(fù)載。
　　在訓(xùn)練測(cè)試完成后，將構(gòu)建的ELM模型應(yīng)用到實(shí)際的電力系統(tǒng)中，該模型取得了很好的效果。該模型具有重要的意義,如發(fā)電機(jī)公司,可以根據(jù)未來電力負(fù)荷的變化來合理的分配能源;另外，電力公司也可以根據(jù)負(fù)載的變化做出合理的決策。
　　綜上所述，在這項(xiàng)工作中，提出了一個(gè)準(zhǔn)確的負(fù)載預(yù)測(cè)模型,可以為智能電網(wǎng)的管理者提供決策支持。在我們的方法中,融合跨系統(tǒng)的電力數(shù)據(jù)，分析影響負(fù)荷變化的強(qiáng)關(guān)聯(lián)特征，采用極限學(xué)習(xí)機(jī)(EL

16、M)回歸算法構(gòu)建高精度的預(yù)測(cè)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,我們的方法能夠比現(xiàn)有的其他預(yù)測(cè)方法提供更準(zhǔn)確的結(jié)果，并且在計(jì)算復(fù)雜度較低。
　　在將來的工作紅,打算研究基于自動(dòng)特征選擇的負(fù)荷回歸模型,以進(jìn)一步提高其準(zhǔn)確性和自適應(yīng)性。另外,計(jì)劃用不同國(guó)家的多個(gè)智能電網(wǎng)負(fù)載數(shù)據(jù)測(cè)試我們的方法,并對(duì)已有的模型進(jìn)行微調(diào),以確保其通用性。最后，將進(jìn)一步拓展我們的分析框架和預(yù)測(cè)模型，使其可適用于任何粒度級(jí)別（如個(gè)體戶、街區(qū)、城鎮(zhèn)，城市和大地理區(qū)域）的消費(fèi)實(shí)體