黃國政, 趙瑞鋒, 郭文鑫, 黃偉杰, 詹一佳

(1. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 江門供電局, 廣東 江門 529000;2. 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力調(diào)度控制中心, 廣東 廣州 510600)

0 引言

電網(wǎng)為居民提供電能的過程中往往會(huì)涉及到很多個(gè)環(huán)節(jié)，居民用戶的電力數(shù)據(jù)一般都會(huì)隱藏著每一戶居民的用電習(xí)慣[1]，挖掘出居民用戶的用電數(shù)據(jù)可以幫助國家電網(wǎng)公司清楚地了解到居民用戶的服務(wù)需求，從而使國家電網(wǎng)公司拓展服務(wù)意識(shí)，為制定國家電力需求響應(yīng)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐[2]。

近幾年以來，很多電力領(lǐng)域的學(xué)者都對(duì)居民用電展開了廣泛的研究，基于云計(jì)算的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法通常將行業(yè)的劃分作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，考慮到市場價(jià)值和居民用戶的貢獻(xiàn)價(jià)值來分類居民用戶，這種居民用電智能化設(shè)計(jì)方法基本不符合電力負(fù)荷的精細(xì)化管理，導(dǎo)致居民的用電效率偏低[3]。

基于以上背景，本文將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到了居民用電智能化設(shè)計(jì)中，采用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建歸一化矩陣得到用戶用電數(shù)據(jù)樣本，采用均值方差法計(jì)算用戶用電數(shù)據(jù)的均值方差，建立居民用電負(fù)荷預(yù)測模型，判斷居民用電數(shù)據(jù)最大荷載，構(gòu)建居民用電價(jià)格和用電量最優(yōu)配置的目標(biāo)函數(shù)，設(shè)置電壓越限約束，實(shí)現(xiàn)了居民用電的智能化設(shè)計(jì)。

1 基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的居民用電智能化設(shè)計(jì)

1.1 采集居民用電數(shù)據(jù)

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)屬于電信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，是結(jié)合互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信終端，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)下，用戶能夠通過手機(jī)或其他無線終端設(shè)備，獲取信息、在線下載或網(wǎng)頁瀏覽等服務(wù)[4]。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上延伸出的網(wǎng)絡(luò)，能夠通過射頻識(shí)別技術(shù)、紅外感應(yīng)器等信息傳感設(shè)備，進(jìn)行信息通信與交互，并將采集到的任何信息與互聯(lián)網(wǎng)相連，完成智能化的識(shí)別管理。

在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)背景下，采集居民用電數(shù)據(jù)可以縮短居民用戶獲取電能的時(shí)間。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)是對(duì)居民用電數(shù)據(jù)集合中的不同居民用戶進(jìn)行相似性搜索，查找出居民用電數(shù)據(jù)之間的相似程度。

采用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來采集居民用電數(shù)據(jù)，每一戶居民用戶的用電量都來源于自家的智能電表，居民用戶的用電數(shù)據(jù)采集都是來源于用戶家里的智能插座，包含了居民用戶的電器使用種類、家用電器的使用時(shí)長等，這些用電數(shù)據(jù)一部分存到居民用戶的智能網(wǎng)關(guān)中，為居民用戶提供電能[5]；另一方面是通過家庭的智能網(wǎng)關(guān)遠(yuǎn)程傳輸?shù)叫^(qū)的供電站，來提供分析和決策使用[6]?；谝呀?jīng)查找出的居民用電數(shù)據(jù)之間的相似程度，選取以下特征量進(jìn)行用電數(shù)據(jù)的采集。

·峰時(shí)耗電率=居民用戶高峰時(shí)段的用電量/總用電量

·電力負(fù)荷率=居民用戶的平均負(fù)荷/居民用電的最大負(fù)荷

·谷電系數(shù)=居民用戶低谷時(shí)段的用電量/總用電量

根據(jù)用電數(shù)據(jù)的采集特征量，將每一個(gè)居民用戶表示成一個(gè)1*96矩陣：X=[x1,x2,…,x96]。

對(duì)居民用戶矩陣的用電數(shù)據(jù)元素進(jìn)行歸一化處理，如式(1)。

(1)

根據(jù)用電數(shù)據(jù)元素歸一化處理后，得到用戶用電數(shù)據(jù)樣本，采用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)計(jì)算用電數(shù)據(jù)權(quán)重[7]，其用電數(shù)據(jù)指標(biāo)的熵值，如式(2)。

(2)

式中，n(n∈{1,2,…，10})表示為采集用電數(shù)據(jù)的特征向量。

從而可以獲取到用電數(shù)據(jù)的采集，如式(3)。

(3)

式中，m(m∈{1,2,…，96})表示為采集居民用電數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。對(duì)式(3)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，即可得到居民用戶的用電數(shù)據(jù)。

1.2 構(gòu)建居民用電負(fù)荷預(yù)測模型

根據(jù)居民用電數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，建立居民用電負(fù)荷預(yù)測模型，可以縮短居民用戶獲取電能的時(shí)間。居民用電負(fù)荷的預(yù)測模型主要由兩部分組成，一部分是采用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)來聚類居民用電負(fù)荷曲線，將用電模式相似的居民用戶統(tǒng)一歸納為一類，并分析不同類的居民用戶[8]；另一部分是采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來預(yù)測居民用電的負(fù)荷，為居民用電負(fù)荷的預(yù)測提供的理論依據(jù)，使預(yù)測精度更高。

針對(duì)居民用戶的用電數(shù)據(jù)，將移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到了居民用電負(fù)荷預(yù)測模型中，實(shí)現(xiàn)了居民用電數(shù)據(jù)預(yù)測結(jié)果的可視化[9]。居民用電負(fù)荷預(yù)測模型結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 居民用電負(fù)荷預(yù)測模型結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)居民用電負(fù)荷預(yù)測模型結(jié)構(gòu)，可以得到居民用電負(fù)荷預(yù)測模型的具體構(gòu)建步驟如下。

假設(shè)從居民用戶的終端采集到的用電負(fù)荷數(shù)據(jù)在短時(shí)間間隔是相似的，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，來預(yù)測居民用電負(fù)荷[10-11]。

Step1：計(jì)算居民用電數(shù)據(jù)的方差和均值，如式(4)、式(5)。

(4)

(5)

Step2：判斷居民用電數(shù)據(jù)的最大荷載，如式(6)。

(6)

式中，ε表示閾值。

Step3：建立居民用電負(fù)荷預(yù)測模型，如式(7)。

(7)

以上根據(jù)居民用電數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)了居民用電負(fù)荷預(yù)測模型結(jié)構(gòu)，通過計(jì)算居民用電數(shù)據(jù)的方差和均值，判斷居民用電數(shù)據(jù)最大荷載，完成了居民用電負(fù)荷的預(yù)測模型的構(gòu)建。接下來通過構(gòu)建居民智能用電最優(yōu)配置及電壓越限約束，實(shí)現(xiàn)居民智能用電最優(yōu)配置及電壓越限約束。

1.3 居民智能用電最優(yōu)配置及電壓越限約束

居民用電智能化設(shè)計(jì)的目的是在確保完成居民用戶要求的前提下，通過合理安排居民智能家電在電力允許的范圍內(nèi)運(yùn)行，使得居民的用電費(fèi)用最少[12]。構(gòu)建居民用電價(jià)格和用電量最優(yōu)配置的目標(biāo)函數(shù)，如式(8)。

(8)

式中，ps和Ds表示在s時(shí)間段內(nèi)的居民用電價(jià)格和用電量。

日常生活中居民家用電器的運(yùn)行是由人為決定的，采用λstart和λend表示家用電器的開始和結(jié)束運(yùn)行的時(shí)間段，tstart和tend表示家用電器開始運(yùn)行和結(jié)束運(yùn)行的時(shí)間段，N表示家用電器完成每一項(xiàng)工作需要的運(yùn)行時(shí)間段數(shù)量。

為保證居民用電安全，設(shè)置了電壓越限約束，防止家用電器運(yùn)行過程中頻繁出現(xiàn)的中斷和重啟現(xiàn)象[13]。采用TD表示允許的最大中斷次數(shù)，Td表示家用電器的實(shí)際中斷次數(shù)，家用電器發(fā)生中斷過程中的電壓越限約束條件如下[14]。

等式約束，如式(9)。

(9)

約束不等式，如式(10)—式(12)。

Td≤TD

(10)

(11)

(12)

上式給出了居民用電的時(shí)間限制范圍，對(duì)于家用電器可以中斷用電負(fù)荷，允許家用電器在用電時(shí)間范圍內(nèi)出現(xiàn)重啟和中斷[15]。居民用電的智能化設(shè)計(jì)考慮了用電負(fù)荷的中斷次數(shù)，通過構(gòu)建居民用電價(jià)格和用電量最優(yōu)配置的目標(biāo)函數(shù)，設(shè)置了電壓越限約束，使得居民用電更加智能化，實(shí)現(xiàn)了居民用電的智能化設(shè)計(jì)。

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源

本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來源某小區(qū)的150戶居民，分別在每一戶家庭中安裝用電采集系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 居民用戶用電數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

家用電器通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)郊彝ブ悄芫W(wǎng)關(guān)中，完成居民用電數(shù)據(jù)的采集任務(wù)。居民用戶可以通過交互終端查看自家用電情況，每一戶的用電數(shù)據(jù)信息通過智能網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)街髡荆瑢?shí)現(xiàn)居民用電數(shù)據(jù)的采集。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

在獲取居民用電數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，制定了下列實(shí)驗(yàn)步驟。

步驟1：查看居民用戶的家用電源安裝容量、電能輸出情況及用電量，根據(jù)用戶的電力使用情況，確定家用電源的發(fā)電滲透率；

步驟2：根據(jù)居民用戶的用電需求和家用電源的滲透率，制定居民用電需求的目標(biāo)函數(shù)；

步驟3：基于居民用電的歷史需求，預(yù)測出家用電源的輸出和用電情況，分析居民用戶的用電需求響應(yīng)特征；

步驟4：根據(jù)居民用電需求的目標(biāo)函數(shù)和居民用電的負(fù)荷特征，制定居民用戶的用電需求響應(yīng)策略；

步驟5：采用居民家用電器數(shù)量為自變量，采用基于云計(jì)算的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法為對(duì)比對(duì)象，計(jì)算居民用戶獲取電能的時(shí)間；

步驟6：統(tǒng)計(jì)兩種居民用電智能化設(shè)計(jì)方法獲取的居民用戶獲取電能的時(shí)間。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

利用上述的實(shí)驗(yàn)方法及步驟，獲取到了居民用戶獲取電能的時(shí)間對(duì)比曲線，如圖3所示。

圖3 居民用戶獲取電能的時(shí)間對(duì)比曲線

從圖3可以看出，采用基于云計(jì)算的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)居民用電時(shí)，隨著居民家用電器數(shù)量的增加，獲取電能的時(shí)間越來越長，居民家用電器數(shù)量在5～8臺(tái)時(shí)，居民獲取電能的時(shí)間較短，實(shí)驗(yàn)過程中居民獲取電能的平均時(shí)間為6.19 min；而采用基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法來設(shè)計(jì)居民用電時(shí)，隨著居民家用電器數(shù)量的增加，居民獲取電能的時(shí)間相對(duì)較短，實(shí)驗(yàn)過程中居民獲取電能的平均時(shí)間為2.67 min。因此可以得到基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法可以縮短居民用戶獲取電能的時(shí)間。

為了驗(yàn)證基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法的電能損耗率，采用基于云計(jì)算的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法與基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。

圖4 不同方法的居民用電電能損耗率對(duì)比

由圖4可知，當(dāng)用電時(shí)間為2 h時(shí)，基于云計(jì)算的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法的電能損耗率為21%，而基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法的電能損耗率為6%；當(dāng)用電時(shí)間為4 h時(shí)，基于云計(jì)算的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法的電能損耗率為30%，而基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法的電能損耗率為8%；當(dāng)用電時(shí)間為6 h時(shí)，基于云計(jì)算的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法的電能損耗率為39%，而基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法的電能損耗率為13%。由此可知，采用基于云計(jì)算的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法和基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法的電能損耗率，均隨著用電時(shí)間的增加而增大，而采用基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法的電能損耗率較低，能夠有效降低電能損耗率。

3 總結(jié)

目前居民用電獲取電能的時(shí)間較長、電能損耗率較高，本文提出了基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的居民用電智能化設(shè)計(jì)。采用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建歸一化矩陣得到用戶用電數(shù)據(jù)樣本，通過均值方差法計(jì)算用戶用電數(shù)據(jù)的均值方差，建立居民用電負(fù)荷預(yù)測模型，判斷居民用電數(shù)據(jù)最大荷載，構(gòu)建居民用電價(jià)格和用電量最優(yōu)配置的目標(biāo)函數(shù)，設(shè)置電壓越限約束，實(shí)現(xiàn)了居民用電的智能化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的居民用電智能化設(shè)計(jì)方法，能夠有效降低電能損耗率，居民用戶獲取電能的時(shí)間更短。