袁軼，施溈，梁甜甜，季錚錚

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南通供電分公司,江蘇 南通 226001；2.江蘇電力信息技術(shù)有限公司,江蘇 南京 210024)

0 引 言

電力智慧營(yíng)銷和管理中，數(shù)據(jù)的隱私性一直是電力營(yíng)銷管理領(lǐng)域的一個(gè)研究重點(diǎn)問(wèn)題。文獻(xiàn)[1]提出了一種基于全同態(tài)加密的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)隱私保護(hù)方案，首先分析了目前智能電表的用戶隱私保護(hù)的兩個(gè)階段，根據(jù)現(xiàn)有的智能電網(wǎng)數(shù)據(jù)交換方案，設(shè)計(jì)出一個(gè)全同態(tài)數(shù)據(jù)隱私保護(hù)系統(tǒng)，雖然能夠提高一定的數(shù)據(jù)隱私性，但是其加密的運(yùn)算范圍只限于整數(shù)，仍然存在被破解的可能性。文獻(xiàn)[2]針對(duì)光伏電站逆變器的故障診斷問(wèn)題。首先分析了逆變器的故障類型，將故障診斷問(wèn)題轉(zhuǎn)化成多分類問(wèn)題；然后采用合成少數(shù)類通過(guò)采樣技術(shù)人工生成數(shù)據(jù)樣本，避免數(shù)據(jù)不平衡問(wèn)題；最后，由實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)提取特征向量，通過(guò)稀疏貝葉斯極限學(xué)習(xí)機(jī)訓(xùn)練模型，根據(jù)概率分布實(shí)現(xiàn)逆變器的故障多分類。

基于以上內(nèi)容，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)新型電網(wǎng)營(yíng)銷管理平臺(tái)，能夠提高數(shù)據(jù)加密的可靠性和光伏電站的監(jiān)測(cè)和管理能力。

1 電力營(yíng)銷智慧管控平臺(tái)

本文設(shè)計(jì)的電網(wǎng)營(yíng)銷管控平臺(tái)的架構(gòu)如圖1所示。該平臺(tái)主要是對(duì)電網(wǎng)營(yíng)銷數(shù)據(jù)進(jìn)行管控，可以分為5層：數(shù)據(jù)來(lái)源層、采集層、存儲(chǔ)層、處理層和分析層[3]。

圖1 電網(wǎng)營(yíng)銷管控平臺(tái)架構(gòu)

數(shù)據(jù)來(lái)源層主要為一些發(fā)電廠，像光伏電站一類的清潔能源發(fā)電站，智能變電站和智能電表。數(shù)據(jù)的類型主要為電量數(shù)據(jù)、營(yíng)銷數(shù)據(jù)和電站狀態(tài)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集層主要為一些傳感器，建立傳感器物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理，通過(guò)設(shè)置采集頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)定期采集，同時(shí)為了防止數(shù)據(jù)不完整，補(bǔ)充設(shè)置采集時(shí)間[4]。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，本文采用云存儲(chǔ)技術(shù)來(lái)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，云存儲(chǔ)技術(shù)能夠利用小容量的存儲(chǔ)設(shè)備實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，能夠滿足系統(tǒng)的需求[5]。

數(shù)據(jù)的處理層主要分為三個(gè)部分，數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)聚合。數(shù)據(jù)挖掘是在海量數(shù)據(jù)中挖掘出對(duì)營(yíng)銷業(yè)務(wù)的有用信息；數(shù)據(jù)分析是對(duì)數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行分析，保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性；數(shù)據(jù)聚合是對(duì)同類數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、利用傳輸和保存[6]。

數(shù)據(jù)集分析層主要為大數(shù)據(jù)分析模型，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析，預(yù)測(cè)用戶用電的需求和電站的狀態(tài)，分析電力營(yíng)銷的規(guī)律。大數(shù)據(jù)模型經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展和創(chuàng)新，已經(jīng)具有相當(dāng)成熟的理論基礎(chǔ)，進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)即可投入使用。

2 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 基于實(shí)數(shù)取模運(yùn)算的全同態(tài)數(shù)據(jù)加密方案

全同態(tài)加密方案由密鑰生成算法、加密算法、解密算法和求值算法四個(gè)算法組成。本文的實(shí)數(shù)的運(yùn)算法則是將非整數(shù)的小數(shù)部分進(jìn)行轉(zhuǎn)化成整數(shù)，然后按照整數(shù)的運(yùn)算方法進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，提出一種實(shí)數(shù)取模運(yùn)算來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)化[7]。

假設(shè)一個(gè)任意的正整數(shù)p和一個(gè)任意的實(shí)數(shù)n滿足：

n=kp+r

(1)

式中：k為整數(shù)，r為實(shí)數(shù)，并且0≤r

實(shí)數(shù)取模的運(yùn)算公式為：

(2)

通過(guò)式(2)的取模運(yùn)算可以將全同態(tài)的數(shù)據(jù)加密方案擴(kuò)展到實(shí)數(shù)范圍，運(yùn)用到工業(yè)控制系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的加密中，以提高數(shù)據(jù)的安全性[8]。

數(shù)據(jù)加密主要是將數(shù)據(jù)通過(guò)密鑰進(jìn)行運(yùn)算轉(zhuǎn)化成密文，需要用到的時(shí)候再通過(guò)運(yùn)算進(jìn)行解密的一種保護(hù)數(shù)據(jù)安全的方式，將全同態(tài)數(shù)據(jù)加密的運(yùn)算范圍擴(kuò)展到實(shí)數(shù)，不僅提高了全同態(tài)數(shù)據(jù)加密的適用性，還提高了數(shù)據(jù)加密的可靠性。

2.2 基于馬爾代夫鏈的光伏電站遮擋概率預(yù)測(cè)算法

光伏電站的輸出功率會(huì)受到光伏組件的受光面積、負(fù)載電壓和太陽(yáng)強(qiáng)度的影響。太陽(yáng)能電池的I-U公式為：

(3)

式中:I為太能能電池的輸出電流；IL為光生電流；I0為電池反向飽和電流；q為電子的電荷；U為負(fù)載電壓；n為二極管理想因子；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為絕對(duì)溫度。

本文提出一種基于溫度系數(shù)的電流線性功率模型。根據(jù)式(3)可知，當(dāng)電壓U=0時(shí)，短路電流ISC=IL，即短路電流ISC與輻射度的強(qiáng)度成正比。假設(shè)工作環(huán)境的溫度不變，光伏組件的短路電流ISC的計(jì)算公式為：

(4)

式中:Gc為有效輻射度強(qiáng)度；ISC0、T0、G0為地面光伏組件標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試(STC)條件下的短路電流、工作溫度和輻照度；β為短路電流溫度系數(shù)；Tc為光伏組件的實(shí)際工作溫度。

由式(3)和式(4)可以推導(dǎo)出STC環(huán)境下的短路電流ISC0的計(jì)算公式為：

(5)

式中：IMPP、UMPP為最大功率點(diǎn)電流和電壓。

但是上述情況只有在理想情況下才能成立，在實(shí)際工作中光伏組件不可避免會(huì)受到陰影遮擋，導(dǎo)致計(jì)算出的ISC0計(jì)算結(jié)果會(huì)比理論值偏小。因此可以根據(jù)ISC0的計(jì)算結(jié)果來(lái)判斷光伏組件是否被遮擋以及被遮擋的時(shí)間。

馬爾科夫鏈?zhǔn)且环N隨機(jī)過(guò)程模型，即當(dāng)前時(shí)刻的狀態(tài)能夠決定下一時(shí)刻的狀態(tài)，不必考慮之前狀態(tài)的影響[9]。假設(shè)現(xiàn)有一隨機(jī)過(guò)程A={X1,X2,…,Xn}為馬爾科夫鏈，離散狀態(tài)集合I={a1,a2,…,an}，a∈R，則其狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率計(jì)算公式為：

Pij=P{Xt+1=aj|Xt=ai}

(6)

式中:Pij為從狀態(tài)i轉(zhuǎn)移到狀態(tài)j的概率；Xt+1為t+1時(shí)刻的狀態(tài)；Xt為t時(shí)刻的狀態(tài)。

通常隨機(jī)過(guò)程A會(huì)存在多個(gè)狀態(tài)，因此P可以用矩陣的形式來(lái)表示。

(7)

矩陣P可稱為一歩狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，則第k步的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率公式為：

(8)

根據(jù)式(8)，當(dāng)k=2時(shí)，P(2)為1階狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣P中第i行各元素與第j行各元素對(duì)應(yīng)相乘之和，其計(jì)算公式為：

P(2)=P·P

(9)

根據(jù)式(9)可以得出第n步的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為：

(10)

對(duì)于光伏組件的遮擋分析，初始數(shù)據(jù)為產(chǎn)生的電流，由于產(chǎn)生的電流數(shù)值范圍較大，需要進(jìn)行零-均值規(guī)范化處理。處理公式為：

(11)

除此之外，還要獲取異常的電流數(shù)據(jù)，即光伏組件發(fā)生遮擋時(shí)的短路電流。采用的是箱型圖異常值分析法，箱型圖會(huì)提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)識(shí)別異常值，異常值通常被定義為

光伏電站的遮擋概率計(jì)算模型的具體步驟為：采集光伏電站每日8∶00—18∶00的電站電流數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到STC條件下并進(jìn)行零-均值規(guī)范化處理。然后采用箱型圖分析法確定異常值構(gòu)成馬可科夫鏈，分別計(jì)算出正常數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)和遮擋時(shí)刻的個(gè)數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果構(gòu)建出非遮擋和遮擋兩個(gè)狀態(tài)的概率轉(zhuǎn)移矩陣[9]。最后，通過(guò)“馬氏性”檢驗(yàn)后計(jì)算n步轉(zhuǎn)移后的概率矩陣求出極限概率，即得到了光伏電站在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的遮擋概率。

3 試驗(yàn)仿真與分析

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)上述數(shù)據(jù)加密算法和光伏電站的遮擋診斷算法進(jìn)行仿真，以驗(yàn)證其可行性。采用的計(jì)算機(jī)配置為Windows 1064位操作系統(tǒng)，CUP為Inter Core i7-9700H，運(yùn)行內(nèi)存為16 G 3 200 MHz，硬盤大小為500 G。

3.1 數(shù)據(jù)加密方案性能驗(yàn)證

上述改進(jìn)中將全同態(tài)數(shù)據(jù)加密方案的運(yùn)算范圍從整數(shù)擴(kuò)充到了實(shí)數(shù)，本文采用整數(shù)全同態(tài)數(shù)據(jù)加密方案(整數(shù)全同態(tài))和數(shù)據(jù)加密方案(實(shí)數(shù)全同態(tài))進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)來(lái)比較兩種方案的性能。首先對(duì)兩種方案的加密時(shí)間和機(jī)密時(shí)間進(jìn)行對(duì)比，在密鑰長(zhǎng)度為128 bit的情況下，比較兩種方案對(duì)不同長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)加密時(shí)間和解密時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，加密時(shí)間對(duì)比示意圖如圖2所示。

圖2 兩種方案的加密時(shí)間對(duì)比

從圖2可以看出，在相同密鑰長(zhǎng)度的情況下，隨著明文長(zhǎng)度的增加兩種方案的加密時(shí)間會(huì)有所增長(zhǎng)，但是實(shí)數(shù)全同態(tài)的數(shù)據(jù)加密時(shí)間會(huì)比整數(shù)全同態(tài)的加密需要的時(shí)間少。解密時(shí)間對(duì)比曲線如圖3所示。

圖3 兩種方案的解密時(shí)間對(duì)比

在相同明文長(zhǎng)度下比較兩種方案在不同密鑰長(zhǎng)度下的加法和乘法運(yùn)算時(shí)間，將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行整理。加法運(yùn)算時(shí)間對(duì)比曲線如圖4所示。

從圖4可以看出在密鑰長(zhǎng)度<128 bit時(shí)，兩種方案的加法時(shí)間幾乎相等。但是密鑰長(zhǎng)度>128 bit字節(jié)之后，實(shí)數(shù)全同態(tài)的數(shù)據(jù)加密方案的加法算法增長(zhǎng)速度會(huì)低于實(shí)數(shù)全同態(tài)。兩種方案的乘法算法時(shí)間如圖5所示。

圖4 兩種方案的加法算法時(shí)間對(duì)比

從圖5可以看出，在密鑰長(zhǎng)度<128 bit時(shí)，兩種方案的乘法時(shí)間幾乎相等。但是密鑰長(zhǎng)度>128 bit字節(jié)之后，實(shí)數(shù)全同態(tài)的數(shù)據(jù)加密方案的乘法算法時(shí)間增長(zhǎng)速度會(huì)低于實(shí)數(shù)全同態(tài)。

圖5 兩種方案的乘法算法時(shí)間對(duì)比

綜上所述，將全同態(tài)數(shù)據(jù)加密的運(yùn)算范圍擴(kuò)展到實(shí)數(shù)能夠提高運(yùn)算效率。

3.2 光伏電站遮擋預(yù)測(cè)模型仿真

選取南通市內(nèi)某光伏電站作為數(shù)據(jù)的來(lái)源，對(duì)電站內(nèi)的電流、電壓、輻照度和環(huán)境溫度進(jìn)行采集。采集頻率為每?jī)煞昼娨淮?，根?jù)電站使用的多晶硅光伏組件品牌查得其溫度系數(shù)β為0.06%，I0為5.82 nA,n為1.15。采集的時(shí)間為2019年11月21—30日，將這10 d的數(shù)據(jù)作為初始數(shù)據(jù)。

首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，采用上述的零-均值規(guī)范法。數(shù)據(jù)處理完成后，采用箱型圖分析法分析得到電流的異常數(shù)據(jù)，即發(fā)生遮擋時(shí)的電流數(shù)據(jù)。分析一共得到45個(gè)異常數(shù)據(jù)，所處時(shí)間段大多為15∶00—18∶00。根據(jù)遮擋和非遮擋狀態(tài)下的電流數(shù)據(jù)可以建立一歩轉(zhuǎn)移概率矩陣：

(12)

式中：PAA為當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)和下一時(shí)刻狀態(tài)都為遮擋狀態(tài)的概率；PAB為當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)為遮擋狀態(tài)，下一時(shí)刻狀態(tài)變成非遮擋狀態(tài)的概率，以此類推。

將電流異常數(shù)據(jù)代入到式(10)中，可以得到d1的一歩狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣：

(13)

然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行 “馬氏性”檢驗(yàn)，采用χ2作為檢驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。假設(shè)一數(shù)據(jù)序列的狀態(tài)數(shù)為n，狀態(tài)空間I={1,2,3,…,n}，則邊際概率的計(jì)算公式為：

(14)

式中:P·j為邊際概率;fij為轉(zhuǎn)移頻數(shù)概率矩陣。

根據(jù)式(14)的計(jì)算結(jié)果，可以得到χ2的計(jì)算公式為：

(15)

圖6 χ2與值對(duì)比圖

本文將采集的每日數(shù)據(jù)構(gòu)成馬爾科夫鏈，因此馬爾科夫鏈長(zhǎng)度都是有限的，滿足以下性質(zhì)：

(16)

式中:若Pj≥0，則{Pj,j=1,2,…,N}構(gòu)成了一個(gè)概率分布，若{Pj,j=1,2,…,N}同時(shí)又滿足Pj=Sipipij(Pj為狀態(tài)為j的概率值；pi為狀態(tài)為i的概率值；Si為i從0到N的和)，則可以稱為平穩(wěn)分布。平穩(wěn)分布的有限狀態(tài)馬爾科夫鏈具有以下性質(zhì)：轉(zhuǎn)移概率與初始狀態(tài)無(wú)關(guān)，且一定為平穩(wěn)分布。根據(jù)以上性質(zhì)，設(shè)置轉(zhuǎn)移步數(shù)為100，則d1序列的極限概率為：

(17)

根據(jù)式(17)的計(jì)算結(jié)果可知，d1序列的遮擋概率為9%，即在1 d的運(yùn)行過(guò)程中，有9%的時(shí)間被遮擋。

根據(jù)以上的計(jì)算過(guò)程，計(jì)算20 d的遮擋概率，可以得到遮擋概率統(tǒng)計(jì)如圖7所示。

圖7 遮擋概率統(tǒng)計(jì)圖

根據(jù)圖7可知，20 d的遮擋概率在3%～10%之間，與實(shí)際的運(yùn)行情況基本相同?；谝陨蟽?nèi)容，可以得出本文的光伏電站遮擋計(jì)算模型，能夠根據(jù)電流數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地計(jì)算出被遮擋的概率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以數(shù)據(jù)隱私性和光伏電站的監(jiān)測(cè)為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)電力營(yíng)銷業(yè)務(wù)的管控進(jìn)行了改進(jìn)，使其能夠滿足互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的要求。通過(guò)仿真，驗(yàn)證了加密算法和光伏電站遮擋概率計(jì)算的可行性，在電力營(yíng)銷管控方面具有良好的應(yīng)用前景。但是由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)不足，結(jié)果可能會(huì)存在一定的誤差，在后續(xù)的研究中需要不斷優(yōu)化。