趙玉琢,張延遲
(上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院,上海 201306)
能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出和電力市場的開放,促使更多的技術(shù)和資本涌入能源市場,其中大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)參與能源行業(yè)跨界競爭的行為值得引起關(guān)注。隨著能源互聯(lián)網(wǎng)概念[1]的提出,各種新生事物不斷涌入能源市場,各大互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)阿里巴巴、騰訊、百度等以及通信企業(yè)華為紛紛試圖進(jìn)軍電力能源行業(yè),參與能源行業(yè)跨界競爭。除了與電網(wǎng)進(jìn)行合作以外,互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)在其他能源領(lǐng)域也有大量布局。綜合來說,各大互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)均有參與能源行業(yè)的趨勢及舉措,向“能源互聯(lián)網(wǎng)新業(yè)態(tài)”發(fā)展,促進(jìn)自身的多元化,這些客戶導(dǎo)向思維的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)試圖向能源領(lǐng)域進(jìn)軍。傳統(tǒng)的電網(wǎng)企業(yè)是典型的資產(chǎn)驅(qū)動型企業(yè),隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展,不斷衍生出多種新生事物,社會處于轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、優(yōu)化經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的攻關(guān)期。目前,電網(wǎng)的發(fā)展面臨著能源技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)以及新業(yè)態(tài)的競爭。據(jù)國家統(tǒng)計局發(fā)布的國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展統(tǒng)計公報,2014年以來,我國電力生產(chǎn)行業(yè)總發(fā)電量呈現(xiàn)穩(wěn)步增長趨勢。2015年3月,《中共中央國務(wù)院關(guān)于進(jìn)一步深化電力體制改革的若干意見》[2]的發(fā)布實(shí)施,標(biāo)志著中國開始對新一輪電力體制改革進(jìn)行全面部署[3]。此次改革以“管住中間、放開兩頭”為核心,發(fā)布6個核心配套文件,有序向社會資本放開配售電業(yè)務(wù),并進(jìn)行進(jìn)一步的電力市場建設(shè)以及電價改革[4]。鑒于目前電網(wǎng)面臨形勢的變化,為保證電力公司體系的高效運(yùn)轉(zhuǎn),電網(wǎng)公司提出“三集五大”的大運(yùn)行體系,建設(shè)大規(guī)劃、大建設(shè)、大運(yùn)行、大檢修、大營銷五大體系[5]。改革在不斷推進(jìn),新能源技術(shù)以及新一代信息通信技術(shù)也在不斷發(fā)展?!澳茉础迸c“互聯(lián)網(wǎng)”融合的設(shè)想一經(jīng)提出便引起了國內(nèi)外研究者的高度關(guān)注,這一設(shè)想給中國能源產(chǎn)業(yè)帶來了重要的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[6]。能源互聯(lián)網(wǎng)具備新型高效智能電網(wǎng)結(jié)構(gòu),由大量分布式能源應(yīng)用單元組合而成,利用儲能設(shè)備及能源管理系統(tǒng)解決不穩(wěn)定輸出的問題[7]。本文提出了一種電網(wǎng)公司應(yīng)對互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)跨界競爭的策略方法,其中包括建立基于Spark框架的電力服務(wù)平臺,利用近鄰傳播(Affinity Propagation,AP)聚類法[8]分析用戶行為,并基于遷移學(xué)習(xí)[9]進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測以增強(qiáng)用戶黏性。
能源互聯(lián)網(wǎng)以電為中心,利用電力電子技術(shù)及信息技術(shù)智能分配能量與信息,實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)管以及快速調(diào)度。圖1為能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖。
圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖
目前,國內(nèi)的互聯(lián)網(wǎng)巨頭阿里巴巴、百度、京東等主要投建了小范圍內(nèi)的屋頂光伏電站。國外的亞馬遜電商在全球范圍內(nèi)所投資的與新能源相關(guān)的項(xiàng)目已達(dá)206個,其中包括風(fēng)電、光伏等項(xiàng)目[10]。光伏電站是通過接入主干電力網(wǎng)向電力網(wǎng)輸送電力的發(fā)電系統(tǒng)[11],能源企業(yè)對光伏電站的投資建設(shè)主要側(cè)重于項(xiàng)目的設(shè)計。相比能源企業(yè),互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)投建光伏電站的不同之處在于其切入點(diǎn)為數(shù)據(jù)和系統(tǒng),將光伏產(chǎn)業(yè)與云端服務(wù)相結(jié)合,形成“互聯(lián)網(wǎng)+新能源電站”的運(yùn)行模式。
互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢在于云計算,大數(shù)據(jù)云計算服務(wù)能夠高效地處理、分析海量數(shù)據(jù),具備數(shù)據(jù)的存儲和計算等功能[12]。以阿里巴巴在菜鳥物流園區(qū)投建的屋頂光伏電站為例,因其分布式的特點(diǎn),數(shù)據(jù)會以一種離散的形式進(jìn)行存儲。大量的數(shù)據(jù)分布在不同的存儲節(jié)點(diǎn)上,若任意存儲節(jié)點(diǎn)失效,利用其他存儲節(jié)點(diǎn)完成數(shù)據(jù)存儲的接力。通過極值過濾、異常值過濾、數(shù)據(jù)插值及校正等措施對實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測處理,預(yù)測未來的數(shù)據(jù)。高預(yù)測精度且功能完備的功率預(yù)測系統(tǒng)對新能源電站的運(yùn)行至關(guān)重要。對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲、監(jiān)測、預(yù)測,可實(shí)現(xiàn)居民電力的可靠使用。圖2所示為增城物流園區(qū)屋頂光伏電站基于大數(shù)據(jù)的能源交易流程圖。
圖2 數(shù)據(jù)交易模型
用戶與互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)通過價格協(xié)商進(jìn)行數(shù)據(jù)交易,商業(yè)樓與居民樓的用電需求及對數(shù)據(jù)質(zhì)量要求不同,需分析用戶的數(shù)據(jù)屬性特征并實(shí)施多屬性協(xié)商機(jī)制,交易對象為
式中:Mi為數(shù)據(jù)價格協(xié)商的對象;(e1,e2,···,en)為屬性向量,n表示對象屬性數(shù)量。
在交易對象中,存在的n個屬性可表示為(E1,E2,···,En),其中的元素取值范圍是(Ei,min,Ei,max)。為體現(xiàn)不同交易方的滿意度,以效用值衡量,定義正屬性代表交易雙方均滿意,且取值越大,滿意程度越高;負(fù)屬性代表交易雙方不滿意,且取值越大,滿意程度越低。根據(jù)滿意程度制定合適的協(xié)商定價機(jī)制。
分布式光伏具備就地消納,運(yùn)輸成本低等特點(diǎn)[13]。目前,互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)對光伏電站的投資多集中于屋頂分布式光伏。以阿里巴巴投建的菜鳥增城園區(qū)屋頂光伏電站為例,采用了“自發(fā)自用,余電上網(wǎng)”的并網(wǎng)方式,滿足了自身的用電需求,其并網(wǎng)方式如圖3所示。
圖3 并網(wǎng)方式
所謂“自發(fā)自用,余電上網(wǎng)”,就是在光伏系統(tǒng)發(fā)電量滿足自身負(fù)荷需求后,將多余電量饋入電網(wǎng)[14]。這種模式可使投資商拿到較高電價,同時能將用不完的電量賣給電網(wǎng),此外無論是自用部分還是上網(wǎng)部分均可享受政府財政補(bǔ)貼。
以往電網(wǎng)公司處于壟斷地位,而如今隨著售電側(cè)放開[15],互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)大規(guī)模進(jìn)軍能源行業(yè),對電網(wǎng)公司造成巨大沖擊。
在大量新能源不斷接入電網(wǎng)的趨勢下,每時每刻都產(chǎn)生著大量數(shù)據(jù),不以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的預(yù)測技術(shù)很難滿足系統(tǒng)對于數(shù)據(jù)處理等的要求。大數(shù)據(jù)預(yù)測和傳統(tǒng)預(yù)測的對比情況見表1。
由表1可知,大數(shù)據(jù)技術(shù)在數(shù)據(jù)預(yù)測中的應(yīng)用能夠有效提高預(yù)測精確度,從而減少損失,增加收益,維護(hù)安全穩(wěn)定性。
表1 大數(shù)據(jù)預(yù)測與傳統(tǒng)預(yù)測的對比
互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)投建新能源電站“自發(fā)自用,余電上網(wǎng)”的模式對電網(wǎng)來說,一方面無法獲得用戶自發(fā)自用電量的購售電差價,對區(qū)域內(nèi)電力公司造成實(shí)際損失;另一方面,給電網(wǎng)增加區(qū)域配網(wǎng)容量計算、管理電源點(diǎn)增加、用戶用電計量等額外的工作量。
2.2.1 屋頂光伏電站收益 對于“自發(fā)自用,余電上網(wǎng)”的運(yùn)行模式,投資現(xiàn)金流入主要包括自用消耗部分帶來的收入、剩余電量饋入電網(wǎng)所獲得的收入和政府給予光伏電站投資商的補(bǔ)貼收入3個部分,增城區(qū)的分布式光伏補(bǔ)貼為0.15元/kWh。屋頂光伏電站年發(fā)電量為
式中:M為裝機(jī)容量;h為年峰值日照小時數(shù);PRt為屋頂光伏電站運(yùn)行效率;dt為光伏縮減率。
根據(jù)北極星太陽能光伏網(wǎng)數(shù)據(jù)和美國航空航天局(NASA)數(shù)據(jù)庫,可知增城園區(qū)裝機(jī)容量為12 MW,經(jīng)度113.83°,緯度23.29°,光伏發(fā)電系統(tǒng)最佳安裝傾斜角為20°,年峰值日照時間為1 153.4 h。在光伏系統(tǒng)運(yùn)行過程中,地理位置、溫度條件、光伏組件匹配、并網(wǎng)逆變器及升壓變、交直流線纜造成的功率損耗分別為4%、3%、8%、5%、2.5%;其他雜項(xiàng)損耗為3%。因此,光伏系統(tǒng)運(yùn)行效率為
光伏縮減率為3%,根據(jù)以上計算可得出增城園區(qū)年發(fā)電量為
根據(jù)調(diào)研,夏季與非夏季的用電峰谷時段光伏發(fā)電量百分比及分時段電價見表2和表3。
表2 夏季分時段發(fā)電量及電價
表3 非夏季分時段發(fā)電量及電價
按光伏夏季發(fā)電量占全年發(fā)電量60%,非夏季占40%計算,該屋頂光伏系統(tǒng)在高峰時段的發(fā)電比例為46.214%,平時段發(fā)電比例為53.786%,谷時段光伏系統(tǒng)無發(fā)電量。按40%自用以及60%余電上網(wǎng)的比例計算,廣州地方補(bǔ)貼為0.15元/kWh(5年內(nèi)價格不變),上網(wǎng)電價為0.45元/kWh,則5年內(nèi)增城園區(qū)光伏發(fā)電收益為
式中:Rt為現(xiàn)金流入;Rearn為平均每度電收益;Ruse為自用部分每度電收益;FIT為上網(wǎng)電價。通過計算可得5年內(nèi)增城園區(qū)屋頂光伏發(fā)電收益為4 018.26萬元。運(yùn)維成本按5萬元/MW計算,則此電站未來5年運(yùn)維費(fèi)用為25萬元。
2.2.2 電網(wǎng)收益損失 據(jù)調(diào)研,表4為廣州工商業(yè)峰谷電價表。
表4 廣州工商業(yè)峰谷電價表
增城園區(qū)在2020年的用電量約為10 GWh,用電高峰期約49.6%,平段期約41.3%,低谷期約9.1%。由于“自發(fā)自用,余電上網(wǎng)”模式為主的光伏電站入局新能源行業(yè)必然會搶占該領(lǐng)域的流量入口,使得原有電網(wǎng)公司用戶量流失,造成電網(wǎng)公司收益損失。通過以上數(shù)據(jù)可得,僅此物流園區(qū)未來5年內(nèi)將給增城區(qū)電力公司造成4 430萬元的用電流量流失性損失收益。電網(wǎng)將迎來不小的沖擊,必須及時給出有效的應(yīng)對策略。
為了增強(qiáng)電力用戶黏性,電網(wǎng)須滿足用戶多維度需求的服務(wù)。本節(jié)建立了基于Spark框架的電力服務(wù)平臺,分析用戶行為并進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測,篩選出應(yīng)當(dāng)努力爭取并留住的客戶。
Spark是具備大數(shù)據(jù)處理分析功能的引擎,具有快速性、易用性、跨平臺性等特點(diǎn)[16]。圖4為本文提出的基于Spark框架的電力服務(wù)平臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。整個服務(wù)平臺按照層次化結(jié)構(gòu)設(shè)計,分為底層、中間層和頂層。其中,數(shù)據(jù)貼源層完成數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和存儲,以具備典型主從式存儲管理結(jié)構(gòu)的HBase列式存儲架構(gòu)[17]為關(guān)鍵技術(shù),通過多節(jié)點(diǎn)并發(fā)訪問提升服務(wù)平臺的數(shù)據(jù)吞吐率,且具有較高的容錯率;數(shù)據(jù)分析層對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘、預(yù)處理等操作,是整個服務(wù)平臺的核心,基于AP聚類法分析用戶行為,并基于遷移學(xué)習(xí)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測,以MapReduce計算框架與HBase列式存儲架構(gòu)配合使用,實(shí)現(xiàn)用戶分類以及電力負(fù)荷預(yù)測;業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)層負(fù)責(zé)展示各種數(shù)據(jù)處理結(jié)果。
圖4 基于Spark框架的電力服務(wù)平臺
本文基于日負(fù)荷率、日平均負(fù)荷率、用電百分比、谷電系數(shù)以及峰值耗電率這5個指標(biāo)對用戶行為進(jìn)行聚類分析。計算方法如下:
式中:KL、KLav、Ke、Kp分別為日負(fù)荷率、日平均負(fù)荷率、用電百分比和峰值耗率;Lav、Lmax為日平均負(fù)荷和日最大負(fù)荷;EZ、Ef、Ev、Ep分別為日總用電量、平段用電量、谷段用電量和峰段用電量;Ve為谷電系數(shù)。
由于用戶用電行為變異性大小各不相同,利用熵權(quán)法確定各指標(biāo)的權(quán)重值,以提高指標(biāo)權(quán)值的客觀性。假設(shè)5個指標(biāo)的初始權(quán)值向量為
生成新的聚類中心后,統(tǒng)計這5個指標(biāo)對聚類中心的貢獻(xiàn)程度,即
式中:Lrand為聚類中隨機(jī)選取的負(fù)荷值;n為聚類簇個數(shù);Ij為聚類中所對應(yīng)的指標(biāo)值。
根據(jù)熵權(quán)法原理,計算第i個指標(biāo)的權(quán)值為
本文根據(jù)AP聚類法原理構(gòu)建相似度矩陣,定義兩個數(shù)據(jù)點(diǎn)間的相似度為
式中:x(i,k)、x(j,k)分別為第i個和第j個數(shù)據(jù)的第k個屬性值;m為屬性個數(shù)。
設(shè)置參考度,即相似度矩陣的對角線值,參考度越大,聚類結(jié)束后的質(zhì)心個數(shù)就越多。AP聚類迭代過程如下:
式中:A(i,j)、B(i,j)分別為i、j間的吸引度和歸屬度。
本文基于深度學(xué)習(xí),引入遷移學(xué)習(xí)概念,以解決負(fù)荷預(yù)測過程中訓(xùn)練數(shù)據(jù)不足的問題,同時保證預(yù)測精度。基于遷移學(xué)習(xí)的負(fù)荷預(yù)測方法,如圖5所示。
圖5 基于遷移學(xué)習(xí)的負(fù)荷預(yù)測方法
本節(jié)選取某地150名工商業(yè)用戶進(jìn)行各類數(shù)據(jù)采集,根據(jù)AP聚類結(jié)果,得出最佳聚類個數(shù)為3。將用戶日負(fù)荷曲線進(jìn)行擬合聚類,如圖6~圖8所示。
由圖6~圖8可知,A類用戶在10:00~20:00期間是用電高峰期,說明該時段內(nèi)工廠用電設(shè)備持續(xù)工作,負(fù)荷壓力較大,在9:00~10:00期間用戶用電量陡增,導(dǎo)致工廠大量設(shè)備進(jìn)入生產(chǎn)狀態(tài),這也是A類負(fù)荷波動率降低的主要因素;B類用戶整體用電量較低,用電高峰時段較短,曲線波動較為平滑,在8:00~18:00期間用電量先增后減,中午時段用電量最大;C類用戶負(fù)荷波動頻繁,但整體負(fù)荷等級較低,具備雙峰時用戶的典型特征,8:00~10:00和15:00~18:00是其用電高峰期。
圖6 A類用戶日負(fù)荷曲線
圖7 B類用戶日負(fù)荷曲線
圖8 C類用戶日負(fù)荷曲線
通過數(shù)據(jù)搜集可獲得3類用戶于2015—2020年的月負(fù)荷曲線。根據(jù)遷移學(xué)習(xí)算法選取2018—2020年的負(fù)荷數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集可以得到2021年上半年的月負(fù)荷量曲線,并與實(shí)際用電量曲線作對比,如圖9~圖11所示。
圖9 A類用戶電量預(yù)測結(jié)果
圖10 B類用戶電量預(yù)測結(jié)果
圖11 C類用戶電量預(yù)測結(jié)果
為驗(yàn)證本文算法的優(yōu)越性,以C類用戶為例,采用遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)、粒子群-循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(PSO-LRNN)兩種算法對相同數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練,得到如圖12所示的預(yù)測結(jié)果。
圖12 不同算法的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果
本文提出的模型訓(xùn)練結(jié)果準(zhǔn)確度較高,因此利用該模型對2021年下半年的用電負(fù)荷進(jìn)行預(yù)測,如圖13~15所示。
圖13 A類用戶2021全年負(fù)荷曲線
圖14 B類用戶2021全年負(fù)荷曲線
圖15 C類用戶2021全年負(fù)荷曲線
由預(yù)測結(jié)果可得表5中的數(shù)據(jù)。
表5 用戶用電量及購電增長率
由表5可知,C類用戶購買力雖然低一些,但購電增長趨勢最好,是電力公司應(yīng)當(dāng)努力爭取并留住的客戶。
本文研究了大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)投建光伏電站的運(yùn)行模式以及互聯(lián)網(wǎng)電站給電網(wǎng)帶來的競爭,據(jù)此給出電網(wǎng)的應(yīng)對策略。以阿里巴巴投建的增城物流園區(qū)屋頂光伏電站為例,從大數(shù)據(jù)處理方式和“自發(fā)自用,余電上網(wǎng)”模式兩方面分析其運(yùn)行模式;整合計算了該屋頂光伏電站未來5年內(nèi)會給電網(wǎng)帶來的收益損失;從避免用戶大量流失的角度出發(fā),建立了基于Spark框架的電力服務(wù)平臺,利用AP聚類分析用戶行為并基于遷移學(xué)習(xí)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測,從而篩選出應(yīng)當(dāng)努力爭取并留住的客戶,增強(qiáng)電網(wǎng)用戶黏性。最終通過算例分析驗(yàn)證了應(yīng)對策略的有效性,得出電網(wǎng)公司需要努力爭取并留住的客戶類別。