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《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》2019年度優(yōu)秀論文獲獎(jiǎng)?wù)撐暮?jiǎn)報(bào)

《光伏發(fā)電出力預(yù)測(cè)技術(shù)研究綜述》等15篇優(yōu)秀論文入選《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》2019年度優(yōu)秀論文，榮獲中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)表彰。現(xiàn)將部分獲獎(jiǎng)?wù)撐牡奈恼潞?jiǎn)報(bào)分享給各位讀者，以期促進(jìn)本領(lǐng)域的技術(shù)交流。

團(tuán)隊(duì)介紹

清華大學(xué)智慧能源實(shí)驗(yàn)室（Energy Intelligence Laboratory，EILAB）在電力市場(chǎng)、電力/綜合能源規(guī)劃、調(diào)度運(yùn)行、低碳電力、能源大數(shù)據(jù)等領(lǐng)域積累了深厚的科研基礎(chǔ)。

在電力市場(chǎng)領(lǐng)域，深度參與了電改重要文件編寫(xiě)，完成多個(gè)省/區(qū)域電力市場(chǎng)方案和規(guī)則設(shè)計(jì)，研發(fā)的技術(shù)支持系統(tǒng)在多個(gè)省級(jí)電力市場(chǎng)得到應(yīng)用；在負(fù)荷預(yù)測(cè)領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)的預(yù)測(cè)軟件系統(tǒng)在全國(guó)地市供電局使用率超過(guò)半數(shù)；在電力規(guī)劃領(lǐng)域，在高比例可再生能源電力系統(tǒng)規(guī)劃、生產(chǎn)模擬、可再生能源消納、系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等引領(lǐng)了多項(xiàng)理論研究，研發(fā)的“電力規(guī)劃決策支持系統(tǒng)GOPT”系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。

在調(diào)度運(yùn)行領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)了月度、日前、日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)度計(jì)劃、安全校核、檢修計(jì)劃等軟件系統(tǒng)，已在十余個(gè)省/區(qū)域電網(wǎng)得到應(yīng)用；在低碳電力領(lǐng)域，提出了低碳電力技術(shù)的研究框架與發(fā)展路線(xiàn)圖，提出了碳流理論。在綜合能源領(lǐng)域，提出綜合能源網(wǎng)絡(luò)廣義電路建模理論以及運(yùn)行模擬方法，提出云儲(chǔ)能體系構(gòu)架，研發(fā)了綜合能源系統(tǒng)規(guī)劃與運(yùn)行模擬云平臺(tái)軟件。在能源大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，承擔(dān)了國(guó)家能源局委托的“十三五能源規(guī)劃”的全社會(huì)用電量預(yù)測(cè)重大任務(wù)，開(kāi)發(fā)了全覆蓋全時(shí)域電量跟蹤分析預(yù)警系統(tǒng)，在多個(gè)省區(qū)電網(wǎng)與地市供電局得到應(yīng)用。

承擔(dān)國(guó)家863、科技支撐計(jì)劃、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等重大課題多項(xiàng)，為國(guó)家發(fā)改委、能源局、國(guó)資委等相關(guān)部門(mén)提供了重要的咨詢(xún)參考與決策支撐。

王毅

1992出生，香港大學(xué)助理教授，博士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)殡娏Υ髷?shù)據(jù)分析、能源預(yù)測(cè)、信息-物理-社會(huì)能源系統(tǒng)。獲清華大學(xué)優(yōu)秀博士論文、清華大學(xué)/北京市優(yōu)秀畢業(yè)生、西貝爾學(xué)者、日內(nèi)瓦發(fā)明展金獎(jiǎng)等榮譽(yù)。以第一或通訊作者在 IEEE Transactions等國(guó)際期刊上發(fā)表論文20余篇、出版專(zhuān)著1部，1篇入選中國(guó)科協(xié)優(yōu)秀科技論文遴選計(jì)劃，2篇論文入選領(lǐng)跑者 5000—中國(guó)精品科技期刊頂尖學(xué)術(shù)論文（F5000），2篇論文獲中國(guó)電機(jī)工程學(xué)會(huì)期刊優(yōu)秀論文獎(jiǎng)，6篇論文入選ESI高被引論文。擔(dān)任IEEE Customer Systems & Smart Buildings Subcommittee秘書(shū)，擔(dān)任國(guó)際期刊IEEE Systems Journal, IET Renewable Power Generation和IET Smart Grid編委，多次獲評(píng)IEEE Transactions期刊最佳審稿人。

康重慶

1969出生，清華大學(xué)教授、電機(jī)系主任，博士生導(dǎo)師 ，IEEE Fellow，IET Fellow。國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者，入選第二批國(guó)家“萬(wàn)人計(jì)劃”科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才。曾獲霍英東基金會(huì)優(yōu)選資助，入選教育部新世紀(jì)人才計(jì)劃。2007-2008為劍橋大學(xué)訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者。主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)規(guī)劃、電力系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行、能源互聯(lián)網(wǎng)、可再生能源、低碳電力技術(shù)、負(fù)荷預(yù)測(cè)、電力市場(chǎng)。

研究背景

高比例可再生能源并網(wǎng)和電力市場(chǎng)改革不斷推進(jìn)使得廣泛用戶(hù)互動(dòng)成為智能電網(wǎng)發(fā)展的必然要求：高比例可再生能源并網(wǎng)需要電力系統(tǒng)提供更多靈活性平抑其波動(dòng)性，而傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中用戶(hù)往往是“被動(dòng)用電”，沒(méi)有主動(dòng)地參與到與電力系統(tǒng)的互動(dòng)中去，其靈活性有待進(jìn)一步挖掘；售電市場(chǎng)的不斷放開(kāi)客觀(guān)上要求售電商更加重視電力用戶(hù)的用電體驗(yàn)，開(kāi)展以用戶(hù)為中心的售電服務(wù)以提升自身競(jìng)爭(zhēng)力。

目前對(duì)用戶(hù)行為的研究往往還是圍繞某一具體應(yīng)用開(kāi)展的，類(lèi)似于“面向過(guò)程”的程序編寫(xiě)，缺乏對(duì)電力用戶(hù)行為體系化的認(rèn)知，沒(méi)有“面向?qū)ο蟆钡恼w設(shè)計(jì)。也就是說(shuō)，目前的研究還沒(méi)有準(zhǔn)確分析電力用戶(hù)行為的確切含義，也沒(méi)有“系統(tǒng)性”地構(gòu)建“用戶(hù)行為”的模型，對(duì)用戶(hù)行為的認(rèn)知沒(méi)有像“物理-信息”一樣上升到“系統(tǒng)”或“模型”的層面。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

圖1 電力用戶(hù)行為模型的基本組成及其延拓

圖1 給出了電力用戶(hù)行為模型的基本組成及其延拓。其基本組成主要包括五個(gè)部分：①行為主體：電力用戶(hù)本身，其中電力用戶(hù)是具有認(rèn)知和思維能力的人，擁有特定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息等屬性；②行為環(huán)境：影響電力用戶(hù)行為的外界環(huán)境，如電力網(wǎng)絡(luò)、氣象因素、電價(jià)因素、節(jié)假日因素、其他用戶(hù)行為等；③行為手段：電力用戶(hù)為達(dá)到某一目標(biāo)需要采取的手段，包括對(duì)所有家用電器、電動(dòng)汽車(chē)、分布式儲(chǔ)能、分布式可再生能源等的使用或控制；④行為結(jié)果：電力用戶(hù)最終產(chǎn)生的用電曲線(xiàn)或特定的用電模式，即與電網(wǎng)所交換的功率；⑤行為效用：電力用戶(hù)通過(guò)用電給自身帶來(lái)的效用，包括用電成本（負(fù)效用）、舒適度效用、其他某一具體目標(biāo)達(dá)成的效用等。

對(duì)于單一電力用戶(hù)行為，可以進(jìn)行空間上的延拓，即集群行為，根據(jù)某一用戶(hù)特性，將多個(gè)相似的用戶(hù)聚集到一起，構(gòu)成若干個(gè)具有某一相似特性的用戶(hù)集群；還可以進(jìn)行時(shí)間上的延拓，即預(yù)見(jiàn)行為，對(duì)未來(lái)一段時(shí)間的用戶(hù)行為的變化趨勢(shì)，其中用電行為預(yù)測(cè)（負(fù)荷預(yù)測(cè)）是最常見(jiàn)的一種延拓。

圖2 電力用戶(hù)行為建模研究范式

圖 2 給出了電力用戶(hù)行為建模的基本研究范式，主要包括數(shù)據(jù)收集、用戶(hù)行為模型和用戶(hù)互動(dòng)三個(gè)模塊。在這三個(gè)模塊中，數(shù)據(jù)收集是基礎(chǔ)、用戶(hù)行為模型是核心、用戶(hù)互動(dòng)是目的，三者依次遞進(jìn)構(gòu)成閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)電力用戶(hù)行為模型的不斷更新和優(yōu)化。

在數(shù)據(jù)收集模塊中，需要廣泛地收集多元化的與用戶(hù)用電特征相關(guān)的數(shù)據(jù)，而數(shù)據(jù)的獲取方式包括兩個(gè)途徑：①主動(dòng)獲取途徑，如智能電表數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、電價(jià)數(shù)據(jù)等；②用戶(hù)反饋途徑，包括直接的反饋數(shù)據(jù)（如對(duì)某個(gè)項(xiàng)目是否感興趣等）和間接的反饋數(shù)據(jù)（如用戶(hù)對(duì)不同電價(jià)下的用電行為等）。

圖3 用戶(hù)用電曲線(xiàn)與用戶(hù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息對(duì)應(yīng)關(guān)系示例

對(duì)于行為主體，可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的肖像描繪，包括用戶(hù)基本屬性，如性別年齡、職業(yè)薪酬、社會(huì)階層、房屋情況等，用戶(hù)偏好屬性，如需求響應(yīng)意愿、用電偏好等。圖3給出了三個(gè)用戶(hù)的平均周負(fù)荷曲線(xiàn)和對(duì)應(yīng)的用戶(hù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息，以方便更直觀(guān)地從用電曲線(xiàn)中獲取部分用戶(hù)社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息。

對(duì)于行為手段，即用戶(hù)用電行為結(jié)構(gòu)解析可以做兩方面的解讀，其一是直接根據(jù)總用電負(fù)荷對(duì)用戶(hù)某一或某些設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分解。非侵入式辨識(shí)（Non-intrusive Load Monitoring, NILM）就是對(duì)居民甚至樓宇用戶(hù)用電行為進(jìn)行結(jié)構(gòu)解析的重要手段，利用秒級(jí)甚至更細(xì)粒度的用電數(shù)據(jù)，將其中用電負(fù)荷分解成為若干個(gè)單一用電設(shè)備的功率曲線(xiàn)。

圖4 基于稀疏表示的用電子模式提取示意圖

對(duì)于行為結(jié)果，可以辨識(shí)用戶(hù)用電的基本模式、用電的動(dòng)態(tài)特性、不確定性等各種指標(biāo)。通過(guò)對(duì)負(fù)荷曲線(xiàn)的聚類(lèi)就可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)用電模式的提取，如圖4 所示，可以將用戶(hù)行為模式提取問(wèn)題建模為一個(gè)稀疏編碼問(wèn)題，能夠有效辨識(shí)用戶(hù)用電子模式，實(shí)現(xiàn)海量用電數(shù)據(jù)的壓縮。

圖5 居民用戶(hù)概率性負(fù)荷預(yù)測(cè)示例

對(duì)于預(yù)見(jiàn)行為，對(duì)未來(lái)用電行為的估計(jì)可能具有不同的時(shí)間尺度，如超短期、短期和中長(zhǎng)期。用戶(hù)負(fù)荷預(yù)測(cè)就是一種典型的對(duì)行為結(jié)果的預(yù)見(jiàn)，圖5 給出了典型的超短期居民用戶(hù)概率性負(fù)荷預(yù)測(cè)示例，通過(guò)一系列的分位數(shù)描述其未來(lái)不確定性。

圖6 用戶(hù)集群劃分示例

對(duì)于集群行為，可以根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)即某一用戶(hù)行為特征對(duì)用戶(hù)進(jìn)行集群劃分，如根據(jù)用戶(hù)基本屬性、電器設(shè)備使用、用電曲線(xiàn)形態(tài)等進(jìn)行集群辨識(shí)，如圖6所示。

結(jié)論

本文提出了電力用戶(hù)行為模型的基本概念，剖析了用戶(hù)行為的基本組成部分，包括行為主體、行為環(huán)境、行為手段、行為模式和行為效用，然后進(jìn)一步延拓為集群行為和預(yù)見(jiàn)行為，在此基礎(chǔ)上，通過(guò)若干示例給出了電力用戶(hù)行為建模的理論研究框架，希望本文能夠?yàn)殡娏τ脩?hù)行為模型的研究提供參考，構(gòu)架數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的以用戶(hù)為中心的研究與應(yīng)用“生態(tài)”，進(jìn)一步促進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的用戶(hù)互動(dòng)。

引用本文

王毅, 張寧, 康重慶, 奚巍民, 霍沫霖. 電力用戶(hù)行為模型：基本概念與研究框架[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(10): 2056-2068. Wang Yi, Zhang Ning, Kang Chongqing, Xi Weiming, Huo Molin. Electrical Consumer Behavior Model: Basic Concept and Research Framework. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(10): 2056-2068.