动态监测系统在电力市场环境下的应用

彭超逸，张昆，胡亚平，聂涌泉

（中国南方电网电力调度控制中心，广东省 广州市 510663）

0 引言

自20世纪90年代起，世界范围内掀起了电力市场的改革热潮，各国根据自身的电力工业发展进程进行了相应程度的市场化因素注入，使得电力市场的建设思路和发展模式得到不断调整和完善，传统的电力行业迸发出鲜活的竞争活力[1-3]。

以我国为例，随着电力交易中心、现货试点等工作在各地如雨后春笋般涌现，电力市场行业结构、市场体系、调控市场价格等方面取得了显著的进展[4-6]。然而，电力市场建设的繁荣使得电力交易品种不断增多、交易业务量迅猛扩增，导致市场监管方及运营方的各种数据变得日益复杂，其数据量呈指数级增长，数据的有效管理和利用愈发困难，数据中潜藏的市场行为规律难以被揭示和利用[7-8]。因此，在电力市场环境下，开展动态监测系统(dynamic monitoring system，DMS)的设计和研发工作对实现市场的安全有序运行、交易运营系统的有效保障、各类数据的分类管理具有重要意义[9-12]。

动态监测系统平台的设计和研发在电力行业建设进程中一直是一个热点问题，备受学者关注。文献[13]以电力市场交易运营场景为例，详细分析了市场交易运营数据的分类特点，并辅以数据有效性甄别规则对运营系统数据进行有效管理，保证了电力市场交易运营系统的稳定、高效运行，为保障多级电力市场建设和高效协调运作提供了基础支撑；文献[14-15]以国外数据监控平台典型技术为切入点，详细介绍了该监控平台在数据质量方面的治理力度，有效保证了电力数据的安全传输；文献[16]以全球能源互联网为工业背景，针对提升电力时空大数据智能挖掘深度和广度问题，设计了信息驱动的全球能源互联网全景安全防御系统，对提升电网全景态势的感知水平具有重要意义。

为此，针对电力市场日趋复杂的数据交互场景，为了深度挖掘市场数据下的隐含式规律，本文从电力市场监控系统的建设需求出发，进行了该系统综合架构的顶层设计，并部署了现代化的算法和数据处理模块作为该系统的技术支撑。最后，以典型应用场景为例，阐明该系统的应用价值，通过该系统对市场动态的采集、汇总、整理、研究、分析等，可实现对市场动态进行全方位分析，有望为电力市场监控分析贡献新的价值模式和理念。

1 动态监测系统发展现状及需求分析

1.1 动态监测系统的定义

动态监测系统是指采集和监测设备运行状态下有关电气、机械的实时数据，建立正确的信息、数据处理系统，并利用相应的行业内专业知识，结合数据分析和挖掘的理论和方法，为设备级或系统级防控提供科学依据。

与此同时，伴随着互联网、大数据时代到来，以新一代数据挖掘技术为代表的分析方法为DMS提供理论支撑，加速了DMS在各行各业的研制与开发。如图1所示，基于DMS背景，可实现数据交互视角下数字空间、物理空间和社会空间的信息物理系统高度交织，提升行业智能化分析、运行水平。

图1 DMS概念价值图 Fig. 1 DMS concept value map

1.2 动态监测系统发展概况及存在的问题

电力场景下，以广域测量系统(wide area measurement system，WAMS)、能量管理系统(energy management system，EMS)为代表的调度自动化监控系统在电力系统中应用已久，其最主要的功能就是实现电力系统动态行为的可观测性，为调控运行人员提供运行决策的辅助手段，保障大电网的安全运行。调度自动化监控系统的基本组成部分如图2所示。

图2 调度自动化监控系统 Fig. 2 Dispatching automation monitoring system

近年来，随着电力工业的转型和重组，我国电力改革积极推进，政企分开、有序竞争的电力市场也逐渐形成，给传统的发、变、输、配、用一体化的电力工业注入新的市场竞争活力。然而，灵活的竞争性资源配置能力给电力监管机构带来的市场力问题常常导致资源配置失效，使得不同利益主体可以通过限制容量、策略性报价等手段解决输电阻塞、价格乱序、效率低下等市场性难题，给电力市场进一步发展带来诸多困难，主要体现在以下方面：

1）市场环境下用户行为数据、发电主体用户数据、市场弹性变化数据未得到有效监管和利用，市场力监控力度有待加强；

2）由于发电资源的集中性以及市场力易于形成的先天属性，未能实现对市场成员操纵市场的行为进行及时有效的监督和处理；

3）由于电力商品区别于传统商品的实时交易、不可退回等特征，亟需建立合理客观的市场行为评价体系，用于市场成员的评级和奖惩。

因此，针对电力市场背景下由用户数据、市场数据、各利益主体数据未有效流通、共享所导致的电力市场各类问题，有必要充分利用当前先进的信息技术，建立电力市场环境下的动态监测系统，为培育健康有序的电力市场生态体系提供技术和理论支撑。

1.3 电力市场动态监测系统的建设需求

电力市场动态监测系统(electricity market dynamic monitoring system，EM-DMS)建设主要围绕3个维度，即建设目标、监控对象、反馈控制，共同构成三位一体的EM-DMS，如图3所示。

图3 电力市场动态监测系统的建设维度 Fig. 3 Construction dimension of EM-DMS

1）建设目标

EM-DMS建设目标是促进和建立健康有序的电力市场运行生态体系。要实现这一目标，需从以下2方面着手：

①确保市场有效竞争。竞争性是市场监视的直接目标，电力市场结构与市场成员的行为均应满足竞争性要求。

②确保市场资源有效配置。市场监视的最终目标是为了实现经济效率的提高，除了直接监视市场的竞争性之外，还需要发现市场设计中不利于实现有效竞争的部分。

2）监控对象

EM-DMS监控市场中的非竞争行为和市场力的动态变化，以确保市场活力常驻，具体如下：

①监测市场中的非竞争行为，为查处这些行为提供支持，从而确保有效的市场竞争。竞争性是市场监测的直接目的。

②监测市场行为偏离度，并据此动态分析市场价格是否发生畸形以及畸形的程度。

3）反馈控制

通过EM-DMS对监控对象动态行为进行观测，辅助电力监管人员进行有效决策，具体如下：

①对监控历史数据中各利益主体的交易数据进行有效统计，评价主体的违规性行为，形成违规性处置策略，包括形成罚款金额、公布违规利益主体名单、形成消费者投诉文案等。

②发现并反馈市场规则、结构设计中的缺陷，定期反馈市场监管人员的隐性运行规则，为建立完善、高效的市场提供支持。

2 电力市场动态监测系统的设计

电力市场背景下的动态监测系统较之于针对电力设备进行监视和控制的传统动态监测系统有所不同。在数据采集层面，除了需要采集系统电气信息之外，同时还需要对电力市场的电价、成交量等交易信息进行采集，因此处理手段也必然随之发生变化；在功能应用层面，除了需要确保电力系统的安全稳定运行之外，在保证自由公平竞争的条件下，充分激发市场活力还是EM-DMS的特色任务。

2.1 总体架构

图4展示了EM-DMS的总体构架，共分为4层，根据系统工作原理，由下向上依次为基础设施层、数据采集层、数据处理层和功能应用层。

图4 电力市场动态监测系统总体架构图 Fig. 4 Overall structure of EM-DMS

基础设施层主要包括涉及电力交易的各种数据、信息的测量装置，有电气量测量装置和非电气量测量装置之分。电气量测量装置主要包括电压/电流互感器、智能电表等电气设备；非电气量测量装置主要包括营销平台的记录设备和外部环境的监测设备。

数据采集层同样具有电气量和非电气量之分。电气部分主要包括数据采集与监控系统(supervisory control and data acquisition，SCADA)、广域测量系统、电量系统等，厂站电气信息经过远程终端设备(remote terminal unit，RTU)或智能电表上传至主站数据库，用于测量电能、功率等电气数据，并通过相关系统获取数据。非电气部分则用于记录实时电价、交易量等市场交易信息，以及天气、温度、湿度等外部环境信息。另外，为了模拟或复刻特殊情况下的电力市场状态，也可将部分具有代表意义的仿真数据一并记录到数据库中。

数据处理层用于对各类记录信息进行清洗、融合、转换、压缩，为进一步实现各类功能应用提供标准、全面、精确的数据格式，并采用先进的数据存储技术对数据进行标准化管理和存储。

功能应用层是EM-DMS的重点部分，分为态势指标体系、主体画像体系、告警体系和反演体系四大类主体功能。

2.2 关键功能构成

根据电力市场背景下监测系统的建设需求，EM-DMS的关键功能构成如图5所示。

图5 电力市场动态监测系统关键功能构成示意图 Fig. 5 Schematic diagram of key functions of EM-DMS

1）态势指标体系。该体系主要用于反映电力 市场的市场力。市场力是反映市场成员所具备的操纵市场价格的能力，有水平向和垂直向之分，是经济学中的基本概念。电力市场中的市场力定义为“具有以盈利为目的，操纵电价，在一段时间内使之远离正常竞争价格水平的能力”。态势指标体系通过建立相应评价指标和实时态势分析对市场力进行评估，对市场力表现、市场力监测和市场力缓解3个方面做出反应。其中：市场力表现用于反映保留、持留等市场状态；市场力监测是借助市场状态指标和交易行为指标对各市场主体进行监管；市场力缓解则有事前管控和事后管控之分，用于发现和处理市场力。

2）主体画像体系。该体系是基于数据挖掘技术对不同类型用户的用电行为特征进行描述，是建立精准服务策略的重要工具，可实现用户的精细化服务和管理，为不同需求的用户提供个性化服务。通过电量采集系统、用户信息系统所获得的用户用电行为记录，为大数据分析提供了强大的数据支持，进而可深度探究用户的潜在需求。

3）告警体系。该体系主要用于协调、监督和管理各市场成员的交易冲突，特指监测交易争端和违规行为。自由市场交易行为是供需双方为谋求自身利益最大化而达成交易的过程。由于利益的冲突，贸易纠纷在所难免，严重者甚至会为单方面谋求自身利益而破坏既定的交易规则。对市场监管部门而言，实时监测各市场成员的交易情况、发现并查处违规行为、及时平息交易争端，能够为电力市场的有序运行提供保障。

4）反演体系。该体系主要用于对主管部门制定政策提供支持和对交易体系提出修正建议。一方面，电力市场的健康运行离不开科学的管控，动态监测系统除需要满足常规的市场监测功能外，还应为政府或市场监督部门制定相应政策提供数据和分析支持；另一方面，市场规则体系也未必完美，必定会有一定缺陷，且随着影响电力市场发展的因素不断变化，如社会、人文、经济等各方面，电力交易行为也将与原有的规则制度不相称。反演体系应从电力市场的实时监测情况出发，对市场体系和制度进行分析和评价，为主管部门提供数据和分析支持，从而逐步完善交易规则和市场结构，促进电力市场的长期健康发展。

2.3 关键技术支撑

2.3.1 关键技术组成

EM-DMS主要涉及如图6所示的5项关键技术，包括高效数据处理技术、精准测辨建模技术、数据挖掘技术、优化决策技术和可视化人机交互 技术，上述关键技术以相应的硬件平台作为载体。

图6 电力市场动态监测系统关键支撑技术 Fig. 6 Key supporting technologies of EM-DMS

2.3.2 硬件部署

硬件系统是电力市场动态监测平台的载体，主要包括智能电表、营销平台记录装置、环境监测装置等其他数据采集装置，数据分析处理服务器，人机交互终端以及数据传输总线等。

2.3.3 关键技术

1）高效数据处理技术

电力市场动态监测需面临涉及电力市场运行的海量多元异构数据，对这些数据进行高效的清洗、融合、转换、压缩和存储是动态监测系统的基础。其中，数据融合是整个数据处理技术的关键部分，是联系数据之间关联关系的纽带。数据融合技术主要包括：根据EM-DMS的功能需求，建立标准化数据平台和统一的数据接口格式；完善实时监测和虚拟分析2个层级的高性能并行计算框架；统筹协调在线监测与离线分析的流式计算框架。

2）精准测辨建模技术

若想对电力市场的交易行为进行实时准确的跟踪和监测，就离不开对各市场主体的精准测辨建模。EM-DMS模型主要包括市场交易模型、竞价模型、市场需求模型、风险评估模型、辅助决策模型等，用于反映电力市场交易状态、趋势预估等。动态监测系统的主体功能全部依赖于上述模型实现，模型参数的精准性能会影响到系统的使用效果。

3）数据挖掘技术

数据挖掘技术在EM-DMS中主要借助相应算法从海量监测数据中挖掘隐含其中的关键信息。该技术在EM-DMS中的应用从宏观上可分为4个层面，即态势分析、功能完善、统筹决策和风险规避，具体包括用户用电行为提取、负荷预测、拓展服务范畴、异常行为评估等。若要完善数据挖掘技术在EM-DMS中的应用，就必须建立标准化的数据平台，开发服务于EM-DMS的数据挖掘软件，以严谨客观的态度把握数据挖掘的实际应用范围。

4）优化决策技术

结合电力市场的实际运营场景，利用数据挖掘信息，在综合态势评估的基础上，统筹协调能源系统与营销系统的时空关联关系，制定多维分析优化策略。具体包括：综合考虑电力系统安全运行要素和市场运营的经济要素，明确各市场主体的职能职责；结合市场评价体系，借助高效优化算法准确引导市场运营方向；及时发现潜在市场风险，扼制危险行为的发生。

5）可视化与人机交互技术

上述所有功能的实现都离不开可视化与人机交互系统的清晰呈现，可视化界面和人机交互的友好程度也能够直接影响动态监测系统的实际应用效果。

3 电力市场动态监测系统应用

3.1 EM-DMS

3.1.1 EM-DMS前端界面

综上所述，EM-DMS具备市场态势感知、主体画像构建、市场行为告警及事故反演四大功能，结合目前主要展示技术，开发了融合地理信息系统(geographic information system，GIS)和实时渲染技术的EM-DMS前端展示界面，如图7所示。

图7 电力市场动态监测前端环境图 Fig. 7 Environmental map of EM-DMS

1）市场态势感知。系统通过指标来感知当前市场态势，主要采用市场力表现、监测、缓解三大指标来构成指标体系，通过仪表盘形式进行直观展示。

2）主体画像构建。通过用户的历史用电数据，利用数据挖掘技术对潜在用电特征进行发掘，构建用电消费模型，通过柱状图形式对用电趋势进行展示。

3）市场行为告警。系统主要密切关注区域电网实时交易动态，对市场具备较大影响作用的参与主体以GIS形式通过发光圆圈展现，并在GIS图右侧展示告警裕度。

4）事故反演。通过主体画像所得的用户潜在特征，对比电力市场的实时监测情况，密切关注异常离群点，反演异常事故发生过程。

3.1.2 电量预测及市场主体行为检测

将市场竞争机制引入到电力交易，可以合理地调配和使用资源，充分激发市场潜能。其中，电量交易是电力市场交易的核心环节，准确地预估市场用户的需求量，对于供需双方均具有重要作用。

传统电量预测多依赖于预测算法(包括线性回归法、灰度预测法等)本身的模型精度，未能充分挖掘监测数据的潜藏规律。随着电力负荷波动性越来越强，电量预测的精准度受各方面因素综合影响，因此有必要采用新的理念和方法实现电量预测。

EM-DMS通过采集所得海量电量数据，根据用户的历史用电习惯，采用以支持向量机、模糊理论以及卷积神经网络为代表的深度学习方法，充分挖掘蕴含于历史数据中的用电模式，构建用户电量的智能预测模型，可实现用户电量的准确跟踪。图8展示了EM-DMS系统中某用户在一周内的用电量趋势，以前6日的量测数据为依据对第7日的用户用电量进行预估。

图8 EM-DMS环境下的电量预测 Fig. 8 Electricity prediction in EM-DMS environment

电力市场环境下，及时检测各参与方的异常行为，对保证市场有序高效运行具有重要意义。其中，异常用电行为通常会引发电量流失、线损增加等现象，影响电网的运营效率，更有可能造成设备损坏、人员伤亡等严重的生产事故。及时准确地发现异常行为，能够有效避免上述问题的产生，因此必须加强对市场主体行为的有效监管。

EM-DMS通过历史数据形成各电力用户的特定用电行为习惯，实时监视用户用电量曲线，并设定相应的阈值规则，若在某时段下实际用电量大幅偏离预测曲线，即用户曲线超出了设定的阈值范围，则可认定在该时段下该用户存在异常的用电行为，如图9所示。

图9 市场主体行为异常检测 Fig. 9 Abnormal behavior detection of market subjects

3.2 EM-DMS应用场景

EM-DMS作用于电力市场运行的诸多环节，是监测电力市场运行行为特性的有力工具，其主要应用场景如图10所示。

图10 EM-DMS的应用场景 Fig. 10 EM-DMS application scenario

3.2.1 发现市场异常行为

电力市场运行行为的异常通常表现为电力企业改变市场价格，使之偏离市场充分竞争情况下所具有的价格水平，也即市场力发生异常。EM-DMS通过采集底层监控数据，分析当前市场环境下电力交易价格的波动性，并比较当前的价格与历史平均价格的方差，给予定量性告警；通过功能应用层的告警体系，提示电力监管者当前电力市场运行行为是否发生异常。

3.2.2 监督市场主体行为

电力市场主体行为是由电力市场各参与方在各自利益经营范围内采取相应措施，使得其利益最大化的过程。通常各参与方采用市场规则漏洞、市场产品接缝、市场规则不详等方式进行动作，增加其利益储备。EM-DMS可根据采集所得市场参与方的动作数据，密切关注各参与方市场交易过程中的数据变化规律，可有效规避市场主体不正常或不合规的动作行为。

3.2.3 更迭市场行为机制

电力市场处在早期运行时，往往因为前期交易经验不足，导致市场交易呈现电力资源稀缺或电力资源过剩等非正常运行态势，暴露出市场运行机制科学性规划缺乏等问题。EM-DMS在功能应用层所设定的态势指标体系，可依据众多融合数据实现当前电力市场运行态势好的综合打分，因此可揭示市场运行机制的潜在关联因素，以此作为电力市场规则更新的依据，进行市场行为机制的优化更迭。

3.2.4 调整市场价格补贴

电力市场的价格是反映电力资源平衡形态的关键特征，因而调整市场价格或对市场价格进行补贴是平衡电力供需双方的重要手段。通常，扭曲的价格信号会给市场参与方增加不必要的成本与风险，加剧电力市场环境下的电力资源配置难题。EM-DMS在功能应用层所设定的反演体系，可以反映并提醒市场监控方对市场价格或补贴行为进行进一步调整。

3.2.5 辅助市场主体决策

电力市场是由多利益主体参与、定量性市场规则约束所构成的复杂交易系统，这给市场监管运行人员带来调控的困难，而市场的有效监控是解决该类问题的有效手段。EM-DMS通过实时监控各参与方、市场环境的有效数据，利用大数据、人工智能算法挖掘潜在其中的隐式规律，针对功能应用层的主体画像体系，生成相应的辅助策略，支撑市场主体决策生成。

4 结论

介绍了DMS的概念和定义，阐述了DMS在电力系统中应用现状，并以电力市场为工业背景，分析了DMS在电力市场场景下的建设需求，详细设计了EM-DMS的架构体系，系统部署了相应集成功能框架，并阐明了各层面的关键技术支撑体系，形成完整的工业监控落地形态。最后，从电力市场下典型场景问题入手，论述了EM-DMS的应用价值，有望为公平有序、公正透明的电力市场培育和建设提供理论参考及工程建设经验。下一步，将开展EM-DMS在实际电力市场环境下的工程示范工作。