電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)電機(jī)系） 、國(guó)網(wǎng)（蘇州）城市能源研究院、國(guó)網(wǎng)能源研究院有限公司的研究人員王毅、張寧、康重慶、奚巍民、霍沫霖，在2019年第10期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》上撰文指出，在高比例可再生能源并網(wǎng)和電力市場(chǎng)改革不斷推進(jìn)的背景下，通過(guò)廣泛的用戶互動(dòng)為電力系統(tǒng)提供了靈活性、實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的用戶服務(wù)，成為未來(lái)智能電網(wǎng)發(fā)展的必然要求。

隨著智能電表等信息獲取手段的不斷普及，電力系統(tǒng)“物理-信息-社會(huì)”深度耦合的特征日益突出，對(duì)電力用戶的分析面臨手段上的突破，以物理模型與數(shù)據(jù)模型相結(jié)合的綜合分析成為重要趨勢(shì)。

本文提出電力用戶行為模型的概念，借鑒社會(huì)學(xué)對(duì)于用戶行為的解讀，從行為主體、行為環(huán)境、行為手段、行為結(jié)果和行為效用五個(gè)方面進(jìn)行剖析，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)上對(duì)電力用戶行為模型的內(nèi)涵和外延進(jìn)行分析，闡述用戶行為模型的研究意義；最后對(duì)電力用戶行為建模的理論研究框架進(jìn)行了分析。

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)的不斷放開客觀上要求售電商更加重視電力用戶的用電體驗(yàn)，開展以用戶為中心的售電服務(wù)以提升自身競(jìng)爭(zhēng)力。

智能電網(wǎng)為廣泛用戶互動(dòng)提供了物理、信息和市場(chǎng)全方位的支撐：隨著分布式可再生能源、儲(chǔ)能等的并網(wǎng)，電力用戶從消費(fèi)者轉(zhuǎn)變?yōu)椤爱a(chǎn)消者（Prosumer）”，能夠?qū)τ秒娫O(shè)備、儲(chǔ)能等進(jìn)行合理控制從而實(shí)現(xiàn)效用最優(yōu)，這為用戶互動(dòng)提供物理基礎(chǔ)；智能電表和通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)共同構(gòu)成的先進(jìn)量測(cè)體系（Advanced Metering Infrastructure, AMI），在采集用電數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)能量流與信息流雙向流動(dòng)中扮演重要角色，為用戶互動(dòng)提供信息通信基礎(chǔ)；開放的售電市場(chǎng)將催生繁榮的商業(yè)模式，從電價(jià)設(shè)計(jì)、用戶代理、需求響應(yīng)等各方面開展用戶服務(wù)，為用戶互動(dòng)提供市場(chǎng)基礎(chǔ)。

電力系統(tǒng)除傳統(tǒng)電力設(shè)備外，還需要信息系統(tǒng)的支撐，以及調(diào)度員、用戶等人的參與。電力系統(tǒng)日益成為一個(gè)“電力-信息-社會(huì)”高度融合的復(fù)雜系統(tǒng)，單純的物理視角建模不足以全面描述電力系統(tǒng)全貌，需要充分考慮環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)因素和人的行為對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的影響。

“物理-信息”耦合電力系統(tǒng)的研究已經(jīng)受到了廣泛的關(guān)注，重點(diǎn)考慮信息安全、大數(shù)據(jù)技術(shù)等對(duì)電力系統(tǒng)的影響，為電力系統(tǒng)提供信息視角。然而目前研究對(duì)“物理-信息-社會(huì)”深度耦合電力系統(tǒng)的社會(huì)視角建模較少，對(duì)電力系統(tǒng)中的“用戶”建模不夠。

電力負(fù)荷作為整個(gè)電力系統(tǒng)的重要組成部分，其建模受到了廣泛的關(guān)注和研究，具體包括綜合負(fù)荷建模和負(fù)荷預(yù)測(cè)等，為電力系統(tǒng)規(guī)劃、運(yùn)行和穩(wěn)定性分析等奠定了基礎(chǔ)。對(duì)用戶負(fù)荷的研究也主要關(guān)注其電氣特性或功率特性，或開展綜合負(fù)荷建模（如構(gòu)建ZIP模型）以用于電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算；或?qū)﹄娏ω?fù)荷進(jìn)行若干相關(guān)因素的敏感性分析和預(yù)測(cè)，以用于電力系統(tǒng)規(guī)劃和運(yùn)行。

電力負(fù)荷是由于電力用戶使用電器而產(chǎn)生的，傳統(tǒng)電網(wǎng)僅關(guān)注負(fù)荷本身，而沒(méi)有關(guān)注到電力負(fù)荷背后的電力用戶，沒(méi)有充分考慮電力用戶行為對(duì)電力系統(tǒng)的影響，即對(duì)需求側(cè)的建模僅考慮負(fù)荷的電氣特性，如物理視角的綜合負(fù)荷建模，而不分析海量用戶本身，對(duì)電力用戶行為的分析較少。

隨著智能電網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，對(duì)需求響應(yīng)、能效管理、用電大數(shù)據(jù)分析等相關(guān)的研究也較多。部分研究從物理視角構(gòu)建面向用戶需求響應(yīng)等的優(yōu)化模型；另一部分則開展數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析，通過(guò)聚類等方式對(duì)用戶某些特定用電方式進(jìn)行電價(jià)設(shè)計(jì)，也有開展用戶用電行為分析方面的研究。

數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的分析（Data Analytics）本質(zhì)上是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為知識(shí)從而做出更好決策的過(guò)程，一般來(lái)說(shuō)包括三個(gè)階段：描述性分析（Descriptive Analytics），對(duì)數(shù)據(jù)的基本特性有一定程度的認(rèn)識(shí)；預(yù)測(cè)性分析（Predictive Analytics），感知未來(lái)數(shù)據(jù)的發(fā)展趨勢(shì)；決策性分析（Prescriptive Analytics），通過(guò)數(shù)據(jù)做出一定的決策。

為了支持售電商、用戶、負(fù)荷聚集商、配電網(wǎng)調(diào)動(dòng)員和數(shù)據(jù)服務(wù)提供商的業(yè)務(wù)，遵循描述性分析、預(yù)測(cè)性分析和決策性分析三個(gè)分析階段，智能用電數(shù)據(jù)分析的國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要可以分為負(fù)荷分析、負(fù)荷預(yù)測(cè)和負(fù)荷管理等。

在負(fù)荷分析方面，具體包括壞數(shù)據(jù)辨識(shí)、竊電檢測(cè)和用電模式辨識(shí)等研究；在負(fù)荷預(yù)測(cè)方面，具體包括不含智能電表數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)、含智能電表數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和概率預(yù)測(cè)等研究；在負(fù)荷管理方面，具體包括用戶特性辨識(shí)、需求響應(yīng)資源定位和需求響應(yīng)實(shí)施等研究。

可以看到，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在用電數(shù)據(jù)分析方面開展了大量的研究，這些研究在需求響應(yīng)、電價(jià)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)運(yùn)行等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。然而目前研究往往還是圍繞某一具體應(yīng)用開展的，類似于“面向過(guò)程”的程序編寫，缺乏對(duì)電力用戶行為體系化的認(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)確分析電力用戶行為的確切含義，也沒(méi)有“系統(tǒng)性”地構(gòu)建“用戶行為”的模型，對(duì)用戶行為的認(rèn)知沒(méi)有像“物理-信息”一樣上升到“系統(tǒng)”或“模型”的層面。

當(dāng)下，行為學(xué)和社會(huì)學(xué)在各個(gè)行業(yè)的研究與應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注，自然（Nature）期刊出版社研究專門開辟在線論壇供研究者探討和分享行為學(xué)和社會(huì)學(xué)研究及其在各行業(yè)的應(yīng)用，能源行業(yè)就是其中之一。所以未來(lái)在需求側(cè)建模與分析時(shí)，需要提供更多的社會(huì)學(xué)、行為學(xué)等視角，以重新審視未來(lái)越來(lái)越“主動(dòng)”的電力用戶。

電力系統(tǒng)中的用戶本身是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，鮮有現(xiàn)成的解析化模型可以進(jìn)行分析，所以電力用戶行為的建模是難以模型驅(qū)動(dòng)的，而海量用電大數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的用戶行為分析提供了新的解決途徑。

本文以電力用戶行為為核心，從社會(huì)學(xué)視角剖析電力用戶行為的基本構(gòu)成及其內(nèi)在邏輯關(guān)系，將電力用戶行為模型的構(gòu)建轉(zhuǎn)化為一系列用戶特征屬性辨識(shí)及其關(guān)聯(lián)關(guān)系構(gòu)建問(wèn)題，從用戶肖像、用電結(jié)構(gòu)、用電曲線、用電趨勢(shì)以及用戶集群等方面開展前瞻性的基礎(chǔ)理論與方法的研究工作，構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電力用戶行為建模研究框架。研究工作在我國(guó)高比例可再生能源并網(wǎng)和售電市場(chǎng)逐步放開的大趨勢(shì)下將具有重要的理論和實(shí)用價(jià)值。

1 電力用戶行為模型基本概念

用戶行為模型的概念在供應(yīng)鏈管理、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、用戶畫像、網(wǎng)絡(luò)推薦、情報(bào)文獻(xiàn)管理等領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的用戶服務(wù)；而電力用戶是在電力系統(tǒng)中的一種特定用戶，電力用戶行為模型是用戶行為模型和電力系統(tǒng)的交匯點(diǎn)。

1.1 定義

“行為”一詞具有豐富的含義，在不同研究領(lǐng)域具有不同的解讀方式。本文所描述的電力用戶行為是從社會(huì)學(xué)和心理學(xué)的角度進(jìn)行解讀：電力用戶行為是指電力用戶在外界環(huán)境影響下所產(chǎn)生的用電活動(dòng)和表現(xiàn)出來(lái)與用電相關(guān)的態(tài)度。其中產(chǎn)生的用電活動(dòng)是能夠通過(guò)傳感器如智能電表等計(jì)量或察覺(jué)到的顯性行為；而表現(xiàn)的用電態(tài)度（包括是否接受需求響應(yīng)等）是不容易被直接觀察到的思維方式、態(tài)度等隱性行為。

在社會(huì)學(xué)領(lǐng)域，人的行為一般由行為主體、行為環(huán)境、行為手段、行為結(jié)果和行為客體五個(gè)部分組成。相似地，圖1給出了電力用戶行為的基本構(gòu)成及其延拓。在電力系統(tǒng)中，電力用戶具有自身的效用函數(shù)，其所做出的用電行為是為了追求更大的效用，所以對(duì)于電力用戶而言，其行為構(gòu)成中行為客體用行為效用替代。

電力用戶行為的基本組成主要包括五個(gè)部分：①行為主體：電力用戶本身，其中電力用戶是具有認(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、其他用戶行為等；③行為手段：電力用戶為達(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、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：電力用戶最終產(chǎn)生的用電曲線或特定的用電模式，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。

圖1 電力用戶行為模型的基本組成反其延拓

以上五個(gè)組成部分具有緊密的內(nèi)在邏輯關(guān)系：行為主體（電力用戶）根據(jù)自身屬性和當(dāng)時(shí)的行為環(huán)境（外界因素），采取一定的行為手段（使用電器設(shè)備），從而產(chǎn)生行為結(jié)果（形成電力消費(fèi)），以實(shí)現(xiàn)最高的行為效用（如獲利等）。

五個(gè)組成部分呈現(xiàn)電力用戶行為由本征到表象的遞進(jìn)關(guān)系、從隱性行為到顯性行為的承接關(guān)系。需要指出的是，電力用戶行為和用戶用電行為是兩個(gè)不同的概念，用戶用電行為僅描述用戶用電所表現(xiàn)出來(lái)的功率特性，是一種用戶顯性行為，也就是說(shuō)用戶用電行為是電力用戶行為的重要組成部分。

對(duì)于單一電力用戶行為，可以進(jìn)行空間上的延拓，即集群行為，根據(jù)某一用戶特性，將多個(gè)相似的用戶聚集到一起，構(gòu)成若干個(gè)具有某一相似特性的用戶集群；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。

在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步定義電力用戶行為模型。電力用戶行為模型就是利用多元化信息，通過(guò)優(yōu)化建模、數(shù)據(jù)分析等手段，揭示和描述行為主體、行為環(huán)境、行為手段、行為結(jié)果、行為效用、預(yù)見(jiàn)行為、集群行為的內(nèi)在特性及其相互關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力用戶行為的一種抽象和特征的規(guī)范化表達(dá)。

面向某一具體應(yīng)用的用戶用電數(shù)據(jù)分析類似于“面向過(guò)程”的程序編寫，是為了作該應(yīng)用提供特定的解決方案的；而電力用戶行為模型的構(gòu)建類似于“面向?qū)ο蟆钡恼w性設(shè)計(jì)，針對(duì)用戶行為這個(gè)具體對(duì)象，設(shè)計(jì)五個(gè)基本構(gòu)成和兩個(gè)派生行為，行為模型則是在描述這些行為構(gòu)成和派生之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

1.2 內(nèi)涵

根據(jù)電力用戶行為模型的定義，其內(nèi)涵包括以下幾個(gè)方面：

（1）以多元化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。

智能電表等的普及為需求側(cè)的更廣泛、更細(xì)粒度的數(shù)據(jù)采集提供了基礎(chǔ)，包括用戶用電數(shù)據(jù)、電動(dòng)汽車充放電數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、電價(jià)數(shù)據(jù)等。電力用戶是具有一定認(rèn)知和思維能力的人，用戶本身就可以認(rèn)為是世界上最復(fù)雜的系統(tǒng)。

對(duì)電力系統(tǒng)物理元件的建模有先驗(yàn)的物理模型，然后開展參數(shù)估計(jì)；而對(duì)人行為的建模不同，往往是基于大量觀測(cè)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，所以需要以多元化數(shù)據(jù)為支撐，而不是簡(jiǎn)單的幾個(gè)物理參數(shù)。

（2）以優(yōu)化建模、數(shù)據(jù)分析為手段。

電力用戶行為模型一般是以優(yōu)化建模和數(shù)據(jù)分析為手段的。如基于一定的效用假設(shè)建立一定外界環(huán)境下的用戶用電優(yōu)化模型，進(jìn)而分析用戶用電行為；又如用戶的社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性如何影響用戶的用電曲線，或者用戶用電曲線如何反映用戶社會(huì)經(jīng)濟(jì)屬性是沒(méi)有現(xiàn)成模型去描述的，可以認(rèn)為是一個(gè)高維且非線性的映射關(guān)系，此時(shí)需要用先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析手段描述兩者之間的關(guān)系。

（3）以描述行為構(gòu)成內(nèi)在特性及其相互關(guān)聯(lián)關(guān)系為目的。

一個(gè)模型一般包含目標(biāo)、變量和關(guān)系三個(gè)部分，由于用戶行為有五個(gè)基本構(gòu)成和時(shí)空尺度兩種延拓，所以用戶行為模型應(yīng)該是一系列子模型的集合，而每一個(gè)子模型均描述用戶行為構(gòu)成之間的關(guān)系，擁有自己的目標(biāo)、變量和關(guān)系。

例如，用戶肖像辨識(shí)子模型，以用戶用電曲線為變量，以辨識(shí)用戶社會(huì)經(jīng)濟(jì)等信息為目標(biāo)，構(gòu)建起兩者之間的高維非線性關(guān)系；又如用戶分布式光伏、儲(chǔ)能的主動(dòng)負(fù)荷辨識(shí)子模型，以外界環(huán)境、用電曲線等為變量，以剝離分布式光伏、儲(chǔ)能等為目標(biāo)，構(gòu)建起主動(dòng)負(fù)荷出力和外界環(huán)境因素以及最終凈負(fù)荷曲線之間的關(guān)系。

1.3 外延

電力用戶行為模型根據(jù)用戶的基本類型和用戶行為模型的子模型，具有不同形式的外延。

以用戶的基本類型劃分，用戶類型包括居民用戶、商業(yè)用戶、工業(yè)用戶和樓宇等，有時(shí)負(fù)荷聚集商因?yàn)槠浯砟骋患河脩襞c電力系統(tǒng)進(jìn)行交互，所以負(fù)荷聚集商業(yè)可以看作一個(gè)用戶類型。不同類型的用戶意味著行為主體類型發(fā)生了變化，用于描述其基本特性的屬性定義也會(huì)發(fā)生一定的變化。

例如對(duì)于居民用戶，可以通過(guò)年齡、是否退休、工作類型、所處社會(huì)階層等屬性對(duì)其進(jìn)行肖像描繪；而這些屬性不能適用于樓宇，而樓層數(shù)量、樓宇年限、是否安裝能量管理系統(tǒng)等屬性則是對(duì)樓宇“肖像”的描述。

以用戶行為模型的子模型劃分，用戶行為模型構(gòu)成復(fù)雜，內(nèi)部相互影響，很難通過(guò)一個(gè)完整的關(guān)系構(gòu)建這五個(gè)基本構(gòu)成和時(shí)空尺度兩種延拓之間的關(guān)系，需要用一系列的子模型描述兩個(gè)及以上組成部分之間的映射關(guān)系。

例如行為主體與行為結(jié)果之間的映射關(guān)系可能是較為復(fù)雜的；而行為手段和行為結(jié)果之間的關(guān)系就是簡(jiǎn)單的加和關(guān)系；行為環(huán)境與行為手段也可能是復(fù)雜的，但對(duì)于分布式光伏而言又是可以用光伏板能量轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行描述的。用戶行為的子模型眾多，將在研究框架中進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

1.4 與其他模型之間的關(guān)系

1.4.1 從用戶行為模型到電力用戶行為模型

用戶行為模型這個(gè)概念在個(gè)性化推薦系統(tǒng)、社交網(wǎng)絡(luò)、個(gè)性化城市導(dǎo)航、人機(jī)交互設(shè)計(jì)、自適應(yīng)新聞訪問(wèn)等領(lǐng)域已經(jīng)具有廣泛的應(yīng)用，其根本目的是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的用戶服務(wù)從而提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力并增加盈利。例如在市場(chǎng)營(yíng)銷領(lǐng)域，可以嘗試構(gòu)建用戶“肖像”，描述用戶的某些關(guān)鍵特征，從而對(duì)用戶進(jìn)行分類，然后根據(jù)每一類用戶的特性提供不同類型的服務(wù)，推銷特定的商品等；又如在廣告推送領(lǐng)域，可以根據(jù)用戶的網(wǎng)站瀏覽記錄及其路徑，對(duì)用戶購(gòu)買行為進(jìn)行建模，從而推送個(gè)性化的廣告。

從服務(wù)提供者角度來(lái)看，構(gòu)建用戶行為模型的本質(zhì)是挖掘用戶在不同“動(dòng)作”（如商品購(gòu)買、網(wǎng)頁(yè)瀏覽等）之間可能存在的關(guān)系，從而推斷出用戶未來(lái)潛在的需求或喜好，從而實(shí)現(xiàn)高效的個(gè)性化服務(wù)。從用戶角度來(lái)看，用戶享受到的服務(wù)可能是趨同的，或者存在多元化的服務(wù)，用戶卻不能高效地找到最符合自身的服務(wù)，面臨“信息過(guò)載”的問(wèn)題，而用戶行為模型的構(gòu)建希望實(shí)現(xiàn)服務(wù)的主動(dòng)推薦與提供。

從“電力系統(tǒng)被動(dòng)滿足需求”到“電力用戶主動(dòng)需求響應(yīng)”的轉(zhuǎn)變是智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要特征之一。售電市場(chǎng)的放開與繁榮使得市場(chǎng)眾多參與主體如售電商、負(fù)荷聚集商為用戶提供多樣化的產(chǎn)品，例如不同類型的電價(jià)套餐、多樣化的需求響應(yīng)合同等，電力用戶接受到的服務(wù)產(chǎn)品是多樣且復(fù)雜的，也存在“信息過(guò)載”的問(wèn)題。

這就要求為每個(gè)用戶建立一個(gè)用戶行為模型，包括用戶肖像、用電結(jié)構(gòu)、用電模式、用電趨勢(shì)、甚至用電態(tài)度等，然后根據(jù)不同用戶的用電行為，減少用戶在售電市場(chǎng)中電價(jià)套餐、需求響應(yīng)、商品推薦等方面的服務(wù)選擇范圍，而是進(jìn)行個(gè)性化的推薦或主動(dòng)提供相應(yīng)的服務(wù)。

另外電力系統(tǒng)用戶是海量的，只有通過(guò)構(gòu)建電力用戶行為模型，才能對(duì)電力用戶的行為進(jìn)行一定程度的抽象，進(jìn)而提升服務(wù)效率。所以，電力用戶行為模型是用戶行為模型在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用與拓展，如圖2所示。

圖2 從用戶行為模型到電力用戶行為模型

1.4.2 從綜合負(fù)荷模型到電力用戶行為模型

在智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)的背景下，電力用戶扮演了至關(guān)重要的角色，僅僅關(guān)注電力系統(tǒng)的物理特性不足以對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)進(jìn)行全面的建模，需要充分考慮電力用戶行為的建模，從而挖掘其互動(dòng)特性。雖然需求響應(yīng)等的研究已經(jīng)涉及到用戶行為與互動(dòng)，但主要還是關(guān)注用戶用電設(shè)備安排等更加微觀的物理模型。因此需要更全面地對(duì)用戶行為進(jìn)行建模，特別是從社會(huì)學(xué)、心理學(xué)等視角進(jìn)行分析，真正實(shí)現(xiàn)以電力用戶為核心的電力系統(tǒng)價(jià)值創(chuàng)造。

對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)，同步發(fā)電機(jī)組、電力網(wǎng)絡(luò)、電力負(fù)荷、電力電子裝備等是其重要組成部分。同步發(fā)電機(jī)組中的發(fā)電機(jī)、勵(lì)磁系統(tǒng)、原動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以及綜合負(fù)荷建模復(fù)雜，其參數(shù)構(gòu)成了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)需要重點(diǎn)辨識(shí)的“四大參數(shù)”。

“四大參數(shù)”辨識(shí)為傳統(tǒng)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供支撐。圖3給出了電力系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)的基本組成部分，在原來(lái)傳統(tǒng)的“四大參數(shù)辨識(shí)”基礎(chǔ)上，增加了“電力用戶行為模型”，更關(guān)注需求側(cè)用戶本身的用電行為，嘗試發(fā)現(xiàn)用戶整個(gè)用電過(guò)程中隱藏的基本規(guī)律。

在需求側(cè)從綜合負(fù)荷建模到用戶行為建模的拓展是一種視角和思維上的轉(zhuǎn)變，是電力系統(tǒng)模型的一個(gè)全新的組成部分，綜合負(fù)荷建模和用戶行為建模構(gòu)成需求側(cè)建模的一體兩面。

圖3 從綜合負(fù)荷模型到電力用戶行為模型

2 電力用戶行為基本特性

電力用戶行為具有效用趨優(yōu)性、主動(dòng)性、多樣性、可預(yù)見(jiàn)性、不確定性、高維復(fù)雜性、集群特性和弱可觀測(cè)性等基本特性，這些特性也將成為構(gòu)建用戶行為模型的基礎(chǔ)。下面將分別闡述。

2.1 效用趨優(yōu)性

作為有認(rèn)知和思維能力的人，用戶最終產(chǎn)生用電行為一定是受到外界環(huán)境的影響，通過(guò)使用或控制某些電器設(shè)備，從而滿足自身日常或某些特定需求，從而實(shí)現(xiàn)效用最大化。在用戶需求響應(yīng)和家庭能量管理系統(tǒng)中，其內(nèi)在設(shè)置也是通過(guò)合理安排電器設(shè)備的使用，在滿足用戶舒適度的情況下實(shí)現(xiàn)用電成本最低。雖然用戶不能像軟件程序一樣對(duì)自己的用電行為進(jìn)行精確建模并求得最優(yōu)，但也是趨向于增加自己的用電效用，降低自己的用電成本。

2.2 主動(dòng)性

用戶不是消極被動(dòng)地接受電力系統(tǒng)的供電，而是具有一定主觀能動(dòng)性的，為了實(shí)現(xiàn)效用趨優(yōu)，會(huì)根據(jù)外部環(huán)境的變化，主動(dòng)地改變自己的用電行為。目前開展的需求響應(yīng)和能效管理等項(xiàng)目都需要充分調(diào)動(dòng)用戶的主觀能動(dòng)性，將傳統(tǒng)“被動(dòng)負(fù)荷”轉(zhuǎn)變?yōu)椤爸鲃?dòng)負(fù)荷”。

2.3 多樣性

不同用戶具有自身不同的效用度量標(biāo)準(zhǔn)（即效用函數(shù)）；也因?yàn)橛秒娫O(shè)備的不同，導(dǎo)致行為手段也有所不同；此外，不同區(qū)域的用戶所受到的外界環(huán)境刺激也是不一樣的。不同行為主體、行為時(shí)段在不同行為環(huán)境下所產(chǎn)生的行為結(jié)果當(dāng)然是具有多樣性的，包括不同用戶的多樣性和同一用戶不同時(shí)段的多樣性。

2.4 可預(yù)見(jiàn)性

用戶的效用趨優(yōu)性使得用戶行為具有一定內(nèi)在規(guī)律，在掌握了這些內(nèi)在規(guī)律的情況下，可以對(duì)用戶的各種行為有一定的預(yù)見(jiàn)，例如根據(jù)用戶的歷史用電曲線分析，可以預(yù)測(cè)用戶未來(lái)一段時(shí)間的用電曲線，也可以通過(guò)用戶的社會(huì)經(jīng)濟(jì)等信息推測(cè)其未來(lái)用電的基本模式。用戶行為的可預(yù)見(jiàn)性來(lái)自于同一個(gè)用戶行為的穩(wěn)定性以及不同用戶行為具有的相似規(guī)律。

2.5 不確定性

用戶行為在具有可預(yù)見(jiàn)性的同時(shí)也具有不確定性，用戶的用電行為實(shí)質(zhì)上是用戶長(zhǎng)期工作與生活習(xí)慣的基礎(chǔ)上疊加一系列隨機(jī)事件的結(jié)果。因此電力用戶行為模型中將不可避免地存在不確定性。不確定性既可能來(lái)源于純粹的隨機(jī)事件導(dǎo)致的用戶隨機(jī)行為，又可能來(lái)源于未辨識(shí)出的用戶規(guī)律性行為所導(dǎo)致的模型偏差。

電力用戶行為模型的不確定性在時(shí)間維度上體現(xiàn)為其時(shí)變性，對(duì)于短期而言，電力用戶模型在一天內(nèi)不同時(shí)段、工作日和休息日可能存在差異，對(duì)長(zhǎng)期而言，隨著電力用戶生活方式的變化、消費(fèi)水平的升級(jí)以及用電設(shè)備智能化水平的提高，其用戶行為模型也將隨之變化。因此，電力用戶行為模型的構(gòu)建離不開對(duì)其不確定性的刻畫。

2.6 高維復(fù)雜性

對(duì)用戶用電行為的刻畫涉及到用戶的一系列基本屬性，由于人的自然屬性與社會(huì)屬性具有高度的復(fù)雜性，人的行為具有多個(gè)復(fù)雜的側(cè)面，無(wú)法采用幾個(gè)簡(jiǎn)單屬性對(duì)用戶用電行為進(jìn)行全方位的刻畫，因此電力用戶行為模型必將存在高維復(fù)雜性?！笆澜缟蠜](méi)有兩片完全相同的樹葉，更沒(méi)有完全相同的兩個(gè)人”，每個(gè)用戶都將是高維用戶行為模型空間中的一個(gè)實(shí)例。

此外，用戶用電行為與其生產(chǎn)生活緊密相關(guān)，人的行為具有高度的主觀性，因此相比客觀規(guī)律而言，用戶行為模型往往沒(méi)有現(xiàn)成的解析數(shù)學(xué)表達(dá)式，而具有復(fù)雜的非解析和非線性的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

2.7 集群特性

人的生產(chǎn)活動(dòng)具有社會(huì)性，所以電力用戶行為表現(xiàn)出一定的集群特性，即不同用戶個(gè)體的用電模型在屬性空間或者其子空間上自主地形成一系列的組團(tuán)，每個(gè)組團(tuán)中用戶的用電特征趨同，不同組團(tuán)中用電特征具有明顯差異。用戶的集群特性為用戶模型的聚類分析與組團(tuán)建模提供了線索。

2.8 弱可觀測(cè)性

電力用戶行為是復(fù)雜多變的，而電力系統(tǒng)與電力用戶的信息交互往往僅通過(guò)智能電表進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)用電曲線等顯性行為的直接觀測(cè)；而對(duì)其內(nèi)部用電行為，包括單一電器的用電行為、分布式光伏的出力、分布式儲(chǔ)能的響應(yīng)行為、用戶態(tài)度等隱性行為都無(wú)法直接觀測(cè)。于是需要電力系統(tǒng)融合更多元化和更細(xì)粒度的數(shù)據(jù)應(yīng)對(duì)這種弱可觀測(cè)性帶來(lái)的 挑戰(zhàn)。

3 電力用戶行為模型數(shù)學(xué)表達(dá)（略）

由于電力用戶行為模型是用來(lái)描述電力用戶行為主要構(gòu)成及其拓展內(nèi)在特性和相互關(guān)聯(lián)關(guān)系的模型，所以為了規(guī)范化地描述電力用戶行為模型，需要對(duì)電力用戶行為的主要構(gòu)成部分進(jìn)行數(shù)學(xué)定義，其中相關(guān)的數(shù)學(xué)符號(hào)見(jiàn)表1。

表1 用戶行為模型數(shù)學(xué)表達(dá)符號(hào)匯總

4 電力用戶行為模型研究范式（略）

本節(jié)將介紹電力用戶行為建模的研究框架，包括基本研究范式和研究?jī)?nèi)容。

圖4給出了電力用戶行為建模的基本研究范式，主要包括數(shù)據(jù)收集、用戶行為模型和用戶互動(dòng)三個(gè)模塊。在這三個(gè)模塊中，數(shù)據(jù)收集是基礎(chǔ)、用戶行為模型是核心、用戶互動(dòng)是目的，三者依次遞進(jìn)構(gòu)成閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)電力用戶行為模型的不斷更新和優(yōu)化。

圖4 電力用戶行為建模研究范式

具體地，在數(shù)據(jù)收集模塊中，需要廣泛地收集多元化的與用戶用電特征相關(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)（如用戶對(duì)不同電價(jià)下的用電行為等）。

用戶模型模塊主要包括用戶屬性定義、用戶屬性辨識(shí)和用戶行為模型更新三個(gè)步驟。

5 電力用戶行為模型研究框架

在電力用戶行為建模研究范式中，用戶行為模型是核心，而用戶屬性的定義又是用戶行為模型的基礎(chǔ)。電力用戶屬性應(yīng)該具有以下四個(gè)方面的性質(zhì)：

（1）應(yīng)用驅(qū)動(dòng)性：用戶屬性是描述電力用戶特征的規(guī)范化表達(dá)方法，用戶本身是復(fù)雜的，需要海量的屬性進(jìn)行全面的刻畫，而構(gòu)建用戶行為模型的目的是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶的個(gè)性化服務(wù)以及用戶與電網(wǎng)的優(yōu)化互動(dòng)，所以需要對(duì)用戶的屬性進(jìn)行篩選，保留重要的具有在電力系統(tǒng)中應(yīng)用潛力的屬性。例如需要對(duì)用戶的社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息進(jìn)行挖掘，以在語(yǔ)音服務(wù)、電器推銷等方面進(jìn)行應(yīng)用；又如用電模式的辨識(shí)為分時(shí)電價(jià)制定等提供基礎(chǔ)。

（2）屬性漂移性：用戶的屬性并不是一成不變的，可能隨時(shí)間發(fā)生一定的變化，對(duì)于屬性漂移，需要對(duì)用戶的屬性進(jìn)行實(shí)時(shí)或定時(shí)地修正，例如基于權(quán)值衰減的屬性修正方法。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)可變用戶行為模型的及時(shí)建立和更新，需要滾動(dòng)地或以一定周期重新獲取包括用電數(shù)據(jù)、氣象數(shù)據(jù)、電價(jià)數(shù)據(jù)和問(wèn)卷數(shù)據(jù)等在內(nèi)的各種用戶行為數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上對(duì)用戶行為模型的核心關(guān)系和參數(shù)進(jìn)行更新或修正。

（3）屬性一致性：用戶屬性集之間應(yīng)該保證內(nèi)在的一致性，不同的屬性刻畫用戶的不同方面，所得到的屬性值不能存在互相矛盾的地方，而是相互印證，盡可能全面刻畫用戶本身及其用電的特性。

（4）可評(píng)價(jià)性：不同屬性值的表現(xiàn)形式是不一樣的，但需要能夠?qū)υ搶傩赃M(jìn)行評(píng)價(jià)從而更好地指導(dǎo)數(shù)據(jù)的采集和屬性的辨識(shí)，例如概率化模型可以通過(guò)分位數(shù)損失評(píng)價(jià)、分類離散值通過(guò)準(zhǔn)確度或者分類熵評(píng)價(jià)等，所有的屬性表達(dá)應(yīng)該是具體化的數(shù)值表達(dá)，并且有相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括定性的評(píng)價(jià)和定量的評(píng)價(jià)，也有基于統(tǒng)計(jì)數(shù)值的評(píng)價(jià)和基于效用的評(píng)價(jià)。

根據(jù)以上用戶屬性的基本性質(zhì)，以居民用戶為例，從內(nèi)生屬性、用電屬性和偏好屬性三個(gè)方面，歸納了反應(yīng)電力用戶行為的若干屬性。

圖5 根據(jù)用戶行為的構(gòu)成，歸納了電力用戶行為模型及其分析方法的多維度研究框架。

圖5 電力用戶行為建模維度分析

對(duì)于行為主體，可以實(shí)現(xiàn)用戶的肖像描繪，包括用戶基本屬性，如性別年齡、職業(yè)薪酬、社會(huì)階層、房屋情況等，用戶偏好屬性，如需求響應(yīng)意愿、用電偏好等。

圖6給出了三個(gè)用戶的平均周負(fù)荷曲線和對(duì)應(yīng)的用戶社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息，以方便更直觀地從用電曲線中獲取部分用戶社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息。

已退休的用戶#1018在工作時(shí)間用電水平也維持在較高水平，而未退休的用戶#1020和用戶#1032除周末外，在工作時(shí)間段用電水平較低，這與三個(gè)用戶的工作狀態(tài)是相符的。用戶#1032的臥室數(shù)量較少，其用電水平也相對(duì)較低。家中有小孩的用戶#1018在較晚的時(shí)候仍然有較高的用電水平，可能是該用戶房屋類型為平房（類似別墅），所有家庭成員都居住在一起，有家庭其他成員在夜間仍然保持活躍的用電，甚至為了在夜間照顧小孩。三個(gè)用戶在晚間18 00～20 00之間都保持較為活躍的用電，這與一般家庭用電習(xí)慣相符。

文獻(xiàn)[39]利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)搭建起了用戶用電曲線和用戶社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息的橋梁。

圖6 用戶用電曲線與用戶社會(huì)經(jīng)濟(jì)信息對(duì)應(yīng)關(guān)系示例

對(duì)于行為手段，即用戶用電行為結(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。

非侵入式辨識(shí)的研究可以追溯到20世紀(jì)70年代，然而目前相關(guān)研究還沒(méi)有充分考慮分布式可再生能源和儲(chǔ)能等接入的影響。另一種解讀則是對(duì)用戶不同的分量進(jìn)行解析，例如將用戶的用電行為結(jié)構(gòu)解析為氣象敏感分量、電價(jià)敏感分量、基礎(chǔ)用電分量等；又如將用戶用電行為結(jié)構(gòu)解析為季節(jié)分量、周分量、日分量等；再如將用戶用電行為結(jié)構(gòu)解析為低頻穩(wěn)定分量和高頻隨機(jī)分量等。

對(duì)于行為結(jié)果，可以辨識(shí)用戶用電的基本模式、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)荷曲線的聚類就可以實(shí)現(xiàn)用戶用電模式的提取，文獻(xiàn)[40]則從稀疏視角重新審視用戶用電曲線，認(rèn)為用戶用電曲線本質(zhì)上是幾種用電行為的疊加，如圖7所示，然后將用戶行為模式提取問(wèn)題建模為一個(gè)稀疏編碼問(wèn)題，能夠有效辨識(shí)用戶用電子模式，實(shí)現(xiàn)海量用電數(shù)據(jù)的壓縮。

圖7 基于稀疏表示的用電子模式提取示意圖

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)，為了更好地描述用戶用電行為的不確定性，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了越來(lái)越多的面向單一用戶的概率性負(fù)荷預(yù)測(cè)研究。

例如文獻(xiàn)[42]提出分位數(shù)長(zhǎng)短時(shí)記憶網(wǎng)絡(luò)模型，對(duì)單一用戶未來(lái)用電趨勢(shì)進(jìn)行概率性預(yù)測(cè)。圖8給出了典型的超短期居民用戶概率性負(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8 居民用戶概率性負(fù)荷預(yù)測(cè)示例

對(duì)于集群行為，可以根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)即某一用戶行為特征對(duì)用戶進(jìn)行集群劃分，如根據(jù)用戶基本屬性、電器設(shè)備使用、用電曲線形態(tài)等進(jìn)行集群辨識(shí)，如圖9所示。

圖9 用戶集群劃分示例

結(jié)論

本文提出了電力用戶行為模型的基本概念，剖析了用戶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行為建模的理論研究框架，希望本文能夠?yàn)殡娏τ脩粜袨槟Ｐ偷难芯刻峁﹨⒖?，?gòu)架數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的以用戶為中心的研究與應(yīng)用“生態(tài)”，進(jìn)一步促進(jìn)能源互聯(lián)網(wǎng)背景下的用戶互動(dòng)。