一种基于电费关键组成的用户用电特征提取方法和系统与流程

1.本发明属于电力系统技术领域，涉及一种基于电费关键组成的用户用电特征提取方法和系统。


背景技术：

2.随着智能电表在近几年的广泛应用，电网公司能够获取来自用户用电的海量数据信息，能够更加精确和全面地反映用户用电信息和用电规律，为提取用户用电特征、分析用户电费构成提供了充足的数据支撑。现有技术针对用户用电特征提取提出了多种研究方案。
3.但是以往的关于用户特征的研究局限于电力量价费系统的流程优化，而忽略了算法优化对用户用电特征提取的积极作用。例如现有技术文件1(cn112017069a)公开了一种基于用电特征的电力市场电价套餐推荐方法，根据用户类型、用电分类、用电日期、每日用电曲线以及购电电价获取不同分类的用户的用电特征，包括：通过时间维度、类属维度、响应维度对所述数据信息进行聚类分析获取不同分类的用户的用电特征。但是现有技术文件1仅注重对流程优化，而忽视了算法技术优化对系统效能提升的审视。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于电费关键组成的用户用电特征提取方法和系统，基于海量用户的电量价费数据，实现基于基本电费、电度电费、力调电费等电费关键组成提取用户用电特征。
5.本发明采用如下的技术方案。
6.一种基于电费关键组成的用户用电特征提取方法，所述方法包括以下步骤：
7.步骤1、考虑电费关键组成，从不同的电费影响因素维度采集用户月度用电数据信息；
8.步骤2、基于三次样条基函数构建电费变动函数，以反应不同影响因素对月度总电费的影响；
9.步骤3、将步骤1采集得到的数据信息输入步骤2得到的电费变动函数，得到基于不同影响因素的总电费走势，实现用户用电特征提取。
10.本发明进一步包括以下优选方案：
11.优选地，步骤1中，电费关键组成包括基本电费、电度电费、力调电费、分时电费；
12.电费影响因素包括用户所处行业、电压等级、基本电费、电度电费、力调电费和分时电费。
13.优选地，步骤2具体包括以下步骤：
14.步骤21、设置输入变量：将年度电力量价费数据进行月度区间划分；
15.步骤22、基于步骤21设置的输入变量，采用三次样条基函数和不同区间电费的特征贡献度参数构建电费变动函数；
16.步骤23、采用最小二乘法确定电费变动函数中不同区间电费的特征贡献度参数；
17.步骤24、将电费变动函数中的基函数进行修匀，调和电费变动函数的曲线拟合度和光滑度，得到优化后的电费变动函数；
18.步骤25、对优化后的电费变动函数求导，结合特征贡献度参数，得到表示月度电费变动速度和表示月度电费变动加速度的模型，以反应不同影响因素对月度总电费的影响。
19.优选地，步骤21中，将年度电力量价费数据划分为n个月度区间：
20.[(x0,x1),(x1,x2),...,(xn,x
n+1
)],共有n+1个区间点；
[0021]
其中，两个区间端点为x0＝a,xn＝b。
[0022]
优选地，步骤22具体包括：
[0023]
步骤22.1、根据输入变量，使用i个已知的基函数{φi(t)}，i＝1,2,...n来拟合月度电费连续变动曲线，所拟合的电费变动函数表示为：
[0024][0025]
其中，ci表示电费变动函数中不同区间电费的特征贡献度参数；
[0026]
步骤22.2：令月度时点间隔令基函数月度时点间隔为：hi＝x
i+1-xi，
[0027]
令月度电费变化率为：i＝0,...,n-1，
[0028]
令月度t时点处的电费变化率为：φi'(xi)＝mi[0029]
步骤22.3：当基函数φi(t)成立时，满足以下三次样条方程成立的三个条件：
[0030]ⅰ.在每个月度区间[x
n-1
,xn]上，φ(x)＝φi(x)都是一个三次方程；
[0031]ⅱ.满足φ(xi)＝yi(i＝0,1,...,n)，即某一时间点基函数值对应电费函数拟合值；
[0032]ⅲ.基函数曲线光滑，即φ(x)，φ'(x)，φ”(x)连续；
[0033]
步骤22.4：基于步骤22.3的条件构建关于hi、di、mi的关系式，用于求得月度t时点处电费的变化率mi：
[0034]hi
mi+2(hi+h
i+1
)m
i+1
+h
i+1mi+1
＝6(d
i+1-di)，i＝1,...,n-1
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0035]
步骤22.5、采用非扭结边界，令基函数φi(x)与电费变动函数均是以[a,b]为周期的函数，即：
[0036][0037]
可得方程组式(1)的矩阵表达式为：
[0038][0039]
由此得出关于mi的矩阵，进而求得关于φi(t)的系数及φi(t)的表达式。
[0040]
优选地，步骤23中，采用最小二乘法和真实的电费函数曲线确定电费变动函数中不同区间电费的特征贡献度参数，其中，真实的电费函数曲线为：
[0041][0042]
其中，i为基函数φi的个数；ti表示第i个基函数区间内的任意时点；
[0043]ci
表示电费变动函数中不同区间电费的特征贡献度参数，i＝1,....,n，用矩阵表示时，特征贡献度c＝(φ'φ)-1
φ'x；
[0044]
φ为n
×
i阶矩阵，其元素为i个基函数在n个样本点处的值；
[0045]
φ'为矩阵的转置。
[0046]
优选地，步骤24得到的优化后的电费变动函数为：
[0047][0048]
其中，λ为平滑系数，用来调节拟合度和光滑度的取舍程度；
[0049]
d表示取导数；d2表示取二阶导。
[0050]
优选地，λ为广义交叉验证gcv达到最小时的值，具体的：
[0051][0052][0053]
为平滑系数λ的取值；
[0054]
j为广义交叉验证gcv中的观测值，j＝1,
…
m，用来检验观测数据对gcv的拟合效果。
[0055]
优选地，步骤25中，对步骤24得到的优化后的电费变动函数求导，采用dm(
·
)表示函数的m阶导数，ci表示电费变动函数中不同区间电费的特征贡献度参数，则：
[0056]
m＝1，即表示月度电费变动的速度；
[0057]
m＝2，即表示月度电费变动的加速度；
[0058]
i为基函数φi(t)的个数。
[0059]
一种基于电费关键组成的用户用电特征提取系统，所述系统包括：
[0060]
数据采集模块，用于考虑电费关键组成，从不同的电费影响因素维度采集用户月度用电数据信息；
[0061]
函数构建模块，用于基于三次样条基函数构建电费变动函数，以反应不同影响因素对月度总电费的影响；
[0062]
特征提取模块，用于将数据采集模块采集得到的数据信息输入函数构建模块得到的电费变动函数，得到基于不同影响因素的总电费走势，实现用户用电特征提取。
[0063]
一种终端，包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；
[0064]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行所述方法的步骤。
[0065]
计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。
[0066]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明从算法技术优化角度优化用户用电特征提取方案，具体包括：
[0067]
(1)算法输入数据的筛选：在不同行业海量电力用户数据的基础上，分析筛选与用户用电特征密切相关的电费关键组成，将其纳入电费影响因素维度以进行用户月度用电数据信息采集，基于该采集信息进行用户用电特征提取，可以更加精确地反映不同用户的用电规律。
[0068]
(2)引入三次样条实现算法优化：基于三次样条基函数将月度月度用电数据拟合为电费变动函数，不仅能够连贯地反映电费随时间的连贯变动趋势，刻画电费在任一时间段的大致水平、变动速度和变动加速度情况，并逐点分析电费波动的原因；还便于采用图像表征的形式实现用户用电特征提取，描述各因素本身的特性和对电费的影响程度，能够最大程度上的客观描摹电力量价费数据的特性；同时，三次样条的使用能很好地避免在海量电力数据条件下插值次数过高导致的电费模型拟合失真问题，目前尚未发现三次样条处理电费数据的相关方案。
附图说明
[0069]
图1是本发明基于电费关键组成的用户用电特征提取方法的流程图；
[0070]
图2为分时电费因素对总电费的影响趋势图；
[0071]
图3为电压等级因素对总电费的影响趋势图；
[0072]
图4为总电费变化相平面图。
具体实施方式
[0073]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附
图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。本技术所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部实施例。基于本发明精神，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的有所其它实施例，都属于本发明的保护范围。
[0074]
如图1所示，本发明实施1提供一种基于电费关键组成的用户用电特征提取方法，在本发明优选但非限制性的实施方式中，所述方法包括以下步骤1-3：
[0075]
步骤1、考虑电费关键组成，从不同的电费影响因素维度采集用户月度用电数据信息；
[0076]
进一步优选地，本发明在具体实施时，为了更加精确地反映不同用户的用电规律以及电费构成，首先分析筛选与用户用电特征最密切相关的电费关键组成，包括基本电费、电度电费、力调电费、分时电费；将其纳入电费影响因素维度进行用户月度用电数据信息采集，从而，优选的电费影响因素包括用户所处行业、电压等级、基本电费、电度电费、力调电费和分时电费。
[0077]
步骤2、基于三次样条基函数构建电费变动函数，以反应不同影响因素对月度总电费的影响；
[0078]
考虑到数据拟合失真问题，以及为了连贯地反映电费随时间的连贯变动趋势，最大程度上的客观描摹电力量价费数据的特性，该步骤引入三次样条实现算法优化，基于三次样条基函数将月度月度用电数据拟合为电费变动函数。具体包括以下步骤：
[0079]
步骤21、设置输入变量：将年度电力量价费数据进行月度区间划分；
[0080]
将年度电力量价费数据划分为n个月度区间：[(x0,x1),(x1,x2),...,(x
n-1
,xn)],共有n+1个区间点；
[0081]
其中，两个区间端点为x0＝a,xn＝b。
[0082]
例如，以月度数据为观测单元，根据已有的42个月的数据，将电费划分为42个区间，即将年度电力量价费数据划分为n(n＝42)个月度区间。
[0083]
步骤22、基于步骤21设置的输入变量，采用三次样条基函数构建电费变动函数，包括三次样条基函数和不同区间电费的特征贡献度参数；具体包括：
[0084]
步骤22.1、根据输入变量，使用i个已知的基函数{φi(t)}，i＝1,2,...n来拟合月度电费连续变动曲线，所拟合的电费变动函数表示为：
[0085]
其中，ci表示电费变动函数中不同区间电费的特征贡献度参数；
[0086]
步骤22.2：令月度时点间隔令基函数月度时点间隔为：hi＝x
i+1-xi，
[0087]
令月度电费变化率为：i＝0,...,n-1，
[0088]
令月度t时点处的电费变化率为：φi'(xi)＝mi[0089]
步骤22.3：当基函数φi(t)成立时，满足以下三次样条方程成立的三个条件：
[0090]ⅰ.在每个月度区间[x
n-1
,xn]上，φ(x)＝φi(x)都是一个三次方程；
[0091]ⅱ.满足φ(xi)＝yi(i＝0,1,...,n)，即某一时间点基函数值对应电费函数拟合值；
[0092]ⅲ.基函数曲线光滑，即φ(x)，φ'(x)，φ”(x)连续；
[0093]
步骤22.4：基于步骤22.3的条件构建关于hi、di、mi的关系式，用于求得月度t时点
处电费的变化率mi：
[0094]hi
mi+2(hi+h
i+1
)m
i+1
+h
i+1mi+1
＝6(d
i+1-di)，i＝1,...,n-1
ꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0095]
步骤22.5、采用非扭结边界，令基函数φi(x)与电费变动函数均是以[a,b]为周期的函数，即：
[0096][0097]
可得方程组式(1)的矩阵表达式为：
[0098][0099]
由此得出关于mi的矩阵，进而求得关于φi(t)的系数及φi(t)的表达式。
[0100]
步骤23、采用最小二乘法确定电费变动函数中不同区间电费的特征贡献度参数；
[0101]
采用最小二乘法和真实的电费函数曲线确定电费变动函数中不同区间电费的特征贡献度参数，其中，真实的电费函数曲线为：
[0102][0103]
其中，i为基函数φi的个数；ti表示第i个基函数区间内的任意时点；
[0104]ci
表示电费变动函数中不同区间电费的特征贡献度参数，i＝1,....,n，用矩阵表示时，特征贡献度c＝(φ'φ)-1
φ'x；
[0105]
φ为n
×
i阶矩阵，其元素为i个基函数在n个样本点处的值；
[0106]
φ
′
为矩阵的转置。
[0107]
步骤24、通过粗糙惩罚将电费变动函数中的基函数进行修匀，调和电费变动函数的曲线拟合度和光滑度，得到优化后的电费变动函数；
[0108]
得到的优化后的电费变动函数为：
[0109][0110]
其中，λ为平滑系数，用来调节拟合度和光滑度的取舍程度；
[0111]
d表示取导数；d2表示取二阶导。
[0112]
λ为广义交叉验证gcv达到最小时的值，具体的：
[0113][0114][0115]
为平滑系数λ的取值；
[0116]
j为广义交叉验证gcv中的观测值，j＝1,
…
m，用来检验观测数据对gcv的拟合效果。
[0117]
上述优化后的电费变动函数的推导依据为：
[0118]
函数粗糙和波动程度进行测度的常用方法是基于函数的曲率，即对二阶导数的平方取积分：pen2(x)＝∫
t
{d2x(s)}2ds，这个式子评价的是函数x(t)的总曲率。因此，波动性较大的函数就会有较高的pen2(x)值。于是，调和数据拟合程度和估计结果光滑程度两个目标的综合准则为带惩罚的残差平方和，即通过最小化pensse
λ
(x)，可得到x(t)的估计函数
[0119]
步骤25、对优化后的电费变动函数求导，结合特征贡献度参数，得到表示月度电费变动速度和表示月度电费变动加速度的模型，以反应不同影响因素对月度总电费的影响。
[0120]
本领域技术人员可以理解的是，对步骤24得到的优化后的电费变动函数求导，采用dm(
·
)表示函数的m阶导数，ci表示电费变动函数中不同区间电费的特征贡献度参数，则：
[0121]
m＝1，即表示月度电费变动的速度；
[0122]
m＝2，即表示月度电费变动的加速度；
[0123]
i为基函数φi(t)的个数。
[0124]
步骤3、将步骤1采集得到的数据信息输入步骤2得到的电费变动函数，得到基于不同影响因素的月度总电费走势，实现用户用电特征提取。
[0125]
进一步优选地，根据影响用户用电特征的因素可绘制基于不同影响因素的总电费走势图，如图2-4所示的分时电费因素对总电费的影响趋势图、电压等级因素对总电费的影响趋势图、总电费变化相平面图。根据图2-4分别可以直观地得出分时电费因素对总电费的影响趋势，电压等级因素对总电费的影响趋势，以及总电费变化情况，其连贯地反映了电费随时间的连贯变动趋势，刻画电费在任一时间段的大致水平、变动速度和变动加速度情况，并可直观地得出分时电费、电压等级等因素本身的特性和对电费的影响程度，最大程度上的客观描摹了电力量价费数据的特性。
[0126]
本发明实施例2提供一种基于电费关键组成的用户用电特征提取系统，用于实现所述的方法，所述系统包括：
[0127]
数据采集模块，用于考虑电费关键组成，从不同的电费影响因素维度采集用户月度用电数据信息；
[0128]
函数构建模块，用于基于三次样条基函数构建电费变动函数，以反应不同影响因素对月度总电费的影响；
[0129]
特征提取模块，用于将数据采集模块采集得到的数据信息输入函数构建模块得到的电费变动函数，得到基于不同影响因素的总电费走势，实现用户用电特征提取。
[0130]
一种终端，包括处理器及存储介质；所述存储介质用于存储指令；
[0131]
所述处理器用于根据所述指令进行操作以执行所述方法的步骤。
[0132]
计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述方法的步骤。
[0133]
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明从算法技术优化角度优化用户用电特征提取方案，具体包括：
[0134]
(1)算法输入数据的筛选：在不同行业海量电力用户数据的基础上，分析筛选与用户用电特征密切相关的电费关键组成，将其纳入电费影响因素维度以进行用户月度用电数据信息采集，基于该采集信息进行用户用电特征提取，可以更加精确地反映不同用户的用电规律。
[0135]
(2)引入三次样条实现算法优化：基于三次样条基函数将月度月度用电数据拟合为电费变动函数，不仅能够连贯地反映电费随时间的连贯变动趋势，刻画电费在任一时间段的大致水平、变动速度和变动加速度情况，并逐点分析电费波动的原因；还便于采用图像表征的形式实现用户用电特征提取，描述各因素本身的特性和对电费的影响程度，能够最大程度上的客观描摹电力量价费数据的特性；同时，三次样条的使用能很好地避免在海量电力数据条件下插值次数过高导致的电费模型拟合失真问题，目前尚未发现三次样条处理电费数据的相关方案。
[0136]
本公开可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本公开的各个方面的计算机可读程序指令。
[0137]
计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、静态随机存取存储器(sram)、便携式压缩盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能盘(dvd)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其它自由传播的电磁波、通过波导或其它传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。
[0138]
这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。
[0139]
用于执行本公开操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(isa)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如smalltalk、c++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“c”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(fpga)或可编程逻辑阵列(pla)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本公开的各个方面。
[0140]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。