Anomalią w kontekście zużyć rzeczywistych i prognoz zużyć energii elektrycznej jest odstępstwo lub nieprawidłowość występujące w oczekiwanym modelu przebiegu zużycia rzeczywistego i/lub przebiegu prognozy. Na podstawie charakterystycznych cech danej anomalii, można ją zidentyfikować i dokonać właściwej klasyfikacji, tworząc zbiór informacji stanowiący typologię anomalii.
Na podstawie dotychczasowych prac badawczych w ramach realizowanego przez Ebicom projektu wyróżniliśmy i sklasyfikowaliśmy kilka głównych typów anomalii (posiadających różne warianty) występujących w zużyciach rzeczywistych i prognozach zużyć energii elektrycznej. Prawidłowo opracowany algorytm wykrywania anomalii pozwala odpowiednio wyznaczyć i przypisać wykryte nieprawidłowości do wybranej grupy.
Czym charakteryzują się najistotniejsze ze zdefiniowanych anomalii? Przyjrzyjmy się kilku poniższym przykładom.
Rozbieżności w poziomie zużycia rzeczywistego oraz prognozie (różnica wolumenów)
Cechą charakterystyczną tej anomalii jest znacząca różnica pomiędzy poziomem zużycia rzeczywistego, a przygotowaną dla niego prognozą. Sumaryczny wolumen zużycia rzeczywistego dość istotnie odbiega od sumarycznej wartości prognozy. W związku z czym występują duże przeszacowania lub niedoszacowania prognozy.
- Przebieg zużycia (kolor pomarańczowy) z większym poziomem w okresach chłodniejszych. W początkowym okresie przebieg na wysokim poziomie z dużymi amplitudami, później następuje spadek poziomu zużycia. Przygotowana prognoza (kolor niebieski) nie jest dostosowana do rzeczywistego przebiegu zużycia. W początkowym okresie poziom prognozy pokrywa się z rzeczywistym zużyciem, ale w późniejszym – pozostaje na wysokim poziomie, podczas gdy zużycie rzeczywiste znacznie spada. Występuje znaczne przeszacowanie prognozy
- Algorytm wskazuje nieprawidłowy poziom przygotowanej prognozy
- Następuje oznaczenie anomalii na prognozie (wymagana jest korekta prognozy)
Krótkotrwałe wartości odstające od przewidywanego modelu przebiegu
Charakteryzują się bardzo krótkim (zazwyczaj na poziomie godziny lub kilku godzin), ale sporym i nagłym wzrostem lub spadkiem przebiegu zużycia. To znaczące odstępstwo wykracza poza zdefiniowany podczas badań „przedział ufności” (zakres wartości, które są akceptowalne i ich wystąpienie nie oznacza nieprawidłowości) dla danego przebiegu.
- Przebieg zużycia (kolor pomarańczowy) z charakterystycznym profilem „zimowym” (wysokie zużycie w okresie chłodniejszym, niskie – w okresie cieplejszym). Można wyznaczyć określony przedział ufności (zakres wartości akceptowalnych -zielony obszar), w ramach którego występujące wartości zużycia mieszczą się w granicach normy
- Algorytm wskazuje wartości odstające od założonego modelu przebiegu, wykraczające poza akceptowalny przedział wartości
- Następuje oznaczenie anomalii w przebiegu zużycia
Zmiany poziomów zużyć: skoki zużyć oraz trendy
W przypadku trendów charakterystycznym elementem jest zauważalny, stopniowy wzrost lub spadek poziomu zużycia rzeczywistego następujący wraz z przebiegiem czasu. Skoki natomiast cechują się znaczącymi, trwającymi przez dłuższy okres (subiektywnie definiowanym w zależności od posiadanych i znanych atrybutów zużycia) zmianami w poziomie zużycia.
Trendy wzrostowe/spadkowe
- W przebiegu zużycia (kolor pomarańczowy) następuje stopniowy wzrost poziomu w kolejnych okresach. Można zauważyć trend wzrostowy. Przygotowana prognoza (kolor niebieski) jest na stałym poziomie i nie przewiduje wzrostu zużycia
- Algorytm wskazuje nieprawidłowy poziom prognozy zużycia
- Następuje oznaczenie anomalii na prognozie (wymagana jest korekta prognozy)
Dłuższe skoki w przebiegu zużycia
- W przebiegu zużycia (kolor pomarańczowy) wystąpił znaczny skok w określonych przedziałach czasu. Prognoza (kolor niebieski) nie przewiduje wzrostu poziomu zużycia
- Algorytm wskazuje niespotykany poziom zużycia, niezgodny z założonym modelem przebiegu.
- Następuje oznaczenie anomalii na zużyciu i prognozie (wymagana jest korekta prognozy)
Nieprawidłowo dobrany profil prognozy do zużyć rzeczywistych
Cechuje się niedopasowaniem profilu przygotowanej prognozy do zużycia rzeczywistego. Występuje w sytuacji, gdy zakładana charakterystyka zużyć punktu poboru (sposób korzystania z energii w określonych jednostkach czasu) dość istotnie różni się od przebiegu realnego. Może być charakteryzowany na różnych poziomach czasu, najczęściej: rocznym, tygodniowym czy dziennym.
Nieprawidłowy profil zużycia na poziomie rocznym
- Przebieg zużycia (kolor pomarańczowy) z charakterystycznym profilem „letnim” (wysokie zużycie w okresie cieplejszym, niskie – w okresie chłodniejszym). Przygotowana prognoza (kolor niebieski) nie uwzględnia takiego profilu zużycia. Ma płaski przebieg, utrzymany na stałym poziomie , według zużycia zimowego.
- Algorytm wskazuje nieprawidłowy poziom prognozy zużycia w okresie cieplejszym i niedopasowanie do charakterystyki zużycia
- Następuje oznaczenie anomalii na prognozie (wymagana jest korekta prognozy)
Nieprawidłowy profil na poziomie tygodniowym
- Przebieg zużycia (kolor pomarańczowy) z charakterystycznym wyższym poziomem w dni robocze i soboty oraz niższym w niedziele i święta (21-22 kwietnia). Przygotowana prognoza (kolor niebieski) nie uwzględnia poziomu zużycia w soboty na równie wysokim poziomie jak w dni robocze (poniedziałek-piątek)
- Algorytm wskazuje nieprawidłowy poziom prognozy zużycia w określonych dniach i niedopasowanie tygodniowego profilu zużycia
- Następuje oznaczenie anomalii na prognozie (wymagana jest korekta prognozy)
Nieprawidłowy profil na poziomie dziennym
- Przebieg zużycia (kolor pomarańczowy) z charakterystycznym wysokim zużyciem w dni robocze (tutaj: poniedziałek – sobota) w godzinach 10-20 oraz trochę niższym w niedziele i święta. Przygotowana prognoza (kolor niebieski) nie odpowiada zużyciu rzeczywistemu na poziomie godzinowym: zakłada wysokie zużycie w godzinach 8-13 w dni robocze (poniedziałek-piątek) oraz bardzo niewielkie zużycia w sobotę i niedzielę (w każdej godzinie)
- Algorytm wyznacza nieprawidłowy poziom prognozy zużycia w określonych godzinach i niedopasowanie dziennego profilu zużycia
- Następuje oznaczenie anomalii na prognozie (wymagana jest korekta prognozy)
Nieprawidłowo dobrany kalendarz do charakterystyki zużyć
Nieprawidłowość ta występuje w sytuacji, gdy zużycie punktu poboru charakteryzuje się określonym przebiegiem w specyficzne dni w kalendarzu, np. w dni świąteczne, niedziele handlowe czy soboty. Należy w tym wypadku odpowiednio zinterpretować wartość zużycia mając na uwadze kalendarz i zweryfikować czy zużycie jest wrażliwe np. na dni powszechnie uznawane za święta czy niedziele handlowe.
- Przebieg zużycia (kolor pomarańczowy) z charakterystycznym niższym poziomem w niedziele oraz dni świąteczne. Przygotowana prognoza (kolor niebieski) przewiduje niskie zużycia w dni świąteczne (21-22.kwietnia) i niedziele, ale nie zakłada wysokiego poziomu zużycia w niedziele handlowe. Zużycie rzeczywiste w niedziele handlowe jest na podobnym poziomie jak w dni robocze.
- Algorytm wskazuje nieprawidłowy poziom prognozy zużycia w określonych dniach i niedopasowanie profilu zużycia względem kalendarza
- Następuje oznaczenie anomalii na prognozie (wymagana jest korekta prognozy)
W oparciu o przeprowadzone w ramach projektu prace widzimy, że identyfikacja anomalii w zużyciach i prognozach oraz ich prawidłowe sklasyfikowanie mają ogromne znaczenie dla firm zajmujących się sprzedażą i zakupem energii. Mechanizm wykrywania nieprawidłowości i odpowiednia reakcja na ich wystąpienie z pewnością przyczynią się do optymalizacji procesu zamówień na energię przez spółki obrotu, poprawy jakości przygotowywanych prognoz czy monitoringu zużycia energii u klientów.
Wyniki naszych dotychczasowych prac nad projektem mieliśmy okazję zaprezentować w ramach XX edycji Konferencji: Systemy Informatyczne w Energetyce (SIWE’21), która odbyła się 1-2 grudnia 2021 w Wiśle. W tegorocznej konferencji udział wzięło 334 uczestników. W trakcie dwóch dni spotkań wygłoszono 26 referatów – w tym referat Ebicom: „Wykrywanie anomalii zużycia energii elektrycznej z wykorzystaniem narzędzi AI, w celu racjonalizacji zapotrzebowania na energię elektryczną przez spółki obrotu”.