基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電力運(yùn)行監(jiān)控指標(biāo)建模研究

余 雯，李 偉，潘宏斌

（昆明冶金高等?？茖W(xué)校，云南 昆明 650033）

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外電網(wǎng)運(yùn)監(jiān)指標(biāo)體系

歐美電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)主要包括如下14項(xiàng)指標(biāo)[1]。

（1）電壓指標(biāo)：考慮到電壓幅值、合理的電壓分布及電壓穩(wěn)定性，還考慮到故障前和故障后對(duì)電壓的不同要求。

（2）潮流指標(biāo)：包括輸電線路和變壓器等輸電設(shè)備是否過(guò)載，不同控制域間的潮流轉(zhuǎn)移是否越限，也要分析故障前和故障后的潮流情況。

（3）頻率指標(biāo)：要保持互聯(lián)電網(wǎng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行，必須將頻率控制在允許的范圍內(nèi)，一旦出現(xiàn)異常，及時(shí)采取有效地措施。

（4）備用指標(biāo)：與系統(tǒng)中發(fā)電量和負(fù)荷情況息息相關(guān)，同時(shí)直接影響頻率穩(wěn)定。

（5）發(fā)電量、負(fù)荷指標(biāo)：用以判斷系統(tǒng)中備用情況，同時(shí)也影響系統(tǒng)中的自然潮流。

（6）ACE指標(biāo)：衡量發(fā)電量和負(fù)荷之間不平衡程度，對(duì)系統(tǒng)頻率有著重要的影響。

（7）時(shí)間偏差：是在一段規(guī)定的時(shí)期內(nèi)，實(shí)際頻率與額定頻率之間偏差的積累情況；當(dāng)時(shí)間偏差超過(guò)一定限值，電網(wǎng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)就要采取措施。

（8）不當(dāng)交換：是在某一控制區(qū)域內(nèi)往來(lái)實(shí)際交換值與額定交換值之差，反映頻率偏差情況的指標(biāo)。

（9）穩(wěn)定性指標(biāo)：包括靜態(tài)穩(wěn)定（指發(fā)電量隨著負(fù)荷緩慢逐漸變化，直到與負(fù)荷平衡）、暫態(tài)穩(wěn)定（指一臺(tái)或多臺(tái)發(fā)電機(jī)在嚴(yán)重和突然的干擾下仍能保持同步的能力，最開(kāi)始的幾個(gè)周波是最關(guān)鍵的時(shí)期）及動(dòng)態(tài)穩(wěn)定（指一臺(tái)或多臺(tái)發(fā)電機(jī)在較小干擾下通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂葡到y(tǒng)衰減振蕩的能力）三方面，電壓和潮流的越限都可能使系統(tǒng)失穩(wěn)。

（10）無(wú)功源指標(biāo)：包括旋轉(zhuǎn)無(wú)功源和靜止無(wú)功源，而系統(tǒng)中的無(wú)功源是否充足決定電壓是否可調(diào)。

（11）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲笜?biāo)：線路檢修、機(jī)組停運(yùn)、新增線路或機(jī)組等都會(huì)引起電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化，從而改變系統(tǒng)的潮流和電壓。

（12）天氣/環(huán)境指標(biāo)：惡劣的天氣和突發(fā)事件會(huì)威脅電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)天氣情況對(duì)負(fù)荷預(yù)測(cè)提供幫助。

（13）通信/自動(dòng)化等設(shè)備指標(biāo)：SCADA系統(tǒng)和自動(dòng)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障，可能會(huì)造成運(yùn)行人員判斷錯(cuò)誤，甚至誤操作，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（14）臨近系統(tǒng)指標(biāo)：電力系統(tǒng)是互聯(lián)運(yùn)行的，當(dāng)臨近系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，會(huì)直接影響到本系統(tǒng)的運(yùn)行情況；因此，當(dāng)臨近系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)，必須及時(shí)采取措施，以免危及本系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行趨勢(shì)預(yù)測(cè)方面，國(guó)外電網(wǎng)運(yùn)行機(jī)構(gòu)給與較多關(guān)注[4]。北美電力可靠性理事會(huì)NERC的TOP（輸電運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)）標(biāo)準(zhǔn)中，強(qiáng)調(diào)要根據(jù)天氣和過(guò)去的負(fù)荷情況預(yù)測(cè)近期負(fù)荷，歐洲輸電協(xié)作聯(lián)盟UCTE的OH（運(yùn)行手冊(cè)）明確規(guī)定各個(gè)TSO（輸電系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)公司）要發(fā)布提前一天的網(wǎng)絡(luò)阻塞預(yù)報(bào)。

1.2 國(guó)內(nèi)電網(wǎng)運(yùn)監(jiān)指標(biāo)體系

國(guó)內(nèi)運(yùn)行指標(biāo)主要包括頻率指標(biāo)、備用指標(biāo)、ACE指標(biāo)、電壓指標(biāo)、潮流指標(biāo)、負(fù)荷預(yù)測(cè)及環(huán)境指標(biāo)七大類。由于國(guó)內(nèi)不同電網(wǎng)采用的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)和監(jiān)控重點(diǎn)不同，所以每個(gè)電網(wǎng)的運(yùn)行指標(biāo)也會(huì)有差別。國(guó)內(nèi)指標(biāo)體系基本分為三級(jí)，一級(jí)指標(biāo)（主類）、二級(jí)指標(biāo)（子類）及三級(jí)指標(biāo)（基礎(chǔ)類），基于智能電網(wǎng)的總體要求，綜合建立指標(biāo)體系。特點(diǎn)是劃分不夠清晰，指標(biāo)多，覆蓋面廣，但沒(méi)有優(yōu)先級(jí)，指標(biāo)關(guān)聯(lián)關(guān)系不明確，導(dǎo)致分散調(diào)度運(yùn)行人員的精力，降低調(diào)度運(yùn)行人員的工作效率和決策結(jié)果。

2 運(yùn)行監(jiān)控KPI指標(biāo)體系構(gòu)建

2.1 構(gòu)建方法

因?yàn)橹笜?biāo)體系中的指標(biāo)和數(shù)據(jù)是融合實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)及指標(biāo)，所以運(yùn)行監(jiān)控KPI體系首先是對(duì)現(xiàn)有指標(biāo)的整合、優(yōu)化及完善，其次是增加智能化指標(biāo)和協(xié)調(diào)處理規(guī)則。

構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的指標(biāo)體系，首先需要分析電網(wǎng)運(yùn)行的業(yè)務(wù)目標(biāo)以及電網(wǎng)業(yè)務(wù)人員工作中需要提供的決策信息和相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源建立基于業(yè)務(wù)目標(biāo)的六維指標(biāo)體系架構(gòu)；其次結(jié)合運(yùn)行監(jiān)控、運(yùn)行管理、EMS等其他高級(jí)應(yīng)用軟件指標(biāo)，添加需要的派生決策指標(biāo)，形成指標(biāo)池；最后將指標(biāo)池中的指標(biāo)按照六個(gè)維度進(jìn)行關(guān)聯(lián)，確定相應(yīng)的協(xié)調(diào)規(guī)則，構(gòu)建整個(gè)指標(biāo)體系。

構(gòu)建指標(biāo)體系時(shí)，先基于業(yè)務(wù)目標(biāo)從過(guò)程維度-目標(biāo)維度-對(duì)象維度開(kāi)始，建立過(guò)程-目標(biāo)-對(duì)象基本指標(biāo)立方體；通過(guò)多個(gè)基本指標(biāo)立方體的整合和切割，擴(kuò)展到另外3個(gè)維度，即時(shí)間維度-空間維度-業(yè)務(wù)維度。

2.2 指標(biāo)池

指標(biāo)池存放所有與調(diào)度運(yùn)行相關(guān)的指標(biāo)集合，每個(gè)指標(biāo)屬性主要包括編號(hào)、名稱、狀態(tài)、關(guān)聯(lián)關(guān)系、所屬過(guò)程、所屬對(duì)象、所屬目標(biāo)、支持業(yè)務(wù)、所屬空間、采集時(shí)間、統(tǒng)計(jì)頻率即統(tǒng)計(jì)公式。根據(jù)指標(biāo)屬性，調(diào)度運(yùn)行人員可以先按照過(guò)程-目標(biāo)-對(duì)象三維組裝成一個(gè)調(diào)度基本指標(biāo)立方體，然后再根據(jù)時(shí)間維度、空間維度即業(yè)務(wù)維度把基本指標(biāo)立方體二次整合成六維指標(biāo)立方體。例如，可以組裝成實(shí)時(shí)頻率質(zhì)量指標(biāo)立方體，然后跟時(shí)間維度再次組合，可以形成未來(lái)1 h后的未來(lái)頻率立方體。

本研究針對(duì)關(guān)鍵運(yùn)行崗位規(guī)劃的運(yùn)行監(jiān)控KPI體系共包含130個(gè)三級(jí)KPI。運(yùn)行監(jiān)控KPI面向?qū)崟r(shí)調(diào)度運(yùn)行，指標(biāo)歸并采用歸一化和嚴(yán)重優(yōu)先原則，所有的KPI值都會(huì)設(shè)定門(mén)檻劃分為正常、預(yù)警、告警三種狀態(tài)，向上一層歸并時(shí)，每一個(gè)狀態(tài)內(nèi)的數(shù)值都會(huì)先進(jìn)行歸一化處理，上一層指標(biāo)取下層所有KPI中最大的歸一化數(shù)值[2]。

2.3 指標(biāo)狀態(tài)與關(guān)聯(lián)關(guān)系

指標(biāo)池中的指標(biāo)狀態(tài)都具有3種狀態(tài)，正常態(tài)、警戒態(tài)及故障態(tài)，對(duì)應(yīng)著電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)對(duì)應(yīng)著可視化顯示的顏色，即綠色、黃色、紅色。指標(biāo)與指標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系通過(guò)公式相關(guān)。

對(duì)于省級(jí)調(diào)度中心的調(diào)度業(yè)務(wù)，電網(wǎng)可靠性指標(biāo)是重要指標(biāo)。

（1）健康狀態(tài)概率PHS：

其中，Psk（t）為系統(tǒng)狀態(tài)Sk在t時(shí)刻的概率；DH為處于健康狀態(tài)的系統(tǒng)狀態(tài)集合。

（2）潮流安全概率PFS：

其中，Psk（t）為系統(tǒng)狀態(tài)Sk在t時(shí)刻的概率；Ds,ls為系統(tǒng)內(nèi)所有線路潮流安全的系統(tǒng)狀態(tài)集合。

（3）負(fù)荷特性指標(biāo)聯(lián)動(dòng)性分析

負(fù)荷特性指標(biāo)數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小不能確定負(fù)荷特性指標(biāo)間的因果及聯(lián)動(dòng)關(guān)系，不能確定指標(biāo)之間的長(zhǎng)期同步運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，也不能確定負(fù)荷特性指標(biāo)的聯(lián)動(dòng)性，只能夠說(shuō)明統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)之間相關(guān)性的強(qiáng)弱。經(jīng)濟(jì)學(xué)中的聯(lián)動(dòng)性分析理論主要是基于回歸分析的一個(gè)變量關(guān)于另一個(gè)或一些變量依賴關(guān)系的計(jì)算方法和理論。

負(fù)荷特性相關(guān)性指標(biāo)分析方法是希望通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘方式挖掘隱藏在海量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)指標(biāo)中的內(nèi)在規(guī)律聯(lián)系[3]。目前的情況下，首先采用兩兩指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)分析，其次將采用二元變量的相關(guān)性分析方法。依據(jù)不同類型的變量數(shù)據(jù)，采取不同的相關(guān)分析方法。由于電網(wǎng)負(fù)荷統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析時(shí)，負(fù)荷特性指標(biāo)通常都為數(shù)值變量，選取Pearson相關(guān)系數(shù)分析法為負(fù)荷特性指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)的求取法。

首先設(shè)定兩個(gè)隨機(jī)變量為X和Y，則兩總體的相關(guān)系數(shù)為：

其中，cov（X，Y）是兩隨機(jī)變量的協(xié)方差；var（X），var（Y）是變量X和Y的方差，總體相關(guān)系數(shù)是兩變量之間相關(guān)系數(shù)的一種度量。

（4）算法分析法

算法分析采用“安全”-“頻率穩(wěn)定”-“發(fā)電側(cè)事故備用”指標(biāo)實(shí)例。首先指標(biāo)表面特征10 min內(nèi)可調(diào)出的并網(wǎng)機(jī)組上的發(fā)電旋轉(zhuǎn)備用及停機(jī)備用水電機(jī)組的可調(diào)備用，計(jì)算公式如下：

其中，VKPI是指標(biāo)計(jì)算值，Pi是區(qū)域i的發(fā)電側(cè)事故備用，Li是區(qū)域i的統(tǒng)調(diào)負(fù)荷，i=0,1,…,5，分別表征區(qū)域電網(wǎng)數(shù)據(jù)特征。

3 結(jié) 論

面對(duì)海量電網(wǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和信息，采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)業(yè)務(wù)模式可把海量數(shù)據(jù)快速轉(zhuǎn)化為高效指標(biāo)體系，滿足精細(xì)化、智能化的智能電網(wǎng)運(yùn)行管理要求，支持調(diào)度人員對(duì)現(xiàn)代電網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、在線安全分析及輔助決策。本文基于數(shù)據(jù)分析技術(shù)構(gòu)建區(qū)域智能電網(wǎng)面向決策指標(biāo)體系，形成業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的調(diào)度運(yùn)行指標(biāo)體系，建設(shè)性地提出一個(gè)輕量級(jí)、可擴(kuò)展、支持輔助決策的關(guān)鍵性能指標(biāo)體系，對(duì)智能調(diào)控運(yùn)維一體化研究具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。