基于數據驅動的電力運行監控指標建模研究

余 雯，李 偉，潘宏斌

（昆明冶金高等?？茖W校，云南 昆明 650033）

1 國內外現狀

1.1 國外電網運監指標體系

歐美電網運行指標主要包括如下14項指標[1]。

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

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

（3）頻率指標：要保持互聯電網的穩定安全運行，必須將頻率控制在允許的范圍內，一旦出現異常，及時采取有效地措施。

（4）備用指標：與系統中發電量和負荷情況息息相關，同時直接影響頻率穩定。

（5）發電量、負荷指標：用以判斷系統中備用情況，同時也影響系統中的自然潮流。

（6）ACE指標：衡量發電量和負荷之間不平衡程度，對系統頻率有著重要的影響。

（7）時間偏差：是在一段規定的時期內，實際頻率與額定頻率之間偏差的積累情況；當時間偏差超過一定限值，電網運行機構就要采取措施。

（8）不當交換：是在某一控制區域內往來實際交換值與額定交換值之差，反映頻率偏差情況的指標。

（9）穩定性指標：包括靜態穩定（指發電量隨著負荷緩慢逐漸變化，直到與負荷平衡）、暫態穩定（指一臺或多臺發電機在嚴重和突然的干擾下仍能保持同步的能力，最開始的幾個周波是最關鍵的時期）及動態穩定（指一臺或多臺發電機在較小干擾下通過適當的控制系統衰減振蕩的能力）三方面，電壓和潮流的越限都可能使系統失穩。

（10）無功源指標：包括旋轉無功源和靜止無功源，而系統中的無功源是否充足決定電壓是否可調。

（11）網絡拓撲指標：線路檢修、機組停運、新增線路或機組等都會引起電網拓撲結構的變化，從而改變系統的潮流和電壓。

（12）天氣/環境指標：惡劣的天氣和突發事件會威脅電力系統安全穩定運行，同時天氣情況對負荷預測提供幫助。

（13）通信/自動化等設備指標：SCADA系統和自動控制系統出現故障，可能會造成運行人員判斷錯誤，甚至誤操作，影響系統的穩定運行。

（14）臨近系統指標：電力系統是互聯運行的，當臨近系統出現問題時，會直接影響到本系統的運行情況；因此，當臨近系統出現異常情況時，必須及時采取措施，以免危及本系統的正常運行。

對于電網運行趨勢預測方面，國外電網運行機構給與較多關注[4]。北美電力可靠性理事會NERC的TOP（輸電運行標準）標準中，強調要根據天氣和過去的負荷情況預測近期負荷，歐洲輸電協作聯盟UCTE的OH（運行手冊）明確規定各個TSO（輸電系統運營公司）要發布提前一天的網絡阻塞預報。

1.2 國內電網運監指標體系

國內運行指標主要包括頻率指標、備用指標、ACE指標、電壓指標、潮流指標、負荷預測及環境指標七大類。由于國內不同電網采用的調度自動化系統和監控重點不同，所以每個電網的運行指標也會有差別。國內指標體系基本分為三級，一級指標（主類）、二級指標（子類）及三級指標（基礎類），基于智能電網的總體要求，綜合建立指標體系。特點是劃分不夠清晰，指標多，覆蓋面廣，但沒有優先級，指標關聯關系不明確，導致分散調度運行人員的精力，降低調度運行人員的工作效率和決策結果。

2 運行監控KPI指標體系構建

2.1 構建方法

因為指標體系中的指標和數據是融合實時運行系統和管理系統的數據及指標，所以運行監控KPI體系首先是對現有指標的整合、優化及完善，其次是增加智能化指標和協調處理規則。

構建數據驅動的指標體系，首先需要分析電網運行的業務目標以及電網業務人員工作中需要提供的決策信息和相關數據來源建立基于業務目標的六維指標體系架構；其次結合運行監控、運行管理、EMS等其他高級應用軟件指標，添加需要的派生決策指標，形成指標池；最后將指標池中的指標按照六個維度進行關聯，確定相應的協調規則，構建整個指標體系。

構建指標體系時，先基于業務目標從過程維度-目標維度-對象維度開始，建立過程-目標-對象基本指標立方體；通過多個基本指標立方體的整合和切割，擴展到另外3個維度，即時間維度-空間維度-業務維度。

2.2 指標池

指標池存放所有與調度運行相關的指標集合，每個指標屬性主要包括編號、名稱、狀態、關聯關系、所屬過程、所屬對象、所屬目標、支持業務、所屬空間、采集時間、統計頻率即統計公式。根據指標屬性，調度運行人員可以先按照過程-目標-對象三維組裝成一個調度基本指標立方體，然后再根據時間維度、空間維度即業務維度把基本指標立方體二次整合成六維指標立方體。例如，可以組裝成實時頻率質量指標立方體，然后跟時間維度再次組合，可以形成未來1 h后的未來頻率立方體。

本研究針對關鍵運行崗位規劃的運行監控KPI體系共包含130個三級KPI。運行監控KPI面向實時調度運行，指標歸并采用歸一化和嚴重優先原則，所有的KPI值都會設定門檻劃分為正常、預警、告警三種狀態，向上一層歸并時，每一個狀態內的數值都會先進行歸一化處理，上一層指標取下層所有KPI中最大的歸一化數值[2]。

2.3 指標狀態與關聯關系

指標池中的指標狀態都具有3種狀態，正常態、警戒態及故障態，對應著電力系統運行狀態，同時對應著可視化顯示的顏色，即綠色、黃色、紅色。指標與指標之間的關聯關系通過公式相關。

對于省級調度中心的調度業務，電網可靠性指標是重要指標。

（1）健康狀態概率PHS：

其中，Psk（t）為系統狀態Sk在t時刻的概率；DH為處于健康狀態的系統狀態集合。

（2）潮流安全概率PFS：

其中，Psk（t）為系統狀態Sk在t時刻的概率；Ds,ls為系統內所有線路潮流安全的系統狀態集合。

（3）負荷特性指標聯動性分析

負荷特性指標數據相關系數的大小不能確定負荷特性指標間的因果及聯動關系，不能確定指標之間的長期同步運動趨勢，也不能確定負荷特性指標的聯動性，只能夠說明統計數據之間相關性的強弱。經濟學中的聯動性分析理論主要是基于回歸分析的一個變量關于另一個或一些變量依賴關系的計算方法和理論。

負荷特性相關性指標分析方法是希望通過數據挖掘方式挖掘隱藏在海量的統計數據指標中的內在規律聯系[3]。目前的情況下，首先采用兩兩指標進行相關分析，其次將采用二元變量的相關性分析方法。依據不同類型的變量數據，采取不同的相關分析方法。由于電網負荷統計指標進行相關性分析時，負荷特性指標通常都為數值變量，選取Pearson相關系數分析法為負荷特性指標間相關系數的求取法。

首先設定兩個隨機變量為X和Y，則兩總體的相關系數為：

其中，cov（X，Y）是兩隨機變量的協方差；var（X），var（Y）是變量X和Y的方差，總體相關系數是兩變量之間相關系數的一種度量。

（4）算法分析法

算法分析采用“安全”-“頻率穩定”-“發電側事故備用”指標實例。首先指標表面特征10 min內可調出的并網機組上的發電旋轉備用及停機備用水電機組的可調備用，計算公式如下：

其中，VKPI是指標計算值，Pi是區域i的發電側事故備用，Li是區域i的統調負荷，i=0,1,…,5，分別表征區域電網數據特征。

3 結 論

面對海量電網監測數據和信息，采用數據驅動業務模式可把海量數據快速轉化為高效指標體系，滿足精細化、智能化的智能電網運行管理要求，支持調度人員對現代電網實時監測、在線安全分析及輔助決策。本文基于數據分析技術構建區域智能電網面向決策指標體系，形成業務驅動的調度運行指標體系，建設性地提出一個輕量級、可擴展、支持輔助決策的關鍵性能指標體系，對智能調控運維一體化研究具有重大的現實意義。