面向闭环控制的输电网运行评估指标体系架构设计

邓勇，陈睿，黄文英，邓兆云，刘铠诚，何光宇

(1.国网福建电力调度控制中心，福州市350003;2.清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京市100084;3.广东电网电力调度控制中心，广州市510600)

0 引言

建立一套科学、系统的输电网运行评估指标体系，有助于全面量化评估电网运行状态，发现电网运行薄弱环节，对提高电网运行管理与调度水平有重要意义［1-3］。

目前对输电网运行评估的研究，多为针对某一运行目标的评估指标研究，包括传统的运行目标如安全、优质、高效等［4-7］，以及随着智能电网概念的提出而被广泛关注的自愈性、互动性、高效性、清洁性等运行目标［8-13］。文献［4］设计了一套包括安全供电能力、静态电压安全性、拓扑结构脆弱性、暂态安全性、风险指标5个方面的电网安全评价指标体系;文献［5］探讨了电力市场条件下可靠性研究的新方向、可靠性指标评价的新标准、最优可靠性对指标体系的新要求及大电网可靠性灵敏度分析等问题，并提出要建立一个能够将可靠性与经济性紧密结合的新指标体系;文献［13］从发、输、配、用、调度等环节出发，梳理了电力低碳领域的相关指标。总体而言，这些研究结果相对零散、孤立，电力系统各个环节之间相互作用、各个指标之间的相互联系，尚未得到研究者的重视。

本文在以上研究基础上，针对省级电网的500kV/220kV输电网，提出了一种新的输电网运行评估指标体系的构建思路:从结果和原因2个层面出发，在评估输电网运行状态的基础上，进一步挖掘运行状态产生的原因;在结果评估中，深入分析输电网各利益相关者的需求，评估输电网运行是否能够满足其利益相关者的需求;在原因评估中，基于对结果评估指标的分解和转化，评估产生输电网运行不满意状态的原因;基于以上思路，建立了输电网运行指标体系的架构，并给出了评估指标选择原则和方法。

自趋优智能调度系统建立在电力混成控制论的基础上，而在电力混成控制论中，将不满意状态定义为事件，由事件启动控制，并通过控制消除事件，从而完成了电网自趋优的闭环控制，达到趋优运行。分析自趋优智能调度的闭环控制过程，可以总结为4I和3层，其中 4I分别是 Index(指标)、Incident(事件)、Inducement(诱因)和 Instruction(指令)，3层则分别是事件发现层、事件分析层和事件处理层。3层是整个闭环控制的过程环节，4I则分别对应着3层的输入输出，共同构成了自趋优闭环控制系统。

(1)Index(指标)。指标特指对某一对象某一方面进行评估的量，比如衡量电压质量的“用户电压合格率”、衡量系统暂态稳定性的“暂态稳定裕度”等都是指标，指标不仅包含指标名、指标值、指标作用，还包含指标计算方法、计算周期以及指标界。将电网涉及的所有指标，按一定的组织形式和构建方法整合起来，可以形成电网运行综合指标体系，并作为电网运行的评估标准。

(2)Incident(事件)。电力混成论中，将电网运行的不满意状态定义为事件，事件涵盖了电网运行可能出现的各种非满意状态，按照控制目标可划分为安全性事件、经济性事件以及质量性事件等，按照时间周期又可划分为瞬时事件、短期事件以及长期事件等。自趋优智能调度系统的目的就是要消除电网运行出现的各种事件，使得电网始终运行在满意状态。

(3)Inducement(诱因)。诱因是指诱发事件的根本原因。电网运行过程中，某处的非正常运行，可能会引发局部乃至全网一系列事件的产生，比如线路发生短路故障，可能导致系统频率出现偏差，短路线路切除带来大量的潮流转移又有可能导致关键断面的潮流越限、联络线功率出现偏差、CPS指标不合格等。因此在对事件进行处理之前，有必要分析事件产生的诱因，找到根源，以避免治标不治本以及可能出现的反复调控等现象的发生。

(4)Instruction(指令)。指令是指针对控制设备的调控措施，下发后能够正确消除事件的指令是有效指令。首先针对事件诱因进行优化决策，并产生相应的控制指令，在此基础上，结合底层控制系统，将控制指令转化控制设备的操作指令。

1 构建目的和原则

输电网运行评估指标体系将围绕调度中心的主要功能，针对输电网运行，全面评估其当前运行状态是否满意，为分析当前运行状态的影响因素和预测未来的运行状态提供全面、可靠的数据基础，从而帮助调度人员或自动化系统最终做出控制决策，确保输电网的安全、优质、高效运行。指标体系应能提供2方面的信息:(1)输电网当前运行状态如何;(2)为何产生此种运行状态。这2部分信息中，前者从结果层面出发，帮助调度中心掌握输电网运行状态;后者从原因层面出发，为调度中心的控制决策提供依据。为保证指标体系逻辑严密、框架灵活，在构建指标体系的研究中，应遵循以下的构建原则。

(1)系统性原则。指标体系能够覆盖输电网运行的众多运行目标及各个业务环节。指标体系结构合理、条理清晰、内容全面。应注意分析指标的评估范围和指标间的相关性，以确保评估内容不重复、不遗漏、有次序。

(2)多角度原则。应结合指标体系使用者的需求、指标体系研究者对该领域的前瞻以及指标体系实现者的能力这3个角度，综合各个方面对指标体系的需求，构建指标体系。

(3)开放性及可扩展性原则。不同电网情况千差万别，不同部门人员的需求也各不相同，这就要求指标体系具备很好的开放性，能够满足不同电网的需求。同时，随着电网的发展，将有新的考核指标及评价标准进入电力系统，这就要求所设计的指标体系具备一定的扩展性。

2 总体架构

由上文可知，指标体系应提供结果和原因2个方面的信息。相应地，指标体系的总体架构可以分为结果评估和原因评估2个部分。

结果评估在全局、宏观层面反映了输电网的运行结果，是输电网运行评估指标体系的核心部分。它对输电网当前运行状态进行评估，判断输电网是否出现不满意状态，分析其出现了何种不满意状态，为输电网运行的不满意状态提供预警。

原因评估基于结果评估提供的输电网运行状态而作出，挖掘输电网运行的各个环节中可能影响输电网运行状态的因素，揭示具体的控制决策对系统状态的影响，通过评估各影响因素的状况，分析其中的薄弱环节。当输电网运行出现不满意状态，原因评估指标为分析不满意状态产生的原因提供依据，帮助调度人员调整控制决策，优化电网运行状态。

综上，指标体系的总体架构如图1所示。

图1 指标体系的总体架构Fig.1 Overall architecture of index system

3 结果评估

输电网运行的价值体现在它所能满足的相应的需求。输电网运行状态是否满意，体现在输电网是否能够满足其利益相关者的需求。因此，评估电网运行状态的优劣，可以从利益相关者的角度出发，考察其对输电网运行的需求，评估输电网运行满足利益相关者的需求的程度。

在实际运行中，如图2所示，待考察的输电网通过传输线与电源、配电网及相邻的输电网相连接。相关的企业包括发电企业，互联输电网企业，配电网企业以及输电网企业自身。

图2 输电网运行的利益相关者Fig.2 Transmission system stakeholders

因此，输电网的利益相关者包括配电网企业、发电企业、互联输电网企业以及输电网企业自身。简单地，可以将这些利益相关者分为外部利益相关者及输电网企业自身2类，它们对应着外部和内部的2类需求。结果评估即是评估输电网的运行状态是否能够满足这些外部和内部利益相关者的需求，分为外部需求满足程度评估和内部需求满足程度评估。

3.1 外部需求满足程度评估

在电力系统中，输电网连接了发电、配电网以及互联输电网，输电网为此三者提供输电服务。这3类企业所调控和管理的电力系统的某一部分，与输电网通过为数众多的节点及联络线相连。输电网或向这些节点提供电能，或从节点接纳电能，在节点间建立电能传输的路径。

在每一连接节点上，这3类企业均对输电网有着一定的需求，如频率、电压及功率量等。外部需求的满足程度，取决于这些节点的需求是否得到满足。落实到每个连接节点上考虑，外部利益相关者的需求均可以概括为:期望输电网在特定的时间，向特定的节点，以特定的质量标准，供应或接纳特定数量的电能。

外部需求的满足程度，即为众多节点需求满足程度的综合。评估外部需求是否得到满足，可以首先分析其外部节点对输电网有哪些具体的需求，选取指标评估其节点需求是否得到满足，然后对节点评估指标进行统计，从而综合评估当前的输电网运行状态是否能满足其质量和数量的需求。

3.2 内部需求满足程度评估

输电网企业期望能够通过运营输电网获得自身的经济效益和社会效益。输电网的内部需求主要指2个方面——输电网的安全运行和生产效率。

输电网企业的安全性需求主要指，期望输电网运行中能够经受可能的扰动，保证网络和设备的正常运行，不中断输电服务。出现安全性事故将造成输电网企业经济和社会效益的严重损失，应尽量避免事故的产生。发现和辨识运行过程中的薄弱环节和隐患，提前预防、预警，采取必要的措施加以消除和防范，是避免安全性事故发生的主要途径。对输电网运行安全的评价，应能够预判系统留有的安全裕度以及承受安全风险的能力，揭示输电网的主要安全风险，以帮助系统针对可能发生的故障进行预防控制。分析电网当前运行点的安全隐患，评估发生事故的风险，具有重要的意义和应用价值。安全性需求满足程度的评估应分析输电网可能发生的各种扰动及其可能造成的影响或损失，采用风险评估方法，综合评估输电网的运行风险。

此外，输电网期望通过合理安排发电和输电，降低运行成本，提高投资回报率，即输电网能够高效运行。输电网高效运行指尽可能地减少单位收益支付的成本。电网运行的成本，包括可变成本和固定成本2个方面，即电网的固定资产投资产生的成本和电网日常经营产生的成本。高效性需求满足程度的评估，即为评估输电网的设备利用效率及输电损耗。

综上，结果评估指标集的根据是利益相关者的需求，其结构如图3所示。

图3 结果指标集:基于利益相关者需求的组织结构Fig.3 Result index set:organizational structure based on stakeholders'demands

4 原因评估

结果评估指标集反映了输电网整体、宏观的运行状态。若1个或多个结果评估指标不满意，即反映了输电网运行状态不令人满意，有必要研究此运行状态是由何种因素引起的。

原因评估分析输电网运行各个环节中可能影响输电网运行状态的因素，分为分解和转化2个步骤。(1)分解:对结果评估指标进行空间上的分解，即评估对象由全网变为局部、由多类型变为单类型，以辨识发生不满意状态的具体区域或类型;(2)转化:将结果评估指标转化为与系统状态相关的影响因素，即评估内容由全网状态转变为评估相关因素对全网状态的影响。原因评估将结果评估指标所反映的输电网状态，落实到具体控制对象或调度业务上。

分析输电网运行状态的影响因素，其目的在于为调度中心的控制决策提供依据。决策是调度中心的核心业务，指调度中心的工作人员或自动化系统所制定的输电网运行的相关调度策略。典型的决策包括运行方式、日前计划、基于实时经济调度的机组出力设定值、低频/低压减载装置设定值等等。输电网在各个时间尺度上均有相关的决策，其运行状态由一系列不同时间尺度的决策共同作用而形成，且较短时间尺度的决策往往是在较长时间尺度的决策基础上制定的。不同时间尺度的决策组成了一系列链状关系的调度策略，即决策链。

结果评估指标的转化应该围绕决策链进行。首先研究结果评估指标在各个时间尺度上都有哪些决策对其造成何种影响，最终确定结果评估指标的决策链;然后对于出现不满意状态的结果评估指标，针对其相应的决策链，对已执行完成的决策逐一进行评估，层层递推，判断不满意状态是由哪些不合理决策引起的。于是，通过分解、转化，可将原因评估具体落实到相关决策评估上。

其中，单级决策评估包含多项具体内容。输电网运行面临着多种不确定性，而调度中心所具有的调控能力是有限的，调度中心的决策，即是要利用有限的调控能力，尽可能地适应运行的不确定性。对于单级决策，其对于输电网运行的最终影响效果，由当前的调控能力、运行环境以及决策本身共同作用而形成。故单级决策评估中，应包含3个方面的内容:调控能力、运行环境以及决策本身，下面分别予以介绍。

4.1 调控能力因素

调控能力包括2个方面的内容:首先，对于所有决策，电网结构(包括电源结构、负荷结构和网架结构)反映了最基本的调控能力;然后，对于单级决策，其调控能力还受到上级决策及已执行的决策的影响，取决于它们执行后所留有的决策空间。

电网结构的问题一般体现在2个方面:网架结构是否坚强;电源分布是否均衡。电网结构评估即针对电源、负荷和网架的结构，评估输电网基础设施的规划和建设是否合理。

决策是在既有调控能力的基础上进行的，若调控能力不足，可能是上级决策未留有适当的决策空间，调度中心应调整上级决策;或电网结构不合理，调度中心应建议改进电网规划，合理安排电源和输电设备。

4.2 运行环境因素

输电网的运行环境包括2个方面的因素——外部利益相关方的需求，以及输电网运行中所面临的自然或人为的外部环境。

输电网的外部需求具有复杂性和多变性，从某种程度上来说是难以准确预测的。比如在负荷侧，虽然目前负荷预测相对比较成熟，但实际应用中实现高精度的负荷预测仍较为困难，而随着分布式电源的接入，负荷的可预测性将进一步降低。发电侧、互联电网的功率需求同样具有一定的随机性和波动性。外部需求的变化可能使预先制定的调度策略不能满足运行要求，从而导致电网不满意运行状态的出现。

而外部环境的不确定性是指天气突变、自然灾害、人为事故等各种突发事件的出现。这些突发事件同样会对电网运行状态产生影响，比如自然灾害造成的设备损坏，人为导致的线路短路等。

决策是在外部需求和环境不确定的情况下依托预测信息进行优化分析得到的。调度中心所作决策是确定性的，而这些不确定性因素的存在是使决策变得困难的主要原因。例如，实际运行中电网出现罕见故障时，要求日前机组出力计划仍能适应故障后情况是不合理的。因此，在对决策的合理性进行评估时，需充分考虑出现的不确定性大小对决策造成的影响。

4.3 与决策本身相关的因素

决策评估包括2部分的内容:决策执行情况的评估和决策合理性的评估。判断某个决策是否合理，应首先充分考虑当前的调控能力、运行环境以及决策的相关控制元件是否执行良好，基于这3个方面的信息，然后再进行决策合理性的评估。

对于调度中心而言，决策是影响输电网运行状态的可控因素。若通过决策评估，发现与决策本身相关的因素导致输电网运行出现不满意状态，调度中心可以通过调整控制策略、加强控制能力消除这些因素。

综上，原因评估的思路如图4所示，包括指标分解和指标转化2部分，指标转化基于决策链进行。而针对决策链中各级具体的决策，决策评估的内容包含了调控能力、运行环境以及决策自身因素3个方面，如图5所示。结果评估提出了系统的指标集，通过指标数值反映输电网运行状态;而原因评估与此不同，以分析过程为主，在指标分解和转化的过程中，评估局部的运行情况(体现于指标分解部分)或控制决策的相关情况(体现于指标转化部分)。

图4 原因评估的总体架构Fig.4 Overall architecture of reason evaluation

图5 决策评估的评估内容Fig.5 Evaluation content of strategy evaluation

5 指标属性与指标选取原则

基于上文所述的体系架构和评估内容，可根据输电网运行的实际情况，选取和设计相应的评估指标，构建具体的评估指标体系。

在本指标体系中，为保证指标的明确性，在指标体系中，每一个指标都应包含全面、实用、有效的具体信息，便于调度人员使用指标体系，切实掌握输电网运行状态。这些具体信息包括指标名、指标作用、指标计算方法、指标界、指标值、指标对象、计算时段等，即为指标属性，相关定义参见表1。

表1 指标属性Tab.1 Index attribute

在定义指标时，我们更关注指标名、指标作用、指标计算方法和指标界，而具体指标值与具体指标对象、计算周期相关，是一个随对象、时间不断变化的量，可通过指标计算方法计算得到。构建指标体系时，确定评估内容后，选择准确的评估指标是一项重要工作。在选择指标时，在遵循制定指标体系的一般原则基础上，应充分考察如表1所示的多个属性的具体情况，遵循以下几个原则选择指标。

(1)指标名及指标作用方面:指标定义完整，易于理解，便于调度人员掌握。

(2)指标计算方法方面:指标计算方法明确，容易获取计算所需数据，便于实现和在线应用。相较于总量指标，相对指标将有联系的指标对比得到，能够很好地反映状态的相关程度和发展程度，增强指标之间的可比性。应尽可能选取相对指标作为评估指标。

(3)指标界方面:指标运行范围易于确定，能够明确指定或计算出指标的上下限，评估运行状态的优劣。上下限确定过程中，应严格依照电力行业现行考核标准，同时结合历史数据提取更加符合具体电网的指标运行范围。

(4)指标对象方面:结果评估反映输电网整体的运行状态，所选取的评估指标的指标对象应是全网;原因评估分析影响运行状态的内部、外部因素，将整体运行状态在各个与输电网运行相关的具体元件、结构体上细化，所选取的评估指标的指标对象既包括全网，也包括区域、节点、元件等局部对象。

(5)计算时段方面:针对同一评估内容，既有断面评估指标，也有统计时间段的评估指标。指标体系用于评估输电网当前运行状态，分析其产生的原因。那么，何为输电网当前运行状态呢?在时间上，输电网必须在任一时刻保证优质输电和安全高效的运行，同时在周期时间内的运行也应当满足一定的评估标准。故当前运行状态既指当前断面的运行状态，也指最近一个统计周期内系统运行状态。因而，针对同一评估内容，指标体系应包含相应的断面评估指标和统计时间段评估指标。例如，若需对频率进行评估，则既应选取当前频率值评估频率当前状态，也应选取频率合格率评估统计时间内的频率质量。由此，指标体系按照其指向的时间维度也可以划分为当前断面指标集和统计时间指标集，分别用于评估系统短期和长期运行状态。

6 结论

输电网运行指标体系是电网运行评估方面的理论基础和实施依据，通过该指标体系的建立，能够实现对电网的全面监测和评估，分析其薄弱环节并进行预判。

为反映输电网运行状态以及其状态产生的原因，指标体系分为结果评估和原因评估2个部分。结果评估反映输电网整体、宏观的运行状态，输电网运行状态是否满意，体现于输电网是否能够满足其利益相关者的需求。输电网运行的利益相关者的需求可以划分为外部需求和内部需求2类，其中内部需求又包括安全性需求和高效性需求。而原因评估反映输电网运行中各类因素对运行结果的影响。原因评估分为结果评估指标的分解和结果评估指标的转化2个步骤。指标分解将评估对象由全网变为局部、由多类型变为单类型，以辨识发生不满意状态的具体区域或类型。指标转化则基于结果评估指标所对应的决策链进行，对决策链上的各个决策依次从电网结构、运行环境和决策本身因素等方面进行评估，以发掘造成输电网运行状态异常的影响因素。

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