电网调度运行关键绩效指标（KPI）的构建方法

2015-07-18赵川叶华梁铃宋振涛

电力系统及其自动化学报 2015年5期

关键词：物元指标体系调度

赵川，叶华，梁铃，宋振涛

（1.云南电力调度控制中心，昆明650041；2.易能（中国）电力科技有限公司，北京100093）

电网调度运行关键绩效指标（KPI）的构建方法

赵川1，叶华1，梁铃1，宋振涛2

（1.云南电力调度控制中心，昆明650041；2.易能（中国）电力科技有限公司，北京100093）

科学合理的运行方式是电力系统向用户提供持续、可靠、优质电能的保证。为了实现电力系统运行的经济、安全、优质和环保等核心目标，建立一套科学评价电力系统运行绩效的考核体系具有重要的理论和现实意义。提出一种基于可拓理论和相关性分析的电网调度运行关键绩效指标（KPI）构建方法。首先建立KPI指标的可拓模型，利用可拓理论提供的发散分析、关联分析、蕴含分析等手段构建KPI指标的拓展方式，从而形成一种挖掘电网运行绩效指标体系的系统化方法；再通过相关性分析将冗余指标进行筛选剔除。算例表明所提方法可以灵活、系统、直观地分析和建立电网运行KPI指标体系。

电网调度运行；关键绩效指标；指标体系；可拓理论；相关性分析

当代电力系统正面临着新的挑战与机遇，核心点体现在能源问题、环境问题、电力市场以及智能电网等相互关联的外在和内在因素[1-4]。由此，电力系统调度运行目标也朝着多元化趋势发展，经济、安全、优质、环保是当代电力系统运行的核心目标和要求。

科学合理的调度运行策略是电力系统向用户提供持续、可靠、优质电能的重要保证。随着电网建设规模和市场化程度的提高，电力系统运行场景变得非常复杂[5-7]。电网在复杂场景下运行的核心目标受到多方面、多层次复杂因素的影响，从而给电网调度带来了极大的挑战。因此，建立一套能够科学评价电力系统运行绩效的考核体系来全面反映电网运行绩效水平及其影响因素和影响关系，具有重要的理论和现实意义[8-10]。同时，绩效考核体系也是高级调度中心运营绩效体系建设的核心内容之一[11-13]。文献[11-12]提出了调度系统一体化建设的思路和统一建设满足一体化、模块化、智能化要求的新一代电网运行智能系统。文献[13]阐述一体化电网运行智能系统运行驾驶舱概念和技术，并提出了建立调度运行关键绩效指标KPI（key performance indicators）的思想。

电网调度运行KPI指标的制定往往具有主观性，如何保证指标体系能够科学、合理、全面地反映电网运行目标是建立电网调度运行KPI体系的关键问题之一，也是难点之一。本文利用可拓理论提供的发散分析、关联分析、蕴含分析等手段来挖掘和拓展影响电网运行核心目标的指标关系，形成一种电网运行KPI指标体系的建立方法。方法具有灵活、系统、直观等优点。

1 关键绩效指标的制定原则

电网运行KPI是反映电力系统运行状态和成效的核心指标。构建电力系统运行KPI体系需要从系统运行的客观目标出发，综合系统特征和运行现状，归纳总结形成KPI集合。电网运行KPI指标体系建立的准确程度和科学合理性直接影响其评价质量，所构建的评价指标体系应准确、全面、有效地反映电网运行绩效的各种因素。制定绩效指标应考虑以下原则。

（1）整体性原则。评价指标体系的各项指标必须能在相互配合中从整体角度全面系统地反映电力系统运行的技术特点和状况，充分体现系统运行的核心目标。指标既有上下层次关系，又有指标间的平行关系，不同的指标反映不同的侧面，使指标体系形成统一的整体。评价体系要求有整体的全面性和个体的独立性，不能遗漏重要指标因素，同时也要考虑数据采集、计算等实际情况，做到指标不重叠冗余。

（2）客观性原则。全面客观反映配电网运行状况，细化评价标准，完善评价方式，建立客观真实、科学有效的电网经济运行评价指标体系，从而保证评价结果的客观公正。

（3）可行性原则。评价指标体系的构建还要考虑可行性和实用性，要便于相关人员操作和使用指标数据易采集，表达方式易理解。评价内容和范围应明确、有针对性；评价指标内涵要清晰准确，既要能说明问题，又便于分析比较；定性指标应明确其概念，按照一定标准对其赋值，使其能恰如其分地反映指标性质。可操作性，力求指标少而精，避免指标间重叠，选择主要的、基本的、具有代表性的指标以便能较为容易及时准确地取得相关数据。可比性，指标应该尽可能采用国内外通用名称、概念和计算方法，以便于与国内外电网比较。

（4）科学性原则。评价指标体系的各项指标应当彼此独立，有机结合，根据评价指标的相互关系，尽可能降低指标间的关联度，避免或减少指标间的重叠交叉区域。对个别很难避免的交叉指标在确定其归属时应尽量遵从就近就重的原则，将其划入最能反映其内涵的层次中。

2 电网运行KPI指标体系的可拓挖掘方法

构建电网运行KPI指标体系，就是要确定哪些运行参数对电网核心绩效目标起关键作用，方式和路径怎样。由于电力系统的复杂性，理清各种运行参量间的因果层次关系，构建客观、合理、完备的KPI指标体系是一项非常困难的工作。可拓学是研究将“开拓思路、解决问题”等主观思维问题用形式化模型描述的一门学科，采用形式化语言表达事物、关系和问题，并通过拓展分析方法研究事物拓展的可能性。

2.1 KPI指标的物元模型

物元是描述事物的基本元。可拓学用物元描述客观世界中各式各样的事物，用物元变换描述事物的变化。电网运行KPI指标的物元模型M可表示为

式中：Om为所描述的事物，即KPI指标；Cm为所描述KPI指标的特征；Vm为KPI指标关于特征的量值。Om、Cm、Vm是物元的三要素。

2.2 KPI指标的关系元模型

关系元模型用来描述KPI指标之间的影响关系。关系元Or的模型为

式中：Or为关系元，包括因果关系、传导关系等；Cr1，Cr2，…，Crn分别为关系Or的特征，其中，Cr1、Cr2为关系的前项和后项，前项是指能引起一定作用的特征，后项是指由于前项的作用而引起的结果。如：因果关系中Cr1是指能引起Cr2的现象，Cr2是指由Cr1引起的现象；Vr1和Vr2是前项和后项对应的量值，也就是所描述关系的两个对象；Cr3，Cr4，…，Crn也可以是程度、联系通道、联系方式等。Vr3，Vr4，…，Vrn为Cr3，Cr4，…，Crn所表示特征的具体量值。

2.3 KPI指标的挖掘策略模型

探索电力系统运行KPI指标，可以从KPI指标的物元模型和关系元模型出发，根据可拓学的发散、相关、蕴含等拓展方法进行系统化分析。

2.3.1 发散挖掘策略

发散过程是用物元模型表示事件，然后从某个物元出发，沿不同途径挖掘出一批新的物元，从而为解决问题提供有价值信息。根据发散挖掘策略，电力系统KPI指标可由“一物多征”、“一征多物”的性质分别挖掘出多个物元。挖掘模型表达式为

式中，“-|”为发散符。

式（3）也可以采用多维物元的形式表示，即

对于式（2）的KPI指标关系元，可以进行挖掘分析，即

式中：Ori为Vr1和Vr2之间可能发散出的多种关系；Vr1i为由Vr1可以发散出和Vr2存在同样一种关系的其他对象；Vr2i含义与Vr1i情况类似。通过对一个KPI指标物元的发散，可以挖掘出同对象、同特征的其他KPI指标物元。

2.3.2 关联挖掘策路

关联挖掘策略是将具有各种关联关系的事物连接起来，构成关系网，从而清晰地描述、分析事物之间的相互关系，为进一步挖掘提供拓展方向。

特征Ci（i=1，2，…，m）的相关特征集为

求与各相关特征相对应的量值，从而构造相应的多维信息物元。

通过对一个KPI指标物元进行关联分析，可以挖掘出多个具有特征相关性的KPI指标物元。

2.3.3 蕴含挖掘策路

蕴含关系是指若事件A存在时必有事件B存在，则事件A对事件B构成蕴含关系。蕴含关系具有传递性。在复杂的电网环境中存在大量具有蕴含关系的事物，可以通过对象间的传递关系对KPI指标进行挖掘分析。

两组元素为E1，E2，…，Em；F1，F2，…，Fn。如果在条件l下，当E1，E2，…，Em存在时，必有F1，F2，…，Fn存在，则称在条件l下，元素组E1，E2，…，Em蕴含元素组F1，F2，…，Fn；或称在条件l下，元素组E1，E2，…，Em对元素组F1，F2，…，Fn构成蕴含关系。蕴含关系表示式为

称E1，E2，…，Em为下位元素组，F1，F2，…，Fn为上位元素组。依据蕴含关系的传递性质，系统中的KPI指标及它们之间的蕴含关系构成一个蕴含系统，可以用树形结构表示。

2.4 KPI指标拓展方法

对电力系统中的KPI指标进行挖掘，需从一些起源性事件入手，以发散、相关、蕴含等方法为拓展手段，逐步进行挖掘分析，具体步骤如下。

（1）采用发散挖掘策略对起源性事件的物元模型依据式（3）和式（4）挖掘出多个同对象、同征物元。

（2）采用蕴含挖掘策略将挖掘出的同对象、同征物元作为上位物元或下位物元，依据式（9）挖掘出多个具有蕴含关系的其他物元，通过蕴含系的方式表示多个物元之间的蕴含关系。将蕴含系中每一层的上位物元作为不同级别的KPI指标，每一层的下位物元作为对上一级KPI的细化和具体化。

（3）若物元之间不存在蕴含关系，采用关联挖掘策略，依据式（7）和式（8）挖掘出多个具有关联性质的其他物元，通过相关网的方式表示物元之间的关联关系。对相关网中的物元按照电网运行的总体要求进行细化和具体化，根据系统运行成效的表征划分成不同层次。

3 电力系统运行KPI指标相关性分析

按可拓方法构建的绩效评价指标往往具有一定的冗余性，需进一步采用相关性分析方法进行指标筛选。相关性分析的思路是通过计算两个评价指标的相关系数，删除相关系数较大的评价指标，消除评价指标反映的信息重复对评价结果的影响，简化指标体系。

3.1 指标数据标准化

由于电网运行各项指标数据的属性和数值范围不同，在进行相关性分析时首先需进行数据标准化处理。标准化过程需考虑指标的正向和负向特性。正向指标是指数值越大对评价结果支持度越高的指标，负向指标是指数值越小对评价结果支持度越高的指标。设Vik为第k个评价对象第i个指标值，Xik为对应的标准化指标值，n为待评对象数目，则正向指标的标准化处理关系式为

负向指标的标准化处理关系式为

3.2 相关性分析

4 算例

4.1 KPI指标发散、蕴含挖掘算例

以电力系统优质性指标中的谐波现象为源事件进行KPI指标的挖掘。用物元模型表示为

具有幅值这一特征的还包括三相不平衡、电压暂降、电压中断等。根据式（4）挖掘同征物元为

根据式（3）挖掘同对象物元为

此外，电压跌落和电压中断影响系统的供电可靠性，供电可靠性对优质性指标有直接影响，用式（1）的关系元模型可以表示为

用于衡量供电可靠性的指标又包括供电可靠率、系统平均停电频率、系统平均停电维持时间、系统平均负荷消减量等，对进行发散分析可得

R-|R1即为对R进行一级发散得到的因果关系发散树。

谐波含量、三相不平衡度、平均电压跌落次数和平均电压瞬时中断次数直接影响到电压质量，电压质量又直接影响到优质性指标。依据它们之间的蕴含关系构成的蕴含系如图1所示。

图1 蕴含系示意Fig.1Sketch map of contain system

综上，以谐波为源事件进行KPI指标的挖掘结果如表1所示。

4.2 KPI指标发散、关联挖掘算例

以电力系统经济性指标的经济效益为源事件进行相关挖掘。用物元模型表示为

根据式（3）挖掘同对象物元为

根据式（7）的关联挖掘方法有

{输电利润C1～}={C11，C12}={输电价格，输电量}

{销售利润C3～}={C31}={购售价格}

{总成本C4～}={C41，C42}={固定成本，可变成本}根据式（8）构造相应的多维信息物元为

经济效益直接影响到经济性指标，建立经济性指标关系如图2所示。

图2 经济性指标关系Fig.2Network of economic indicators

经济性指标还与营销策略、系统运行方式等有关，而营销策略、运行方式所包括的具体KPI指标仍可通过本文策略进一步挖掘，不再赘述。

综上，以经济效益为源事件进行KPI指标的挖掘结果如表2所示。

表1 以谐波为源事件进行KPI指标的挖掘结果Tab.1KPI mining results based on source event of harmonic

表2 以经济效益为源事件进行KPI指标的挖掘结果Tab.2KPI mining results based on source event of economic benefits

5 结语

电网调度运行KPI指标的制定往往具有主观性，如何保证指标体系能够科学、合理、全面地反映电网运行核心目标是建立电网调度运行KPI体系的关键问题之一。本文提出一种利用可拓理论和相关性分析的调度运行KPI分析方法。建立了KPI指标的可拓模型，利用可拓理论提供的发散分析、关联分析、蕴含分析等手段形成KPI指标的拓展方法，再通过相关性分析将冗余指标进行筛选剔除。算例表明本文方法可以灵活、系统、直观地分析建立电网运行KPI体系。

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Construction of Key Performance Indicators（KPI）in Dispatching Operation

ZHAO Chuan1，YE Hua1，LIANG Ling1，SONG Zhentao2
（1.Yunnan Electric Power Dispatching Control Center，Kunming 650041，China；2.Yineng（China）Power Technology Company Limited，Beijing 100093，China）

Scientific and reasonable operation mode is the guarantee for a power system to provide customers with continuous，reliable，high quality of electricity．To meet the core objectives in the power system operation such as economic，safety，quality and environmental，establishing a set appraisal system which could evaluate the running performance of the power system scientifically has important theoretical and practical significance．This paper proposes a construction method of the key performance indicators（KPI）based on extension theory and correlation analysis．Firstly，this paper establishs extension model of the KPI，via extension theory provided divergent analysis，correlation analysis，contains analysis and other means forming expansion method of the KPI，and provides a systematic approach to establish the index system which affect the core objective of grid operation；then it screens out redundant indicators through correlation analysis．The example shows that this method the KPI system of grid operation can by analyzed and established flexibly，systematically and intuitively．

dispatching operation；key performance indicators（KPI）；index system；extension theory；correlation analysis

TM92

1003-8930（2015）05-0097-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.05.18

赵川（1981—），男，硕士，工程师，研究方向为调度自动化系统、自动运行控制等。Email：zhaochuan@yn.csg.cn

2014-09-06；

2014-12-23

叶华（1987—），男，硕士，工程师，研究方向为调度自动化系统、电力高级应用分析等。Email：yehua@yn.csg.cn

梁铃（1988—），女，硕士，助理工程师，研究方向为调度自动化系统。Email：liangling@yn.csg.cn