電網調度運行關鍵績效指標（KPI）的構建方法

趙川，葉華，梁鈴，宋振濤

（1.云南電力調度控制中心，昆明650041；2.易能（中國）電力科技有限公司，北京100093）

電網調度運行關鍵績效指標（KPI）的構建方法

趙川1，葉華1，梁鈴1，宋振濤2

（1.云南電力調度控制中心，昆明650041；2.易能（中國）電力科技有限公司，北京100093）

科學合理的運行方式是電力系統向用戶提供持續、可靠、優質電能的保證。為了實現電力系統運行的經濟、安全、優質和環保等核心目標，建立一套科學評價電力系統運行績效的考核體系具有重要的理論和現實意義。提出一種基于可拓理論和相關性分析的電網調度運行關鍵績效指標（KPI）構建方法。首先建立KPI指標的可拓模型，利用可拓理論提供的發散分析、關聯分析、蘊含分析等手段構建KPI指標的拓展方式，從而形成一種挖掘電網運行績效指標體系的系統化方法；再通過相關性分析將冗余指標進行篩選剔除。算例表明所提方法可以靈活、系統、直觀地分析和建立電網運行KPI指標體系。

電網調度運行；關鍵績效指標；指標體系；可拓理論；相關性分析

當代電力系統正面臨著新的挑戰與機遇，核心點體現在能源問題、環境問題、電力市場以及智能電網等相互關聯的外在和內在因素[1-4]。由此，電力系統調度運行目標也朝著多元化趨勢發展，經濟、安全、優質、環保是當代電力系統運行的核心目標和要求。

科學合理的調度運行策略是電力系統向用戶提供持續、可靠、優質電能的重要保證。隨著電網建設規模和市場化程度的提高，電力系統運行場景變得非常復雜[5-7]。電網在復雜場景下運行的核心目標受到多方面、多層次復雜因素的影響，從而給電網調度帶來了極大的挑戰。因此，建立一套能夠科學評價電力系統運行績效的考核體系來全面反映電網運行績效水平及其影響因素和影響關系，具有重要的理論和現實意義[8-10]。同時，績效考核體系也是高級調度中心運營績效體系建設的核心內容之一[11-13]。文獻[11-12]提出了調度系統一體化建設的思路和統一建設滿足一體化、模塊化、智能化要求的新一代電網運行智能系統。文獻[13]闡述一體化電網運行智能系統運行駕駛艙概念和技術，并提出了建立調度運行關鍵績效指標KPI（key performance indicators）的思想。

電網調度運行KPI指標的制定往往具有主觀性，如何保證指標體系能夠科學、合理、全面地反映電網運行目標是建立電網調度運行KPI體系的關鍵問題之一，也是難點之一。本文利用可拓理論提供的發散分析、關聯分析、蘊含分析等手段來挖掘和拓展影響電網運行核心目標的指標關系，形成一種電網運行KPI指標體系的建立方法。方法具有靈活、系統、直觀等優點。

1 關鍵績效指標的制定原則

電網運行KPI是反映電力系統運行狀態和成效的核心指標。構建電力系統運行KPI體系需要從系統運行的客觀目標出發，綜合系統特征和運行現狀，歸納總結形成KPI集合。電網運行KPI指標體系建立的準確程度和科學合理性直接影響其評價質量，所構建的評價指標體系應準確、全面、有效地反映電網運行績效的各種因素。制定績效指標應考慮以下原則。

（1）整體性原則。評價指標體系的各項指標必須能在相互配合中從整體角度全面系統地反映電力系統運行的技術特點和狀況，充分體現系統運行的核心目標。指標既有上下層次關系，又有指標間的平行關系，不同的指標反映不同的側面，使指標體系形成統一的整體。評價體系要求有整體的全面性和個體的獨立性，不能遺漏重要指標因素，同時也要考慮數據采集、計算等實際情況，做到指標不重疊冗余。

（2）客觀性原則。全面客觀反映配電網運行狀況，細化評價標準，完善評價方式，建立客觀真實、科學有效的電網經濟運行評價指標體系，從而保證評價結果的客觀公正。

（3）可行性原則。評價指標體系的構建還要考慮可行性和實用性，要便于相關人員操作和使用指標數據易采集，表達方式易理解。評價內容和范圍應明確、有針對性；評價指標內涵要清晰準確，既要能說明問題，又便于分析比較；定性指標應明確其概念，按照一定標準對其賦值，使其能恰如其分地反映指標性質。可操作性，力求指標少而精，避免指標間重疊，選擇主要的、基本的、具有代表性的指標以便能較為容易及時準確地取得相關數據。可比性，指標應該盡可能采用國內外通用名稱、概念和計算方法，以便于與國內外電網比較。

（4）科學性原則。評價指標體系的各項指標應當彼此獨立，有機結合，根據評價指標的相互關系，盡可能降低指標間的關聯度，避免或減少指標間的重疊交叉區域。對個別很難避免的交叉指標在確定其歸屬時應盡量遵從就近就重的原則，將其劃入最能反映其內涵的層次中。

2 電網運行KPI指標體系的可拓挖掘方法

構建電網運行KPI指標體系，就是要確定哪些運行參數對電網核心績效目標起關鍵作用，方式和路徑怎樣。由于電力系統的復雜性，理清各種運行參量間的因果層次關系，構建客觀、合理、完備的KPI指標體系是一項非常困難的工作。可拓學是研究將“開拓思路、解決問題”等主觀思維問題用形式化模型描述的一門學科，采用形式化語言表達事物、關系和問題，并通過拓展分析方法研究事物拓展的可能性。

2.1 KPI指標的物元模型

物元是描述事物的基本元。可拓學用物元描述客觀世界中各式各樣的事物，用物元變換描述事物的變化。電網運行KPI指標的物元模型M可表示為

式中：Om為所描述的事物，即KPI指標；Cm為所描述KPI指標的特征；Vm為KPI指標關于特征的量值。Om、Cm、Vm是物元的三要素。

2.2 KPI指標的關系元模型

關系元模型用來描述KPI指標之間的影響關系。關系元Or的模型為

式中：Or為關系元，包括因果關系、傳導關系等；Cr1，Cr2，…，Crn分別為關系Or的特征，其中，Cr1、Cr2為關系的前項和后項，前項是指能引起一定作用的特征，后項是指由于前項的作用而引起的結果。如：因果關系中Cr1是指能引起Cr2的現象，Cr2是指由Cr1引起的現象；Vr1和Vr2是前項和后項對應的量值，也就是所描述關系的兩個對象；Cr3，Cr4，…，Crn也可以是程度、聯系通道、聯系方式等。Vr3，Vr4，…，Vrn為Cr3，Cr4，…，Crn所表示特征的具體量值。

2.3 KPI指標的挖掘策略模型

探索電力系統運行KPI指標，可以從KPI指標的物元模型和關系元模型出發，根據可拓學的發散、相關、蘊含等拓展方法進行系統化分析。

2.3.1 發散挖掘策略

發散過程是用物元模型表示事件，然后從某個物元出發，沿不同途徑挖掘出一批新的物元，從而為解決問題提供有價值信息。根據發散挖掘策略，電力系統KPI指標可由“一物多征”、“一征多物”的性質分別挖掘出多個物元。挖掘模型表達式為

式中，“-|”為發散符。

式（3）也可以采用多維物元的形式表示，即

對于式（2）的KPI指標關系元，可以進行挖掘分析，即

式中：Ori為Vr1和Vr2之間可能發散出的多種關系；Vr1i為由Vr1可以發散出和Vr2存在同樣一種關系的其他對象；Vr2i含義與Vr1i情況類似。通過對一個KPI指標物元的發散，可以挖掘出同對象、同特征的其他KPI指標物元。

2.3.2 關聯挖掘策路

關聯挖掘策略是將具有各種關聯關系的事物連接起來，構成關系網，從而清晰地描述、分析事物之間的相互關系，為進一步挖掘提供拓展方向。

特征Ci（i=1，2，…，m）的相關特征集為

求與各相關特征相對應的量值，從而構造相應的多維信息物元。

通過對一個KPI指標物元進行關聯分析，可以挖掘出多個具有特征相關性的KPI指標物元。

2.3.3 蘊含挖掘策路

蘊含關系是指若事件A存在時必有事件B存在，則事件A對事件B構成蘊含關系。蘊含關系具有傳遞性。在復雜的電網環境中存在大量具有蘊含關系的事物，可以通過對象間的傳遞關系對KPI指標進行挖掘分析。

兩組元素為E1，E2，…，Em；F1，F2，…，Fn。如果在條件l下，當E1，E2，…，Em存在時，必有F1，F2，…，Fn存在，則稱在條件l下，元素組E1，E2，…，Em蘊含元素組F1，F2，…，Fn；或稱在條件l下，元素組E1，E2，…，Em對元素組F1，F2，…，Fn構成蘊含關系。蘊含關系表示式為

稱E1，E2，…，Em為下位元素組，F1，F2，…，Fn為上位元素組。依據蘊含關系的傳遞性質，系統中的KPI指標及它們之間的蘊含關系構成一個蘊含系統，可以用樹形結構表示。

2.4 KPI指標拓展方法

對電力系統中的KPI指標進行挖掘，需從一些起源性事件入手，以發散、相關、蘊含等方法為拓展手段，逐步進行挖掘分析，具體步驟如下。

（1）采用發散挖掘策略對起源性事件的物元模型依據式（3）和式（4）挖掘出多個同對象、同征物元。

（2）采用蘊含挖掘策略將挖掘出的同對象、同征物元作為上位物元或下位物元，依據式（9）挖掘出多個具有蘊含關系的其他物元，通過蘊含系的方式表示多個物元之間的蘊含關系。將蘊含系中每一層的上位物元作為不同級別的KPI指標，每一層的下位物元作為對上一級KPI的細化和具體化。

（3）若物元之間不存在蘊含關系，采用關聯挖掘策略，依據式（7）和式（8）挖掘出多個具有關聯性質的其他物元，通過相關網的方式表示物元之間的關聯關系。對相關網中的物元按照電網運行的總體要求進行細化和具體化，根據系統運行成效的表征劃分成不同層次。

3 電力系統運行KPI指標相關性分析

按可拓方法構建的績效評價指標往往具有一定的冗余性，需進一步采用相關性分析方法進行指標篩選。相關性分析的思路是通過計算兩個評價指標的相關系數，刪除相關系數較大的評價指標，消除評價指標反映的信息重復對評價結果的影響，簡化指標體系。

3.1 指標數據標準化

由于電網運行各項指標數據的屬性和數值范圍不同，在進行相關性分析時首先需進行數據標準化處理。標準化過程需考慮指標的正向和負向特性。正向指標是指數值越大對評價結果支持度越高的指標，負向指標是指數值越小對評價結果支持度越高的指標。設Vik為第k個評價對象第i個指標值，Xik為對應的標準化指標值，n為待評對象數目，則正向指標的標準化處理關系式為

負向指標的標準化處理關系式為

3.2 相關性分析

相關性分析的具體步驟如下。

（1）計算各績效指標之間的相關系數。設Rij為第i個指標和第j個指標的相關系數，Xi為第i個指標的平均值，則相關系數為

（2）給定一個閾值M（0〈M〈1），若|Rij|〉M，則表明2個指標存在較大的相關性，可以刪除其中一個評價指標；否則，同時保留2個評價指標。

4 算例

4.1 KPI指標發散、蘊含挖掘算例

以電力系統優質性指標中的諧波現象為源事件進行KPI指標的挖掘。用物元模型表示為

具有幅值這一特征的還包括三相不平衡、電壓暫降、電壓中斷等。根據式（4）挖掘同征物元為

根據式（3）挖掘同對象物元為

此外，電壓跌落和電壓中斷影響系統的供電可靠性，供電可靠性對優質性指標有直接影響，用式（1）的關系元模型可以表示為

用于衡量供電可靠性的指標又包括供電可靠率、系統平均停電頻率、系統平均停電維持時間、系統平均負荷消減量等，對進行發散分析可得

R-|R1即為對R進行一級發散得到的因果關系發散樹。

諧波含量、三相不平衡度、平均電壓跌落次數和平均電壓瞬時中斷次數直接影響到電壓質量，電壓質量又直接影響到優質性指標。依據它們之間的蘊含關系構成的蘊含系如圖1所示。

圖1 蘊含系示意Fig.1Sketch map of contain system

綜上，以諧波為源事件進行KPI指標的挖掘結果如表1所示。

4.2 KPI指標發散、關聯挖掘算例

以電力系統經濟性指標的經濟效益為源事件進行相關挖掘。用物元模型表示為

根據式（3）挖掘同對象物元為

根據式（7）的關聯挖掘方法有

{輸電利潤C1～}={C11，C12}={輸電價格，輸電量}

{銷售利潤C3～}={C31}={購售價格}

{總成本C4～}={C41，C42}={固定成本，可變成本}根據式（8）構造相應的多維信息物元為

經濟效益直接影響到經濟性指標，建立經濟性指標關系如圖2所示。

圖2 經濟性指標關系Fig.2Network of economic indicators

經濟性指標還與營銷策略、系統運行方式等有關，而營銷策略、運行方式所包括的具體KPI指標仍可通過本文策略進一步挖掘，不再贅述。

綜上，以經濟效益為源事件進行KPI指標的挖掘結果如表2所示。

表1 以諧波為源事件進行KPI指標的挖掘結果Tab.1KPI mining results based on source event of harmonic

表2 以經濟效益為源事件進行KPI指標的挖掘結果Tab.2KPI mining results based on source event of economic benefits

5 結語

電網調度運行KPI指標的制定往往具有主觀性，如何保證指標體系能夠科學、合理、全面地反映電網運行核心目標是建立電網調度運行KPI體系的關鍵問題之一。本文提出一種利用可拓理論和相關性分析的調度運行KPI分析方法。建立了KPI指標的可拓模型，利用可拓理論提供的發散分析、關聯分析、蘊含分析等手段形成KPI指標的拓展方法，再通過相關性分析將冗余指標進行篩選剔除。算例表明本文方法可以靈活、系統、直觀地分析建立電網運行KPI體系。

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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

A

1003-8930（2015）05-0097-06

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.05.18

趙川（1981—），男，碩士，工程師，研究方向為調度自動化系統、自動運行控制等。Email：zhaochuan@yn.csg.cn

2014-09-06；

2014-12-23

葉華（1987—），男，碩士，工程師，研究方向為調度自動化系統、電力高級應用分析等。Email：yehua@yn.csg.cn

梁鈴（1988—），女，碩士，助理工程師，研究方向為調度自動化系統。Email：liangling@yn.csg.cn