基于大數(shù)據(jù)的電網(wǎng)運(yùn)行效率評價(jià)指標(biāo)

賀春光 謝曉琳 安佳坤 韓文源 劉鵬 孫鵬飛 石亞欣 吳莉莉

摘 要：基于我國電網(wǎng)運(yùn)行效率低、指標(biāo)體系建立具有局限性的狀況，首先提出了一種基于大數(shù)據(jù)的電網(wǎng)運(yùn)行效率指標(biāo)篩選方法，通過指標(biāo)篩選，建立了一套可靠有效的評價(jià)指標(biāo)體系；然后經(jīng)指標(biāo)歸一化處理、指標(biāo)權(quán)重計(jì)算，對指標(biāo)體系中各指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)的評價(jià)分析；最后將此指標(biāo)體系用于河北省電力公司，對其進(jìn)行綜合評分，列出評分結(jié)果。該實(shí)例結(jié)果驗(yàn)證了基于大數(shù)據(jù)建立的指標(biāo)體系的可靠性和有效性。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)運(yùn)行效率 指標(biāo)體系 大數(shù)據(jù) 指標(biāo)歸一化 有效性

中圖分類號(hào)：TM769 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）12（b）-0001-03

隨著國民生活質(zhì)量的逐漸提高，用戶用電量與日俱增，電網(wǎng)的投資規(guī)模也逐漸擴(kuò)大，如何以最小的投資滿足國民用電需求、提高電網(wǎng)運(yùn)行效率[1]顯得愈發(fā)重要。若要提高電網(wǎng)的運(yùn)行效率，首先應(yīng)建立一套科學(xué)的電網(wǎng)運(yùn)行效率指標(biāo)體系，并對其進(jìn)行有效分析，即電網(wǎng)運(yùn)行效率指標(biāo)評價(jià)。目前大多數(shù)對電網(wǎng)運(yùn)行效率的評價(jià)方法都較單一，建立的指標(biāo)是從固定指標(biāo)里抽取出來的，這樣的指標(biāo)具有局限性，不能全面描述電網(wǎng)的運(yùn)行效率。該文針對這種指標(biāo)局限性，創(chuàng)新性地提出了一種基于大數(shù)據(jù)的篩選指標(biāo)、建立指標(biāo)并評價(jià)指標(biāo)的方法。

1 基于大數(shù)據(jù)的指標(biāo)篩選

目前科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，“數(shù)據(jù)爆炸”[2]這一名詞日益為人們所熟悉，它是在現(xiàn)代技術(shù)“互聯(lián)網(wǎng)”“物聯(lián)網(wǎng)”“云計(jì)算”等的推動(dòng)下快速發(fā)展起來的，現(xiàn)在就是一個(gè)“得數(shù)據(jù)者得天下”的社會(huì)，電網(wǎng)也應(yīng)抓住時(shí)代機(jī)會(huì)，利用“電網(wǎng)互聯(lián)”獲得的數(shù)據(jù)對電網(wǎng)進(jìn)行有效的分析。

“大數(shù)據(jù)”一般指的是需要處理的信息量較大、超出一般電腦處理數(shù)據(jù)內(nèi)存量的數(shù)據(jù)，由于目前大數(shù)據(jù)還處于初步研究階段，其定義尚未達(dá)成共識(shí)，但它在互聯(lián)網(wǎng)、科技與國防軍事、政府管理等領(lǐng)域已成為信息化改革的核心。電力大數(shù)據(jù)有著大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，即數(shù)據(jù)數(shù)量多、數(shù)據(jù)類型多、價(jià)值數(shù)據(jù)少、數(shù)據(jù)處理速度快等。電力系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)主要來源于發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等環(huán)節(jié)中連接的傳感器和測量儀器儀表。

所有電力網(wǎng)中的電力數(shù)據(jù)的集合即為電力大數(shù)據(jù)，基于這些數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，利用相關(guān)分析法全范圍地抽取有效的電網(wǎng)運(yùn)行效率指標(biāo)，且這些指標(biāo)間相互獨(dú)立——即基于大數(shù)據(jù)的電網(wǎng)運(yùn)行效率指標(biāo)，它不再是人為地認(rèn)定某些指標(biāo)比較重要，而是利用大數(shù)據(jù)全范圍地抽取有效指標(biāo)。這種基于大數(shù)據(jù)的指標(biāo)篩選，不僅充分彌補(bǔ)了人為篩選指標(biāo)的局限性，更可以很好地反映電網(wǎng)運(yùn)行效率。

2 電網(wǎng)運(yùn)行效率評價(jià)模型的構(gòu)建

基于大數(shù)據(jù)的指標(biāo)，數(shù)量既多又雜，有些指標(biāo)可能無效或指標(biāo)間可能有關(guān)聯(lián)，若直接將這些指標(biāo)用于指標(biāo)評價(jià)，會(huì)因部分?jǐn)?shù)據(jù)重復(fù)而影響評價(jià)結(jié)果，因此，構(gòu)建科學(xué)有效的電網(wǎng)運(yùn)行效率評價(jià)模型，則必須提前對這些指標(biāo)進(jìn)行處理，處理的過程包括：（1）指標(biāo)簡約；（2）指標(biāo)歸一化；（3）指標(biāo)的權(quán)重計(jì)算；（4）綜合評分。

2.1 指標(biāo)簡約

對大數(shù)據(jù)的所有指標(biāo)進(jìn)行初步篩選，篩選出與電網(wǎng)運(yùn)行效率有關(guān)的指標(biāo)，由于數(shù)據(jù)量龐大，這個(gè)過程由計(jì)算機(jī)完成。假設(shè)初步篩選出的指標(biāo)有p個(gè)，這些指標(biāo)間可能存在關(guān)聯(lián)，因此，需對其進(jìn)行指標(biāo)簡約。將p個(gè)指標(biāo)進(jìn)行分類，設(shè)分為m類，則有指標(biāo)矩陣：

（1）

其中：第一行、第二行、第m行分別代表第一類、第二類、第m類指標(biāo)，代表第一類、第二類、第m類指標(biāo)的個(gè)數(shù)，且。

求各個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性矩陣。每兩個(gè)指標(biāo)間都有一個(gè)相關(guān)系數(shù)γ，γ的取值可以表示兩個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)程度，其計(jì)算公式如下：

（2）

其中：γ的取值范圍為[-1，1]。當(dāng)γ為正值時(shí)，表示兩個(gè)指標(biāo)呈正相關(guān)；反之，為負(fù)相關(guān)。|γ|越接近于1表示兩個(gè)指標(biāo)的相關(guān)性越強(qiáng)，當(dāng)時(shí)，表示兩個(gè)指標(biāo)完全相關(guān)；當(dāng)時(shí)，表示兩個(gè)指標(biāo)完全不相關(guān)，即相互獨(dú)立；當(dāng)時(shí)，表示兩個(gè)指標(biāo)基本不相關(guān)；當(dāng)時(shí)，表示兩個(gè)指標(biāo)低度相關(guān)；當(dāng)時(shí)，表示兩個(gè)指標(biāo)顯著相關(guān)；當(dāng)時(shí)，表示兩個(gè)指標(biāo)高度相關(guān)。式中的、代表同一類指標(biāo)中任意兩個(gè)指標(biāo)x、y的第i個(gè)采樣值，、為這兩個(gè)指標(biāo)采樣值的平均值，其計(jì)算公式如下：

（3）

（4）

其中，n為指標(biāo)的采樣數(shù)量，將公式（3）和（4）中的值帶入公式（2），可以計(jì)算出每兩個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)，將這些相關(guān)系數(shù)按照一定的順序排列，即可形成指標(biāo)的相關(guān)性矩陣，如表1所示。

相關(guān)性矩陣中，代表的是類指標(biāo)中第p個(gè)指標(biāo)和第q個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)，同一個(gè)指標(biāo)間的相關(guān)系數(shù)為1。根據(jù)相關(guān)性矩陣中相關(guān)系數(shù)的數(shù)值對指標(biāo)進(jìn)行約簡，約簡原則如下。

（1）對于相關(guān)系數(shù)大于0.8的兩個(gè)指標(biāo)，刪除一個(gè)，保留一個(gè)。

（2）對與任何兩個(gè)以上指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)都處于0.5～0.8之間的指標(biāo)進(jìn)行刪除。

按照以上的原則進(jìn)行篩選后的指標(biāo)，即為基于大數(shù)據(jù)約簡后的指標(biāo)。

2.2 指標(biāo)歸一化

指標(biāo)體系中，各指標(biāo)類型可能不同，比如絕對量型指標(biāo)、無量型指標(biāo)和比值型指標(biāo)，這些指標(biāo)屬性不同，數(shù)據(jù)范圍差異大，不便于指標(biāo)評價(jià)的后續(xù)計(jì)算，因此，須對這些指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。其步驟如下。

（1）確定指標(biāo)的閾值。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值將不合理的數(shù)據(jù)剔除，剩下的數(shù)據(jù)按照其范圍進(jìn)行分組，統(tǒng)計(jì)落在各組內(nèi)的頻數(shù)，將頻數(shù)最大組的上下限作為該指標(biāo)的閾值。

（2）確定指標(biāo)的隸屬度函數(shù)。

根據(jù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)情況來擬合指標(biāo)的隸屬度函數(shù)，其可以為線性或非線性，當(dāng)數(shù)據(jù)不充足時(shí)可選擇線性函數(shù)。隸屬度函數(shù)分為戎上型、戎下型和中間型，根據(jù)指標(biāo)的特性來選擇，如：正指標(biāo)選擇戎上型；逆指標(biāo)選擇戎下型；適度指標(biāo)選擇中間型。

2.3 指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

各指標(biāo)對電網(wǎng)運(yùn)行效率的影響程度有差異，因此需對其進(jìn)行權(quán)重分配。該文采用變異系數(shù)法對各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算，可以避免指標(biāo)數(shù)據(jù)的量綱和數(shù)量級不同帶來的影響。

變異系數(shù)法根據(jù)指標(biāo)的變異程度來對其進(jìn)行權(quán)重分配，即直接將變異系數(shù)法處理后的數(shù)據(jù)作為其權(quán)重系數(shù)。變異系數(shù)越大，則其對應(yīng)的指標(biāo)對評價(jià)的影響也就越大。設(shè)有P個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行效率指標(biāo)共分為m類，指標(biāo)矩陣如公式（1），計(jì)算權(quán)重過程如下。

（1）計(jì)算各指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差。

（5）

其中，為某一類指標(biāo)中第i個(gè)指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)差，為該指標(biāo)的第i個(gè)采樣值，為該指標(biāo)的平均值，其計(jì)算如公式3。

（2）計(jì)算各指標(biāo)的變異系數(shù)。

（6）

其中，為某一類指標(biāo)中第i個(gè)指標(biāo)的變異系數(shù)。

（3）各指標(biāo)變異系數(shù)的歸一化處理。

（7）

其中，為該指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

2.4 綜合評分

線性綜合評分方法有著直觀、易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，且與實(shí)際工作相似，因此，該文采取該方法對各個(gè)電力公司進(jìn)行綜合評分。其計(jì)算公式如下：

（8）

其中，y為某一電力公司的綜合評分，p為該公司的電網(wǎng)運(yùn)行效率指標(biāo)總數(shù)，為第i個(gè)評價(jià)指標(biāo)值，為其權(quán)重系數(shù)。

3 實(shí)例分析

以2014年河北電網(wǎng)220 kV電壓等級的運(yùn)行數(shù)據(jù)為依據(jù)，基于大數(shù)據(jù)和相關(guān)性分析篩選出電網(wǎng)運(yùn)行效率指標(biāo)，其有效指標(biāo)如表2所示。基于這些指標(biāo)對河北省6個(gè)地市公司指標(biāo)約簡前和指標(biāo)約簡后分別進(jìn)行評分，并將評分進(jìn)行對比，其評分結(jié)果如表3所示。

由表2可知，基于大數(shù)據(jù)共篩選出13個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行效率指標(biāo)，構(gòu)成電網(wǎng)運(yùn)行效率的指標(biāo)體系，這些指標(biāo)之間相互獨(dú)立，且各指標(biāo)對電網(wǎng)評價(jià)的影響權(quán)重不同，表中指標(biāo)是按照權(quán)重分量依次遞減排序，權(quán)重分量總和為1。

通過對各電力公司的實(shí)際調(diào)研可知：表3的地市公司評分結(jié)果與實(shí)際情況較為接近，基本反映了各地市公司電網(wǎng)運(yùn)行效率的情況。地市6、3、1、4，其所處位置為城區(qū)，經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)，工業(yè)化發(fā)展快，電力需求量和售電量較大，變壓器效率高，線損率低，因此其綜合評分較高；地市2、5，其電網(wǎng)結(jié)構(gòu)中農(nóng)網(wǎng)比例較大，雖然電網(wǎng)投入增加，但售電量增量相對緩慢，且設(shè)備的利用率低，線損率大，導(dǎo)致其綜合評分較差。

4 結(jié)語

通過對我國電網(wǎng)運(yùn)行現(xiàn)狀的研究，了解到電網(wǎng)運(yùn)行效率的評價(jià)指標(biāo)選取不完善，提出了大數(shù)據(jù)概念，并基于大數(shù)據(jù)對電網(wǎng)運(yùn)行效率的指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性篩選，建立了一套可靠的電網(wǎng)運(yùn)行效率指標(biāo)體系；然后進(jìn)行指標(biāo)歸一化、指標(biāo)權(quán)重計(jì)算，對該指標(biāo)體系進(jìn)行評價(jià)；最后將此指標(biāo)體系用于河北省電網(wǎng)公司，對其電網(wǎng)運(yùn)行效率綜合評分。實(shí)例結(jié)果表明了基于大數(shù)據(jù)的電網(wǎng)運(yùn)行效率指標(biāo)評價(jià)的有效性和可靠性，為電網(wǎng)的投資提供了有力的依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 宋伶俐，鄧長虹，吳耀文，等.基于相關(guān)性分析法的電網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行效率評價(jià)指標(biāo)[J].中國電力，2012（9）：85-90.

[2] 馬坤隆.基于大數(shù)據(jù)的分布式短期負(fù)荷預(yù)測方法[D].湖南大學(xué)，2014.