智能电网评估指标体系的构建方法_王彬

1、智能电网评估指标体系的构建方法王彬1,何光宇1,梅生伟1,陈艳波1,刘炜2(1.电力系统国家重点实验室,清华大学电机系,北京市100084;2.陕西省地方电力(集团有限公司,陕西省西安市710061摘要:智能电网评估指标体系是科学评估智能电网发展水平和效用、指导智能电网趋优运营的载体,是智能电网建设的基础。文中将指标体系划分为战略指标集和过程指标集2个层次,其中,战略指标集是智能电网的宏观表象,过程指标集则表征其中的微观因素,两者形成紧密的指标链。从智能电网利益相关者的需求出发,建立多层、多级的需求体系结构,在此基础上对需求进行量化以构建智能电网战略指标集,对战略指标集进行多维度的分解转化,形

2、成过程指标集。所构建的指标体系具有层次性强、指标关联关系明确、便于应用等特点。关键词:智能电网;指标体系;核心价值;战略指标集;过程指标集收稿日期:2011-09-06;修改日期:2011-10-14。国家自然科学基金资助项目(51077079。0引言进入21世纪以来,全球范围内掀起了智能电网的研究和建设热潮1-4。智能电网对提高电网安全、灵活、自愈、互动、经济、兼容、清洁等方面的水平,推动电力行业的能源结构调整和可持续发展将发挥至关重要的作用,是未来电网的发展方向5-6。随着智能电网研究和建设工作的推进,亟需构建一套科学、合理、全面的评估体系,即智能电网评估指标体系:在宏观战略层面上,对电网

3、的智能化发展水平进行评价,对智能电网带来的安全效益、经济效益和社会效益进行评估,为智能电网的发展规划提供科学指导;在微观过程层面上,对电网运行状态和薄弱环节进行分析、识别,为智能电网的运行管理提供决策依据。因此,构建智能电网评估指标体系是建设智能电网的基础。文献7从智能电网三要素(核心价值、主要特性和关键技术出发,介绍了美国智能电网的评估指标体系,建立了效果评估指标、主要特性指标和技术支撑评估指标的3层评估指标模型;文献8从智能电网规模基础、技术支撑能力和发展效果3个层次出发,建立了坚强智能电网的多级指标模型;文献9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。上述文献提出的

4、指标体系虽然角度不尽相同,但基本思想一致,即按某种分类方法对电网指标集进行划分,整合为指标体系。这种思路存在以下不足:指标选取往往只从电网本身出发,而整个智能电网生态圈包含多个利益相关者6,指标体系不能只考虑电网的需求,而应综合反映整个智能电网生态圈所有利益相关者的需求;指标体系往往只是指标的集合,指标之间相对孤立,没有挖掘指标之间的关联关系,降低了指标体系对智能电网规划、建设、运行等环节的指导意义。本文在前人研究的基础上,提出了一种新的智能电网评估指标体系构建思路:从宏观战略和微观过程这2个方面分别构建智能电网战略指标集和过程指标集,以指标链的形式实现两者的关联,最终形成指标体系。该指标体系

5、层次性强、指标关联关系明确,对后续智能电网自趋优运营具有重要的指导作用。1指标体系构建思路从宏观和微观2个层面出发,将智能电网评估指标体系划分为战略指标集和过程指标集。战略指标是对智能电网所带来的核心价值的评估,反映了智能电网的总体发展水平,是宏观管理所关心的指标;过程指标是具体到相关部门、人员、设备和自动化系统的评估指标,反映了电网各环节的运行状态,是微观管理所关心的指标。智能电网核心价值的实现依托于各个部门、人员、设备和自动化系统的高性能运作,任一环节出现问题,都会对电网产生影响。因此,战略指标反映的是结果(滞后指标,是过程指标的宏观表征,而过程指标反映的是原因(领先指标,是战略指标的影响

6、因素,不同的过程指标通过电网内部的运行机制层层递进,共同作用于战略指标。两者关系可采用树状或者网状的指标链来表征,如图1所示。1第35卷第23期2011年12月10 日V o l .35N o .23D e c .10,2011 图1战略指标与过程指标的关系F i g .1R e l a t i o n s h i p b e t w e e n s t r a t e g ic i nde x a n d pr o c e s s i n d e x 2战略指标集构建方法战略指标是对智能电网所带来的核心价值的评估,而价值是需求的体现,智能电网的核心价值正是电网利益相关者核心需求的体现。因此,

7、战略指标本质上是对电网利益相关者需求满足程度的衡量。基于此,构建智能电网战略指标集需要回答以下问题。1电网有哪些利益相关者。2每一利益相关者对电网的需求有哪些。3对每一利益相关者如何选择合理的指标评估其某一具体需求被满足的程度(可称为需求指标。通过回答这些问题可得到各利益相关者的需求指标,对所有利益相关者的需求指标进行汇总归纳,即可构建利益相关者总的需求指标集,亦即战略指标集。下文将回答上述3个问题,并以此完成智能电网战略指标集的构建。2.1电网利益相关者电力系统作为一个复杂系统,受到发电企业、电网企业、电力用户等各个参与者的影响。同时,应该看到电力系统还充当人类生产、生活所需能源的传输纽带,

8、是国家能源安全的重要保障。国家和社会对电力系统的运行高度关注。对于某一区域的具体电网而言,其运营受到发电企业、电力用户、与其互联的电网企业、该区域的电网企业以及社会的关注。因此,电网的利益相关者包括电网本身、电力用户、互联电网、发电企业以及国家和社会,如图2所示 。图2电网利益相关者F i g .2S t a k e h o l d e r s o f p o w e r gr i d 随着电网的发展,利益相关者的具体组成也会产生相应的变化:发电企业方面,除了包括传统的火电厂、水电厂、抽水蓄能电厂和核电厂,还应包括各种新能源电厂,如风电场、光伏发电站和各种储能电站等;电网企业方面,在输电网和配

9、电网基础上还应包括微电网;用户方面,利益相关者不仅包括传统的用户,还包括各种可主动响应电网需求的用户,如电动汽车充电站等。由于利益相关者的变化,由此出发构建的战略指标集也将有一定的变化。2.2利益相关者的需求分析为了保证需求分析的全面,结合电力系统的运行特性,根据需求不被满足将给利益相关者带来的后果严重程度的不同,对利益相关者的需求进行分层划分,如图3所示 。图3智能电网利益相关者需求层次F i g .3H i e r a r c h y c h a r t o fde m a n d s of s m a r t gr i d s s t a k e h o l d e r s 1安全性需求

10、:当某一需求不被满足时,将会(或者可能会给该利益相关者带来灾难性的后果,则这一需求属于安全性需求。2优质性需求:当某一需求不被满足时,虽不会给该利益相关者带来灾难性的后果,但会给其正常运作带来不利的影响,则这一需求属于优质性需求。3高效性需求:当某一需求不被满足时,虽不会影响该利益相关者的正常运作,但会给其运作效益带来损失,则这一需求属于高效性需求。4可持续性需求:当某一需求不被满足时,若其影响了该利益相关者的可持续发展,则这一需求属于可持续性需求。需要强调的是,此处的“安全性”、“优质性”、“高效性”和“可持续性”与传统意义不再一致,此处均从后果出发,而非从电网本身的运行特性出发,不考虑过程

11、。此外,各层需求的划分是相对于利益相关者而言的,即对于同一需求,不同的利益相关者可能隶属于不同的需求层次。例如,减少停电事故的需求,对于电网公司而言是安全性需求,而对于电力用户而言,只会影响其正常运作,属于优质性需求。从后果出发进行分类的好处在于:层次清晰,各需求之间不重复、不遗漏,保证了需求分析的全面性;从后果出发,便于构造与之对应的指标,将需求 22011,35(23进行量化,从而为指标集的构建提供清晰的思路。进一步,在每层需求中,同样可以根据需求不被满足所带来后果的严重程度进行分类,从而实现需求的细化,形成多层、多级的需求体系结构。例如,对电力用户这一利益相关者的优质性需求,可根据“是否

12、有电可用”、“电能质量好坏”、“配套服务好坏”3个层次对其分类,进而可得到供电可靠性需求、电能质量需求和服务性需求共3类二级优质性需求。所有利益相关者的需求体系结构如图4所示 。图4智能电网利益相关者需求体系结构F i g.4A r c h i t e c t u r e c h a r t o f d e m a n d s o f s m a r t gr i d s s t a k e h o l d e r s 2.3需求指标选取形成多层、多级的需求体系结构后,即可针对底层最细化的需求,选取合理的需求指标,对需求进行量化,对需求的满足程度进行评估。得到每个利益相关者的各层需求指标后,进

13、行汇总归纳,形成智能电网战略指标集,如图5所示 。图5智能电网战略指标集F i g .5S t r a t e g y i n d e x s e t o f s m a r t g r i d 3·专题研讨智能电网·王彬,等智能电网评估指标体系的构建方法在选择需求指标时,除了要遵循制定指标体系的基本原则外,还应遵循以下具体的原则。1指标应反映利益相关者整体的、跨整个考察周期的、宏观的需求。例如,为电网本身这一利益相关者高效层面下的网损需求选择指标时,应选择全网全年(或整个考察期的总网损作为评估指标,而不应选择全网在某一天的网损作为评估指标。从下文的分析中可以知道,在确定全

14、网全年的总网损后,可通过分解和转化,将其分解到每个时段、每个设备上(这些指标即上文所述的过程指标。2指标定义应完整。定义指标时,要给出指标名、指标作用以及指标计算方法。对具体对象和指定时间段,还应根据需求分析或分解和转化等方法给出相应指标的指标界。3指标应易于计算,计算所需的数据应便于获取,便于实现和在线应用。4尽量选择常用的、易于理解的指标,便于运营人员掌握。例如电力用户优质性需求,可按照3类二级需求分别选取:供电可靠性需求,选取用户平均停电时间和用户平均停电次数;电能质量需求,选取电压合格率、频率合格率和谐波含有率;电力服务性需求,选取用户投诉率。3过程指标集构建方法战略指标集是宏观层面的

15、,反映的是结果,是智能电网发展的战略目标,显然不利于直接指导智能电网的运行管理。而过程指标集是微观层面的,反映的是原因,是智能电网内部运营人员需求的量化。构建过程指标集,有利于为电网运营的评估和薄弱环节的分析提供全面、可靠的数据基础以及合理的辅助决策,在一定程度上缓解电网运营人员的工作强度和工作压力。由于过程指标和战略指标可以采用指标链的形式进行关联,因此可以从战略指标集出发构建过程指标集。过程指标集的构建步骤如下。1对于每一个需求指标,综合分析其组成部分和影响因素。2对这一需求指标按照其组成部分和影响因素进行分解和转化,形成多过程指标的指标链。3汇总归纳所有指标链上的指标,形成过程指标集。由

16、上不难看出,构建过程指标集的过程本质上是对战略指标进行分解和转化的过程。其中:指标分解是指标在时间维、空间维和对象维上的分解;指标转化是找到影响某指标的各个影响因素,并针对每个影响因素,选取合适的过程指标进行量化和评估,进而形成具有因果关系的一系列指标。指标分解和转化的目的在于落实,即将整体的、长期的、宏观的战略指标分解和转化为一系列可以评估和可以控制的针对具体业务部门某一个考核周期的微观指标。3.1分解1指标在不同维度上的分解分解的维度包括时间维度、空间维度和对象维度,结合不同的考察点,往往很容易将指标分解到某一维度的不同尺度上。例如,对于调度部门年网损率指标,时间维上可分解为每月每日等时段

17、,空间维上可分解为不同的区域,对象维上可分解为不同的设备。2指标界在不同维度上的分解在将指标在不同维度上进行分解的基础上,将指标界分解为可供分解对象在特定维度上的界。例如,调度部门希望年网损率指标不大于某一值a ,则指标界分解就是将值a 分解到每月每日不同区域的不同线路、变压器,以保证年网损率指标的完成。3.2转化1指标影响因素剖析剖析指标的影响因素,往往通过业务流程分析得到或者通过数据挖掘方法找到隐含的影响因素。例如,影响网损指标的技术因素可通过业务流程分析方法,归纳为无功装置地点和投运情况、分布式电源的安装地点和容量以及负荷预测准确率等方面。2指标界的转化在指标影响因素剖析的基础上,将指标

18、界转化为其影响因素的界。这一问题通常较为困难,需要具体问题具体分析。其常用方法包括灵敏度分析、建立相应的最优潮流模型等,也可通过贝叶斯网络、聚类分析、关联分析等方法,分析指标与其影响因素的概率性因果关系。4智能电网指标集构建流程综上,智能电网指标体系的构建步骤如下。1对各利益相关者,分别构建其需求指标集。2在各利益相关者的需求指标集基础上,构建智能电网战略指标集。3将智能电网战略指标集分解和转化为其所属各环节(规划、建设、运行、维护、营销等的战略指标集。4对每一个环节的战略指标集,通过分解和转化,得到相应的过程指标集。 42011,35(23智能电网指标集构建流程如图6所示 。图6智能电网指标

19、集构建流程F i g .6S c h e d u l i n g f l o w c h a r t o f s m a r tg r i d s i n d e x s e t 5结语本文将智能电网评估指标体系分解为战略指标集和过程指标集。从智能电网利益相关者的需求出发,对需求根据后果的严重程度进行分层,并提取相应的需求指标,形成需求指标集,从而实现智能电网战略指标集的构建;在此基础上,对战略指标集进行分解、转化,形成过程指标集。本文构建的智能电网评估指标体系涵盖了智能电网所有利益相关者的需求,实现了对智能电网的全面、深入评估,同时揭示了指标之间的关联关系,为后续指导智能电网自趋优运营打下了

20、坚实的基础。参考文献1G R I D 2030:a n a t i o n a l v i s i o n f o r e l e c t r i c i t y s s e c o n d 100y e a r s R .W a s h i n g t o n ,D C ,U S A :U n i t e d S t a t e s D e p a r t m e n t o f E n e r g y O f f i c e o f E l e c t r i c T r a n s m i s s i o n a n d D i s t r i b u t i o n ,2003.2E

21、u r o p e a n S m a r t G r i d s t e c h n o l o g y p l a t f o r m :v i s i o n a n d s t r a t e g y f o r E u r o p e s e l e c t r i c i t y n e t w o r k s o f t h e f u t u r e R .B r u s s e l s ,B e l g i u m :E u r o p e a n C o m m i s s i o n ,D i r e c t o r a t e -G e n e r a l f o r

22、R e s e a r c h ,I n f o r m a t i o n a n d C o m m u n i c a t i o n s U n i t ,2006.3陈树勇,宋书芳,李兰欣,等.智能电网技术综述J .电网技术,2009,33(8:1-7.C H E N S h u y o n g ,S O N G S h u f a n g ,L I L a n x i n ,e t a l .S u r v e y o n s m a r t g r i d t e c h n o l o g y J .P o w e r S y s t e m T e c h n o l o g

23、 y ,2009,33(8:1-7.4肖世杰.构建中国智能电网技术思考J .电力系统自动化,2009,33(9:1-4.X I A O S h i j i e .C o n s i d e r a t i o n o f t e c h n o l o g y f o r c o n s t r u c t i n g C h i n e s e s m a r t g r i d J .A u t o m a t i o n o f E l e c t r i c P o w e r S y s t e m s ,2009,33(9:1-4.5何光宇,孙英云.智能电网基础M .北京:中国电力

24、出版社,2010.6何光宇,孙英云,梅生伟,等.多目标自趋优的智能电网J .电力系统自动化,2009,33(17:1-5.H E G u a n g y u ,S U N Y i n g y u n ,M E I S h e n g w e i ,e t a l .M u l t i -i n d i c e s s e l f -a p p r o x i m a t e -o p t i m a l s m a r t g r i d J .A u t o m a t i o n o f E l e c t r i c P o w e r S ys t e m s ,2009,33(17:

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26、18.WA N G Z h i d o n g ,L I H u i ,L I J u n ,e t a l .A s s e s s m e n t i n d e x s y s t e m f o r s m a r t g r i d s J .P o w e r S y s t e m T e c h n o l o g y,2009,33(17:14-18.9谭伟,何光宇,刘锋,等.智能电网低碳指标体系初探J .电力系统自动化,2010,34(17:1-5.T A N W e i ,H E G u a n g y u ,L I U F e n g ,e t a l .E l e m

27、 e n t a r y r e s e a r c h o n s m a r t g r i d s l o w -c a r b o n i n d e x s y s t e m J .A u t o m a t i o n o f E l e c t r i c P o w e r S ys t e m s ,2010,34(17:1-5.王彬(1987,男,通信作者,博士研究生,主要研究方向:电力系统优化和控制。E -m a i l :w -b 09m a i l s .t s i n gh u a .e d u .c n 何光宇(1972,男,副教授,博士生导师,主要研究方向:电

28、力系统经济运行及优化理论在电力系统中的应用。梅生伟(1964,男,教授,博士生导师,主要研究方向:电力系统分析与控制。C o n s t r u c t i o n M e t h o d o f S m a r t G r i d s A s s e s s m e n t I n d e x S ys t e m WA N G B i n 1,H E G u a n g y u 1,M E I S h e n gw e i 1,C H E N Y a n b o 1,L I U W e i 2(1.S t a t e K e y L a b o f P o w e r S y s t e

29、m s ,D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,T s i n g h u a U n i v e r s i t y ,B e i j i n g 100084,C h i n a ;2.S h a a n x i R e g i o n a l E l e c t r i c P o w e r G r o u p C o .L t d .,X i a n 710061,C h i n a A b s t r a c t :T h e a s s e s s m e n t i n d e x

30、s y s t e m o f a s m a r t g r i d i s t h e c a r r i e r t h a t s c i e n t i f i c a l l y a s s e s s e s t h e d e v e l o p m e n t l e v e l a n d e f f e c t i v e n e s s o f t h e s m a r t g r i d a n d t h e f o u n d a t i o n o f s m a r t g r i d c o n s t r u c t i o n .T h e i n d e x s y s t e m o f s m a r t g r i d i s d i v i d e d i n t o t h e s t r a t e g i c i n d e x s e t a n d p r o c e s s i n d e x s e t .A s t h e f o r m e r r e p r e s e n t s t h e m a c r o s c o p i c f e a t u r e s w h i l e t h e l a t t e r r e pr e s e n t s t h e m i c r o s c