电力应急转移决策方法

引言

随着电力系统的不断发展，电力系统规模的增大导致电力系统运行受各种内部和外部因素的影响增强，同时电力系统作为一个时变动态大系统，面对各种突发事件导致其整体运行状态发生变化的几率也急剧增大，电力系统相关部门对这些突发事件的响应将直接影响电力系统乃至整个社会生产、生活的方方面面。电力调度部门作为电力事件响应的关键一环，及时准确地对电力事件进行识别和判断显得格外重要，可为系统安全运行提供预警信息，使各部门在突发事件发生时做出最快的响应，减少损失。目前针对电力系统调度的相关领域，国内许多学者做过一定的研究［1-4］，但对于调度系统运行的机制方面研究较少。从近年的实际情况看，虽然电力系统在不断完善，但由电力事故和自然灾害导致电力系统出现应急状况时有发生，因此进行调度机制方面研究在电力系统应急状态下可为保障电力系统的正常调度提供理论方法。电力系统是一个人造的复杂系统，电网调度是电力系统正常运行的中枢。为了确保电力系统调度的正常进行，目前电力系统中设立了3个可行使调度权的职能机构：主调中心、备调中心和应急指挥中心。本文在此基础上，提出了主调、备调和应急指挥中心三位一体的调度权行使转移框架，分析其主要特征，选取电网状态、人员状态和设备状态作为关键指标，形成调度权转移启动指标体系，并针对大量数据和样本集，采用了决策树算法构建决策树，用以判断是否发生调度权转移。该框架和方法对于电力系统运行中进行调度决策和风险事件的应急响应有着重要意义。

1电力系统调度现状

电网调度中心［5］是电网事故处理的指挥中心，履行“电网事故处理指挥”职责，值班调度员是电网事故处理的指挥员，统一指挥调度管辖范围内的电网事故处理。职责主要有：下达调度命令，指挥电网事故处理，控制事故范围，防止事故进一步扩大；采取一切必要手段，尽可能保证主网安全和重点地区、重要用户的电力供应；负责协调电网、电厂、用户之间的恢复，提出合理可行的恢复方案和恢复步骤；负责指挥电网操作，恢复电网供电和电网接线方式，使其尽快恢复正常。备调中心在主调中心发生紧急情况时启用。而在发生影响社会各个方面的大规模停电事故时，电网调度中心并不能完全满足公共安全应急处理的需要［6］，需设立电力应急指挥中心来解决相关问题。应急指挥系统从电网应对危机能力的角度出发，为电力企业提供应对各种供电危机能力的手段和方法，同时也是电力企业对外的信息和沟通平台。在国内，城市电网应急体系和规章制度的建设刚刚起步。其中，部分地区（如北京、四川）已建立了电网应急指挥中心，主要解决电网事故报接警及现场视频采集、应急指挥机制等方面的问题，建立了初步的应急指挥系统，实现了现场视频采集、多层次的数据整合和联动、现场指挥、视频会议会商等内容，为应急指挥系统的建设和发展提供了许多有益经验。电力应急指挥各部门关系结构［7］如图1所示。该系统可进行厂网之间、电力公司与地方政府之间、电力公司与电力监管机构之间、电力应急和社会应急之间的协调配合和衔接。在发生电力事故时，通常由电网主调下达调度命令，指挥电网事故处理，但在面对某些严重的电网事故或极其恶劣的外部条件时，主调可能无法正常继续履行其职责，这就需要主调、备调、应急指挥中心3个部门针对不同情况进行三位一体的调度权转移协调调度。但由于目前国内城市电网应急体系和规章制度的建设刚刚起步，机制还很不完善，对3个调度部门之间在何种情况下发生调度权转移并没有明确的决策依据，因此需要建立一套完整的调度权转移辅助决策系统。本文针对以上问题，采用决策树方法对调度权转移的启动条件进行分析。

2调度状态变化应对决策过程

调度系统通过保持正常状态在能力范围内行使自身的职能，但在某些特殊的情况下，由于调度系统受内部或外界影响，调度状态发生了急剧变化，调度工作无法正常继续进行或超出自身能力范围，则整个电力系统的安全运行无法保障，便会导致电力事故的发生。对调度状态变化响应一般经过以下几个阶段。由于某些事件的发生，影响调度工作正常进行的一些内、外部因素发生变化，调度状态应在事件发展到一定程度前对其做出一定响应，本文称之为预警信号的，可以通过各方面采集的信息对影响调度状态的事件初步分析评估，得到描述事件的指标与参数，并且对事件的发生、发展与演化有基本的了解，根据已经掌握的信息，对是否预警信号进行决策，若信息显示已经达到了需要预警的程度，就预警信号，提醒做好调度状态变化的应对准备；若没有达到预警程度，则继续对该事件进行监控，观察事件的相关信息。其次是分级建立启动阈值，若预警信号，说明该事件已经发展到了一定的程度，这时就应分级建立启动阈值。因为响应措施是针对不同的事件和级别制定和实施的，所以需要建立不同等级的启动阈值，作为启动对应措施的标准。本文中，定义调度状态是一个表征当前行使调度职能的运行部门能否正常履行其基本职能的量值，此值可以通过电力系统出现的各种不同情况、关键参数和指标的变化来体现，这与决策树的思想具有明显的相似性，故可将决策树的思想和算法运用于对电力系统调度状态的识别，从而做出是否发生调度权转移的决策，以保障调度工作的正常进行。

3调度权转移关键指标选取与评价体系

建立在电力系统运行过程中，可用来分析电力系统运行状态的指标［8-9］多种多样，而专门针对调度权所提出的指标体系还很少见。而随着电力系统的发展，面对的风险事件越来越复杂，影响电力系统安全运行的因素越来越多，影响范围越来越广。调度中心可能无法完全满足应急处理的需要，此时必须启动调度权转移，由上级应急指挥中心全面调度，保障电力系统调度的正常运行。对于比较复杂的事件，应对措施启动条件的指标往往是多方面的，同时很多指标也无法直接用数据度量。本文结合以往经验及对电力系统特性的分析，将调度权转移指标分为电网状态指标、人员状态指标和设备状态指标，用这3个指标来综合评价事件，从而启动对应措施。

3.1电网状态指标从调度权转移的方面考虑，电网状态指标应该以停电严重程度为主，涵盖负荷损失比例、重要用户损失程度和停电持续时间3个要素。用指标函数H表示停电事故的影响，其表达式为：H=f（R，L，D）（1）其中，R、L、D分别代表负荷损失比例、重要用户损失程度和持续时间；函数关系f的定义可以采用多种指标融合方法进行。重要用户损失程度的表达式为：L=鄱j＝1mωjPj鄱鄱／鄱i＝1nωiPi鄱鄱×100%（2）其中，n为重要负荷总数，m为损失的重要负荷数，Pi、Pj分别为第i和第j个重要负荷；ωi、ωj分别为第i和第j个重要负荷的权重。负荷重要性等级在文献［10］中有详细的研究，本文不再叙述。电网状态其他相关指标还有频率、电压、潮流、容量等。以上评价指标都可在所取得的调度基础信息数据基础上直接进行分析计算得到。

3.2人员状态指标电网运行岗位上工作人员不足率ρl：定义在某些事件发生时，电力工作人员出现一定程度的缺失，此时，电力系统的安全运行保障受到影响。ρl=鄱i＝1nriρl，i其中，ri为第i个值班岗位的权重；ρl，i为第i个值班岗位的人员不足率；Sloss为工作人员伤亡人数；Stotal为工作人员总数。工作人员整体工作状态指数W：评价在某些事件发生时，工作人员正常工作及发生误操作概率的指标。影响工作状态的影响因子主要有事故造成的恐慌度以及灾害事故发生后工作人员所处的工作环境。由于这些指标不可直接量度，可由下式量化：Wa=鄱i＝1nAiλEL，i（4）其中，Ai为权重系数；λEL，i为各影响因子。一般恐慌度可以通过互联网信息间接得到，工作环境可通过灾害信息得到。

3.3设备状态指标设备总体状态指标Sa：也是不可直接量度的，没有一定的阈值，而且不同设备对电力系统运行的影响严重程度也不一样，即不能只根据某些设备指标或参数直接作为启动指标，而需要根据不同设备在电力系统运行中的重要性，设置不同的权重，将这些信号的加权和作为启动机制的依据，如式（5）所示：Sa=鄱i＝1nBiλHL，i（5）其中，Bi为权重系数，可以利用层次分析特征值法确定；λHL，i为各故障设备危害因子。文献［11］中对电力系统设备运行状态的划分也有比较详细的叙述，限于文章篇幅，本文不再赘述。对于以上指标体系中不可量化的指标的权重分配，均会经过评判一致性检验直至取得满意值［10］。最后可以通过3类指标来综合判断不同事件对调度状态的影响程度，根据其数值的大小判断是否做出调度权转移决策以及相关部门启动对应措施。

4基于决策树的调度状态识别及调度权转移启动方法

4.1基于信息增益的决策树算法决策树的实现是以信息论原理为基础的。在决策树形成的过程中，最重要的部分是对分裂属性的选择。比较常用的一种方法是计算信息，信息增益的原理来自信息论，它是使某个属性用来分割训练集而导致的期望熵值降低。因此，信息增益越大的属性分裂数据集的可能性越大。决策树的形成就是递归地对数据集中的每个节点进行分裂，直到节点的所有类别都属于同一类或没有多余的属性来划分训练样本集。下面给出ID3算法的具体算法。设S为一个包含r个数据样本的集合，类别属性可以取m个不同的值，对应于m个不同的类别Ci（i=1，2，…，m）。假设ri为类别Ci中的样本个数，那么要对一个给定数据对象进行分类所需要的信息量为：I（r1，r2，…，rm）=-鄱i＝1mPilogPi（6）设一个属性A取v个不同的值a1鄱，a2，…，av鄱，利用属性A可以将集合S划分为v个子集，即鄱S1，S2，…，Sv鄱，其中Sj包含了S集合中属性A取值aj的数据样本，若属性A被选为测试属性（用于对当前样本集进行划分），设Sij为子集Sj中属于Ci类别的样本集，利用属性A划分当前样本集合所需要的信息熵：E（A）=鄱利用属性A对当前分支结点进行相应样本集合划分所获得的信息增益为：G（A）=I（r1，r2，…，rm）-E（A）（8）计算出各属性的信息增益后，选取信息增益最大的属性作为结点向下生成决策树。

4.2调度权转移决策树的构建方法建立决策树首先需要对典型事件和历史事件数据进行预处理。采用统计学和人工智能相结合的数据挖掘方法，在对大量的数据进行分析后可以从中找出一些对决策有帮助的数据，形成样本集。参照文献［12］对电力系统运行状态划分，分析比较调度状态的特点后，本文将调度状态分为正常、预警、紧急和应急4类，各类状态的定义描述如下。a.正常状态：各项指标都处在安全范围之内并有一定的裕量，可以发生一定的波动。b.预警状态：选取的某些属性指标处于临界或轻微越限状态，使其对外界的抗干扰能力下降，此时应加强监视并采取一定预防和修复措施即能使系统恢复到正常状态。c.紧急状态：选取的某些属性指标发生严重越限，但调度中心仍能工作且有能力对电力系统进行整体调度，及时采取正确而且有效的紧急控制或修复措施。d.应急状态：选取的多项属性指标同时发生严重越限，调度中心无法继续进行调度工作，或者事故的发展已经超出调度中心调度能力范围，此时启动应急指挥中心，进入应急状态。其次，决策树算法中需要对一个属性取n个不同的值，则应取n-1个阈值，将其离散化为n个等级，而指标的选择、等级的划分和指标阈值的确定都需要结合具体电力系统的特征及历史数据的分析来确定，不同类型和不同区域的电力系统得出的样本数据、选取的属性指标及阈值的确定是不同的。5算例分析通常备调中心是在主调中心无法正常行使调度职能时启用，即主调中心工作人员状态指标、设备状态指标已经越限，需要将调度职能转移。而调度中心与应急指挥中心之间调度权转移较为复杂，考虑的因素较多，因此本文着重讨论调度中心与应急指挥中心之间调度权转移启动条件，采用决策树方法来实现。首先结合实际假设一组样本集S，分别为正常、预警、紧急和应急4类状态共1546个样本作为算例，参数样本集中各种状态所占比例如表1所示。然后对选取的几个关键指标进行等级划分：a.参照文献［13］将电网状态综合指标划分为正常、轻度、中度和严重4个等级；b.人员状态综合指标根据其值大小划分为正常、轻度和严重3个等级；c.设备状态综合指标根据其值大小同样划分为叶结点）。结果分析：在选取的样本集中，紧急和应急的运行状态分别达到了4.79%和1.55%，出现这样较高的比例，是出于对自然灾害、网络黑客攻击以及恐怖袭击的考虑，同时还与设置的状态条件阈值有关，比较具有典型性。通过对选取样本的学习和计算结果，可以归纳出电力系统的调度状态的一些规律：选用的评价指标中，对电力系统调度状态影响最大的属性是电网状态综合指标，其次是人员状态综合指标，再次是设备状态综合指标；在决策树建立后，容易看到在何种情况下需要将调度权从调度中心向应急指挥中心转移，即转移启动条件。由此可得出3个调度部门进行三位一体调度职能权转移的启动条件。因此利用决策树的方法可以很容易识别调度状态，从而迅速启用不同的应对措施，以保障电力系统的调度工作正常进行。6结语电力系统在运行过程中会出现各种影响运行状态的因素和事件，调度部门能否正常进行调度工作并及时准确地做出应对措施，对减少损失和保障电力系统安全运行起着十分重要的作用。应急指挥中心虽然建立，但启动机制还不完善，对此，提出了电力系统主调、备调和应急指挥中心三位一体的调度权转移框架及指标体系，和基于决策树的电力系统调度状态识别方法。该方法可作为电力系统调度权转移的决策依据。本文构建的事件评价指标体系还需要进一步完善，同时随着决策树算法的发展，可以选用更适合、更精确的决策树算法用于电力系统调度权转移决策。正常、轻度和严重3个等级。分别选用各指标作为测试的根节点属性，计算其信息熵及信息增益。计算结果如表2所示。