基于Spark框架的电网技改大修项目后评价系统设计与实现

杨 桦 董 祯 孙 祎 耿 茜 李天然

基于Spark框架的电网技改大修项目后评价系统设计与实现

杨 桦1董 祯2孙 祎1耿 茜1李天然1

（1. 国网河北省电力有限公司电力科学研究院，石家庄 050011； 2. 国网河北省电力有限公司，石家庄 050021）

项目后评价是项目管理过程的重要环节，目前电网技改大修项目只选取部分重点项目开展后评价试点，无法反映项目整体执行效果。本文介绍基于Spark框架开发技改大修项目后评价系统的过程，该系统利用大数据技术处理后评价基础数据，采用多层次模糊综合评价法对项目执行效果进行打分，为技改大修项目的常态化开展提供了技术保障。

项目后评价；电网技改大修项目；全寿命周期管理；Spark框架；多层次模糊综合评价法；投资预测

0 引言

项目后评价是项目管理过程的重要环节，不仅能够为项目的有效实施提供参考标准，而且也有利于促进项目预期目标的实现[1]。我国电力行业开展项目后评价的时间较晚，现阶段只有基建项目实现了后评价的体系化、规范化和常态化，而电网生产技改、大修项目只选取部分重点项目开展后评价试点，评价结果无法反映技改大修项目整体执行效果。

目前，后评价方面的研究主要集中在评价方法与指标体系方面。文献[2]对电网技改项目基于财务指标进行经济效益方面的后评价，考虑了全寿命周期成本与收益。文献[3]基于层次分析法构建了技改项目的后评价指标体系。文献[4]对变电技改项目后评价的方法进行了综合性的对比分析，并建议后评价工作应以信息系统开展。文献[5]基于模糊综合评价构建了技改项目后评价分析，综合了主、客观赋权方法的利弊，但存在指标量化程度不一致的问题。文献[6]对电网企业技改维修项目的后评价全流程进行梳理，对各步骤的具体规程进行了明确的、规范的定义。文献[7]对后评价分析的范围进行扩展，并采用客观赋权法进行分析研究，但指标缺少基础数据支撑与可量化的计算方法。文献[8]采用前后对比法从经济效益角度对电网技改项目进行后评价。文献[8-9]从项目过程、效果、效益、可持续性四个方面出发，构建了三级指标体系，但效益、可持续性等指标难以计算，不具备大规模开展的条件。

综上所述，技改大修项目后评价虽然在理论层面具备开展条件，但难以实现常态化。主要原因有：①技改大修项目目的在于提高电网健康水平和运行安全可靠性，缺乏统一的评价标准与规范；②存在项目数量多而规模小，后评价工作量较大而管理成本高。

基于Spark框架本文开发了技改大修项目后评价系统，尝试对后评价基础数据关联利用大数据挖掘技术，如利用多层次模糊综合评价法对项目执行效果进行评价，以实现对技改大修项目后评价的常态化。评价指标覆盖面广、客观性强、成本低，具备在各级电力公司推广的条件。

1 电网技改大修项目后评价概述

1.1 项目目标分析

电网生产技改大修项目具有目标多样性的特点，基于国网技改大修原则，主要的目标可以按照安全、质量、成本和效益四个维度进行组织，得到14个具体目标，技改大修项目总体原则如图1所示。

图1 技改大修项目总体原则

1）异常及严重状态。对状态评价为“异常”“严重”或影响人身、电网安全的设备进行技改大修。

2）关键元件故障。对因为关键元件故障导致无法正常运行的设备进行技改大修。

3）不符合反措要求。对不满足电网反措、规程要求，或存在家族缺陷的设备进行技改大修。

4）技术质量指标异常。对出现可靠性差、缺陷频发、非停率高等指标异常的设备进行技改大修。

5）主体部件功能丧失。是指作为资产主要组成部分的设备主要部件，经评估无法继续使用且通过大修无法恢复的设备，应进行局部改造。

6）临期设备检修。指根据设备检修周期需要供应商提供专业服务的设备大修。

7）外观附件防蚀腐。对设备外壳、构架等出现锈蚀、风化时进行防锈、防腐处理。

8）设备退市。对已停产设备，或制造厂已无法提供备品备件和技术服务，备品备件不满足下一个运行周期最低需求的，应进行技术改造更换。

9）技术参数适应性。因电网发展需要，设备主要技术参数（额定电压、电流、容量、变比等）不能满足要求而开展的技改大修。

10）达到折旧寿命年限。是指设备运行年限达到设备折旧寿命，经评估无法继续服役且通过大修无法恢复设备性能时，应进行改造。

11）新技术推广与政策。是指因技术进步或新的政策要求，对已有的电网设备设施进行技术改造，如为实现在线监测技术、智能机器人技术等新技术在电网设备相关指标的监测与巡检中的应用所需的技术改造，以及节能减排政策要求所开展的一系列电网改造等。

12）增容扩产。为满足用电负荷的增长进行的增容扩产。

13）技术降损。通过技术手段降低线损与变损，提高经济效益。

14）环境改善。对电网运行环境针对防高温、防雨防潮、防鸟害、防小动物、防化学腐蚀等开展大修；防污闪与防谐波污染等进行技改。

1.2 评价方法

技改大修项目后评价方法有对比法、逻辑框架法、成功度法[10]等。

1）对比法。包括前后对比和有无对比。前后对比分析项目实施前后的变化与差异，一是对比实施前后指标改善程度，确定项目是否发挥作用；二是与项目初设预期对比，核定实际指标达标程度与完成质量。有无对比是对有无项目对象的对比，即对比一致条件下有无项目对象的指标差异。

2）逻辑框架法。其核心在于确定事物间内在因果关系。逻辑框架法包含四要素、四层次与三关系，逻辑框架法基本模式与因果关系如图2所示。四要素为层次描述、客观验证指标、验证方法与重要外部条件，四层次指投入/措施、产出/结果、目的/作用和目标/影响，三关系指层次间“如果—那么”因果关系。逻辑框架法对技改大修项目做后评价，即对比分析项目预测值和实际值，寻找差异原因。

图2 逻辑框架法基本模式与因果关系

3）成功度法。属定性分析法，一般基于逻辑框架法，由经验丰富的专家对项目综合指标分析得到目标实现度和效益成效，并做出成功度评价。一般分为非常成功、成功、部分成功、不成功和失败五个等级。非常成功表示项目目标已全面甚至超额完成，效益超过预期；成功表示项目目标已完成大多数，效益达到预期；部分成功表示项目原定目标已部分实现，取得一定效益；不成功表示项目目标仅少部分完成，效益实现较少；失败表示项目目标没有实现。

2 后评价指标体系

为了实现技改大修项目后评价的常态化，以具有普遍代表性和可通过信息系统获取两项要求作为后评价指标的选取标准构建了指标体系，其中运用了专家法。所建立后评价指标体系见表1。

该指标体系包含了项目过程评价和项目效果评价两部分。项目过程评价指标包含合同执行、费用控制与及时性，从项目管理角度开展评价。项目效果评价指标涵盖安全、质量、成本、效益四个方面，从项目完成前后电网质效改善程度进行评价。后评价指标体系与项目目标通过维度实现关联，其映射关系如图3所示。

表1 生产技改、大修项目后评价指标体系

图3 技改大修项目目标与评价指标体系映射关系

2.1 项目过程评价指标

1）合同执行。对项目合同执行情况进行评价，包括合同合规性、合同目标完成率、文档完整性。

2）费用控制。对项目的概预算控制、费用总控情况、费用变更合理性进行评价。

3）及时性。对项目合同工期节点控制，工期变更合理性等进行评价。

2.2 项目效果评价

1）安全。包括严重异常状态率、安全事故率指标。

2）质量。包括故障率、强迫停运率、供电可靠性和缺陷率指标。

3）成本。包括实际新投运、检修更换成本、故障损失成本和报废成本指标。

4）效益。包括增供电量、降损率和全寿命周期收益指标。

3 多层次模糊综合评判模型

多层次模糊综合评价法[11]是一种基于模糊数学的综合评价方法，其核心理论——概念模糊集合理论由美国自动控制专家罗德费·查德（Lotfi Zadeh）教授提出。综合评价方法根据模糊数学的隶属度理论把定性评价转化为定量评价，从而实现对受到多种因素制约的评价对象的总体评价。其评价结果清晰、系统性强的特点，能较好地解决模糊的、难以量化的问题，适合各种非确定性问题的解决。

本文所构建的技改大修项目后评价指标体系中，部分指标为定性指标，多为有经验的专家采用恰当评价方法做出的定性评判。因此，将多层次模糊综合评价模型应用于电网技改大修项目的综合后评价，能系统化、量化地对技改大修项目的经济效益做出评价，为同类项目在经济效益上的对比分析提供支撑。

3.1 因素层次结构集

多层次模糊要求将考核的因素构建成层次树状结构，即将因素集={1,2,…,}分成个子因素集1,2,…,，U={1,2,…,}，=1, 2,…,，且有

若因素集（1,2,…,U）中仍存在元素量较多不利于评判分析的情况，可进行次一级层次结构的构建。

本文构建的因素层次树状结构有三层，1={项目过程评价, 项目效果评价}；21={效益, 质量, 成本, 安全}；31={合同执行, 费用控制, 及时性}，32={增供电量, 降损率, 全寿命周期收益}，33= {故障率, 强迫停运率, 供电可靠性, 缺陷率}，34= {实际新投运, 检修更换成本, 故障损失成本, 报废成本}，35={严重异常状态率, 安全事故率}。

3.2 评价指标等级集

对于项目管理执行情况的评价等级有多种类型，以评价等级集表示为

式中，为评价等级数量，一般有≤9。这里采用成功度评价指标等级集，则={非常成功, 成功, 部分成功, 不成功, 失败}。

3.3 各因素的权重

因素集中各因素在综合评价中所起的作用必然存在差异，不仅与各因素的评价有关，还与各因素对评价对象的重要程度有关，即权重。针对中各子集的权重集={0,1,2,…,}，其元素有

且sum()=1，＞0，=0,1,2,…,，=1,2,…,。

本文采用层次分析法[12]进行计算。

3.4 模糊评判矩阵

根据评价等级集合，对各指标进行定量化和标准化处理，确定各单因素对评价等级集各元素的隶属度，建立模糊评判矩阵[12…]，则

式中：=1,2,…,；为中元素数量。

3.5 综合评价结果计算模型

结合计算所得指标权重向量与相应的模糊评判矩阵，可求解出模糊综合评价结果向量。面向输变电技改项目后评价的层次性目标，其多层次模糊综合评价结果向量为

3.6 算例分析

基于专家评判结果运用层次分析法求出达到一致性要求的后评价指标体系各层级权重见表2。

表2 生产技改、大修项目后评价指标体系各层级权重

计算得项目后评价指标的综合权重向量为=[0.105 0.047 0.016 0.049 0.441 0.082 0.009 0.019 0.016 0.005 0.008 0.023 0.002 0.115 0.046 0.019]

基于统一的成功度评价等级集制定的标准评价表，由专家组对各项目后评价指标给出评价。评价结果进入系统后统计出项目后评价指标评价等级集的模糊评价矩阵。表3为4个典型技改大修项目后评价指标隶属度评判矩阵。

结合权重向量与隶属度评判矩阵可得项目对成功度评价等级集元素隶属度向量见表4。

根据最大隶属度评判标准，可知项目P1与P4评价为“成功”，项目P2与P3评价为“部分成功”。

4 系统设计与实现

4.1 系统功能需求

通过对技改大修项目管理部门后评价工作开展需求调研，可知业务部门所关注的系统功能需求主要在项目后评价、评价结果分析、执行效果分析和系统管理四个方面，电网技改大修项目后评价系统功能架构如图4所示。

表3 四典型技改大修项目后评价指标隶属度评判矩阵

表4 四典型技改大修项目模糊综合评价结果

图4 电网技改大修项目后评价系统功能架构

1）项目后评价。针对单个项目或项目相关设备开展后评价分析，包括项目基础信息、项目执行情况、设备分析和资产全寿命分析四个功能项。

2）评价结果分析。从评价指标的计算结果对项目集合开展后评价分析，包括项目类型分析、电网专业分析、电压等级和设备类型统计四个功能项。

3）执行效果分析。从技改大修项目对区域电网、变电站、线路的质效提升开展后评价分析，包括安全质量、技术水平、可靠性和经济效益四个功能项。

4）系统管理。对后评价项目基本信息、评价规则和数据获取接口进行定义和管理，包括项目信息、数据接口、评价规则和组织机构管理四个功能项。

4.2 基于Spark框架的架构设计

电网作为一个整体的系统，在运行管理过程中产生海量数据，其涵盖技改大修项目后评价指标体系所关注的基础数据，且分散在多个信息化系统中。如资产全寿命周期成本财务数据存于企业资源计划（enterprise resource planning, ERP）系统中，设备状态、缺陷数据存于工程生产管理系统（power production management system, PMS）中[13]。

Spark是基于内存计算的大数据处理分析引擎，具有快速性、易用性、高可用性和跨平台性。可与Hadoop、MySQL等数据存储工具全面整合，形成可查询系统[14]。本系统基于数据处理的优势实现大数据整合与关联分析，基于Spark框架的系统架构如图5所示。

1）数据贴源层。该层对外部业务系统的数据进行采集、转换和存储，包括Hadoop系列工具与HBase、MYSQL数据库。

2）大数据分析层。该层对数据进行挖掘和关联，提供数据流处理能力，由Spark框架所提供的工具实现，包括Spark Core内核、Spark SQL查询、MLlib机器学习、GraphX数据可视化等工具。

图5 基于Spark框架的系统架构

3）业务实现层。该层基于大数据分析层提供应用程序接口（application programming interface, API），由Java语言开发构建业务功能模块，包括系统功能模块，指标管理、元数据管理、报表维护等模块。

4.3 数据流处理

项目数据处理中采用数据流技术，逐层加工数据，最后输出评价结果，每步可控而高效，基于Spark框架的数据流处理如图6所示。

图6 基于Spark框架的数据流处理

数据源层包括ERP、PMS、供电可靠性系统源数据中心，Kafka用于增量化数据提取，并由数据存储层保存。项目、设备、安全质量等后评价数据最终在业务分析层输出。

4.4 系统应用

本系统在某省级电力公司试点应用，对若干历史技改大修项目的初步测试评价结果与人工专家评审结果基本一致。与传统人工后评价相比：①提高了后评价效率，通过关键指标对比可快速定位存在问题的项目；②降低了后评价成本，传统人工评价需要通过召开评审会议和现场勘查方式进行，耗时长且各项成本开支大；③提高了评价的全面性和客观性，系统完整考虑了项目的各项指标，受人工因素影响小，同时能关注到项目对电网整体性能的改进效果。

5 结论

通过采用Spark框架设计实现电网技改大修项目后评价系统，对来自电网企业不同信息系统的业务数据与评价指标数据进行自动化采集、清洗、处理分析的集成，解决了技改大修项目海量数据处理的难题，降低了项目后评价工作开展所需的时间、人力、物力及成本。通过开展系统应用试点，得到如下实践经验：

1）对于小规模项目的后评价，可采用项目群的形式整合打包评价，通过区域电网综合绩效指标的提升判断项目的执行效果。

2）在选取重点项目进行评价时，可选取在后评价系统中存在指标异常的项目，通过后评价过程着重解决技改大修项目管理中实际的问题。

3）技改大修项目的经济性评价与基建项目存在本质差别，项目后评价时可通过对前后经济寿命的比较进行判断，并作为经济性的主要指标。

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Design and implementation of post-evaluation system for technical renovation and equipment overhaul project of power grid based on Spark framework

YANG Hua1DONG Zhen2SUN Yi1GENG Qian1LI Tianran1

(1. Electric Power Research Institute of State Grid Hebei Electric Power Co., Ltd, Shijiazhuang 050011; 2. State Grid Hebei Electric Power Co., Ltd, Shijiazhuang 050021)

Project post-evaluation is an important part of the project management process. At present, only some key projects are selected for power grid technical revamping and equipment overhaul projects to carry out post-evaluation pilots, which cannot reflect the overall implementation effect of the project. This paper introduces the process of developing a post-evaluation system for technical revamping and equipment overhaul projects based on the Spark framework. The system uses big data technology to process the basic data of post-evaluation, and uses the multi-level fuzzy comprehensive evaluation method to score project implementation effects, which provides technical support for the normal development of technical revamping and equipment overhaul projects.

project post-evaluation; power grid technical renovation and overhaul project; life cycle management; Spark framework; multi-level fuzzy comprehensive evaluation method; prediction of investigation

2020-11-09

2020-12-24

杨 桦（1986—），女，硕士，高级工程师，主要从事电网设备状态评价、电网实物资产管理方面的工作。