電力系統(tǒng)運行動態(tài)監(jiān)視的可視化設計與實現

，

(1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061；2. 四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

0 引 言

隨著電網的發(fā)展和電力市場的推進，電力系統(tǒng)運行的復雜程度日益增大，作為電網動態(tài)實時監(jiān)測的新技術和重要手段，廣域測量系統(tǒng)(wide-area measurement system,WAMS)對電網的安全穩(wěn)定運行發(fā)揮了重要的作用。然而在目前現有的基于WAMS應用功能的電網運行動態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)中，由于反映系統(tǒng)運行狀態(tài)及電網事件的各類關聯信息相對分散，使得調度員不得不通過頻繁的界面操作與切換才能獲取電網動態(tài)運行狀態(tài)以及處理事件的完整信息，缺少有效、直觀的顯示方式來表現復雜、大量的動態(tài)關聯信息，影響了調度決策和事件處理。

近年來，隨著可視化技術的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的逐步應用，為解決電網動態(tài)運行監(jiān)控的上述問題提供了新穎而可行的手段?；谀先鸸驹谛乱淮悄苷{度技術支持系統(tǒng)上開發(fā)的可視化平臺提出電網運行動態(tài)監(jiān)視完整應用功能的可視化整體設計與實現方案。它通過將電網運行動態(tài)越限信息、擾動信息、低頻振蕩等事故信息與可視化平臺相整合，借助于信息面板、事件總攬和多主題窗口的分層、分級展示，實現了電網事件的一鍵式瀏覽與查閱，便于調度人員從整體上快速把握當前電網的運行狀態(tài)，很好地滿足了調度運行監(jiān)控對事件關聯信息的圖形化需求，為使用人員提供了直觀、快速的事件處理手段。

1 可視化功能設計

1.1 整體功能框架

基于WAMS系統(tǒng)應用功能的電網運行動態(tài)監(jiān)視可視化功能主要可分為兩部分，即：告警信息的匯總可視化展示和非告警類應用功能可視化展示。電網運行動態(tài)監(jiān)視各相關后臺應用通過將各自的告警信息或重要運行信息發(fā)送給對應的可視化功能模塊實現各自可視化效果的展示，其整體功能流程如圖1所示。

其中，“告警信息匯總可視化展示”匯集羅列了當前整個WAMS系統(tǒng)主要應用功能的重要告警信息，使得運行人員一目了然地掌握當前WAMS系統(tǒng)的所有應用告警情況，目前主要包括：動態(tài)越限監(jiān)視可視化(電壓越限、功率越限、相對相角越限、功角越限、頻率越限)、在線擾動識別可視化(短路擾動、非全相運行、非周期并網、直流閉鎖)、低頻振蕩可視化以及動態(tài)電壓/頻率裕度可視化。

圖1 電網運行動態(tài)監(jiān)視可視化整體功能流程

而“非告警類應用功能可視化展示” 是指該類應用信息不參與“電網動態(tài)監(jiān)視”整體可視化告警狀態(tài)的判斷與展示，目前主要為并網機組性能監(jiān)視可視化功能，包括：一次調頻性能監(jiān)視可視化、勵磁調節(jié)性能監(jiān)視可視化以及機組進相運行監(jiān)視可視化的展示。

1.2 總體界面設計

基于新一代智能調度技術支持系統(tǒng)的南瑞可視化平臺框架，電網運行動態(tài)監(jiān)視可視化總體界面功能主要由4個部分組成，如圖2所示。

(1)告警信息總覽面板

它通過不同顏色實時反映電網運行動態(tài)監(jiān)視整體應用功能狀態(tài)。

當動態(tài)監(jiān)視無任何類型告警信息時，面板顯示為綠色；而當該出現任一一般性告警時，顯示為黃色，出現嚴重告警時顯示為紅色；而當該應用運行狀態(tài)異常時則顯示為灰色，如圖2中標識區(qū)域1。

(2)動態(tài)告警信息樹

在界面左側以樹形層次結構匯總展示各類電網動態(tài)運行告警信息，以關鍵設備或時間為節(jié)點分層、分級關聯詳細告警信息，如越限設備、廠站、實際值、限值、越限率以及各類性能參數等等，并對不同程度告警進行醒目的顏色區(qū)分，如圖2中標識區(qū)域2。

(3)地理潮流圖

實現以中間地理潮流圖為主要展示場景的電網動態(tài)越限告警信息、WAMS重要運行信息的各種可視化效果展示(如設備動態(tài)定位、氣泡、公告板、3D柱圖、餅圖、儀表圖、等高線渲染等等)，如圖2中標識區(qū)域3。

(4)多主題窗口

在界面右側或下方，配合動態(tài)告警信息樹的不同告警類型、不同告警設備，主題窗口聯動切換展示與該告警事件相關的其他關聯信息，如相關統(tǒng)計列表信息、動態(tài)曲線、柱狀圖、羅盤圖等等，如圖2中標識區(qū)域4。

圖2 電網運行動態(tài)監(jiān)視可視化總體界面

下面將具體介紹電網運行動態(tài)監(jiān)視的各主要可視化功能實現效果。

2 可視化功能實現與應用

2.1 動態(tài)越限監(jiān)視可視化

動態(tài)越限監(jiān)視可視化功能旨在利用可視化的手段展顯基本PMU量測數據的越限告警情況，使得調度人員能夠快速過濾并重點關注當前系統(tǒng)的重要越限信息。它主要包括：電壓越限告警可視化、功率越限告警可視化、相對相角越限告警可視化、功角越限告警可視化、頻率越限告警可視化等信息的展示。

當動態(tài)越限監(jiān)視可視化模塊實時監(jiān)測到上述類型的相關PMU數據越限時，在可視化界面告警動態(tài)信息樹上“動態(tài)越限監(jiān)視”相關越限分類節(jié)點將出現醒目的告警狀態(tài)。通過點擊各類越限層次節(jié)點及下屬節(jié)點可展開相關詳細越限信息，如越限設備、所屬廠站、當前值、限額及越限率等。

點擊各越限分類節(jié)點右側圖標1(相關圖標效果見圖9所示)按鈕時，在地理潮流圖上以該越限類公告板效果標識越限設備分布情況如圖2所示。例如: 圖標2標識線路功率的一般越限，圖標3和4則分別標識機組功角的一般越限與母線電壓的嚴重越限情況。

當鼠標懸停至越限標識圖標時，還將顯示詳細越限提示信息。點擊具體越限設備右側圖標5按鈕時則將以懸浮窗口形式展示所選越限設備的實時越限PMU數據曲線。點擊具體越限設備右側的圖標6按鈕，將在地理潮流圖上對該越限設備進行動畫定位顯示。

除了上述PMU數據基本越限告警信息展示以外，動態(tài)越限監(jiān)視可視化模塊還實現了對全網層面整體動態(tài)運行狀態(tài)的展示功能。主要包括：全網PMU廠站分布與工況狀態(tài)、全網PMU電壓云圖、全網PMU頻率云圖、全網電壓相角分布以及全網機組功角裕度分布、PMU布點及其運行狀態(tài)等電網總體層面信息的可視化展示功能，圖3展示了全網電壓相角分布效果(局部)，它使用動態(tài)羅盤圖元的漸變背景色與指針偏移位置直觀地標識了全網母線電壓相角的分布情況。

圖3 全網電壓相角分布可視化效果

2.2 電網擾動識別可視化

電網擾動識別可視化通過采用可視化技術，實現短路擾動、非全相運行、非同期并網以及直流閉鎖功能的可視化效果，以提高調度運行人員對電網擾動監(jiān)視的敏感度與可觀測能力。

當電網發(fā)生上述相關類型擾動時，在可視化界面左側的“電網擾動識別”告警動態(tài)樹將出現醒目的告警狀態(tài)，同時相關擾動類型層次節(jié)點及下屬節(jié)點下將羅列出對應的擾動信息，具體如下。

(1)短路擾動：擾動時間、擾動設備、相位、短路電流值；

(2)非全相運行：擾動時間、擾動設備、相位；

(3)非周期并網：并網時間、擾動設備、電壓差以及相角差；

(4)直流閉鎖：閉鎖時間、直流極以及閉鎖功率。

當點擊具體擾動設備右側的圖標1按鈕時，將在地理潮流圖上使用相關擾動類型公告板效果圖標7標識擾動設備分布情況，使用公告板圖標8標識由該擾動引起的潮流突變設備分布情況，如圖4所示。

當鼠標懸停至擾動信息圖標時，將顯示詳細擾動提示信息。同時，根據不同擾動類型，多主題窗口將聯動切換，展示擾動關聯信息，具體為如下。

(5)短路擾動：相關首/末端廠站圖以及擾動時刻該設備的三相電壓、電流擾動曲線；

(6)非全相運行：相關首/末端廠站圖以及非全相運行線路的三相電壓、電流變化曲線；

圖4 短路擾動可視化效果

圖5 低頻振蕩監(jiān)視可視化效果

(7)非周期并網：相關首/末端廠站圖以及并網時刻的電壓和相角差曲線；

(8)直流閉鎖：相關廠站圖以及直流極或附近功率突變曲線。

同樣，點擊具體擾動設備右側的圖標6按鈕，可實現擾動設備動態(tài)定位展示。

2.3 低頻振蕩可視化

低頻振蕩監(jiān)視可視化功能主要展示振蕩主導模式和相應的振蕩設備信息，以幫助調度人員快速深入地掌握振蕩事故信息便于進一步的事故處理，如圖5所示。

在電網正常情況下，低頻振蕩監(jiān)視可視化模塊在地理潮流圖上使用多個綠色圖標9標識當前系統(tǒng)中實時功率波動最大的1臺發(fā)電機、1條交流線路和1臺變壓器的分布情況。圖標上方數據能夠反映當前各個振蕩設備的功率波動數據。同時，右側多主題窗口自動切換顯示為上述功率波動設備對應的實時功率趨勢曲線。

而當電網發(fā)生低頻振蕩時，在可視化界面的“低頻振蕩監(jiān)視”告警動態(tài)樹節(jié)點將以醒目的告警狀態(tài)顯示，并將羅列出相關低頻振蕩信息。通過點擊低頻振蕩事件時間層次節(jié)點及下屬節(jié)點可展示詳細振蕩信息，主要包括：振蕩設備名稱、振蕩發(fā)生時間、振蕩消失時間、持續(xù)時間、最大功率波動值、最大值及最大值時刻、最小值及最小值時刻、平均模式頻率、觸發(fā)告警設備、分群信息等。

當點擊具體振蕩設備右側的圖標1按鈕時，將在地理潮流圖上以低頻振蕩類公告板效果圖標10標識該振蕩設備分布以及機組分群信息情況，當鼠標懸停至振蕩設備圖標時，還將顯示詳細振蕩提示信息。同時，右側多主題窗口中聯動切換顯示該振蕩設備的相關有功或功角振蕩曲線、低頻振蕩模式曲線(主導模式頻率、主導模式阻尼比)等。

2.4 動態(tài)電壓和頻率監(jiān)視可視化

動態(tài)電壓和頻率監(jiān)視可視化主要展示電網中電壓和頻率動態(tài)偏移的可接受性，評估電網實際運行過程中的動態(tài)安全性。

當電網正常情況下，該可視化模塊在地理潮流圖上實時標識出當前系統(tǒng)中最小的動態(tài)頻率裕度圖標11和最小的動態(tài)電壓裕度圖標12設備分布情況。圖標上方的數據反映了對應的裕度數值。

在電網異常情況下，主屏潮流圖上將使用上述紅色V/F圖標標識裕度告警設備信息及其位置分布，并在可視化界面的“動態(tài)電壓頻率”告警動態(tài)樹上以醒目的告警狀態(tài)顯示，并羅列出對應動態(tài)電壓與頻率裕度告警信息，主要包括：系統(tǒng)電壓狀態(tài)，電壓裕度最小母線及其電壓裕度；系統(tǒng)頻率狀態(tài)、頻率裕度最小母線及其頻率裕度。

同時，在多主題窗口中聯動切換顯示電網動態(tài)電壓/頻率匯總信息、最小電壓裕度以及最小頻率裕度趨勢曲線。因為動態(tài)電壓和頻率監(jiān)視可視化效果與低頻振蕩監(jiān)視可視化效果相似，這里不在例舉。

2.5 一次調頻動作性能評價可視化

當電網發(fā)生頻率擾動且變化達到一次調頻響應門檻時，在“并網機組性能監(jiān)視”頁面的動態(tài)告警信息樹上將看到全網機組一次調頻響應性能評價與統(tǒng)計情況，主要按照各評價等級(優(yōu)秀、良好、中等、較差、反調節(jié)、無效、免考核等)分類，并包含各評價等級統(tǒng)計結果信息(機組臺數、臺數百分比、總容量、總容量百分比)以及具體涉及機組的羅列。

當點擊具體評價等級節(jié)點右側圖標1按鈕時，將在地理潮流圖上使用反映該一次調頻評價等級可視化圖標(如圖標13～16)展示該評價等級所屬機組分布情況，鼠標懸停具體圖標將顯示機組詳細一次調節(jié)評價信息。同時，右側的多主題窗口則聯動切換展示一次調頻響應的系統(tǒng)總交換功率與系統(tǒng)頻率曲線、系統(tǒng)響應概況信息、全網調頻特性情況。

除此之外，當點擊“一次調頻性能監(jiān)視”根節(jié)點側的圖標1按鈕時，將在地理潮流圖上使用餅圖顯示全網范圍內一次調頻電廠全部機組本次一次調頻考核情況的統(tǒng)計，如圖6所示。圖6中使用餅圖的綠色份額標識所關聯電廠一次調頻動作評價合格機組所占百分比，使用黃色份額標識不合格機組百分比，而使用藍色份額標識免考核機組百分比。

圖6 PMU電廠一次調頻評價統(tǒng)計的可視化

2.6 勵磁調節(jié)監(jiān)視可視化

該可視化模塊主要實現了對由電網擾動引起的勵磁系統(tǒng)的動態(tài)調節(jié)響應過程與調節(jié)性能分析結果的可視化展示。

當實際運行機組由于電壓擾動而引起其勵磁系統(tǒng)調節(jié)動作時，將在動態(tài)信息樹的“勵磁調節(jié)性能監(jiān)視”節(jié)點下方按照機組羅列其對應勵磁系統(tǒng)調節(jié)性能分析結果，主要包括：擾動發(fā)生時間、擾動前調節(jié)精度、擾動后調節(jié)精度、暫態(tài)電壓調整率、最大電壓倍數、勵磁電壓響應時間、最大勵磁電壓、最大勵磁電流等信息、PSS/AVR投退情況等。

當點擊具體勵磁調節(jié)機組右側的圖標1按鈕時，在地理潮流圖上采用勵磁調節(jié)動作圖標(如圖標17～19 )可視化地展示勵磁調節(jié)狀態(tài)與分布情況。當鼠標懸停至相應圖標時，將采用提示窗顯示勵磁調節(jié)詳細性能參數提示。同時，該可視化模塊還將以懸浮窗口的方式展示所選勵磁調節(jié)機組的本次勵磁調節(jié)詳細動態(tài)響應過程，包括機端三相電壓、電流擾動曲線；勵磁電壓、勵磁電流調節(jié)響應曲線以及該機組勵磁系統(tǒng)調節(jié)性能參數分析結果，如圖7所示。

圖7 勵磁系統(tǒng)調節(jié)性能監(jiān)視可視化

圖8 機組進項運行監(jiān)視可視化

2.7 機組進相運行可視化

當系統(tǒng)中監(jiān)測到機組進相運行時，點擊“機組進相運行”動態(tài)信息樹節(jié)點，將展開當前全網進相運行機組的詳細運行情況，并按機組羅列相關進相狀態(tài)參數，主要包括：開始進相時間、進相持續(xù)時間、進相深度、無功積分電量等信息。

當點擊“機組進相運行監(jiān)視”節(jié)點右側的圖標1按鈕時，該可視化模塊在地理潮流圖上將使用可視化圖標20標識當前全網進相運行機組的狀態(tài)與分布情況，當鼠標懸停至相應圖標時，還將顯示詳細進相信息提示。

點擊具體進相運行機組右側的圖標1按鈕時，將以懸浮窗口的方式展示該機組當前PQ運行圖，并突出進相限制曲線/低勵曲線等信息，如圖8所示。

圖9 圖標顯示樣式

3 結 論

基于智能電網調度支持系統(tǒng)的可視化平臺，結合現有WAMS系統(tǒng)應用功能，設計并實現了電網運行動態(tài)監(jiān)視完整的可視化功能。

通過實時獲取電網運行相關的動態(tài)告警信息，該可視化功能將不同類型的電網動態(tài)運行信息與告警進行匯集與綜合展示，實現對電力系統(tǒng)動態(tài)運行狀態(tài)高效、精準的監(jiān)視與告警。從實際應用中的效果來看，它能夠使得運行人員快速、直觀地掌握電網動態(tài)運行情況，提高調度運行人員對電網動態(tài)越限、電網擾動、低頻振蕩等重要電網事件以及機組并網性能評價等的響應速度與決策處理能力。

[1] 李丹,韓福坤,郭子明,等.華北電網廣域實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)[J].電網技術,2004,28(23):52-56.

[2] 曹路,汪德星,岑宗浩.廣域測量系統(tǒng)在華東電網中的應用[J].電力設備,2005,6(12):38-41.

[3] 干磊,康河文,何敏.基于廣域測量系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定動態(tài)監(jiān)測[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(21):152-155.

[4] 周喜超,智勇,鄭偉,等.基于WAMS系統(tǒng)的甘肅隴南電網大負荷擾動試驗[J].電力系統(tǒng)保護與控制,2010,38(12):129-131.

[5] 沈國輝,佘東香,孫湃,等.電力系統(tǒng)可視化技術研究及應用[J].電網技術,2009,33(17):31-36.

[6] 李大勇,馬冬雪,王曉寧,等.電網信息可視化應用研究[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制,2009,37(23):156-158.

[7] 王慶紅.電力系統(tǒng)可視化技術及其在南方電網的應用[J]. 南方電網技術,2006,2(3):40-44.