基于調(diào)控一體化的地區(qū)電網(wǎng)智能監(jiān)控與輔助決策系統(tǒng)

謝宇哲，鄔秀玲，項中明，張志雄

（1.國網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315010；2.國網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310007）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴大和新技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的調(diào)度-變電站運行模式已不能適應(yīng)當(dāng)今電網(wǎng)的發(fā)展需求。調(diào)控一體化是指采用調(diào)度、監(jiān)視、操作一體化，集約化、精益化的目標(biāo)模式，由調(diào)控員代替原有的調(diào)度員和監(jiān)控員，變電站實現(xiàn)無人值班。該模式實現(xiàn)了調(diào)控員快速全面掌握設(shè)備運行情況，加快故障處理的目的[1]。

如何發(fā)揮調(diào)控一體化的優(yōu)勢，保障電網(wǎng)安全運行，電網(wǎng)智能監(jiān)控與決策系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的EMS（能量管理系統(tǒng)）是根據(jù)遙測、遙信量等信息對越限和故障以彈出對話框、發(fā)出聲音的方式告警，方式單一，缺少自動性功能。解決該問題的關(guān)鍵在于：智能監(jiān)控與輔助決策軟件在實時運行過程中，能跟蹤電網(wǎng)上報的告警信息，及時依據(jù)預(yù)先定義好的告警規(guī)則進行告警的歸總、分析和跟蹤[2-3]。本系統(tǒng)通過基于技術(shù)規(guī)定、模型和推理的專家系統(tǒng)規(guī)則[4]，改進潮流計算與狀態(tài)估計方法，采用快速靈敏度分析，在1 s內(nèi)完成告警信息的歸總分析，并提供實時輔助決策方案[5-6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)分為智能告警分析、告警輔助決策、在線及離線故障分析、報表功能4個模塊。通過偽信息辨別與過濾、信息分類、告警匯總等技術(shù)手段將告警信息集中展示給調(diào)控員，并實現(xiàn)斷面監(jiān)視預(yù)警、快速事故分析、拉限電分析、風(fēng)險管控、事故告警反演等功能。系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能構(gòu)架

系統(tǒng)從EMS獲取模型、圖形和實時數(shù)據(jù)，從保護與故障錄波系統(tǒng)獲取事故簡報信息，由運行方式員導(dǎo)入檢修計劃。將基于計算模塊層計算獲得的各種分析結(jié)果加以系統(tǒng)化、層次化、主題化的歸納和提煉，并面向終端用戶進行展示。其軟件體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件體系架構(gòu)

2 系統(tǒng)原理

2.1 專家?guī)煲?guī)則

系統(tǒng)建立了41條專家?guī)煲?guī)則，監(jiān)控各類設(shè)備的越限情況，在線分析各類設(shè)備的缺陷，跟蹤設(shè)備缺陷歷史，按照遙信或者間隔進行關(guān)聯(lián)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)潮流進行綜合判斷，能夠?qū)υ几婢M行分類、匯總，去除偽告警，以發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中真實發(fā)生的智能告警信息，并向調(diào)控員實時展示。

針對每一類原始告警信息，系統(tǒng)實現(xiàn)了一些普遍適用的告警專家規(guī)則：只關(guān)心調(diào)控管轄責(zé)任區(qū)；只關(guān)心帶電運行的主間隔；只保留過去24 h已復(fù)歸的告警信息，保留所有的未復(fù)歸告警；按照電網(wǎng)自動化系統(tǒng)信息規(guī)范區(qū)分告警信息的等級。

系統(tǒng)包含以下常見重要規(guī)則：

（1）某一個間隔發(fā)生事故跳變時，該間隔下的所有遙信原始告警信息都必須歸總到該間隔的智能告警下。

（2）同類告警信息合并模塊：當(dāng)多個設(shè)備或多個變電站發(fā)生相同告警時，將其整合為1條根源告警。

（3）開關(guān)發(fā)生變位時，如果是計劃檢修引起的操作，給出提示。

（4）開關(guān)變位時，如果主設(shè)備上遙測不匹配，給出提示。

（5）對于非環(huán)網(wǎng)220kV主變壓器電流越限，展示110kV主變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其下帶的110kV線路，并提示壓負(fù)荷/切負(fù)荷/倒負(fù)荷的意見。

（6）對于環(huán)網(wǎng)220kV線路電流越限，展示其下帶的110kV主變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提示每臺220kV主變壓器對越限線路的有功靈敏度。

（7）對于10kV母線線電壓越限，分析是否為接地及熔絲熔斷故障，并提供消缺意見。

（8）對于220kV主變壓器功率因數(shù)越限，展示其下帶的供區(qū)結(jié)構(gòu)，并提供供區(qū)內(nèi)的容抗器投切策略。

（9）設(shè)備發(fā)生異常告警時，可以標(biāo)記為已知缺陷，并在再次告警時予以提示。

（10）設(shè)備發(fā)生異常告警且為重要缺陷時，進行實時風(fēng)險評估，給出風(fēng)險等級評估。

（11）如果開關(guān)保護異常，造成主變壓器后備保護越級動作，則認(rèn)為故障位置在該開關(guān)所在線路上。

（12）比對實時拓?fù)浜屯ｋ婎A(yù)案觸發(fā)條件，若匹配則自動生成相應(yīng)事故預(yù)案。

2.2 快速靈敏度分析

系統(tǒng)實現(xiàn)了基于開斷法的快速靈敏度分析。靈敏度分析的數(shù)學(xué)本質(zhì)是將雅克布矩陣進行簡化，獲取自變量和應(yīng)變量之間的線性化關(guān)系。具體到電力網(wǎng)絡(luò)分析中，靈敏度分析能夠用于獲取注入點潮流對于支路潮流、或者支路潮流對于支路潮流的線性關(guān)系；有了這些線性關(guān)系，就能夠快速確定潮流越限時的轉(zhuǎn)移支路[7]。

系統(tǒng)對于每個越限的環(huán)網(wǎng)支路都會進行靈敏度分析，靈敏度分析由以往的全局掃描改進為局部掃描：針對每個越限支路，只掃描同一個供區(qū)內(nèi)的支路和相鄰供區(qū)內(nèi)的支路，極大地減少了掃描數(shù)據(jù)量。其次，靈敏度分析采用了基于直流潮流的開斷法。開斷法直接對雅克布矩陣進行修正，之后再用優(yōu)化過的直流潮流計算一次求解自變量和應(yīng)變量之間的線性關(guān)系。經(jīng)過測試，發(fā)現(xiàn)快速靈敏度分析完全可以滿足在線輔助決策的性能需求。

2.3 狀態(tài)估計

針對電力系統(tǒng)狀態(tài)估計問題中狀態(tài)量及量測雅可布矩陣的絕大多數(shù)非零元素均成對出現(xiàn)的實際狀況，系統(tǒng)采用基于分塊Givens旋轉(zhuǎn)的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計算法，根據(jù)信息矩陣的分塊稀疏結(jié)構(gòu)進行列編號的優(yōu)化，采用變轉(zhuǎn)軸逐列消元策略，基于最小度原則動態(tài)選擇轉(zhuǎn)軸元素，根據(jù)非零注入元素最少的原則選擇旋轉(zhuǎn)元素，既減少了所需的內(nèi)存空間，又明顯提高了執(zhí)行效率[6-8]。運行經(jīng)驗表明，與傳統(tǒng)的Givens正交變換法相比，該算法在執(zhí)行效率上具有明顯的優(yōu)勢（節(jié)省約30%的CPU時間）。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

通過告警專家規(guī)則，系統(tǒng)可以對原始告警信息進行在線智能告警分析，根據(jù)所獲取的智能告警信息，進行包括狀態(tài)估計、風(fēng)險評估、靈敏度分析、負(fù)荷轉(zhuǎn)移在內(nèi)的各種在線輔助決策，幫助調(diào)控人員分析、定位和處理各類告警信息。

3.1 智能告警分析

目前EMS普遍存在的問題是：電網(wǎng)運行監(jiān)視的告警信息是通過SOE（事件順序記錄）方式采集及顯示在調(diào)度端，未作任何分析或判斷處理，特別是在電網(wǎng)故障情況下，短時間可能上傳大量的告警信息（每秒50～200條），這對智能監(jiān)控與輔助決策系統(tǒng)提出了很高的要求。

3.1.1 遙信信息分析

EMS系統(tǒng)提供的原始告警消息約有70多種，包括電網(wǎng)的各種一次告警信息、二次告警信息和EMS本身的告警信息。針對調(diào)控員的實際需求，本系統(tǒng)著重考慮4種原始告警信息，分別為遙信變位、告警事故、告警通道工況和二次遙信告警。

遙信告警信息往往圍繞多個熱點群發(fā)性發(fā)生。在對原始告警信息進行在線智能匯總的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)必須結(jié)合電網(wǎng)網(wǎng)架和電網(wǎng)拓?fù)?，對跨遙信、跨間隔、甚至跨變電站的告警信息進行歸總。

3.1.2 遙測信息分析

系統(tǒng)能夠自動檢測各類設(shè)備的越限情況，并生成遙測告警列表，實時向調(diào)控員進行提示，包括：線路電流越限、變壓器電流越限、變壓器功率因數(shù)越限、變壓器無功倒送母線線電壓及相電壓越限、斷面電流及有功越限。系統(tǒng)能根據(jù)遙測數(shù)據(jù)分析相應(yīng)間隔是否異常。

3.2 告警輔助決策

在電網(wǎng)實際運行過程中，由于電力網(wǎng)絡(luò)的一體性，需根據(jù)歸并后的告警信息進行包括狀態(tài)估計、風(fēng)險評估、靈敏度分析、負(fù)荷轉(zhuǎn)移在內(nèi)的各種在線輔助決策，幫助調(diào)控員分析、定位和處理各類告警信息。

3.2.1 消除越限的負(fù)荷轉(zhuǎn)移決策

對于發(fā)散型的電網(wǎng)，降潮流措施通常比較簡單，可以利用切負(fù)荷、升出力來實現(xiàn)。在復(fù)雜情況下，也會利用倒負(fù)荷的方法將部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到相鄰的支路上。針對環(huán)形電網(wǎng)，降潮流措施則十分復(fù)雜。因此，系統(tǒng)引入靈敏度分析，尋找相關(guān)度比較大的支路。對于靈敏度為正的支路，建議切負(fù)荷或者升出力；對于靈敏度為負(fù)的支路，建議升負(fù)荷或者降出力。

3.2.2 快速風(fēng)險評估

設(shè)備發(fā)生異常告警且為重要異常告警時，要立刻觸發(fā)以異常設(shè)備為對象的假想故障分析，并按照《國家電網(wǎng)公司安全事故調(diào)查規(guī)程》和《國務(wù)院第599號令》分析可能的事故后果。考慮到地區(qū)電網(wǎng)的實際情況，將電網(wǎng)事故分成8個級別。為提升實時風(fēng)險評估的精度，系統(tǒng)提供了備自投的仿真，并根據(jù)網(wǎng)架自動生成備自投裝置投切策略。

3.2.3 無功/功率因數(shù)調(diào)整策略

按照有關(guān)部門對功率因數(shù)及無功的規(guī)定，系統(tǒng)按照制定的策略，在無功或主變壓器功率因數(shù)越限情況下，檢測電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和容抗器投切情況，自動展示其下帶的供區(qū)結(jié)構(gòu)，并提示供區(qū)內(nèi)是否有需要調(diào)整的容抗器。

3.3 在線及離線事故分析

系統(tǒng)能夠讀取任一斷面的網(wǎng)絡(luò)情況，供調(diào)控員加以調(diào)整，獲取假想的網(wǎng)絡(luò)斷面，并根據(jù)調(diào)控員指定的假想故障情況自動生成停電預(yù)案，包括故障隔離操作、恢復(fù)供電操作和關(guān)鍵支路監(jiān)視方案，并在一次主接線圖上可視化地回放該時間段的各種一次、二次告警信息。

3.3.1 預(yù)案自動生成

在線比對實時拓?fù)浜屯ｋ婎A(yù)案觸發(fā)條件，匹配成功后顯示相應(yīng)電網(wǎng)事故預(yù)案。事故預(yù)案包括設(shè)定故障名稱、故障隔離恢復(fù)和關(guān)鍵支路越限監(jiān)視。如有多種方案，則都列舉以供選擇。

3.3.2 事故回放功能

系統(tǒng)獲取變電站指定時段內(nèi)所有一次、二次告警信息，根據(jù)事件發(fā)生的時間序位表，搜索到相應(yīng)間隔，可視化回放事故的發(fā)生、隔離、恢復(fù)全過程，同時也可以播放事故預(yù)案的演練過程。

4 實例分析

國網(wǎng)寧波供電公司于2012年7月中旬開始投入本系統(tǒng)。系統(tǒng)對告警相關(guān)的設(shè)備進行熱點分析，從而保證了電網(wǎng)綜合智能告警與決策分析的效率，在出現(xiàn)告警的同時對可能的故障源以及應(yīng)急方案都迅速做出提示。臺風(fēng)“海葵”期間，系統(tǒng)的強大功能得到充分驗證，在保證事故和異常告警信息完整的基礎(chǔ)上，告警信息數(shù)量下降44%，其中事故與告警壓縮率超過90%，各類告警信息如表1所示。

該系統(tǒng)對寧波電網(wǎng)所有220kV變電站全站停電事故進行了模擬測試，總結(jié)出調(diào)控員事故處理案例。以220kV象北變電站1號主變壓器故障為例，故障前電網(wǎng)運行狀態(tài)如圖3所示。

表1 “海葵”期間告警壓縮率

圖3 寧波局部電網(wǎng)示意

系統(tǒng)通過對“象北變電站北周線保護OP燈熄滅”、“象北變電站1號主變壓器保護動作”、“象北變電站2號主變壓器過載”等原始告警信息分析，得出智能告警信號“象北變電站1號主變壓器越級跳閘（北周線故障）”，并根據(jù)在線拓?fù)浜统绷餍ｒ灥玫饺缦禄謴?fù)方案：

（1）西周變電站北周線改冷備用。

（2）象北變電站北周線改冷備用。

（3）象北變電站110kV母聯(lián)開關(guān)改運行。

（4）象北變電站1號主變壓器110kV開關(guān)改運行。

經(jīng)驗證，本系統(tǒng)的電網(wǎng)潮流顯示正確，提供的負(fù)荷轉(zhuǎn)移、恢復(fù)路徑等輔助決策方案準(zhǔn)確可行，系統(tǒng)的應(yīng)用顯著提高了監(jiān)控和事故處理效率。

5 結(jié)語

在調(diào)控一體化背景下，調(diào)控員面臨的將是海量的告警信息。原有系統(tǒng)因功能簡單、不具備告警智能匯總和輔助決策等問題，已經(jīng)不能滿足大電網(wǎng)發(fā)展的需要?；谡{(diào)控一體化的電網(wǎng)智能監(jiān)控與輔助決策系統(tǒng)，能夠?qū)Ａ啃畔⑦M行智能分析處理，獲取調(diào)控人員需要關(guān)心的異常信息，提供決策方案，有利于及時處理故障，避免事故的發(fā)生或擴大。

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