城市電網(wǎng)智能調(diào)度故障輔助決策系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

靖宇宸，張鐘毓

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城市電網(wǎng)智能調(diào)度故障輔助決策系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

靖宇宸1，張鐘毓2

(1.武漢理工大學(xué), 湖北 武漢430070；2.湖北省武漢市國網(wǎng)武漢供電公司，湖北 武漢 430070)

介紹了一種可應(yīng)用于城市電網(wǎng)調(diào)度部門的故障輔助決策系統(tǒng)軟件，該軟件通過故障診斷、故障恢復(fù)以及決策信息可視化三個環(huán)節(jié)輔助調(diào)度員進(jìn)行事故處理決策。故障診斷環(huán)節(jié)通過分層處理故障信息，保證了故障定位區(qū)段的準(zhǔn)確性。故障恢復(fù)環(huán)節(jié)通過有針對性的制定故障恢復(fù)方案評價指標(biāo)，提高了故障恢復(fù)決策的合理性。決策信息可視化環(huán)節(jié)在海量故障信息中篩選出調(diào)度員真正需要的信息進(jìn)行顯示，提供了直觀有效的輔助決策展示。該軟件充分考慮調(diào)度員的決策需要，在某城市電網(wǎng)地調(diào)平臺的應(yīng)用測試驗證了軟件設(shè)計的可行性。

智能調(diào)度；故障診斷；故障恢復(fù)；輔助決策；可視化

0 引言

隨著電網(wǎng)運行技術(shù)水平和復(fù)雜程度的不斷提高，誘發(fā)電網(wǎng)故障的因素越來越多。在電網(wǎng)發(fā)生故障時調(diào)度部門必須快速準(zhǔn)確的故障診斷和正確有序的事故處理，這對于保證供電可靠性意義重大。

對于故障診斷，電力調(diào)度部門獲取電網(wǎng)故障信息主要是基于EMS系統(tǒng)給出的開關(guān)遙信量以及廠站人員匯報，信息來源較為準(zhǔn)確，但在實際操作中廠站人員匯報時間長，缺乏精密抗干擾措施，少數(shù)關(guān)鍵壞數(shù)據(jù)即可能導(dǎo)致電力調(diào)度得出錯誤決策；對于事故處理，在很大程度上依靠調(diào)度人員運行經(jīng)驗，缺乏針對事故處理的應(yīng)用系統(tǒng)，無法提供直接有效的事故處理建議。上述缺陷最終導(dǎo)致電力調(diào)度處理電網(wǎng)故障效率與準(zhǔn)確率的降低。

隨著電網(wǎng)調(diào)度自動化集成系統(tǒng)(OPEN3000)的廣泛應(yīng)用，包括地區(qū)調(diào)度實時采集信息、上級調(diào)度信息和歷史存儲信息以及故障錄波和保護(hù)信息系統(tǒng)等二次設(shè)備監(jiān)視信息在內(nèi)的海量故障信息集中于城市電網(wǎng)調(diào)控中心，在豐富事故處理信息源的同時也加重了調(diào)度員處理信息的負(fù)擔(dān)。因此，以現(xiàn)有調(diào)度平臺為信息載體，采用智能化手段進(jìn)行快速故障診斷、事故處理等輔助決策[1]，并將有用信息直觀展示給調(diào)度員，能有效提高調(diào)度員進(jìn)行事故處理的效率。本文進(jìn)行了城市電網(wǎng)故障輔助決策系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。

1 ?系統(tǒng)架構(gòu)

城市電網(wǎng)智能調(diào)度故障輔助決策系統(tǒng)軟件開發(fā)設(shè)計的最終目標(biāo)在于“智能”和“輔助”[2]，為此設(shè)計了如圖1所示的軟件功能架構(gòu)。

從電網(wǎng)發(fā)生故障到調(diào)度員倒閘操作處理故障，智能輔助決策系統(tǒng)軟件經(jīng)過了收集故障信息、感知故障發(fā)生、故障診斷、故障區(qū)域劃分、故障恢復(fù)決策及決策信息可視化等過程。軟件的“智能性”[3]表現(xiàn)在：軟件通過充分集成現(xiàn)有調(diào)度平臺的故障信息源，可通過實時掃描的方式及時自動地感知電網(wǎng)中的故障發(fā)生；通過采用智能化算法對故障信息進(jìn)行分層分步處理，從而得到可靠地故障區(qū)段診斷結(jié)果；根據(jù)故障診斷結(jié)果可自動匹配故障恢復(fù)方案。軟件的“輔助性”表現(xiàn)在：軟件的設(shè)計充分體現(xiàn)調(diào)度員的思維，從調(diào)度員決策的關(guān)鍵點出發(fā)進(jìn)行故障診斷和故障恢復(fù)的算法設(shè)計，篩選對調(diào)度員最有價值的關(guān)鍵信息以直觀合理的方式在系統(tǒng)界面上顯示，在信息處理和可視化上充分發(fā)揮輔助調(diào)度員事故處理的作用。

圖1 智能調(diào)度故障輔助決策系統(tǒng)軟件功能架構(gòu)

通過對城市電網(wǎng)地調(diào)平臺調(diào)度自動化系統(tǒng)OPEN3000及故障信息系統(tǒng)(故障錄波器等)配置的調(diào)研，設(shè)計了如圖2所示的智能輔助決策系統(tǒng)軟件實現(xiàn)方式。系統(tǒng)主要由OPEN3000數(shù)據(jù)庫接口程序、配置工具、數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控決策程序組成。

1)?OPEN3000數(shù)據(jù)庫接口程序

本系統(tǒng)需要訪問OPEN3000系統(tǒng)的配置信息和變電站運行信息，該接口程序訪問OPEN3000系統(tǒng)位于3區(qū)的Web數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，并提供接口給本系統(tǒng)調(diào)用。

2)?配置工具

配置工具使得OPEN3000系統(tǒng)與智能輔助決策系統(tǒng)軟件之間有統(tǒng)一的信息模型，是監(jiān)控決策程序運行的基礎(chǔ)。通過配置程序，可以配置：需要監(jiān)控的變電站；主變、母線、斷路器的連接關(guān)系和拓?fù)浣涌?；變電站的事故總和保護(hù)事件信號；變電站事故發(fā)生后的處理預(yù)案。

圖2基于OPEN3000系統(tǒng)的輔助決策系統(tǒng)軟件實現(xiàn)設(shè)計

3)?數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫包括OPEN3000系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫和本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫：軟件系統(tǒng)只通過接口程序讀取OPEN3000系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中的有用信息，不對其進(jìn)行寫操作；本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫存儲著本系統(tǒng)相關(guān)的廠站、設(shè)備配置數(shù)據(jù)，運行過程中監(jiān)控到的故障記錄、決策信息等大量數(shù)據(jù)信息。

4)?監(jiān)控決策程序

監(jiān)控決策程序是智能輔助決策系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心，也是調(diào)度員直接使用的操作平臺。決策程序從OPEN3000系統(tǒng)獲取變電站的遙測、遙信、保護(hù)報文記錄，定期獲取事故總事件記錄，并從故障錄波服務(wù)器獲取故障波形數(shù)據(jù)。通過對以上故障信息的處理和篩選，進(jìn)一步執(zhí)行故障診斷和故障恢復(fù)決策。最終將調(diào)度員最需要的決策信息以可視化的方式展示在平臺界面。

2 ?故障診斷

2.1 故障感知

故障感知流程如圖3所示，軟件監(jiān)控決策程序定期從數(shù)據(jù)庫中獲取被監(jiān)控變電站的事故總信號，獲取到一條事故總動作信號就認(rèn)為有一個事故發(fā)生。讀取該事故總合理時間內(nèi)的跳閘記錄，若無跳閘記錄，說明是非故障保護(hù)事件引起的事故總，處理流程結(jié)束；若有跳閘事故，則根據(jù)事故時間、廠站id從錄波服務(wù)器獲取相應(yīng)的故障錄波，并依據(jù)斷路器跳閘信息等進(jìn)行進(jìn)一步故障診斷。

圖3智能輔助決策系統(tǒng)軟件感知故障流程

2.2 故障區(qū)段定位

軟件中考慮的故障類型主要包括：每個變電站中每個獨立的設(shè)備自動生成一個故障類型，220?kV所有母線故障、110?kV所有母線故障以及所有主變故障。系統(tǒng)軟件會讀取故障期間發(fā)生的所有跳閘記錄，形成故障跳閘開關(guān)列表，根據(jù)配置程序中的母線拓?fù)湫畔⒑驮O(shè)備連接拓?fù)湫畔?，再進(jìn)一步判斷是何種故障類型，具體的判斷流程如圖4所示。

圖4智能輔助決策系統(tǒng)軟件故障區(qū)段定位流程

軟件依據(jù)開關(guān)變位和保護(hù)報文雙重信息進(jìn)行故障區(qū)段的定位。首先求解出與實際斷路器跳閘情況偏離值最小的故障模式作為首選故障區(qū)段，再提取相應(yīng)區(qū)段的保護(hù)報文信息進(jìn)行匹配校驗。對于故障初判結(jié)果處主保護(hù)動作的情況，說明初步定位結(jié)果準(zhǔn)確，定位結(jié)束；若該區(qū)段設(shè)備后備保護(hù)動作，出于變電站內(nèi)遠(yuǎn)后備保護(hù)的設(shè)置，以該設(shè)備為起點，向其下游追加一層設(shè)備，形成一個相對保守的故障島，島內(nèi)的線路均有發(fā)生故障的可能；若初判結(jié)果設(shè)備處無保護(hù)動作結(jié)果，說明定位結(jié)果不準(zhǔn)確，選擇偏離值第二小的故障模式再一次進(jìn)行保護(hù)報文的 匹配校驗。在開關(guān)變位和保護(hù)報文信息與故障模式相匹配時，確定故障區(qū)段。

2.3 故障區(qū)域劃分

故障區(qū)段定位完成后，基于故障對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B通性的影響可將電網(wǎng)劃分為如圖5所示的三個功能區(qū)域。通過讀取OPEN3000系統(tǒng)的遙測信息，可將故障后未失壓的帶電設(shè)備劃入帶電島，將故障后失壓的設(shè)備劃入失電島，根據(jù)遙測數(shù)據(jù)統(tǒng)計失電島內(nèi)10?kV或35?kV母線所帶負(fù)荷作為總的失電負(fù)荷，下一階段故障恢復(fù)的主要任務(wù)就是通過閉合帶電島與失電島間的聯(lián)絡(luò)線使失電負(fù)荷重新恢復(fù)供電。

圖5故障區(qū)域劃分

3 ?故障恢復(fù)

鑒于電網(wǎng)規(guī)劃的可靠性，對同一故障失電區(qū)域的故障恢復(fù)方案[4]往往不止一個，軟件分別從倒閘操作規(guī)程、歷史事故集以及電網(wǎng)實時運行情況等多個角度考慮，為調(diào)度員提供多條供電恢復(fù)路徑的建議。

3.1 反事故預(yù)案與歷史事故記錄

軟件的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為變電站的每一個故障類型配置一個反事故預(yù)案項，固定寫入依據(jù)倒閘操作規(guī)程確定的故障恢復(fù)預(yù)案。另外在預(yù)案配置界面上，加入可人工錄入項，將歷史發(fā)生事故記錄(事故時電網(wǎng)負(fù)荷情況、事故處理步驟)在事故后錄入。

軟件系統(tǒng)會根據(jù)故障定位的結(jié)果匹配出相應(yīng)的反事故預(yù)案，若此故障設(shè)備處歷史上就有故障發(fā)生則可同時提取出歷史事故記錄展示給調(diào)度員參考。此兩項知識的自動查找和匹配可大大減輕調(diào)度員的決策負(fù)擔(dān)，同時具備可靠性。

3.2 故障恢復(fù)拓?fù)淠Ｐ?/p>

在故障區(qū)域劃分完成后，軟件根據(jù)電網(wǎng)實時運行情況為調(diào)度員提供多條故障恢復(fù)路徑方案。為了便于數(shù)學(xué)處理，首先基于圖論將受故障影響變電站內(nèi)設(shè)備抽象點和線：即將母線、主變等匯聚和分配電能的設(shè)備抽象成圖中的點，將其間的聯(lián)絡(luò)線抽象成線，在數(shù)學(xué)處理時線路的0-1狀態(tài)代表實際上聯(lián)絡(luò)線開關(guān)的開斷閉合狀態(tài)[5]。由于故障恢復(fù)決策的對象為110?kV及以下電壓等級的母線負(fù)荷，該電壓等級的電網(wǎng)一般采用開環(huán)運行的方式，軟件引入圖論中樹的概念進(jìn)行可行方案的搜索。

3.3 基于樹的可行方案生成

圖論中的樹是指不存在環(huán)路的連通圖，與城市電網(wǎng)中110?kV及以下電壓等級的開環(huán)運行結(jié)構(gòu)相契合。算法以電網(wǎng)中各聯(lián)絡(luò)線路的開合狀態(tài)為變量，先隨機生成故障恢復(fù)方案，再利用樹的圖論特征判斷方案可行性。

如圖6所示的故障失電情況下，110 kV雙母線失壓時共有12個可操作開關(guān)，包含7個失電負(fù)荷和4個備用電源，和1個母聯(lián)開關(guān)。這些開關(guān)的開合狀態(tài)可由程序隨機賦值0或1，對賦值之后的網(wǎng)絡(luò)基于樹的概念進(jìn)行可行性的校驗：

1)?要求恢復(fù)供電負(fù)荷僅有一個供電電源；

2)?要求恢復(fù)供電負(fù)荷總量不超過備用電源可轉(zhuǎn)帶負(fù)荷容量；

3)?不能導(dǎo)致上級供電設(shè)備電流越線；

4)?不能造成從低壓側(cè)往高壓側(cè)送電；

5)?滿足保護(hù)之間的配合要求。

圖6決策情況示意圖

3.4 故障恢復(fù)方案評價

基于樹的隨機生成可以產(chǎn)生多個故障恢復(fù)路徑，軟件設(shè)置故障恢復(fù)方案評價體系。從調(diào)度員倒閘操作的目標(biāo)出發(fā)設(shè)定如下方案評價指標(biāo)：

1)?故障恢復(fù)總量

盡可能多的恢復(fù)失電負(fù)荷是調(diào)度員故障恢復(fù)的首要目標(biāo)。因此要求隨機生成的故障恢復(fù)方案能夠盡量將失電負(fù)荷完全恢復(fù)。

2)?倒閘操作次數(shù)

倒閘操作次數(shù)的多少關(guān)系到故障恢復(fù)操作是否簡單。由于斷路器開斷次數(shù)有限，每次開合操作都有一定的流程時延，因此要求方案能夠以盡可能少的倒閘操作次數(shù)恢復(fù)供電。

3)帶電島備用電源投入個數(shù)

對于帶電島內(nèi)有多個備用電源的情況，一般可通過統(tǒng)計備用電源的投入個數(shù)評價負(fù)荷是否均衡的分配到各個備用帶電廠站。備用電源投入個數(shù)越多，通常會使失電負(fù)荷分?jǐn)傇骄鶆颉?/p>

軟件通過算法生成多個恢復(fù)路徑時，同時計算各恢復(fù)路徑的各項指標(biāo)，作為恢復(fù)路徑的特征屬性同時展示給調(diào)度員。調(diào)度員可以根據(jù)工作經(jīng)驗并結(jié)合現(xiàn)場信息做出最后的操作決策。

4 ?決策信息可視化

決策信息可視化[6]主要是將調(diào)度員在事故處理時最關(guān)心的關(guān)鍵問題以合理的方式顯示在界面上。如圖7所示，顯示界面主要包括監(jiān)視界面、故障信息界面和歷史記錄查詢界面。監(jiān)視界面包含了被監(jiān)控電網(wǎng)所有變電站廠站圖形的SVG圖，以拓?fù)渲姆绞教崾竟收系陌l(fā)生，實時對各變電站運行情況進(jìn)行監(jiān)控。故障信息界面上顯示主要包含了故障列表、保護(hù)事件列表及相關(guān)操作按鈕(反事故預(yù)案、廠站圖形、故障波形、算法恢復(fù)決策結(jié)果、人工修正故障)等內(nèi)容。

圖7基于OPEN3000系統(tǒng)的決策信息可視化設(shè)計

5 ?軟件測試

該軟件在某城市電網(wǎng)地調(diào)進(jìn)行了實用化測試，以電網(wǎng)中某220?kV變電站J中220?kV?2號母線故障為例，本軟件能夠通過掃描事故總信號感知故障發(fā)生，并基于斷路器跳閘信息和保護(hù)報文校驗準(zhǔn)確進(jìn)行故障區(qū)段定位。在事故處理環(huán)節(jié)，軟件不僅能正確匹配出該故障類型的反事故預(yù)案，還能提供多條故障恢復(fù)路徑的顯示，部分顯示界面如圖8、圖9所示。

對故障恢復(fù)方案分析表明，軟件所提供的故障恢復(fù)方案均能夠安全可靠地恢復(fù)失電負(fù)荷，且在一定程度上保持與反事故預(yù)案的一致性。故障信息及其他功能的可視化展示有針對性地反映了調(diào)度員關(guān)心或需要的關(guān)鍵信息，體現(xiàn)了軟件的智能性和輔助性。

圖8故障信息顯示界面

圖9故障恢復(fù)結(jié)果顯示界面

6 ?結(jié)論

本文基于城市電網(wǎng)地調(diào)平臺的OPEN3000系統(tǒng)進(jìn)行了智能調(diào)度故障輔助決策系統(tǒng)的軟件設(shè)計開發(fā)。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障后，軟件讀取事故總信號進(jìn)行故障感知，根據(jù)事故跳閘信號和保護(hù)報文進(jìn)行基于模式匹配的故障診斷，并將診斷出的所有故障信息以列表的形式呈現(xiàn)給調(diào)度人員，通過基于樹和評價指標(biāo)生成可行的故障恢復(fù)方案，將決策信息(事故預(yù)案、恢復(fù)決策方案、保護(hù)時間記錄、故障波形等)以合理的方式展示給調(diào)度人員，為調(diào)度人員提供輔助決策。在某城市電網(wǎng)地調(diào)平臺的軟件測試驗證了本文軟件設(shè)計的合理性和可行性。

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(編輯 張愛琴)

Design and development of an auxiliary decision-making system for smart distribution dispatching fault in urban power network

JING Yuchen1, ZHANG Zhongyu2

(1. Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China; 2. State Grid Wuhan Electric Power Company, Wuhan 430070, China)

This paper introduces an auxiliary decision-making system software applicable for urban power dispatching department, which assists dispatchers to make decision for dealing accidents through three procedures: faults diagnosis, faults recovery and visualizing decisions’ information. The process of faults diagnosis assures the accuracy of orienting the faults’ section via stratifying and dealing with faults’ information. The process of faults recovery improves the rationality of faults recovery decision by targeted making evaluation criteria for faults recovery schemes. The process of visualizing decisions’ information provide intuitive and effective display of auxiliary decision through displaying real information the dispatchers need from massive faults’ information. This software thoroughly consider dispatchers’ necessities of making decision, and its feasibility is proved through examination conducted in a city’s power grid adjustment platform.

smart distribution dispatching; faults diagnosis; faults recovery; auxiliary decision; visualization

10.7667/PSPC151032

2015-06-19；

2015-08-13

靖宇宸(1994-)，男，本科，電氣工程及其自動化；E-mail: 501173481@qq.com

張鐘毓(1983-)，男，工程碩士，工程師，計算機技術(shù)，E-mail: prase@163.com

湖北省電力公司科技項目資助(5215A0130AN7)