面向電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的對象化建模及應(yīng)用研究

金芬蘭，周騰壹，姚敏東，王昊，夏慧，鞏澤平，盧健

(1.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司, 北京 100192；2.國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力調(diào)度控制中心，黑龍江 哈爾濱 161041)

0 引 言

電網(wǎng)模型是進(jìn)行電力系統(tǒng)統(tǒng)計分析和計算的基礎(chǔ)，電網(wǎng)建模方式和模型結(jié)構(gòu)對電力系統(tǒng)的監(jiān)視運行起著至關(guān)重要的作用[1]。當(dāng)前電網(wǎng)對于變電站、發(fā)電廠和地區(qū)電網(wǎng)總加等計算類數(shù)據(jù)的模型大都面向測點方式建模[2]。通過前臺界面對公式進(jìn)行配置，讀取D5000平臺[3](智能電網(wǎng)調(diào)度控制平臺)電網(wǎng)調(diào)控數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控處理系統(tǒng)(SCADA系統(tǒng))[4]的公式定義表，按照表中設(shè)定的計算周期和優(yōu)先級進(jìn)行公式計算，將結(jié)果寫入ID對應(yīng)的表域中。此種方式將設(shè)備模型與計算模型分開，當(dāng)有新的計算需求或電網(wǎng)結(jié)構(gòu)有變化時，需要手動添加新的計算公式或者修改之前的公式。例如：在計算廠站有功總加時，將廠站內(nèi)的所有機(jī)組的有功值進(jìn)行累加；當(dāng)該廠站內(nèi)新增機(jī)組時，需要手動修改計算公式模型，將新添加的機(jī)組信息配置到公式中去。當(dāng)計算對象范圍較大時，例如計算某個區(qū)域的有功總加，需要將該區(qū)域內(nèi)所有機(jī)組的有功值配置到公式中，即需要配置的公式項數(shù)量多，增加了運維人員的工作量。因此，亟需對現(xiàn)有的計算方式進(jìn)行改進(jìn)以減輕繁瑣的配置工作。

為解決上述問題，本文首先在當(dāng)前電網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，采用面向網(wǎng)絡(luò)的對象化建模方法，以具體電網(wǎng)區(qū)域、供電區(qū)和廠站實例為對象建立電網(wǎng)模型，然后詳細(xì)介紹供電區(qū)分區(qū)建模以及其他對象擴(kuò)展建模。最后，通過設(shè)計模板計算功能，將對象化的模型應(yīng)用于公式計算，該功能可以在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時自動調(diào)整計算模型。

1 對象化建模

面向?qū)ο笤O(shè)計是程序設(shè)計過程中的一種重要方法，其基本思想是使用對象、類、繼承和封裝等基本概念來進(jìn)行設(shè)計[6]。對象是現(xiàn)實世界中某個實際存在的事物,是系統(tǒng)用來描述客觀事物的一個實體, 它是構(gòu)成系統(tǒng)的一個基本單位。一個對象由一組屬性和對這組屬性進(jìn)行操作的一組服務(wù)(方法)構(gòu)成。具有相同屬性和操作的一組對象集合在一起就形成了類，類的作用是用來創(chuàng)建對象, 對象是類的一個實例[7]。類的確定主要是確定該類的所有對象有哪些屬性和哪些行為，這些屬性和行為必須覆蓋該類中的所有對象。

通過將華北和東北等區(qū)域定義為對象，進(jìn)而抽象出區(qū)域類，每一個具體的區(qū)域?qū)?yīng)SCADA實時庫中區(qū)域模型的某一條記錄，即每條記錄為一個對象，區(qū)域負(fù)荷、區(qū)域總功等則作為模型中對象的屬性。供電區(qū)類基于拓?fù)溥B接關(guān)系，識別每一個廠站的不同電壓等級的供電源頭。對供電區(qū)設(shè)置不同的屬性，即對實時庫供電區(qū)模型設(shè)置不同的域，來對電網(wǎng)信息進(jìn)行實時監(jiān)視，例如供電區(qū)總負(fù)荷和供電區(qū)總功等。通過開發(fā)供電區(qū)識別功能，自動感知電網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系或者電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化，并基于當(dāng)前電網(wǎng)特征自動計算各個屬性。

2 供電分區(qū)建模

現(xiàn)有調(diào)控系統(tǒng)中還未能支持根據(jù)電網(wǎng)實時運行方式調(diào)整自動識別實現(xiàn)供電分區(qū)[8]?；陔娋W(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系，智能識別電網(wǎng)各供電分區(qū)所包含的廠站，并在拓?fù)溥B接發(fā)生變化時，自動觸發(fā)分區(qū)重新識別[9]。

供電分區(qū)建模的軟件設(shè)計架構(gòu)如圖1所示，由消息接收模塊、拓?fù)潢P(guān)系建立模塊和廠站等級判斷模塊、虛擬站判斷模塊、供電區(qū)判斷模塊、廠站狀態(tài)判斷模塊以及寫實時庫模塊組成。

圖1 供電分區(qū)建模的軟件設(shè)計架構(gòu)圖

供電分區(qū)模型已在陜西某地區(qū)上線運行使用，由于該地大型變電站的電壓等級主要為110 kV和330 kV，因此基于當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)分層特征以及實時電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，按照110 kV以及330 kV對供電區(qū)進(jìn)行動態(tài)劃分，劃分的部分結(jié)果如表1所示(該表中的標(biāo)識只保留了最后兩位,廠站ID只保留了后四位)，該結(jié)果可以為分區(qū)負(fù)荷計算以及分區(qū)總加等奠定基礎(chǔ)。

表1 供電分區(qū)結(jié)果

3 對象擴(kuò)展建模

為了對電網(wǎng)信息進(jìn)行更好的計算和監(jiān)視，在現(xiàn)有的區(qū)域以及廠站等電網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上，增加域信息，實時感知電網(wǎng)變化并進(jìn)行統(tǒng)計計算。

電網(wǎng)基本信息模型是對原有的區(qū)域模型的擴(kuò)展。在電網(wǎng)參數(shù)信息表中增加有功發(fā)電、無功發(fā)電、有功負(fù)荷和無功負(fù)荷四個域。利用廠站級總加的結(jié)果疊加至廠站所屬電網(wǎng)的統(tǒng)計結(jié)果中。由于電網(wǎng)存在上下級關(guān)系，自動統(tǒng)計時將下級電網(wǎng)計算結(jié)果自動并入所屬上級電網(wǎng)的計算結(jié)果中。

發(fā)電廠基本信息模型是對原有發(fā)電廠模型的擴(kuò)展，將需要監(jiān)視或統(tǒng)計的信息作為發(fā)電廠類的擴(kuò)展屬性。發(fā)電廠的統(tǒng)計內(nèi)容包括發(fā)電統(tǒng)計與廠用電監(jiān)視數(shù)據(jù)統(tǒng)計，發(fā)電統(tǒng)計以發(fā)電機(jī)組類型進(jìn)行區(qū)分，統(tǒng)計內(nèi)容包括燃油總出力、燃煤總出力、燃?xì)饪偝隽?、水電總出力、火電總出力、核電總出力和蓄能總出力等。廠站電監(jiān)視數(shù)據(jù)統(tǒng)計內(nèi)容包括機(jī)組總臺數(shù)、機(jī)組總?cè)萘?、機(jī)組總出力、機(jī)組上網(wǎng)有功、廠站電負(fù)荷和廠用電率。通過設(shè)計模板公式計算功能，統(tǒng)計了某廠站核電總出力，當(dāng)感知到電網(wǎng)模型變化時進(jìn)行自適應(yīng)實時變化，并將新的計算結(jié)果輸入到本節(jié)設(shè)計的發(fā)電廠基本信息模型的核電總出力域中。

4 應(yīng)用

為實現(xiàn)面向網(wǎng)絡(luò)的對象化模型應(yīng)用，以本文建立的對象化模型為基礎(chǔ)設(shè)計模板公式計算功能，實現(xiàn)各類總加數(shù)據(jù)的動態(tài)計算。

以求取漢陽廠的核電總出力為例(或以求取某個區(qū)域的有功之和或者某個供電區(qū)的有功之和為例)，通過前臺界面配置公式內(nèi)容為：

@1=SUM(@2)

(1)

式中：@1為計算目標(biāo)，即漢陽廠內(nèi)的所有核電總出力，存放位置為發(fā)電廠基本信息模型的核電總出力域；@2為符合條件的計算項，即漢陽廠內(nèi)的核電廠的有功功率；SUM為特殊公式計算符號，模板公式計算功能會對其進(jìn)行解析展開具體的公式。前臺界面點擊保存后，通過消息總線觸發(fā)后端模板公式計算程序，生成了模板公式展開的具體公式(2)：

@1=sum(@2,@3)

(2)

式中：@1，@2含義同式(1)；@3為漢陽廠內(nèi)另一個核發(fā)電機(jī)組的有功功率；sum即求和符號。當(dāng)該電網(wǎng)模型有變化時，不需要重復(fù)配置，功能可以自動生成具體公式。例如該廠站增加了一臺核電機(jī)組，則模板公式計算功能感知到電網(wǎng)結(jié)構(gòu)有變化的消息后，自動生成具體公式(3), 并基于新生成的計算公式自動計算。

@1=sum(@2,@3,@,4)

(3)

式中：@1,@2,@3以及sum的含義同式(2);@4為漢陽廠新增加的核電機(jī)組的有功功率。對模板公式計算所需的時間與當(dāng)前公式計算所需時間進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果如表2所示。在接到初次計算需求時，配置生成每個公式的平均時間是60 s，這個隨著計算項的不同時間差別較大。模板公式定義配置時間較短且比較穩(wěn)定，通過20 s左右就可以實現(xiàn)。在維護(hù)方面，每當(dāng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)發(fā)生的變化與公式功能相關(guān)時，需要花費平均20 s的時間去修改公式計算項，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化越大、變化越頻繁則需要維護(hù)的時間就越多，而模板公式計算可以自動感應(yīng)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化，僅平均通過0.8 s即可自動修改計算模型并重新計算。通過對統(tǒng)計信息分析可以看出,模板公式計算功能能夠至少提高計算類功能80%的效率。

表2 模板公式計算與當(dāng)前公式計算時間統(tǒng)計 s/次

綜上所述，模板公式計算功能僅通過一次界面配置就能夠?qū)崿F(xiàn)各個屬性的自動計算功能，從廠站層級(該功能也支持區(qū)域?qū)蛹壔蚬╇妳^(qū)層級)提高了公式計算的自動化程度和數(shù)據(jù)監(jiān)視效率。

5 結(jié)束語

本文以電網(wǎng)區(qū)域、供電區(qū)和廠站實例為對象對電網(wǎng)模型進(jìn)行改進(jìn)，實現(xiàn)面向電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)視。通過研究自動供電分區(qū)模型，實現(xiàn)從供電角度對電網(wǎng)對象的劃分，為分區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)(供電區(qū)總加、供電區(qū)負(fù)荷總加等數(shù)據(jù))自動統(tǒng)計計算以及監(jiān)視分區(qū)內(nèi)發(fā)用電平衡情況奠定了基礎(chǔ)?；趯ο蠡碾娋W(wǎng)模型設(shè)計模板公式計算功能，自動感知電網(wǎng)模型的變化并自適應(yīng)修改生成的具體公式，提高了電力系統(tǒng)運維人員的工作效率，實現(xiàn)了面向設(shè)備對象的監(jiān)視和向面向電網(wǎng)監(jiān)視的進(jìn)一步轉(zhuǎn)變，調(diào)控人員通過這些信息可以“網(wǎng)”的視角理解電網(wǎng)、操作電網(wǎng)。