基于數(shù)字孿生的電網(wǎng)安全監(jiān)視與校核技術(shù)

石輝，張思遠(yuǎn)，劉永剛，周二專，陳浩奇

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004；2.中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京 100192)

0 引言

近年來(lái)，以特高壓、跨區(qū)互聯(lián)、新能源、靈活市場(chǎng)化為標(biāo)簽的電網(wǎng)大發(fā)展，深刻改變了傳統(tǒng)骨干電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定形態(tài)。在資源配置效率提升的同時(shí)，故障多形態(tài)沖擊、連鎖反應(yīng)、快速惡化風(fēng)險(xiǎn)加劇，電網(wǎng)監(jiān)視、分析、控制維度成倍增長(zhǎng)，相應(yīng)的運(yùn)行控制要求從廣度、精度、復(fù)雜度、更新頻度上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出五年前的水平，上述特點(diǎn)在華中電網(wǎng)、湖南電網(wǎng)集中體現(xiàn)，傳統(tǒng)以斷面控制為核心的電網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)視、校核機(jī)制已無(wú)法適應(yīng)[1－3]。下一階段，在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)戰(zhàn)略背景下，電網(wǎng)方式不確定性、運(yùn)行規(guī)則復(fù)雜性加劇，亟待開發(fā)具備多維立體知識(shí)模型、復(fù)雜邏輯判斷、快速精準(zhǔn)響應(yīng)特點(diǎn)的電網(wǎng)安全監(jiān)視、校核系統(tǒng)[3]。

數(shù)字孿生方法可將物理系統(tǒng)及其控制響應(yīng)、狀態(tài)推演、監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)等信息，通過映射構(gòu)建為動(dòng)態(tài)鏡像的數(shù)字模型，其適用于實(shí)時(shí)電網(wǎng)及其運(yùn)行規(guī)則、分析邏輯的復(fù)合建模。數(shù)字孿生仿真結(jié)合D5000新一代調(diào)控平臺(tái)，能有效解決復(fù)雜電網(wǎng)模型與知識(shí)模型融合難問題[4]，將全面釋放平臺(tái)批量分析、智能決策、預(yù)警預(yù)控等一系列功能優(yōu)勢(shì)，據(jù)此可開展立體、動(dòng)態(tài)、快速、精準(zhǔn)的電網(wǎng)運(yùn)行安全監(jiān)視與校核。

省級(jí)以上電網(wǎng)普遍參照年度冬、夏方式安穩(wěn)規(guī)定及臨時(shí)限額開展調(diào)度運(yùn)行，控制參、變量涉及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、開機(jī)方式、機(jī)組旋備、電磁環(huán)網(wǎng)斷面、潮流轉(zhuǎn)移比斷面、交直流協(xié)控?cái)嗝?、穩(wěn)控狀態(tài)、外受電及負(fù)荷水平等。在日前、日內(nèi)方式安排及實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)視、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警預(yù)控中，需結(jié)合負(fù)荷變化、發(fā)受電需求、設(shè)備停復(fù)電安排、通道阻塞情況、設(shè)備跳閘風(fēng)險(xiǎn)等，對(duì)上述參量、變量開展動(dòng)態(tài)優(yōu)化配置，確保電網(wǎng)任意時(shí)刻在不超安全限額的前提下完成各項(xiàng)運(yùn)行、檢修、方式調(diào)整任務(wù)，因此，判斷并定位電網(wǎng)是否超安全限額是其中的難點(diǎn)、關(guān)鍵點(diǎn)。

目前電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行技術(shù)平臺(tái)普遍不具備精確的判斷能力及限額匹配能力，主要依靠人工對(duì)靜態(tài)潮流仿真和對(duì)安穩(wěn)規(guī)定的理解、記憶，開展監(jiān)視數(shù)據(jù)匯總、方式及限額辨識(shí)、越限判斷、干預(yù)決策等業(yè)務(wù)，不僅容易遺漏而且效率低，安全運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)和壓力大[2－3]。國(guó)內(nèi)外有基于實(shí)時(shí)或未來(lái)態(tài)潮流進(jìn)行安穩(wěn)規(guī)定與潮流方式動(dòng)態(tài)匹配的研究，但尚無(wú)建立規(guī)范化的安穩(wěn)規(guī)定知識(shí)模型，對(duì)安穩(wěn)規(guī)定的腳本錄入、正確性校核和維護(hù)缺乏一體化的解決方案；有關(guān)電網(wǎng)運(yùn)行方式自動(dòng)匹配及動(dòng)態(tài)限額跟蹤的技術(shù)應(yīng)用，只能基于“if－else” 簡(jiǎn)單邏輯進(jìn)行方式辨識(shí)，多維適應(yīng)性差；現(xiàn)有利用安穩(wěn)規(guī)定數(shù)字化開展決策規(guī)則評(píng)估和調(diào)度監(jiān)控方面的研究較少，涉及運(yùn)行方式編排活動(dòng)的具有一定輔助決策功能的應(yīng)用軟件專業(yè)針對(duì)性不強(qiáng)，智能化的規(guī)則評(píng)估水平低，實(shí)用效果不理想[4]。

湖南電網(wǎng)在祁韶直流運(yùn)行背景下，具有強(qiáng)直弱交、多種穩(wěn)定問題，運(yùn)行控制極為復(fù)雜，為此，基于數(shù)字孿生原理開發(fā)安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺(tái)，用于實(shí)時(shí)方式、潮流越限告警，能較好解決上述問題。

1 數(shù)字孿生應(yīng)用原理

數(shù)字孿生是一個(gè)新的框架，融合現(xiàn)有成熟方法解決復(fù)雜系統(tǒng)問題。在數(shù)字孿生方法中，通過實(shí)時(shí)更新虛擬模型以“鏡像” 物理電網(wǎng)，這樣電網(wǎng)在線分析、仿真和運(yùn)行監(jiān)控可以在虛擬模型上進(jìn)行[5]。因此，有必要研究支撐電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行的數(shù)字孿生建模技術(shù)，構(gòu)建虛擬電網(wǎng)模型，包括用于離線分析和在線監(jiān)控的電網(wǎng)設(shè)備映射和關(guān)聯(lián)關(guān)系，為安穩(wěn)規(guī)定的離線形成、在線評(píng)估和支持調(diào)度運(yùn)行輔助決策提供具有高保真度的電網(wǎng)運(yùn)行工況。

通過數(shù)字孿生建立電網(wǎng)運(yùn)行動(dòng)態(tài)模型，輔以基于決策圖譜的統(tǒng)一、規(guī)范化安穩(wěn)規(guī)定知識(shí)模型約束，開發(fā)適用于電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行決策支撐的安穩(wěn)規(guī)定編輯、存儲(chǔ)和測(cè)試一體化軟件，能精確識(shí)別電網(wǎng)方式，快速匹配穩(wěn)定限額、判斷越限及定位越限原因[6－9]。該軟件也稱為安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺(tái)，主要由電網(wǎng)潮流數(shù)據(jù)、設(shè)備－模型映射表、運(yùn)行變量庫(kù)、安穩(wěn)規(guī)則庫(kù)四部分組成，如圖1 所示。

圖1 安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺(tái)框架

實(shí)踐表明，該平臺(tái)具備以下技術(shù)特點(diǎn):

1) 立體。突破傳統(tǒng)基于純電網(wǎng)絡(luò)理論和參數(shù)建模、交直流割裂、分區(qū)分電壓等級(jí)等值、只關(guān)注單一安全目標(biāo)的扁平化建模思維，建立多級(jí)互聯(lián)電網(wǎng)高保真鏡像，包含任意方式約束、安控策略、跨時(shí)空限額的立體知識(shí)模型。

2) 動(dòng)態(tài)。以電網(wǎng)拓?fù)浜桶卜€(wěn)規(guī)定為脈絡(luò)，連接各建模元素，模型易于擴(kuò)展，適用于仿真對(duì)象及其參數(shù)大范圍變化。

3) 快速。應(yīng)用內(nèi)存計(jì)算、CEP 搜索引擎等技術(shù)，方式描述采用simuModel 函數(shù)＋邏輯語(yǔ)言，規(guī)則描述采用數(shù)字＋運(yùn)算符＋邏輯判斷，極大提高搜索效率，對(duì)電網(wǎng)模型、變量規(guī)模不敏感。

4) 精準(zhǔn)。基于元變量構(gòu)建方式、規(guī)則描述，以樹形結(jié)構(gòu)組織電網(wǎng)知識(shí)模型，采用窮舉電網(wǎng)潮流、遍歷邏輯結(jié)構(gòu)校驗(yàn)搜索結(jié)果，確保精準(zhǔn)判斷越限、定位越限原因。

2 智能監(jiān)視與校核技術(shù)模式

2.1 日方式潮流切片安全校核

日方式靜態(tài)潮流安全校核是調(diào)度計(jì)劃、方式、運(yùn)行崗位的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)，由于方式變化頻繁、點(diǎn)多面廣，一般只能針對(duì)極大、極小或典型方式開展校核，以指導(dǎo)方式安排或?qū)崟r(shí)調(diào)度，往往導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行安全而不經(jīng)濟(jì)、方式調(diào)整空間狹窄，而現(xiàn)貨交易、輔助服務(wù)、新能源波動(dòng)、嚴(yán)重故障等隨機(jī)因素加劇了上述矛盾[10－11]。

以安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺(tái)為尺子，可對(duì)電網(wǎng)日方式96 點(diǎn)潮流批量執(zhí)行切片安全校核，能夠精確分析越限時(shí)點(diǎn)、原因，如圖2 所示。對(duì)歷史日方式，可回溯分析電網(wǎng)阻塞、風(fēng)險(xiǎn)發(fā)展過程；對(duì)未來(lái)日前方式，可逐日、逐點(diǎn)推演日前發(fā)受電計(jì)劃、停復(fù)電計(jì)劃安排是否合理，各時(shí)點(diǎn)運(yùn)行備用、通道受阻、新能源消納等是否達(dá)標(biāo)，從而精確調(diào)整、優(yōu)化日前計(jì)劃，指導(dǎo)新能源消納及電網(wǎng)規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維工作等；對(duì)未來(lái)日內(nèi)方式，可結(jié)合日內(nèi)計(jì)劃、分布負(fù)荷超短期預(yù)測(cè)、現(xiàn)貨出清、突發(fā)異?；蚬收系?，動(dòng)態(tài)推演實(shí)時(shí)電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)，輔助分析降風(fēng)險(xiǎn)措施、效果及現(xiàn)貨、輔助服務(wù)資源空間，輔助電網(wǎng)精準(zhǔn)調(diào)度。

圖2 日方式切片安全校核圖

2.2 斷面控制限額優(yōu)化匹配

大電網(wǎng)運(yùn)行中經(jīng)常存在多個(gè)斷面潮流聯(lián)動(dòng)控制(如特高壓長(zhǎng)南＋祁韶?cái)嗝?、鄂湘＋鄂豫斷?，或某一通道潮流按送、受端多種因素分檔控制(如祁韶送、受端約束) 的情況，導(dǎo)致同一斷面有兩套甚至多套聯(lián)動(dòng)的安穩(wěn)限額。以湖南祁韶直流為例，祁韶受入限額涉及6 個(gè)維度、10 檔負(fù)荷水平、每檔7—9 層功率約束，共90 余套方式限額，見表1。為適時(shí)解決電源送出受阻、負(fù)荷供應(yīng)受限、開機(jī)臺(tái)數(shù)不足、旋備容量不足問題等[12－13]，需要以某項(xiàng)最大化為目標(biāo)(如以全網(wǎng)供電能力最大、祁韶受入限額最大等)，優(yōu)化選取斷面限額及其聯(lián)動(dòng)控制約束。

表1 祁韶受入限額聯(lián)動(dòng)控制規(guī)則節(jié)選

針對(duì)某一潮流方式，安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺(tái)可對(duì)所有聯(lián)動(dòng)斷面限額的搭配組合提供安全校核結(jié)果，供決策參考。在此基礎(chǔ)上，嵌入目標(biāo)指向?qū)?yōu)算法，可靈活、優(yōu)化匹配電網(wǎng)運(yùn)行安全邊界，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)大電網(wǎng)安全域內(nèi)的優(yōu)化運(yùn)行自動(dòng)決策。

2.3 調(diào)度操作安全校核

電網(wǎng)調(diào)度操作是一項(xiàng)兼具計(jì)劃性與機(jī)動(dòng)性的業(yè)務(wù)，操作安全是其首要準(zhǔn)則，為此，調(diào)度員必須執(zhí)行“先算后?！?，通過預(yù)演操作票執(zhí)行過程，校核操作中、操作后的安全風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)多張操作票需依次執(zhí)行時(shí)，涉及多種方式變化、限額變更，過渡過程可能存在安全越限且難以發(fā)現(xiàn)，安全校核壓力巨大。

在安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺(tái)預(yù)先錄入各檢修方式控制限額，將其嵌入操作票預(yù)演潮流校核，每一步操作模擬執(zhí)行后，自動(dòng)匹配方式限額、判斷越限情況，若存在越限則人工調(diào)整操作時(shí)機(jī)、順序或操作票執(zhí)行項(xiàng)目，形成安全的調(diào)度操作方案，如圖3 所示?；诖税踩：藱C(jī)制，還可開發(fā)以越限風(fēng)險(xiǎn)為約束的調(diào)度操作計(jì)劃批量自動(dòng)編排系統(tǒng)，作為未來(lái)智能調(diào)度平臺(tái)的重要支撐。

圖3 調(diào)度操作安全校核及優(yōu)化調(diào)整

2.4 故障預(yù)案自動(dòng)編制

編制故障預(yù)案是調(diào)度應(yīng)急管理的核心任務(wù)，存在任務(wù)量大、適用周期短、分析計(jì)算繁重、應(yīng)用率低等特點(diǎn)。基于安穩(wěn)規(guī)定及預(yù)想故障靜態(tài)潮流仿真，經(jīng)調(diào)整試算、策略優(yōu)化編寫的傳統(tǒng)故障預(yù)案，適應(yīng)性、準(zhǔn)確性、可行性難以得到保證，編制效率也已無(wú)法達(dá)到要求。基于在線平臺(tái)的預(yù)案校核技術(shù)能通過潮流靈敏度關(guān)系、越限控制輔助決策模型，編制自動(dòng)、批量、準(zhǔn)確預(yù)案，但受制于潮流安全限額匹配、越限判斷的短板，其實(shí)用化進(jìn)程緩慢[14]。

安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺(tái)能較好解決上述短板問題。針對(duì)任意故障后方式，以安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺(tái)作為已知方式的安全校核工具，對(duì)設(shè)備或斷面越限提供緊急控制輔助決策；以在線N－1 掃描作為未知方式的補(bǔ)充校核工具，對(duì)進(jìn)一步N－1 越限提供預(yù)防控制輔助決策，據(jù)此整合成為針對(duì)預(yù)想方式故障的處置預(yù)案。不僅如此，安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺(tái)還能反應(yīng)安控系統(tǒng)及BZT 動(dòng)作、區(qū)外關(guān)聯(lián)一次設(shè)備故障等，動(dòng)態(tài)匹配安全限額用于越限判斷及輔助決策。在預(yù)案的更新、執(zhí)行階段，也可基于上述校核機(jī)制，按當(dāng)時(shí)潮流方式校核預(yù)案的適用性、有效性，以此支撐預(yù)案更新或執(zhí)行策略。

2.5 電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行輔助決策

跨省/區(qū)交直流互聯(lián)、新能源集群、高度城市化是目前骨干電網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)，此類電網(wǎng)因存在復(fù)雜的大范圍潮流耦合關(guān)系，在實(shí)時(shí)調(diào)度運(yùn)行中需多種運(yùn)行方式頻繁切換，傳統(tǒng)基于超短期負(fù)荷平衡、潮流安全約束的線性規(guī)則調(diào)度輔助決策，嚴(yán)重依賴調(diào)度員干預(yù)調(diào)節(jié)，是調(diào)度智能化的巨大挑戰(zhàn)[15]。

安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺(tái)對(duì)2 000 節(jié)點(diǎn)規(guī)模電網(wǎng)的分析耗時(shí)不超0.02 s，在實(shí)時(shí)方式識(shí)別、快速限額匹配方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可作為實(shí)時(shí)調(diào)度運(yùn)行輔助決策的核心監(jiān)視部件。若沿用被動(dòng)控制思路，可基于實(shí)時(shí)潮流開展高頻率方式識(shí)別、越限校核，校核結(jié)果送入越限控制輔助決策模型，導(dǎo)出跟蹤控制決策并閉環(huán)執(zhí)行，對(duì)省規(guī)模電網(wǎng)具備秒級(jí)控制響應(yīng)能力。若采取主動(dòng)控制思路，可結(jié)合多檔超短期潮流預(yù)報(bào)，構(gòu)建多周期未來(lái)態(tài)潮流[16]，分別開展方式識(shí)別、越限校核，據(jù)此生成秒級(jí)、分鐘級(jí)、小時(shí)級(jí)預(yù)控和事故響應(yīng)輔助決策并閉環(huán)執(zhí)行，將大量備用、閑置、有限可調(diào)資源納入實(shí)時(shí)調(diào)度，能達(dá)到潮流偏差主動(dòng)趨零控制、預(yù)防性方式優(yōu)化、源－網(wǎng)－荷同步協(xié)調(diào)互動(dòng)的效果，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)運(yùn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性的可控最優(yōu)。

2.6 多級(jí)安穩(wěn)規(guī)定風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

通常省級(jí)以上骨干電網(wǎng)涉及國(guó)調(diào)、分調(diào)、省調(diào)多級(jí)調(diào)度，電網(wǎng)運(yùn)行需同時(shí)執(zhí)行多級(jí)安穩(wěn)規(guī)定，而安穩(wěn)規(guī)定往往由各級(jí)調(diào)度人工獨(dú)立編制，缺乏高效、全面、準(zhǔn)確的聯(lián)合校正，此類情況在臨時(shí)或事故方式下尤為常見，可能存在規(guī)則錯(cuò)誤、真空或死區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)，危及電網(wǎng)安全運(yùn)行[17]。

以安穩(wěn)規(guī)則中的停電方式作為預(yù)想故障，導(dǎo)入在線安全分析進(jìn)行故障掃描，對(duì)比規(guī)則限額與在線靜穩(wěn)、暫穩(wěn)約束等是否合理、潮流轉(zhuǎn)移比關(guān)系是否準(zhǔn)確，若規(guī)則限額或轉(zhuǎn)移比異常偏大、偏小則說(shuō)明可能錯(cuò)誤。

安穩(wěn)規(guī)定一般只對(duì)部分設(shè)備方式、潮流進(jìn)行約束，電網(wǎng)實(shí)際可能出現(xiàn)安穩(wěn)規(guī)定未考慮到的風(fēng)險(xiǎn)，即存在規(guī)則真空。采用在線靜穩(wěn)、暫穩(wěn)、短路電流、斷面穩(wěn)定裕度分析進(jìn)行全網(wǎng)掃描，若出現(xiàn)安穩(wěn)規(guī)定中未提及的穩(wěn)定、越限風(fēng)險(xiǎn)，即可能辨識(shí)到規(guī)則真空。

國(guó)調(diào)、分調(diào)、省調(diào)多級(jí)安穩(wěn)規(guī)定若協(xié)調(diào)不當(dāng)，可能存在限額交叉，導(dǎo)致無(wú)可行運(yùn)行域，即存在規(guī)則死區(qū)。將多級(jí)安穩(wěn)規(guī)定同時(shí)導(dǎo)入電子化平臺(tái)、執(zhí)行批量評(píng)估、修改測(cè)試潮流，若存在各方式下始終越限的規(guī)則，即可能辨識(shí)到規(guī)則死區(qū)。

3 結(jié)語(yǔ)

打造具有中國(guó)特色、國(guó)際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)，必須跳出傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的窠臼，為特高壓、新能源、靈活電力市場(chǎng)等新趨勢(shì)營(yíng)造寬松、友好的支撐平臺(tái)。數(shù)字孿生與電網(wǎng)仿真的結(jié)合即提供了這樣一種立體視角，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)調(diào)度知識(shí)模型的維度躍升。基于數(shù)字孿生的安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺(tái)成功實(shí)踐，證明這一技術(shù)藍(lán)海具有高度的開發(fā)價(jià)值，為此，國(guó)網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)提出將該技術(shù)作為在線分析智能化的核心。本文基于實(shí)際需求，提出將其用于電網(wǎng)調(diào)度智能監(jiān)視與校核技術(shù)的若干方向和技術(shù)路線，其中部分技術(shù)設(shè)想已投入開發(fā)實(shí)踐，取得預(yù)期的良好應(yīng)用效果。