基于動(dòng)態(tài)建模技術(shù)構(gòu)建輸電網(wǎng)運(yùn)行方式校核系統(tǒng)的探索

唐濤南 劉海林 王 衛(wèi) 王騰飛

基于動(dòng)態(tài)建模技術(shù)構(gòu)建輸電網(wǎng)運(yùn)行方式校核系統(tǒng)的探索

唐濤南1劉海林2王 衛(wèi)1王騰飛1

（1. 國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031； 2. 東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264001）

本文介紹一種基于動(dòng)態(tài)建模技術(shù)構(gòu)建輸電網(wǎng)運(yùn)行方式校核系統(tǒng)的思路和方法，旨在為電力企業(yè)的方式人員提供一套智能化的校核工具，通過對實(shí)時(shí)或假想中的電網(wǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬建模、自動(dòng)校核和輔助決策，經(jīng)歷一次或多輪次的校核和優(yōu)化迭代，實(shí)現(xiàn)對實(shí)時(shí)電網(wǎng)的運(yùn)行方式及設(shè)計(jì)中的電網(wǎng)改擴(kuò)建方案的快速驗(yàn)證，從而顯著提高電網(wǎng)設(shè)計(jì)工作的科學(xué)性、準(zhǔn)確性、經(jīng)濟(jì)性，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提高電網(wǎng)投資的效益。

輸電網(wǎng)；動(dòng)態(tài)建模；輔助決策；自動(dòng)成圖

0 引言

通過支持廣泛的用戶互動(dòng)，為電力系統(tǒng)提供足夠的靈活性、實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的用戶服務(wù)，成為未來智能電網(wǎng)發(fā)展的必然要求[1]。大型電力企業(yè)每年都要針對輸電網(wǎng)進(jìn)行與迎峰度夏、安全度冬、保供電、設(shè)備檢修相關(guān)的大量設(shè)計(jì)校核工作，這些工作專業(yè)性強(qiáng)、工作量大、易出錯(cuò)，對相關(guān)人員的要求很高。電網(wǎng)分析校核軟件有很多，目前國內(nèi)主要采用電力系統(tǒng)潮流及暫態(tài)穩(wěn)定分析程序（Bonneville power administration, BPA）、電力系統(tǒng)分析綜合程序（power system analysis software package, PSASP）、電力系統(tǒng)仿真軟件（power system simulator for engineering, PSS/E）等，它們成為目前電網(wǎng)運(yùn)行分析的重要工具[2]。然而，這類軟件大都是離線分析軟件，需要人工準(zhǔn)備大量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行一系列配置才能使用。其中，PSS/E需要使用者具備一定的編程基礎(chǔ)，PSASP的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備需要耗費(fèi)大量時(shí)間，對專業(yè)知識要求也較高。目前，雖然有一些文獻(xiàn)對輸電網(wǎng)的在線校核進(jìn)行了研究，比如文獻(xiàn)[3]闡述了基于實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)的可靠性評估系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，并著重討論了系統(tǒng)算法和用戶接口設(shè)計(jì)，但電網(wǎng)的調(diào)控仍面臨以下幾個(gè)迫切需要解決的問題：

1）如何在線發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)電網(wǎng)正常運(yùn)行及-1情況下電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)并給出合理的安全調(diào)整策略。

2）如何準(zhǔn)確識別用電負(fù)荷及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化可能導(dǎo)致的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)并給出應(yīng)對措施。

3）對電網(wǎng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬，對未來的實(shí)施效果提前進(jìn)行仿真校核。

1 需要解決的問題

通過建設(shè)輸電網(wǎng)設(shè)計(jì)與校核系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)輸電網(wǎng)的在線實(shí)時(shí)校核及安全調(diào)整輔助決策，輔助方式人員進(jìn)行電網(wǎng)的改擴(kuò)建，實(shí)現(xiàn)相關(guān)工作的自動(dòng)化、專業(yè)化、可視化。為此，系統(tǒng)需要提供如下主要功能。

1）構(gòu)建校核基態(tài)并實(shí)現(xiàn)免維護(hù)

構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)電網(wǎng)校核基態(tài)，定期自動(dòng)從能源管理系統(tǒng)（energy management system, EMS）導(dǎo)入實(shí)時(shí)輸電網(wǎng)模型、圖形及負(fù)荷數(shù)據(jù)，構(gòu)建并自動(dòng)維護(hù)一個(gè)隨時(shí)可用的實(shí)時(shí)電網(wǎng)斷面，作為設(shè)計(jì)和校核任務(wù)的基礎(chǔ)。

2）構(gòu)建一個(gè)多任務(wù)并行的校核管理平臺

校核管理平臺為多個(gè)并行的設(shè)計(jì)或校核任務(wù)提供互相隔離的全生命周期管理，提供設(shè)計(jì)工作所需要的繪圖、建模工具，提供運(yùn)行方式調(diào)整、用電負(fù)荷調(diào)整、備自投策略調(diào)整、校核結(jié)果展示、輔助決策方案展示所需的界面。

3）提供全場景的智能校核引擎

校核引擎負(fù)責(zé)對各種應(yīng)用場景下的電網(wǎng)運(yùn)行方式進(jìn)行電網(wǎng)承載力分析，對重過載設(shè)備給出負(fù)荷轉(zhuǎn)供輔助決策方案；根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行方式自動(dòng)動(dòng)態(tài)匹配備自投策略，對-1情況下的電網(wǎng)承載力進(jìn)行校核，對不滿足-1的設(shè)備給出原因及安全調(diào)整輔助決策方案。

4）對分析結(jié)果進(jìn)行可視化展示

提供一套自動(dòng)成圖組件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備供電范圍、-1波及分析、重要用戶供電電源分析的自動(dòng)成圖，以直觀展示分析校核結(jié)果。

2 關(guān)鍵技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)上述建設(shè)目標(biāo)，需重點(diǎn)解決如下關(guān)鍵技術(shù)。

1）異構(gòu)的存量模型校驗(yàn)及增量擴(kuò)展技術(shù)

傳統(tǒng)上，輸電網(wǎng)的模型由EMS維護(hù)，其站內(nèi)的主變、母線、開關(guān)、刀開關(guān)等設(shè)備的模型是完備的，但站外的線路段模型往往不完整，可能只包含部分線路段，而線路段往往會(huì)成為供電路徑上的最小載流元件，其模型的完整性和準(zhǔn)確性會(huì)直接影響校核結(jié)果。因此，基于第三方異構(gòu)模型構(gòu)建完整、準(zhǔn)確的輸電網(wǎng)模型是一切校核工作的基礎(chǔ)，需要進(jìn)行如下技術(shù)研究：①從EMS導(dǎo)入輸電網(wǎng)模型和圖形，并進(jìn)行圖模質(zhì)量校驗(yàn)和異構(gòu)模型轉(zhuǎn)換；②以轉(zhuǎn)換得到存量模型為基礎(chǔ)，對缺失的線路段模型快速實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充建模；③提供簡捷、可視化的手段為處于設(shè)計(jì)中的假想電網(wǎng)快速建立模型。

2）基于差異模型的電網(wǎng)運(yùn)行方式自動(dòng)校核和輔助決策技術(shù)

電網(wǎng)運(yùn)行方式校核的需求可能來源于檢修計(jì)劃、用電需求、電網(wǎng)設(shè)計(jì)等各種場景，需要能夠基于歷史模型、現(xiàn)時(shí)模型、未來模型（假想中的改擴(kuò)建模型）等不同時(shí)期的電網(wǎng)模型進(jìn)行校核。根據(jù)校核目的的不同，能夠設(shè)置多種場景、多種計(jì)算條件，同時(shí)執(zhí)行多個(gè)校核任務(wù)。

另外，針對校核結(jié)果可以優(yōu)化的運(yùn)行方式，需要能夠自動(dòng)給出方式優(yōu)化輔助決策建議。

3）基于動(dòng)態(tài)備自投策略的-1電網(wǎng)安全分析技術(shù)

當(dāng)設(shè)備的備自投策略有多個(gè)時(shí)，需要能夠根據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)，自動(dòng)選擇適配的備自投策略，模擬-1發(fā)生時(shí)因設(shè)備開斷和自投開關(guān)動(dòng)作導(dǎo)致的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變和負(fù)荷轉(zhuǎn)移情況，并做潮流分析，基于重構(gòu)的電網(wǎng)和負(fù)荷模型對主變和線路段進(jìn)行校核，自動(dòng)給出過載設(shè)備的負(fù)荷轉(zhuǎn)供方案。

模擬備自投動(dòng)作時(shí)，需要綜合考慮備自投的時(shí)序性、均分性等特性。

為了提高校核的速度，需要能夠基于基態(tài)模型，根據(jù)設(shè)備開斷和自投開關(guān)動(dòng)作情況動(dòng)態(tài)重構(gòu)局部模型并實(shí)現(xiàn)局部拓?fù)洹?/p>

4）自動(dòng)成圖技術(shù)

根據(jù)業(yè)務(wù)場景需要，對校核結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行有序組織，實(shí)現(xiàn)在線的動(dòng)態(tài)自動(dòng)成圖。需要考慮的成圖場景包括-1負(fù)荷轉(zhuǎn)供態(tài)勢圖、供電路徑溯源圖、供電范圍拓?fù)鋱D等。

3 實(shí)現(xiàn)思路

3.1 主要流程

圖1為系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的主要流程。

圖1 系統(tǒng)主要流程

3.2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1）提供圖模一體的電網(wǎng)建模及校驗(yàn)工具

文獻(xiàn)[4]描述了根據(jù)變電站系統(tǒng)配置描述文件（system configuration description, SCD）實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)模型擴(kuò)展的技術(shù)方案。文獻(xiàn)[5]研究了基于IEC 61970系列標(biāo)準(zhǔn)中的公共信息模型（common information model, CIM）實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)建模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。基于CIM的電網(wǎng)模型互操作研究和實(shí)踐都已比較成熟，本文重點(diǎn)關(guān)注如何在導(dǎo)入的第三方電網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上補(bǔ)充運(yùn)行方式校核所必需的線路段模型。解決方案是，提供一個(gè)圖模一體的圖形化建模及校驗(yàn)工具，對第三方電網(wǎng)模型進(jìn)行通用化處理，并在此基礎(chǔ)上通過繪制站區(qū)圖對缺失的線路段進(jìn)行補(bǔ)充建模。通過繪制站區(qū)圖，可以為站間線路建立完整準(zhǔn)確的拓?fù)浼皡?shù)信息，以便能夠在運(yùn)行方式校核時(shí)準(zhǔn)確識別供電路徑中的最小載流元件。圖2所示為圖模一體建模工具繪制的站區(qū)圖（局部）示例。

2）構(gòu)建能夠支持多種校核場景的動(dòng)態(tài)資源池

創(chuàng)建互相隔離的校核任務(wù)動(dòng)態(tài)資源池，每個(gè)校核任務(wù)動(dòng)態(tài)申請和釋放資源池中的資源，并在封閉的資源環(huán)境中完成校核任務(wù)的全生命周期。動(dòng)態(tài)資源池實(shí)現(xiàn)思路如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)資源池實(shí)現(xiàn)思路

3）自匹配的備自投策略及過載設(shè)備負(fù)荷轉(zhuǎn)供輔助決策

文獻(xiàn)[6]對備自投自動(dòng)投退的策略和規(guī)則進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[7]在潮流校核過程中通過負(fù)荷轉(zhuǎn)移的方法將負(fù)荷從工作母線轉(zhuǎn)移到備用母線來模擬備自投的動(dòng)作，有效縮短了校核時(shí)間。文獻(xiàn)[8]對所有的備自投動(dòng)作策略在執(zhí)行前進(jìn)行電網(wǎng)安全校驗(yàn)，分別給出線路過載和變壓器過載的校正方案。文獻(xiàn)[9]研究計(jì)及備自投的-1靜態(tài)安全分析快速計(jì)算方法，進(jìn)行一次設(shè)備的-1故障校核。本文重點(diǎn)關(guān)注多個(gè)備自投方案的在線自匹配及多個(gè)轉(zhuǎn)供方案的優(yōu)化組合及效果評估。

首先，在考慮備自投的方向性、時(shí)序性、均分性等特點(diǎn)的情況下對備自投進(jìn)行建模。

然后，模擬-1，在基態(tài)拓?fù)涞幕A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)局部拓?fù)?，并通過供電路徑搜索及設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)得到滿足動(dòng)作條件的備自投策略。

最后，根據(jù)備自投策略和電網(wǎng)拓?fù)洌瑢ω?fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移，并對負(fù)荷轉(zhuǎn)移后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校核，得到校核計(jì)算結(jié)果。對不滿足-1的主變或線路，分析并給出所有可降低設(shè)備負(fù)載的輔助決策方案。

為了加快動(dòng)態(tài)重構(gòu)局部模型并實(shí)現(xiàn)局部拓?fù)涞乃俣?，本文借鑒文獻(xiàn)[10]提出的構(gòu)造與原電網(wǎng)相似拓?fù)?、不同參?shù)的“伴隨網(wǎng)絡(luò)”的概念。

圖4為系統(tǒng)根據(jù)備自投策略自動(dòng)完成負(fù)荷轉(zhuǎn)移后，給出的用于降低波及設(shè)備負(fù)載的輔助決策方案。方案包含互補(bǔ)或互斥特征，用于協(xié)助使用者快速完成方案的優(yōu)化組合。

4）基于實(shí)時(shí)拓?fù)涞淖詣?dòng)成圖技術(shù)

目前，圍繞變電站一次接線圖、饋線圖的自動(dòng)成圖技術(shù)研究較多[11-13]，但與具體業(yè)務(wù)緊密結(jié)合的應(yīng)用級自動(dòng)成圖技術(shù)并不多見。

供電范圍分析示意圖和供電路徑示意圖為輻射狀無環(huán)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，可采用樹形布局算法，將成圖模型抽象為一個(gè)多叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用寬度優(yōu)先搜索、遞歸中序遍歷的方法實(shí)現(xiàn)圖元布局。

對于-1波及分析示意圖，主要的難點(diǎn)在于沒有現(xiàn)成的算法可用，需要自行設(shè)計(jì)算法解決成圖數(shù)據(jù)的排序、分組、去重和試探性布局。綜合考慮-1發(fā)生后因設(shè)備自投（需要考慮級聯(lián)自投）引起的各種負(fù)荷轉(zhuǎn)移場景，模擬人工繪圖的思路和過程，實(shí)現(xiàn)-1波及分析示意圖的自動(dòng)生成。

圖5為利用自動(dòng)成圖技術(shù)生成的-1波及分析示意圖。

4 應(yīng)用情況

基于本文描述的思路和方法實(shí)現(xiàn)的輸電網(wǎng)運(yùn)行方式校核系統(tǒng)已經(jīng)在北京市電力公司投入使用。系統(tǒng)投入使用前，每年迎峰度夏和安全度冬前都需要針對站線切改情況、負(fù)荷增長情況調(diào)整運(yùn)行方式，離線手工分析正常運(yùn)行方式下線路和主變的負(fù)載率、-1情況下負(fù)荷的轉(zhuǎn)供策略及策略影響到的上游主變和線路的負(fù)載率，并手工編制運(yùn)行方式規(guī)劃報(bào)告，一次校核任務(wù)往往需要50～70人? 天才能完成。系統(tǒng)投入使用后，所有的工作全部轉(zhuǎn)為線上進(jìn)行，用戶只需指定輸電網(wǎng)模型和負(fù)荷數(shù)據(jù)的日期（可以不同）、采用的運(yùn)行方式，必要時(shí)利用圖形化的動(dòng)態(tài)建模工具對電網(wǎng)模型進(jìn)行快速調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)“一鍵校核”和“一鍵生成報(bào)告”，一次校核任務(wù)大概需要0.5～4人?時(shí)（取決于是否需要調(diào)整電網(wǎng)模型），校核結(jié)果可在線上實(shí)時(shí)發(fā)布。

圖5 N-1波及分析示意圖

5 結(jié)論

通過提供一體化的輸電網(wǎng)模型動(dòng)態(tài)建模工具，構(gòu)建并自動(dòng)維護(hù)可支持并行校核的動(dòng)態(tài)資源池，實(shí)現(xiàn)備自投策略的自動(dòng)適配，為過載設(shè)備提供負(fù)荷轉(zhuǎn)供輔助決策，并輔之以自動(dòng)成圖等可視化展示手段，該思路和方法在實(shí)際應(yīng)用中較易落地。落地系統(tǒng)可以幫助電力企業(yè)發(fā)現(xiàn)輸電網(wǎng)在各種運(yùn)行方式下及-1情況下的薄弱環(huán)節(jié)并自動(dòng)給出調(diào)整策略，準(zhǔn)確識別用電負(fù)荷及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化可能導(dǎo)致的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)并給出應(yīng)對措施，也可以對輸電網(wǎng)設(shè)計(jì)方案預(yù)期達(dá)到的效果提前進(jìn)行仿真校核，為保障輸電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

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Exploration of transmission network operation mode verification system based on dynamic modeling technology

TANG Taonan1LIU Hailin2WANG Wei1WANG Tengfei1

(1. State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100031; 2. Dongfang Electronics Co., Ltd, Yantai, Shandong 264001)

This paper introduces a set of ideas and methods of building an operation mode verification system for transmission network based on dynamic modeling technology, which aims to provide a set of intelligent verification tools for transmission network designers of power enterprises. With the help of dynamic simulation modeling, automatic verification and auxiliary decision-making provided by these tools, the designers can achieve rapid verification on operation mode of real-time network or reconstruction and expansion plans that are being designed after one or more rounds of verification and optimization iterations. It has been proved that these methods can significantly improve the scientificity, accuracy and economy of transmission network design and reduce design risks so as to improve the efficiency of power grid investment.

transmission network; dynamic modeling; auxiliary decision-making; automatic mapping

2022-07-06

2022-07-28

唐濤南（1965—），男，江西省撫州市人，博士，主要從事電網(wǎng)調(diào)控運(yùn)行及其自動(dòng)化方面的研究工作。