電網精細化在線安全分析及應急處置預案智能生成設計研究

張弓帥 龔玉辛 李建國

（云南電網有限責任公司玉溪供電局）

0 引言

由于風能、太陽能等間斷可再生資源的大量涌入，使得電力系統(tǒng)的運行具有較強的不確定性和時間復雜度，電力系統(tǒng)在運行中的規(guī)律性和穩(wěn)定性問題變得越來越嚴峻。在電力系統(tǒng)中，隨著先進的控制技術、通信技術以及其他技術的逐步普及和運用，必將使電力系統(tǒng)的運行變得更加復雜。傳統(tǒng)的以人為依據進行脫機事故的分析和事故處理方案的常規(guī)方法已不能滿足大網絡的變化，需要對電力系統(tǒng)的精細操作和在線安全性進行研究。

1 電網精細化在線安全分析系統(tǒng)

由于電力系統(tǒng)中的使用者數量不斷增加，負荷不斷增加，加之電力系統(tǒng)的工作模式逐漸發(fā)生改變，其工作特點也越來越復雜，因此電力系統(tǒng)出現(xiàn)短路時波及的范圍也越來越廣。為了更好地解決以上問題，做好電力市場的實際操作和網絡的實時監(jiān)控，電力市場的調控和運營管理部門正在大力發(fā)展在線安全分析技術。電網調度人員通過使用在線分析軟件實現(xiàn)數據統(tǒng)計、分析、運算，大大減少了負荷，通過可視化的監(jiān)控與操作平臺，可以直觀、快速地掌握電網運行信息，發(fā)現(xiàn)電網運行隱患，并有針對性的實施調度，有力保障了電網運行的持續(xù)性和穩(wěn)定性。該軟件具有在線穩(wěn)定分析與預警、穩(wěn)定裕度評價和輔助判斷分析等多種功能，能夠對電力市場的實際運行狀況進行綜合的在線分析，并給出相應的校驗和修正的戰(zhàn)略，包括：暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、小干擾穩(wěn)定、短路電流的統(tǒng)計以及曲線顯示等；靜態(tài)安全分析，短路電流及電壓穩(wěn)定性的輔助判斷；聯(lián)機資料輸出及離線運算設定匯入等。該系統(tǒng)可幫助電網運行管理人員及時了解電網動態(tài)運行狀況，分析電網實時穩(wěn)定性，及時發(fā)現(xiàn)和排除電網的潛在危險。其中，輔助性決策是一種非常有用的方法，它可以幫助電力系統(tǒng)的調度人員進行優(yōu)化和精確的調度，并為電力系統(tǒng)的基本狀態(tài)和N-1模式的電力系統(tǒng)的動態(tài)越界，通過調節(jié)電力系統(tǒng)的輸出功率和負載的切斷來實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的控制。靜態(tài)安全輔助決策程序的工作狀況，以及所能得到的決策資料與資料的可靠性、合理性，將直接關系到整個電網的整體調度方向，甚至是整個電網的安全與穩(wěn)定性。該系統(tǒng)可對電力市場的動態(tài)進行準確監(jiān)控和分析，根據設定戰(zhàn)略梳理、計算大量的數據，有效地篩選出監(jiān)控的重點和弱點，及時向調度員反饋重要的數據，為下一步的電網調度和調度工作提供準確的依據。與以往依賴經驗分析和判斷的業(yè)務發(fā)展方式相比，網絡安全分析體系的引入，使電力市場的運營管理和運營業(yè)務水平都得到了極大的提高。同時，對數據進行系統(tǒng)的解析計算，防止了由于人為原因導致的疏忽，從而在某種意義上提升了企業(yè)的經營管理水平。同時，它的人機界面也讓調節(jié)操作員可以直接地理解和操縱電力網絡，并能依據系統(tǒng)的分析進行判斷、修正、調整和處置［1］。

加強系統(tǒng)模型和參數管理，完善系統(tǒng)模型和參數管理機制和程序，從系統(tǒng)模型和參數更新的全過程進行閉環(huán)管理，保證系統(tǒng)模型和參數更新工作及時、準確。探討自動化技術支持以達到自動同步的目的，并運用電腦技術進行系統(tǒng)的基本資料的更新和檢查，使資料能夠適時地得到更新，為進一步深入地運用各種分析的能力打下堅實的基礎，從而有效地減輕了工作負擔，提高了更新的工作速度。通過對系統(tǒng)的軟件進行不斷的優(yōu)化升級，不斷地引入新的、成熟的技術，以保證系統(tǒng)的快速穩(wěn)定運行。并根據具體的使用需求，對各系統(tǒng)的信息互動進行改進，使各系統(tǒng)的主要功能更加直觀、操作界面更加方便、更加有效。

2 總體設計

電力系統(tǒng)中的電力需求日益增加、電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，使得電力系統(tǒng)的實時安全性評估能力越來越難以滿足其要求。常規(guī)電力系統(tǒng)的實時安全報警系統(tǒng)只能用于500kV和220kV，缺乏對110kV電力系統(tǒng)的故障和安全性評價。由于沒有將備用的自投式建模引入到預期失效的安全性計算中，結果往往與現(xiàn)實不符，無法對現(xiàn)場進行有效的指導。沒有將現(xiàn)場保護系統(tǒng)的失效后特性納入計算范圍，而在此基礎上，只給出了500kV、220kV的越界處理方案，并沒有將負載遷移等方法納入到系統(tǒng)中，因此，必須制定相應的應急處置預案。為此，以D5000為基礎的電網實時安全分析和應急處理方案，針對電網基態(tài)和500kV、220kV、110kV電網設備預測問題，進行精細化的在線安全分析和智能生成電網應急處置輔助決策，對實現(xiàn)電網的最優(yōu)負荷轉移具有現(xiàn)實意義。

該方案以D5000為核心，通過D5000進行電網動態(tài)分析和智能處理預案的總體設計，其主要目的包括：①通過在線安全分析，跟蹤電網實時運行模式和趨勢，針對電網基態(tài)和500kV、220kV、110kV電網設備預測故障進行精細化在線安全分析，規(guī)劃備自投功能，判斷基態(tài)及故障后電網的薄弱環(huán)節(jié)，對重載及越限設備及時發(fā)出告警。②實施緊急情況下輔助決定的智能化產生。針對線路安全性中出現(xiàn)的重載、越限隱患采用拓撲結構法進行自動查找，查找出負載的傳輸模式，減少裝置的超載，并對負載轉換模式進行評估，根據實際情況，智能地選取最佳負載傳輸模式。

根據上述目的，設計了一套完整的電力系統(tǒng)的網絡安全性和智能化的綜合決策系統(tǒng)。它包含了三個主要的模塊：數據模型的拼接，電網安全分析和分析的結果。多層次的資料模型的拼接能夠有效地克服對電力系統(tǒng)操作不完全了解的缺點，為電力系統(tǒng)的在線綜合安全評估奠定了基礎；當數據收集完畢后，將其投入到電力系統(tǒng)的安全分析與計算中，利用該系統(tǒng)對電力系統(tǒng)進行在線的精細的安全性分析，可以獲得電力系統(tǒng)的運行狀況變化，并利用該系統(tǒng)進行應急處理；分析的結果函數模塊的主要功能為：將電力系統(tǒng)的安全性分析與計算結果以可視的方式呈現(xiàn)出來，并能夠實現(xiàn)對某些報告、消息等數據的分析［2］。

為了克服電網運行中存在的各種問題，本文根據國分、省聯(lián)聯(lián)網的實時監(jiān)測資料，結合云南220kV、110kV等電力系統(tǒng)的運行參數，采用暫態(tài)穩(wěn)定、靜態(tài)分析等方法，滿足電網實時運行方式、預測故障、電網運行操作等方面的分析，保證電網安全穩(wěn)定運行。該系統(tǒng)的總體結構由數據模塊、計算模塊和實際應用模塊組成。該系統(tǒng)采用實時信息共享的方式，將整個網絡與云南電力系統(tǒng)的數據進行了無縫對接；計算單元是指資料的預處理，通過對拼圖進行格式變換，產生整體的穩(wěn)定性資料并進行潮流運算；該系統(tǒng)的實際運用主要有：線上解析與判斷，兩種應用程序分別根據運算模塊所輸出的各種數據進行分析、運算，并將其處理的效果顯示于人機交互界面中。

3 功能設計與開發(fā)

（1）考慮備自投的精細化在線安全分析設計。根據電力網中的線路和變壓器的失效情況，估算出因停電引起的設備超負荷，系統(tǒng)會根據故障情況，對電力網中的線路和變壓器進行掃描，尋找出母線停電后的備用自投切換操作，從而改變目前的網絡拓撲，并進行靜態(tài)的穩(wěn)定性計算，將重載或越界的數據集成到界面上。聯(lián)機的安全性剖析包含下列特性：①準備一個自動檢索的函數。分析資料檔案，對各線及各變壓器進行掃描，依次對失效進行仿真，尋找備用自投切換，并在備用自投切換操作完成后修改拓撲，并將其寫入到靜態(tài)穩(wěn)定性分析的中介檔。②對安全性進行靜態(tài)分析的運算。對靜態(tài)安全性分析計算的有關概要進行調節(jié)，在該目錄內產生以上存儲操作后的拓撲中間檔；采用靜態(tài)安全分析計算器，對各種仿真失效及失效后的拓撲進行統(tǒng)計，將其綜合后，形成一個可供用戶在人機交互中顯示的最終結果。③對失效后的結果進行預測。對預測失敗備用自投運后的電網負載進行了分析，并對其進行了數據統(tǒng)計。④顯示接口函數。在該接口中顯示從投主機備份的結果檔，可以查看故障名稱、備用開關動作、重載元件名稱和數值、超出元件名稱和數值，可以在指定的日期和時間點查看歷史資料，過濾掉所有的資料，可以將某一時期發(fā)生的重載、超限的元素和信息顯示在屏幕上。

（2）應急處置預案智能生成。針對網絡安全問題中出現(xiàn)的重載和越限隱患，智能應急處理系統(tǒng)的智能決策功能可以實現(xiàn)對重載、越限設備下的負載進行搜索，并利用拓撲結構進行自動搜索，查找負載的傳輸模式，以避免或減少設備越限和重載。根據預測的失效情況，可以根據預測的負載損耗，進行電力系統(tǒng)的自動查找。針對不同的負載轉換模式，分別制定了優(yōu)化的評估指數，并根據不同的負載傳遞模式進行了智能的優(yōu)化。緊急情況處理方案的智能化產生主要由下列幾個部分組成：①負載轉換通道查找函數。對于超限裝置，利用網絡拓撲法在裝置下面的線路上尋找負載傳遞路徑，在線路上尋找有效的負載傳遞路徑，當負載可以發(fā)現(xiàn)其他的電源路徑時，就可以確定負載傳遞的模式（例如關閉開關、打開開關），并對此負載傳輸后所接入的電網進行判定。②對負載傳遞后的電流進行了快速的計算。在負載傳遞路線查找的基礎上，提出了負載傳遞策略，并依據變化后的潮流影響范圍，進行了快速的潮流計算。評價負載轉接后有關的裝置越界狀況，其中包含了原越界裝置能否排除越界，對此負載提供動力的裝置有無新的越界，以及其他受到干擾的裝置。③負載傳輸運行程序的合環(huán)電流的求解。根據負載傳遞路線查詢函數所提供的負載傳遞策略，判定切換運行的合環(huán)，合環(huán)運行時的電壓以及相應分支越界。

（3）根據選擇的各種負載轉換方式，進行了系統(tǒng)的評價，以確定負載的轉換方式減少越界的效果、其他供電通路的超限和過載以及合環(huán)運行時的越界。以各有關裝置的平均重載速率為指標，構建了最佳的數學模型。在此基礎上，進行了最優(yōu)的運載規(guī)劃，這種方法可以包括單一負載傳遞和多負載傳遞。根據《云南市電力系統(tǒng)管理條例》規(guī)定，當電力系統(tǒng)中負荷大于80%時，根據電力系統(tǒng)的運行情況，提出了一種區(qū)域電力系統(tǒng)的負荷傳輸方案。在區(qū)域網負載傳遞的基礎上，為防止鏈路超載，產生了相應的運算流。

根據以上提出的優(yōu)化的在線安全分析與應急處理預案的智能產生，并將其與電力系統(tǒng)的實時在線安全分析與應急處置預案總體設計相融合，收集得到在線安全分析結果和負載轉移決策結果［3］。

4 結束語

綜上所述，針對目前電力市場的非現(xiàn)場事故處理方案，采用人工脫機的電力系統(tǒng)應急處理方案已不能滿足電力市場的快速發(fā)展要求，本文采用智能電網調度控制系統(tǒng)（D5000系統(tǒng)）實現(xiàn)電網精細化在線安全分析及應急處置預案智能生成設計，并提出了防止連鎖過載的區(qū)域電網負荷轉移策略。通過對負載超載狀態(tài)下的負載傳遞算法進行檢驗，對系統(tǒng)的在線安全性和事故處理方案進行了仿真。通過對電力網絡進行精細的安全分析與智能處理方案的研究，使地區(qū)電力網絡的智能化、安全性大大提升，節(jié)約了地區(qū)電力調度的時間，保證了電力供應的可靠。隨著電力系統(tǒng)的不斷完善，電力系統(tǒng)內部的負載傳輸將會逐漸演化為電力系統(tǒng)之間的負載分配，電力系統(tǒng)的實時安全分析與智能化控制將會是電力系統(tǒng)的重要組成部分。