基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的綜合預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郝麗萍 ，張容菠 ，任永偉 ，王 飛

（1.六盤水供電局貴州六盤水553001；2.東方電子股份有限公司山東煙臺(tái)264000）

未來大電網(wǎng)是能源、信息和業(yè)務(wù)綜合一體的復(fù)雜系統(tǒng)，電網(wǎng)調(diào)度控制由“人工經(jīng)驗(yàn)型”升級(jí)為“智能分析型”是必然的發(fā)展趨勢(shì)。

順應(yīng)智能電網(wǎng)、智能調(diào)度的要求，智能告警在地區(qū)電網(wǎng)不斷得到推廣應(yīng)用，其故障在線診斷準(zhǔn)確率已逐漸達(dá)到工程實(shí)用化水平。智能告警系統(tǒng)提高了電網(wǎng)故障處置能力，縮短了故障處理時(shí)間，能夠輔助運(yùn)行人員更加深刻的掌控當(dāng)前故障及其影響范圍[1-8]。但是，智能告警系統(tǒng)只能就電網(wǎng)故障和異常作出警示，無法提示值班員電網(wǎng)當(dāng)前和未來的整體安全性水平，不能揭示電網(wǎng)當(dāng)前和未來的總體風(fēng)險(xiǎn)。

文中立足于智能電網(wǎng)、智能調(diào)度，提出了一種地區(qū)電網(wǎng)基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法的綜合預(yù)警系統(tǒng)（以下簡稱“綜合預(yù)警系統(tǒng)”），并對(duì)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了深入研究。

1 總體設(shè)計(jì)

綜合預(yù)警系統(tǒng)由智能告警、N-1和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估共3個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。3個(gè)子系統(tǒng)互相協(xié)調(diào)、配合，通過綜合應(yīng)用來實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能，如圖1所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)圖

1）智能告警下載告警信息，分析得到電網(wǎng)運(yùn)行中發(fā)生了故障；

2）智能告警分析出故障，形成（疑似）故障設(shè)備列表和變位開關(guān)列表，作為啟動(dòng)事件，通過遠(yuǎn)程調(diào)用傳遞給N-1；

3）N-1啟動(dòng)，開始分析計(jì)算；

4）N-1計(jì)算結(jié)束，通過遠(yuǎn)程調(diào)用，啟動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估；

5）風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估啟動(dòng)評(píng)估過程，計(jì)算電網(wǎng)當(dāng)前風(fēng)險(xiǎn)值；

6）人機(jī)接口展示結(jié)果，包括故障設(shè)備、跳閘開關(guān)、關(guān)聯(lián)保護(hù)動(dòng)作信息、過載設(shè)備、電壓越限的母線和電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)值；

7）智能告警繼續(xù)下載告警信息，分析電網(wǎng)中未發(fā)生故障，不啟動(dòng)2）～6）的處理；

8）智能告警繼續(xù)下載告警信息，分析電網(wǎng)中是否發(fā)生故障，有故障，啟動(dòng)2）～6）的處理；無故障，按7）處理。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)

對(duì)智能告警、N-1和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估子系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)及其遠(yuǎn)程過程調(diào)用的聯(lián)動(dòng)方式如圖2所示。

圖2 詳細(xì)設(shè)計(jì)圖

2.1 智能告警

2.1.1 智能告警推理流程

智能告警子系統(tǒng)的關(guān)鍵是故障推理過程，其流程設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3中，智能告警推理步驟如下：

1）下載告警信息，過濾冷備用、檢修、調(diào)試設(shè)備產(chǎn)生的信息；

2）檢出其中與故障相關(guān)的保護(hù)和安全自動(dòng)裝置動(dòng)作信息、開關(guān)變位信息；

圖3 智能告警推理流程圖

3）匹配規(guī)則完成推理，并利用遙測(cè)驗(yàn)證推理準(zhǔn)確性，最終判定電網(wǎng)發(fā)生故障；

4）通過“保護(hù)—設(shè)備”的關(guān)聯(lián)關(guān)系和拓?fù)浞治觯卸ü收显O(shè)備（或疑似故障設(shè)備）；

5）將故障信息推動(dòng)到告警窗，輔助運(yùn)行人員處理故障；生成故障設(shè)備列表、變位開關(guān)列表并作為啟動(dòng)事件，遠(yuǎn)程調(diào)用N-1，驅(qū)動(dòng)N-1進(jìn)行計(jì)算。

2.1.2 設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)

設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)利用設(shè)備的歷史故障記錄，給予設(shè)備一個(gè)“正?！?、“注意”、“異?！被颉熬o急”的狀態(tài)，并更新設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫。設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)的流程設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4中，設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)步驟如下：

1）各地區(qū)電網(wǎng)每年會(huì)開展1～2次設(shè)備狀態(tài)評(píng)價(jià)活動(dòng)，得到的結(jié)論即各個(gè)設(shè)備保存在安全Ⅲ區(qū)生產(chǎn)管理系統(tǒng)。設(shè)備初始狀態(tài)從生產(chǎn)管理系統(tǒng)導(dǎo)入。若新設(shè)備還未評(píng)價(jià)狀態(tài)，默認(rèn)為“正?！?；

圖4 設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)流程圖

2）智能告警判定電網(wǎng)發(fā)生故障或出現(xiàn)異常，啟動(dòng)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，對(duì)故障、異常的設(shè)備進(jìn)行評(píng)價(jià)，并重新設(shè)置設(shè)備狀態(tài)；

3）N-1判定電網(wǎng)中出現(xiàn)越限、過載的設(shè)備，也啟動(dòng)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，重新評(píng)價(jià)、設(shè)置越限或過載設(shè)備的狀態(tài)；

4）若智能告警和N-1啟動(dòng)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，先后對(duì)同一個(gè)設(shè)備得到不同的評(píng)價(jià)結(jié)果，以后果嚴(yán)重者為準(zhǔn)；

5）運(yùn)行人員可使用“人工置入”修改設(shè)備狀態(tài)信息數(shù)據(jù)庫中設(shè)備的狀態(tài)。置入狀態(tài)有“停用”、“冷備用”、“檢修”、“調(diào)試”共4種。置入狀態(tài)設(shè)備會(huì)標(biāo)記“置入”。智能告警以及N-1都不能更新標(biāo)記為“置入”的設(shè)備的狀態(tài)，除非運(yùn)行人員解除其置入標(biāo)志。標(biāo)記“置入”的設(shè)備，不參與風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。

2.2 N-1

2.2.1 N-1子系統(tǒng)

N-1即靜態(tài)安全分析，在系統(tǒng)發(fā)生事故（或預(yù)想事故）后，對(duì)電網(wǎng)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況進(jìn)行分析。工程實(shí)踐時(shí)，常對(duì)實(shí)時(shí)態(tài)（或某一研究態(tài)）的電網(wǎng)，按照N-1原則，研究一個(gè)個(gè)元件退出運(yùn)行后，是否會(huì)導(dǎo)致其它元件過載和節(jié)點(diǎn)電壓越限，并為其中一些越限、過載提供可供選擇的調(diào)整策略。N-1子系統(tǒng)技術(shù)成熟，其關(guān)鍵點(diǎn)是減少待分析的（預(yù)想）事故數(shù)目和加快分析計(jì)算的速度[9-12]。

在綜合預(yù)警系統(tǒng)中，N-1利用智能告警的“啟動(dòng)事件”進(jìn)行分析計(jì)算，大大減少了待分析事故的數(shù)目，提高了計(jì)算速度。其計(jì)算結(jié)果（過載、越限信息）輸送到過載越限界面展示，供運(yùn)行人員參考。

2.2.2 故障損失計(jì)算

N-1啟動(dòng)故障損失計(jì)算，計(jì)算電網(wǎng)當(dāng)前故障情況下的實(shí)際故障損失（包括損失負(fù)荷、停電用戶數(shù)、停電用戶等級(jí)），當(dāng)前運(yùn)行設(shè)備的越限、過載百分比，更新到設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫；再將電網(wǎng)正常運(yùn)行的設(shè)備，按照N-1原則，進(jìn)行故障損失計(jì)算，計(jì)算每個(gè)設(shè)備預(yù)想故障后的預(yù)想故障損失（包括損失負(fù)荷、停電用戶數(shù)、停電用戶等級(jí)）、過載百分比、越限百分比，保存到設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫。

2.2.3 設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)

N-1啟動(dòng)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)，結(jié)合設(shè)備越限、過載的歷史記錄，評(píng)價(jià)設(shè)備狀態(tài)，并更新設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫，如圖4所示。

N-1完成分析計(jì)算，通過遠(yuǎn)程過程調(diào)用啟動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

風(fēng)險(xiǎn)分析方法的核心是風(fēng)險(xiǎn)的定義。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)理論可知，決定系統(tǒng)安全等級(jí)有兩個(gè)關(guān)鍵因素：事故發(fā)生的可能性和事故后果的嚴(yán)重性。在電力系統(tǒng)安全性分析中，為了定量地衡量這兩個(gè)因素[13-16]，IEEE標(biāo)準(zhǔn)詞典中將風(fēng)險(xiǎn)定義為：

風(fēng)險(xiǎn)=事故發(fā)生概率×事故產(chǎn)生后果。

2.3.1 風(fēng)險(xiǎn)定義工具

風(fēng)險(xiǎn)定義工具用來定義設(shè)備平均故障率、電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)扣分值、故障損失扣分值、設(shè)備過載扣分值、設(shè)備電壓越限扣分值。

1）設(shè)備平均故障率

取值范圍是（0，1）。定義設(shè)備平均故障率時(shí)，考慮設(shè)備狀態(tài)、電壓等級(jí)、設(shè)備類型3個(gè)要素。如110 kV線路狀態(tài)為“注意”時(shí)，平均故障率設(shè)為0.1，狀態(tài)為“異常”時(shí)平均故障率設(shè)為0.3；10 kV線路狀態(tài)為“注意”時(shí)平均故障率設(shè)為0.3，狀態(tài)為“異?！睍r(shí)平均故障率設(shè)為0.5。設(shè)備平均故障率是經(jīng)驗(yàn)值，依賴于歷史統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)，需在應(yīng)用中不斷修正。

2）電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和扣分值

設(shè)為Ⅵ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ六級(jí)，Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)最高。每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)扣分值，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)扣分值是一個(gè)分值范圍。

3）損失扣分值

實(shí)際際故障損失、預(yù)想故障損失，其扣分值都是綜合損失負(fù)荷、停電用戶數(shù)、停電用戶等級(jí)對(duì)應(yīng)的一個(gè)扣分值。

4）過載扣分值定義原則

5 kV/110 kV/220 kV/500 kV線路過載按照過載百分比定義扣分值；5 kV/110 kV/220 kV主變過載按照過載百分比定義扣分值。

5）限扣分值定義原則：

為10 kV/35 kV/110 kV/220 kV母線越限按照越限百分比定義扣分值。

風(fēng)險(xiǎn)定義工具定義的所有信息保存到風(fēng)險(xiǎn)定義文件中。

2.3.2 風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算

風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算子系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取風(fēng)險(xiǎn)定義文件中的信息。當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算子系統(tǒng)接收N-1的計(jì)算指令，從設(shè)備信息數(shù)據(jù)庫中讀?。?/p>

1）電網(wǎng)實(shí)際故障損失；

2）電網(wǎng)中運(yùn)行設(shè)備的狀態(tài)、故障過載/越限百分比、預(yù)想故障損失、預(yù)想過載/越限百分比；

讀取上述信息后，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估子系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算：

1）按電網(wǎng)實(shí)際故障損失，計(jì)算得到扣分值1；

2）遍歷電網(wǎng)運(yùn)行設(shè)備，計(jì)算其故障過載、故障越限扣分值，計(jì)算方法為：

（預(yù)想過載扣分值+預(yù)想電壓越限扣分值）×平均故障率；

3）檢出2）中扣分值最高的設(shè)備，并把其扣分值記為扣分值2；

4）計(jì)算每個(gè)運(yùn)行設(shè)備發(fā)生預(yù)想故障的扣分值，計(jì)算方法為：

（故障損失扣分值+預(yù)想過載扣分值+預(yù)想電壓越限扣分值）×平均故障率；

5）檢出4）中發(fā)生預(yù)想故障后，扣分值最高的設(shè)備，并把其扣分值記為扣分值3；

6）扣分值1+扣分值2+扣分值3=總扣分值；

7）用6）中的總扣分值去匹配電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分值范圍。

把當(dāng)前電網(wǎng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)輸出到風(fēng)險(xiǎn)展示界面，供運(yùn)行人員參考，并能調(diào)閱扣分值、扣分項(xiàng)。

3 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)與工具

綜合預(yù)警系統(tǒng)的軟件采用C++/JAVA編程，以QT4.0作為界面開發(fā)技術(shù)。這樣，開發(fā)完成的綜合預(yù)警系統(tǒng)能夠在各個(gè)平臺(tái)/操作系統(tǒng)上方便的移植。

4 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

2016年7月，綜合預(yù)警系統(tǒng)在某地區(qū)電網(wǎng)公司投入運(yùn)行，運(yùn)行情況表明：

1）智能告警子系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，下載主站匯集的告警信息，分析電網(wǎng)運(yùn)行中故障；形成（可疑）故障設(shè)備列表和變位開關(guān)列表，作為啟動(dòng)事件，通過遠(yuǎn)程調(diào)用傳遞給N-1；

2）其N-1子系統(tǒng)能夠完成分析計(jì)算并通過遠(yuǎn)程調(diào)用啟動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算子系統(tǒng)；

3）其風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估子系統(tǒng)啟動(dòng)計(jì)算過程，計(jì)算電網(wǎng)當(dāng)前風(fēng)險(xiǎn)值；

4）人機(jī)接口能夠展示翔實(shí)的計(jì)算結(jié)果，包括故障設(shè)備、跳閘開關(guān)、關(guān)聯(lián)保護(hù)動(dòng)作信息、過載設(shè)備、電壓越限的母線和電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)值；

5）系統(tǒng)能夠提示電網(wǎng)當(dāng)前和未來的安全等級(jí)。

圖5 測(cè)試界面圖

5 結(jié)論

綜合預(yù)警系統(tǒng)綜合了智能告警、N-1和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估3個(gè)子系統(tǒng)，利用智能告警啟動(dòng)N-1，縮小了計(jì)算的范圍和次數(shù)，降低了計(jì)算壓力，基于風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法為電網(wǎng)安全性打分，評(píng)估電網(wǎng)當(dāng)前、未來的安全性等級(jí)，輔助運(yùn)行人員全面、深刻的理解整個(gè)電網(wǎng)當(dāng)前和未來的風(fēng)險(xiǎn)，示范建設(shè)也表明了其良好的工程實(shí)用性，在地區(qū)電網(wǎng)中具有很好的推廣價(jià)值。

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