基于穩(wěn)控策略規(guī)則庫(kù)的電網(wǎng)運(yùn)行分析預(yù)警系統(tǒng)

王衡，姜源，王開(kāi)科，郭小龍，龐傳軍，宋朋飛

（1．國(guó)網(wǎng)新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京 100000）

電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行需滿足諸多約束條件，包括：靜態(tài)安全約束、靜態(tài)穩(wěn)定約束和暫態(tài)穩(wěn)定約束。這些約束條件具體包括：節(jié)點(diǎn)電壓約束、線路或變壓器輸送容量約束、發(fā)電機(jī)有功出力和無(wú)功出力約束等。如果電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)不滿足約束條件，則會(huì)威脅電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電力系統(tǒng)各類穩(wěn)定問(wèn)題一般都會(huì)以某個(gè)穩(wěn)定限額的形式體現(xiàn)，穩(wěn)定限額是電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中為滿足電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定需要，對(duì)一個(gè)或多個(gè)設(shè)備集合所允許的功率傳輸極限、功率因數(shù)、電壓幅值限制等的規(guī)定。斷面限額會(huì)隨著電力系統(tǒng)的不同運(yùn)行方式而產(chǎn)生相應(yīng)的變化，隨著電網(wǎng)規(guī)模的逐漸擴(kuò)大、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的日益緊密，電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式復(fù)雜多變，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了各種問(wèn)題。

《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》要求針對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行中可能出現(xiàn)的各種運(yùn)行方式或擾動(dòng)進(jìn)行電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計(jì)算，包括電網(wǎng)的靜態(tài)安全分析、靜態(tài)穩(wěn)定分析、暫態(tài)穩(wěn)定分析、電壓穩(wěn)定分析、頻率穩(wěn)定分析等。根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行方式、預(yù)想故障條件、自動(dòng)裝置動(dòng)作情況等各種復(fù)雜條件，計(jì)算電網(wǎng)安全穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)所允許的節(jié)點(diǎn)電壓限額、斷面輸送功率限額、發(fā)電廠出力限額、功率因數(shù)限額等各種穩(wěn)定限額。這些穩(wěn)定限額是電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行中的重要參數(shù)，運(yùn)行狀態(tài)一旦超出其穩(wěn)定限額則會(huì)影響設(shè)備正常運(yùn)行，或在發(fā)生故障時(shí)引起其他線路嚴(yán)重過(guò)載而引發(fā)連鎖反應(yīng)造成大面積停電。

因此，電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行過(guò)程中需實(shí)時(shí)監(jiān)視各元件、設(shè)備或穩(wěn)定斷面的運(yùn)行參數(shù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定限額的越限情況，以采取穩(wěn)定控制措施保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

為了減輕調(diào)度人員的負(fù)擔(dān)，有必要研究電網(wǎng)運(yùn)行分析預(yù)警系統(tǒng)。該預(yù)警系統(tǒng)是為調(diào)度人員提供可視化人機(jī)界面，在電網(wǎng)出現(xiàn)緊急情況下，發(fā)出告警，并提供相應(yīng)的解決問(wèn)題的穩(wěn)控策略方案。這大大減輕了工作人員的負(fù)擔(dān)，減少了調(diào)度人員在緊急情況下出現(xiàn)失誤的概率。因此，電網(wǎng)運(yùn)行分析預(yù)警系統(tǒng)具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大對(duì)穩(wěn)定限額管理工作提出更高的要求。首先，新設(shè)備的大量應(yīng)用，互聯(lián)電網(wǎng)運(yùn)行方式和電網(wǎng)穩(wěn)定狀況復(fù)雜多變；其次，開(kāi)放的電力市場(chǎng)環(huán)境下，挖掘電網(wǎng)輸電潛力的需求迫切，電網(wǎng)運(yùn)行更接近其穩(wěn)定極限；最后，新疆電網(wǎng)大規(guī)模風(fēng)電機(jī)組等清潔能源的集中接入，由于清潔能源出力的波動(dòng)性和隨機(jī)性使得新疆電網(wǎng)的運(yùn)行方式復(fù)雜多變。以上因素均造成電網(wǎng)穩(wěn)定限額調(diào)整頻繁，限額制定工作也越來(lái)越精細(xì)和復(fù)雜。

目前在電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行中穩(wěn)定限額的管理主要存在以下3方面的問(wèn)題。

一是難以對(duì)穩(wěn)定規(guī)則進(jìn)行形式化描述，造成電網(wǎng)檢修、運(yùn)行方式改變或電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化時(shí)調(diào)度員人工梳理并錄入穩(wěn)定限額的工作量巨大，甚至已有的調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)軟件在設(shè)計(jì)時(shí)，未曾考慮到運(yùn)行方式的變化而需要在代碼層面進(jìn)行重新開(kāi)發(fā)，以適應(yīng)諸多運(yùn)行方式及限額的變更。

二是現(xiàn)有電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)過(guò)度依賴于人工經(jīng)驗(yàn)，EMS系統(tǒng)雖然具備穩(wěn)定限額越限報(bào)警功能，但具體限額仍需要調(diào)度員人工進(jìn)行維護(hù)，即需調(diào)度員對(duì)當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行方式進(jìn)行分析和判斷，根據(jù)運(yùn)行方式和檢修工作從穩(wěn)定規(guī)則規(guī)定或檢修申請(qǐng)單選取相應(yīng)穩(wěn)定限額和監(jiān)視元件或潮流斷面，并輸入到電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中以完成是否超越穩(wěn)定限額的實(shí)時(shí)掃描，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定限額越限報(bào)警和預(yù)防、校正控制。

三是調(diào)度計(jì)劃人員在編制日前發(fā)電計(jì)劃時(shí)，需要人工設(shè)定編制發(fā)電計(jì)劃所需的各類約束條件。斷面的穩(wěn)定限額是重要約束條件之一。目前調(diào)度計(jì)劃專業(yè)人員根據(jù)檢修計(jì)劃安排，參考穩(wěn)定規(guī)則規(guī)定憑人工經(jīng)驗(yàn)確定計(jì)劃編制過(guò)程中需要考慮的斷面約束。

運(yùn)行方式及穩(wěn)定限額的多變，使得人工維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定限額的工作量越來(lái)越大，如果需要電網(wǎng)調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)提供商進(jìn)行底層開(kāi)發(fā)，則工作將愈加繁瑣且維護(hù)周期更長(zhǎng)。在電網(wǎng)檢修或臨時(shí)運(yùn)行方式過(guò)多時(shí)，若穩(wěn)定限額難以及時(shí)維護(hù)更新，就容易造成穩(wěn)定限額與實(shí)際運(yùn)行方式不符，給電網(wǎng)運(yùn)行帶來(lái)潛在風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，過(guò)度依賴調(diào)度員人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行運(yùn)行方式判斷和穩(wěn)定限額監(jiān)視斷面選擇也存在安全隱患，尤其當(dāng)故障條件較為復(fù)雜時(shí)，容易造成監(jiān)視斷面的誤選，從而喪失解決電網(wǎng)安全穩(wěn)定問(wèn)題的先機(jī)。而調(diào)度員過(guò)多關(guān)注穩(wěn)定限額的維護(hù)和監(jiān)視斷面的選擇等問(wèn)題，也會(huì)導(dǎo)致其工作壓力過(guò)大，不利于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。此外，智能電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)中的綜合智能告警、發(fā)電計(jì)劃、自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）等多個(gè)應(yīng)用都涉及穩(wěn)定控制和運(yùn)行方式信息，運(yùn)行方式和穩(wěn)定限額數(shù)據(jù)的一致性和完整性如果難以保證，將使電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行存在極大隱患。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)電網(wǎng)調(diào)度預(yù)警系統(tǒng)有一定的研究，但大部分研究著眼于如何提供可視化的界面展示電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行信息，但對(duì)電網(wǎng)的預(yù)警輔助決策卻做得比較少。本項(xiàng)目著重研究當(dāng)可視化界面產(chǎn)生告警，提示電網(wǎng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，能夠在友好的人機(jī)界面上顯示出相應(yīng)的穩(wěn)控策略，給調(diào)度人員做出決策提供參考。

2 系統(tǒng)架構(gòu)與機(jī)制

電網(wǎng)運(yùn)行分析預(yù)警系統(tǒng)的運(yùn)行架構(gòu)如圖1所示，其運(yùn)行機(jī)制大致分為如下幾步。

(1)通過(guò)SCADA系統(tǒng)和安穩(wěn)在線管理系統(tǒng)獲取斷面組成及潮流數(shù)據(jù)，發(fā)電廠機(jī)組的開(kāi)停機(jī)信息、允切信息、出力狀況。

(2)通過(guò)前期的資料查詢、收集及區(qū)域電網(wǎng)穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果，構(gòu)建電網(wǎng)穩(wěn)控策略規(guī)則庫(kù)。

(3)SCADA系統(tǒng)和安穩(wěn)在線管理系統(tǒng)獲取的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行分類匯合后，利用網(wǎng)絡(luò)通道上傳到預(yù)警系統(tǒng)里。預(yù)警系統(tǒng)將得到的潮流信息與電網(wǎng)穩(wěn)控策略規(guī)則庫(kù)里的線路功率極限進(jìn)行比較分析計(jì)算后，對(duì)區(qū)域內(nèi)所有線路的越限情況嚴(yán)重程度進(jìn)行排序。然后調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)將所有線路與穩(wěn)控策略規(guī)則庫(kù)里的相應(yīng)線路的穩(wěn)控策略進(jìn)行匹配。

(4)將排序后的線路越限情況信息傳遞到調(diào)度中心，通過(guò)構(gòu)建可視化人機(jī)界面，設(shè)計(jì)不同顏色的長(zhǎng)條形框來(lái)標(biāo)示排好序的所有線路的越限情況。利用綠色到紅色的不同深淺來(lái)劃分不同線路的越限情況。綠色表示該線路的斷面潮流運(yùn)行在安全范圍內(nèi)，深紅色表示該線路的斷面潮流已經(jīng)越限。從綠色到深紅色，隨著顏色的加深，表示不同線路的不安全距離越大。當(dāng)想要了解某一條線路的具體越限情況時(shí)，只需點(diǎn)擊相應(yīng)的長(zhǎng)條框，隨即彈出相應(yīng)的窗口顯示該條線路的詳細(xì)越限情況。當(dāng)線路運(yùn)行在安全狀態(tài)時(shí)窗口顯示線路的不安全距離。當(dāng)線路已經(jīng)越限時(shí)，窗口顯示系統(tǒng)推薦的解決此越限情況的穩(wěn)控策略。另外在顯示框里詳細(xì)標(biāo)明此時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，并用柱形圖來(lái)標(biāo)示此時(shí)的系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)在柱形圖上的哪個(gè)等級(jí)，運(yùn)行數(shù)據(jù)越靠近柱形圖的頂部，顏色變得越深，并提示調(diào)度人員該采取穩(wěn)定控制措施使系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)從柱形圖上降到安全范圍。這樣在線路出現(xiàn)越限的緊急情況下，為調(diào)度人員提供參考，以便于及時(shí)采取控制措施。

(5)可視化人機(jī)界面實(shí)時(shí)刷新預(yù)警系統(tǒng)上傳的電網(wǎng)數(shù)據(jù)信息，當(dāng)發(fā)生線路越限時(shí)，發(fā)出告警，提示調(diào)度人員關(guān)注人機(jī)界面，處理線路越限的緊急情況。

圖1 預(yù)警系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

3 斷面監(jiān)控與穩(wěn)控策略規(guī)則庫(kù)

斷面監(jiān)控與穩(wěn)控策略規(guī)則庫(kù)是電網(wǎng)運(yùn)行分析預(yù)警系統(tǒng)的重要組成部分，其規(guī)則判斷流程如圖2所示。斷面監(jiān)控與穩(wěn)控策略規(guī)則庫(kù)包括如下功能。

(1)穩(wěn)定限額自適應(yīng)調(diào)整：電網(wǎng)運(yùn)行方式和斷面潮流的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及穩(wěn)定限額的自適應(yīng)調(diào)整。

(2)精準(zhǔn)可切容量分析：基于運(yùn)行方式和斷面潮流的精準(zhǔn)可切機(jī)組及可切負(fù)荷容量分析。

(3)實(shí)現(xiàn)輸電斷面可視化監(jiān)測(cè)及波動(dòng)情況分析功能，督促省調(diào)提高輸電斷面監(jiān)控能力。

穩(wěn)控策略規(guī)則庫(kù)

穩(wěn)控策略規(guī)則庫(kù)是將穩(wěn)控年度規(guī)定，臨時(shí)穩(wěn)控措施，應(yīng)急穩(wěn)控措施，進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理的規(guī)范化工作，每一條規(guī)則信息包括斷面基本信息，穩(wěn)控限額的低值高值，判定的條件及規(guī)則的性質(zhì)等。

在建立穩(wěn)控策略規(guī)則庫(kù)之前，需分析區(qū)域電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行條件，利用如PSASP等計(jì)算分析工具，對(duì)區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行安全穩(wěn)定分析。這些安全穩(wěn)定分析主要包括潮流分析、靜態(tài)N-1安全分析、檢修情況下安全穩(wěn)定分析、線路改建的安全穩(wěn)定問(wèn)題及相應(yīng)措施。通過(guò)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行安全穩(wěn)定分析計(jì)算，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與整理，得出該區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)控策略數(shù)據(jù)。

穩(wěn)控策略規(guī)則庫(kù)建立的主要工作包括設(shè)備管理、條件編輯和規(guī)則編輯。

設(shè)備是規(guī)則庫(kù)中與規(guī)則相關(guān)的物理設(shè)備，設(shè)備的類型有線路，機(jī)組，變壓器，母線，刀閘，接地刀閘等。

條件是規(guī)則的基本元素，一條限額規(guī)則是由多個(gè)條件組合而成，條件也可以是多個(gè)條件的嵌套組成。條件根據(jù)書(shū)寫(xiě)表達(dá)式形成，表達(dá)式中有函數(shù)與邏輯關(guān)系。函數(shù)引用設(shè)備管理中的設(shè)備編號(hào)。用戶通過(guò)對(duì)話框選取相關(guān)的設(shè)備編號(hào)與自定義的條件參數(shù)，可以在嵌套條件中引用其他的條件編號(hào)。

穩(wěn)控策略規(guī)則庫(kù)，可以在其中增加，刪除，修改指定的規(guī)則。條件明細(xì)中的值是系統(tǒng)的當(dāng)前值。提供規(guī)則編輯對(duì)話框，錄入規(guī)則的生效條件，控制要求，限額的高低值等。

圖2 規(guī)則庫(kù)流程

規(guī)則運(yùn)行可以查看所有規(guī)則的運(yùn)行情況，并分析運(yùn)行結(jié)果。篩選得到條件全部滿足的規(guī)則，即是當(dāng)前運(yùn)行方式下對(duì)應(yīng)的控制要求。

3.2 斷面編輯與監(jiān)視

斷面編輯用于設(shè)置斷面的線路組成及斷面的屬性。斷面監(jiān)視提供給調(diào)度員斷面相應(yīng)的實(shí)時(shí)信息。斷面編輯可以增加刪除斷面，指定的斷面進(jìn)行線路定義，并將線路的功率與D5000內(nèi)的數(shù)據(jù)ID進(jìn)行關(guān)聯(lián)。斷面編輯的集成編輯環(huán)境用于對(duì)斷面組成的線路進(jìn)行增加與刪除。提供斷面增加對(duì)話框，對(duì)斷面的各個(gè)屬性進(jìn)行定義，主要屬性有斷面的編號(hào)，斷面的功率表達(dá)式定義，斷面的描述，有效狀態(tài)，啟停狀態(tài)等。

在斷面的集中監(jiān)控管理界面，可以通過(guò)右鍵召喚功能對(duì)斷面進(jìn)行各種管理，如過(guò)濾所需要的斷面，查看斷面屬性，進(jìn)行斷面歷史查詢。

3.3 系統(tǒng)報(bào)警

電網(wǎng)運(yùn)行分析與預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況分析后可提供的報(bào)警種類分成如下3種：(1)重載報(bào)警；(2)限額報(bào)警；(3)控制要求報(bào)警。

預(yù)警系統(tǒng)以不同的顏色標(biāo)識(shí)重載報(bào)警的程度。黃色表示高重載，紅色表示越限重載。限額報(bào)警是指系統(tǒng)的運(yùn)行方式或指定的監(jiān)控條件滿足時(shí)，對(duì)指定的斷面向操作員提示斷面報(bào)警信息，幫助操作員及時(shí)了解斷面運(yùn)行工況?？刂埔笫侵改骋粭l限額要求附帶的控制要求條件，可能有一條或若干條，當(dāng)控制要求生效或失效的時(shí)候會(huì)進(jìn)行系統(tǒng)報(bào)警。

4 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目的開(kāi)展具有積極的科研價(jià)值和工程意義, 本項(xiàng)目建立穩(wěn)控策略規(guī)則庫(kù)，整合利用SCADA與安穩(wěn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，分析斷面穩(wěn)定裕度，應(yīng)用可視化技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)預(yù)警并給出穩(wěn)控策略。系統(tǒng)投入運(yùn)行后減輕了電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行人員的工作負(fù)擔(dān)，提高了其對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行態(tài)勢(shì)的感知與控制能力。

電網(wǎng)運(yùn)行分析預(yù)警系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)合理，功能比較完善，人機(jī)界面友好。同時(shí)，由于此系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有很好的通用性，可將其廣泛應(yīng)用在其他調(diào)控中心電網(wǎng)調(diào)度控制系統(tǒng)中。

[1]奚江惠，胡濟(jì)洲．制定電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定控制限額的基本方法[J]．華中電力，2008，21(02)：23-25．

[2]Xi Jianghui，Hu Jizhou．Principle on Determine Stability Limits for Power Grid Operation[J]．Central China Electric Power，2008，21(02)：23-25 (in Chinese)．

[3]王大亮，鄧健，魯海威，王承民，劉涌，袁秋實(shí)，伏祥運(yùn)．基于可視化技術(shù)的地區(qū)電網(wǎng)智能調(diào)度預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2014，30(11)：81-86．

[4]Wang Daliang，Deng Jian，Lu Haiwei，Wang Chengmin，Liu Yong，Yuan Qiushi，F(xiàn)u Xiangyun．Design and Application of the Intelligent Dispatch and Early Warning System Based on the Visualization Technology[J]．Power System and Clean Energy，2014，30(11)：81-86 (in Chinese)．

[5]王文林．可視化技術(shù)在地區(qū)電網(wǎng)智能調(diào)度預(yù)警研究中的應(yīng)用[J]．電網(wǎng)與清潔能源，2014，30(10)：72-76．

[6]Wang Wenlin．Visualization Technique and Its Application in the Intelligent Dispatch and Early Warning System of the Regional Power Grid[J]．Power System and Clean Energy，2014，30(11)：81-86 (in Chinese)．

[7]袁季修．電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定控制的規(guī)劃和應(yīng)用[J]．中國(guó)電力，1999，32(5)：29-32．

[8]Yuan Jixiu．Planning and Application of Power System Security and Stability Control[J]． Electric Power，1999，32(5)：29-32 (in Chinese)．