基于秒級復(fù)電技術(shù)的主網(wǎng)快速自愈系統(tǒng)研究與實踐

國網(wǎng)龍巖供電公司 葉 杰 鐘秋添 盧曉明 程華新

電網(wǎng)調(diào)控運行人員值班期間在電網(wǎng)監(jiān)控、工作許可、指令下達、廠站及用戶的檢修申請審批和傳達、報表統(tǒng)計、值班日志記錄等重復(fù)性工作上耗費超80%的精力，導(dǎo)致其在應(yīng)對電網(wǎng)緊急故障等突發(fā)事件時無法保持清醒頭腦，反映出現(xiàn)行調(diào)控業(yè)務(wù)的痛點。因此人工智能、數(shù)據(jù)融合、電網(wǎng)自動化等多項技術(shù)都已成為電網(wǎng)實現(xiàn)全面感知、全程在線和全要素互聯(lián)的重點攻關(guān)領(lǐng)域，電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行和高效事故處理也在其研究范疇。此外，2021年福建省調(diào)度控制中心致力于依托人工智能技術(shù)，促使電力調(diào)度由人工調(diào)度逐漸向自動化、智能化調(diào)度升級，智能化事故處理是其研究重點之一。

目前國內(nèi)外對電網(wǎng)停電事故智能處理的研究，仍停留在電網(wǎng)暫態(tài)數(shù)據(jù)推理的機器學(xué)習(xí)階段，與智能替代實用化還有一定距離。事故處理仍然沿用傳統(tǒng)的“調(diào)控員人工處置”模式。傳統(tǒng)電網(wǎng)風(fēng)險管控模式主要為預(yù)警發(fā)布、預(yù)案編制、預(yù)案學(xué)習(xí)、措施落實和預(yù)警解除4個環(huán)節(jié)，單一開關(guān)遙控操作需要經(jīng)下令、復(fù)誦、記錄、設(shè)備選擇、遙控確認、遙控操作、復(fù)令等8個工序，操作至少一分鐘，費時費力且存在誤遙控風(fēng)險。當前，基于書面預(yù)案人工處理區(qū)域變電站全停故障主要存在三方面弊端：一是既定預(yù)案靈活性差、覆蓋范圍不完整；二是線下預(yù)案內(nèi)容繁雜、執(zhí)行效果不理想；三是常規(guī)預(yù)案過程冗長、操作效率不夠高。

1 秒級復(fù)電技術(shù)體系架構(gòu)及技術(shù)路線

秒級復(fù)電技術(shù)體系架構(gòu)主要分為數(shù)據(jù)信息層、物聯(lián)設(shè)備層和功能過程層。數(shù)據(jù)信息層：底層故障判斷分析服務(wù)實現(xiàn)基于Petri網(wǎng)的多源信息故障設(shè)備定位及故障后恢復(fù)供電的路徑輔助決策功能[1]。秒級復(fù)電數(shù)據(jù)服務(wù)將復(fù)電路徑解析為操作序列并提供讀寫操作序列歷史數(shù)據(jù)的功能。展示界面實現(xiàn)推送、展示和查詢故障設(shè)備定位信息以及輔助決策信息數(shù)據(jù)。維護工具編輯和維護Petri網(wǎng)規(guī)則，定義支持的保護信號子類型；物聯(lián)設(shè)備層：該技術(shù)以電網(wǎng)事故處理全流程智能替代為出發(fā)點，物聯(lián)變電站一、二次設(shè)備、EMS系統(tǒng)、五防系統(tǒng)、保信系統(tǒng)和故障錄波系統(tǒng)等，針對正常、檢修或臨時運行方式開展電網(wǎng)事故處理智能替代研究。

功能過程層：故障定位即根據(jù)開關(guān)變位信息、設(shè)備保護信號、遙測變化數(shù)據(jù)等判斷源頭失壓站和被迫失壓站，生成失壓站和負荷損失報表；故障分析時把拓撲分析后的節(jié)點支路模型轉(zhuǎn)換為“圖”，使用廣度優(yōu)先搜索和深度優(yōu)先搜索算法找到所有可能的恢復(fù)供電路徑[2]；預(yù)案生成界面包含經(jīng)過送電自檢和路徑轉(zhuǎn)換得到的事故預(yù)案列表、待復(fù)壓設(shè)備列表、轉(zhuǎn)供線路列表和待自動遙控操作設(shè)備列表；程序控制起動后，系統(tǒng)在無異常和人工干預(yù)的情況下順序操作預(yù)案界面待自動遙控操作的設(shè)備。

圖1 秒級復(fù)電技術(shù)線路

2 基于秒級復(fù)電技術(shù)的主網(wǎng)快速自愈系統(tǒng)功能模塊

2.1 故障定位

根據(jù)事故暫態(tài)過程告警、錄波、開關(guān)變位信息、設(shè)備保護信號、遙測變化數(shù)據(jù)等信息，開展故障定位智能替代研究，確定源頭失壓站和被迫失壓站，如圖2和公式1～2所示：

圖2 源頭失壓站和被迫失壓站判別邏輯

式中：Y1、Y2、Y3為源頭失壓站三個判斷環(huán)節(jié)，滿足條件則Y=1，判為源頭失壓站（否則Y=0）；PY為判斷條件集合，a為必要條件，其中a1為保護動作信號（關(guān)鍵字庫：差動、高頻、距離、零序、母差、瓦斯、過流、電流、間隙、后加速、縱差等），a2為開關(guān)合轉(zhuǎn)分變位信號，B為母聯(lián)（分）或進線備自投動作信號（偶發(fā)條件，開關(guān)未變位），C為重合閘后加速動作信號（偶發(fā)條件，開關(guān)合轉(zhuǎn)分、分轉(zhuǎn)合、合轉(zhuǎn)分）；?t為判斷時延；?UX為母線電壓，UX0為母線額定電壓值，?UL為母線線電壓。

式中：B1和B2為被迫失壓站兩個個判斷環(huán)節(jié)，滿足條件則B=1，判為被迫失壓站（否則B=0）；PB0為基本判斷條件，根據(jù)源頭失壓站拓撲關(guān)聯(lián)相關(guān)線路；PB為判斷條件集合，其中d為母線事故前有壓、事故后無流無壓狀態(tài)改變（必要條件：-20～10秒），e為線路事故前有潮流、事故后無流狀態(tài)改變（必要條件：-20～10秒）。

2.2 故障分析

故障分析主要任務(wù)是檢索轉(zhuǎn)電路徑并進行安全檢索，控制路徑中主變、線路不過載，并選取最優(yōu)復(fù)電路徑，完成送電自檢：轉(zhuǎn)電路徑檢索。首先確定送電電源，再以潮流框圖連接線為路徑，開展逐級延伸檢索至220kV主變中壓側(cè)的路徑檢索，生成若干條復(fù)電路徑；轉(zhuǎn)電路徑安全檢索。滿足4個條件：路徑中主變、線路不過載，路徑變電站所有設(shè)備在熱備用狀態(tài)，路徑接地刀閘均在斷開位置（且無檢修牌），路徑一二次設(shè)備無異常信號。其中，為確保路徑中主變、線路不過載，需滿足以下條件：PT≤0.8PTmax、PL≤PLmax、Pn+Pm≤0.7PY，式中：PT為路徑中變壓器實時負荷，PTmax為其額定值；PL為路徑中線路實時電流值，PLmax為相應(yīng)線路在溫度k下的載流量限值；Pn為失壓負荷，Pm為實時路徑各節(jié)點負荷，pY為設(shè)備允許功率限值。

按照過載和不過載兩種情形處置，其中負荷按梯級計算方法，從電源側(cè)開始逐級遞減。首先根據(jù)主變負荷監(jiān)視表和設(shè)備長期、短期允許載流量表監(jiān)視主變負荷和設(shè)備載流量，若發(fā)生過載，首先按超供電能力序位表決定不送電線路，仍然過載再根據(jù)重要用戶清單和低周減載序位表采用低周按輪次決定不復(fù)電線路，如公式PJ≥PZ，式中：PC為超供電能力限電目標值，PX為實際限電總量PXd為第d個限電目標限電值，D為滿足限電總量的最后一個限電對象序號；PZ為低周減載目標值，PJ為實際減載總量，PJe為第e個減載目標限電值，E為滿足減載總量的最后一個減載對象序號。

最優(yōu)路徑選擇應(yīng)滿足4個條件：整體潮流最?。凰碗娐窂阶疃?；操作開關(guān)最少；電壓質(zhì)量合格。依據(jù)上述原則并根據(jù)公式3選取最優(yōu)路徑.式中：Ochoose為選取的路徑編號，H為生成路徑總數(shù)；Oi為路徑選擇因子，r1～r4分別為路徑i長度Llengthi、整體潮流Pflowi、電壓偏差?Ui和開關(guān)操作總數(shù)Cti的權(quán)值。

送電自檢。送電路徑的安全自檢應(yīng)遵循“六個防止”原則：防止非同期；防止操作過電壓；防止主設(shè)備二次故障沖擊；防止進取故障沖擊；防止帶地線送電；防止遙控通道異常。

2.3 預(yù)案生成

結(jié)合前述故障分析結(jié)果，由開關(guān)變位信號、設(shè)備保護信號、遙測變化數(shù)據(jù)等，共同構(gòu)成程序啟動的輸入源。當輸入源發(fā)生時觸發(fā)啟動推理過程，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的專家知識庫判斷、分析得到故障的設(shè)備，使用廣度優(yōu)先搜索和深度優(yōu)先搜索，以系統(tǒng)中的所有熱備用開關(guān)為可選動作開關(guān)，找到所有可能的恢復(fù)供電路徑。針對所有可能的供電路徑分別進行轉(zhuǎn)供容量、開關(guān)操作次數(shù)、網(wǎng)損、甩負荷等校驗，同時比較失壓前電網(wǎng)運行方式，分析得出最優(yōu)送電路徑方案，并由秒級復(fù)電數(shù)據(jù)服務(wù)解析并生成遙控序列。

實時預(yù)案界面主要包含4個模塊：事故預(yù)案列表。只有一起故障時直接顯示當前故障的事故預(yù)案，若同一時段有多起故障，通過雙擊對應(yīng)事故預(yù)案名稱進入相應(yīng)的待復(fù)壓設(shè)備列表、轉(zhuǎn)供線路列表和待自動遙控操作設(shè)備列表；待復(fù)壓設(shè)備列表。即根據(jù)預(yù)案需恢復(fù)供電的失壓設(shè)備列表；轉(zhuǎn)供線路列表。展示復(fù)電路徑經(jīng)過的線路名稱；待自動遙控操作設(shè)備列表。根據(jù)轉(zhuǎn)供路徑，自動檢索需要操作的設(shè)備序列，按照既定事故處理邏輯順序排列，即生成待自動遙控操作設(shè)備列表。

2.4 程序執(zhí)行

秒級復(fù)電程序自動解析調(diào)度處置流程規(guī)定，編譯事故處置算法，運用程序控制技術(shù)實現(xiàn)故障后預(yù)案線上無縫銜接執(zhí)行與控制，單擊“一鍵執(zhí)行”按鈕后程序操作順序執(zhí)行（圖3）。具體執(zhí)行步驟如下：斷開源失壓站和失壓站所有電源出線開關(guān)和中性點不接地變各側(cè)開關(guān)，默認開關(guān)1在合位，否則先用開關(guān)1對線路充電運行；斷開開關(guān)4；開關(guān)2投檢同期；合上開關(guān)2；開關(guān)1投檢無壓；開關(guān)3投檢無壓；開關(guān)4投檢同期；合上開關(guān)4。單站按上述步驟串行操作，不同站采用并行操作。

圖3 秒級復(fù)電程序操作步驟

3 秒級復(fù)電技術(shù)應(yīng)用成效

3.1 案例分析

抽取4起典型秒級復(fù)電技術(shù)成功處置變電站事故全停事件，均能在1分鐘內(nèi)自動完成對失壓變電站的復(fù)電操作，以小池變失壓為例，采用秒級復(fù)電程序進行建壓操作過程中共遙控7個開關(guān)和1個測控檢無壓壓板、總用時24秒，單次遙控平均用時僅3秒。通過查閱調(diào)控運行值班日志可知，2017年7月14日小池變?nèi)臼菏鹿实膹?fù)電用時為10分鐘，效率顯著提升。

以和平變110kVⅠ段母線失壓事故處置為例，細分化分析各處置環(huán)節(jié)用時，并將其與秒級復(fù)電技術(shù)應(yīng)用前各環(huán)節(jié)耗時（單位s）對比可知，人工進行故障定位時調(diào)閱EMS故障信號耗時120秒，調(diào)圖判斷失壓范圍耗時60秒，討論故障原因和處置方案總耗時240秒，該復(fù)電路徑需人工操作10個開關(guān)，至少用時600秒，總耗時1020秒；運用秒級復(fù)電技術(shù)后，故障定位、故障分析和實時方案自動生成都能在3秒內(nèi)完成，點擊“一鍵執(zhí)行”按鈕后只需要27秒就能完成所有復(fù)電操作，停電總時長相比人工處置縮短984秒，效率提升96.47%，按事故前負荷14MW計算，共增供電量3.83萬度。

以上秒級復(fù)電案例累計增供電量10.30萬度，假設(shè)每度電均價0.5元、每度電GDP貢獻值18.55元，増供電量為企業(yè)增收5.15萬元、GDP總貢獻值達203萬元，全面推廣后每年創(chuàng)造的價值可達千萬級。

3 結(jié)語

本文所述基于秒級復(fù)電技術(shù)的主網(wǎng)快速自愈系統(tǒng)進一步提升電網(wǎng)調(diào)度自動化、智能化水準，極大提升事故處理效率，降低誤操作風(fēng)險，產(chǎn)生的増供電量創(chuàng)造出更大的社會價值。該技術(shù)的先進性可歸納為4個方面：實現(xiàn)電網(wǎng)事故處置預(yù)案在線化管控，并輔以程序控制策略實現(xiàn)快速復(fù)電的目標，是目前國內(nèi)首次應(yīng)用；該技術(shù)屬國內(nèi)首創(chuàng)運用圖論算法編譯電網(wǎng)事故處理預(yù)案，確保預(yù)案不遺漏、不疏忽，安全邊界控制更全面；該技術(shù)是物聯(lián)技術(shù)在電網(wǎng)事故處置的首例實用化案例；技術(shù)實現(xiàn)事故處理復(fù)電“快、準、穩(wěn)的批量操作，向全面實現(xiàn)電網(wǎng)調(diào)控運行自動化、智能化和信息化水準邁出一大步。