基于電網覆冰風險定級和預調度的方式融冰輔助決策系統(tǒng)設計

曾華榮，楊旗，馬覃峰，曹杰，高正浩，吳建蓉，殷蔚翎

(1.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州貴陽550002；2.南方電網防冰減災聯(lián)合實驗室，貴州貴陽 550002；3.貴州電網有限責任公司調度控制中心，貴州貴陽 555002)

冰雪災害是危害電力系統(tǒng)運行的最嚴重自然災害之一[1]：覆冰引起桿塔、輸電線路載荷變化和絕緣性能變化，帶來桿塔倒塌[2]，線路斷線，絕緣子冰閃[3]，導線、地線弧垂變化引發(fā)保護動作跳閘[4]，線路部件損壞和絕緣間隙擊穿等事故風險。由于線路覆冰發(fā)生具有區(qū)域性特征，多設備同時、相繼故障，嚴重威脅電網安全穩(wěn)定運行[5]。

鑒于嚴重冰災危害電網穩(wěn)定，進而影響工業(yè)生產和社會穩(wěn)定，科技工作者對輸電線路防冰、除冰技術進行了深入的研究[6-7]。通過在輸電線路材料選擇[8]、線路規(guī)劃設計[9]、網架結構完善、覆冰狀態(tài)監(jiān)測預測[10-12]、線路桿塔防冰加固、融冰裝置設計等技術領域進行持續(xù)的研究和技術應用，電網防冰、除冰技術及管理水平有了較大的提升。

熱力融冰法，耗時短且操作簡單，具有較強的實用性，特別是交直流融冰法是目前消除輸電線路覆冰災害最為有效且比較成熟的技術之一[13-16]。

交直流融冰技術主要包括固定式直流融冰、車載式直流融冰、融冰變壓器、方式融冰、低壓交流短路融冰等。各種融冰方式特點和適用情況如表1所示。

表1 交直流融冰技術特點和適用場景Tab.1 Characteristics and applicable scenarios of AC / DC ice melting technology

適用于輸電網的線路融冰方式為固定式直流融冰和方式融冰。固定式直流融冰，通過在重點變電站安裝融冰裝置，覆冰發(fā)生時，將覆冰線路一端接入融冰裝置，另一端短路，融冰裝置提供直流電流注入導線引起導線溫度升高以達到融冰的目的，是目前輸電線路融冰的主要技術手段；方式融冰，通過改變運行方式，轉移潮流達到融冰效果，適用于電廠送出通道和大負荷供電通道，不需要專用融冰設備，較為靈活，是停電融冰技術的有益補充。

方式融冰作為輸電線路除冰的重要手段之一，相關自動化、智能化輔助手段較為缺乏，目前主要采用方式計算人員離線編制方案，校核通過后下發(fā)執(zhí)行，調度運行人員對滿足方式融冰的線路按下發(fā)規(guī)程執(zhí)行的工作方式。調度運行人員按紙質規(guī)程執(zhí)行，自動化程度低；方案在編制環(huán)節(jié)基于典型方式校核，執(zhí)行時電網實際運行方式同典型方式存在差異，缺少驗證和修正環(huán)節(jié)；方式融冰方案需要改變電網運行方式，僅在線路覆冰發(fā)生并達到一定厚度才開始啟動，而覆冰發(fā)生具有區(qū)域性的特征，當多條線路發(fā)生覆冰需要進行方式融冰、停電融冰時，對調度部門、運檢部門造成巨大的工作壓力，可能存在人員不足的風險，當前的工作方式不能在覆冰發(fā)生前和發(fā)生初期對覆冰進行抑制。

隨著覆冰監(jiān)測、覆冰預測系統(tǒng)的建設和不斷完善，結合氣象數據、計劃數據，線路覆冰風險分析和預警具備了必要的數據基礎?；陔娋W調度自動化系統(tǒng)的實時、可靠、全面的電網運行數據和應用開放性特征，獲取線路運行狀態(tài)、方式融冰操作進度，發(fā)電計劃等數據，應用間數據交互變得更為便利，使通過調整電網運行方式，增大線路功率，減輕線路覆冰風險變?yōu)榭赡堋?/p>

本文通過深入調研方式融冰管理流程和技術現(xiàn)狀，基于電網調度運行融冰操作需求，提出一種基于電網覆冰風險定級和預調度的方式融冰輔助決策系統(tǒng)設計方案，將方式融冰方案編制、校核、電網運行監(jiān)視、覆冰風險定級、覆冰抑制、方式融冰操作進行有效關聯(lián)，提高了電網抵御線路覆冰危害，快速執(zhí)行方式融冰操作的能力。

1 系統(tǒng)框架設計

本系統(tǒng)串聯(lián)方式計算、調度運行業(yè)務，接入電網實時運行數據、線路覆冰監(jiān)測預測數據，向方式計算專業(yè)、調度運行專業(yè)提供方式融冰方案導入、電網運行覆冰風險監(jiān)視、融冰過程監(jiān)視、預調度策略生成、方式融冰策略生成等服務。本系統(tǒng)采用B/S架構，按功能特點分為三層，分別是匯集層、業(yè)務層和交互層，系統(tǒng)框架如圖1所示。

圖1 輸電線路方式融冰輔助決策系統(tǒng)框架Fig.1 System framework of auxiliary decision-making system for transmission line ice melting

匯集層負責從調度自動化系統(tǒng)獲取電網運行實時數據、從覆冰監(jiān)視預測系統(tǒng)獲取輸電線路當前覆冰信息和未來覆冰預測信息，從氣象系統(tǒng)獲取各區(qū)域氣象預報信息。

業(yè)務層是系統(tǒng)的核心部分，提供方式融冰方案管理功能、電網仿真數據生成、電網覆冰風險分析、常規(guī)方式融冰輔助決策、預調度方式融冰輔助決策和融冰方案校核功能。

人機交互層向方式計算、調度運行人員提供方式融冰方案導入、電網覆冰風險查詢、常規(guī)方式融冰、預調度方式融冰策略查詢、融冰操作指示等功能。

2 方式融冰方案解析及關鍵信息抽取

電力公司每年結合電網網架結構、電源分布情況，在確保電網安全穩(wěn)定運行、供電可靠的前提下，編制當年電網方式融冰方案。方式融冰方案作為方式融冰的指導性文件，也是本系統(tǒng)的輔助決策生成的重要依據。方式融冰方案為文檔格式，需要對其核心內容進行解析、結構化，才能為本系統(tǒng)所用。

通過對某電力公司方式融冰方案結構和內容進行分析，線路方式融冰方案主要內容如圖2所示。

圖2 方式融冰方案結構和內容Fig.2 Structure and content of mode ice melting scheme

基于本系統(tǒng)數據需求，對方案中的線路名稱、組合路徑、準備過程、實施過程信息進行提取，并且對關鍵信息進行結構化處理。

(1)融冰對象獲取

方式融冰方案按融冰線路組織，從中獲得可以進行方式融冰的線路清單。

(2)組合路徑處理

從融冰方案中的組合路徑信息，可以確定該線路融冰時，電源使用情況和功率傳輸路徑。

融冰方案中組合路徑內容示例如圖3所示。

圖3 方式融冰方案中的組合路徑示例Fig.3 Example of combined path in ice melting scheme

通過對東壩線和干曹Ⅱ回線的組合路徑進行分析，可以確定以上線路的融冰電源和線路類型信息如下表2所示。

表2 組合路徑分析結果Tab.2 Analysis results of combined path

(3)調度令處理

融冰方案中含調度指令內容和操作步驟，調度指令包含操作類指令和控制類指令，示例如圖4所示。

圖4 方式融冰方案中的調度令示例Fig.4 Example of dispatching order in ice melting scheme

本系統(tǒng)對調度令進行結構化，在線路進行方式融冰時，根據調度令內容，同指令票系統(tǒng)交互，可自動生成指令票。

3 基于CIM模型文件的實時計算模型生成

傳統(tǒng)電力系統(tǒng)運行方式分析校核中,使用的是人工編制的典型方式數據, 但此類數據維護成本高, 難以靈活調節(jié)拓撲顆粒度、跟蹤電力系統(tǒng)運行狀態(tài)變化[17]。

CIM模型是為了實現(xiàn)不同的電力企業(yè)應用系統(tǒng)之間信息和功能的互通互享，由國際電工委員會提出的一種通用標準體系[18]。CIM模型為電網全設備的物理模型，含開關、刀閘設備，同時也包含停運設備，設備運行狀態(tài)需要根據開關、刀閘分合狀態(tài)分析帶電狀態(tài)確定。從調度自動化系統(tǒng)，可以獲得滿足CIM標準的電網模型和實時數據文件，為本系統(tǒng)提供所需仿真計算數據。

電網分析仿真使用計算模型，使用CIM模型進行電網仿真分析，涉及CIM模型到計算模型的轉換處理[19]。模型轉換分為CIM-XML文件解析、全網拓撲分析、等電位節(jié)點合并、名稱轉換等步驟。

CIM-XML文件解析，通過對XML文件讀取，按照標簽名稱、屬性名稱，將設備信息和運行信息存儲到對應的設備對象中。

全網拓撲分析，按設備特性，將不同設備對象映射為邏輯節(jié)點、邏輯支路兩類，基于深度優(yōu)先搜索技術，進行支路連接關系分析和帶電判斷，剔除失電設備和非主電氣島中的設備，輸出按廠站組織的設備信息以及廠站間線路連接信息。

等電位節(jié)點合并，狀態(tài)為“合”的開關、刀閘，只起到連接兩側設備的作用，其兩側電位相等，為減輕潮流計算的計算量并節(jié)省存儲空間，對等電位節(jié)點進行合并處理。等電位節(jié)點合并以邏輯廠站為處理對象，對廠站內的邏輯支路逐個判斷，如果為開關、刀閘等設備，刪除該支路，刪除末端節(jié)點，將連接末端節(jié)點的支路，修改為與首端節(jié)點相連。

名稱轉換，本系統(tǒng)使用BSD-BPA軟件進行電網潮流、穩(wěn)定仿真，因為BSD-BPA軟件對節(jié)點名稱有長度限制，本系統(tǒng)基于設備名稱，按BSD-BPA軟件節(jié)點名稱規(guī)范，參照名稱映射規(guī)則，生成節(jié)點名稱。

可方式融冰線路分析，按照可方式融冰線路特征，基于實時電網計算模型，以水電廠為起點，搜索水電廠出線以及并網變電站的下一級線路作為監(jiān)視對象。

4 電網覆冰風險評估與定級

輸電線路作為輸電網中的關鍵組成部分，對供電可靠性有著直接影響，準確評估輸電線路故障引起的電網運行風險，有助于方式計算人員優(yōu)化運行方式、編制預案，也能輔助調度運行人員監(jiān)視風險點和提前進行電網運行調整。文獻[20]提出了一種基于改進支持向量機的電網實時風險評估與預警技術。文獻[21]將風險理論引入調度操作評估當中，提出一種基于馬爾可夫鏈與兩點估計法的電網調度操作風險評估方法。文獻[22]提出了一種基于改進多層感知機的電網運行風險評估方法。文獻[23]構建了考慮概率預測的安全風險評估與主動調控模型，實現(xiàn)了基于時序預測輸出系統(tǒng)部分關鍵對象在未來的越限概率，并最終集成為系統(tǒng)量化風險。

本系統(tǒng)綜合考慮當前覆冰厚度、未來覆冰厚度和設備停運后果，將原本不夠直觀的定量系統(tǒng)運行風險進行定級處理，為調度運行人員采用對應策略提供直觀的參考，也為本輔助決策系統(tǒng)自動處置提供明確的依據，最終通過預調度方式融冰和常規(guī)方式融冰措施，抑制、減緩輸電線路覆冰發(fā)生和發(fā)展，避免、減輕覆冰對電網穩(wěn)定運行的影響。

本系統(tǒng)將基于方式融冰方案解析和實時運行方式分析得到的可方式融冰線路，作為監(jiān)視對象。系統(tǒng)從覆冰監(jiān)測系統(tǒng)、覆冰預測系統(tǒng)獲取監(jiān)視線路當前覆冰厚度、未來覆冰厚度；基于實時計算模型對監(jiān)視線路進行靜態(tài)安全分析和穩(wěn)定分析，判斷其故障對電網穩(wěn)定性的影響，綜合以上信息確定線路融冰緊迫性指標。

覆冰風險計算流程如下：從輸電線路覆冰監(jiān)測系統(tǒng)獲得線路當前覆冰厚度THKln，從覆冰預測系統(tǒng)中獲取覆冰時段和覆冰厚度，從中估算線路一小時后覆冰厚度THKlf，線路設計最大覆冰厚度表示為THKld，將線路覆冰厚度和線路設計最大覆冰厚度的比值作為該線路覆冰斷線的風險值。

輸電線路當前斷線風險Rln計算方法如公式(1)所示：

(1)

輸電線路未來斷線風險Rlf計算方法如公式(2)所示：

(2)

線路重要性權重分為網架結構重要性和電網穩(wěn)定運行重要性兩部分。

網架結構重要性系數Wli′為線路靜態(tài)指標，依據保底網架原則確定，電網穩(wěn)定運行重要性系數Wli″隨電網運行方式變化而變化，通過周期計算該線路發(fā)生N-1故障后電網靜態(tài)、暫態(tài)穩(wěn)定運行能力確定。

基于覆冰斷線風險和重要性指標，計算監(jiān)視線路融冰緊迫性指標Urgencyl計算方法如公式(3)所示：

(3)

將電網輸電線路覆冰斷線風險分為嚴重風險、中等風險、輕微風險三級。

嚴重風險進行告警，由調度運行人員制定融冰措施，采用停電融冰方式進行融冰；中等風險采用調整運行方式的方式融冰手段進行融冰；嚴重風險和中等風險判斷方法參照調度運行相關規(guī)程。輕微風險采用通過預調度方式增加線路功率的手段進行覆冰抑制、覆冰厚度增速降低，基于線路融冰緊迫性指標Urgencyl數值進行判定，支持對限值進行調整。

5 預調度方式融冰輔助決策

輸電線路覆冰風險定級為輕微風險，表明該線路已經發(fā)生覆冰或者即將發(fā)生覆冰，并且覆冰厚度呈增加的趨勢，但又不滿足常規(guī)方式融冰的條件，此時嘗試通過增加發(fā)電廠出力來增大線路功率，對覆冰的發(fā)生和發(fā)展進行抑制和限制，處理流程包括相關機組分析、可增出力計算、目標方式生成、安全校核和方案下發(fā)。

相關機組分析，以待處理覆冰線路起點、取功率流入端方向，進行網絡拓撲分析，尋找與覆冰線路輸送功率強相關的發(fā)電機。

可增出力計算：可進行方式融冰的線路，為水電廠出線或者并網變電站的下一級線路，相關機組為水電機組。水電機組可增出力受發(fā)電機額定容量、當前出力、水庫水位、設備運行狀態(tài)影響，基于調度自動化系統(tǒng)采集的水電廠相關數據，相關機組i的最大可調出力Pgmax_i計算方法如式(4)所示：

Pgmax_i=Pgrated_i-MAX(Plimit1_i-Plimit2_i)

(4)

其中Pgrated_i為機組i的額定容量，Plimit1_i、Plimit2_i分別為機組i的水位受限和設備狀態(tài)受限功率。

機組i的可增出力Pgraise_i的計算方法如式(5)所示：

Pgraise_i=Pgmax_i-Pg_i

(5)

其中Pg_i為機組i的當前出力。

融冰可行性估算：考慮到相關機組可能存在多條有功輸送通道，通過計算各機組同覆冰線路的靈敏度Ki，計算線路可增輸送功率Plraise計算方法如公式(6)所示：

(6)

當線路可增輸送功率大于設定數值時，則認為該預調度方式融冰可以產生預期效果，是可行的。

目標方式生成：預調度方式融冰，雖然不需要改變電網拓撲結構，但是會影響電網的潮流分布，為保證融冰過程中電網安全穩(wěn)定運行，需要進行靜態(tài)、暫態(tài)校核。以當前方式為基礎，在參與融冰的機組所屬區(qū)域內，選擇合適數量的機組降低出力，維持區(qū)域以及全網的發(fā)用電平衡，計算相關廠站無功平衡情況，調整無功設備投運情況，維持無功平衡，生成目標方式，供校核使用。

6 常規(guī)方式融冰輔助決策

輸電線路覆冰風險定級為中等風險，表明該線路覆冰情況已經滿足常規(guī)方式融冰的條件，需按規(guī)程啟動相應融冰操作。

基于本系統(tǒng)的方式融冰方案解析及關鍵信息抽取處理，方式融冰方案內容完成結構化存儲，系統(tǒng)按照結構化的方式融冰方案，輔助多級調度機構的調度運行人員進行方式融冰操作，提供融冰方案展示與調整，調度指令票生成、控制指令下發(fā)、執(zhí)行過程監(jiān)視等功能。

電網覆冰風險評估與定級功能判定線路達到常規(guī)方式融冰條件后，向調度運行人員推送線路覆冰狀態(tài)及方式融冰方案內容，調度運行人員可根據電網實際運行情況，對方式融冰方案進行調整，按設定流程審核通過后，本系統(tǒng)按審核后的方案從準備工作和實施過程兩個方面指導調度運行人員進行方式融冰操作。

通過同調度自動化系統(tǒng)的指令票功能聯(lián)動，支持將具體融冰措施自動生成指令票，可大幅提高工作效率；通過自動從調度自動化系統(tǒng)、覆冰監(jiān)測預測系統(tǒng)獲取融冰線路的運行狀態(tài)、覆冰厚度，輔助調度運行人員及時掌握當前操作進展和融冰進展。

7 方式融冰動態(tài)校核

預調度方式融冰和常規(guī)方式融冰，均改變了電網的潮流分布，并且兩種融冰方式執(zhí)行均需要持續(xù)一定的時間，執(zhí)行過程中電網的運行方式也在不斷變化，因此方案執(zhí)行之前需要對方案實施過程中不同時刻進行電網安全、穩(wěn)定分析，以驗證方案的安全可行性，保證實施過程中電網的穩(wěn)定運行；方案執(zhí)行過程中，為應對電網運行中的非計劃調整，也要基于實時運行數據，不斷進行校核工作。

本系統(tǒng)通過計算模型生成功能，從調度自動化系統(tǒng)獲取實時CIM模型數據文件，生成當前計算模型；通過同調度計劃、檢修計劃、負荷預測等系統(tǒng)的交互，獲得未來各個時刻發(fā)電、用電數據和設備運行狀態(tài)，對當前計算模型進行調整，得到未來各個時刻的電網計算模型，供靜態(tài)校核和暫態(tài)校核使用。

(1)潮流調整

生成的計算模型可能存在潮流不收斂的情況，文獻[24]通過分析電網在不收斂臨界點的特征，提出了綜合表征指標，并基于該指標提出電網潮流不收斂的自動調整算法。文獻[25]從全網功率平衡的角度，完成對系統(tǒng)潮流的調整，增強潮流的收斂性。文獻[26]基于 NR迭代電壓幅值和相角的偏差衰減比突變點處的數值大小確定病態(tài)特征，建立了基于內點法最優(yōu)潮流的病態(tài)潮流和無解潮流的自動調整模型。

本系統(tǒng)綜合人工經驗，對典型的數據錯誤進行篩查后，按照有功功率平衡和無功功率平衡的順序，對系統(tǒng)的參數(發(fā)電機出力、變壓器分接頭位置，無功補償裝置等)進行調整，改變潮流方式，使新生成的潮流方程收斂[27-28]。

(2)快速靜態(tài)校核

靜態(tài)安全分析用以校核電網發(fā)生N-1和N-M故障情況下，是否仍能保持安全運行。考慮到調度自動化系統(tǒng)具備完整的靜態(tài)安全掃描功能，以及融冰操作的時效性要求，本系統(tǒng)通過快速生成故障集以縮小計算范圍，提高靜態(tài)校核速度。

通過對融冰初始電網方式進行拓撲分析，可以確定解列故障集，按照解列故障集逐個進行方式調整和潮流計算、判斷是否存在電網設備過載，生成過載設備清單。過載設備清單，加上同桿并架線路故障形成完整故障集。基于該故障集，對融冰階段各個時刻的計算模型進行調整，使用PSD-BPA潮流程序，進行詳細的潮流計算分析。主要步驟如圖5所示。

圖5 快速靜態(tài)校核流程Fig.5 Flow of quick static verification

本系統(tǒng)通過潮流數據自動修改和潮流計算結果自動分析，實現(xiàn)靜態(tài)校核的自動處理：按照故障集內容，將支路(含線路和變壓器)從潮流數據中去除，通過拓撲分析，去除孤立節(jié)點，若發(fā)生電網解列，在解列的多個同步網中均設定平衡節(jié)點，調整有功、無功，保證各個同步電網的有功、無功平衡，以及平衡機出力的合理性，以保證潮流計算的順利進行。

潮流計算完成后，對計算輸出文件進行解析，根據過載限值表，判斷是否存在支路過載情況，判定電網運行方式是否安全。

(3)快速暫態(tài)穩(wěn)定校核

對通過靜態(tài)校核的方式融冰方案，本系統(tǒng)基于PSD-BPA穩(wěn)定分析程序進行穩(wěn)定仿真，進一步判斷方式融冰方案的安全性。故障卡生成、穩(wěn)定分析計算程序調用、穩(wěn)定計算結果分析判斷，均通過軟件實現(xiàn)，從而實現(xiàn)了暫態(tài)穩(wěn)定自動分析。

穩(wěn)定性判斷主要是從電網在功角、電壓、頻率、阻尼等方面特征進行分析：同步電網中最大功角差超過設定值；主要母線電壓超出設定范圍并未及時恢復；系統(tǒng)頻率超過設定的范圍；出現(xiàn)等幅振蕩或者增幅振蕩，存在以上任一種情況，則認為電網暫態(tài)穩(wěn)定校核不通過。為提高暫態(tài)穩(wěn)定校核速度，本系統(tǒng)應用穩(wěn)定快速判斷技術，實時分析處理穩(wěn)定計算的輸出數據，當系統(tǒng)穩(wěn)定判據滿足時，立刻終止當前仿真計算。

8 結語

本文提出一種基于調度自動系統(tǒng)的預調度方式融冰、常規(guī)方式融冰輔助決策系統(tǒng)設計方案，通過預調度方式融冰，充分利用電網的調節(jié)能力，在不停電的情況下，通過增加相關機組出力，實現(xiàn)輸電線路覆冰的抑制和緩解；常規(guī)方式融冰輔助決策功能，可以對調度運行人員的方式融冰操作提供大力的支持，提高工作效率，減少工作失誤，通過方式融冰動態(tài)校核功能，提高了方式融冰操作的安全性，本系統(tǒng)的應用，可以提高電網對低溫覆冰天氣的抵御能力。