基于數(shù)字孿生的安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證展望

許劍冰，馮霄峰，徐海波，李滿禮

（1.南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司）,江蘇省南京市 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司,江蘇省南京市 211106）

0 引言

安全穩(wěn)定控制（以下簡稱“穩(wěn)控”）系統(tǒng)作為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第二道防線,在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用［1］。隨著新型電力系統(tǒng)的建設(shè),電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定特性發(fā)生了深刻變化［2］,穩(wěn)控系統(tǒng)也呈現(xiàn)出控制對象增多、控制范圍增大、耦合性增強(qiáng)、復(fù)雜度增高的趨勢。一方面,為達(dá)到精細(xì)化控制的目的,穩(wěn)控系統(tǒng)的控制對象逐步向更低電壓等級延伸,配電網(wǎng)中的穩(wěn)控系統(tǒng)若以35 kV、10 kV 電壓等級的生產(chǎn)企業(yè)為最小控制節(jié)點(diǎn),則能夠有效降低控制代價(jià)［3］；另一方面,為實(shí)現(xiàn)全區(qū)域電網(wǎng)范圍內(nèi)可控資源的協(xié)調(diào)優(yōu)化調(diào)度,穩(wěn)控系統(tǒng)的控制模式由“分散、獨(dú)立”向“全局、協(xié)調(diào)”轉(zhuǎn)變［4］。穩(wěn)控系統(tǒng)的運(yùn)行控制難度不斷加大,系統(tǒng)異常故障風(fēng)險(xiǎn)增加。穩(wěn)控裝置多次出現(xiàn)的拒動、誤動或動作不正確的情況,暴露出了穩(wěn)控裝置在規(guī)劃設(shè)計(jì)、研發(fā)制造、驗(yàn)收調(diào)試、運(yùn)行管理等環(huán)節(jié)存在諸多問題［5］。

為提升穩(wěn)控系統(tǒng)的可靠性,在理論分析層面,文獻(xiàn)［6-10］分別基于故障樹分析法、馬爾可夫模型法和蒙特卡洛模擬法等可靠性評估方法,采用失效率、修復(fù)率、可用度等可靠性評估指標(biāo),對單一穩(wěn)控裝置或簡單穩(wěn)控系統(tǒng)進(jìn)行分析。當(dāng)穩(wěn)控系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí),基于馬爾可夫模型法和蒙特卡洛模擬法的穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性評估方法存在模型建立困難、計(jì)算速度慢等問題［11］。建立穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性理論體系,提出可靠性量化評估指標(biāo),可以定量分析穩(wěn)控系統(tǒng)的可靠性水平,梳理穩(wěn)控系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié),為穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證提供理論指導(dǎo)。

在試驗(yàn)驗(yàn)證層面,穩(wěn)控系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)格按照國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證［12］。新投運(yùn)穩(wěn)控系統(tǒng)或者軟件升級改造的在運(yùn)穩(wěn)控系統(tǒng)入網(wǎng)運(yùn)行前需經(jīng)過廠內(nèi)測試和現(xiàn)場聯(lián)合調(diào)試。對于特高壓直流穩(wěn)控系統(tǒng),除上述調(diào)試外,還包括每年開展的現(xiàn)場傳動試驗(yàn),以驗(yàn)證穩(wěn)控策略、穩(wěn)控程序以及一、二次系統(tǒng)響應(yīng)的正確性。

為進(jìn)一步加強(qiáng)穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性的試驗(yàn)驗(yàn)證,在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,采用“電網(wǎng)仿真+穩(wěn)控裝置實(shí)物”的數(shù)字化仿真驗(yàn)證的手段,開展實(shí)驗(yàn)室工程驗(yàn)證。由于實(shí)驗(yàn)室資源有限,難以復(fù)制與現(xiàn)場規(guī)模等量的1∶1 穩(wěn)控系統(tǒng),現(xiàn)有基于穩(wěn)控裝置實(shí)物的數(shù)字化仿真驗(yàn)證在試驗(yàn)驗(yàn)證真實(shí)性（包括試驗(yàn)規(guī)模和精度）、試驗(yàn)場景完備性、試驗(yàn)驗(yàn)證靈活性等方面,與新型電力系統(tǒng)條件下大規(guī)模、強(qiáng)耦合的復(fù)雜穩(wěn)控系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證要求存在相當(dāng)大的差距。

為了保證穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證的準(zhǔn)確性,需要建立保留穩(wěn)控裝置全要素和穩(wěn)控系統(tǒng)全過程主要運(yùn)行特性的穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字化模型。目前,穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字化模型多采用控制策略模型,其適用范圍局限于穩(wěn)控策略校核以及穩(wěn)控功能驗(yàn)證、方案設(shè)計(jì)等離線研究場合,無法滿足穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證的需求。

數(shù)字孿生為穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)研究提供了新的研究手段。采用數(shù)字孿生理念,構(gòu)建具有高保真、實(shí)時(shí)性、交互性等特點(diǎn)的穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體,研究基于數(shù)字孿生的穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)研究的技術(shù)、平臺和工具,突破數(shù)字化仿真驗(yàn)證面臨的保真性、交互性和靈活性等方面的困難,為穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證乃至在線評估提供了可期待的解決方案。

本文從穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證的角度,梳理了穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證的現(xiàn)狀,分析了現(xiàn)有穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字化仿真驗(yàn)證的局限性,提出了基于數(shù)字孿生的穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證架構(gòu),并進(jìn)一步展望了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)。

1 穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

1.1 穩(wěn)控系統(tǒng)及其試驗(yàn)驗(yàn)證的發(fā)展歷程

在中國,穩(wěn)控裝置的研究開始于20 世紀(jì)60 年代,早期的穩(wěn)控裝置多為獨(dú)立布置在廠站端的線路跳閘連鎖切機(jī)、切負(fù)荷裝置。20 世紀(jì)80 年代,開始研制以集成電路或微機(jī)為基礎(chǔ)的穩(wěn)控裝置,出現(xiàn)了小型區(qū)域化的穩(wěn)控系統(tǒng),如最早的中國東北遼西電網(wǎng)區(qū)域緊急控制系統(tǒng)［13］。彼時(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)規(guī)模較小,穩(wěn)控裝置數(shù)量不多,多采用繼電保護(hù)測試儀開展廠內(nèi)測試和現(xiàn)場聯(lián)合調(diào)試［14］。

隨著中國電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和電壓等級的提高,穩(wěn)控系統(tǒng)逐漸由分散、獨(dú)立的穩(wěn)控裝置發(fā)展為區(qū)域、協(xié)調(diào)的穩(wěn)控系統(tǒng)。針對大電網(wǎng)的穩(wěn)控系統(tǒng),穩(wěn)控站點(diǎn)數(shù)量多且信息交互復(fù)雜,普通的繼電保護(hù)測試儀無法滿足穩(wěn)控系統(tǒng)的試驗(yàn)驗(yàn)證需求。為此,開始研究適用于穩(wěn)控系統(tǒng)的專用測試儀［15-16］,以替代繼電保護(hù)測試儀,開展穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)。

2017 年,國家電網(wǎng)有限公司成立了系統(tǒng)保護(hù)實(shí)驗(yàn)室,建成了國內(nèi)外試驗(yàn)規(guī)模最大的控制系統(tǒng)硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證平臺,開展重要穩(wěn)控系統(tǒng)和系統(tǒng)保護(hù)工程的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2019 年,國家電網(wǎng)有限公司要求在已有穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,增加實(shí)驗(yàn)室工程驗(yàn)證環(huán)節(jié),即在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下,聯(lián)合電網(wǎng)數(shù)字化仿真模型和穩(wěn)控裝置實(shí)物,開展穩(wěn)控系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗(yàn)［17］。2020 年起,特高壓直流配套穩(wěn)控系統(tǒng)還需開展現(xiàn)場傳動試驗(yàn)。2022 年,國家電網(wǎng)有限公司明確要求穩(wěn)控系統(tǒng)需嚴(yán)格按照“逢修改必校驗(yàn)”的原則,開展廠內(nèi)測試、實(shí)驗(yàn)室工程驗(yàn)證、現(xiàn)場聯(lián)合調(diào)試以及現(xiàn)場傳動試驗(yàn),以提高穩(wěn)控系統(tǒng)本質(zhì)安全水平,防止穩(wěn)控系統(tǒng)故障引起電力系統(tǒng)失穩(wěn)或事故。穩(wěn)控系統(tǒng)及其試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)展歷程如圖1 所示。

圖1 穩(wěn)控系統(tǒng)及其試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)展歷程圖Fig.1 Development history diagram of security and stability control system and its test verification

1.2 面向工程的穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證現(xiàn)狀

面向工程應(yīng)用的穩(wěn)控系統(tǒng)需經(jīng)過廠內(nèi)測試、實(shí)驗(yàn)室工程驗(yàn)證、現(xiàn)場聯(lián)合調(diào)試3 個(gè)階段的試驗(yàn)驗(yàn)證。同時(shí),針對特高壓直流穩(wěn)控系統(tǒng),每年還需要結(jié)合直流控制保護(hù)系統(tǒng)的年度檢修開展現(xiàn)場傳動試驗(yàn)。其中,廠內(nèi)測試采用靜態(tài)試驗(yàn)（和/或動態(tài)整組測試）方法；實(shí)驗(yàn)室工程驗(yàn)證采用數(shù)字化仿真試驗(yàn)方法；穩(wěn)控系統(tǒng)投運(yùn)前的現(xiàn)場聯(lián)合調(diào)試主要采用基于控制策略表的聯(lián)合測試；現(xiàn)場傳動試驗(yàn)包括帶電傳動和不帶電傳動2 種方式,如表1 所示。

表1 穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證現(xiàn)狀Table 1 Current situation of test verification for security and stability control system

出廠靜態(tài)試驗(yàn)（和/或動態(tài)整組測試）主要對裝置軟、硬件進(jìn)行系統(tǒng)性檢驗(yàn),屬于開環(huán)測試。穩(wěn)控系統(tǒng)制造廠家通過穩(wěn)控裝置專用測試儀生成模擬量和數(shù)字量,并將其輸入穩(wěn)控裝置,以此驗(yàn)證穩(wěn)控裝置的軟、硬件功能,檢驗(yàn)裝置的質(zhì)量和性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求,避免裝置“帶病出廠”。

實(shí)驗(yàn)室工程驗(yàn)證采用數(shù)字化仿真試驗(yàn)方法,又稱為穩(wěn)控系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗(yàn),主要依托國家電網(wǎng)有限公司系統(tǒng)保護(hù)實(shí)驗(yàn)室、省級電力科學(xué)研究院和具備穩(wěn)控裝置檢測資質(zhì)的質(zhì)量檢驗(yàn)測試機(jī)構(gòu)開展試驗(yàn),通常用于驗(yàn)證穩(wěn)控策略及程序的合理性和通信網(wǎng)絡(luò)安全性,屬于閉環(huán)測試［18］。當(dāng)前,數(shù)字化仿真試驗(yàn)基于電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真平臺和由穩(wěn)控裝置實(shí)物搭建的穩(wěn)控系統(tǒng)開展試驗(yàn)。國際上具有代表性的全數(shù)字實(shí)時(shí)仿真平臺主要有 RTDS、RT-LAB 及HYPERSIM 等,國內(nèi)主要有ADPSS 和CloudPSS等。數(shù)字化仿真試驗(yàn)中,電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真平臺將電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)（線路、機(jī)組、主變壓器的電壓、電流信號和相關(guān)斷路器的位置信號等）,實(shí)時(shí)傳輸至由穩(wěn)控裝置實(shí)物搭建的穩(wěn)控系統(tǒng)。穩(wěn)控系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)和對應(yīng)的穩(wěn)控策略決策出相應(yīng)的控制措施（切機(jī)、切負(fù)荷、直流功率調(diào)制等）,并反饋至電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真平臺。

現(xiàn)場聯(lián)合調(diào)試是在與電網(wǎng)安全隔離的環(huán)境下,驗(yàn)證現(xiàn)場穩(wěn)控裝置通信和各項(xiàng)功能的正確性,屬于開環(huán)測試?，F(xiàn)場穩(wěn)控系統(tǒng)中的穩(wěn)控裝置呈現(xiàn)出地域分布廣、數(shù)量眾多、通信通道復(fù)雜的特征,對穩(wěn)控系統(tǒng)現(xiàn)場聯(lián)合調(diào)試提出了較高的要求?，F(xiàn)場聯(lián)合調(diào)試可分為分階段聯(lián)調(diào)和整體聯(lián)調(diào)2 個(gè)階段。分階段聯(lián)調(diào)主要針對穩(wěn)控總站、主站、子站、執(zhí)行站等各層級內(nèi)和層級間的通信功能進(jìn)行驗(yàn)證。通過專用測試儀生成模擬量和數(shù)字量,輸入現(xiàn)場穩(wěn)控裝置,并在通信通道另一端進(jìn)行信息核對,以確保整體聯(lián)調(diào)之前現(xiàn)場穩(wěn)控系統(tǒng)各層級的通信功能正常。整體聯(lián)調(diào)主要是利用專用測試儀生成模擬量和數(shù)字量,模擬不同故障場景,通過對穩(wěn)控裝置動作結(jié)果進(jìn)行分析,以驗(yàn)證現(xiàn)場穩(wěn)控系統(tǒng)各環(huán)節(jié)動作時(shí)間是否滿足要求以及穩(wěn)控策略與預(yù)期是否一致。通常,穩(wěn)控裝置需要采集的電氣量較多,受測試儀輸出通道的限制,整體聯(lián)調(diào)需要大量的專用測試儀以滿足試驗(yàn)需要。

現(xiàn)場傳動試驗(yàn)基于電網(wǎng)和現(xiàn)場穩(wěn)控系統(tǒng)開展試驗(yàn),屬于閉環(huán)測試。現(xiàn)場傳動試驗(yàn)環(huán)境與真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境保持一致,從而盡可能真實(shí)地反映穩(wěn)控系統(tǒng)運(yùn)行場景,其試驗(yàn)結(jié)果可信度高。特高壓直流配套穩(wěn)控系統(tǒng)每年都會開展現(xiàn)場傳動試驗(yàn),通過人工操作或試驗(yàn)的方式模擬預(yù)設(shè)故障場景,以驗(yàn)證穩(wěn)控系統(tǒng)動作環(huán)節(jié)中所有一、二次系統(tǒng)響應(yīng)的正確性。但是,現(xiàn)場傳動試驗(yàn)基于真實(shí)的電網(wǎng)和穩(wěn)控系統(tǒng),需結(jié)合電網(wǎng)檢修計(jì)劃安排試驗(yàn)時(shí)間,導(dǎo)致現(xiàn)場傳動試驗(yàn)在試驗(yàn)時(shí)間方面受限；現(xiàn)場傳動試驗(yàn)應(yīng)以電網(wǎng)和穩(wěn)控系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)可控為前提條件,試驗(yàn)場景風(fēng)險(xiǎn)較大時(shí)不宜開展現(xiàn)場傳動試驗(yàn),由此導(dǎo)致現(xiàn)場傳動試驗(yàn)在試驗(yàn)場景方面受限；現(xiàn)場傳動試驗(yàn)的成本較高,通常只在重要區(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)中開展試驗(yàn),無法覆蓋所有穩(wěn)控系統(tǒng),導(dǎo)致現(xiàn)場傳動試驗(yàn)在試驗(yàn)范圍方面受限。

2 穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字化仿真驗(yàn)證

當(dāng)前,實(shí)驗(yàn)室工程驗(yàn)證普遍采用基于電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真的穩(wěn)控系統(tǒng)硬件在環(huán)試驗(yàn)的模式。受試驗(yàn)資源限制,難以在實(shí)驗(yàn)室搭建與現(xiàn)場在運(yùn)穩(wěn)控系統(tǒng)規(guī)模完全一致的穩(wěn)控試驗(yàn)系統(tǒng)。通常采用穩(wěn)控系統(tǒng)功能等效的方法,在穩(wěn)控系統(tǒng)整體功能保全的前提下,對參與試驗(yàn)的穩(wěn)控裝置進(jìn)行適當(dāng)?shù)刃?一定程度上緩解了穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)規(guī)模受限的問題。但隨著新型電力系統(tǒng)的發(fā)展,上述方法在有些場合可能不再有效。同時(shí),采用穩(wěn)控裝置實(shí)物全硬件在環(huán)試驗(yàn)的靈活性和成本問題卻依然存在。

為滿足大規(guī)模、緊耦合、復(fù)雜穩(wěn)控系統(tǒng)常態(tài)化試驗(yàn)驗(yàn)證的需求,可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)字化手段,從“電網(wǎng)仿真+穩(wěn)控裝置實(shí)物”的驗(yàn)證方式,進(jìn)一步發(fā)展到“電網(wǎng)仿真+穩(wěn)控裝置仿真”的驗(yàn)證方式。其中,穩(wěn)控系統(tǒng)仿真可以是全數(shù)字仿真,也可以是數(shù)?；旌戏抡?。該方式靈活度高、成本較低,能夠用較少硬件資源構(gòu)建穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字化試驗(yàn)驗(yàn)證平臺,為大規(guī)模穩(wěn)控系統(tǒng)常態(tài)化試驗(yàn)驗(yàn)證提供了新的思路。相比現(xiàn)有的穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字化仿真驗(yàn)證方式,新的數(shù)字化仿真驗(yàn)證需要突破穩(wěn)控系統(tǒng)建模、仿真和校正等現(xiàn)有技術(shù)上的局限性。

在穩(wěn)控系統(tǒng)建模方面,現(xiàn)有模型研究多局限于穩(wěn)控策略模型。文獻(xiàn)［19-20］基于分層次、面向?qū)ο蟮慕Ｋ悸?結(jié)合穩(wěn)控系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)和穩(wěn)控策略的基本要素,提出了穩(wěn)控系統(tǒng)的通用化建模方法。經(jīng)過簡化的穩(wěn)控策略模型,無法模擬穩(wěn)控裝置的全要素功能,也無法還原真實(shí)的穩(wěn)控系統(tǒng)全過程主要運(yùn)行特性。因此,需要發(fā)展穩(wěn)控系統(tǒng)高精度建模技術(shù)。在裝置級模型層面,除策略搜索之外,需要增加穩(wěn)控裝置數(shù)據(jù)處理、判據(jù)、通信等關(guān)鍵要素的模型；在系統(tǒng)級模型層面,在穩(wěn)控策略模型的基礎(chǔ)上,需要增加穩(wěn)控系統(tǒng)物理拓?fù)淠Ｐ秃腕w現(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)整組動作時(shí)間的信息鏈路模型,以及電網(wǎng)和穩(wěn)控系統(tǒng)復(fù)雜交變故障場景下的穩(wěn)控系統(tǒng)動作邏輯模型,實(shí)現(xiàn)對穩(wěn)控裝置全要素和穩(wěn)控系統(tǒng)全過程主要運(yùn)行特性的精確模擬。

在穩(wěn)控系統(tǒng)仿真方面,現(xiàn)有研究基本上都是依靠成熟的商用化電力系統(tǒng)仿真平臺,開展穩(wěn)控系統(tǒng)功能仿真而非特性仿真。文獻(xiàn)［21］利用PSASP 軟件自帶的用戶程序接口功能,將構(gòu)建的穩(wěn)控系統(tǒng)模型引入PSASP 軟件開展相關(guān)仿真測試,仿真實(shí)時(shí)性不高,無法反映穩(wěn)控系統(tǒng)的動態(tài)特性。文獻(xiàn)［22］根據(jù)穩(wěn)控措施的執(zhí)行流程設(shè)計(jì)了穩(wěn)控系統(tǒng)模型架構(gòu),并利用RTDS 軟件的自定義編程技術(shù)構(gòu)建了穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字化模型,聯(lián)合RTDS 中的電網(wǎng)仿真模塊,實(shí)現(xiàn)了對穩(wěn)控系統(tǒng)控制策略的驗(yàn)證。雖然借助電磁暫態(tài)仿真工具RTDS 實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)控系統(tǒng)仿真的實(shí)時(shí)性,但由于穩(wěn)控模型是策略模型,其本質(zhì)仍然屬于功能性仿真,且毫秒級穩(wěn)控系統(tǒng)仿真和納秒級電網(wǎng)電磁暫態(tài)仿真共用仿真資源,影響了仿真資源的高效使用。因此,需要將電網(wǎng)仿真平臺與穩(wěn)控系統(tǒng)仿真平臺解耦,研究面向復(fù)雜穩(wěn)控系統(tǒng)的全過程實(shí)時(shí)仿真技術(shù)和專用平臺。一方面,借助具有高性能的實(shí)時(shí)仿真平臺或云計(jì)算技術(shù),提供充足的仿真算力,以滿足穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字化仿真對于實(shí)時(shí)響應(yīng)的要求；另一方面,在保留穩(wěn)控系統(tǒng)全過程主要運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上,采用穩(wěn)控系統(tǒng)模型等值技術(shù),優(yōu)化仿真算法,減少仿真計(jì)算量和延遲,提高仿真的實(shí)時(shí)性,保證穩(wěn)控系統(tǒng)模型的動作時(shí)序與真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)一致,滿足穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證的需求。

綜上,開展穩(wěn)控系統(tǒng)高精度建模和實(shí)時(shí)仿真是穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字化仿真驗(yàn)證的前提。由于穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字化模型是對實(shí)際穩(wěn)控系統(tǒng)的抽象,仍然存在丟失穩(wěn)控系統(tǒng)部分信息的可能,無法真正實(shí)現(xiàn)在運(yùn)穩(wěn)控系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室鏡像。為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字化仿真模型與真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)的同步演化,需充分考慮穩(wěn)控系統(tǒng)模型與電網(wǎng)、真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)、直流控制保護(hù)裝置等外部系統(tǒng)的信息交互,通過在模型中增加實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)反饋和校正環(huán)節(jié),將真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)與穩(wěn)控系統(tǒng)模型仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比,實(shí)時(shí)校正穩(wěn)控系統(tǒng)模型的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和狀態(tài),從而使穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字化仿真模型逐步逼近真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)。

3 基于數(shù)字孿生的穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 數(shù)字孿生概述

數(shù) 字 孿 生（digital twin,DT）于2003 年 由Michael Grieves 教授提出［23］。文獻(xiàn)［24］中指出數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新數(shù)據(jù)、歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)等,集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程,在虛擬空間中完成映射,從而反映相對應(yīng)實(shí)體裝備的全生命周期過程。

數(shù)字孿生通常具備3 個(gè)要素：真實(shí)空間、虛擬空間及其之間的連接［23］。文獻(xiàn)［25］在此基礎(chǔ)上提出了數(shù)字孿生五維模型,認(rèn)為完整的數(shù)字孿生由物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、連接、數(shù)據(jù)、服務(wù)五部分構(gòu)成。

數(shù)字孿生在電力行業(yè)也有了初步的應(yīng)用研究。文獻(xiàn)［26］提出了“數(shù)字電力系統(tǒng)”的概念,其本質(zhì)就是數(shù)字孿生電力系統(tǒng)。目前,數(shù)字孿生技術(shù)在斷路器［27］、水輪機(jī)［28］、變壓器［29］等方面已經(jīng)有了一定的研究。

3.2 穩(wěn)控系統(tǒng)的數(shù)字孿生體

廣義上的穩(wěn)控系統(tǒng)通常由布置在調(diào)度側(cè)的穩(wěn)控信息管理系統(tǒng)和廠站側(cè)的穩(wěn)控裝置構(gòu)成,如圖2 所示。廠站側(cè)的穩(wěn)控裝置可分為穩(wěn)控總站、穩(wěn)控主站、穩(wěn)控子站、穩(wěn)控執(zhí)行站等多種類型。穩(wěn)控執(zhí)行站又可以根據(jù)功能分為切機(jī)執(zhí)行站、直流執(zhí)行站、切負(fù)荷執(zhí)行站以及新能源執(zhí)行站等。各層級穩(wěn)控裝置通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與穩(wěn)控信息管理系統(tǒng)進(jìn)行通信。狹義的穩(wěn)控系統(tǒng)僅表示廠站側(cè)的穩(wěn)控裝置。

圖2 穩(wěn)控系統(tǒng)的典型架構(gòu)Fig.2 Typical architecture of security and stability control system

考慮到穩(wěn)控信息管理系統(tǒng)在穩(wěn)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)中臺的作用,面向試驗(yàn)驗(yàn)證的穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體特指數(shù)字空間中與廠站側(cè)的穩(wěn)控系統(tǒng)物理實(shí)體對應(yīng)的數(shù)字模型。為構(gòu)建用于穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證的高精度數(shù)字模型,需要實(shí)現(xiàn)對穩(wěn)控裝置全要素和穩(wěn)控系統(tǒng)全過程主要運(yùn)行特性的精確模擬。

在穩(wěn)控裝置級模型層面,需要從穩(wěn)控裝置全要素功能實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā),分別對穩(wěn)控裝置的數(shù)據(jù)采樣、故障判據(jù)、方式判別、策略搜索、信息通信等功能進(jìn)行建模,構(gòu)建穩(wěn)控裝置通用化模型,實(shí)現(xiàn)裝置級全要素的精確模擬。

在穩(wěn)控系統(tǒng)級模型層面,采用面向?qū)ο蟮慕Ｊ侄?對照待開展試驗(yàn)驗(yàn)證的真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng),充分考慮穩(wěn)控系統(tǒng)的物理拓?fù)淠Ｐ汀幼鬟壿嬆Ｐ秃托畔㈡溌纺Ｐ?對穩(wěn)控裝置級模型進(jìn)行組態(tài)式建模,構(gòu)建模擬穩(wěn)控系統(tǒng)全過程主要運(yùn)行特性的系統(tǒng)級模型。穩(wěn)控系統(tǒng)的物理拓?fù)淠Ｐ褪菍φ照鎸?shí)穩(wěn)控系統(tǒng)中多層、多站的系統(tǒng)架構(gòu),以及穩(wěn)控裝置之間通信通道和真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)與外部系統(tǒng)（如直流控保系統(tǒng)、穩(wěn)控管理系統(tǒng)等）的信息交互,包括各站點(diǎn)裝置級模型、以穩(wěn)控裝置為物理拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的通信連接,以及裝置級模型與外部系統(tǒng)交互的接口；穩(wěn)控系統(tǒng)的動作邏輯模型是指基于真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)控制策略,針對電網(wǎng)和穩(wěn)控系統(tǒng)復(fù)雜交變故障場景做出相應(yīng)控制決策；穩(wěn)控系統(tǒng)的信息鏈路模型是綜合考慮真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)動態(tài)變化以及當(dāng)前故障場景,從故障發(fā)生直到穩(wěn)控措施出口全環(huán)節(jié)中的信息流路徑。

由于穩(wěn)控信息管理系統(tǒng)匯集了穩(wěn)控系統(tǒng)所有的運(yùn)行數(shù)據(jù),可以利用它作為穩(wěn)控系統(tǒng)物理實(shí)體和穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體之間的連接。通過接收現(xiàn)場穩(wěn)控裝置上送的運(yùn)行數(shù)據(jù)和實(shí)測數(shù)據(jù),監(jiān)視裝置和站間通道的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)時(shí)獲取被監(jiān)控系統(tǒng)中線路、機(jī)組、主變壓器等元件的運(yùn)行數(shù)據(jù)、投停狀態(tài)、斷面潮流水平以及開關(guān)位置等信息,并傳輸至穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體,實(shí)時(shí)校正數(shù)字模型的結(jié)構(gòu)、參數(shù)和狀態(tài),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體與穩(wěn)控系統(tǒng)物理實(shí)體的同步演化。

3.3 基于數(shù)字孿生的穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證架構(gòu)

基于數(shù)字孿生的穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證架構(gòu)如圖3所示。在物理空間層面,電網(wǎng)和在運(yùn)穩(wěn)控系統(tǒng)構(gòu)成了真實(shí)世界；在數(shù)字空間層面,電網(wǎng)數(shù)字孿生體與穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體構(gòu)成了虛擬世界,電網(wǎng)數(shù)字孿生體向穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體實(shí)時(shí)傳送電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù),包括電網(wǎng)故障和擾動信息,而穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體則向電網(wǎng)數(shù)字孿生體反饋穩(wěn)控措施,進(jìn)而影響電網(wǎng)數(shù)字孿生體的運(yùn)行狀態(tài)?？紤]到出廠靜態(tài)試驗(yàn)（和/或動態(tài)整組測試）針對的是單一穩(wěn)控裝置或搭建的簡單穩(wěn)控系統(tǒng),仍可以采用常規(guī)的試驗(yàn)方式進(jìn)行,但可以針對穩(wěn)控裝置的全要素模型進(jìn)行驗(yàn)證,完善穩(wěn)控裝置級模型。系統(tǒng)級的試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)合在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建的穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體開展。

圖3 基于數(shù)字孿生的穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證架構(gòu)Fig.3 Architecture of test verification based on digital twin for security and stability control system

在實(shí)驗(yàn)室工程驗(yàn)證階段,針對具體的穩(wěn)控系統(tǒng)工程,以穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體替換全部或部分待測的穩(wěn)控裝置實(shí)物,聯(lián)合電網(wǎng)數(shù)字孿生體開展仿真試驗(yàn)；在試驗(yàn)驗(yàn)證過程中,側(cè)重迭代優(yōu)化穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體中的穩(wěn)控系統(tǒng)動作邏輯模型,并最終實(shí)現(xiàn)用穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體替換全部待測的穩(wěn)控裝置實(shí)物的目標(biāo)。

實(shí)驗(yàn)室工程驗(yàn)證主要針對預(yù)設(shè)場景進(jìn)行,即在電網(wǎng)數(shù)字孿生體中,通過設(shè)定電網(wǎng)運(yùn)行方式和故障的組合,開展預(yù)設(shè)全場景的批量化試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中,穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體實(shí)時(shí)獲取電網(wǎng)數(shù)字孿生體相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù),包括線路、機(jī)組、主變壓器等元件的電壓、電流信號和相應(yīng)開關(guān)的位置信號,通過標(biāo)準(zhǔn)化的投停判據(jù)、啟動判據(jù)、跳閘判據(jù)、直流判據(jù)等確定元件的投停,結(jié)合壓板和定值信息進(jìn)一步確定故障類型、運(yùn)行方式、潮流水平,檢索穩(wěn)控策略表,確定控制措施及控制量,如切機(jī)、切負(fù)荷、直流功率調(diào)制等,并將控制命令傳輸至電網(wǎng)數(shù)字孿生體,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證。通過實(shí)驗(yàn)室工程驗(yàn)證,可以在實(shí)驗(yàn)室初步建立一套與穩(wěn)控系統(tǒng)工程動作邏輯一致的全數(shù)字的穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體。

在現(xiàn)場聯(lián)合調(diào)試階段,主要是進(jìn)行穩(wěn)控系統(tǒng)的通信通道以及功能的正確性檢驗(yàn)。因此,在穩(wěn)控信息管理系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試的基礎(chǔ)上,通過調(diào)度側(cè)穩(wěn)控信息管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場穩(wěn)控系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù),包括現(xiàn)場穩(wěn)控裝置的運(yùn)行狀態(tài)、通信狀態(tài)、裝置定值、策略表定值、壓板信息、控制量等,實(shí)時(shí)修正穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體的運(yùn)行狀態(tài),建立現(xiàn)場穩(wěn)控系統(tǒng)和穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體的正確連接,使穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體能跟隨現(xiàn)場穩(wěn)控系統(tǒng)同步演化。同時(shí),在現(xiàn)場穩(wěn)控系統(tǒng)通道試驗(yàn)和控制策略試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步完善穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體中的物理拓?fù)淠Ｐ秃蛣幼鬟壿嬆Ｐ汀?/p>

在現(xiàn)場傳動試驗(yàn)階段,可以基于穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體,預(yù)設(shè)現(xiàn)場傳動的電網(wǎng)運(yùn)行場景,對現(xiàn)場傳動試驗(yàn)的各種可行方案進(jìn)行推演,優(yōu)化現(xiàn)場傳動試驗(yàn)方案；現(xiàn)場傳動試驗(yàn)過程中,通過進(jìn)一步完善穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體中的信息鏈路模型,實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生體對物理對象更精確的模擬。

上述試驗(yàn)驗(yàn)證流程如圖4 所示。通過在實(shí)驗(yàn)室建立一套與穩(wěn)控系統(tǒng)一一對應(yīng)的高保真穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體,可以開展在運(yùn)穩(wěn)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)跟蹤、在線評估以及故障反演和診斷。

圖4 基于數(shù)字孿生的穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證流程圖Fig.4 Flow chart of test verification based on digital twin for security and stability control system

3.4 穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)

穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生技術(shù)指所有涉及構(gòu)造穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體以及基于此基礎(chǔ)進(jìn)行仿真、分析、預(yù)測和控制的各種技術(shù),主要包括以下方面。

1）在精細(xì)化建模方面,需要研究整合不同來源、不同表達(dá)方式的穩(wěn)控系統(tǒng)模型信息的方法,構(gòu)建知識驅(qū)動和數(shù)據(jù)驅(qū)動相結(jié)合的高精度穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字化模型。

2）在實(shí)時(shí)仿真方面,需要研究全過程實(shí)時(shí)仿真的仿真資源分配和優(yōu)化調(diào)度技術(shù),提高仿真算力,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真。

3）在信息交互方面,需要研究模型與外部系統(tǒng)的信息交互方式,實(shí)時(shí)修正模型的運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體與真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)的同步演化。

4）在可視化方面,需要研究相關(guān)可視化工具和方法,構(gòu)建穩(wěn)控系統(tǒng)及試驗(yàn)演變過程的三維可視化平臺,實(shí)時(shí)顯示真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)和穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體的參數(shù)、狀態(tài)和試驗(yàn)結(jié)果。

5）在信息安全方面,需要充分考慮穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體各環(huán)節(jié)的通信可靠性,建立完整的攻防演練試驗(yàn)環(huán)境,提升通信網(wǎng)絡(luò)安全。

6）在可靠性評估方面,需要建立穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性評估體系,研究可量化的可靠性評估指標(biāo),指導(dǎo)穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性評估和試驗(yàn)方案制定。

4 關(guān)鍵技術(shù)與研究展望

4.1 穩(wěn)控系統(tǒng)精細(xì)化建模和實(shí)時(shí)仿真

穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體不僅保留了穩(wěn)控策略模型,而且增加了穩(wěn)控裝置判據(jù)、裝置模型之間的信息交互,以及模型與真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)之間的信息交互,能夠更加真實(shí)地模擬穩(wěn)控系統(tǒng)的動作特性,提高模型的精度。但在精細(xì)化建模和實(shí)時(shí)仿真方面的相關(guān)研究仍存在不足,需要在以下方面做進(jìn)一步研究。

1）深化人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)與穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體的結(jié)合?；谌斯ぶ悄芎痛髷?shù)據(jù)等技術(shù),構(gòu)建數(shù)據(jù)驅(qū)動的穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體。通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法對真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí),自動更新和迭代優(yōu)化模型,從而提升模型的精確性。

2）實(shí)現(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體與其他領(lǐng)域數(shù)字孿生體的聯(lián)合。穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體可以與其他領(lǐng)域的數(shù)字孿生系統(tǒng)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)的綜合優(yōu)化和協(xié)同控制。例如,通過與電力系統(tǒng)的數(shù)字孿生體進(jìn)行聯(lián)合仿真,開展電網(wǎng)和穩(wěn)控系統(tǒng)相繼故障下穩(wěn)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)模擬、可靠性評估和模型優(yōu)化。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證場景設(shè)計(jì)

人工設(shè)計(jì)試驗(yàn)驗(yàn)證場景的工作量較大,易產(chǎn)生錯(cuò)漏,而人工智能可以按照需求自動生成試驗(yàn)驗(yàn)證場景,特別是一些復(fù)雜場景,并進(jìn)行批量試驗(yàn),從而達(dá)到減輕工作人員的負(fù)擔(dān)、提高試驗(yàn)驗(yàn)證場景設(shè)計(jì)效率的目的,實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)驗(yàn)證的智能化。將人工智能技術(shù)應(yīng)用于穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證場景設(shè)計(jì)需要在以下方面做進(jìn)一步研究。

1）數(shù)據(jù)處理。采集真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)和穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),基于數(shù)據(jù)挖掘、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù),總結(jié)歸納數(shù)據(jù)的特征?；趫鼍霸O(shè)計(jì)需求劃分?jǐn)?shù)據(jù)至不同數(shù)據(jù)集,例如,穩(wěn)控系統(tǒng)檢修、電網(wǎng)故障、裝置異常等場景,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分類存儲。

2）場景生成。構(gòu)建穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證場景生成模型,通過輸入試驗(yàn)驗(yàn)證場景設(shè)計(jì)目標(biāo)和相關(guān)約束,關(guān)聯(lián)對應(yīng)的穩(wěn)控系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)集?；谝延械倪\(yùn)行數(shù)據(jù)庫,結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)或深度學(xué)習(xí)方法,生成新的試驗(yàn)驗(yàn)證場景數(shù)據(jù)。

3）評估優(yōu)化。通過與真實(shí)試驗(yàn)驗(yàn)證場景數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,評估生成場景數(shù)據(jù)的質(zhì)量和合理性,判斷生成的試驗(yàn)驗(yàn)證場景是否符合預(yù)期要求?；谠u估結(jié)果,對場景生成模型進(jìn)行優(yōu)化,提高生成結(jié)果的質(zhì)量和準(zhǔn)確性。

4.3 穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性評估

穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體能夠與真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)同步演化,反映真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài),實(shí)時(shí)評估穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性。通過對穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性的因果進(jìn)行分析,綜合考慮穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性的影響因素,例如,系統(tǒng)配置、信號采集、定值整定、裝置判據(jù)、控制策略、通信通道等［30］?；谟绊懸蛩卦O(shè)計(jì)故障仿真場景,并通過穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體進(jìn)行仿真,以評估不同場景下穩(wěn)控系統(tǒng)的可靠性。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù),基于穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性影響因素對故障事件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,以確定各影響因素的權(quán)重,并進(jìn)行加權(quán)處理,從而評估穩(wěn)控系統(tǒng)的可靠性。

結(jié)合因果分析和數(shù)據(jù)驅(qū)動的穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性評估方法可以對穩(wěn)控系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行全面評估,有助于發(fā)現(xiàn)穩(wěn)控系統(tǒng)的潛在問題和薄弱環(huán)節(jié),確定穩(wěn)控系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)要求,為穩(wěn)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行或升級方案提供參考。

4.4 穩(wěn)控系統(tǒng)沙盤推演

穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體不僅能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)場穩(wěn)控系統(tǒng)的同步演化,還可以人為預(yù)設(shè)仿真場景進(jìn)行穩(wěn)控系統(tǒng)沙盤推演。通過穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體在網(wǎng)絡(luò)安全、方案優(yōu)選和故障反演等方面的應(yīng)用,推動穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體的發(fā)展。

在網(wǎng)絡(luò)安全方面,穩(wěn)控系統(tǒng)中采集、決策、執(zhí)行等不同環(huán)節(jié)也面臨著網(wǎng)絡(luò)攻擊（拒絕服務(wù)、數(shù)據(jù)篡改等）風(fēng)險(xiǎn)［31］。文獻(xiàn)［32］提出一種計(jì)及網(wǎng)絡(luò)攻擊影響的穩(wěn)控系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估方法,能夠量化評估穩(wěn)控系統(tǒng)遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊的影響。穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體可以通過模擬真實(shí)的攻擊行為、安全漏洞等,分析和預(yù)測網(wǎng)絡(luò)攻擊的可能性和影響,進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)和修補(bǔ)潛在的網(wǎng)絡(luò)安全漏洞,從而提高穩(wěn)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)能力。

在方案優(yōu)選方面,針對不同備選方案,設(shè)定優(yōu)化目標(biāo)和量化評估指標(biāo),設(shè)計(jì)方案試驗(yàn)場景,在穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體中開展沙盤推演,選擇評估指標(biāo)最優(yōu)的方案作為優(yōu)選方案。

在故障反演方面,通過對故障進(jìn)行反演,分析故障發(fā)生的原因,有助于研究故障機(jī)理,提升電力系統(tǒng)的可靠性［33］。穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體可以有效模擬真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),開展穩(wěn)控系統(tǒng)的故障反演。基于真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)和穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體的故障數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫,將數(shù)據(jù)按照故障類型分類,并提取、歸納每種故障類型下數(shù)據(jù)的特征。當(dāng)真實(shí)穩(wěn)控系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),將故障結(jié)果數(shù)據(jù)的特征與數(shù)據(jù)庫中故障數(shù)據(jù)特征進(jìn)行匹配,得出可能的故障原因。根據(jù)故障原因生成相應(yīng)的試驗(yàn)場景,并在穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字孿生體中進(jìn)行仿真驗(yàn)證。基于仿真結(jié)果數(shù)據(jù)和故障結(jié)果數(shù)據(jù)的匹配度,得出該故障原因下發(fā)生此故障的概率指標(biāo)。

4.5 異地遠(yuǎn)程試驗(yàn)驗(yàn)證

現(xiàn)有穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證通常包括電網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)和穩(wěn)控系統(tǒng)模型。穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證可以考慮結(jié)合數(shù)字孿生的技術(shù)特點(diǎn),將電網(wǎng)數(shù)字化仿真模型與現(xiàn)場穩(wěn)控系統(tǒng)相結(jié)合,開展穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程閉環(huán)仿真試驗(yàn)。

遠(yuǎn)程閉環(huán)仿真試驗(yàn)可實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下電網(wǎng)仿真模型和遠(yuǎn)方在運(yùn)穩(wěn)控系統(tǒng)的信息交互,并構(gòu)成穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程閉環(huán)試驗(yàn)驗(yàn)證平臺,開展相關(guān)仿真試驗(yàn)。其中,電網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)主要來源于BPA、PSASP、RTDS、ADPSS 等軟件的仿真結(jié)果。文獻(xiàn)［34］針對實(shí)驗(yàn)室無法完成大規(guī)模穩(wěn)控系統(tǒng)仿真的問題,設(shè)計(jì)了一套數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換裝置,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)RTDS 仿真平臺與遠(yuǎn)方在運(yùn)穩(wěn)控系統(tǒng)的信息交互。文獻(xiàn)［35］在此基礎(chǔ)上提出了穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程閉環(huán)仿真方法,研究了遠(yuǎn)程閉環(huán)仿真中信息交互、遠(yuǎn)程通信和信號轉(zhuǎn)換等關(guān)鍵技術(shù),并研發(fā)了穩(wěn)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程閉環(huán)仿真試驗(yàn)平臺。文獻(xiàn)［36-37］以BPA 和PSASP 等常用仿真軟件的仿真結(jié)果為電網(wǎng)數(shù)據(jù)源,聯(lián)合現(xiàn)場在運(yùn)穩(wěn)控系統(tǒng)開展相應(yīng)的仿真試驗(yàn)。

穩(wěn)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程閉環(huán)仿真平臺中的實(shí)驗(yàn)室電網(wǎng)仿真模型與遠(yuǎn)方在運(yùn)穩(wěn)控系統(tǒng)之間的距離較遠(yuǎn),對通信的質(zhì)量和速度提出了較高的要求。需研究高速、低延遲、高可靠性的遠(yuǎn)程通信技術(shù),以提升遠(yuǎn)程閉環(huán)仿真試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

5 結(jié)語

本文梳理了穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證現(xiàn)狀,分析了現(xiàn)有穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字化仿真驗(yàn)證的局限性,提出了基于數(shù)字孿生的穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證架構(gòu),并進(jìn)一步展望了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù),旨在為穩(wěn)控系統(tǒng)可靠性提升技術(shù)的發(fā)展提供一些思考和借鑒。需要強(qiáng)調(diào)的是,雖然目前數(shù)字孿生在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的研究大多在理念層面,但是研究穩(wěn)控系統(tǒng)高精度數(shù)字化模型和實(shí)時(shí)仿真技術(shù),無論對當(dāng)下的穩(wěn)控系統(tǒng)數(shù)字化仿真驗(yàn)證,還是未來基于數(shù)字孿生的穩(wěn)控系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)的發(fā)展,都具有重要意義。未來,需重點(diǎn)關(guān)注穩(wěn)控系統(tǒng)精細(xì)化建模和實(shí)時(shí)仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證場景設(shè)計(jì)、可靠性評估、沙盤推演、異地遠(yuǎn)程試驗(yàn)驗(yàn)證等關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用。