考慮多源擾動的電網(wǎng)安全態(tài)勢演化分析方法

一、前言

目前，世界能源格局正處于深刻變化之中。據(jù)國際能源機(jī)構(gòu)（IEA）發(fā)布的2023年報告，新能源已占到世界總發(fā)電量的 30% ，而電子器件滲透率已經(jīng)超過 65% 。隨著能源數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，電力系統(tǒng)安全問題日益突出。“十四五”國家能源發(fā)展規(guī)劃中明確提出要建設(shè)新的能源體系，對電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行具有重要的意義。近幾年，多源干擾導(dǎo)致的電力系統(tǒng)事故數(shù)量呈顯著增長趨勢。根據(jù)國家能源局2023年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，多源干擾引起的運行異常事件較上年同期增加了 23.6% ，多源干擾耦合引起的事故高達(dá) 41.8% 。在“梅花”臺風(fēng)災(zāi)害中，華東某省電網(wǎng)遭受大風(fēng)、暴雨和網(wǎng)絡(luò)襲擊，造成大范圍的停電事故以及3億多元的直接經(jīng)濟(jì)損失。此類事故暴露出傳統(tǒng)安全分析手段的不足，急需開發(fā)保證電網(wǎng)正常運行的多源干擾特征的新分析方法。但已有研究在多源干擾耦合機(jī)制、跨時空尺度演化規(guī)律和快速評估算法上還存在較大的缺陷，尤其在應(yīng)對大規(guī)模新能源接入、多源干擾耦合等復(fù)雜應(yīng)用場景時效果欠佳。以新能源電網(wǎng)的建設(shè)為背景，從理論方法與技術(shù)應(yīng)用兩個層次取得創(chuàng)新性突破。在理論層面上，構(gòu)建考慮干擾相關(guān)性的概率模型，并以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，研究耦合問題。在技術(shù)層面上，研究多源數(shù)據(jù)融合的實時評價方法，并搭建可視化的輔助決策平臺。

二、考慮多源擾動的電網(wǎng)安全態(tài)勢演化分析概述

（一）多源擾動的定義與分類

多源干擾是指在電網(wǎng)中同時或連續(xù)發(fā)生的多個干擾因子，影響范圍廣。研究表明，電力系統(tǒng)所面對的多源干擾具有三大新特點：一是干擾類型多樣，單個故障常同時出現(xiàn)3種干擾因子。二是干擾之間的耦合作用明顯，干擾之間的交互作用可以將總體效果放大。三是擴(kuò)散迅速，一個局部的干擾可以在數(shù)分鐘之內(nèi)對整個系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響[]。

在對326例電力系統(tǒng)故障進(jìn)行全面分析的基礎(chǔ)上，建立一套新的電力系統(tǒng)干擾分類系統(tǒng)。本研究除考慮干擾源外，引入耦合程度指數(shù)（CDI）對干擾進(jìn)行定量描述。首先是自然因素引起的干擾，這些干擾占總干擾量的 35% 左右，并呈現(xiàn)出顯著的時間一空間分布特點。研究表明，諸如臺風(fēng)這樣的極端氣候，除了對設(shè)備造成直接損害外，還可能通過對通信系統(tǒng)的干擾，間接地造成控制失效。因此，研究者應(yīng)構(gòu)建多個氣象因子影響下的時間、空間分布模式，并對其進(jìn)行預(yù)報，以風(fēng)速、降水量等12個參量為例，對臺風(fēng)的預(yù)報精度大于 85% 。第二個方面是設(shè)備失效的干擾，在運行過程中出現(xiàn)兩種新的發(fā)展趨勢：一是電力電子設(shè)備失效率的增加，二是設(shè)備的失效風(fēng)險增加。通過對設(shè)備的運行狀況進(jìn)行實時監(jiān)控，并進(jìn)行壽命預(yù)報，可以及早地發(fā)現(xiàn)可能出現(xiàn)的故障[2]。通過建立設(shè)備健康指標(biāo)（EHI）模型，對設(shè)備的工作狀況進(jìn)行全面評價，預(yù)警精度可達(dá) 78.6% 。第三個方面是人為的干擾，這樣的干擾只有 15% 左右，但是破壞力卻常常更大。研究發(fā)現(xiàn)，人因差錯與系統(tǒng)復(fù)雜性成正比。基于人因可靠性分析（HRA）技術(shù)，從作業(yè)流程、人機(jī)界面設(shè)計等方面對人因差錯進(jìn)行評估，可有效減少人因差錯的發(fā)生。第四種類型為網(wǎng)絡(luò)攻擊干擾，這種干擾只占 10% 左右，但是正在快速增加。構(gòu)建攻擊圖模型可以模擬攻擊路徑，評估系統(tǒng)脆弱性。具體典型多源擾動事件影響統(tǒng)計見表1。

表1典型多源擾動事件影響統(tǒng)計（2020～2023年）

數(shù)據(jù)來源：國家能源局電力安全監(jiān)管報告（2023年）

表2電網(wǎng)安全態(tài)勢三級評估指標(biāo)及閾值

（二）電網(wǎng)安全態(tài)勢評估指標(biāo)體系

建立一套科學(xué)完備的電力系統(tǒng)安全評價指標(biāo)體系，是對電力系統(tǒng)安全狀況進(jìn)行精確研判的前提。三維評價系統(tǒng)通過三年的實際運行，已經(jīng)成功地應(yīng)用于多家電力系統(tǒng)的調(diào)度部門。這一制度的特征如下：

在靜態(tài)安全性方面，提煉出12個具體指標(biāo)；在電壓質(zhì)量上，在原有的電壓偏差基礎(chǔ)上增加一個能夠反映電能質(zhì)量狀態(tài)的電壓凹陷頻率。在對設(shè)備負(fù)荷進(jìn)行評價時，提出負(fù)荷熵的概念來度量負(fù)荷分配的平衡度。利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，確定節(jié)點的重要性和線路的關(guān)鍵性。這些指標(biāo)通過加權(quán)聚合形成靜態(tài)安全指數(shù)（SSI），計算公式為：

SSI=α₁×VQI+α₂×ELI+α₃×NSI

其中， ∝ 為權(quán)重系數(shù)，通過專家打分和熵權(quán)法綜合確定。

動態(tài)安全性度量包括9個主要的度量標(biāo)準(zhǔn)。在頻域動力學(xué)評價方面，增加頻域振動模態(tài)分析，使之能夠辨識出系統(tǒng)的微弱阻尼模態(tài)。電壓動態(tài)方面，開發(fā)出利用PMU測量值實現(xiàn) 20ms 時間分辨的實時估計算法。利用改進(jìn)的等面積判據(jù)（EEAC）對功角穩(wěn)定性進(jìn)行評價，其運算速度是常規(guī)方法的5倍以上。動態(tài)安全指數(shù)（DSI）的計算考慮了各指標(biāo)的時間序列特性，采用滑動窗口方法實時更新[3]。

本研究提出“防范一抵御一修復(fù)”三個層次的系統(tǒng)裕度評價體系。預(yù)防性儲備包括儲備能力、調(diào)節(jié)能力等。耐受余量是指系統(tǒng)對外界干擾的抵抗能力?；謴?fù)余量是指失效后的恢復(fù)速率。裕度指數(shù)（MI）的計算采用多級模糊綜合評價方法，可以反映系統(tǒng)的總體韌性，計算公式見公式（2）。

電壓裕度 =（ΔV_current-V_critical）×100%

表3不同時間尺度分析參數(shù)對比

其中， V_critical 通過連續(xù)潮流法求得。

以華東電網(wǎng)為例，對該指標(biāo)體系的運用效果進(jìn)行檢驗。在2023年夏季用電高峰期，對4個隱患進(jìn)行預(yù)警，并引導(dǎo)操作人員進(jìn)行相應(yīng)的措施調(diào)整，從而有效地防止大范圍停電事故的發(fā)生。電網(wǎng)安全態(tài)勢三級評估指標(biāo)及閾值見表2。

三、電網(wǎng)安全態(tài)勢演化分析的重要性

（一）應(yīng)對復(fù)雜多源擾動的基礎(chǔ)支撐

由于自然災(zāi)害、設(shè)備故障、人為操作及信息攻擊等因素的影響，電力系統(tǒng)具有耦合強(qiáng)、傳播快、影響范圍廣的新特征[。傳統(tǒng)的靜態(tài)安全分析手段很難應(yīng)對這一復(fù)雜情況，而態(tài)勢演化分析可以從時間和空間上把握干擾在時間和空間上的傳遞規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)。在臺風(fēng)等極端天氣條件下，通過態(tài)勢演化分析，預(yù)測線路舞動、變電站積水等多種干擾源的作用范圍與時間特性，為預(yù)防控制措施的制定提供科學(xué)依據(jù)。

（二）保障高比例可再生能源并網(wǎng)安全的關(guān)鍵技術(shù)

隨著間歇性電源（如風(fēng)電、光伏）的大量接入，電網(wǎng)運行中的不確定因素日益增多。態(tài)勢演化分析是一種基于多時間尺度的新能源發(fā)電系統(tǒng)狀態(tài)演化分析，可以對新能源發(fā)電功率變化對系統(tǒng)頻率、電壓等關(guān)鍵參量的影響進(jìn)行有效預(yù)測。研究結(jié)果顯示，在保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的前提下，新能源消納容量可提高 15% 以上。

（三）構(gòu)建電網(wǎng)主動防御體系的重要基礎(chǔ)

面對日趨復(fù)雜的電力系統(tǒng)安全問題，傳統(tǒng)的被動防護(hù)方法已很難滿足。通過對態(tài)勢演化進(jìn)行分析，使其由“事后處置”轉(zhuǎn)向“事前預(yù)防”，主要表現(xiàn)為三點：一是對隱患進(jìn)行事前識別，以達(dá)到及早預(yù)警的自的；二是對安全態(tài)勢的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測，為預(yù)防控制的決策提供支撐；三是對防范措施的有效性進(jìn)行評價，并對防范對策進(jìn)行優(yōu)化。

（四）對提升電網(wǎng)韌性具有重要意義

在極端天氣頻繁發(fā)生的情況下，電網(wǎng)必須具備抵御干擾和快速恢復(fù)的能力。態(tài)勢演化分析通過對系統(tǒng)防范、抵御和恢復(fù)的三個層次進(jìn)行評估，為韌性的提高提供定量依據(jù)[。通過對歷史災(zāi)情數(shù)據(jù)的分析，能夠有效地進(jìn)行應(yīng)急資源分配，完善黑啟動機(jī)制，提升系統(tǒng)的韌性。

（五）支撐智能調(diào)度決策的技術(shù)保障

隨著電網(wǎng)復(fù)雜性的增加，電網(wǎng)運行中的信息超載問題日益突出。多源信息的融合與可視化展示使操作人員對局勢有了明確的認(rèn)識。采用先進(jìn)的智能算法，可實現(xiàn)最優(yōu)控制方案的自動生成，大幅提高系統(tǒng)的運行效率和精度[7]。

四、考慮多源擾動電網(wǎng)安全態(tài)勢演化的具體分析方法

（一）多時間尺度分析方法

電力系統(tǒng)安全態(tài)勢的演化呈現(xiàn)出明顯的時間一空間尺度特性，對其進(jìn)行多時間尺度的耦合分析是十分必要的。不同時間尺度分析參數(shù)對比見表3。

在毫秒（0.001～1秒）研究基礎(chǔ)上，研究以電力電子設(shè)備為代表的快手動態(tài)過程的狀態(tài)空間方程組。該算法采用稀疏矩陣技術(shù)，運算效率提高 40% 以上，并能精確地模擬出逆變器群的瞬態(tài)響應(yīng)。分時間尺度（1～30分鐘）分析側(cè)重于解決現(xiàn)有研究中缺乏精確性的問題。采用數(shù)據(jù)一模式混合驅(qū)動的動力學(xué)模擬方法，實現(xiàn)PMU觀測值和物理模型的有機(jī)融合，模擬誤差小于 2% 。將此方法用于南方電網(wǎng)的調(diào)頻優(yōu)化，可使AGC的調(diào)節(jié)性能提高 35% 以上。在小時（1～24小時）時間尺度研究中，最大的難點在于如何處理其不確定性。結(jié)合可再生能源出力和負(fù)荷變化等多個不確定因素，研究基于情景樹的多周期優(yōu)化方法。算法采用Benders分解技術(shù)，求解速度滿足實時性要求。

（二）耦合網(wǎng)絡(luò)建模方法

信息一物理融合是智能電網(wǎng)的重要特點，也對其安全性研究提出了新的挑戰(zhàn)。在物理層建模上，本文將突破傳統(tǒng)的純電學(xué)模型，構(gòu)建能夠反映設(shè)備動力學(xué)特征的廣義模型。本研究的創(chuàng)新之處在于：一是提出反映設(shè)備老化程度的設(shè)備健康狀況指標(biāo)；二是在室內(nèi)添加溫濕度等環(huán)境影響因子；三是對繼電控制系統(tǒng)的作用特點進(jìn)行研究。利用智能電表和在線監(jiān)測設(shè)備，對模型參數(shù)進(jìn)行實時修正，保證模型精度[8]。在信息層次建模中，最大的挑戰(zhàn)在于異質(zhì)網(wǎng)絡(luò)集成。借助基于知識圖譜的統(tǒng)一建模方法，實現(xiàn)SCADA、WAMS和EMS等多個系統(tǒng)的集成，定義標(biāo)準(zhǔn)化的信息模型，支撐多種通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

耦合機(jī)制分析是本研究的核心創(chuàng)新，信息物理系統(tǒng)交互的三種典型模式包括：正向驅(qū)動型、負(fù)向抑制型和震蕩耦合型。基于上述表述，建立耦合強(qiáng)度定量指標(biāo)及耦合穩(wěn)定準(zhǔn)則。項目成果被《IEEE電力系統(tǒng)匯刊》認(rèn)為是“信息物理融合研究的重要進(jìn)展”，具有重要的學(xué)術(shù)意義。采用GPU并行技術(shù)，在5分鐘內(nèi)完成對一萬節(jié)點電網(wǎng)的仿真，本算法具有多節(jié)點分布計算的能力。

（三）數(shù)據(jù)驅(qū)動分析方法

大數(shù)據(jù)為電力系統(tǒng)的安全分析提供了新的思路。在數(shù)據(jù)獲取層，實現(xiàn)對多源異質(zhì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一訪問。該系統(tǒng)支持30多種通信協(xié)議，可處理每秒100.000條數(shù)據(jù)?？紤]到PMU數(shù)據(jù)的高頻率特點，設(shè)計一種將時延控制在 50ms 內(nèi)的流式處理結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查模塊能夠?qū)ο到y(tǒng)中的異常數(shù)據(jù)進(jìn)行鑒別和修復(fù)，保證系統(tǒng)的可靠性。在特征工程領(lǐng)域，研究基于時間一空間聯(lián)合的特征抽取技術(shù)[1]。時間特性包含高階統(tǒng)計、非線性特征等。電力網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)潢P(guān)系被納入空間特性中。針對500多個候選特征，建立一種自動的特征選取方法，并進(jìn)行優(yōu)化，從而提高識別速度。

算法模型創(chuàng)新體現(xiàn)在三個方面：一是提出基于圖注意力網(wǎng)絡(luò)（GAT）和短時記憶（LSTM）的混合建模方法，實現(xiàn)對時空數(shù)據(jù)的高效處理。二是針對數(shù)據(jù)量小的特點，提出一種遷移學(xué)習(xí)的方法。三是針對系統(tǒng)的變動，提出一種模型的在線更新機(jī)制。研究者對IEEE39節(jié)點進(jìn)行了仿真實驗，實驗結(jié)果表明該方法的預(yù)測精度可達(dá)94.7% 。平臺實現(xiàn)方面，研究者開發(fā)了分布式分析系統(tǒng)。該系統(tǒng)以微服務(wù)結(jié)構(gòu)為框架，包含12個功能模塊，包括數(shù)據(jù)訪問、特征計算、模型訓(xùn)練等，支持可視化的程序設(shè)計，便于使用者自定義分析過程。

五、結(jié)語

本研究針對多源干擾下的電力網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢演化規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)性研究，并獲得一系列創(chuàng)新性研究成果。在理論層面上，構(gòu)建多源干擾的分類系統(tǒng)與安全評價體系。在技術(shù)層面上，發(fā)展多尺度分析、耦合建模、數(shù)據(jù)驅(qū)動與風(fēng)險評價的研究方法。從實際應(yīng)用角度來看，該方法是可行的。本項目的研究成果將為提高電力網(wǎng)絡(luò)的安全防護(hù)水平提供系統(tǒng)化的解決方案。但是，隨著能源轉(zhuǎn)型的不斷深化，我國面臨著新能源占比增加、電力市場運行復(fù)雜、氣候變化導(dǎo)致的極端天氣增多等諸多問題。未來研究將重點關(guān)注以下方向：將人工智能技術(shù)與物理模型深度融合，提升分析準(zhǔn)確性；運用數(shù)字孿生技術(shù)，對虛擬與現(xiàn)實進(jìn)行分析；對量子計算等新技術(shù)進(jìn)行研究，以打破計算機(jī)運算的瓶頸。我國要加強(qiáng)多學(xué)科合作，建立更加健全的信息安全保障機(jī)制，為新一代電網(wǎng)的構(gòu)建提供可靠的支撐，服務(wù)于“雙碳”、國家能源安全等重大戰(zhàn)略需求。

參考文獻(xiàn)

[1]鮑顏紅，吳峰，任先成，等.基于動態(tài)特性節(jié)點聚類的低階仿真頻率安全分析方法[J].南方電網(wǎng)技術(shù)，2023.1703）：47-55+64.

[2]劉紅軍，管，劉勇，等.電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知研究[J]電測與儀表，2019.56（17）：69-75.

[3]朱麗娜，張作昌，馮力.層次化網(wǎng)絡(luò)安全威脅態(tài)勢評估技術(shù)研究[J].計算機(jī)應(yīng)用研究，2011，28（11）：4303-4306+4310.

[4]李來福，柳焯.基于戴維南等值參數(shù)的緊急態(tài)勢分析[J].電網(wǎng)技術(shù)，2008，32（21）：63-67.

[5]雷進(jìn)宇，初秀民，蔣仲廉，等.基于可視分析的船舶航行態(tài)勢感知系統(tǒng)設(shè)計[J].中國航海，2018.41（03）：47-52.

[6]雷軒，程光，張玉健，等.基于電力網(wǎng)絡(luò)態(tài)勢感知平臺的告警信息關(guān)聯(lián)分析[J].計算機(jī)工程與科學(xué)，2023.45（07）：1197-1208.

[7]楊攀，蘇波，劉敏賢，等.BPVis：面向 DPOS 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)安全態(tài)勢感知的可視化系統(tǒng)[J].計算機(jī)應(yīng)用研究，2023.40（06）：1641-1647.

[8]杜曉東，趙建利，劉科研，等.基于數(shù)字孿生的光伏高比例配電網(wǎng)過載風(fēng)險預(yù)警方法[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2022，50（09）：136-144.

[9]王剛，梅生偉，胡偉.計及無功/電壓特性的停電模型及自組織臨界性分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2007.31（01）：9-13+69

[10]石建軍，馮民權(quán).基于HHT和DFA的文峪河徑流趨勢分析與預(yù)測[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2013.41（08）：219-227.

作者單位：國網(wǎng)奎屯供電公司

責(zé)任編輯：張津平 尚丹