輸電網(wǎng)運行評估系統(tǒng)在福建電網(wǎng)的實現(xiàn)

劉鎧誠，何光宇，陳睿，黃文英，鄧兆云，鄧勇

(1.清華大學(xué)電機系電力系統(tǒng)國家重點實驗室，北京市100084;2.國網(wǎng)福建電力調(diào)度控制中心，福州市350003)

0 引言

為了使電網(wǎng)運行人員更加明確地了解輸電網(wǎng)的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，并更加有針對性地作出決策，我們需要構(gòu)建一套輸電網(wǎng)運行評估指標體系。

目前，許多專家學(xué)者已經(jīng)從多種角度對指標體系進行研究，提出了指標體系的構(gòu)建思路［1-3］以及針對單一評估目標的指標體系的構(gòu)建方法［4-5］。本文作者基于這些研究，從結(jié)果和原因2個層面出發(fā)，提出了一套系統(tǒng)的輸電網(wǎng)運行評估指標體系的構(gòu)建方法［6］，詳細闡述了結(jié)果評估中的外部需求評估指標集［7］和內(nèi)部安全需求評估指標集［8］的指標選取方法。

基于本文作者在文獻［6－8］中關(guān)于輸電網(wǎng)運行評估指標體系的研究，本文針對福建電網(wǎng)這一具體的輸電網(wǎng)，結(jié)合實際需求，構(gòu)建符合福建電網(wǎng)實際情況的福建電網(wǎng)運行評估指標體系，用于評估福建電網(wǎng)的運行水平。為便于福建電網(wǎng)評估指標體系在輸電網(wǎng)運行調(diào)度中的實際應(yīng)用，開發(fā)了福建電網(wǎng)在線運行分析與輔助決策系統(tǒng)，對評估指標進行實時監(jiān)控，在福建電網(wǎng)初步實現(xiàn)了在線綜合分析與輔助決策。本文將基于普遍適用的輸電網(wǎng)運行評估指標體系，闡述適用于福建電網(wǎng)的評估指標體系的構(gòu)建，介紹福建電網(wǎng)在線運行分析與輔助決策系統(tǒng)的硬件架構(gòu)、軟件架構(gòu)，并給出典型算例表明系統(tǒng)實際運行效果。

1 指標體系的構(gòu)建

首先，根據(jù)福建電網(wǎng)的實際需求和采集數(shù)據(jù)的情況，基于文獻［4］中提出的構(gòu)建輸電網(wǎng)評估指標體系的方法，選取福建電網(wǎng)最為關(guān)心的指標，形成福建電網(wǎng)的運行評估指標體系。

在選取指標的過程中，對其中的各個指標集，作了如下的考慮。

1.1 結(jié)果評估

結(jié)果評估分為對用戶需求、發(fā)電企業(yè)需求、互聯(lián)電網(wǎng)需求、社會需求等外部需求的評估以及對電網(wǎng)公司本身內(nèi)部需求的評估，表1列出了結(jié)果評估的相關(guān)指標。

表1 福建電網(wǎng)運行評估指標體系結(jié)果評估指標集Tab.1 Effect evaluation index set of index system for Fujian Power Grid

(1)外部需求評估指標集。實際運行中，運行人員更關(guān)心外部需求在長時間段內(nèi)總體的滿足程度，在特定斷面短時的電壓、頻率或功率在一定程度內(nèi)的偏差是可以接受的。因而，外部需求評估指標集多數(shù)選取統(tǒng)計時間段內(nèi)的評估指標:電壓、頻率等質(zhì)量需求采用合格率、波動率指標評估;負荷、發(fā)電功率需求采用可靠率、發(fā)電計劃完成率、棄水期裝機滿發(fā)率等指標;聯(lián)絡(luò)線功率根據(jù)評估時段的不同采用CPS1和CPS2指標［9］。根據(jù)福建電網(wǎng)的實際情況，不可調(diào)電源節(jié)點中，僅考慮風(fēng)電節(jié)點的隨機波動，為便于監(jiān)測風(fēng)電出力及時調(diào)控接納，在短期內(nèi)采用出力接納比例評估。

(2)內(nèi)部需求評估指標集。安全需求是否滿足是調(diào)度運行人員最關(guān)心的運行情況之一。風(fēng)險指標能夠反映當(dāng)前電網(wǎng)整體安全情況，并能夠提示最有可能發(fā)生的故障和后果最嚴重的事故情況，提前預(yù)警調(diào)度人員。故有必要在當(dāng)前斷面和統(tǒng)計時間段內(nèi)評估輸電網(wǎng)的安全風(fēng)險，計算電網(wǎng)安全風(fēng)險價值指標和電網(wǎng)安全條件風(fēng)險價值指標。系統(tǒng)的高效性水平一般更體現(xiàn)在統(tǒng)計時間段內(nèi)，故高效需求評估中僅選取統(tǒng)計時間段內(nèi)的指標，包括電能傳輸效率及環(huán)境成本2個方面。

1.2 原因評估

原因評估的基本方法為分解轉(zhuǎn)化。分解即將結(jié)果評估中的表示長時間內(nèi)、總體需求滿足程度的指標，分解為短時間內(nèi)、局部需求滿足程度的指標。表2列出了各分解指標。由于滿足外部需求本質(zhì)上是滿足各節(jié)點上的需求，對于電壓需求、不可調(diào)電源功率需求，有必要采用節(jié)點指標評估局部情況，以便于調(diào)度人員掌握局部信息，根據(jù)運行情況及時作出調(diào)整，具體指標包括節(jié)點電壓合格率、節(jié)點供電可靠率等等。此外，單情景的發(fā)生風(fēng)險指示了最危險的某些情景，而設(shè)備的高效性指標可以為減少損耗的精細化管理提供依據(jù)。

表2 福建電網(wǎng)運行評估指標體系分解指標集Tab.2 Decomposition index set of index system for Fujian Power Grid

轉(zhuǎn)化通常是對決策評估而言，針對單決策，給出了決策評估的指標集，如表3所示。根據(jù)福建電網(wǎng)的實際情況，外部需求中電源出力的波動僅考慮風(fēng)電波動。外部需求的波動情況細化到負荷母線和風(fēng)電節(jié)點處，以便于考察局部需求的變動。決策自身因素方面，考慮各決策周期上的控制決策，對AGC控制策略、經(jīng)濟調(diào)度策略、日前計劃、月度運行方式、年度運行方式等設(shè)立定性指標進行評估，說明其決策執(zhí)行情況及決策合理性。

表3 福建電網(wǎng)運行評估指標體系決策評估指標集Tab.3 Strategy evaluation index set of index system for Fujian Power Grid

2 硬件體系架構(gòu)

福建電網(wǎng)評估的硬件體系結(jié)構(gòu)包含以下幾部分內(nèi)容:應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、客戶端、福建電網(wǎng)FTP服務(wù)器和綜合數(shù)據(jù)平臺。

其中應(yīng)用服務(wù)器用于進行指標的計算、分析，提供輔助決策等，共有2臺，互為備用;數(shù)據(jù)服務(wù)器為用于存放所有指標數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)相關(guān)的模型數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)等，也是共有2臺，互為備用。這4臺服務(wù)器為指標體系專用服務(wù)器。

福建電網(wǎng)FTP服務(wù)器和綜合數(shù)據(jù)平臺為福建電網(wǎng)已有服務(wù)器，用于為指標體系提供相關(guān)的數(shù)據(jù)支持。客戶端為各部門人員的工作站或PC機，用以運行界面程序。

硬件體系架構(gòu)如圖1所示。

3 軟件體系架構(gòu)

項目軟件主要分為后臺數(shù)據(jù)支持和前臺可視化2個方面的內(nèi)容。其中后臺基于OSGi［10］+SOA機制組織，而前臺可視化則是基于Swing Java Builder、JFree Chart和Jide技術(shù)開發(fā)實現(xiàn)，后臺與前臺之間的數(shù)據(jù)交互通過HTTP+Hessian實現(xiàn)。后臺框架基于以下2個目的進行組織:(1)計算、存儲、讀取指標，為前臺可視化提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)支持;(2)為輔助決策的事件機制［11］提供相關(guān)服務(wù)。

圖1 硬件體系架構(gòu)Fig.1 Hardware architecture

軟件體系架構(gòu)如圖2所示，包括了數(shù)據(jù)庫服務(wù)、指標緩存服務(wù)、指標查詢服務(wù)、狀態(tài)估計數(shù)據(jù)服務(wù)、調(diào)度作業(yè)服務(wù)、指標體系配置信息服務(wù)、事件信息管理服務(wù)、http服務(wù)和Hessian等多個相關(guān)服務(wù)，以下具體闡述其功能和實現(xiàn)方式。

(1)數(shù)據(jù)庫服務(wù)。

本系統(tǒng)需要用到2個數(shù)據(jù)庫服務(wù):指標體系數(shù)據(jù)庫服務(wù)，福建電網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)。指標體系數(shù)據(jù)庫服務(wù)是指標體系的專用數(shù)據(jù)庫服務(wù)，提供的是針對系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的讀寫，負責(zé)存儲指標體系所需要的各種數(shù)據(jù)，所有前臺可視化要展示的指標信息都要進入此數(shù)據(jù)庫，指標體系的一些配置信息也由本數(shù)據(jù)庫存儲。福建電網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺數(shù)據(jù)庫服務(wù)，負責(zé)處理指標體系與福建電網(wǎng)已有數(shù)據(jù)之間的交互，例如讀取福建電網(wǎng)已有指標，讀取計算指標所需要的一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等等。

(2)指標緩存服務(wù)。

指標緩存服務(wù)是指標體系運行效率的重要保證。將一些常用的指標信息放入內(nèi)存，當(dāng)前臺可視化需要這些信息時直接返回相關(guān)數(shù)據(jù)即可，而不需要進行相關(guān)的數(shù)據(jù)庫操作，這樣能夠節(jié)省大量的時間。

(3)指標查詢服務(wù)。

指標查詢服務(wù)是負責(zé)所有指標查詢相關(guān)的功能。它直接與數(shù)據(jù)庫服務(wù)進行交互，在應(yīng)用層與數(shù)據(jù)庫之間增加1層，一方面保證了數(shù)據(jù)庫的安全穩(wěn)定，另一方面也使得程序?qū)崿F(xiàn)更加清晰。

(4)狀態(tài)估計數(shù)據(jù)服務(wù)。

狀態(tài)估計數(shù)據(jù)服務(wù)，定時讀取福建電網(wǎng)FTP上的狀態(tài)估計結(jié)果(E格式文件)，通過格式轉(zhuǎn)換得到潮流斷面等相關(guān)系統(tǒng)運行信息，對外提供數(shù)據(jù)接口，為高級應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。與之密切相關(guān)的是福建電網(wǎng)FTP資源，這是狀態(tài)估計結(jié)果的提供平臺。

圖2 軟件體系架構(gòu)圖Fig.2 Software architecture

(5)作業(yè)調(diào)度服務(wù)。

作業(yè)調(diào)度服務(wù)負責(zé)處理一些與時間相關(guān)的任務(wù)，例如指標的定時計算，狀態(tài)數(shù)據(jù)的定時讀取和處理等等。

(6)指標體系配置信息服務(wù)。

指標體系配置信息服務(wù)負責(zé)指標體系配置相關(guān)的數(shù)據(jù)服務(wù)，例如當(dāng)前體系有哪些結(jié)果評估指標、分別對應(yīng)著哪些原因評估指標，有哪些看板，各個看板分別包含哪些指標及其對象的相關(guān)信息。與之密切相關(guān)的是YAML格式的配置文件，它同時還與指標體系數(shù)據(jù)庫進行交互。

(7)Http服務(wù)和Hessian。

Http服務(wù)和Hessian共同構(gòu)成了遠程調(diào)用的技術(shù)基礎(chǔ)，用于滿足可視化模塊和指標體系管理模塊的數(shù)據(jù)需求。指標體系配置信息服務(wù)、指標查詢服務(wù)，事件信息管理服務(wù)均通過Http和Hessian進行注冊，以保證遠程模塊能夠通過Http獲取相關(guān)數(shù)據(jù)服務(wù)。

相關(guān)功能模塊可以分為遠程功能性模塊和事件機制模塊2類，具體介紹如下:

(1)遠程功能性模塊。

遠程功能性模塊主要包含2個內(nèi)容:可視化模塊、指標體系管理模塊。可視化模塊是整個系統(tǒng)最重要的模塊之一，它將整個指標體系以一定的可視化方式展示出來，不但包括指標體系本身的可視化還包括基于指標體系的事件驅(qū)動機制的可視化。指標體系管理模塊主要負責(zé)指標體系的修改，包括指標的添加和刪除，結(jié)果評估指標及原因評估指標的修改，指標體系對象的維護等。

(2)事件機制模塊。

事件機制模塊由一系列模塊組成，如圖3所示，包括指標計算、指標監(jiān)視和事件處理模塊(稱為核心模塊)，還包括為這些模塊提供相關(guān)數(shù)據(jù)服務(wù)的服務(wù)性模塊(圖3中沒有表示出來)。

整個事件機制可以通過圖3詳細展現(xiàn)出來，圖中展示了事件機制實現(xiàn)的3個事例，將系統(tǒng)中所有的控制模式都統(tǒng)一到這一框架之下。事件發(fā)現(xiàn)層負責(zé)通過綜合指標體系在整個系統(tǒng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)事件，避免信息孤島事件的發(fā)生;事件分析層負責(zé)通過數(shù)據(jù)挖掘等方式在整個系統(tǒng)內(nèi)查找引起問題的根本原因;事件處理層負責(zé)協(xié)同控制所有可控資源，形成整體最優(yōu)的解決方案。

圖3 事件機制示例Fig.3 Example for event mechanism

4 系統(tǒng)運行實例

限于篇幅所限，無法全面展現(xiàn)系統(tǒng)的運行情況，因此本節(jié)選取了電網(wǎng)實際運行中2個常見的越限場景:重要斷面功率越限和電壓越限，以此來說明該系統(tǒng)的運行機制。

(1)重要斷面功率越限。

將重要斷面的輸送功率抽象成指標，根據(jù)上述事件機制組織整個輔助決策流程。監(jiān)視到重要斷面功率越限后，記錄越限額，基于靈敏度(轉(zhuǎn)移分布因子)的思想調(diào)整發(fā)電機的有功出力，消除線路越限。

功率越限決策流程見圖4，以500kV福州—東臺雙線斷面為例，線路功率限額為700MW。

(2)電壓越限。

將重要節(jié)點電壓抽象為指標，指定其上下限。監(jiān)視到某重要節(jié)點電壓越限后，啟動最優(yōu)潮流模塊，將各個節(jié)點電壓的限值轉(zhuǎn)化成最優(yōu)潮流的約束條件，同時數(shù)據(jù)可控發(fā)電機節(jié)點及其對應(yīng)的無功輸出上下限，目標函數(shù)為網(wǎng)損最小。經(jīng)過最優(yōu)潮流得到各個可調(diào)發(fā)電機節(jié)點的端電壓的調(diào)節(jié)量。這樣得到的策略，施加到系統(tǒng)控制后，一方面消除電壓越限，一方面使得當(dāng)前系統(tǒng)處在網(wǎng)損最優(yōu)的狀態(tài)。

以泉州變電站35kV側(cè)1號節(jié)點電壓越限為例說明:在某個時刻，泉州變電站35kV側(cè)1號節(jié)點電壓為36.66kV，該節(jié)點電壓上限為36.4kV，電壓越上限。

圖4 功率越限決策流程圖Fig.4 Flow chart of strategy for power flow over limit

調(diào)用最優(yōu)潮流消除越限并優(yōu)化網(wǎng)損，得到的控制策略見表4。

控制效果為:在優(yōu)化控制前，主網(wǎng)架網(wǎng)損為119.76MW，泉州變電站35kV側(cè)1號節(jié)點電壓為36.66kV;優(yōu)化控制后，主網(wǎng)架網(wǎng)損變?yōu)?13.67MW，泉州變電站35kV側(cè)1號節(jié)點電壓變?yōu)?6.36kV。可以看出，優(yōu)化控制起到了消除電壓越限的效果，同時對網(wǎng)損也進行了一定優(yōu)化。

表4 電壓越限控制策略Tab.4 Control strategy for voltage over limit

5 結(jié)論

本文所述的福建電網(wǎng)在線運行分析與輔助決策系統(tǒng)，是輸電網(wǎng)運行評估指標體系在實際電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。由文中所列的典型算例可以看出，該系統(tǒng)可以準確地反映電網(wǎng)的運行狀態(tài)，監(jiān)測和分析電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié);而系統(tǒng)所提供的輔助決策，對提高電網(wǎng)的安全性、經(jīng)濟性等也都具有顯著效果。這也說明作者所提出的輸電網(wǎng)運行指標體系，其構(gòu)建方法是科學(xué)、合理的，可以有效地指導(dǎo)電力系統(tǒng)的運行實踐。

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