電網應急演練推演系統的研究與實現

賈雷亮，申衛華，楊選懷，高　峰，王明松

（1.國網山西省電力公司，太原　030001；2.北京科東電力控制系統有限責任公司，北京　100192）

電網應急演練推演系統的研究與實現

賈雷亮1，申衛華1，楊選懷2，高峰2，王明松2

（1.國網山西省電力公司，太原030001；2.北京科東電力控制系統有限責任公司，北京100192）

應急演練是電網應急管理的重要環節，針對電網應急演練的業務需求，提出了電網應急演練推演系統。介紹系統的體系架構、組成和功能，著重闡述了應用流程設計，以及面向應急演練的電力系統數字化仿真、應急主體承災模型量化分級、演練推演引擎等關鍵技術及其實現方法，研制的應急演練推演系統功能更加完整，可用性更好。

應急演練；推演引擎；電網；數字化仿真

0　引言

電網應急演練是電力應急管理的重要環節，不僅可以對應急指揮人員和處置人員進行培訓，還可以對應急預案進行測試和驗證，從而為應急體系建設提供合格的技術人才，并促進應急體系的不斷完善和持續提升。但是目前在應急演練管理和能力建設工作中還面臨著諸多挑戰，如缺乏覆蓋全部演練業務流程的一體化演練系統，缺乏電力系統數字化仿真的模型和數據支撐，缺少災害場景與應急主體受損的量化映射等問題，導致應急演練推演系統功能不完整，僅僅局限于流程演練，演練效果較差。

國內部分研究者基于多智能體技術和高層體系結構平臺技術開發了一些應急推演系統［1-12］，但系統多側重在應急指揮流程的仿真，沒有對電網相關主體進行機理性仿真，不能為應急指揮決策提供數據支撐。還有研究者在應急演練中加入了災害場景、搶修現場等三維場景仿真［13-16］，在演練系統的可視化和逼真度方面取得了一定成效，但是對電網應急指揮及搶修各環節的聯合仿真問題考慮不足。

基于上述分析，迫切需要開發基于電力系統數字仿真和災害仿真，覆蓋所有演練業務流程并且能夠把災害場景與應急主體承災進行量化建模的綜合演練系統，完善和提升應急演練推演系統的功能和演練效果，為應急演練人員培訓和應急方案驗證提供先進、可靠的工具。

提出電網應急演練推演系統的平臺架構，以電力系統數字化仿真為基礎，結合電網應急主體承災仿真、應急演練推演引擎和GIS態勢展示，對整個電網應急演練過程進行推進和可視化展示，提高了電網應急演練系統的逼真度和可用性。

1　電網應急演練推演系統的組成及功能

電網應急演練推演系統采用層次化體系結構，系統總體架構如圖1所示，共分為基礎層、平臺層、業務支撐層、應用層和用戶層。

圖1　電網應急演練與仿真推演系統體系結構

基礎層。該層主要包含電力GIS地理信息數據，電網相關生產系統，應急物資信息數據，倉儲物流信息數據，重要用戶數據，氣象災害數據，社會網絡信息，政府、電廠、電網、主要用戶等發布的相關應急管理文件等，應急指揮的組織結構及人員信息，已有的數字化演練方案和腳本，由系統錄播的演練歷史記錄，還包括應急演練系統必需的基礎網絡。

平臺層。該層主要集成一體化電網建模環境、虛擬場景開發引擎、仿真數據管理、應急推演引擎、GIS服務引擎、基礎信息管理等組件構成了分布式、交互式應急演練與仿真推演支撐平臺。

業務支撐層。該層主要包括仿真運行支撐、推演支撐、基礎支撐等3大部分。

仿真運行支撐主要包含電網仿真、變電仿真、設備災變仿真、災害場景仿真、多智能體仿真以及綜合輔助決策等。

推演支撐主要包括演練方案腳本的腳本解析模塊，對接演練導調控制的任務控制模塊，觸發仿真模塊、三維場景、時空態勢標繪及流程動態標繪的作業執行模塊，記錄導調控制指令、演練消息、仿真結果、三維場景等重要信息的過程記錄模塊。

基礎支撐主要包括用于提供位置和數據服務的電力GIS模塊和用于展示應急演練進程的應急態勢模塊。

應用層。該層主要包括演練資源管理、演練方案設計、演練過程導調控制、多角色交互演練、災害及應急場景綜合展示、基于電力GIS的時空態勢展示、演練流程動態展示、演練過程錄播、綜合演練評估以及演練輔助管理等功能應用。

用戶層。系統設定的主要角色包括演練策劃人員、導調人員、參演人員、評估人員及觀摩人員等，在應急演練場景中出現的其他角色如媒體、政府部門、電力用戶等角色則通過多智能體來模擬實現。

2　系統應用流程設計

應用流程設計是推演系統能否支撐全過程演練的關鍵，應用流程既要與現有的應急演練過程保持一致，又要能夠簡化落實到系統模塊中。本系統按照應急演練業務過程涉及的人員角色，對演練資源管理、演練方案設計、演練導調控制、多角色協作（演練指揮和演練處置）、演練評估和演練輔助管理等主要環節的業務流程進行重建，很好地實現了應急演練工作的全過程仿真。系統應用流程如圖2所示，圖中的數字表示流程步驟，詳細的描述如下。

在演練培訓開始之前，演練策劃人員參照演練計劃，組織相應的參演目標、參演范圍、參演人員等。通過演練資源管理模塊，從應急指揮系統中共享演練方案、應急預案、人員組織、物資裝備、歷史應急案例等資源和數據，作為演練過程中可參考的信息使用。

演練策劃人員根據演練的目標和場景，利用演練腳本管理模塊，將需要進行部分或者整體演練的方案進行腳本化，編制出相應的演練腳本。腳本中包含突發事件、參演規模、分組配置、評估標準等信息。

演練導調人員通過演練導調控制模塊，發布演練腳本，按照事先準備好的演練規模和分組形式，啟動應急演練。演練過程由演練腳本驅動，演練導調人員也可以通過演練導調模塊對演練進行控制，包括突發事件的設置。

演練指揮人員通過演練指揮模塊，根據演練腳本的當前控制消息，分配相應的工作給演練實施小組，共同完成腳本要求的演練任務。這一過程在演練導調人員的監視控制之下進行。演練指揮人員的應急指揮工作過程將被演練過程錄播模塊記錄下來。

演練實施人員通過演練操作模塊，根據演練腳本傳遞的信息，根據指揮人員的工作分配，完成相關的應急處置工作，包括預警管理、信息報告、應急響應等。這一過程也在演練導調人員的監視控制之下進行。每位演練實施人員的應急處置工作過程也被演練過程錄播模塊記錄下來。

圖2　系統應用流程

應急指揮和各實施小組的演練情況，由演練評估模塊經過初步數據整理后提供給相關的應急評估人員，參照演練腳本提供的評估標準，進行相應的評分。

演練過程記錄和評估結果通過演練輔助管理模塊形成演練總結報告。

演練總結結束階段對演練過程產生的演練總結報告、演練評估、演練方案和腳本等資料進行規范管理，便于用于培訓和參考。

3　面向電網應急演練的電力系統數字化仿真

電力系統數字化仿真是構建高逼真的電網應急演練仿真環境的基礎，以電網數學模型和電力設備模型為對象，采用動態潮流仿真技術，實現各種工況下的電力系統行為的仿真，為推演系統中其他模塊提供真實的數字仿真信號，并接受應急演練人員對電力系統的控制及操作，模擬電網的運行態勢，驗證應急處理措施的正確性。

電力系統數字仿真與主體承災、災害場景仿真、多智能體仿真等模塊聯合運行，實現電網應急演練的演練場景，圖3為電力系統數字仿真原理，圖中給出在系統運行過程中核心仿真應用交互關系及關鍵數據流圖，系統的聯合運行過程如下。

初始化。電力系統實時仿真引擎從仿真建模軟件或歷史教案讀取電力系統模型及運行數據，經過初始化后，進入電力系統數字仿真運行模式，電力系統實時仿真引擎作為聯合仿真系統的引擎，按照設定的仿真時步持續推進仿真系統，在此過程中通過平臺服務周期性發送仿真結果，同時，監聽其他模塊的輸入事件并進行處理。

圖3　電力系統數字仿真原理

各仿真應用加入聯合仿真階段。電網調度控制中心仿真、變電站仿真、仿真平臺服務代理等應用模塊通過平臺的仿真應用管理服務接口函數，申請加入聯合仿真系統，并接收平臺的同步管理，實現分布式環境下的加入和同步。

各仿真應用交互階段。電網調度控制中心仿真、變電站仿真、面向應急虛擬仿真平臺服務代理等應用模塊通過調用平臺的聲明管理服務接口函數，訂購自己關心的電力系統仿真及分析結果或信息，同時，也可通過平臺發布各個仿真模塊自己生成的仿真數據；在交互過程中，各仿真應用模塊通過調用平臺的數據分發管理接口服務，進行大量仿真數據或事件的分發和交互，平臺通過數據過濾技以緩解仿真系統對于網絡帶寬和計算量的要求。數據過濾能夠確保 “特定的數據在特定的時間被送到特定的地方”。比如，仿真引擎通過數據采集仿真將計算所得到的某電網或變電站遙測、遙信數據通過平臺發送到感興趣的調度自動化或變電站仿真應用，變電站仿真模塊的就地操作指令通過平臺發送給仿真引擎。

聯合仿真時鐘統一推進。各仿真應用模塊通過調用時間管理接口函數，使各類仿真應用模塊嚴格按照統一時步向前推進，確保仿真事件或信息能以正確的因果順序在仿真應用間傳遞。

各仿真應用退出聯合仿真階段。各類仿真應用模塊通過平臺的仿真應用管理服務接口函數，申請退出聯合仿真系統。

4　電網應急主體承災仿真

電網應急演練過程的逼真程度和演練效果取決于電力系統數字仿真和災害仿真的機理模型的準確性，以及災害對電力系統設備和人員的物理損害建模精度。常規變電站仿真中通常也有典型事故仿真，如變壓器漏油、六氟化硫泄漏等，但是這些仿真都只是針對某一個設備單獨進行故障設置和仿真的，而不是從區域性宏觀災害直接關聯到設備物理模型，然后根據設備自身的承災模型將損害程度映射到設備電氣模型的故障。

因此，有必要根據電網、設備、人員的個性特點，綜合考慮環境、氣象等因素，建立電網、設備、人員等主體的承災模型，然后將主體承災模型與常規事故模型在仿真支撐平臺的管理下進行交互仿真，并實現事故表現、電氣物理狀態和電網運行狀態的協調表現與有效融合，達到最佳的仿真培訓效果。

系統中考慮受害主體在不同級別事故下的承受能力，對其人員的受害特征，設備受損的物理特征及電氣狀態，給出合理的量化標準，并建立分級量化分析表。根據這些量化表進行建模可以簡化建模復雜度，提升仿真效率。

系統定義了電網設施、人員、變電站設備等對象的受害量化表，用于描述對象的受害程度。部分主體損害分級情況如表1～3所示。

受損量化等級可以根據仿真精細程度的需要進行更多層級的劃分，針對每種受災主體其劃分標準不盡相同，但考慮到系統仿真的復雜程度與應急演練實際需要，本文中只定義了從綠色到紅色的4個等級，分別代表從完全正常、輕微損壞、中度損壞到完全損壞。表3中只對變壓器、母線、隔離開關、斷路器等變電站設備列舉出來，按照完全不受影響、輕度影響但可快速修復、中度影響且無法快速修復、重度影響需要更換設備4個等級進行劃分得出。

表1　電網設施宏觀受害量化表

表2　人員受害量化表

表3　變電站設備受損量化表

5　演練推演引擎設計

演練推演引擎是對整個應急演練系統進行調度、控制和數據記錄的軟件系統，其功能是驅動整個電網應急演練系統按照推演劇情進行推演。其邏輯組成主要包括腳本解析、任務控制、作業執行、過程記錄4部分。

圖4　推演引擎結構

腳本解析。推演引擎需要解析由演練方案設計工具生成的xml格式的演練方案腳本，并將腳本加載到任務控制和作業執行模塊中。

任務控制。在腳本加載完成后，引擎接收并執行演練導調控制工具下達的任務命令，如啟動/暫停/終止演練，或者增加/刪除某個演練進程。

作業執行。在演練過程中，引擎根據演練角色執行的處置措施觸發仿真運行支撐模塊進行電網及設備仿真運算、三維場景渲染或者時空態勢標繪。同時還要根據演練方案中的規則判斷流程執行情況，并驅動演練流程圖進行動態顯示。

過程記錄。引擎需要對演練過程中的導調控制指令、各演練角色之間傳遞的消息、電網仿真模塊的關鍵計算結果、三維仿真的場景切換、時空態勢展示的重要信息等進行時序記錄。記錄詳細完整的演練關鍵過程，一方面是提供給演練過程記錄模塊利用其將參演角色的操作畫面、仿真運行畫面、時空態勢變化等進行串聯起來，能夠更加豐富完整的重新演練過程；另一方面也提供給演練評估模塊便于其能夠對關鍵的演練進程進行系統評估。

6　結語

研究了電網應急演練的有關問題，設計實現了與實際應急演練過程完全一致的演練流程，并以電力系統數字化仿真為底層支撐，模擬應急狀態下電網的運行態勢，可以對應急演練過程中的各種應急操作進行響應，不僅能用于應急流程的演練，還能夠用于應急方案的驗證，大大地提升了系統的可用性。

根據電網、設備、人員的特點建立了相應的主體承災模型，并對承災主體進行了受災量化分級，能夠更好地展現不同災害程度下承災對象的運行狀態，具有更好的沉浸感。

后續應對災害場景仿真、多智能體仿真、應急流程動態展示等繼續進行探討和研究。

［1］竇志武.基于高層體系結構（HLA）分布交互仿真的應用方法研究［D］.大連：大連理工大學，2006.

［2］韓曉光.HLA在電網聯合培訓仿真中的應用［D］.武漢：華中科技大學，2006.

［3］楊選懷，林昌年，王國平，等.基于高層體系結構的電力系統綜合仿真平臺［J］.電網技術，2009，33（11）：98-103..

［4］楊峰.電網分布式培訓仿真系統關鍵技術研究［D］.武漢：華中科技大學，2011.

［5］鄭延海，楊勝春，姚建國，等.區域電網聯合反事故演習的實現方案［J］.電力系統自動化，2005，29（11）：77-81.

［6］鄢超波，賴華貴，趙千川，等.多智能體并行仿真框架［J］.系統仿真學報，2010，22（1）：191-195.

［7］徐楊，李響，譚若晨，等.大規模多智能體仿真平臺設計方法的研究［J］.中國科學技術大學學報，2012，42（8）：617-622.

［8］張芳.基于信息熵的多智能體態勢推理算法研究［D］.西安：西安電子科技大學，2013.

［9］康云鵬.應急響應演練系統中適應性技術分析與設計［D］.濟南：山東大學，2013.

［10］邵鵬.基于模擬演練系統智能體的設計與實現［D］.北京：中國科學院大學，2014.

［11］張峰，魯法明，陳新，等.一種B/S結構的應急模擬演練系統［C］.3rd International Conference on Computational Intelligence and Industrial Application，2010.

［12］傅仁軍.基于3DGIS技術的電力應急演練系統的設計與實現［D］.北京：北京工業大學，2012.

［13］郭志星，廉東本，蘇謨.應急演練角色系統［J］.計算機系統應用，2013，22（3）：25-28.

［14］周柏賈.分布式虛擬仿真地震應急演練技術研究［D］.北京：中國地質大學，2013.

［15］李力雄.基于Agent的應急預案流程建模和仿真演練［D］.天津：天津大學，2010.

Research and Implementation of Power Grid Emergency Drill and Simulation System

JIA Leiliang1，SHEN Weihua1，YANG Xuanhuai2，GAO Feng2，WANG Mingsong2
（1.State Grid Shanxi Electric Power Company，Taiyuan 030001，China；
2.Kedong Power Control System Company Limited，Beijing 100192，China）

Emergency drill is an important part of the power grid emergency management.An emergency drills deduction system for the power grid is proposed according to its function requirements.We introduce the system architecture，composition and function，while focusing on the application process design，power system digital simulation for emergency drills，model quantitative classification of emergency body，deduction engines，and other key technologies and their implementation method.Practical results show that functions of the system are more complete and have better availability.

emergency drill；deduction engine；power grid；digital simulation

TM732

A

1007-9904（2016）01-0010-05

2015-10-26

賈雷亮（1971），男，高級工程師，從事應急管理工作。