基于穩控策略規則庫的電網運行分析預警系統

王衡，姜源，王開科，郭小龍，龐傳軍，宋朋飛

（1．國網新疆電力有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.北京科東電力控制系統有限責任公司，北京 100000）

電力系統安全穩定運行需滿足諸多約束條件，包括：靜態安全約束、靜態穩定約束和暫態穩定約束。這些約束條件具體包括：節點電壓約束、線路或變壓器輸送容量約束、發電機有功出力和無功出力約束等。如果電網運行狀態不滿足約束條件，則會威脅電網的安全穩定運行。電力系統各類穩定問題一般都會以某個穩定限額的形式體現，穩定限額是電網運行過程中為滿足電力系統安全穩定需要，對一個或多個設備集合所允許的功率傳輸極限、功率因數、電壓幅值限制等的規定。斷面限額會隨著電力系統的不同運行方式而產生相應的變化，隨著電網規模的逐漸擴大、電網結構的日益緊密，電網拓撲結構及運行方式復雜多變，給電力系統安全穩定運行帶來了各種問題。

《電力系統安全穩定導則》要求針對電網運行中可能出現的各種運行方式或擾動進行電力系統安全穩定計算，包括電網的靜態安全分析、靜態穩定分析、暫態穩定分析、電壓穩定分析、頻率穩定分析等。根據系統的運行方式、預想故障條件、自動裝置動作情況等各種復雜條件，計算電網安全穩定標準所允許的節點電壓限額、斷面輸送功率限額、發電廠出力限額、功率因數限額等各種穩定限額。這些穩定限額是電網調度運行中的重要參數，運行狀態一旦超出其穩定限額則會影響設備正常運行，或在發生故障時引起其他線路嚴重過載而引發連鎖反應造成大面積停電。

因此，電網調度運行過程中需實時監視各元件、設備或穩定斷面的運行參數，及時發現穩定限額的越限情況，以采取穩定控制措施保證系統的安全穩定運行。

為了減輕調度人員的負擔，有必要研究電網運行分析預警系統。該預警系統是為調度人員提供可視化人機界面，在電網出現緊急情況下，發出告警，并提供相應的解決問題的穩控策略方案。這大大減輕了工作人員的負擔，減少了調度人員在緊急情況下出現失誤的概率。因此，電網運行分析預警系統具有非常廣闊的應用前景。

1 國內外研究現狀

隨著電網規模的擴大對穩定限額管理工作提出更高的要求。首先，新設備的大量應用，互聯電網運行方式和電網穩定狀況復雜多變；其次，開放的電力市場環境下，挖掘電網輸電潛力的需求迫切，電網運行更接近其穩定極限；最后，新疆電網大規模風電機組等清潔能源的集中接入，由于清潔能源出力的波動性和隨機性使得新疆電網的運行方式復雜多變。以上因素均造成電網穩定限額調整頻繁，限額制定工作也越來越精細和復雜。

目前在電網調度運行中穩定限額的管理主要存在以下3方面的問題。

一是難以對穩定規則進行形式化描述，造成電網檢修、運行方式改變或電網結構變化時調度員人工梳理并錄入穩定限額的工作量巨大，甚至已有的調度自動化系統軟件在設計時，未曾考慮到運行方式的變化而需要在代碼層面進行重新開發，以適應諸多運行方式及限額的變更。

二是現有電網監控系統過度依賴于人工經驗，EMS系統雖然具備穩定限額越限報警功能，但具體限額仍需要調度員人工進行維護，即需調度員對當前電網運行方式進行分析和判斷，根據運行方式和檢修工作從穩定規則規定或檢修申請單選取相應穩定限額和監視元件或潮流斷面，并輸入到電網調度自動化系統中以完成是否超越穩定限額的實時掃描，從而實現穩定限額越限報警和預防、校正控制。

三是調度計劃人員在編制日前發電計劃時，需要人工設定編制發電計劃所需的各類約束條件。斷面的穩定限額是重要約束條件之一。目前調度計劃專業人員根據檢修計劃安排，參考穩定規則規定憑人工經驗確定計劃編制過程中需要考慮的斷面約束。

運行方式及穩定限額的多變，使得人工維護電網穩定限額的工作量越來越大，如果需要電網調度自動化系統提供商進行底層開發，則工作將愈加繁瑣且維護周期更長。在電網檢修或臨時運行方式過多時，若穩定限額難以及時維護更新，就容易造成穩定限額與實際運行方式不符，給電網運行帶來潛在風險。同時，過度依賴調度員人工經驗進行運行方式判斷和穩定限額監視斷面選擇也存在安全隱患，尤其當故障條件較為復雜時，容易造成監視斷面的誤選，從而喪失解決電網安全穩定問題的先機。而調度員過多關注穩定限額的維護和監視斷面的選擇等問題，也會導致其工作壓力過大，不利于電網的安全穩定運行。此外，智能電網調度控制系統中的綜合智能告警、發電計劃、自動發電控制（AGC）等多個應用都涉及穩定控制和運行方式信息，運行方式和穩定限額數據的一致性和完整性如果難以保證，將使電網穩定運行存在極大隱患。

目前國內對電網調度預警系統有一定的研究，但大部分研究著眼于如何提供可視化的界面展示電網實時運行信息，但對電網的預警輔助決策卻做得比較少。本項目著重研究當可視化界面產生告警，提示電網出現緊急情況時，能夠在友好的人機界面上顯示出相應的穩控策略，給調度人員做出決策提供參考。

2 系統架構與機制

電網運行分析預警系統的運行架構如圖1所示，其運行機制大致分為如下幾步。

(1)通過SCADA系統和安穩在線管理系統獲取斷面組成及潮流數據，發電廠機組的開停機信息、允切信息、出力狀況。

(2)通過前期的資料查詢、收集及區域電網穩定計算結果，構建電網穩控策略規則庫。

(3)SCADA系統和安穩在線管理系統獲取的實時監測數據，通過調度數據網進行分類匯合后，利用網絡通道上傳到預警系統里。預警系統將得到的潮流信息與電網穩控策略規則庫里的線路功率極限進行比較分析計算后，對區域內所有線路的越限情況嚴重程度進行排序。然后調用數據庫將所有線路與穩控策略規則庫里的相應線路的穩控策略進行匹配。

(4)將排序后的線路越限情況信息傳遞到調度中心，通過構建可視化人機界面，設計不同顏色的長條形框來標示排好序的所有線路的越限情況。利用綠色到紅色的不同深淺來劃分不同線路的越限情況。綠色表示該線路的斷面潮流運行在安全范圍內，深紅色表示該線路的斷面潮流已經越限。從綠色到深紅色，隨著顏色的加深，表示不同線路的不安全距離越大。當想要了解某一條線路的具體越限情況時，只需點擊相應的長條框，隨即彈出相應的窗口顯示該條線路的詳細越限情況。當線路運行在安全狀態時窗口顯示線路的不安全距離。當線路已經越限時，窗口顯示系統推薦的解決此越限情況的穩控策略。另外在顯示框里詳細標明此時的系統運行參數，并用柱形圖來標示此時的系統運行數據在柱形圖上的哪個等級，運行數據越靠近柱形圖的頂部，顏色變得越深，并提示調度人員該采取穩定控制措施使系統運行數據從柱形圖上降到安全范圍。這樣在線路出現越限的緊急情況下，為調度人員提供參考，以便于及時采取控制措施。

(5)可視化人機界面實時刷新預警系統上傳的電網數據信息，當發生線路越限時，發出告警，提示調度人員關注人機界面，處理線路越限的緊急情況。

圖1 預警系統運行機制

3 斷面監控與穩控策略規則庫

斷面監控與穩控策略規則庫是電網運行分析預警系統的重要組成部分，其規則判斷流程如圖2所示。斷面監控與穩控策略規則庫包括如下功能。

(1)穩定限額自適應調整：電網運行方式和斷面潮流的動態監測及穩定限額的自適應調整。

(2)精準可切容量分析：基于運行方式和斷面潮流的精準可切機組及可切負荷容量分析。

(3)實現輸電斷面可視化監測及波動情況分析功能，督促省調提高輸電斷面監控能力。

穩控策略規則庫

穩控策略規則庫是將穩控年度規定，臨時穩控措施，應急穩控措施，進行計算機處理的規范化工作，每一條規則信息包括斷面基本信息，穩控限額的低值高值，判定的條件及規則的性質等。

在建立穩控策略規則庫之前，需分析區域電網的網絡結構和運行條件，利用如PSASP等計算分析工具，對區域電網進行安全穩定分析。這些安全穩定分析主要包括潮流分析、靜態N-1安全分析、檢修情況下安全穩定分析、線路改建的安全穩定問題及相應措施。通過對區域電網進行安全穩定分析計算，并對數據進行分析與整理，得出該區域電網的穩控策略數據。

穩控策略規則庫建立的主要工作包括設備管理、條件編輯和規則編輯。

設備是規則庫中與規則相關的物理設備，設備的類型有線路，機組，變壓器，母線，刀閘，接地刀閘等。

條件是規則的基本元素，一條限額規則是由多個條件組合而成，條件也可以是多個條件的嵌套組成。條件根據書寫表達式形成，表達式中有函數與邏輯關系。函數引用設備管理中的設備編號。用戶通過對話框選取相關的設備編號與自定義的條件參數，可以在嵌套條件中引用其他的條件編號。

穩控策略規則庫，可以在其中增加，刪除，修改指定的規則。條件明細中的值是系統的當前值。提供規則編輯對話框，錄入規則的生效條件，控制要求，限額的高低值等。

圖2 規則庫流程

規則運行可以查看所有規則的運行情況，并分析運行結果。篩選得到條件全部滿足的規則，即是當前運行方式下對應的控制要求。

3.2 斷面編輯與監視

斷面編輯用于設置斷面的線路組成及斷面的屬性。斷面監視提供給調度員斷面相應的實時信息。斷面編輯可以增加刪除斷面，指定的斷面進行線路定義，并將線路的功率與D5000內的數據ID進行關聯。斷面編輯的集成編輯環境用于對斷面組成的線路進行增加與刪除。提供斷面增加對話框，對斷面的各個屬性進行定義，主要屬性有斷面的編號，斷面的功率表達式定義，斷面的描述，有效狀態，啟停狀態等。

在斷面的集中監控管理界面，可以通過右鍵召喚功能對斷面進行各種管理，如過濾所需要的斷面，查看斷面屬性，進行斷面歷史查詢。

3.3 系統報警

電網運行分析與預警系統根據電網運行情況分析后可提供的報警種類分成如下3種：(1)重載報警；(2)限額報警；(3)控制要求報警。

預警系統以不同的顏色標識重載報警的程度。黃色表示高重載，紅色表示越限重載。限額報警是指系統的運行方式或指定的監控條件滿足時，對指定的斷面向操作員提示斷面報警信息，幫助操作員及時了解斷面運行工況。控制要求是指某一條限額要求附帶的控制要求條件，可能有一條或若干條，當控制要求生效或失效的時候會進行系統報警。

4 結語

項目的開展具有積極的科研價值和工程意義, 本項目建立穩控策略規則庫，整合利用SCADA與安穩系統實時數據，分析斷面穩定裕度，應用可視化技術進行系統預警并給出穩控策略。系統投入運行后減輕了電網調度運行人員的工作負擔，提高了其對電網運行態勢的感知與控制能力。

電網運行分析預警系統架構設計合理，功能比較完善，人機界面友好。同時，由于此系統設計具有很好的通用性，可將其廣泛應用在其他調控中心電網調度控制系統中。

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