基于數字可視化的智能電網關鍵技術及應用

張寧 劉爽 周曉燕

1．遼寧郵電規劃設計院有限公司；2．國網營口供電公司

本文通過在智能電網中應用數字可視化技術，采用建立數據處理模型、安全風險量化值模型等方式，結合先進計量基礎設施的在線量測數據及電力系統歷史運行數據，進行電力系統關鍵參數的精細化智能計算，通過保護方式及仿真模擬規劃分析，為智能電網的建設決策提供可靠依據。

“十四五”規劃期，電力工業面臨供應電源結構清潔化、電力系統智能化等一系列新形勢、新挑戰。圍繞著國家對電力企業發展決策的總體戰略，各專業領域的技術規范性、智能化數據處理時效性、電力基礎數據分析精度等要求也越來越高。目前，電力通信系統傳輸網絡結構需要進一步優化，通信網絡的帶寬可靠性、安全性需要進一步提高。

基于數字可視化的智能電網關鍵技術在電力系統建設中逐步應用，在數據采集、人工計算分析等設計經驗基礎上，創新建立基于云計算的數據庫模擬平臺，利用數字仿真技術建立三維可視化模型，開創鏈路權重設置算法，通過區分保護方式及仿真模擬規劃分析，制定符合電力通信業務特點的網絡運行方式，為智能電網的建設決策提供可靠依據，保證各維度數據資源的準確性和相關性，為智能電網的建設決策提供可靠依據，為保障電網的安全運行提供有力的通信業務支撐。

1 建立基于云計算的數字仿真三維可視化設計輔助平臺

建立基于云計算的數據庫模擬平臺，利用數字仿真技術建立三維可視化模型，結合基礎設施的在線量測數據及電力系統歷史運行數據，將電力通信網基礎資源映射至三維虛擬環境中，結合各專業技術特點，采用智能算法對源數據進行處理，以直觀的可視化方式得到最優技術改造方案，完成電力通信網絡運維的多元化、多方向全壽命周期智能模擬，通過流程化、智能化、自動化的輔助手段，實現對電力通信系統建設的輔助決策。

平臺對工程建設中由于設備安裝引起的一系列影響進行量化分析，以環境因素、功耗需求、資源協同三個不同維度，計算出現有配套資源的協同情況，并直觀展示。三維仿真可視化平臺計算流程圖如圖1所示：

圖1 三維仿真可視化平臺計算流程圖Fig.1 Calculation flow chart of 3D simulation visualization platform

1.1 環境因素分析

將新增設備尺寸、重量等基礎參數錄入數據分析系統，通過數據庫信息比較，進行設備空間、承重、散熱量需求分析，在三維場景中完成建設后環境模擬，直觀呈現建設成果。機房布局搭建及設備參數分析如圖2所示；機房布局搭建后，即可生成三維的機房模擬空間，三維可視化機房設計模擬如圖3所示。

圖2 機房布局搭建及設備參數分析圖Fig.2 Machine room layout and equipment parameter analysis diagram

圖3 三維可視化機房設計模擬圖Fig.3 3D visual computer room design simulation diagram

1.2 功耗需求計算

通過對新增設備的滿載功耗、實際功耗、引接端子需求等多因素進行分析，結合設備全壽命周期的耗電量變化，模擬現有配電系統負載量的時間變化曲線，對規劃期內電源系統冗余度等多因素進行綜合判定，模擬出工程建設后電源系統的運行情況。

新增設備為單臺設備時，直流電源系統冗余量計算公式為：

R

R

KNx

C

式中：Max—除備用模塊外的最大負載量；K —新增設備平均單板功耗系數；Nx—單板增加數量（N∈1,2,3...）；C—初配實際功耗。

電源系統冗余在單設備功耗增加時的離散曲線如圖4所示：

圖4 電源系統冗余在單設備功耗增加時的離散曲線圖Fig.4 Discrete curve of power system redundancy when the power consumption of a single device increases

同時新增2臺設備時，直流電源系統冗余量計算公式為：

式中：Max—除備用模塊外的最大負載量；K1、K2—新增設備平均單板功耗系數；Nx1、Nx2—單板增加數量（Nx∈1,2,3...）；C1、C2—初配實際功耗。

電源系統冗余在2臺設備功耗增加時的曲線如圖5所示。通過計算得出電源系統負載的極值，便于對建設后的電源容量不足做出及時判斷。

圖5 電源系統冗余在2臺設備功耗增加時的曲線圖Fig.5 Graph of power supply system redundancy when the power consumption of 2 devices increases

1.3 資源協同分析

通過數據庫與電力基礎資源庫的協同管理，新增設備引起的光纜纖芯、端口容量等基礎資源的變化將同步反饋至資產資源庫，及時高效展示網絡優化成效。該平臺功能完善、安全高效，實現可行性研究階段至施工圖設計階段的全過程綜合輔助，極大的縮短了規劃設計時間、節約成本、提高了建設準確率。

2 建立模塊化配電系統建設模型

通過構建“系統-流程-算法”的三維矩陣式模型，將配電網設計中常用但繁瑣的配電網短路、潮流計算、線損計算、無功補償計算、保護整定計算等過程進行模塊化、軟件化、實用化處理，完成配電系統關鍵參數的精細智能仿真計算，構建符合國家和企業標準的規劃設計決策模型，保證各維度數據資源的準確性和相關性，提高數據精度、提升設計效率。模塊化配電設計輔助系統流程如圖6所示：

圖6 模塊化配電設計輔助系統流程圖Fig.6 Flow chart of modular distribution design auxiliary system

平臺具備深度計算、智能關聯、安全高效的特性，方便配電網中較為先進的理論成果的應用，有效加強規劃設計深度、提升建設準確率。該平臺中的矩陣式模塊還可快速復制到其他相同模式的系統中，有助于實現成果的可復制及快速推廣。配電網保護整定模塊過電流保護計算如圖7所示；配電網保護整定模塊定時限過電流計算如圖8所示。

圖7 配電網保護整定模塊過電流保護計算圖Fig.7 Overcurrent protection calculation diagram of distribution network protection setting module

圖8 配電網保護整定模塊定時限過電流計算圖Fig.8 Distribution network protection setting module definite overcurrent calculation diagram

3 結語

數字可視化智能電網關鍵技術研究基于云計算的數據庫模擬平臺，利用數字仿真技術，并通過對電力系統關鍵參數的精細化智能計算，為智能電網的建設決策提供可靠依據，同時取得了鏈路權重設置算法及區塊鏈技術引入等關鍵技術的突破。然而該項目關鍵技術的推廣應用賴于云計算的穩定發展，網絡不穩定等客觀因素會使云應用的性能受到一定的影響，進而影響該項目的應用效果。同時，受限于電力系統數據的實時性及電力專網信息的保密特性，依賴于系統開放及銜接程度，電網的數字可視化分析將具有一定程度的應用局限性。隨著電力全系統智能化的不斷發展及其相關技術的不斷演進，基于數字可視化的智能電網關鍵技術的研究將在未來與變電站設備遠程監測控制技術、線路系統自動測算及切換路由的遠程控制技術、變電站智能化預警與控制技術等技術體系相結合，不斷完善互補，為推進電網全智能化做出更大的貢獻。