電網新設備啟動方案智能編制系統的研究

任沖,牛拴保，柯賢波，王彬，王智偉，程林

(1.國家電網有限公司西北分部，西安 710048； 2.清華大學 電機工程與應用電子技術系，北京 100084)

0 引 言

近年來，隨著電網規模的不斷擴大，網架結構逐漸增強，裝機容量快速增加。設備啟動方案的編寫和審核作為一類具有特殊性質的工作，長期以來，啟動方案的編制都是完全依靠人工書寫的方式，工作量很大，缺少防誤措施，且無法充分利用調度自動化系統的先進技術[1-3]。通過人工編寫新設備投運方案要求參與編制的工作人員需具備豐富又扎實的專業知識，熟練掌握系統運行狀態及方式、各廠站的基本結構以及電力工程建設的各項有關規定等，對人員專業素養要求極高。所形成的方案編制準則以及所構建的知識體系是依靠編制人員長期摸索而形成的，若不能對其進行完整記錄，則會隨著人員的流失而損失[4]。此外，對于每一個新編制的新設備投運方案需要經過多方的審核會簽，如果不能對整個投運方案進行直觀地模擬演示，則增加了審核人員的理解難度，無法全面考慮到可能存在的安全隱患，增加了投運的風險[5]。因此，如何提升新設備投運方案的智能化、規范化水準對于提升駕馭復雜電網的能力具有重要意義[6-7]。

國內外研究學者對智能化設備管理方案展開了大量的研究工作。文獻[8]通過數學分析方法，基于享元模式思想、預定義及自定義算法、常用參量與實測參數校核方法提出了一種電力系統設備參數校核方案，在實際應用中顯著提升了設備參數的智能化管理水平；文獻[9]提出一種基于無線射頻識別電子標簽技術的設備管理方法，以非接觸式信息讀取方式對電力設備進行全壽命周期監控，同時實現設備數據的自動記錄，有效提升了電力設備全壽命周期管理的智能化水平;文獻[10]應用大數據技術對電力設備的狀態數據進行分析，通過物聯網掌握電力設備的運行狀態，實現了電氣設備的全壽命周期管理，為電力設備運行客戶提供全方位的技術服務；文獻[11] 在電網調度自動化系統中加入了可視化技術，提出了具有數據圖形化、信息層次化、信息集成化、信息智能化功能的電力系統可視化系統展示方法，能夠更加簡潔、直觀地對目前系統的運行狀態進行展示;文獻[12]提出了一種基于多智能體和專家系統的電網智能報警系統，采用決策樹理論和粗糙集理論對電網報警信息處理的準則進行學習挖掘，并以這些準則為知識庫構建報警信息處理專家系統，實驗結果證明該系統在報警處理時的高效快速性；文獻[13]提出了一種全面的基于多智能體技術的防誤策略，并基于模糊認知圖的智能體推理模型研究出一種實時操作票生成專家系統，實際應用效果證明了該系統在保證可靠性、可維護性及人機界面友好的前提下，還具有智能性、通用性等要求。

基于上述研究工作，考慮到新設備啟動方案編制涉及的元件范圍廣，約束條件多，操作過程復雜，因而需要充分利用現有電力系統智能操作平臺，對新設備啟動方案進行風險管控。為此，建立了基于D5000智能調度平臺的電網新設備啟動方案的智能編制系統，通過分析新設備投運的主要操作類型以及啟動方案的基本特性，進而對新設備投運的編制、審核流程以及投運與校核功能進行設計，并測試系統的功能效果。

1 新設備投運的相關特性分析

1.1 投運操作類型

如圖1所示，為新設備投運的基本操作。按照操作規程對新設備的投運操作類型進行分類，主要分為常規操作和特殊操作。常規操作通常指的是，開關、刀閘等設備的正常拉合操作[14]；特殊操作的覆蓋面比較廣，指的是無法遵循“五防”原則執行的操作，需根據實際情況進行判定，主要包括：充電、定相、核相、保護相量檢查、繼電保護操作等。

圖1 新設備投運的基本操作Fig.1 Basic operation of new equipment operation

對于常見特殊操作進行說明：充電是對即將投運的電網新設備進行3～5次的充電安全性實驗，其中，開關、刀閘等設備需進行3次沖擊合閘試驗，變壓器需進行5次沖擊合閘試驗[15]。由于對新設備進行充電時需要對相關斷路器、隔離開關進行分合閘操作，因此，要配備相關的設備保護及后備保護，確保新投運設備及已投運設備的安全性。新投運設備的定核相是確保新設備在投入電網運行前，啟動區域內一次及二次設備的相位一致，如：對新建廠站需進行定相操作，對原有廠站下進行核相操作。保護相量檢查是對新投運的設備或是需要對二次接線進行修改的繼電保護設備接負荷做保護向量的檢測，如果所接負荷沒有達到檢測的預期，則對系統的運行方式做出一定的調整，增大啟動區域中的負荷大小[16]。繼保安全性措施是為了保證在新設備投運過程中整個電網的安全穩定性，基于電網實時運行狀態配置相應的繼保措施，通過修改保護的運行方式或是保護定值，以確保投運能夠順利進行。

1.2 啟動方案特性

基于長期以來的新設備啟動經驗，可知啟動方案的基本特性如下：

(1)按照操作流程依次執行：在新設備投入電網的過程中，大量的一、二次設備均需進行相應的操作來配合新設備投運，因此，每一個操作環節都必須要按照操作流程依次執行，確保新投運設備的安全性和可靠性;

(2)投運方案的復雜性和投運任務的多樣性：新設備啟動方案需要綜合考慮多方面的影響因素，充分了解投運可能涉及的各方面信息，主要包括：投運前的準備工作、確認設備的啟動范圍、明確設備調度權限、操作的動態修改和更新功能的完善等。對于需要編寫新設備啟動方案的電氣設備來說，主要包括：廠站、母線、變壓器、線路、開關以及刀閘等[17];

(3)投運方案簽發的流轉性：首先，由調控中心對新設備的啟動方案進行編制，要求所編寫的新設備啟動方案具有較強的邏輯性和可讀性；接著，將所編制的啟動方案送至調度、計劃、保護部門進行審核，若審核通過，則確立為作為最終版的啟動方案來指導新設備投運；若審核不通過，則對啟動方案進行重新編寫。

2 新設備啟動方案智能編制系統的建立

2.1 系統的總體框架結構

圖2為電網新設備啟動方案智能編制系統的總體框架結構圖。基于D5000平臺，建立電網新設備啟動方案智能編制系統，系統通過D5000平臺獲取電網運行方式及狀態、各電氣參量的實時數據等信息，將生成的啟動方案通過瀏覽器的形式傳輸至相關的方式部門和審核部門，并以D5000圖模同步解析的方式對啟動方案的動態情況進行展示。

圖2 系統的總體框架結構Fig.2 Overall framework of the system

2.2 系統模型的建立

多智能體系統具備分散控制、應急、并行處理等功能，通過建立通信、協調機制將多個智能體有效組合起來，有效減少了軟硬件的消耗，提升了工程實踐中各類問題的處理速率，因而在工程領域受到廣泛地應用[18]。基于多智能的電網新設備啟動方案智能編制模型，其主要包括人機交互智能體、數據采集智能體、拓撲分析智能體、模擬投運智能體、安全校對智能體、方案編排智能體以及動態演示智能體幾個重要的智能體模塊。

人機交互智能體作為電網新設備啟動方案編制系統的重要部件，能夠滿足用戶與系統進行交互通信的功能，使得用戶能夠在滿足系統規則約束的前提下，能夠自由操作。數據采集智能體通過實時采集電網的網架拓撲結構、電壓/電流參量等數據，將這些數據實時傳輸至系統后臺，并保存至斷面數據庫中，確保新設備投運狀態的實時性。數據采集智能體對新設備啟動范圍內的各電氣參量進行數據采集、傳輸并存儲后，通過拓撲分析智能體基于廣度與深度優先的混合搜索策略對這些數據做拓撲分析。拓撲分析主要包括站內拓撲分析，如：開關、刀閘、母線、線路等，以及站間拓撲分析，如：線路與變壓器拓撲節點的分析。模擬投運智能體在實現上述三種智能體的基本功能之后，在遵循新設備投運相關章程的前提下，操作人員通過模擬平臺上，模擬實現各開關和刀閘的開合以及繼保設備的投退等操作。模擬投運智能體對設備投運相關操作的整個執行流程進行記錄，生成相應的操作流程清單；安全校對智能體根據安全校對數據庫的規則，對新設備投運模擬過程的每一個操作步驟進行校對。若校對合格，則將該操作步驟寫入新設備投運方案中；若校對不合格，則對該操作步驟的相關內容進行修正后重新進行校對。方案編排智能體在安全校對智能體完成對新設備投運操作步驟的校對工作后，方案編排智能體將這些操作步驟與工程基本信息、新設備基本參量、啟動區域、啟動時間等內容一同進行編排，形成完整的新設備投運方案，并存儲至數據庫中。動態演示智能體將方案編排智能體形成的完整的新設備投運方案以音頻或是視頻等方式對用戶進行展示，能夠更加直觀清晰地了解每個操作步驟的詳細內容，有利于用戶對整個流程的了解與掌握，也便于發現問題。

3 系統軟件功能的設計與實現

3.1 編制與審核流程功能實現

新設備啟動方案智能編制系統以D5000平臺為基礎，采用B/S模式在Visual Studio平臺上運用VC#語言進行系統開發。如圖3所示，為系統的B/S模式結構圖，其主要包括客戶機、應用服務器和數據庫服務器三大部分。B/S應用程序支持廣域網內各不同地域的不同用戶通過瀏覽器訪問相關數據，同時通過管理服務器來實現系統的日常運維，有效地減少了運維成本[19]。

圖3 B/S模式結構圖Fig.3 Structure diagram of B/S mode

如圖4所示，為調控部門進行新設備啟動方案編制操作的流程圖。工作人員通過瀏覽器的訪問、操作權限驗證后，對啟動方案進行編寫，最后將啟動方案通過互聯網傳輸至有關部門進行審核。

圖4 啟動方案的編制流程Fig.4 Compilation flow chart of start-up scheme

圖5為新設備啟動方案審核流程圖。審核人員通過瀏覽器登陸，并通過權限驗證后，能夠以視頻或是音頻的方式對收到的啟動方案進行閱覽。若無任何問題，則生成最終的投運方案并打印；若存在需要修改的地方，可直接通過互聯網將方案退回，并待修正后進行重新審核。該審核流程充分運用網絡的便捷性，提升了工作速率。

圖5 啟動方案的審核流程Fig.5 Approval flow chart of startup scheme

3.2 智能編制系統設備投運與校核功能實現

由于需投運新設備的種類屬性各異，所涉及操作的邏輯、時間以及目的也各不相同，增加了投運操作的復雜性。為此，采用分層控制方案對新設備投運與校核功能進行研究。

基于在實際工程中遇到的新設備投運經驗，將新設備投運應遵循的邏輯規則分為宏觀性規則和微觀性規則兩種[20]。對于宏觀性規則，是站在全局的角度上對各項操作步驟的順序進行大體地規劃；而微觀性規則，則從較細致的層面，對具體設備的具體操作進行詳細的說明，如：設備投運前的準備工作、充電、定相與核相、繼保設備的投入等。其中，對于微觀性規則，如本文1.1小節所述，根據投運設備操作類型的不同進行分類，又細分為常規操作和特殊操作。由此來看，宏觀性規則下涵蓋了不同的微觀性規則，對于不同的操作規則都是有一定的適用范圍約束的，需根據電網實際運行工況進行設定。以宏觀性規則為基準確定新設備投運方案的主要操作步驟，對微觀性規則展開詳細說明：

(1)投運前的方式準備。

在將新設備投入電網運行前，需要先進行投運前的方式準備，包括將母線由運行狀態轉熱備用狀態、關聯繼電保護設備的投退、保護定值的修改等。不管新投運設備的類型是什么，只要與母線接線方式有關，都需要將其中一條母線倒空，以保證其處于熱備用狀態，便于執行試驗或是充電等操作。這樣能夠降低由于突發故障造成對電網的沖擊。對于改變母線運行方式以及其他常規倒閘操作，根據“五防”規則來進行相應操作即可；若是待充電的新設備，則選擇基于“解五防”規則進行操作。

(2)修改臨時保護定值。

在新設備投運過程中會出現特殊的操作工況，如在新設備充電時要避免保護誤動，若不對相應的保護進行更改，則無法完成后續工作。修改臨時保護定值，一方面能夠為投運啟動區域內的關聯設備提供后備保護，將故障的發生概率和區域限制在最小；另一方面能夠確保一些特殊投運操作的順利執行。由于不同的操作內容所需要設定的臨時保護定值各異，因此，臨時保護定值的修改要根據具體操作內容來制定不同的準則，是基于“拓展五防”規則展開的。

(3)新投運設備的充電。

對于即將投運的電網新設備需做三到五次的充電安全性實驗，在充電過程中，既有需要遵守“五防”規則的工況，又存在需要遵守“拓展五防”規則的工況。其中，“拓展五防”規則包括了新設備充電時要有后備臨時保護，如：新設備的發電側三個開關的范圍內需要有后備臨時保護。此外，還需要確保不會發生保護誤動，如：從對側線路對本側新設備進行充電過程中，要確保本側母線保護已裝有該新設備的電流互感器。

(4)新設備投運的定核相。

新設備投運的定核相工作主要是基于“拓展五防”規則對母線以及線路互感器展開的，如：對各個不同的電源進行核相操作校對時，需要有明顯的斷開點進行直觀地判斷。

(5)保護向量的檢測。

對于新投運的設備或是需要對二次接線進行修改的繼電保護設備等，都需要接負荷做保護向量的檢測。如果所接負荷沒有達到檢測的預期，則對系統的運行方式做出一定的調整，增大啟動區域中的負荷大小。

(6)恢復后備保護初始設置。

在投運結束前，基于“拓展五防”規則對臨時后備保護進行還原，將其還原為原設定值。

(7)恢復系統原運行方式。

如前所述，當新設備投運啟動范圍內需要對關聯母線進行操作的，需要確保新投運電氣設備和原有電力系統的安全運行，因而要對其中一條母線進行倒空操作。由于母線倒空操作屬于常見的倒閘操作，基于“五防”準則執行即可。當新設備投運過程結束后，要及時恢復電力系統原有的運行方式，即需要將被倒空的母線恢復至正常運行狀態。。

綜上所述，對于新設備投運過程中需遵循的“五防”規則和“解五防”規則屬于常規操作規則，可直接應用，而對于“拓展五防”規則，則需要根據不斷變化的電網拓撲、設備類型、設備屬性等參量對規則庫進行不斷地更新。

4 系統功能的測試

(1)確認操作區域。

用戶應用電網新設備啟動方案智能編制系統進行新設備啟動方案的編制前，需要確認待投運的設備以及對應的電網啟動范圍，找到需要操作的廠站。圖6為廠站的詳細接線圖。

圖6 電氣廠站接線圖Fig.6 Wiring diagram of electric power plant

(2)執行操作并校驗。

如圖7所示，為元件的可操作選項示意圖。選擇所需要操作的元件，單擊鼠標右鍵選擇相應的操作類型，如：開關正常拉開，開關正常閉合等，對元件進行操作。系統基于相應的操作、校對準則對操作指令的合法性進行判斷，若指令符合操作要求，則執行相應操作，并給出操作結果提示；若指令不符合操作要求通過，則給出相應的警告信息。

圖7 元件的可操作選項Fig.7 Operational options for components

(3)生成新設備啟動方案。

系統對所有符合操作規范要求的操作指令進行順序記錄，形成新設備啟動方案的主線，然后通過投運預案要求設定相應的投運時間以及電網啟動范圍，形成最終的設備啟動操作方案，如圖8所示。

圖8 完整的新設備啟動方案Fig.8 Complete start-up plan of new equipment

5 結束語

文章對電網新設備啟動方案的智能編制系統進行研究，基于D5000電網數據平臺獲取所需數據，采用B/S系統模式，構建了電網新設備啟動方案的智能編制系統，實現了對新設備投運方案的編制、審核以及投運與校核功能的設計。系統功能測試效果充分證明了本文研究成果對提升新設備投運風險管控的效力，以及保障電力系統穩定運行的重要作用。