基于動態(tài)建模技術(shù)構(gòu)建輸電網(wǎng)運行方式校核系統(tǒng)的探索

唐濤南 劉海林 王 衛(wèi) 王騰飛

基于動態(tài)建模技術(shù)構(gòu)建輸電網(wǎng)運行方式校核系統(tǒng)的探索

唐濤南1劉海林2王 衛(wèi)1王騰飛1

（1. 國網(wǎng)北京市電力公司，北京 100031； 2. 東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264001）

本文介紹一種基于動態(tài)建模技術(shù)構(gòu)建輸電網(wǎng)運行方式校核系統(tǒng)的思路和方法，旨在為電力企業(yè)的方式人員提供一套智能化的校核工具，通過對實時或假想中的電網(wǎng)進行動態(tài)模擬建模、自動校核和輔助決策，經(jīng)歷一次或多輪次的校核和優(yōu)化迭代，實現(xiàn)對實時電網(wǎng)的運行方式及設(shè)計中的電網(wǎng)改擴建方案的快速驗證，從而顯著提高電網(wǎng)設(shè)計工作的科學(xué)性、準確性、經(jīng)濟性，降低設(shè)計風(fēng)險，提高電網(wǎng)投資的效益。

輸電網(wǎng)；動態(tài)建模；輔助決策；自動成圖

0 引言

通過支持廣泛的用戶互動，為電力系統(tǒng)提供足夠的靈活性、實現(xiàn)個性化的用戶服務(wù)，成為未來智能電網(wǎng)發(fā)展的必然要求[1]。大型電力企業(yè)每年都要針對輸電網(wǎng)進行與迎峰度夏、安全度冬、保供電、設(shè)備檢修相關(guān)的大量設(shè)計校核工作，這些工作專業(yè)性強、工作量大、易出錯，對相關(guān)人員的要求很高。電網(wǎng)分析校核軟件有很多，目前國內(nèi)主要采用電力系統(tǒng)潮流及暫態(tài)穩(wěn)定分析程序（Bonneville power administration, BPA）、電力系統(tǒng)分析綜合程序（power system analysis software package, PSASP）、電力系統(tǒng)仿真軟件（power system simulator for engineering, PSS/E）等，它們成為目前電網(wǎng)運行分析的重要工具[2]。然而，這類軟件大都是離線分析軟件，需要人工準備大量數(shù)據(jù)，并進行一系列配置才能使用。其中，PSS/E需要使用者具備一定的編程基礎(chǔ)，PSASP的數(shù)據(jù)準備需要耗費大量時間，對專業(yè)知識要求也較高。目前，雖然有一些文獻對輸電網(wǎng)的在線校核進行了研究，比如文獻[3]闡述了基于實時測量系統(tǒng)的可靠性評估系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計，并著重討論了系統(tǒng)算法和用戶接口設(shè)計，但電網(wǎng)的調(diào)控仍面臨以下幾個迫切需要解決的問題：

1）如何在線發(fā)現(xiàn)實時電網(wǎng)正常運行及-1情況下電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)并給出合理的安全調(diào)整策略。

2）如何準確識別用電負荷及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化可能導(dǎo)致的電網(wǎng)風(fēng)險并給出應(yīng)對措施。

3）對電網(wǎng)設(shè)計方案進行模擬，對未來的實施效果提前進行仿真校核。

1 需要解決的問題

通過建設(shè)輸電網(wǎng)設(shè)計與校核系統(tǒng)，可實現(xiàn)輸電網(wǎng)的在線實時校核及安全調(diào)整輔助決策，輔助方式人員進行電網(wǎng)的改擴建，實現(xiàn)相關(guān)工作的自動化、專業(yè)化、可視化。為此，系統(tǒng)需要提供如下主要功能。

1）構(gòu)建校核基態(tài)并實現(xiàn)免維護

構(gòu)建一個實時電網(wǎng)校核基態(tài)，定期自動從能源管理系統(tǒng)（energy management system, EMS）導(dǎo)入實時輸電網(wǎng)模型、圖形及負荷數(shù)據(jù)，構(gòu)建并自動維護一個隨時可用的實時電網(wǎng)斷面，作為設(shè)計和校核任務(wù)的基礎(chǔ)。

2）構(gòu)建一個多任務(wù)并行的校核管理平臺

校核管理平臺為多個并行的設(shè)計或校核任務(wù)提供互相隔離的全生命周期管理，提供設(shè)計工作所需要的繪圖、建模工具，提供運行方式調(diào)整、用電負荷調(diào)整、備自投策略調(diào)整、校核結(jié)果展示、輔助決策方案展示所需的界面。

3）提供全場景的智能校核引擎

校核引擎負責(zé)對各種應(yīng)用場景下的電網(wǎng)運行方式進行電網(wǎng)承載力分析，對重過載設(shè)備給出負荷轉(zhuǎn)供輔助決策方案；根據(jù)電網(wǎng)運行方式自動動態(tài)匹配備自投策略，對-1情況下的電網(wǎng)承載力進行校核，對不滿足-1的設(shè)備給出原因及安全調(diào)整輔助決策方案。

4）對分析結(jié)果進行可視化展示

提供一套自動成圖組件，實現(xiàn)設(shè)備供電范圍、-1波及分析、重要用戶供電電源分析的自動成圖，以直觀展示分析校核結(jié)果。

2 關(guān)鍵技術(shù)

為實現(xiàn)上述建設(shè)目標，需重點解決如下關(guān)鍵技術(shù)。

1）異構(gòu)的存量模型校驗及增量擴展技術(shù)

傳統(tǒng)上，輸電網(wǎng)的模型由EMS維護，其站內(nèi)的主變、母線、開關(guān)、刀開關(guān)等設(shè)備的模型是完備的，但站外的線路段模型往往不完整，可能只包含部分線路段，而線路段往往會成為供電路徑上的最小載流元件，其模型的完整性和準確性會直接影響校核結(jié)果。因此，基于第三方異構(gòu)模型構(gòu)建完整、準確的輸電網(wǎng)模型是一切校核工作的基礎(chǔ)，需要進行如下技術(shù)研究：①從EMS導(dǎo)入輸電網(wǎng)模型和圖形，并進行圖模質(zhì)量校驗和異構(gòu)模型轉(zhuǎn)換；②以轉(zhuǎn)換得到存量模型為基礎(chǔ)，對缺失的線路段模型快速實現(xiàn)補充建模；③提供簡捷、可視化的手段為處于設(shè)計中的假想電網(wǎng)快速建立模型。

2）基于差異模型的電網(wǎng)運行方式自動校核和輔助決策技術(shù)

電網(wǎng)運行方式校核的需求可能來源于檢修計劃、用電需求、電網(wǎng)設(shè)計等各種場景，需要能夠基于歷史模型、現(xiàn)時模型、未來模型（假想中的改擴建模型）等不同時期的電網(wǎng)模型進行校核。根據(jù)校核目的的不同，能夠設(shè)置多種場景、多種計算條件，同時執(zhí)行多個校核任務(wù)。

另外，針對校核結(jié)果可以優(yōu)化的運行方式，需要能夠自動給出方式優(yōu)化輔助決策建議。

3）基于動態(tài)備自投策略的-1電網(wǎng)安全分析技術(shù)

當設(shè)備的備自投策略有多個時，需要能夠根據(jù)電網(wǎng)實時狀態(tài)，自動選擇適配的備自投策略，模擬-1發(fā)生時因設(shè)備開斷和自投開關(guān)動作導(dǎo)致的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變和負荷轉(zhuǎn)移情況，并做潮流分析，基于重構(gòu)的電網(wǎng)和負荷模型對主變和線路段進行校核，自動給出過載設(shè)備的負荷轉(zhuǎn)供方案。

模擬備自投動作時，需要綜合考慮備自投的時序性、均分性等特性。

為了提高校核的速度，需要能夠基于基態(tài)模型，根據(jù)設(shè)備開斷和自投開關(guān)動作情況動態(tài)重構(gòu)局部模型并實現(xiàn)局部拓撲。

4）自動成圖技術(shù)

根據(jù)業(yè)務(wù)場景需要，對校核結(jié)果數(shù)據(jù)進行有序組織，實現(xiàn)在線的動態(tài)自動成圖。需要考慮的成圖場景包括-1負荷轉(zhuǎn)供態(tài)勢圖、供電路徑溯源圖、供電范圍拓撲圖等。

3 實現(xiàn)思路

3.1 主要流程

圖1為系統(tǒng)需要實現(xiàn)的主要流程。

圖1 系統(tǒng)主要流程

3.2 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

1）提供圖模一體的電網(wǎng)建模及校驗工具

文獻[4]描述了根據(jù)變電站系統(tǒng)配置描述文件（system configuration description, SCD）實現(xiàn)變電站內(nèi)模型擴展的技術(shù)方案。文獻[5]研究了基于IEC 61970系列標準中的公共信息模型（common information model, CIM）實現(xiàn)電網(wǎng)建模系統(tǒng)的設(shè)計方案。基于CIM的電網(wǎng)模型互操作研究和實踐都已比較成熟，本文重點關(guān)注如何在導(dǎo)入的第三方電網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上補充運行方式校核所必需的線路段模型。解決方案是，提供一個圖模一體的圖形化建模及校驗工具，對第三方電網(wǎng)模型進行通用化處理，并在此基礎(chǔ)上通過繪制站區(qū)圖對缺失的線路段進行補充建模。通過繪制站區(qū)圖，可以為站間線路建立完整準確的拓撲及參數(shù)信息，以便能夠在運行方式校核時準確識別供電路徑中的最小載流元件。圖2所示為圖模一體建模工具繪制的站區(qū)圖（局部）示例。

2）構(gòu)建能夠支持多種校核場景的動態(tài)資源池

創(chuàng)建互相隔離的校核任務(wù)動態(tài)資源池，每個校核任務(wù)動態(tài)申請和釋放資源池中的資源，并在封閉的資源環(huán)境中完成校核任務(wù)的全生命周期。動態(tài)資源池實現(xiàn)思路如圖3所示。

圖3 動態(tài)資源池實現(xiàn)思路

3）自匹配的備自投策略及過載設(shè)備負荷轉(zhuǎn)供輔助決策

文獻[6]對備自投自動投退的策略和規(guī)則進行了深入研究。文獻[7]在潮流校核過程中通過負荷轉(zhuǎn)移的方法將負荷從工作母線轉(zhuǎn)移到備用母線來模擬備自投的動作，有效縮短了校核時間。文獻[8]對所有的備自投動作策略在執(zhí)行前進行電網(wǎng)安全校驗，分別給出線路過載和變壓器過載的校正方案。文獻[9]研究計及備自投的-1靜態(tài)安全分析快速計算方法，進行一次設(shè)備的-1故障校核。本文重點關(guān)注多個備自投方案的在線自匹配及多個轉(zhuǎn)供方案的優(yōu)化組合及效果評估。

首先，在考慮備自投的方向性、時序性、均分性等特點的情況下對備自投進行建模。

然后，模擬-1，在基態(tài)拓撲的基礎(chǔ)上實現(xiàn)局部拓撲，并通過供電路徑搜索及設(shè)備的實時狀態(tài)得到滿足動作條件的備自投策略。

最后，根據(jù)備自投策略和電網(wǎng)拓撲，對負荷進行轉(zhuǎn)移，并對負荷轉(zhuǎn)移后的網(wǎng)絡(luò)進行校核，得到校核計算結(jié)果。對不滿足-1的主變或線路，分析并給出所有可降低設(shè)備負載的輔助決策方案。

為了加快動態(tài)重構(gòu)局部模型并實現(xiàn)局部拓撲的速度，本文借鑒文獻[10]提出的構(gòu)造與原電網(wǎng)相似拓撲、不同參數(shù)的“伴隨網(wǎng)絡(luò)”的概念。

圖4為系統(tǒng)根據(jù)備自投策略自動完成負荷轉(zhuǎn)移后，給出的用于降低波及設(shè)備負載的輔助決策方案。方案包含互補或互斥特征，用于協(xié)助使用者快速完成方案的優(yōu)化組合。

4）基于實時拓撲的自動成圖技術(shù)

目前，圍繞變電站一次接線圖、饋線圖的自動成圖技術(shù)研究較多[11-13]，但與具體業(yè)務(wù)緊密結(jié)合的應(yīng)用級自動成圖技術(shù)并不多見。

供電范圍分析示意圖和供電路徑示意圖為輻射狀無環(huán)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，可采用樹形布局算法，將成圖模型抽象為一個多叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用寬度優(yōu)先搜索、遞歸中序遍歷的方法實現(xiàn)圖元布局。

對于-1波及分析示意圖，主要的難點在于沒有現(xiàn)成的算法可用，需要自行設(shè)計算法解決成圖數(shù)據(jù)的排序、分組、去重和試探性布局。綜合考慮-1發(fā)生后因設(shè)備自投（需要考慮級聯(lián)自投）引起的各種負荷轉(zhuǎn)移場景，模擬人工繪圖的思路和過程，實現(xiàn)-1波及分析示意圖的自動生成。

圖5為利用自動成圖技術(shù)生成的-1波及分析示意圖。

4 應(yīng)用情況

基于本文描述的思路和方法實現(xiàn)的輸電網(wǎng)運行方式校核系統(tǒng)已經(jīng)在北京市電力公司投入使用。系統(tǒng)投入使用前，每年迎峰度夏和安全度冬前都需要針對站線切改情況、負荷增長情況調(diào)整運行方式，離線手工分析正常運行方式下線路和主變的負載率、-1情況下負荷的轉(zhuǎn)供策略及策略影響到的上游主變和線路的負載率，并手工編制運行方式規(guī)劃報告，一次校核任務(wù)往往需要50～70人? 天才能完成。系統(tǒng)投入使用后，所有的工作全部轉(zhuǎn)為線上進行，用戶只需指定輸電網(wǎng)模型和負荷數(shù)據(jù)的日期（可以不同）、采用的運行方式，必要時利用圖形化的動態(tài)建模工具對電網(wǎng)模型進行快速調(diào)整，即可實現(xiàn)“一鍵校核”和“一鍵生成報告”，一次校核任務(wù)大概需要0.5～4人?時（取決于是否需要調(diào)整電網(wǎng)模型），校核結(jié)果可在線上實時發(fā)布。

圖5 N-1波及分析示意圖

5 結(jié)論

通過提供一體化的輸電網(wǎng)模型動態(tài)建模工具，構(gòu)建并自動維護可支持并行校核的動態(tài)資源池，實現(xiàn)備自投策略的自動適配，為過載設(shè)備提供負荷轉(zhuǎn)供輔助決策，并輔之以自動成圖等可視化展示手段，該思路和方法在實際應(yīng)用中較易落地。落地系統(tǒng)可以幫助電力企業(yè)發(fā)現(xiàn)輸電網(wǎng)在各種運行方式下及-1情況下的薄弱環(huán)節(jié)并自動給出調(diào)整策略，準確識別用電負荷及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化可能導(dǎo)致的電網(wǎng)風(fēng)險并給出應(yīng)對措施，也可以對輸電網(wǎng)設(shè)計方案預(yù)期達到的效果提前進行仿真校核，為保障輸電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行提供技術(shù)支撐。

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Exploration of transmission network operation mode verification system based on dynamic modeling technology

TANG Taonan1LIU Hailin2WANG Wei1WANG Tengfei1

(1. State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100031; 2. Dongfang Electronics Co., Ltd, Yantai, Shandong 264001)

This paper introduces a set of ideas and methods of building an operation mode verification system for transmission network based on dynamic modeling technology, which aims to provide a set of intelligent verification tools for transmission network designers of power enterprises. With the help of dynamic simulation modeling, automatic verification and auxiliary decision-making provided by these tools, the designers can achieve rapid verification on operation mode of real-time network or reconstruction and expansion plans that are being designed after one or more rounds of verification and optimization iterations. It has been proved that these methods can significantly improve the scientificity, accuracy and economy of transmission network design and reduce design risks so as to improve the efficiency of power grid investment.

transmission network; dynamic modeling; auxiliary decision-making; automatic mapping

2022-07-06

2022-07-28

唐濤南（1965—），男，江西省撫州市人，博士，主要從事電網(wǎng)調(diào)控運行及其自動化方面的研究工作。