一種基于影響因素的電網環境風險感知平臺的設計與實現

摘要：電網設備運行過程中面臨各種不確定因素的影響，科學應對這些因素可提升電網運行的安全性和穩定性。文章根據電網風險等級和電網設備運行等特點，設計了一個風險感知預警平臺，對電網設備運行的環境信息進行收集、整理和分析，實現極端天氣狀況的監控預警感知，并通過災前布控技術手段，最大限度地降低由于環境因素造成的停電事故。

關鍵詞：電網環境；風險感知；SCADA；設計

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.04.016

中圖分類號：TM 77，TP 3" " " " " " " "文獻標示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）04-00-03

Design and Implementation of a Power Grid Environmental Risk Perception Platform Based on Power Grid Impact

SUN Shijun1， HAN Zhenfeng1， WANG Lifeng2， REN Peng2， WANG Huijin2

（1. State Grid Shandong Electric Power Company， 250000 Jinan， China;

2. Shandong Lusoft Digital Technology Co.， Ltd.， 250000 Jinan， China）

Abstract： Power grid equipment is affected by various uncertain factors during operation， and scientific response to these factors can improve the security and stability of power grid operation. According to the characteristics of power grid risk level and power grid equipment operation， this paper designs a risk perception and early warning platform to collect， sort out and analyze the environmental information of power grid equipment operation， realize the monitoring and early warning perception of extreme weather conditions， and reduce the blackout accidents caused by environmental factors to the maximum extent by means of pre-disaster control technology.

Key words： power grid environment; risk perception; SCADA; design

電網設備負責電能的生產與傳輸，是電力供應的基礎設施。輸電網是電能傳輸的主要載體，承擔著電能供應和保障國民經濟發展的重要任務。電網的安全穩定運行一直以來都是電力企業關注的焦點問題，隨著我國電網規模的不斷擴大，電網覆蓋面積越來越廣，復雜環境下的電網建設項目越來越多，電網設備運行的安全性遭到各種風險因素的威脅。借助現代科學技術提升電網設備智能化管理水平，可以有效提升電網運行的安全性和穩定性。山東地區強對流、大風、暴雨等氣象災害頻發，氣象災害已成為威脅電網安全的主要風險因素之一，對電力設施安全、電網穩定運行影響大。建設電網環境風險感知平臺，可以為電網提供精準預警，促進電網防災減災從應對單一災種向綜合減災轉變，從減少災害損失向減小災害風險轉變，全面提升電網抵御自然災害的綜合防范能力?；谟绊懸蛩氐臑暮︻A警模型研究及電網環境風險感知平臺研發，成為提升電網氣象災害風險防御能力的重要手段。針對電網運維、調度的氣象災害精準防控需求，基于先進的精準數值預報技術、電網氣象災害精準預報預警技術，提供桿塔、輸電線路的精準氣象要素預報，對威脅電網運行安全的強對流、雷電、風偏、山火、冰凍災害等氣象災害提供差異化防災預警服務，實現災前精準布防、災中靈活調度，有效減少經濟損失，全面提升防災效率、明顯降低防災成本、顯著提升氣象災害精準防控、精細運維和安全供電水平[1]。

1" 電網運行風險因素評價

電網的安全運行主要體現在電力設備的安全性和系統運行的穩定性。一旦電力設備出現故障將直接影響電網的穩定性，嚴重時會造成大面積停電事故，因此，有必要對電網運行風險因素進行深入研究，通過有效預判對電網設備進行災害防護。影響電網運行的風險因素，主要包括設備自身的安全隱患以及外部環境造成的風險[2]。

1.1 設備自身存在風險

隨著電網建設規模不斷擴大，電網設備復雜程度和電能負荷越來越高，電網設備自身會存在一些不穩定、不安全的因素。電網設備在設計、制造、原材料或者安裝生產環節出現質量問題，輸變電設備設施、電力隧道長期高負荷運行加劇元器件老化等都可能導致電網運行風險。

1.2 電網運行外部環境風險

電網運行外部環境風險是影響電網安全運行的主要因素，尤其是一些惡劣氣候的影響，例如，大風引發的線路斷裂、大風刮倒異物碰到線路導致短路、暴雪導致樹枝壓斷線路、暴雨進入隧道導致電纜線路受潮影響運行、雷擊導致絕緣子等設備出現故障等。電纜隧道內基礎設施出現結構性風險，隧道頂板開裂、漏筋、保護層脫落、隧道坍塌都會對電網設備的安全運行造成影響。

2" 系統軟件設計

基于影響因素的電網環境風險感知系統，可以實現針對威脅電網運行安全的強對流、雷電、風偏、山火、冰凍災害的識別預警，以及電力氣象災害與輸電通道監拍的融合，結合氣象環境的預測，實現災害預警等工作，幫助電力部門實現多部門聯合的災害防控管理。此外，電網環境風險感知系統還可以進行電網運行狀態信息的實時查詢，提升電網線路智能化管理水平。目前，該平臺采用Browser/Server Architecture架構，前后端采用HTML、CSS+JAVA編程語言設計，數據存儲采用Oracle關系型數據庫，具有高共享性、高擴展性及高處理性能等特點，適用于工業化數據應用場景。為進一步提升電網環境風險因素的識別準確度和管理效率，電網環境風險感知系統整合了氣候環境、設備狀態等多方面的數據信息，數據服務器作為高級應用實時數據平臺，可以實時獲取電網模型數據、實時運行數據、圖形數據和計算所需要的文件數據作為二次開發的數據源，搭建人機交互界面[3]。

此外，數據監視與采集控制系統（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）是以計算機為基礎的DCS與電力自動化監控系統，應用范圍很廣，尤其是在電力領域中的數據采集和視頻監控方面應用得最為廣泛，技術發展也最為成熟。SCADA數據庫存儲輸電線路、變壓器、母線、負荷、發電機以及開關狀態等數據。采用文件傳輸協議服務器（File Transfer Protocol Server，FTP），依照FTP提供計算機文件存儲和訪問服務，在電網環境風險感知平臺中提供電網模型數據和氣候環境數據訪問服務。目前，SCADA由監控中心、遠程終端單元、可編程邏輯控制器、通信模塊、人機交互界面組成，遠程終端單元可以實時采集監控范圍內的設備運行參數信息。監控中心作為SCADA的核心部分，包含多臺服務器和分布式軟件應用程序，負責對所有數據信息對整合和分析，掌握設備運行狀態并進行風險評估。數據計算分析處理單元，從輸入管理模塊中錄入所需電網設備運行狀態的相關參數，并提供相應的風險評估方法，可以實現對不同設備的風險指標進行精準計算，并給出相應的風險控制策略。數據處理結果可由輸出模塊進行保存和顯示，及時獲取設備故障信息和對應的風險指標，給出風險控制策略。通信模塊完成對數據信息的同步傳輸，通過人機交互界面可以圖表的形式查詢所有設備信息，以及風險指標結果和風險控制策略，為后期的設備維護管理提供理論依據。

3" 電網環境風險感知平臺架構設計

電網設備維護管理是電網運行的重要流程，通過電網環境風險感知平臺對電網設備運行狀態進行實時監控管理，確保設備處于穩定運行狀態?；陔娋W影響的電網環境風險感知平臺是一套面向電網運行的多源風險信息集成、多層面風險綜合分析評估及管控的自動化系統。系統具有多種標準化接口，能滿足本地系統的實用需求。通過整合平臺收集到的風險信息、篩選出多余數據并將相關數據進行組合，辨別并生成相應可能出現的風險場景模型，作為電力系統運行風險分析評估對象。從系統可獲取電網設備狀態評價結果，評估設備的最新健康狀態，從氣象信息系統獲取電網區域氣象信息以及自然災害預警，綜合設備健康狀態信息和外部自然環境信息形成電網風險場景模型。災害預警模塊主要提供災害預警功能，多部門救災調度功能，救災過程還原功能，基本GIS操作，可以實現對山火災害、滑坡災害、地震災害、覆冰災害的預警，進行人員和物資調度以及地圖縮放漫游、屬地查詢、地圖量距和圖層控制。如圖1所示。

3.1 電網強對流災害臨近預警模型

基于電網影響因素的電網環境風險感知平臺通過雷達監測、潛勢預報、強對流監測、強對流統計查詢等二級功能開發工作，強對流大風落區監測、強對流強降水落區監測、雷電監測外推、潛勢預報指數查詢、電網強對流臨近預警、電網強對流大風落區影響分析、電網強對強降水落區影響分析等三級功能開發工作，對強對流災害的數據進行采集，包括風速、風向、大氣壓強，綜合考慮強對流災害天氣發生背景、環境和地形地貌等特征，建立強對流天氣事件與天氣形勢和地形地貌之間的關系，生成山東電網對各類強對流天氣事件臨近預報預警技術模型[4]。

3.2 山火告警模型研究

基于影響因素的電網環境風險感知平臺可以通過國內和國際上的靜止衛星（風云四號、葵花8號）、極軌衛星（風云三號系列衛星NPP、EOS系列、Aqua、NOAA等），將空間閾值法和時序法相結合，及時發現微弱熱點和火情發展初期的熱點，跟蹤火勢變化情況，實現火情及時發現和動態監控，根據風速風向、火點距設施位置等綜合因素建立山火識別告警模型。在山火災害預警模型中，平臺接收氣溫數據、空氣濕度數據、紅外遙感監測數據，結合電網設施位置、電網桿塔高度等數據進行預警。實現對火點監測、識別、告警、蔓延分析等二級功能以及衛星遙感數據解析、多源衛星火點監測數據融合、山火氣象風險等級預報、山火氣象風險預警、虛假火點信息排查等三級功能。

3.3 冰凍災害預警模型

建立冰凍災害預警模型，實現對凍雨的預報研究和覆冰的預報研究。凍雨的預報采用溫度垂直廓線判別模型，通過對大氣垂直溫度隨高度的變化情況判別降水態勢。覆冰的預報主要根據覆冰綜合模型對模式輸出結果（高空到地面的風速、溫度、濕度、降水量等氣象要素）進行加工、處理，得到格點化的覆冰標準冰厚、冰重載荷。結合電網覆冰災害記錄，分析電網覆冰災害事件發生時的關鍵因子（如覆冰標準冰厚、風速、溫度等），建立電網覆冰預警模型[5]。

3.4 雷電活動臨近預警算法

利用閃電定位數據，結合聚類、濾波修正算法可對雷電單體的識別和其移動軌跡進行相應的外推預測，得到15分鐘時間分辨率、預報時效為0～1小時的雷電移動軌跡外推產品。

3.5 電網風偏預警模型

實現風速監測預報、風偏災害預報、預警信息發布等二級功能，以及大風格點監測、大風格點預報、電網設施風偏概率預警、風偏風險預警發布等三級功能。收集歷史風偏跳閘故障資料，結合故障地點風向、氣溫、氣壓等要素變化特征，分析不同風偏天氣模型，根據數值模式的要素預報結果進行模型適應性修正，得到最終的電網風偏預警模型。

3.6 電網故障視頻監拍驅動

依據電網山火、大風、覆冰、強降水等歷史記錄，查找采集對應的電網設施現場高頻監拍裝置拍攝的視頻圖像?；趯骰亟K端監拍圖像進行氣象災害智能識別分類的結果，可自動調整監拍頻次，如若未出現災害天氣，調低監拍頻次。

4" 結束語

綜上所述，隨著電網智能化發展，電網結構和運行狀態控制變得日趨復雜，電網系統負荷越來越大，運行方式不斷變化，導致一些區域受到環境因素的影響引發停電事故，給國民經濟發展和社會的和諧穩定造成負面影響。電網線路的安全性除了自身老化磨損因素，還會受到外界因素的影響。我國幅員遼闊大，氣象環境復雜多變，再加上電網設備長期暴露在外，自然災害對電網設備的影響較為嚴重，一些輸電線路容易受到各種自然災害的影響，包括強降雪和降雨、颶風、雷擊、地震、山火、泥石流等惡劣天氣，會對電網系統的安全運行造成影響。因此，需要開展電網環境風險研究，建立完善的電網環境風險預警模型，提升電網的風險防控能力。本文以山東電網為研究對象，研究基于影響因素的電網環境風險感知平臺的設計與實現。基于影響因素的電網環境風險感知平臺，可以對電網運行過程中潛在風險因素進行識別和分析，并采取有效的措施對其進行防控管理，實現電網設備的安全運行。電網環境風險感知平臺包括預警功能等模塊，可實現雷電監測、雷電預警、閃電歷史統計、閃電監測、雷達監測外推、雷電落區影響分析、電網雷電影響分析、雷電分類統計、雷暴日查詢等功能。■

參考文獻

[1] 何俊，于華，鄧長虹，等．極端天氣下基于態勢感知的重點區域電網負荷供電保障策略[J]．高電壓技術，2022，48（4）：1277-1285

[2] 李阿鵬，樂程毅，貝斌斌，等．電網規劃與電力設計對電網安全的影響[J]．光源與照明，2021（10）：146-148.

[3] 白東平．基于態勢感知的主動配電網安全風險評估方法研究[D]．長春：長春工業大學，2021

[4] 姚海燕，向新宇，於志淵，等．基于TEE和eSE的智能電網風險態勢感知防護技術[J]．微型電腦應用，2022，38（4）：191-194，201.

[5] 方麗華，熊小伏，方嵩，等．基于電網故障與氣象因果關聯分析的系統風險控制決策[J]．電力系統保護與控制，2014，42（17）：113-119.