基于負荷預測平臺的未來方式預測研究

李斌 郝飛

（①新疆伊河電力有限責任公司伊寧835000②南京南瑞繼保電氣有限公司南京211102）

基于負荷預測平臺的未來方式預測研究

李斌①郝飛②

（①新疆伊河電力有限責任公司伊寧835000②南京南瑞繼保電氣有限公司南京211102）

基于負荷預測平臺，采用自尋優的方法，尋找最能反映電網未來狀態和方式的全網歷史網架結構，并以此為載體將分散于調度系統中各個應用或功能模塊中的電網預測數據，有機的融合起來，形成完整的次日96點的電網運行方式，15分鐘一個斷面。在此過程中，進行了各種數據的自動分配，整個系統的有功和無功的平衡和優化，以及系統潮流的動態調整，直到潮流收斂。基于形成的次日96點未來方式斷面，進行了電網的安全穩定分析。結合穩定斷面限額進行了基態潮流分析、靜態N-1安全分析，當出現功率越限或電壓越限設備時，根據靈敏度計算分析的結果自動調整相關機組或負荷，保證系統運行在可控的安全裕度范圍內。對電網未來方式的預測和分析使得電網基于未來態進行研究和分析稱為可能，能更好的保證電網的穩定安全。

運行方式負荷預測發電計劃網絡拓撲結構動態規劃

1 引言

隨著電網規模的不斷擴大，電網結構也更加復雜，實現電網調度管理的科學化、集約化、精益化，迫切需要改變現有粗放的調度運行方式，加強科學管理和電網研究方法的創新，由被動調度改為主動調度。利用散布與調度自動化系統中的預測數據、計劃數據等未來態信息，構造未來電網的運行場景，對未來的電網運行方式進行預測，并結合調度員潮流、N-1故障掃描、自動電壓控制，對未來電網進行全方位的安全校核和調度優化，做到先知先覺[1-3]，也是建設智能電網的重要內容。

在當前調度自動化系統中，未來態數據包括系統總加預測結果、母線負荷預測結果、縣/區調負荷預測結果、發電計劃、聯絡線計劃、檢修計劃等。為構建完整的未來電網的運行場景，需要建立以負荷預測平臺為基礎的數據融合平臺，將電網運行中的未來態信息和數據匯集起來，實現未來態的電網運行方式的優化調度和研究。

基于以上因素，加之互聯大電網的基礎數據和業務量成倍增長，日前計劃安排后，其安全性和經濟性難以把握和評估，為確保大電網的安全穩定和協調優化運行，迫切需要進行校核，只有進行日前方式的量化安全校核，才能有效降低電網運行風險和協調優化控制。

2 系統的總體框架

2.1 系統的軟件框架

未來態電網研究是以負荷預測、發電計劃、檢修計劃、電網模型為基礎，負荷預測數據集成平臺是建立在PCS-9001調度一體化應用平臺的基礎上，其軟件架構如圖1所示。負荷預測數據集成平臺負責將電網的網絡拓撲模型和實時量測數據從EMS獲得，并將外部輸入的未來態數據進行讀入、校驗、存儲和融合，并在此基礎上完成未來方式預測、潮流計算、靈敏度計算、靜態安全分析、穩定斷面越限分析和發電計劃靜態校核，其中未來方式預測是整個分析過程的基礎。

2.2 系統的功能實現

未來態電網的研究應實現以下功能，如圖2所示，分為4個部分：

圖1 系統的軟件架構

首先是未來態數據的準備和處理，包括EMS系統中電網模型的獲取及更新、SCADA實時量測數據的獲取和更新、母線負荷預測結果的獲取、發電計劃的獲取和分配、檢修計劃的獲取和處理、聯絡線計劃的獲取和分配、穩定斷面限額文件的獲取和越限分析。

第二是未來方式預測與生成，其中包括未來態數據的融合和匹配、發電機拓撲關系的校正、正確電網邊界的處理、有功無功平衡關系的調整和確定、未來方式潮流的計算和比較、未來方式的生成、存儲和發布。

第三是基于未來方式的電網綜合分析，包括電網調度員潮流分析、穩定斷面限額越限分析、靈敏度計算分析、靜態安全分析。具體的分析過程為根據生成的次日96點未來方式（每15 min一個未來方式），進行調度員潮流計算，結合穩定斷面限額數據，檢驗是否有設備出現功率或電壓越限，如果存在則啟動靜態安全分析，對線路進行N-1故障掃描，對出現越限的線路支路進行靈敏度計算，記錄整個分析過程的分析結果。

圖2 系統的功能實現

第四是發電計劃的安全校核，將電網綜合分析得到的結果與發電計劃校核的規則相比較，如果所有分析結果都在規則控制的范圍內，則說明制定的發電計劃是安全的，否則需要根據分析結果調整發電計劃，在重新生成未來方式、重新分析、重新界定，實現“計劃編制－安全校核－計劃調整－再校核－再調整”的閉環流程，從而實現量化安全和協調優化調整，有效規避斷面穩定限額潮流越限的運行風險。

3 數據處理融合與未來方式的生成

建立反映未來態電網需要的五類數據都存在EMS系統或MIS系統中，無法直接獲取。因此需要將各類數據先生成數據文件，然后再傳送到EMS響應目錄中，再由EMS系統負責將這些數據文件送到負荷預測集成平臺的相應文件目錄中。未來方式預測系統在進行預測分析時，在讀取文件數據時會自動將表中的數據讀入到指定目錄，并將文件發送到其他布置未來方式預測的節點。數據文件的獲取是按照名稱來進行讀取，根據日期來匹配文件，將文件中的數據讀入到未來方式數據庫中保存。

3.1 數據的獲取和準備

對未來態電網的研究就是將能反映電網未來態的數據，如系統短期負荷預測、母線負荷預測、發電計劃、聯絡線計劃、檢修計劃、穩定斷面限額數據等，合理的融入到未來電網的網架結構中，形成相對正確的未來電網運行方式。系統短期負荷預測是根據歷史數據和各種影響總加如何的因素，對未來一日或多日的全網總加負荷進行預測；母線負荷預測的結果反映的是次日各個母線的下網負荷的大小，是電網的負荷端；發電計劃用于制定次日全網機組的啟停及在各個時刻的出力情況，是電網的電源點；聯絡線計劃規定本地區與其他地區的功率的交換；檢修計劃在某種程度上決定了電網在未來的運行方式；穩定斷面限額數據規定了各個穩定斷面的潮流限值。系統短期負荷預測、母線負荷預測、穩定斷面限額數據通常來自于EMS系統，檢修計劃、網調的聯絡線計、發電計劃數據來自于MIS系統。

3.2 數據的處理與融合

在獲取到各種數據后，需要將這些數據融合到選定的基礎網架結構中，用預測數據來替換原來方式斷面中的數據，形成一個預測斷面。要想獲取正確的未來方式斷面，還要針對每一類數據做相應的處理和分配，即要對預測數據進行解析和二次調整優化。

（1）基礎網架結構的選取，讀入到網絡拓撲庫中，構成未來方式的數據載體。

（2）檢修計劃數據的處理：將檢修計劃中的設備信息，進行字段的分解，處理成網絡拓撲庫能夠識別的設備，將其停運狀態體現在未來方式中。

（3）發電計劃數據的處理：發電計劃數據中只有機組的有功數據，因此要對機組無功進行合理的處理。處理的原則是：如果原來機組有功大于某一值，就取原來基礎斷面中機組的無功值；如果原來機組是停機或者有功出力很小，就按照機組功率因數是0.85，根據發電計劃中機組的有功來計算機組無功；對于發電計劃中停機的機組，要將其有功和無功值設置為零[4]。

（4）穩定斷面限額數據文件的使用要結合潮流計算的結果，首先要將穩定限額數據文件的穩定斷面定義及構成元素讀入到未來方式數據庫中保存，然后針對未來方式潮流計算的結果，根據穩定斷面的定義規則進行穩定斷面的越限分析。

（5）聯絡線計劃的處理：由于網供聯絡線計劃中，聯絡線并沒有分配到具體的線路或者機組，因此需要對不同聯絡線進行不同處理。首先要對聯絡線進行分類，一般來說省級調度中聯絡線可以分為以下三種，第一種是省間聯絡線，在網絡拓撲中一般會將此聯絡線所連接的外網廠站進行外網等值處理，只要將聯絡線下的功率合理分配到等值發電機上即可；第二種是直流聯絡線，在拓撲模型中往往將其處理成負荷，因此在分配時只要找到相應的負荷模型，將功率分配到各個負荷上；第三種是電廠聯絡線，這些電廠往往是網調所管轄的，在省調的網絡拓撲模型中一般都會有這些電廠的模型，只要將聯絡線的功率分配到相應的機組上即可。

3.3 未來方式的預測與生成

要生成能正確反映電網未來運行狀態的未來方式，還需要對未來方式的斷面進行有效的完善，主要從以下幾個方面實現：

（1）正確的機組拓撲關系：對發電計劃中運行的機組要保證發電機的開關、刀閘要一直合到高壓母線上。以發電機為起點向上搜索，一直搜索到母線，將此路徑中的開關和刀閘合上，以保證機組出力能正確的送出。

（2）正確的電網邊界：對于一個省級電網來說，邊界條件的確定將直接影響，整個電網的潮流的流向，甚至會影響到潮流計算最終的收斂。電網邊界的確定主要依賴于聯絡線計劃的正確與否，特別是省間聯絡線，根據聯絡線計劃將數據分配到相應設備的合理性[5-6]。

（3）有功無功的平衡關系：有功的平衡主要從發電出力和系統下網負荷兩個方面來界定，因此需要對全網的總出力和總負荷進行正確的統計：

總出力等于省轄區的機組發電計劃+網供省的總出力；

總負荷等于所有母線負荷預測結果的總和。

無功的平衡是一個很難處理的問題，在母線負荷預測結果數據中含有各個母線負荷的無功值，但是在發電計劃和聯絡線計劃中都沒有無功值的預測，在加之電容器、電抗器的狀態無法進行預測，整個電網的未來方式中的無功值存在不確定性。在系統中采用的處理無功的方法是：如果基礎方式斷面中運行的機組，按照此時機組的功率因素來計算未來方式中機組的無功值；如果基礎方式斷面中的機組是停機狀態，而次日發電計劃中的機組是運行的，那么機組的無功功率按照功率因素為0.85來計算機組的無功。對于聯絡線計劃中機組或者省間聯絡線上的等值機組的無功可以采用上述的方法，也可以采用保持原來無功不變的原則來進行處理。

（4）未來方式的潮流比較：未來方式預測的準確性，還沒有一種有效實用的方法去衡量。為了對未來方式預測的準確性進行驗證，采用潮流比較的方法。具體實現：采用歷史日預測反演的方式，比較的對象：為系統中所有線路的潮流值；驗證的依據：在同一方式下運行的線路設備應和實際潮流具有相同的潮流流向和相近的潮流幅值[7]。

實現方法是：取歷史上某一天作為預測的基準日T1，來預測T2日的96點未來方式斷面Fcase(i)；取T2日實時運行斷面Rcase(i)跟Fcase(i)比較，對第i個方式斷面進行比較，比較Rcase(i)中的線路實時潮流(P、Q)與Fcase(i)中通過潮流計算得到的計算線路潮流(P、Q)的差值，然后對所有線路的量測誤差進行綜合統計。如果綜合誤差大于Error＞15%，說明預測的未來方式不能反映電網的未來運行狀態，不能用于進行安全校核和其他研究分析使用。其中：T2=T1+1，T1、T2都是以日為單位。

以上潮流計算比較要在母線預測結果和發電計劃制定結果相對較準確的基礎上進行，應保證外來預測數據的準確性，驗證應針對多個實例進行比較，不同運行方式下的進行比較以保證系統的正確性。

（5）未來方式預測斷面的保存。未來方式預測斷面將以CASE文件的形式保存到系統的指定目錄下，可以通過CASE管理工具對所需要研究的斷面進行調用和分析。

4 未來態電網綜合分析

4.1 基態未來方式研究分析

電網未來方式的預測就是將能反映電網未來態的數據，合理的融入到未來電網的網架結構中，形成相對正確的未來電網運行方式。針對形成的次日96點方式首先逐個進行N方式下的潮流分析，并進行穩定斷面越限分析，分析結果將保存到數據庫中。如果存在發現功率或電壓越限，則啟動靈敏度分析，并對相關區域的線路、變壓器、發電機進行靜態安全N-1分析，判斷越限設備對電網安全的影響程序。所有分析結果以文件形式保存，并能自動將分析結果返回給指定用戶。

4.2 日前計劃量化安全校核

日前計劃量化安全校核是電網未來方式預測和分析的主要目的。其實施過程為根據次日的發電計劃、網供聯絡線交換計劃、母線負荷預測結果、電網檢修計劃、穩定限額數據，以EMS導出的電網網絡拓撲模型為基礎，應用多種潮流計算方法，對次日96點電網運行方式進行安全校核及調整，最終給出滿足安全約束而又最經濟的運行方式。主要從以下4個方面實施：

（1）應用多種潮流計算方法，對次日96電電網運行方式進行安全校核及調整，最終給出滿足安全約束而又最經濟的運行方式。為日計劃專責及調度員提供準確、全面的96點潮流計劃，有效規避不同電網方式下斷面穩定限額越限的風險，在日計劃層面提高電網運行的安全性和經濟性。

（2）未來方式預測與分析系統把生成未來方式預測斷面作為發電計劃安全校核的基礎，通過電網模型架構這樣一個載體，將電網中的未來數據和信息如母線負荷預測結果、發電計劃、檢修計劃、聯絡線計劃等數據融合到一起形成一個有機的整體，將未來的電網運行場景通過方式斷面的方式存儲下來，給發電計劃的安全校核提供了一個相對真實的演習基地。

（3）通過以上“計劃編制－安全校核－計劃調整－再校核－再調整”的閉環流程，從而實現量化安全和協調優化調整。

（4）采用了多任務并行計算的技術，保證了發電計劃安全校核的實時性。

（5）建立未來方式預測的準確率統計標準，保證了未來方式預測的準確、有效。

5 結論

對電網運行方式進行預測的目的主要是為了提前了解未來電網的運行狀態，提前了解運行中可能出現的各種問題及安全隱患，以便可以提前做出事故預案。預測出次日96點的運行方式斷面，并利用潮流計算分析初步分析電網的運行情況，并進行穩定斷面越限分析和裕度預警，當出現電壓或功率越限的情況系統將啟動靈敏度分析和靜態安全分析，給出越限設備對電網的影響程序。基于電網未來方式預測對發電計劃進行校核，通過對未來方式斷面的潮流分析及穩定斷面越限分析結果，當出現線路和穩定斷面越限時，根據靈敏度計算結果，調整發電計劃消除越限線路或斷面，提高發電計劃的合理性，實現日前發電計劃的量化安全校核。

[1]潘煒，劉文穎，楊以涵.電磁環網條件下西北750 kV電網運行方式研究[J].電網技術,2007,30(15）:33-38.

[2]夏翔，熊軍，胡列翔.地區電網的合環潮流分析與控制[J].電網技術,2004,28(22）:76-80.

[3]丁明，馮永青.發輸電設備聯合檢修安排模型及算法研究[J].中國電機工程學報,2004,24(5）:22-27.

[4]張揚，武亞光，張志剛.電力市場中考慮安全校核的發電計劃生成策略[J].電力系統自動化,2001,25(9）:6-8.

[5]朱濤，于繼來.協調聯絡線與區域電網攀峰的互聯電網有功調度[J].電力系統自動化,2009,32(1）:34-38.

[6]朱濤，易山軍，于繼來.發輸電設備聯合檢修安排模型及算法研究[J].電網技術,2008,31(11）:24-29.

[7]徐珊珊.電力系統運行方式預測及其應用[D].華北電力大學,2006.

收稿：2014-07-10