電力系統(tǒng)運行動態(tài)監(jiān)視的可視化設(shè)計與實現(xiàn)

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(1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 210061；2. 四川大學電氣信息學院，四川 成都 610065)

0 引 言

隨著電網(wǎng)的發(fā)展和電力市場的推進，電力系統(tǒng)運行的復雜程度日益增大，作為電網(wǎng)動態(tài)實時監(jiān)測的新技術(shù)和重要手段，廣域測量系統(tǒng)(wide-area measurement system,WAMS)對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行發(fā)揮了重要的作用。然而在目前現(xiàn)有的基于WAMS應(yīng)用功能的電網(wǎng)運行動態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)中，由于反映系統(tǒng)運行狀態(tài)及電網(wǎng)事件的各類關(guān)聯(lián)信息相對分散，使得調(diào)度員不得不通過頻繁的界面操作與切換才能獲取電網(wǎng)動態(tài)運行狀態(tài)以及處理事件的完整信息，缺少有效、直觀的顯示方式來表現(xiàn)復雜、大量的動態(tài)關(guān)聯(lián)信息，影響了調(diào)度決策和事件處理。

近年來，隨著可視化技術(shù)的發(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的逐步應(yīng)用，為解決電網(wǎng)動態(tài)運行監(jiān)控的上述問題提供了新穎而可行的手段。基于南瑞公司在新一代智能調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)上開發(fā)的可視化平臺提出電網(wǎng)運行動態(tài)監(jiān)視完整應(yīng)用功能的可視化整體設(shè)計與實現(xiàn)方案。它通過將電網(wǎng)運行動態(tài)越限信息、擾動信息、低頻振蕩等事故信息與可視化平臺相整合，借助于信息面板、事件總攬和多主題窗口的分層、分級展示，實現(xiàn)了電網(wǎng)事件的一鍵式瀏覽與查閱，便于調(diào)度人員從整體上快速把握當前電網(wǎng)的運行狀態(tài)，很好地滿足了調(diào)度運行監(jiān)控對事件關(guān)聯(lián)信息的圖形化需求，為使用人員提供了直觀、快速的事件處理手段。

1 可視化功能設(shè)計

1.1 整體功能框架

基于WAMS系統(tǒng)應(yīng)用功能的電網(wǎng)運行動態(tài)監(jiān)視可視化功能主要可分為兩部分，即：告警信息的匯總可視化展示和非告警類應(yīng)用功能可視化展示。電網(wǎng)運行動態(tài)監(jiān)視各相關(guān)后臺應(yīng)用通過將各自的告警信息或重要運行信息發(fā)送給對應(yīng)的可視化功能模塊實現(xiàn)各自可視化效果的展示，其整體功能流程如圖1所示。

其中，“告警信息匯總可視化展示”匯集羅列了當前整個WAMS系統(tǒng)主要應(yīng)用功能的重要告警信息，使得運行人員一目了然地掌握當前WAMS系統(tǒng)的所有應(yīng)用告警情況，目前主要包括：動態(tài)越限監(jiān)視可視化(電壓越限、功率越限、相對相角越限、功角越限、頻率越限)、在線擾動識別可視化(短路擾動、非全相運行、非周期并網(wǎng)、直流閉鎖)、低頻振蕩可視化以及動態(tài)電壓/頻率裕度可視化。

圖1 電網(wǎng)運行動態(tài)監(jiān)視可視化整體功能流程

而“非告警類應(yīng)用功能可視化展示” 是指該類應(yīng)用信息不參與“電網(wǎng)動態(tài)監(jiān)視”整體可視化告警狀態(tài)的判斷與展示，目前主要為并網(wǎng)機組性能監(jiān)視可視化功能，包括：一次調(diào)頻性能監(jiān)視可視化、勵磁調(diào)節(jié)性能監(jiān)視可視化以及機組進相運行監(jiān)視可視化的展示。

1.2 總體界面設(shè)計

基于新一代智能調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)的南瑞可視化平臺框架，電網(wǎng)運行動態(tài)監(jiān)視可視化總體界面功能主要由4個部分組成，如圖2所示。

(1)告警信息總覽面板

它通過不同顏色實時反映電網(wǎng)運行動態(tài)監(jiān)視整體應(yīng)用功能狀態(tài)。

當動態(tài)監(jiān)視無任何類型告警信息時，面板顯示為綠色；而當該出現(xiàn)任一一般性告警時，顯示為黃色，出現(xiàn)嚴重告警時顯示為紅色；而當該應(yīng)用運行狀態(tài)異常時則顯示為灰色，如圖2中標識區(qū)域1。

(2)動態(tài)告警信息樹

在界面左側(cè)以樹形層次結(jié)構(gòu)匯總展示各類電網(wǎng)動態(tài)運行告警信息，以關(guān)鍵設(shè)備或時間為節(jié)點分層、分級關(guān)聯(lián)詳細告警信息，如越限設(shè)備、廠站、實際值、限值、越限率以及各類性能參數(shù)等等，并對不同程度告警進行醒目的顏色區(qū)分，如圖2中標識區(qū)域2。

(3)地理潮流圖

實現(xiàn)以中間地理潮流圖為主要展示場景的電網(wǎng)動態(tài)越限告警信息、WAMS重要運行信息的各種可視化效果展示(如設(shè)備動態(tài)定位、氣泡、公告板、3D柱圖、餅圖、儀表圖、等高線渲染等等)，如圖2中標識區(qū)域3。

(4)多主題窗口

在界面右側(cè)或下方，配合動態(tài)告警信息樹的不同告警類型、不同告警設(shè)備，主題窗口聯(lián)動切換展示與該告警事件相關(guān)的其他關(guān)聯(lián)信息，如相關(guān)統(tǒng)計列表信息、動態(tài)曲線、柱狀圖、羅盤圖等等，如圖2中標識區(qū)域4。

圖2 電網(wǎng)運行動態(tài)監(jiān)視可視化總體界面

下面將具體介紹電網(wǎng)運行動態(tài)監(jiān)視的各主要可視化功能實現(xiàn)效果。

2 可視化功能實現(xiàn)與應(yīng)用

2.1 動態(tài)越限監(jiān)視可視化

動態(tài)越限監(jiān)視可視化功能旨在利用可視化的手段展顯基本PMU量測數(shù)據(jù)的越限告警情況，使得調(diào)度人員能夠快速過濾并重點關(guān)注當前系統(tǒng)的重要越限信息。它主要包括：電壓越限告警可視化、功率越限告警可視化、相對相角越限告警可視化、功角越限告警可視化、頻率越限告警可視化等信息的展示。

當動態(tài)越限監(jiān)視可視化模塊實時監(jiān)測到上述類型的相關(guān)PMU數(shù)據(jù)越限時，在可視化界面告警動態(tài)信息樹上“動態(tài)越限監(jiān)視”相關(guān)越限分類節(jié)點將出現(xiàn)醒目的告警狀態(tài)。通過點擊各類越限層次節(jié)點及下屬節(jié)點可展開相關(guān)詳細越限信息，如越限設(shè)備、所屬廠站、當前值、限額及越限率等。

點擊各越限分類節(jié)點右側(cè)圖標1(相關(guān)圖標效果見圖9所示)按鈕時，在地理潮流圖上以該越限類公告板效果標識越限設(shè)備分布情況如圖2所示。例如: 圖標2標識線路功率的一般越限，圖標3和4則分別標識機組功角的一般越限與母線電壓的嚴重越限情況。

當鼠標懸停至越限標識圖標時，還將顯示詳細越限提示信息。點擊具體越限設(shè)備右側(cè)圖標5按鈕時則將以懸浮窗口形式展示所選越限設(shè)備的實時越限PMU數(shù)據(jù)曲線。點擊具體越限設(shè)備右側(cè)的圖標6按鈕，將在地理潮流圖上對該越限設(shè)備進行動畫定位顯示。

除了上述PMU數(shù)據(jù)基本越限告警信息展示以外，動態(tài)越限監(jiān)視可視化模塊還實現(xiàn)了對全網(wǎng)層面整體動態(tài)運行狀態(tài)的展示功能。主要包括：全網(wǎng)PMU廠站分布與工況狀態(tài)、全網(wǎng)PMU電壓云圖、全網(wǎng)PMU頻率云圖、全網(wǎng)電壓相角分布以及全網(wǎng)機組功角裕度分布、PMU布點及其運行狀態(tài)等電網(wǎng)總體層面信息的可視化展示功能，圖3展示了全網(wǎng)電壓相角分布效果(局部)，它使用動態(tài)羅盤圖元的漸變背景色與指針偏移位置直觀地標識了全網(wǎng)母線電壓相角的分布情況。

圖3 全網(wǎng)電壓相角分布可視化效果

2.2 電網(wǎng)擾動識別可視化

電網(wǎng)擾動識別可視化通過采用可視化技術(shù)，實現(xiàn)短路擾動、非全相運行、非同期并網(wǎng)以及直流閉鎖功能的可視化效果，以提高調(diào)度運行人員對電網(wǎng)擾動監(jiān)視的敏感度與可觀測能力。

當電網(wǎng)發(fā)生上述相關(guān)類型擾動時，在可視化界面左側(cè)的“電網(wǎng)擾動識別”告警動態(tài)樹將出現(xiàn)醒目的告警狀態(tài)，同時相關(guān)擾動類型層次節(jié)點及下屬節(jié)點下將羅列出對應(yīng)的擾動信息，具體如下。

(1)短路擾動：擾動時間、擾動設(shè)備、相位、短路電流值；

(2)非全相運行：擾動時間、擾動設(shè)備、相位；

(3)非周期并網(wǎng)：并網(wǎng)時間、擾動設(shè)備、電壓差以及相角差；

(4)直流閉鎖：閉鎖時間、直流極以及閉鎖功率。

當點擊具體擾動設(shè)備右側(cè)的圖標1按鈕時，將在地理潮流圖上使用相關(guān)擾動類型公告板效果圖標7標識擾動設(shè)備分布情況，使用公告板圖標8標識由該擾動引起的潮流突變設(shè)備分布情況，如圖4所示。

當鼠標懸停至擾動信息圖標時，將顯示詳細擾動提示信息。同時，根據(jù)不同擾動類型，多主題窗口將聯(lián)動切換，展示擾動關(guān)聯(lián)信息，具體為如下。

(5)短路擾動：相關(guān)首/末端廠站圖以及擾動時刻該設(shè)備的三相電壓、電流擾動曲線；

(6)非全相運行：相關(guān)首/末端廠站圖以及非全相運行線路的三相電壓、電流變化曲線；

圖4 短路擾動可視化效果

圖5 低頻振蕩監(jiān)視可視化效果

(7)非周期并網(wǎng)：相關(guān)首/末端廠站圖以及并網(wǎng)時刻的電壓和相角差曲線；

(8)直流閉鎖：相關(guān)廠站圖以及直流極或附近功率突變曲線。

同樣，點擊具體擾動設(shè)備右側(cè)的圖標6按鈕，可實現(xiàn)擾動設(shè)備動態(tài)定位展示。

2.3 低頻振蕩可視化

低頻振蕩監(jiān)視可視化功能主要展示振蕩主導模式和相應(yīng)的振蕩設(shè)備信息，以幫助調(diào)度人員快速深入地掌握振蕩事故信息便于進一步的事故處理，如圖5所示。

在電網(wǎng)正常情況下，低頻振蕩監(jiān)視可視化模塊在地理潮流圖上使用多個綠色圖標9標識當前系統(tǒng)中實時功率波動最大的1臺發(fā)電機、1條交流線路和1臺變壓器的分布情況。圖標上方數(shù)據(jù)能夠反映當前各個振蕩設(shè)備的功率波動數(shù)據(jù)。同時，右側(cè)多主題窗口自動切換顯示為上述功率波動設(shè)備對應(yīng)的實時功率趨勢曲線。

而當電網(wǎng)發(fā)生低頻振蕩時，在可視化界面的“低頻振蕩監(jiān)視”告警動態(tài)樹節(jié)點將以醒目的告警狀態(tài)顯示，并將羅列出相關(guān)低頻振蕩信息。通過點擊低頻振蕩事件時間層次節(jié)點及下屬節(jié)點可展示詳細振蕩信息，主要包括：振蕩設(shè)備名稱、振蕩發(fā)生時間、振蕩消失時間、持續(xù)時間、最大功率波動值、最大值及最大值時刻、最小值及最小值時刻、平均模式頻率、觸發(fā)告警設(shè)備、分群信息等。

當點擊具體振蕩設(shè)備右側(cè)的圖標1按鈕時，將在地理潮流圖上以低頻振蕩類公告板效果圖標10標識該振蕩設(shè)備分布以及機組分群信息情況，當鼠標懸停至振蕩設(shè)備圖標時，還將顯示詳細振蕩提示信息。同時，右側(cè)多主題窗口中聯(lián)動切換顯示該振蕩設(shè)備的相關(guān)有功或功角振蕩曲線、低頻振蕩模式曲線(主導模式頻率、主導模式阻尼比)等。

2.4 動態(tài)電壓和頻率監(jiān)視可視化

動態(tài)電壓和頻率監(jiān)視可視化主要展示電網(wǎng)中電壓和頻率動態(tài)偏移的可接受性，評估電網(wǎng)實際運行過程中的動態(tài)安全性。

當電網(wǎng)正常情況下，該可視化模塊在地理潮流圖上實時標識出當前系統(tǒng)中最小的動態(tài)頻率裕度圖標11和最小的動態(tài)電壓裕度圖標12設(shè)備分布情況。圖標上方的數(shù)據(jù)反映了對應(yīng)的裕度數(shù)值。

在電網(wǎng)異常情況下，主屏潮流圖上將使用上述紅色V/F圖標標識裕度告警設(shè)備信息及其位置分布，并在可視化界面的“動態(tài)電壓頻率”告警動態(tài)樹上以醒目的告警狀態(tài)顯示，并羅列出對應(yīng)動態(tài)電壓與頻率裕度告警信息，主要包括：系統(tǒng)電壓狀態(tài)，電壓裕度最小母線及其電壓裕度；系統(tǒng)頻率狀態(tài)、頻率裕度最小母線及其頻率裕度。

同時，在多主題窗口中聯(lián)動切換顯示電網(wǎng)動態(tài)電壓/頻率匯總信息、最小電壓裕度以及最小頻率裕度趨勢曲線。因為動態(tài)電壓和頻率監(jiān)視可視化效果與低頻振蕩監(jiān)視可視化效果相似，這里不在例舉。

2.5 一次調(diào)頻動作性能評價可視化

當電網(wǎng)發(fā)生頻率擾動且變化達到一次調(diào)頻響應(yīng)門檻時，在“并網(wǎng)機組性能監(jiān)視”頁面的動態(tài)告警信息樹上將看到全網(wǎng)機組一次調(diào)頻響應(yīng)性能評價與統(tǒng)計情況，主要按照各評價等級(優(yōu)秀、良好、中等、較差、反調(diào)節(jié)、無效、免考核等)分類，并包含各評價等級統(tǒng)計結(jié)果信息(機組臺數(shù)、臺數(shù)百分比、總?cè)萘俊⒖側(cè)萘堪俜直?以及具體涉及機組的羅列。

當點擊具體評價等級節(jié)點右側(cè)圖標1按鈕時，將在地理潮流圖上使用反映該一次調(diào)頻評價等級可視化圖標(如圖標13～16)展示該評價等級所屬機組分布情況，鼠標懸停具體圖標將顯示機組詳細一次調(diào)節(jié)評價信息。同時，右側(cè)的多主題窗口則聯(lián)動切換展示一次調(diào)頻響應(yīng)的系統(tǒng)總交換功率與系統(tǒng)頻率曲線、系統(tǒng)響應(yīng)概況信息、全網(wǎng)調(diào)頻特性情況。

除此之外，當點擊“一次調(diào)頻性能監(jiān)視”根節(jié)點側(cè)的圖標1按鈕時，將在地理潮流圖上使用餅圖顯示全網(wǎng)范圍內(nèi)一次調(diào)頻電廠全部機組本次一次調(diào)頻考核情況的統(tǒng)計，如圖6所示。圖6中使用餅圖的綠色份額標識所關(guān)聯(lián)電廠一次調(diào)頻動作評價合格機組所占百分比，使用黃色份額標識不合格機組百分比，而使用藍色份額標識免考核機組百分比。

圖6 PMU電廠一次調(diào)頻評價統(tǒng)計的可視化

2.6 勵磁調(diào)節(jié)監(jiān)視可視化

該可視化模塊主要實現(xiàn)了對由電網(wǎng)擾動引起的勵磁系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)響應(yīng)過程與調(diào)節(jié)性能分析結(jié)果的可視化展示。

當實際運行機組由于電壓擾動而引起其勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)動作時，將在動態(tài)信息樹的“勵磁調(diào)節(jié)性能監(jiān)視”節(jié)點下方按照機組羅列其對應(yīng)勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能分析結(jié)果，主要包括：擾動發(fā)生時間、擾動前調(diào)節(jié)精度、擾動后調(diào)節(jié)精度、暫態(tài)電壓調(diào)整率、最大電壓倍數(shù)、勵磁電壓響應(yīng)時間、最大勵磁電壓、最大勵磁電流等信息、PSS/AVR投退情況等。

當點擊具體勵磁調(diào)節(jié)機組右側(cè)的圖標1按鈕時，在地理潮流圖上采用勵磁調(diào)節(jié)動作圖標(如圖標17～19 )可視化地展示勵磁調(diào)節(jié)狀態(tài)與分布情況。當鼠標懸停至相應(yīng)圖標時，將采用提示窗顯示勵磁調(diào)節(jié)詳細性能參數(shù)提示。同時，該可視化模塊還將以懸浮窗口的方式展示所選勵磁調(diào)節(jié)機組的本次勵磁調(diào)節(jié)詳細動態(tài)響應(yīng)過程，包括機端三相電壓、電流擾動曲線；勵磁電壓、勵磁電流調(diào)節(jié)響應(yīng)曲線以及該機組勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能參數(shù)分析結(jié)果，如圖7所示。

圖7 勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能監(jiān)視可視化

圖8 機組進項運行監(jiān)視可視化

2.7 機組進相運行可視化

當系統(tǒng)中監(jiān)測到機組進相運行時，點擊“機組進相運行”動態(tài)信息樹節(jié)點，將展開當前全網(wǎng)進相運行機組的詳細運行情況，并按機組羅列相關(guān)進相狀態(tài)參數(shù)，主要包括：開始進相時間、進相持續(xù)時間、進相深度、無功積分電量等信息。

當點擊“機組進相運行監(jiān)視”節(jié)點右側(cè)的圖標1按鈕時，該可視化模塊在地理潮流圖上將使用可視化圖標20標識當前全網(wǎng)進相運行機組的狀態(tài)與分布情況，當鼠標懸停至相應(yīng)圖標時，還將顯示詳細進相信息提示。

點擊具體進相運行機組右側(cè)的圖標1按鈕時，將以懸浮窗口的方式展示該機組當前PQ運行圖，并突出進相限制曲線/低勵曲線等信息，如圖8所示。

圖9 圖標顯示樣式

3 結(jié) 論

基于智能電網(wǎng)調(diào)度支持系統(tǒng)的可視化平臺，結(jié)合現(xiàn)有WAMS系統(tǒng)應(yīng)用功能，設(shè)計并實現(xiàn)了電網(wǎng)運行動態(tài)監(jiān)視完整的可視化功能。

通過實時獲取電網(wǎng)運行相關(guān)的動態(tài)告警信息，該可視化功能將不同類型的電網(wǎng)動態(tài)運行信息與告警進行匯集與綜合展示，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)動態(tài)運行狀態(tài)高效、精準的監(jiān)視與告警。從實際應(yīng)用中的效果來看，它能夠使得運行人員快速、直觀地掌握電網(wǎng)動態(tài)運行情況，提高調(diào)度運行人員對電網(wǎng)動態(tài)越限、電網(wǎng)擾動、低頻振蕩等重要電網(wǎng)事件以及機組并網(wǎng)性能評價等的響應(yīng)速度與決策處理能力。

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