輸電網運行評估系統在福建電網的實現

劉鎧誠，何光宇，陳睿，黃文英，鄧兆云，鄧勇

(1.清華大學電機系電力系統國家重點實驗室，北京市100084;2.國網福建電力調度控制中心，福州市350003)

0 引言

為了使電網運行人員更加明確地了解輸電網的運行狀態，發現電網的薄弱環節，并更加有針對性地作出決策，我們需要構建一套輸電網運行評估指標體系。

目前，許多專家學者已經從多種角度對指標體系進行研究，提出了指標體系的構建思路［1-3］以及針對單一評估目標的指標體系的構建方法［4-5］。本文作者基于這些研究，從結果和原因2個層面出發，提出了一套系統的輸電網運行評估指標體系的構建方法［6］，詳細闡述了結果評估中的外部需求評估指標集［7］和內部安全需求評估指標集［8］的指標選取方法。

基于本文作者在文獻［6－8］中關于輸電網運行評估指標體系的研究，本文針對福建電網這一具體的輸電網，結合實際需求，構建符合福建電網實際情況的福建電網運行評估指標體系，用于評估福建電網的運行水平。為便于福建電網評估指標體系在輸電網運行調度中的實際應用，開發了福建電網在線運行分析與輔助決策系統，對評估指標進行實時監控，在福建電網初步實現了在線綜合分析與輔助決策。本文將基于普遍適用的輸電網運行評估指標體系，闡述適用于福建電網的評估指標體系的構建，介紹福建電網在線運行分析與輔助決策系統的硬件架構、軟件架構，并給出典型算例表明系統實際運行效果。

1 指標體系的構建

首先，根據福建電網的實際需求和采集數據的情況，基于文獻［4］中提出的構建輸電網評估指標體系的方法，選取福建電網最為關心的指標，形成福建電網的運行評估指標體系。

在選取指標的過程中，對其中的各個指標集，作了如下的考慮。

1.1 結果評估

結果評估分為對用戶需求、發電企業需求、互聯電網需求、社會需求等外部需求的評估以及對電網公司本身內部需求的評估，表1列出了結果評估的相關指標。

表1 福建電網運行評估指標體系結果評估指標集Tab.1 Effect evaluation index set of index system for Fujian Power Grid

(1)外部需求評估指標集。實際運行中，運行人員更關心外部需求在長時間段內總體的滿足程度，在特定斷面短時的電壓、頻率或功率在一定程度內的偏差是可以接受的。因而，外部需求評估指標集多數選取統計時間段內的評估指標:電壓、頻率等質量需求采用合格率、波動率指標評估;負荷、發電功率需求采用可靠率、發電計劃完成率、棄水期裝機滿發率等指標;聯絡線功率根據評估時段的不同采用CPS1和CPS2指標［9］。根據福建電網的實際情況，不可調電源節點中，僅考慮風電節點的隨機波動，為便于監測風電出力及時調控接納，在短期內采用出力接納比例評估。

(2)內部需求評估指標集。安全需求是否滿足是調度運行人員最關心的運行情況之一。風險指標能夠反映當前電網整體安全情況，并能夠提示最有可能發生的故障和后果最嚴重的事故情況，提前預警調度人員。故有必要在當前斷面和統計時間段內評估輸電網的安全風險，計算電網安全風險價值指標和電網安全條件風險價值指標。系統的高效性水平一般更體現在統計時間段內，故高效需求評估中僅選取統計時間段內的指標，包括電能傳輸效率及環境成本2個方面。

1.2 原因評估

原因評估的基本方法為分解轉化。分解即將結果評估中的表示長時間內、總體需求滿足程度的指標，分解為短時間內、局部需求滿足程度的指標。表2列出了各分解指標。由于滿足外部需求本質上是滿足各節點上的需求，對于電壓需求、不可調電源功率需求，有必要采用節點指標評估局部情況，以便于調度人員掌握局部信息，根據運行情況及時作出調整，具體指標包括節點電壓合格率、節點供電可靠率等等。此外，單情景的發生風險指示了最危險的某些情景，而設備的高效性指標可以為減少損耗的精細化管理提供依據。

表2 福建電網運行評估指標體系分解指標集Tab.2 Decomposition index set of index system for Fujian Power Grid

轉化通常是對決策評估而言，針對單決策，給出了決策評估的指標集，如表3所示。根據福建電網的實際情況，外部需求中電源出力的波動僅考慮風電波動。外部需求的波動情況細化到負荷母線和風電節點處，以便于考察局部需求的變動。決策自身因素方面，考慮各決策周期上的控制決策，對AGC控制策略、經濟調度策略、日前計劃、月度運行方式、年度運行方式等設立定性指標進行評估，說明其決策執行情況及決策合理性。

表3 福建電網運行評估指標體系決策評估指標集Tab.3 Strategy evaluation index set of index system for Fujian Power Grid

2 硬件體系架構

福建電網評估的硬件體系結構包含以下幾部分內容:應用服務器、數據服務器、客戶端、福建電網FTP服務器和綜合數據平臺。

其中應用服務器用于進行指標的計算、分析，提供輔助決策等，共有2臺，互為備用;數據服務器為用于存放所有指標數據以及系統相關的模型數據、參數數據等，也是共有2臺，互為備用。這4臺服務器為指標體系專用服務器。

福建電網FTP服務器和綜合數據平臺為福建電網已有服務器，用于為指標體系提供相關的數據支持。客戶端為各部門人員的工作站或PC機，用以運行界面程序。

硬件體系架構如圖1所示。

3 軟件體系架構

項目軟件主要分為后臺數據支持和前臺可視化2個方面的內容。其中后臺基于OSGi［10］+SOA機制組織，而前臺可視化則是基于Swing Java Builder、JFree Chart和Jide技術開發實現，后臺與前臺之間的數據交互通過HTTP+Hessian實現。后臺框架基于以下2個目的進行組織:(1)計算、存儲、讀取指標，為前臺可視化提供穩定的數據支持;(2)為輔助決策的事件機制［11］提供相關服務。

圖1 硬件體系架構Fig.1 Hardware architecture

軟件體系架構如圖2所示，包括了數據庫服務、指標緩存服務、指標查詢服務、狀態估計數據服務、調度作業服務、指標體系配置信息服務、事件信息管理服務、http服務和Hessian等多個相關服務，以下具體闡述其功能和實現方式。

(1)數據庫服務。

本系統需要用到2個數據庫服務:指標體系數據庫服務，福建電網數據平臺數據庫服務。指標體系數據庫服務是指標體系的專用數據庫服務，提供的是針對系統內部數據庫的讀寫，負責存儲指標體系所需要的各種數據，所有前臺可視化要展示的指標信息都要進入此數據庫，指標體系的一些配置信息也由本數據庫存儲。福建電網數據平臺數據庫服務，負責處理指標體系與福建電網已有數據之間的交互，例如讀取福建電網已有指標，讀取計算指標所需要的一些基礎數據等等。

(2)指標緩存服務。

指標緩存服務是指標體系運行效率的重要保證。將一些常用的指標信息放入內存，當前臺可視化需要這些信息時直接返回相關數據即可，而不需要進行相關的數據庫操作，這樣能夠節省大量的時間。

(3)指標查詢服務。

指標查詢服務是負責所有指標查詢相關的功能。它直接與數據庫服務進行交互，在應用層與數據庫之間增加1層，一方面保證了數據庫的安全穩定，另一方面也使得程序實現更加清晰。

(4)狀態估計數據服務。

狀態估計數據服務，定時讀取福建電網FTP上的狀態估計結果(E格式文件)，通過格式轉換得到潮流斷面等相關系統運行信息，對外提供數據接口，為高級應用提供數據支持。與之密切相關的是福建電網FTP資源，這是狀態估計結果的提供平臺。

圖2 軟件體系架構圖Fig.2 Software architecture

(5)作業調度服務。

作業調度服務負責處理一些與時間相關的任務，例如指標的定時計算，狀態數據的定時讀取和處理等等。

(6)指標體系配置信息服務。

指標體系配置信息服務負責指標體系配置相關的數據服務，例如當前體系有哪些結果評估指標、分別對應著哪些原因評估指標，有哪些看板，各個看板分別包含哪些指標及其對象的相關信息。與之密切相關的是YAML格式的配置文件，它同時還與指標體系數據庫進行交互。

(7)Http服務和Hessian。

Http服務和Hessian共同構成了遠程調用的技術基礎，用于滿足可視化模塊和指標體系管理模塊的數據需求。指標體系配置信息服務、指標查詢服務，事件信息管理服務均通過Http和Hessian進行注冊，以保證遠程模塊能夠通過Http獲取相關數據服務。

相關功能模塊可以分為遠程功能性模塊和事件機制模塊2類，具體介紹如下:

(1)遠程功能性模塊。

遠程功能性模塊主要包含2個內容:可視化模塊、指標體系管理模塊。可視化模塊是整個系統最重要的模塊之一，它將整個指標體系以一定的可視化方式展示出來，不但包括指標體系本身的可視化還包括基于指標體系的事件驅動機制的可視化。指標體系管理模塊主要負責指標體系的修改，包括指標的添加和刪除，結果評估指標及原因評估指標的修改，指標體系對象的維護等。

(2)事件機制模塊。

事件機制模塊由一系列模塊組成，如圖3所示，包括指標計算、指標監視和事件處理模塊(稱為核心模塊)，還包括為這些模塊提供相關數據服務的服務性模塊(圖3中沒有表示出來)。

整個事件機制可以通過圖3詳細展現出來，圖中展示了事件機制實現的3個事例，將系統中所有的控制模式都統一到這一框架之下。事件發現層負責通過綜合指標體系在整個系統內發現事件，避免信息孤島事件的發生;事件分析層負責通過數據挖掘等方式在整個系統內查找引起問題的根本原因;事件處理層負責協同控制所有可控資源，形成整體最優的解決方案。

圖3 事件機制示例Fig.3 Example for event mechanism

4 系統運行實例

限于篇幅所限，無法全面展現系統的運行情況，因此本節選取了電網實際運行中2個常見的越限場景:重要斷面功率越限和電壓越限，以此來說明該系統的運行機制。

(1)重要斷面功率越限。

將重要斷面的輸送功率抽象成指標，根據上述事件機制組織整個輔助決策流程。監視到重要斷面功率越限后，記錄越限額，基于靈敏度(轉移分布因子)的思想調整發電機的有功出力，消除線路越限。

功率越限決策流程見圖4，以500kV福州—東臺雙線斷面為例，線路功率限額為700MW。

(2)電壓越限。

將重要節點電壓抽象為指標，指定其上下限。監視到某重要節點電壓越限后，啟動最優潮流模塊，將各個節點電壓的限值轉化成最優潮流的約束條件，同時數據可控發電機節點及其對應的無功輸出上下限，目標函數為網損最小。經過最優潮流得到各個可調發電機節點的端電壓的調節量。這樣得到的策略，施加到系統控制后，一方面消除電壓越限，一方面使得當前系統處在網損最優的狀態。

以泉州變電站35kV側1號節點電壓越限為例說明:在某個時刻，泉州變電站35kV側1號節點電壓為36.66kV，該節點電壓上限為36.4kV，電壓越上限。

圖4 功率越限決策流程圖Fig.4 Flow chart of strategy for power flow over limit

調用最優潮流消除越限并優化網損，得到的控制策略見表4。

控制效果為:在優化控制前，主網架網損為119.76MW，泉州變電站35kV側1號節點電壓為36.66kV;優化控制后，主網架網損變為113.67MW，泉州變電站35kV側1號節點電壓變為36.36kV。可以看出，優化控制起到了消除電壓越限的效果，同時對網損也進行了一定優化。

表4 電壓越限控制策略Tab.4 Control strategy for voltage over limit

5 結論

本文所述的福建電網在線運行分析與輔助決策系統，是輸電網運行評估指標體系在實際電力系統中的應用。由文中所列的典型算例可以看出，該系統可以準確地反映電網的運行狀態，監測和分析電網的薄弱環節;而系統所提供的輔助決策，對提高電網的安全性、經濟性等也都具有顯著效果。這也說明作者所提出的輸電網運行指標體系，其構建方法是科學、合理的，可以有效地指導電力系統的運行實踐。

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