基于調(diào)控一體化的地區(qū)電網(wǎng)智能監(jiān)控與輔助決策系統(tǒng)

謝宇哲，鄔秀玲，項(xiàng)中明，張志雄

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司寧波供電公司，浙江 寧波 315010；2.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司，杭州 310007）

0 引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大和新技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的調(diào)度-變電站運(yùn)行模式已不能適應(yīng)當(dāng)今電網(wǎng)的發(fā)展需求。調(diào)控一體化是指采用調(diào)度、監(jiān)視、操作一體化，集約化、精益化的目標(biāo)模式，由調(diào)控員代替原有的調(diào)度員和監(jiān)控員，變電站實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班。該模式實(shí)現(xiàn)了調(diào)控員快速全面掌握設(shè)備運(yùn)行情況，加快故障處理的目的[1]。

如何發(fā)揮調(diào)控一體化的優(yōu)勢(shì)，保障電網(wǎng)安全運(yùn)行，電網(wǎng)智能監(jiān)控與決策系統(tǒng)起著舉足輕重的作用。傳統(tǒng)的EMS（能量管理系統(tǒng)）是根據(jù)遙測(cè)、遙信量等信息對(duì)越限和故障以彈出對(duì)話框、發(fā)出聲音的方式告警，方式單一，缺少自動(dòng)性功能。解決該問題的關(guān)鍵在于：智能監(jiān)控與輔助決策軟件在實(shí)時(shí)運(yùn)行過程中，能跟蹤電網(wǎng)上報(bào)的告警信息，及時(shí)依據(jù)預(yù)先定義好的告警規(guī)則進(jìn)行告警的歸總、分析和跟蹤[2-3]。本系統(tǒng)通過基于技術(shù)規(guī)定、模型和推理的專家系統(tǒng)規(guī)則[4]，改進(jìn)潮流計(jì)算與狀態(tài)估計(jì)方法，采用快速靈敏度分析，在1 s內(nèi)完成告警信息的歸總分析，并提供實(shí)時(shí)輔助決策方案[5-6]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為智能告警分析、告警輔助決策、在線及離線故障分析、報(bào)表功能4個(gè)模塊。通過偽信息辨別與過濾、信息分類、告警匯總等技術(shù)手段將告警信息集中展示給調(diào)控員，并實(shí)現(xiàn)斷面監(jiān)視預(yù)警、快速事故分析、拉限電分析、風(fēng)險(xiǎn)管控、事故告警反演等功能。系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能構(gòu)架

系統(tǒng)從EMS獲取模型、圖形和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從保護(hù)與故障錄波系統(tǒng)獲取事故簡(jiǎn)報(bào)信息，由運(yùn)行方式員導(dǎo)入檢修計(jì)劃。將基于計(jì)算模塊層計(jì)算獲得的各種分析結(jié)果加以系統(tǒng)化、層次化、主題化的歸納和提煉，并面向終端用戶進(jìn)行展示。其軟件體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 軟件體系架構(gòu)

2 系統(tǒng)原理

2.1 專家?guī)煲?guī)則

系統(tǒng)建立了41條專家?guī)煲?guī)則，監(jiān)控各類設(shè)備的越限情況，在線分析各類設(shè)備的缺陷，跟蹤設(shè)備缺陷歷史，按照遙信或者間隔進(jìn)行關(guān)聯(lián)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)潮流進(jìn)行綜合判斷，能夠?qū)υ几婢M(jìn)行分類、匯總，去除偽告警，以發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)中真實(shí)發(fā)生的智能告警信息，并向調(diào)控員實(shí)時(shí)展示。

針對(duì)每一類原始告警信息，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一些普遍適用的告警專家規(guī)則：只關(guān)心調(diào)控管轄責(zé)任區(qū)；只關(guān)心帶電運(yùn)行的主間隔；只保留過去24 h已復(fù)歸的告警信息，保留所有的未復(fù)歸告警；按照電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)信息規(guī)范區(qū)分告警信息的等級(jí)。

系統(tǒng)包含以下常見重要規(guī)則：

（1）某一個(gè)間隔發(fā)生事故跳變時(shí)，該間隔下的所有遙信原始告警信息都必須歸總到該間隔的智能告警下。

（2）同類告警信息合并模塊：當(dāng)多個(gè)設(shè)備或多個(gè)變電站發(fā)生相同告警時(shí)，將其整合為1條根源告警。

（3）開關(guān)發(fā)生變位時(shí)，如果是計(jì)劃?rùn)z修引起的操作，給出提示。

（4）開關(guān)變位時(shí)，如果主設(shè)備上遙測(cè)不匹配，給出提示。

（5）對(duì)于非環(huán)網(wǎng)220kV主變壓器電流越限，展示110kV主變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和其下帶的110kV線路，并提示壓負(fù)荷/切負(fù)荷/倒負(fù)荷的意見。

（6）對(duì)于環(huán)網(wǎng)220kV線路電流越限，展示其下帶的110kV主變壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提示每臺(tái)220kV主變壓器對(duì)越限線路的有功靈敏度。

（7）對(duì)于10kV母線線電壓越限，分析是否為接地及熔絲熔斷故障，并提供消缺意見。

（8）對(duì)于220kV主變壓器功率因數(shù)越限，展示其下帶的供區(qū)結(jié)構(gòu)，并提供供區(qū)內(nèi)的容抗器投切策略。

（9）設(shè)備發(fā)生異常告警時(shí)，可以標(biāo)記為已知缺陷，并在再次告警時(shí)予以提示。

（10）設(shè)備發(fā)生異常告警且為重要缺陷時(shí)，進(jìn)行實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，給出風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)估。

（11）如果開關(guān)保護(hù)異常，造成主變壓器后備保護(hù)越級(jí)動(dòng)作，則認(rèn)為故障位置在該開關(guān)所在線路上。

（12）比對(duì)實(shí)時(shí)拓?fù)浜屯ｋ婎A(yù)案觸發(fā)條件，若匹配則自動(dòng)生成相應(yīng)事故預(yù)案。

2.2 快速靈敏度分析

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于開斷法的快速靈敏度分析。靈敏度分析的數(shù)學(xué)本質(zhì)是將雅克布矩陣進(jìn)行簡(jiǎn)化，獲取自變量和應(yīng)變量之間的線性化關(guān)系。具體到電力網(wǎng)絡(luò)分析中，靈敏度分析能夠用于獲取注入點(diǎn)潮流對(duì)于支路潮流、或者支路潮流對(duì)于支路潮流的線性關(guān)系；有了這些線性關(guān)系，就能夠快速確定潮流越限時(shí)的轉(zhuǎn)移支路[7]。

系統(tǒng)對(duì)于每個(gè)越限的環(huán)網(wǎng)支路都會(huì)進(jìn)行靈敏度分析，靈敏度分析由以往的全局掃描改進(jìn)為局部掃描：針對(duì)每個(gè)越限支路，只掃描同一個(gè)供區(qū)內(nèi)的支路和相鄰供區(qū)內(nèi)的支路，極大地減少了掃描數(shù)據(jù)量。其次，靈敏度分析采用了基于直流潮流的開斷法。開斷法直接對(duì)雅克布矩陣進(jìn)行修正，之后再用優(yōu)化過的直流潮流計(jì)算一次求解自變量和應(yīng)變量之間的線性關(guān)系。經(jīng)過測(cè)試，發(fā)現(xiàn)快速靈敏度分析完全可以滿足在線輔助決策的性能需求。

2.3 狀態(tài)估計(jì)

針對(duì)電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)問題中狀態(tài)量及量測(cè)雅可布矩陣的絕大多數(shù)非零元素均成對(duì)出現(xiàn)的實(shí)際狀況，系統(tǒng)采用基于分塊Givens旋轉(zhuǎn)的電力系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)算法，根據(jù)信息矩陣的分塊稀疏結(jié)構(gòu)進(jìn)行列編號(hào)的優(yōu)化，采用變轉(zhuǎn)軸逐列消元策略，基于最小度原則動(dòng)態(tài)選擇轉(zhuǎn)軸元素，根據(jù)非零注入元素最少的原則選擇旋轉(zhuǎn)元素，既減少了所需的內(nèi)存空間，又明顯提高了執(zhí)行效率[6-8]。運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，與傳統(tǒng)的Givens正交變換法相比，該算法在執(zhí)行效率上具有明顯的優(yōu)勢(shì)（節(jié)省約30%的CPU時(shí)間）。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

通過告警專家規(guī)則，系統(tǒng)可以對(duì)原始告警信息進(jìn)行在線智能告警分析，根據(jù)所獲取的智能告警信息，進(jìn)行包括狀態(tài)估計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、靈敏度分析、負(fù)荷轉(zhuǎn)移在內(nèi)的各種在線輔助決策，幫助調(diào)控人員分析、定位和處理各類告警信息。

3.1 智能告警分析

目前EMS普遍存在的問題是：電網(wǎng)運(yùn)行監(jiān)視的告警信息是通過SOE（事件順序記錄）方式采集及顯示在調(diào)度端，未作任何分析或判斷處理，特別是在電網(wǎng)故障情況下，短時(shí)間可能上傳大量的告警信息（每秒50～200條），這對(duì)智能監(jiān)控與輔助決策系統(tǒng)提出了很高的要求。

3.1.1 遙信信息分析

EMS系統(tǒng)提供的原始告警消息約有70多種，包括電網(wǎng)的各種一次告警信息、二次告警信息和EMS本身的告警信息。針對(duì)調(diào)控員的實(shí)際需求，本系統(tǒng)著重考慮4種原始告警信息，分別為遙信變位、告警事故、告警通道工況和二次遙信告警。

遙信告警信息往往圍繞多個(gè)熱點(diǎn)群發(fā)性發(fā)生。在對(duì)原始告警信息進(jìn)行在線智能匯總的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)必須結(jié)合電網(wǎng)網(wǎng)架和電網(wǎng)拓?fù)洌瑢?duì)跨遙信、跨間隔、甚至跨變電站的告警信息進(jìn)行歸總。

3.1.2 遙測(cè)信息分析

系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)各類設(shè)備的越限情況，并生成遙測(cè)告警列表，實(shí)時(shí)向調(diào)控員進(jìn)行提示，包括：線路電流越限、變壓器電流越限、變壓器功率因數(shù)越限、變壓器無(wú)功倒送母線線電壓及相電壓越限、斷面電流及有功越限。系統(tǒng)能根據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)分析相應(yīng)間隔是否異常。

3.2 告警輔助決策

在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過程中，由于電力網(wǎng)絡(luò)的一體性，需根據(jù)歸并后的告警信息進(jìn)行包括狀態(tài)估計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、靈敏度分析、負(fù)荷轉(zhuǎn)移在內(nèi)的各種在線輔助決策，幫助調(diào)控員分析、定位和處理各類告警信息。

3.2.1 消除越限的負(fù)荷轉(zhuǎn)移決策

對(duì)于發(fā)散型的電網(wǎng)，降潮流措施通常比較簡(jiǎn)單，可以利用切負(fù)荷、升出力來(lái)實(shí)現(xiàn)。在復(fù)雜情況下，也會(huì)利用倒負(fù)荷的方法將部分負(fù)荷轉(zhuǎn)移到相鄰的支路上。針對(duì)環(huán)形電網(wǎng)，降潮流措施則十分復(fù)雜。因此，系統(tǒng)引入靈敏度分析，尋找相關(guān)度比較大的支路。對(duì)于靈敏度為正的支路，建議切負(fù)荷或者升出力；對(duì)于靈敏度為負(fù)的支路，建議升負(fù)荷或者降出力。

3.2.2 快速風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

設(shè)備發(fā)生異常告警且為重要異常告警時(shí)，要立刻觸發(fā)以異常設(shè)備為對(duì)象的假想故障分析，并按照《國(guó)家電網(wǎng)公司安全事故調(diào)查規(guī)程》和《國(guó)務(wù)院第599號(hào)令》分析可能的事故后果。考慮到地區(qū)電網(wǎng)的實(shí)際情況，將電網(wǎng)事故分成8個(gè)級(jí)別。為提升實(shí)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的精度，系統(tǒng)提供了備自投的仿真，并根據(jù)網(wǎng)架自動(dòng)生成備自投裝置投切策略。

3.2.3 無(wú)功/功率因數(shù)調(diào)整策略

按照有關(guān)部門對(duì)功率因數(shù)及無(wú)功的規(guī)定，系統(tǒng)按照制定的策略，在無(wú)功或主變壓器功率因數(shù)越限情況下，檢測(cè)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和容抗器投切情況，自動(dòng)展示其下帶的供區(qū)結(jié)構(gòu)，并提示供區(qū)內(nèi)是否有需要調(diào)整的容抗器。

3.3 在線及離線事故分析

系統(tǒng)能夠讀取任一斷面的網(wǎng)絡(luò)情況，供調(diào)控員加以調(diào)整，獲取假想的網(wǎng)絡(luò)斷面，并根據(jù)調(diào)控員指定的假想故障情況自動(dòng)生成停電預(yù)案，包括故障隔離操作、恢復(fù)供電操作和關(guān)鍵支路監(jiān)視方案，并在一次主接線圖上可視化地回放該時(shí)間段的各種一次、二次告警信息。

3.3.1 預(yù)案自動(dòng)生成

在線比對(duì)實(shí)時(shí)拓?fù)浜屯ｋ婎A(yù)案觸發(fā)條件，匹配成功后顯示相應(yīng)電網(wǎng)事故預(yù)案。事故預(yù)案包括設(shè)定故障名稱、故障隔離恢復(fù)和關(guān)鍵支路越限監(jiān)視。如有多種方案，則都列舉以供選擇。

3.3.2 事故回放功能

系統(tǒng)獲取變電站指定時(shí)段內(nèi)所有一次、二次告警信息，根據(jù)事件發(fā)生的時(shí)間序位表，搜索到相應(yīng)間隔，可視化回放事故的發(fā)生、隔離、恢復(fù)全過程，同時(shí)也可以播放事故預(yù)案的演練過程。

4 實(shí)例分析

國(guó)網(wǎng)寧波供電公司于2012年7月中旬開始投入本系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)告警相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行熱點(diǎn)分析，從而保證了電網(wǎng)綜合智能告警與決策分析的效率，在出現(xiàn)告警的同時(shí)對(duì)可能的故障源以及應(yīng)急方案都迅速做出提示。臺(tái)風(fēng)“海葵”期間，系統(tǒng)的強(qiáng)大功能得到充分驗(yàn)證，在保證事故和異常告警信息完整的基礎(chǔ)上，告警信息數(shù)量下降44%，其中事故與告警壓縮率超過90%，各類告警信息如表1所示。

該系統(tǒng)對(duì)寧波電網(wǎng)所有220kV變電站全站停電事故進(jìn)行了模擬測(cè)試，總結(jié)出調(diào)控員事故處理案例。以220kV象北變電站1號(hào)主變壓器故障為例，故障前電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)如圖3所示。

表1 “海葵”期間告警壓縮率

圖3 寧波局部電網(wǎng)示意

系統(tǒng)通過對(duì)“象北變電站北周線保護(hù)OP燈熄滅”、“象北變電站1號(hào)主變壓器保護(hù)動(dòng)作”、“象北變電站2號(hào)主變壓器過載”等原始告警信息分析，得出智能告警信號(hào)“象北變電站1號(hào)主變壓器越級(jí)跳閘（北周線故障）”，并根據(jù)在線拓?fù)浜统绷餍ｒ?yàn)得到如下恢復(fù)方案：

（1）西周變電站北周線改冷備用。

（2）象北變電站北周線改冷備用。

（3）象北變電站110kV母聯(lián)開關(guān)改運(yùn)行。

（4）象北變電站1號(hào)主變壓器110kV開關(guān)改運(yùn)行。

經(jīng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)的電網(wǎng)潮流顯示正確，提供的負(fù)荷轉(zhuǎn)移、恢復(fù)路徑等輔助決策方案準(zhǔn)確可行，系統(tǒng)的應(yīng)用顯著提高了監(jiān)控和事故處理效率。

5 結(jié)語(yǔ)

在調(diào)控一體化背景下，調(diào)控員面臨的將是海量的告警信息。原有系統(tǒng)因功能簡(jiǎn)單、不具備告警智能匯總和輔助決策等問題，已經(jīng)不能滿足大電網(wǎng)發(fā)展的需要。基于調(diào)控一體化的電網(wǎng)智能監(jiān)控與輔助決策系統(tǒng)，能夠?qū)Ａ啃畔⑦M(jìn)行智能分析處理，獲取調(diào)控人員需要關(guān)心的異常信息，提供決策方案，有利于及時(shí)處理故障，避免事故的發(fā)生或擴(kuò)大。

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