大電網安全穩定沙盤推演系統

奚江惠，胡濟洲，裘微江，邵德軍

（1.國家電網華中電力調控分中心，湖北 武漢 430077；2.國網湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；3.中國電力科學研究院，北京 100192）

0 引言

“大電網沙盤推演系統”是國家電網公司《大電網規劃與運行控制技術深化研究重大專題》項目五《大電網在線評估技術深化研究》的配套示范項目[1～2]，引入了最早用于軍事領域的沙盤推演機制，將其與電力系統機電電磁混合計算方法和現代數字影像技術相結合，構建大電網安全穩定沙盤推演系統。

在華中電網構建大電網安全穩定沙盤推演系統是華中電網提高大電網調控能力的需要。華中電網正處于特高壓交直流混聯電網過渡階段，特高壓直流通道多、送電功率大，交流電網相對薄弱。資源大范圍靈活配置促進了減排環保，但也使系統穩定特性趨于復雜，運行方式多變。同時，電網規模的擴大、新能源發電在大電網的迅猛發展、極端氣候和地質災害頻發等多因素都給電網安全穩定造成嚴重威脅。而傳統的電力系統分析計算軟件無論在自動化、智能化方面，還是在定量研究特高壓直流送受端相互影響等方面都有明顯局限性。

本文所述系統基于傳統穩定分析計算軟件，吸取全數字仿真以及安全評估的先進技術，可作為電力系統安全穩定計算高效智能化分析平臺，實用化后將豐富調度員掌握大電網變化趨勢的技術手段，在多種應用場景中發揮作用。

1 大電網安全穩定沙盤推演技術演進及國內外應用情況

1.1 軍事和企業沙盤推演

沙盤推演最早應用于軍事，用模擬戰爭形態來演繹將要發生的戰爭。戰爭沙盤推演通過紅、藍兩軍在戰場上的對抗與較量，發現雙方戰略戰術上存在的問題，提高指揮員的作戰能力。戰爭沙盤模擬推演跨越了實兵軍演的巨大成本障礙和時空限制，在重大戰爭戰役中得到普遍運用，其實演效果尤其在“二戰”中發揮到了極致。

企業沙盤模擬培訓是上世紀五十年代由軍事沙盤推演演化而成，英、美知名商學院和管理咨詢機構意識到沙盤推演同樣適合企業對中、高層經理的培訓，隨即對軍事沙盤模擬推演進行廣泛借鑒與研究，最終開發出了企業沙盤實戰模擬這一新型現代培訓模式。這種新穎而獨特的培訓模式現已風靡歐美，成為世界500強企業經營管理培訓的主選課程，接受過沙盤模擬訓練的中國優秀企業也已超過7 000家；沙盤模擬教學模式已被北大、清華、人大、浙大等多所高等院校納入MBA、EMBA及中高層管理者在職培訓的教學之中。

其它行業通過現代數字影像技術與傳統沙盤模型的組合，打造獨特的動態數字沙盤，用于規劃展示、匯報和宣傳等。

沙盤模擬培訓特有互動性、趣味性和競爭性特點，能調動學員學習興趣，使學員充分運用聽、說、學、做、改等一系列學習手段，開啟一切可以調動的感官功能，對所學內容形成深度記憶，并能夠將學到的管理思路和方法在實際工作中很快實踐與運用。在沙盤模擬培訓中學員得到的不再是空洞乏味的概念、理論，而是極其寶貴的實踐經驗和深層次的領會與感悟。

1.2 電力系統沙盤推演及其研究應用現狀

電力系統沙盤推演借鑒軍事沙盤模擬推演，模擬一個方式或電網調控措施（可類比戰爭方案）是否正確,是對電力系統安全穩定運行和控制的沙盤化模擬、分析、培訓。電力系統沙盤推演提供自然、直觀的交互方式，形象、高效的數據展示，全面、及時的信息反饋，通過便捷的操作和強烈的融入感，使用戶快速掌握當前電網狀態和存在的問題，從而提高工作效率和工作質量。電力系統沙盤推演可用于電網運行方式計算、規劃、調度等工作，當然其應用效果取決于數據是否能反映真實電網（類似戰爭決策正確需要有準確的情報）以及正確的仿真算法（類比軍事推演需遵守傷亡比例規律）。

軍事沙盤系統已經從簡單的靜態的模型系統發展為可展示軍事環境因素和要素動態變化的電子系統。然而，電力系統領域沙盤推演系統的應用相對較少。

1990年代后，國外電網事故呈現出多發性和復雜性，在此背景下，很多國家開始著手大電網在線分析與評估系統建設。但重點集中于在線穩定評估和預警方面，關于離線或規劃數據的智能綜合評估決策技術文獻報道還不多見。電力系統可視化技術比較早的應用于電網信息展示見于國外開發的Power World軟件。支持電網狀態沙盤推演與決策運行的可視化與互動結合技術方面的文獻目前還較為少見。調度部門已有在線安全穩定分析與預警系統，在此基礎上，還需提升基于當前電網在線數據的電網沙盤推演能力，逐步形成在線分析和沙盤推演并行的全時間維度電網分析方法。同時，虛擬仿真技術、三維動畫技術、多點觸摸技術、多媒體技術、系統控制技術、電網仿真技術和高性能計算等技術的快速發展為電力系統沙盤推演系統的發展應用提供了技術支撐[3～4]。國家電網公司2012年設立《大電網規劃與運行控制技術深化研究重大專題》項目，其中大電網安全穩定沙盤推演系統就是填補國內空白的研究應用項目。

2 系統結構

2.1 通用結構

大電網安全穩定沙盤推演系統基于傳統穩定分析計算軟件，運用全數字仿真以及安全評估的先進技術，采用統一的仿真計算數據管理平臺實現各種運行方式的智能制定以及自動化綜合評估，為電力系統安全穩定計算提供高效智能化分析平臺，從而為調度、規劃、方式制定等工作提供通用研究和決策支持。該系統屬于典型的三部件結構，即對話部件（人機交互及問題綜合系統）、數據部件（數據庫管理系統）、模型部件（模型庫管理系統）。圖1為其通用結構圖。

圖1 系統通用結構圖Fig.1 General structure of the system

2.2 系統結構及各功能模塊

大電網安全穩定沙盤推演系統部署在華中調控分中心調度網安全Ⅱ區，系統硬件結構包括服務器端和客戶端兩個部分。服務器端主要配置為數據庫服務器、數據平臺應用服務器、文件服務器、分布式計算機群、網絡設備、磁盤陣列。客戶端配置包括PC終端、觸摸屏、網絡設備。

大電網安全穩定沙盤推演系統總體結構如圖2所示，由仿真計算數據管理平臺（D5000數據接入、仿真計算數據管理）、仿真計算平臺、電網可視化及互動平臺、通信服務總線、推演應用服務端控制等5個子系統組成。

圖2 大電網安全穩定沙盤推演系統總體結構Fig.2 Overall structure of bulk power system sand-table simulation platform

2.2.1 仿真計算數據管理平臺

仿真計算數據管理平臺進行電網模型和數據資源的統一管理，為各類應用提供數據存取管理服務。具體功能包括：

1）電網模型和參數管理，管理電網設備基礎參數、電網設備動態模型參數、電網設備電磁暫態模型及參數、綜合評估設置數據。

2）推演案例管理。對用戶針對某個問題進行推演而生成的推演案例數據進行管理，包括案例上傳、下載、新建、刪除等。推演案例數據包括：電網基礎網架、推演前電網運行方式、方式變化數據修改記錄、推演后電網運行方式、針對運行方式的安全評估數據、暫穩推演數據和機電電磁混合推演數據。

3）與在線系統接口。可以導入D5000狀態估計后的數據，與離線方式計算數據進行整合生成仿真計算數據。

4）在基本的存儲管理外，還包括諸如共享、安全備份、可追溯的版本管理等。

5）支持不同來源和類屬的數據的統一管理。通過數據管理模式，可對電網應用集成提供支持和管理。

2.2.2 仿真計算平臺

仿真計算平臺的功能是實現全面的電網安全分析、評估和全過程仿真，集成各類電網仿真分析算法，實現電網的全面分析，包括快速潮流計算、機電暫態計算、機電電磁混合計算、安全評估（暫態穩定分析、小干擾穩定分析、靜態安全分析、短路電流分析、電壓穩定分析）、綜合靈敏度分析、穩定裕度計算、電網穩定輔助分析等。

通過機群的并行計算方式，提供分網并行和任務并行兩種并行計算模式，可靈活組合發揮分網并行和任務并行的綜合優勢，快速分析電網當前運行工況或預想運行工況下的安全穩定問題以及快速暫穩計算校核。

2.2.3 電網仿真推演應用服務端控制模塊

電網仿真推演應用服務端控制模塊也稱仿真推演應用服務器，提供對客戶端發來的推演操作和數據請求等消息的響應以及仿真推演相關業務處理和控制服務，包括電網推演用戶管理、電網推演組管理、電網推演規則服務、電網推演操作處理、電網推演結果發布等。

2.2.4 電網可視化及互動平臺（推演客戶端）

電網可視化及互動平臺（推演客戶端）利用可視化，直觀明了地表示出系統安全分析計算結果和電網動態變化過程。利用交互技術，實現用戶推演指令的輸入和結果反饋輸出。利用推演流程控制，來動態組合問題以及控制推演過程，滿足決策需要。該子系統提供顯示器、大屏幕系統、大/小尺寸觸摸屏等多類展示和交互手段，實現運行方式設定等操作的互動化、電網仿真及安全評估結果的可視化。

電網可視化及互動平臺中內嵌的推演應用客戶端邏輯控制功能包含用戶輸入命令響應、輸出結果分析處理、推演應用流程控制等。推演應用客戶端邏輯控制模塊管理驅動沙盤推演過程中的電網展示及交互界面生成，和推演應用服務端控制模塊協同提供推演界面側邏輯控制，是人機系統的邏輯控制模塊。

2.2.5 通信服務總線

華中系統是一個局域網內的分布式系統，為實現分布式系統協調運行，采用總線技術，提供位置透明的通信手段，隔離操作系統和硬件平臺的相關性，保證信息的及時可靠交換和系統的靈活擴展。通信服務總線是系統中處理各個組件間相互通信、協調與控制的媒介，任何符合一定標準的應用程序都可以通過適配器以插件方式獲得總線的支持。

3 系統工作過程及功能特點

3.1 工作過程

沙盤推演工作流程包括：構建沙盤、打開沙盤、推演準備、推演實施、綜合評估、推演記錄。不同推演方式的工作流程基本一致，如圖3所示。

圖3 推演工作流程框圖Fig.3 Structure diagram of the gaming simulation

沙盤推演核心步驟是沙盤構建、沙盤推演和綜合評估。構建沙盤是準備仿真計算數據和沙盤圖形。仿真計算數據準備包括在線數據整合導入和仿真設置。通過在線數據接口整合既可導入實時在線狀態估計數據形成在線當前運行方式，也可導入在線歷史狀態估計數據形成在線歷史運行方式。疊加上仿真設置數據形成沙盤的推演控制數據，進行仿真推演。仿真設置數據則為運行統計設置數據、故障信息、穩定控制策略、安全評估方案信息、計算控制信息等，通過仿真計算數據管理平臺進行管理，是沙盤推演必需的數據。沙盤推演則是在沙盤電網上推演計算，通過模擬不同的電網故障和調整控制措施，計算電網響應以及安全穩定水平變化判斷調整控制措施是否有效。綜合評估依據預設的電網安全穩定指標對不同方案推演結果進行比選，從中挑選滿意或較優的方案。

3.2 功能特點及性能指標

3.2.1 機電電磁混合推演

電力系統沙盤推演系統至少需具備潮流推演、暫穩推演等基本功能，結合華中電網特點和調控運行需求，華中大電網安全穩定沙盤推演系統還有機電電磁混合推演功能。

華北-華中-西南同步電網正處于特高壓電網發展過渡期，交流電網發展相對滯后于特高壓直流，復奉、錦蘇、賓金特高壓直流豐水期送出2 160×104kW水電，三峽近區葛南、龍政、宜華、林楓和江城直流送出1 316×104kW電力，受端華東電網的故障可能造成多回直流換相失敗，直流線路自身也可能故障造成直流再啟動，存在直流功率輸送短時受阻的電磁暫態過程，會在送端電網中產生巨大的暫態能量沖擊，危及電網安全穩定運行[4]。越來越多的直流輸電以及串補、SVC等各類FACTS元件在電力系統中應用，相應要求大電網沙盤推演系統必須具備機電電磁混合推演能力。華中大電網沙盤推演系統采用了機電電磁混合仿真技術，可以對直流輸電系統用電磁暫態模型描述，電網其他部分用機電暫態模型描述進行機電電磁混合仿真推演。不僅可查看電網機電暫態變化過程，還可查看比暫態穩定計算更細致的電磁暫態變化過程。

3.2.2 可視化

可視化評估技術具有清晰、直觀、形象、方便的特點，在數據展示、場景構建等方面應用十分廣泛。可視化技術的大量應用更應是沙盤推演系統的特點。

華中大電網安全穩定沙盤推演系統采用二維、三維圖形技術在電力系統數據顯示、運行安全狀態顯示、運行的趨勢顯示三方面提高可視化程度[5]。二維可視化技術涉及圖形渲染及矢量繪圖等技術，利用各類圖形圖像生成動畫、閃爍、顏色改變等效果，形成可視化展示方式。箭頭圖及箭頭流動圖應用箭頭顯示線路潮流方向以及大小；支路餅圖顯示線路負載率等信息，餅圖還可以與渲染圖結合使用；著色圖用顏色的差別來顯示數據的大小；曲線圖用于時域曲線、頻域曲線等曲線的顯示輸出。

三維展示是二維展示的提升。三維可視化展示形式以更多的視角直觀展現電力系統的狀態，可以使用戶直接構造、觀察、分析和操作逼真的三維場景。三維柱形圖表達方式計算量小、顯示速度快，適用于點數據（如廠站電壓、區域無功裕度、節點頻率等）的可視化表達，三維曲面圖則是利用空間插值的方法將點數據定義擴展到整個平面。此外還可用三維動畫如元件選中動畫、設備運行動畫（例如機組轉動）、動態閃爍展示等增強展示效果。空間域的三維展示用于形象表示系統的安全運行區域。一個展示相互關聯多斷面安全運行區域的三維空間域示意圖如圖4所示。

圖4 安全域的三維顯示示意圖Fig.4 Three dimensional diagram of the security area

如圖所示，當萬龍斷面潮流由87×104kW變化到176×104kW，在三維空間域中，當前運行點由A轉移到B，安全裕度減小，但仍處于安全區域內。

3.2.3 觸摸屏操作互動

正如智能手機已廣泛采用觸摸屏，計算機人機交互互動方式也正處于鍵盤、鼠標向觸摸屏的改變中。華中大電網安全穩定沙盤推演系統采用了高分辨率多點觸摸屏，調整計算數據、設置故障等均通過觸摸屏操作完成，讓推演系統的人機互動形式更加方便，直觀，更加人性化，增加推演系統的互動性，趣味性。

4 結束語

華中電網在特高壓互聯電網所處的地位及其復雜多變的穩定特性與承載的安全責任，是華中建設大電網安全穩定沙盤推演系統的直接原因。該系統支持2×104節點以上規模的大電網推演，建成后將應用于調度生產一線，滿足調度運行多種應用。主要應用于下述場景：

1）研究態分析展示

利用沙盤推演系統形象直觀推演研究態運行方案。

2）緊急態評估展示

華中電網是一個自然災害多方的區域電網，若遇惡劣天氣或地質災害，系統運行于特殊方式，可利用沙盤推演系統導入在線運行方式，計算評估系統穩定水平。

3）歷史態、實時態、未來態聯合計算展示

沙盤推演系統利用在線、歷史或計劃數據導入、電網分析和智能綜合評估等功能，對電網即將發生或者已經發生的重大事件進行快速分析與評估。支持當前、歷史及未來態電網仿真、動態過程校驗、穩控措施校驗、電網事故分析等功能。

在系統實用化后，可推廣應用于國（分）省各級電網調控運行，豐富電網調控技術手段，滿足電網日益增長的穩定分析的業務需求。

（References）

[1]國家電網公司.《大電網在線評估技術深化研究》科技項目可行性研究報告[R].2012.State Grid.Feasibility Research Report for Advanced Bulk Power System On-line Security Analysis[R].2012.

[2]國家電網公司.國家電網公司總部科技項目《大電網在線評估技術深化研究》任務書.國家電網公司[2012]515號文.2012.State Grid.Task Book for Advanced Bulk Power System On-line Security Analysis[R].2012.

[3]孫揚，封孝生，唐九陽，等.多維可視化技術綜述[J].計算機科學，2008，35(11):1-7.Sun Yang,Feng Xiaosheng,Tang Jiuyang,et al．Sur?vey on the Research of Multidimensional and Multi?variate Data Visualization[J].ComputerScience，2008，35(11)：1．

[4]國家電網公司華中分部.2015國家電網公司系統電網運行方式（華中分冊）[R].2015:97-98.CentralChina DepartmentofSGCC.2015 State Grid Running Mode(Central China)[R].2015:97-98.

[5]韓禎祥，呂捷，邱家駒．科學計算可視化及其在電力系統中的應用前景[J]．電網技術，1996，20(7)：22-27．Han Zhenxiang，Lü Jie，Qiu Jiaju． Visualization in Scientific Computingand ItsApplication As?pects in Power Systems[J]．Power System Technolo?gy，1996，20(7)：22-27．