試論電力系統運行及安全監控仿真系統的研究與開發

陳娟++陳慶濤

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.010

摘 要：隨著電網互聯工作的開展，電力系統的系統動態特性也越來越復雜。電網在規模不斷增大，復雜性不斷增強的同時，傳統的單一依靠自動化系統進行調度的方式已經不適用于現代電力系統的運行需要。行業的發展需要新的技術手段來實現對電力系統正常運營的監控。該文就電力系統運行及安全監控仿真系統的研究與開發做簡要闡述。

關鍵詞：電力系統運行 安全監控仿真系統 研究與開發

中圖分類號：TM921.5 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（b）-0010-02

隨著電力系統規模擴大及復雜性的增加，人們對系統內部機理的認識沒有保持同步發展，尤其是在系統穩定性與安全方面，對電力系統認識受限主要是緣于安全監控的理論及方法。電力系統的監測手段主要是設備監控，監控的手段還比較薄弱，與電力系統的發展需求不能有效適應。

1 系統結構

電力系統運行及安全監控據仿真系統包括了電力系統仿真與安全監控仿真兩個部分。前者又包括了多個子系統。如電力系統安全數字實時仿真子系統，該系統的作用在于實時模擬大規模電力系統的運行，并提供仿真數據為其它的子系統所用。電力市場仿真子系統，對各種交易規則及類型，市場模式進行仿真，作用在于交易市場的仿真與培訓。PMU/WAMS子系統，作用在于對電力系統進行動態實時的監測并分析。SCADA/EMS子系統，對仿真電力系統監控并分析。故障信息管理子系統，對故障信息進行管理與應用。電力仿真系統由以上幾個子系統構建，通過高效數據網絡，各子系統實現數據交換并從中獲取需要的數據，掛靠的結果也通過數據網傳送到數據總線。整個電力系統的運行數據在總線上都可以獲得，為電力系統安全監控應用仿真打下基礎。電力系統安全監控仿真則包括了電力系統動態安全評估與預警。電網運行數據的獲取可以來自于SCADA/EMS子系統，也可以通過獲取市場仿真系統發電計劃，對未來計劃運行進行安全考核。

2 系統涉及到的技術

2.1 大規模電網實時仿真

廣站拓樸結構的復雜交流電網并行仿真與直流電網機電態—電磁暫態混合并行仿真。

交流電網仿真實時與超時仿真計算主要是通過網絡分割與并行計算。其不足之處在于開關、刀閘等網絡接線方式無法考慮，變電站內刀閘與開關模擬工作開展時不是特別的方便，會受到一定影響。將廣站拓樸結構引入到并行仿真系統中，結合拓樸變化分析，電網設備在運行過程中投運、切除、參數變化、刀閘相繼動作、開關等方面都可以被考慮進去。母線分裂與合并等結構變化情況也可以被考慮。安全自動裝置與繼電裝置進行模擬可以通過對系統干擾進行模擬來實現。如繼電保護的誤動，拒動，正確動作，線路開斷，系統解列，同并列操作，從而提升模擬工作的真實性，營造一個真實良好的系統運行環境為各種實驗開展提供一定的基礎。

在某些故障存在的情況下，如交流電網發生的不對稱故障，換相失敗等，則可以采用機電暫態—電磁暫態混合并行仿真。為了避免單純的機電暫態仿真所帶來的誤差，更加準確的對電網運行情況進行模擬，電磁暫態仿真可以用于直流輸電系統，機電暫態仿真用于交流電網[1]。

在實際應用中，通過該項技術實現了對國家電網骨干購網架的實時仿真，實時仿真系統通過1∶1時間仿真，不間斷的運行，對實際電力系統的運行方式，網絡結構變化進行真實的模擬。

2.2 系統評估與安全預警

該項技術又包括了多項技術于其中，如在/離線數據整合，任務調度，穩定極限并行計算，輔助決策并行計算，基于PMU低頻振蕩安全分析與預警。

大規模的電網互聯涉及到的數據范圍廣，數據量也較大，對應關系也比較復雜，傳統方法主要是人工維護，在現階段已經不適合。在/離線數據整合，主要是通過變壓器進行拼接。拼接采用的是跨區拼接的方式，并且是跨電壓等級的，支持等值電網、設備的在/離線動態智能映射技術。可以依據三級調度在線EMS與離線方式數據，生成可進行暫態仿真的計算數據，同時也能夠適應電網的拓樸變化。

為了確保任務在有限的時間內完成，就需要多臺設備進行協同作業。通常情況采用的是分布式計算平臺，應用的技術手段有數據廣播，計算流程時序控制，任務預分項等。穩定極限并行計算可以在潮流調控中對多個斷面功率進行同步控制。可以同時考慮到斷面暫態、電壓、熱穩定。在考慮縮短計算時間的情況下，可以在穩定校核時采用此技術。輔助決策的作用在于找出滿足穩定性靜態運行點，使系統對故障的應對能力得以提升。動態調度問題的求解通常是轉化為靜態約束非線性優化問題。

3 電力市場仿真的關鍵技術

該技術包括了仿真建模，仿真平臺，智能代理技術。仿真系統開發是基于計算經濟學，實驗經濟學，系統控制理論，智能代理技術，電力市場等。并將SOA，網絡地理信息系統等技術應用于其中，通過對市場動作、系統運行、參與行為模擬仿真為市場仿真實驗提供了技術平臺（見圖1）。

4 電力仿真系統的功能

仿真系統可以依據子系統所形成的運行方式數據，進行暫仿真計算，對故障情況下系統的穩定性進行分析，從而實現市場環境下系統仿真研究。

仿真系統可以對一系列的監控技術與新系統進行研究測試。這些技術包括了，安全分析與評估，動態調節與控制，系統故障診斷，系統恢復控制等。

為了保證電網的安全穩定運行，對其運行方式進行分析與穩評估。主要包括了兩種方式：一方面是將電網運行方式數據提供給安全評估與預警子系統；另一方式則是將數據提供仿真子系統，通過暫態仿真計算，并結合案例評估與預警子系統，以實現對安全穩定性的分析與評估。

事故原因排查及相應的措施研究。安全仿真系統可以將在線實時數據導入，進行暫態仿真計算，通過對事故在狀態下動作、運作、自動調控過程，并結全相關子系統對事故進行分析，并在采取措施后對效果進行觀察。

對自動化設備及控制系統功能進行測試。測試的內容包含了母線電壓、線路電流、有功功率、系統穩定器等。

發電計劃校核測試與試驗。市場仿真子系統進行市場交易仿真，并將計劃發送給安全評估與預警系統，系統基于計劃與負荷數據進行潮流整合，給出符合計劃的潮流并對計劃運行方式進行安全校核。將結果反饋于仿真子系統，若未通過則對計劃進行調整并重復上述步驟。

5 結語

電力系統運行及安全監控仿真系統融合了多項技術，能夠對大規模電網運行實施模擬，并對新技術與監控手段進行效果測試。其應用的范圍較廣，涉及到了科研、生產、教育等多個方面。作為系統運行，調度與控制的重要手段，其應用的市場前景廣闊。仿真系統為電網運行提供了技術支撐。

參考文獻

[1] 田芳，董春暉，李亞樓，等.電力系統運行及安全監控仿真系統的研究與開發[J].中國電機工程學報，2011（28）：80-86.

[2] 王丹.電網和變電站聯合仿真培訓系統設計[D].華北電力大學，2015.