南方電網在線安全監視KPI指標體系

劉起興 劉 淼 周華鋒 張 勇 辛 闊

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南方電網在線安全監視KPI指標體系

劉起興 劉 淼 周華鋒 張 勇 辛 闊

（南方電網電力調度控制中心調度處，廣州 510663）

本文圍繞電力系統安全性的定義和控制論的基本思想，完善和補充了南方電網電力運行駕駛艙（power system operation cockpit, POC）已有的安全評價指標體系。改進后的指標體系能夠全面反映電力系統運行與控制過程中的各個環節，包括電力物理系統本體、三道防線、自動控制系統、信號傳輸系統、受控設備等。同時，新指標體系中的各項指標均能從南方電網一體化電網運行智能系統（operation smart system, OS2）提取支撐數據，具有較強的現實可行性。

電力運行駕駛艙；指標體系；智能運行系統；三道防線

隨著全社會電能需求和電源裝機容量的快速增長，南方電網的網絡結構日益復雜、安全穩定問題逐漸突出[1-2]。為提高電網調度工作人員對電網的實時監控能力，南方電網引進了大量的二次系統，對電力系統進行測量、控制、保護等。同時，南方電網開展了二次系統一體化的研究，對全網二次系統進行有效整合，建設了新一代的一體化電網運行智能系統（operation smart system, OS2）[2]。

電力運行駕駛艙（power system operation cockpit, POC）作為OS2的頂層子系統，旨在融合一體化二次系統上傳的信息，是調度人員與電力系統進行交互的直接接口，具備信息集中、實時監控等技術特點。

當全網一體化的二次系統將大量數據集中到位于監控主站的POC時，需要一套評價指標作為監視的依據，幫助電網調度工作人員從海量數據中提取關鍵信息，從而快速、高效地監視和管理電網運行，評價指標的選取決定著系統監視的效果，具有重要的意義。

目前針對電力系統運行評價指標體系方面的研究，主要從電網長期發展水平、薄弱環節、以及短期運行水平[3-5]等方面展開。文獻[3]闡述了構建智能電網評估指標體系的重要意義，并針對智能電網的規模智能化、技術支撐及發展效果等3個方面進行評估指標劃分。文獻[4]提出了電網基本評估體系，包含三個方面，評價指標、評價標準和評判方法，并基于此分輸、配網給出了相應評估指標及綜合評估方法。文獻[5]梳理了電網安全評價指標的構成，涵蓋了供電能力、靜態電壓安全、拓撲結構、暫態安全和風險指標等5個方面，并結合實際案例進行安全評估分析。上述研究為電力系統運行指標體系研究提供了理論參考，但所述評價指標種類繁多、缺少詳細的計算方案，且有待通過實證研究的驗證，導致研究成果與實際需求切合欠佳，無法滿足POC對系統運行狀態進行實時監控的要求。

南方電網以實際長期系統運行經驗為基礎，結合管理學中關鍵績效指標（key performance indicator, KPI），構建出一套監視系統實時運行安全性的指標體系。在OS2的支撐下，該指標體系還能為系統運行水平的事后評價提供依據。然而，該指標體系主要基于系統運行經驗建立，在反映電力系統安全性方面難免存在疏漏和重復，同時該指標體系缺乏系統的論證，因此，亟需對現有的KPI指標體系進行細化完善和系統整理。

本文引入控制論思想，對南方電網POC現有的安全評價KPI指標體系進行了改進，增強其科學性。首先明確了電力系統安全性定義，并介紹了電網運行對系統安全性的要求及主要控制手段；其次，梳理出涵蓋電力物理系統、自動控制系統及通信系統的KPI安全指標體系；最后，總結闡明新的KPI安全指標體系所作出的改善及未來研究方向。

1 電力系統實時運行安全性的定義與要求

1.1 電力系統安全性定義

通常，電力系統的運行工況可以分為正常運行狀態、緊急狀態和恢復狀態，其中正常狀態分為安全狀態和警戒狀態[6]。在擾動發生后，電力系統的運行工況將在上述幾類運行狀態之間相互轉變，其轉變可用以下狀態轉移圖（圖1）描述。其中，實線為受控轉移過程，虛線為非受控轉移過程。

圖1 電力系統運行狀態轉移圖

1.2 電力系統實際運行對安全性的要求

1）在電力系統的實際運行中，首先要求電力系統靜態穩定裕度能達到給定值范圍，即系統運行工況位于圖1中的“安全狀態”。

2）要求電力系統在發生概率較高而擾動較小的第一類故障（-1故障），運行工況進入圖1所示的“緊急狀態”后，不采取安全控制措施能保持穩定，并回到“安全狀態”。

3）要求電力系統在發生概率較低但性質嚴重的第二類故障（-1或-2故障），運行工況進入圖1所示的“緊急狀態”后，采取安全控制措施能保持穩定，并回到“安全狀態”。

4）要求電力系統發生低概率而擾動大的第三類故障時，運行工況進入圖1所示的“緊急狀態”后，采取安全控制措施、事故解列等措施，能使系統保持穩定，部分回到“安全狀態”，部分進入“恢復狀態”并通過黑起動過程回到“安全狀態”[7-8]。

2 南方電網保證電力系統安全性的主要手段

在當前技術條件下，南方電網用于保證電力系統運行安全性的主要手段如下。

1）三道防線安全防御體系

（1）第一道防線首先包括預防性自動控制，如功角穩定預防控制、頻率異常預防控制等，用于在電力系統受到擾動時，使系統運行工況從“警戒狀態”轉換到“安全狀態”，將功角、頻率等關鍵狀態量保持在長期允許的數值范圍內。此外，第一道防線還包括繼電保護控制，用于當發生上述的第一類-1故障時，通過繼電保護裝置的快速動作來切除系統中的故障原件，使系統運行工況從“緊急狀態”轉移到“安全狀態”。

（2）第二道防線由電力系統安全穩定控制裝置及裝置間的通信系統構成。該防線主要針對電力系統當前運行方式下可預想到的第二類故障進行檢測、判斷和采取如送端系統切機、受端系統切負荷或緊急提升/回降直流功率等控制措施，使系統運行工況從“緊急狀態”轉換到“安全狀態”，確保電力系統的穩定運行。

（3）第三道防線主要由失步解列裝置、低頻低壓減載裝置、高頻切機裝置構成。這些裝置一般都是基于就地采集的信息來動作的。一旦發生多回直流同時閉鎖等小概率極端嚴重的故障擾動，就起動第三道防線來避免全網崩潰，減小停電范圍。

2）電網調度工作人員手動干預

調度員手動干預指由電網調度工作人員手動調整系統的運行工況，這也是保證電力系統安全運行的重要手段。主要解決三道防線無法處理的復雜問題，如在系統處于正常狀態下，按計劃改變系統運行方式的同時保證系統安全性；抑或在三道防線動作后，調整系統運行方式以滿足安全性的要求；以及將系統從圖1的“恢復狀態”調控到“正常狀態”的黑起動過程。

POC作為調度員手動干預系統運行工況的平臺，有必要為整個干預過程提供能足夠的信息，使調度員能實時感知系統運行安全性的變化，并根據變化實時調整干預策略，從而盡可能地保證整個過程中系統的安全。

3 電力系統實時運行安全評價指標體系構建

由上可知，電力系統運行的安全性是指電力發、輸、配、用物理系統本體在受到擾動后經過狀態轉移過程能返回“安全狀態”的能力。而這種能力的實現，是由三道防線的自動控制系統、信號傳輸通道，以及控制類一次設備等部分共同完成的。圖2描述了電力系統運行與控制中各個環節的交互關系。

圖2 電力系統運行與控制中各部分的交互關系

本文將安全性評價目標分解成對上述電力發、輸、配、用物理系統、自動控制系統以及信號傳輸通道4個環節的性能評價，進而建立一套安全性評價指標體系，幫助指標監視人員系統全面地掌握電力系統的安全性。該指標體系的結構與管理學中的關鍵績效指標（KPI）一致。同時，為保證指標體系的運行有效性，其中每個指標都應能從OS2中獲取實時可測的支撐數據。下面將依次討論各環節評價指標的設計。

表1 KPI實時安全評價指標體系

3.1 電力發、輸、配、用物理系統安全評價指標

描述電力發、輸、配、用物理系統實時運行安全性的指標應包括如系統頻率、電網節點電壓、線路潮流等狀態量。總體來說可分為兩大類：①反映非故障條件下運行狀態的指標；②反映-1預想故障情況下運行狀態的指標。參考《電力系統安全穩定導則》及電力系統安全穩定方面的通用知識[7,10-11]，設計出反映電力發、輸、配、用物理系統安全性的指標集，見表2。

表2 電力發、輸、配、用物理系統的實時安全評價指標

3.2 控制類一次設備的可用性評價指標設計

為了使電力系統在擾動或故障條件下能夠維持安全性，控制類一次設備需要按照自動控制信號的要求正確動作。在KPI指標體系中應建立相應可用性評價指標集以反映這些控制類一次設備是否處于正常工作狀態，或者是否具備足夠的動作調整空間。本節根據控制類一次設備的不同類型，分別討論其可用性評價指標的設計。

1）調頻、調壓設備容量

這兩類備用容量是系統為滿足調頻、調壓需要而預留的有功/無功調節裕度，相應設備包括發電機組的有功、無功備用，變電站用高壓電抗器、低壓電容器、低壓電抗器等。

表3 調頻、調壓備用容量的實時可用性評價指標

2）斷路器

電力系統發生故障時，斷路器是否正確動作決定了自動控制系統能否在規定時間內切除故障元件并確保全局的安全穩定。其中，斷路器的可監測狀態量包括滅弧介質的溫度、壓力是否正常，以及內部操作機構的動力是否充足等[12]。

然而，南方電網網絡結構復雜，并非每個開關拒動均會使系統失去安全性。因此，針對斷路器的安全評價指標不需涵蓋系統中所有斷路器的狀態，而是可根據電網運行方式定義一個拒動會引起失穩的關鍵斷路器集合，并重點關注集合內的斷路器狀態。

表4 斷路器實時可用性評價指標

3）事故備用和高周切機、低周減載容量

與調頻、調壓備用容量類似，事故備用和切機、減載容量也屬于三道防線在擾動、故障發生時為保證電網安全所調用的一次設備，應被視作控制類一次設備。其容量的大小是保證相應功能得以實現的關鍵因素，應成為可用性評價指標關注的對象。

表5 事故備用及切機、減載容量的實時可用性評價指標

4）黑起動電源適應性

黑起動是指電力系統發生大面積停電，進入“恢復狀態”時，由電網調度工作人員主導、三道防線協同的恢復電網供電能力的過程。如果系統不具備足夠的黑起動能力，就意味著大停電發生后電網無法恢復到正常的供電狀態，這樣則不滿足本文對安全性的定義。因此，KPI安全評價指標體系應能實時反映系統黑起動的能力。然而，黑起動是一個牽涉到多方協同的系統工程，具有高度復雜性，本文僅以在線運行的具備黑起動能力電廠的數量作為監視系統黑起動能力的關鍵指標。

表6 黑起動電源的實時可用性評價指標

3.3 自動控制系統的可用性評價指標設計

本文KPI安全指標體系重點關注繼電保護系統、安全穩定控制系統、事故解列裝置等控制系統的可用性，這類控制系統失靈將會導致導致電網穩定破壞甚至電網崩潰的災難性后果。

1）繼電保護控制系統

影響繼電保護控制系統工作狀態的內在因素很多，如測量CT、信號傳輸裝置、微機等。如果對這些因素進行一一監測，將大大增加監控主站與子站間的通信量，并加重調度人員的負擔。現實可行的方法是，由廠站基于本地信息對其涉網的保護設備（主要是主保護）進行實時評估，再將評估結果通過OS2系統上傳到POC中，當保護未投入或拒動可能性大時，認為該保護不可用。

當然，并不是每套保護不可用均會導致電力系統不安全。部分主保護在事故發生后即使拒動，仍會有后備保護或遠端保護動作來保證系統安全。因此，繼電保護控制的可用性評價指標可根據電網運行方式定義一個關鍵保護集合，其中任何一套保護裝置拒動后均應能導致系統失穩。

通常線路或母線會配置兩套主保護互為備用，當關鍵保護裝置集合中某針對同一條線路或母線的一套保護不可用時，可認為系統進入警戒狀態，若兩套保護均不可用，則認為系統運行進入不安全區。

表7 繼電保護控制系統的實時可用性評價指標

2）安全穩定控制、事故解列等裝置

安全穩定控制裝置、事故解列裝置是實現電力系統第二、三道防線的關鍵設備，通常配置兩套裝置互為備用。對于安全穩定控制裝置而言，若出現雙套失去，則意味著第二道防線策略失效；對于事故解列裝置、低周低壓減載裝置及高周切機裝置而言，若出現雙套裝置失去，則意味著第三道防線策略失效，出現相應事故時會導致電網穩定破壞甚至崩潰。

與繼電保護控制裝置類似，對安全穩定控制裝置、事故解列等裝置而言，KPI指標體系只關注其整體可用性，該信息可由控制裝置對其自身工作狀態進行評估并上傳到OS2得到。若有一套不可用，則POC認為系統進入警戒狀態；若兩套保護均不可用，則認為系統運行進入不安全區。

3.4 信號傳輸系統的可用性評價指標設計

信號傳輸系統是保證所有的監測信息及控制指令在電力一、二次系統間相互傳遞的平臺，其通暢與否直接決定了自動控制系統能否從物理系統中獲取正確的實時信息、能否將正確的控制指令發送到控制設備。從電力系統安全性出發，本文KPI安全指標體系重點關注關鍵保護裝置集合中的縱聯差動保護裝置之間、繼電保護控制與相應斷路器之間的通信通道的通斷，以及安穩裝置、事故解列裝置、低周低壓減載裝置、高周切機裝置等與其相應控制一次設備之間，以及對應同一安穩控制策略的安穩裝置之間的通信通道的通斷。通常，上述通信通道均有兩條互為備用，若有一條中斷，則POC認為系統進入警戒狀態，若兩條均中斷，則認為系統運行進入不安全區。

表8 安穩系統、事故解列系統的實時可用性評價指標

表9 信號傳輸系統的實時可用性評價指標

4 統計分析與實際應用

本文所提出的指標體系已經在南方電網得到了實際應用。在統計分析方面，為避免指標統計給調度運行管理人員增加工作量和人工統計過程中可能存在的數據錯誤缺失等問題，采用了自動化自動跟蹤統計的方法。其基本思路是，通過能量管理系統和調度管理系統將調度運行數據進行集中匯總，通過數據集中、數據清洗、數據校驗，實現數據的準確分析與高效統計。南方電網在指標體系建設方面的應用效益體現在如下方面：

1）充分發揮指標的管理抓手作用，實現了業務的縱向管理。南網總調依托上述指標體系實現了對各省中調、地調和縣調的業務管理，能夠深入分析各單位的業務水平，準確把握業務發展動態，提升管理精益化水平。

2）推動了業務橫向貫通，有利于消除業務壁壘。每一項指標都需要不同業務間高效協同才能實現，因此通過對指標的管理，有助于南方調度各專業間的業務協同管理，及時發現專業部門的運作流轉 效率。

3）成為業務發展的晴雨表，便于開展同業對標。當前南方電網公司正在創建世界一流企業，指標體系研究和應用為開展調度業務對標提供了基礎，成為調度專業創一流的標尺，為進一步提升業務水平奠定了基礎。

5 結論

本文對電力系統運行實時安全評價指標體系的設計進行了探討。對南方電網現有的安全評價指標體系進行了改進，新指標體系反映了電力系統運行控制中自動控制系統、信號傳輸系統、受控設備及電力物理系統等各個環節對系統整體安全性的影響，使得監視人員能夠實時感知電力系統運行的安全狀況。

本文在指標體系的設計中，仍存在部分元件或設備的狀態無法完整觀測的問題，這勢必會限制指標體系對系統安全的代表性。下一步的工作應首先提高一體化電網運行智能系統對影響系統安全性的關鍵環節的觀測能力，通過更完整地監測這些環節的工作狀態，更全面地把握系統運行安全。

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KPI index system for CSG online security monitoring

Liu Qixing Liu Miao Zhou Huafeng Zhang Yong Xin Kuo

(China Southern Power Grid Dispatch Center, Guangzhou 510663)

According to the definition of power system security and control theory, this paper has perfected and supplemented the available security evaluation index system of power system operation cockpit (POC) in china southern power grid (CSG). The improved index system can fully reflect each sections in the operation and control process of power system, including physical property of power system, three defense lines, auto-control system, signal transmission system, controlled equipment and so on. And it’s strong practical that all the indicator data in the new index system can be extracted from OSG operation smart system (OS2).

power system operation cockpit; index system; intelligent operation system; three defense lines

2018-06-04

劉起興（1985-），男，工程師，博士研究生，主要從事調度運行 工作。