基于數字孿生的電網安全監視與校核技術

石輝，張思遠，劉永剛，周二專，陳浩奇

(1.國網湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410004；2.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192)

0 引言

近年來，以特高壓、跨區互聯、新能源、靈活市場化為標簽的電網大發展，深刻改變了傳統骨干電網的結構及穩定形態。在資源配置效率提升的同時，故障多形態沖擊、連鎖反應、快速惡化風險加劇，電網監視、分析、控制維度成倍增長，相應的運行控制要求從廣度、精度、復雜度、更新頻度上都遠遠超出五年前的水平，上述特點在華中電網、湖南電網集中體現，傳統以斷面控制為核心的電網運行安全監視、校核機制已無法適應[1－3]。下一階段，在構建以新能源為主體的新型電力系統戰略背景下，電網方式不確定性、運行規則復雜性加劇，亟待開發具備多維立體知識模型、復雜邏輯判斷、快速精準響應特點的電網安全監視、校核系統[3]。

數字孿生方法可將物理系統及其控制響應、狀態推演、監測評價等信息，通過映射構建為動態鏡像的數字模型，其適用于實時電網及其運行規則、分析邏輯的復合建模。數字孿生仿真結合D5000新一代調控平臺，能有效解決復雜電網模型與知識模型融合難問題[4]，將全面釋放平臺批量分析、智能決策、預警預控等一系列功能優勢，據此可開展立體、動態、快速、精準的電網運行安全監視與校核。

省級以上電網普遍參照年度冬、夏方式安穩規定及臨時限額開展調度運行，控制參、變量涉及電網結構、開機方式、機組旋備、電磁環網斷面、潮流轉移比斷面、交直流協控斷面、穩控狀態、外受電及負荷水平等。在日前、日內方式安排及實時運行監視、風險預警預控中，需結合負荷變化、發受電需求、設備停復電安排、通道阻塞情況、設備跳閘風險等，對上述參量、變量開展動態優化配置，確保電網任意時刻在不超安全限額的前提下完成各項運行、檢修、方式調整任務，因此，判斷并定位電網是否超安全限額是其中的難點、關鍵點。

目前電網調度運行技術平臺普遍不具備精確的判斷能力及限額匹配能力，主要依靠人工對靜態潮流仿真和對安穩規定的理解、記憶，開展監視數據匯總、方式及限額辨識、越限判斷、干預決策等業務，不僅容易遺漏而且效率低，安全運行的風險和壓力大[2－3]。國內外有基于實時或未來態潮流進行安穩規定與潮流方式動態匹配的研究，但尚無建立規范化的安穩規定知識模型，對安穩規定的腳本錄入、正確性校核和維護缺乏一體化的解決方案；有關電網運行方式自動匹配及動態限額跟蹤的技術應用，只能基于“if－else” 簡單邏輯進行方式辨識，多維適應性差；現有利用安穩規定數字化開展決策規則評估和調度監控方面的研究較少，涉及運行方式編排活動的具有一定輔助決策功能的應用軟件專業針對性不強，智能化的規則評估水平低，實用效果不理想[4]。

湖南電網在祁韶直流運行背景下，具有強直弱交、多種穩定問題，運行控制極為復雜，為此，基于數字孿生原理開發安穩規定電子化平臺，用于實時方式、潮流越限告警，能較好解決上述問題。

1 數字孿生應用原理

數字孿生是一個新的框架，融合現有成熟方法解決復雜系統問題。在數字孿生方法中，通過實時更新虛擬模型以“鏡像” 物理電網，這樣電網在線分析、仿真和運行監控可以在虛擬模型上進行[5]。因此，有必要研究支撐電網調度運行的數字孿生建模技術，構建虛擬電網模型，包括用于離線分析和在線監控的電網設備映射和關聯關系，為安穩規定的離線形成、在線評估和支持調度運行輔助決策提供具有高保真度的電網運行工況。

通過數字孿生建立電網運行動態模型，輔以基于決策圖譜的統一、規范化安穩規定知識模型約束，開發適用于電網調度運行決策支撐的安穩規定編輯、存儲和測試一體化軟件，能精確識別電網方式，快速匹配穩定限額、判斷越限及定位越限原因[6－9]。該軟件也稱為安穩規定電子化平臺，主要由電網潮流數據、設備－模型映射表、運行變量庫、安穩規則庫四部分組成，如圖1 所示。

圖1 安穩規定電子化平臺框架

實踐表明，該平臺具備以下技術特點:

1) 立體。突破傳統基于純電網絡理論和參數建模、交直流割裂、分區分電壓等級等值、只關注單一安全目標的扁平化建模思維，建立多級互聯電網高保真鏡像，包含任意方式約束、安控策略、跨時空限額的立體知識模型。

2) 動態。以電網拓撲和安穩規定為脈絡，連接各建模元素，模型易于擴展，適用于仿真對象及其參數大范圍變化。

3) 快速。應用內存計算、CEP 搜索引擎等技術，方式描述采用simuModel 函數＋邏輯語言，規則描述采用數字＋運算符＋邏輯判斷，極大提高搜索效率，對電網模型、變量規模不敏感。

4) 精準。基于元變量構建方式、規則描述，以樹形結構組織電網知識模型，采用窮舉電網潮流、遍歷邏輯結構校驗搜索結果，確保精準判斷越限、定位越限原因。

2 智能監視與校核技術模式

2.1 日方式潮流切片安全校核

日方式靜態潮流安全校核是調度計劃、方式、運行崗位的基礎業務，由于方式變化頻繁、點多面廣，一般只能針對極大、極小或典型方式開展校核，以指導方式安排或實時調度，往往導致電網運行安全而不經濟、方式調整空間狹窄，而現貨交易、輔助服務、新能源波動、嚴重故障等隨機因素加劇了上述矛盾[10－11]。

以安穩規定電子化平臺為尺子，可對電網日方式96 點潮流批量執行切片安全校核，能夠精確分析越限時點、原因，如圖2 所示。對歷史日方式，可回溯分析電網阻塞、風險發展過程；對未來日前方式，可逐日、逐點推演日前發受電計劃、停復電計劃安排是否合理，各時點運行備用、通道受阻、新能源消納等是否達標，從而精確調整、優化日前計劃，指導新能源消納及電網規劃、建設、運維工作等；對未來日內方式，可結合日內計劃、分布負荷超短期預測、現貨出清、突發異常或故障等，動態推演實時電網安全風險，輔助分析降風險措施、效果及現貨、輔助服務資源空間，輔助電網精準調度。

圖2 日方式切片安全校核圖

2.2 斷面控制限額優化匹配

大電網運行中經常存在多個斷面潮流聯動控制(如特高壓長南＋祁韶斷面、鄂湘＋鄂豫斷面)，或某一通道潮流按送、受端多種因素分檔控制(如祁韶送、受端約束) 的情況，導致同一斷面有兩套甚至多套聯動的安穩限額。以湖南祁韶直流為例，祁韶受入限額涉及6 個維度、10 檔負荷水平、每檔7—9 層功率約束，共90 余套方式限額，見表1。為適時解決電源送出受阻、負荷供應受限、開機臺數不足、旋備容量不足問題等[12－13]，需要以某項最大化為目標(如以全網供電能力最大、祁韶受入限額最大等)，優化選取斷面限額及其聯動控制約束。

表1 祁韶受入限額聯動控制規則節選

針對某一潮流方式，安穩規定電子化平臺可對所有聯動斷面限額的搭配組合提供安全校核結果，供決策參考。在此基礎上，嵌入目標指向尋優算法，可靈活、優化匹配電網運行安全邊界，實現跨區大電網安全域內的優化運行自動決策。

2.3 調度操作安全校核

電網調度操作是一項兼具計劃性與機動性的業務，操作安全是其首要準則，為此，調度員必須執行“先算后停”，通過預演操作票執行過程，校核操作中、操作后的安全風險。當多張操作票需依次執行時，涉及多種方式變化、限額變更，過渡過程可能存在安全越限且難以發現，安全校核壓力巨大。

在安穩規定電子化平臺預先錄入各檢修方式控制限額，將其嵌入操作票預演潮流校核，每一步操作模擬執行后，自動匹配方式限額、判斷越限情況，若存在越限則人工調整操作時機、順序或操作票執行項目，形成安全的調度操作方案，如圖3 所示。基于此安全校核機制，還可開發以越限風險為約束的調度操作計劃批量自動編排系統，作為未來智能調度平臺的重要支撐。

圖3 調度操作安全校核及優化調整

2.4 故障預案自動編制

編制故障預案是調度應急管理的核心任務，存在任務量大、適用周期短、分析計算繁重、應用率低等特點。基于安穩規定及預想故障靜態潮流仿真，經調整試算、策略優化編寫的傳統故障預案，適應性、準確性、可行性難以得到保證，編制效率也已無法達到要求。基于在線平臺的預案校核技術能通過潮流靈敏度關系、越限控制輔助決策模型，編制自動、批量、準確預案，但受制于潮流安全限額匹配、越限判斷的短板，其實用化進程緩慢[14]。

安穩規定電子化平臺能較好解決上述短板問題。針對任意故障后方式，以安穩規定電子化平臺作為已知方式的安全校核工具，對設備或斷面越限提供緊急控制輔助決策；以在線N－1 掃描作為未知方式的補充校核工具，對進一步N－1 越限提供預防控制輔助決策，據此整合成為針對預想方式故障的處置預案。不僅如此，安穩規定電子化平臺還能反應安控系統及BZT 動作、區外關聯一次設備故障等，動態匹配安全限額用于越限判斷及輔助決策。在預案的更新、執行階段，也可基于上述校核機制，按當時潮流方式校核預案的適用性、有效性，以此支撐預案更新或執行策略。

2.5 電網實時運行輔助決策

跨省/區交直流互聯、新能源集群、高度城市化是目前骨干電網的發展趨勢，此類電網因存在復雜的大范圍潮流耦合關系，在實時調度運行中需多種運行方式頻繁切換，傳統基于超短期負荷平衡、潮流安全約束的線性規則調度輔助決策，嚴重依賴調度員干預調節，是調度智能化的巨大挑戰[15]。

安穩規定電子化平臺對2 000 節點規模電網的分析耗時不超0.02 s，在實時方式識別、快速限額匹配方面有獨特優勢，可作為實時調度運行輔助決策的核心監視部件。若沿用被動控制思路，可基于實時潮流開展高頻率方式識別、越限校核，校核結果送入越限控制輔助決策模型，導出跟蹤控制決策并閉環執行，對省規模電網具備秒級控制響應能力。若采取主動控制思路，可結合多檔超短期潮流預報，構建多周期未來態潮流[16]，分別開展方式識別、越限校核，據此生成秒級、分鐘級、小時級預控和事故響應輔助決策并閉環執行，將大量備用、閑置、有限可調資源納入實時調度，能達到潮流偏差主動趨零控制、預防性方式優化、源－網－荷同步協調互動的效果，實現電網運行安全性、經濟性的可控最優。

2.6 多級安穩規定風險辨識

通常省級以上骨干電網涉及國調、分調、省調多級調度，電網運行需同時執行多級安穩規定，而安穩規定往往由各級調度人工獨立編制，缺乏高效、全面、準確的聯合校正，此類情況在臨時或事故方式下尤為常見，可能存在規則錯誤、真空或死區的風險，危及電網安全運行[17]。

以安穩規則中的停電方式作為預想故障，導入在線安全分析進行故障掃描，對比規則限額與在線靜穩、暫穩約束等是否合理、潮流轉移比關系是否準確，若規則限額或轉移比異常偏大、偏小則說明可能錯誤。

安穩規定一般只對部分設備方式、潮流進行約束，電網實際可能出現安穩規定未考慮到的風險，即存在規則真空。采用在線靜穩、暫穩、短路電流、斷面穩定裕度分析進行全網掃描，若出現安穩規定中未提及的穩定、越限風險，即可能辨識到規則真空。

國調、分調、省調多級安穩規定若協調不當，可能存在限額交叉，導致無可行運行域，即存在規則死區。將多級安穩規定同時導入電子化平臺、執行批量評估、修改測試潮流，若存在各方式下始終越限的規則，即可能辨識到規則死區。

3 結語

打造具有中國特色、國際領先的能源互聯網，必須跳出傳統認識的窠臼，為特高壓、新能源、靈活電力市場等新趨勢營造寬松、友好的支撐平臺。數字孿生與電網仿真的結合即提供了這樣一種立體視角，實現了電網調度知識模型的維度躍升。基于數字孿生的安穩規定電子化平臺成功實踐，證明這一技術藍海具有高度的開發價值，為此，國網調度系統提出將該技術作為在線分析智能化的核心。本文基于實際需求，提出將其用于電網調度智能監視與校核技術的若干方向和技術路線，其中部分技術設想已投入開發實踐，取得預期的良好應用效果。