基于數(shù)字可視化的智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

張寧 劉爽 周曉燕

1．遼寧郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司；2．國網(wǎng)營口供電公司

本文通過在智能電網(wǎng)中應(yīng)用數(shù)字可視化技術(shù)，采用建立數(shù)據(jù)處理模型、安全風(fēng)險量化值模型等方式，結(jié)合先進(jìn)計量基礎(chǔ)設(shè)施的在線量測數(shù)據(jù)及電力系統(tǒng)歷史運行數(shù)據(jù)，進(jìn)行電力系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的精細(xì)化智能計算，通過保護(hù)方式及仿真模擬規(guī)劃分析，為智能電網(wǎng)的建設(shè)決策提供可靠依據(jù)。

“十四五”規(guī)劃期，電力工業(yè)面臨供應(yīng)電源結(jié)構(gòu)清潔化、電力系統(tǒng)智能化等一系列新形勢、新挑戰(zhàn)。圍繞著國家對電力企業(yè)發(fā)展決策的總體戰(zhàn)略，各專業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)規(guī)范性、智能化數(shù)據(jù)處理時效性、電力基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析精度等要求也越來越高。目前，電力通信系統(tǒng)傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要進(jìn)一步優(yōu)化，通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬可靠性、安全性需要進(jìn)一步提高。

基于數(shù)字可視化的智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)在電力系統(tǒng)建設(shè)中逐步應(yīng)用，在數(shù)據(jù)采集、人工計算分析等設(shè)計經(jīng)驗基礎(chǔ)上，創(chuàng)新建立基于云計算的數(shù)據(jù)庫模擬平臺，利用數(shù)字仿真技術(shù)建立三維可視化模型，開創(chuàng)鏈路權(quán)重設(shè)置算法，通過區(qū)分保護(hù)方式及仿真模擬規(guī)劃分析，制定符合電力通信業(yè)務(wù)特點的網(wǎng)絡(luò)運行方式，為智能電網(wǎng)的建設(shè)決策提供可靠依據(jù)，保證各維度數(shù)據(jù)資源的準(zhǔn)確性和相關(guān)性，為智能電網(wǎng)的建設(shè)決策提供可靠依據(jù)，為保障電網(wǎng)的安全運行提供有力的通信業(yè)務(wù)支撐。

1 建立基于云計算的數(shù)字仿真三維可視化設(shè)計輔助平臺

建立基于云計算的數(shù)據(jù)庫模擬平臺，利用數(shù)字仿真技術(shù)建立三維可視化模型，結(jié)合基礎(chǔ)設(shè)施的在線量測數(shù)據(jù)及電力系統(tǒng)歷史運行數(shù)據(jù)，將電力通信網(wǎng)基礎(chǔ)資源映射至三維虛擬環(huán)境中，結(jié)合各專業(yè)技術(shù)特點，采用智能算法對源數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以直觀的可視化方式得到最優(yōu)技術(shù)改造方案，完成電力通信網(wǎng)絡(luò)運維的多元化、多方向全壽命周期智能模擬，通過流程化、智能化、自動化的輔助手段，實現(xiàn)對電力通信系統(tǒng)建設(shè)的輔助決策。

平臺對工程建設(shè)中由于設(shè)備安裝引起的一系列影響進(jìn)行量化分析，以環(huán)境因素、功耗需求、資源協(xié)同三個不同維度，計算出現(xiàn)有配套資源的協(xié)同情況，并直觀展示。三維仿真可視化平臺計算流程圖如圖1所示：

圖1 三維仿真可視化平臺計算流程圖Fig.1 Calculation flow chart of 3D simulation visualization platform

1.1 環(huán)境因素分析

將新增設(shè)備尺寸、重量等基礎(chǔ)參數(shù)錄入數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)庫信息比較，進(jìn)行設(shè)備空間、承重、散熱量需求分析，在三維場景中完成建設(shè)后環(huán)境模擬，直觀呈現(xiàn)建設(shè)成果。機房布局搭建及設(shè)備參數(shù)分析如圖2所示；機房布局搭建后，即可生成三維的機房模擬空間，三維可視化機房設(shè)計模擬如圖3所示。

圖2 機房布局搭建及設(shè)備參數(shù)分析圖Fig.2 Machine room layout and equipment parameter analysis diagram

圖3 三維可視化機房設(shè)計模擬圖Fig.3 3D visual computer room design simulation diagram

1.2 功耗需求計算

通過對新增設(shè)備的滿載功耗、實際功耗、引接端子需求等多因素進(jìn)行分析，結(jié)合設(shè)備全壽命周期的耗電量變化，模擬現(xiàn)有配電系統(tǒng)負(fù)載量的時間變化曲線，對規(guī)劃期內(nèi)電源系統(tǒng)冗余度等多因素進(jìn)行綜合判定，模擬出工程建設(shè)后電源系統(tǒng)的運行情況。

新增設(shè)備為單臺設(shè)備時，直流電源系統(tǒng)冗余量計算公式為：

R

R

KNx

C

式中：Max—除備用模塊外的最大負(fù)載量；K —新增設(shè)備平均單板功耗系數(shù)；Nx—單板增加數(shù)量（N∈1,2,3...）；C—初配實際功耗。

電源系統(tǒng)冗余在單設(shè)備功耗增加時的離散曲線如圖4所示：

圖4 電源系統(tǒng)冗余在單設(shè)備功耗增加時的離散曲線圖Fig.4 Discrete curve of power system redundancy when the power consumption of a single device increases

同時新增2臺設(shè)備時，直流電源系統(tǒng)冗余量計算公式為：

式中：Max—除備用模塊外的最大負(fù)載量；K1、K2—新增設(shè)備平均單板功耗系數(shù)；Nx1、Nx2—單板增加數(shù)量（Nx∈1,2,3...）；C1、C2—初配實際功耗。

電源系統(tǒng)冗余在2臺設(shè)備功耗增加時的曲線如圖5所示。通過計算得出電源系統(tǒng)負(fù)載的極值，便于對建設(shè)后的電源容量不足做出及時判斷。

圖5 電源系統(tǒng)冗余在2臺設(shè)備功耗增加時的曲線圖Fig.5 Graph of power supply system redundancy when the power consumption of 2 devices increases

1.3 資源協(xié)同分析

通過數(shù)據(jù)庫與電力基礎(chǔ)資源庫的協(xié)同管理，新增設(shè)備引起的光纜纖芯、端口容量等基礎(chǔ)資源的變化將同步反饋至資產(chǎn)資源庫，及時高效展示網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化成效。該平臺功能完善、安全高效，實現(xiàn)可行性研究階段至施工圖設(shè)計階段的全過程綜合輔助，極大的縮短了規(guī)劃設(shè)計時間、節(jié)約成本、提高了建設(shè)準(zhǔn)確率。

2 建立模塊化配電系統(tǒng)建設(shè)模型

通過構(gòu)建“系統(tǒng)-流程-算法”的三維矩陣式模型，將配電網(wǎng)設(shè)計中常用但繁瑣的配電網(wǎng)短路、潮流計算、線損計算、無功補償計算、保護(hù)整定計算等過程進(jìn)行模塊化、軟件化、實用化處理，完成配電系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的精細(xì)智能仿真計算，構(gòu)建符合國家和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)劃設(shè)計決策模型，保證各維度數(shù)據(jù)資源的準(zhǔn)確性和相關(guān)性，提高數(shù)據(jù)精度、提升設(shè)計效率。模塊化配電設(shè)計輔助系統(tǒng)流程如圖6所示：

圖6 模塊化配電設(shè)計輔助系統(tǒng)流程圖Fig.6 Flow chart of modular distribution design auxiliary system

平臺具備深度計算、智能關(guān)聯(lián)、安全高效的特性，方便配電網(wǎng)中較為先進(jìn)的理論成果的應(yīng)用，有效加強規(guī)劃設(shè)計深度、提升建設(shè)準(zhǔn)確率。該平臺中的矩陣式模塊還可快速復(fù)制到其他相同模式的系統(tǒng)中，有助于實現(xiàn)成果的可復(fù)制及快速推廣。配電網(wǎng)保護(hù)整定模塊過電流保護(hù)計算如圖7所示；配電網(wǎng)保護(hù)整定模塊定時限過電流計算如圖8所示。

圖7 配電網(wǎng)保護(hù)整定模塊過電流保護(hù)計算圖Fig.7 Overcurrent protection calculation diagram of distribution network protection setting module

圖8 配電網(wǎng)保護(hù)整定模塊定時限過電流計算圖Fig.8 Distribution network protection setting module definite overcurrent calculation diagram

3 結(jié)語

數(shù)字可視化智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)研究基于云計算的數(shù)據(jù)庫模擬平臺，利用數(shù)字仿真技術(shù)，并通過對電力系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的精細(xì)化智能計算，為智能電網(wǎng)的建設(shè)決策提供可靠依據(jù)，同時取得了鏈路權(quán)重設(shè)置算法及區(qū)塊鏈技術(shù)引入等關(guān)鍵技術(shù)的突破。然而該項目關(guān)鍵技術(shù)的推廣應(yīng)用賴于云計算的穩(wěn)定發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定等客觀因素會使云應(yīng)用的性能受到一定的影響，進(jìn)而影響該項目的應(yīng)用效果。同時，受限于電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)的實時性及電力專網(wǎng)信息的保密特性，依賴于系統(tǒng)開放及銜接程度，電網(wǎng)的數(shù)字可視化分析將具有一定程度的應(yīng)用局限性。隨著電力全系統(tǒng)智能化的不斷發(fā)展及其相關(guān)技術(shù)的不斷演進(jìn)，基于數(shù)字可視化的智能電網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究將在未來與變電站設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測控制技術(shù)、線路系統(tǒng)自動測算及切換路由的遠(yuǎn)程控制技術(shù)、變電站智能化預(yù)警與控制技術(shù)等技術(shù)體系相結(jié)合，不斷完善互補，為推進(jìn)電網(wǎng)全智能化做出更大的貢獻(xiàn)。