電網運行狀態監測與預警系統

崔夢璐

（國網冀北電力有限公司廊坊供電公司，河北 廊坊 065000）

0 引 言

電力系統作為現代社會的基礎設施，其安全、穩定的運行關系到社會經濟的正常運轉。然而，隨著電力系統規模的擴大和技術復雜性的增加，電網運行狀態的監測與預警顯得越來越重要。如何有效進行電網運行狀態的實時監測，準確預警可能出現的風險，是當前電力系統運營管理面臨的重要挑戰。

1 電網運行狀態監測的基本理論與技術

1.1 電網運行狀態評估的基本理論

電網運行狀態評估作為電網運行管理的核心環節，主要依賴于電網狀態估計理論和電網穩定性分析理論。電網狀態估計理論通過應用最小二乘法、加權最小二乘法等數學方法，處理電力系統運行測量值，以估計電網的狀態變量，如節點電壓幅值、相角等。這樣可以全面掌握電網的實時運行狀態，為電網運行的決策提供精確的依據。電網穩定性分析理論則專注于電網在受到各種擾動（故障、負荷變化等）后的反應，主要研究電網是否能保持運行參數在正常范圍內變化，或在擾動消失后是否恢復到穩定運行狀態[1]。暫態穩定性分析、小擾動穩定性分析和電壓穩定性分析等都屬于穩定性分析的范疇，且其結果是電網預警系統發出預警信號的重要依據。

1.2 電網運行狀態監測的關鍵技術

電網運行狀態監測的關鍵技術主要包括數據采集技術、數據處理技術和狀態評估技術。

1.2.1 數據采集技術

對電網的運行參數進行實時、準確、連續的采集是狀態監測的基礎。如使用傳感器對電壓U、電流I、頻率f等進行采樣，采樣頻率需要滿足奈奎斯特采樣定理，即采樣頻率fs至少為信號最大頻率fmax的2倍，以保證信號的正確還原，即

1.2.2 數據處理技術

數據預處理通常包括濾波、歸一化等操作。例如，對電流信號I進行歸一化處理，即

式中：Imin和Imax分別為電流信號的最小值和最大值。

濾波通常使用如低通濾波器，其傳遞函數為

式中：fc為截止頻率；j為虛數單位。

1.2.3 狀態評估技術電網的實時狀態通常由一組復雜的非線性方程來描述，而狀態估計就是求解這些方程。最常用的方法是基于牛頓-拉夫森方法的最大似然估計，求解目標函數，首先寫出樣本的似然函數，再進行對數化處理，得到對數似然函數，再進行參數求解，過程較繁復，在此不作贅述。

2 電網運行狀態預警系統設計

2.1 系統架構設計

在設計電網運行狀態預警系統的架構時，需要考慮系統的功能需求、性能要求以及系統的可擴展性。一個典型的電網運行狀態預警系統可能包括如圖1所示的幾個部分，重點介紹以下幾層。

圖1 電網運行狀態預警系統架構

（1）數據采集層。這一層的主要任務是從各個監測點收集電網的運行數據，如電壓、電流、頻率等，并將這些數據通過網絡傳送到數據處理層。數據采集層需要有足夠的帶寬以支持大量數據的實時傳輸，同時需要有較高的可靠性保證數據的完整性。

（2）數據處理層。數據處理層負責對收到的數據進行預處理，包括數據清洗、數據轉換、數據整合等操作。這一層需要有強大的數據處理能力，能夠快速處理大量數據。

（3）數據分析層。這一層負責對處理后的數據進行分析，包括運行狀態評估、異常檢測、故障預測等。數據分析層需要使用各種先進的算法和模型，因此需要有強大的計算能力[2]。

2.2 數據采集與處理模塊設計

數據采集的主要目標是從電網系統中收集各種運行數據。這些數據通常由位于電網各節點的傳感器提供。因此，傳感器的選型與部署尤為重要。本研究選擇的傳感器類型等信息如表1所示。

表1 傳感器的選型與部署

在數據采集模塊中，各種傳感器實時采集電網運行狀態參數，如電流、電壓、溫度以及頻率等，然后將這些數據通過有線或無線方式發送到數據處理模塊。

一方面，數據處理模塊需要進行數據預處理，包括數據清洗和數據格式轉換。數據清洗主要是對數據進行異常值檢測和處理，如使用三西格瑪原則進行異常檢測。異常值處理可以根據具體情況選擇刪除、插值等方法。數據格式轉換主要是將收集的各種格式的數據統一為可以進行數據分析的格式。

另一方面，數據處理模塊需要進行數據聚合和數據分析。數據聚合是根據需要將數據進行適當的統計和匯總，如統計每分鐘、每小時或每天的平均電壓、最高電流等。數據分析則需要根據電網運行的特性和需求，使用各種統計分析方法和數據挖掘方法，如時間序列分析、關聯規則分析、聚類分析等，對電網運行狀態進行深入研究[3]。

例如，如果使用時間序列分析，可以采用自回歸移動平均模型進行描述。該模型的一般形式為

式中：Xt為時間t的數據；αi和βi為參數；εt為時間t的誤差項。

2.3 用戶交互與信息展示模塊設計

用戶交互與信息展示模塊設計是電網運行狀態預警系統的重要組成部分，目的是以直觀、有效的方式向用戶提供電網的運行狀態信息，并接收用戶的操作指令[4]。

在用戶界面設計中，需要考慮信息的展示方式。一般來說，電網的狀態信息包括各種電氣參數（電壓、電流、頻率等）、設備的工作狀態、系統的運行狀態等。這些信息應該以直觀易懂的方式展示給用戶，以幫助他們快速理解電網的當前狀態。這可以通過圖表、圖像、報表等方式實現。例如，可以用報警列表展示系統的預警信息等，如圖2所示。

圖2 用戶交互與信息展示示例

同時，為方便用戶對電網進行操作和管理，用戶界面需要提供各種操作功能，如設備的遠程控制、參數設定、故障處理等。這些操作功能應該設計成易于使用的方式，如按鈕、菜單、對話框等。

3 電網運行狀態預警系統的實施與應用

3.1 系統實施步驟與要點

實施電網運行狀態預警系統的過程需要遵循一系列關鍵步驟。首先，在需求分析和系統設計階段，深入理解電網運行特點和需求，明確系統主要功能和性能指標，并完成系統架構和各模塊設計，確保滿足實時性、穩定性、可靠性和易用性等應用需求。其次，在系統實施和調試階段，通過編寫測試軟件程序、安裝調試硬件設備等方式，采用功能測試、性能測試、壓力測試和穩定性測試等多角度驗證，確保系統性能和穩定性。再次，進入系統運行和運維管理階段，對系統進行運行監控、性能優化、故障處理和定期維護更新，同時建立完善的運維體系和管理機制，以保障系統的持續正常運行[5]。最后，通過對系統運行效果的評估，包括系統性能、穩定性、可靠性和用戶滿意度等指標，根據評估結果對系統進行優化和改進，進一步提升系統的整體性能。

3.2 系統應用效果與案例分析

實踐中，該電網運行狀態預警系統已經在多個電網系統中得到應用，并取得了顯著效果。以某地區電網為例，實施該預警系統后能夠實時監測電網的運行狀態，及時發現異常，大大提高了電網的運行安全性和穩定性。在該地區電網運行中，預警系統成功捕獲了幾次關鍵的電網運行異常，通過對異常的快速響應，避免了可能發生的嚴重后果。

4 結 論

隨著電力系統規模的擴大和運行方式的復雜化，電網運行狀態的監測與預警成為保障電力系統穩定運行的重要手段。經過深入研究與實踐，電網運行狀態的監測與預警系統已經取得了顯著進步，能夠有效實現電網運行狀態的實時監測、準確評估和及時預警，對于防止電力事故、提高電力供應可靠性具有重要意義。