通過支持廣泛的用戶互動(dòng)，為電力系統(tǒng)提供足夠的靈活性、實(shí)現(xiàn)個(gè)性化的用戶服務(wù)，成為未來智能電網(wǎng)發(fā)展的必然要求。大型電力企業(yè)每年都要針對(duì)輸電網(wǎng)進(jìn)行與迎峰度夏、安全度冬、保供電、設(shè)備檢修相關(guān)的大量設(shè)計(jì)校核工作，這些工作專業(yè)性強(qiáng)、工作量大、易出錯(cuò)，對(duì)相關(guān)人員的要求很高。

電網(wǎng)分析校核軟件有很多，目前國內(nèi)主要采用電力系統(tǒng)潮流及暫態(tài)穩(wěn)定分析程序（Bonneville power administration, BPA）、電力系統(tǒng)分析綜合程序（power system analysis software package, PSASP）、電力系統(tǒng)仿真軟件（power system simulator for engineering, PSS/E）等，它們成為目前電網(wǎng)運(yùn)行分析的重要工具。然而，這類軟件大都是離線分析軟件，需要人工準(zhǔn)備大量數(shù)據(jù)，并進(jìn)行一系列配置才能使用。其中，PSS/E需要使用者具備一定的編程基礎(chǔ)，PSASP的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備需要耗費(fèi)大量時(shí)間，對(duì)專業(yè)知識(shí)要求也較高。

目前，雖然有一些文獻(xiàn)對(duì)輸電網(wǎng)的在線校核進(jìn)行了研究，比如有文獻(xiàn)闡述了基于實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的可靠性評(píng)估系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計(jì)，并著重討論了系統(tǒng)算法和用戶接口設(shè)計(jì)，但電網(wǎng)的調(diào)控仍面臨以下幾個(gè)迫切需要解決的問題：1）如何在線發(fā)現(xiàn)實(shí)時(shí)電網(wǎng)正常運(yùn)行及N-1情況下電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)并給出合理的安全調(diào)整策略；2）如何準(zhǔn)確識(shí)別用電負(fù)荷及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化可能導(dǎo)致的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)并給出應(yīng)對(duì)措施；3）對(duì)電網(wǎng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬，對(duì)未來的實(shí)施效果提前進(jìn)行仿真校核。

1 需要解決的問題

通過建設(shè)輸電網(wǎng)設(shè)計(jì)與校核系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)輸電網(wǎng)的在線實(shí)時(shí)校核及安全調(diào)整輔助決策，輔助方式人員進(jìn)行電網(wǎng)的改擴(kuò)建，實(shí)現(xiàn)相關(guān)工作的自動(dòng)化、專業(yè)化、可視化。為此，系統(tǒng)需要提供如下主要功能。

1）構(gòu)建校核基態(tài)并實(shí)現(xiàn)免維護(hù)

構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)電網(wǎng)校核基態(tài)，定期自動(dòng)從能源管理系統(tǒng)（energy management system, EMS）導(dǎo)入實(shí)時(shí)輸電網(wǎng)模型、圖形及負(fù)荷數(shù)據(jù)，構(gòu)建并自動(dòng)維護(hù)一個(gè)隨時(shí)可用的實(shí)時(shí)電網(wǎng)斷面，作為設(shè)計(jì)和校核任務(wù)的基礎(chǔ)。

2）構(gòu)建一個(gè)多任務(wù)并行的校核管理平臺(tái)

校核管理平臺(tái)為多個(gè)并行的設(shè)計(jì)或校核任務(wù)提供互相隔離的全生命周期管理，提供設(shè)計(jì)工作所需要的繪圖、建模工具，提供運(yùn)行方式調(diào)整、用電負(fù)荷調(diào)整、備自投策略調(diào)整、校核結(jié)果展示、輔助決策方案展示所需的界面。

3）提供全場(chǎng)景的智能校核引擎

校核引擎負(fù)責(zé)對(duì)各種應(yīng)用場(chǎng)景下的電網(wǎng)運(yùn)行方式進(jìn)行電網(wǎng)承載力分析，對(duì)重過載設(shè)備給出負(fù)荷轉(zhuǎn)供輔助決策方案；根據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行方式自動(dòng)動(dòng)態(tài)匹配備自投策略，對(duì)N-1情況下的電網(wǎng)承載力進(jìn)行校核，對(duì)不滿足N-1的設(shè)備給出原因及安全調(diào)整輔助決策方案。

4）對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行可視化展示

提供一套自動(dòng)成圖組件，實(shí)現(xiàn)設(shè)備供電范圍、N-1波及分析、重要用戶供電電源分析的自動(dòng)成圖，以直觀展示分析校核結(jié)果。

2 關(guān)鍵技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)上述建設(shè)目標(biāo)，需重點(diǎn)解決如下關(guān)鍵技術(shù)。

1）異構(gòu)的存量模型校驗(yàn)及增量擴(kuò)展技術(shù)

傳統(tǒng)上，輸電網(wǎng)的模型由EMS維護(hù)，其站內(nèi)的主變、母線、開關(guān)、刀開關(guān)等設(shè)備的模型是完備的，但站外的線路段模型往往不完整，可能只包含部分線路段，而線路段往往會(huì)成為供電路徑上的最小載流元件，其模型的完整性和準(zhǔn)確性會(huì)直接影響校核結(jié)果。

因此，基于第三方異構(gòu)模型構(gòu)建完整、準(zhǔn)確的輸電網(wǎng)模型是一切校核工作的基礎(chǔ)，需要進(jìn)行如下技術(shù)研究：①從EMS導(dǎo)入輸電網(wǎng)模型和圖形，并進(jìn)行圖模質(zhì)量校驗(yàn)和異構(gòu)模型轉(zhuǎn)換；②以轉(zhuǎn)換得到存量模型為基礎(chǔ)，對(duì)缺失的線路段模型快速實(shí)現(xiàn)補(bǔ)充建模；③提供簡(jiǎn)捷、可視化的手段為處于設(shè)計(jì)中的假想電網(wǎng)快速建立模型。

2）基于差異模型的電網(wǎng)運(yùn)行方式自動(dòng)校核和輔助決策技術(shù)

電網(wǎng)運(yùn)行方式校核的需求可能來源于檢修計(jì)劃、用電需求、電網(wǎng)設(shè)計(jì)等各種場(chǎng)景，需要能夠基于歷史模型、現(xiàn)時(shí)模型、未來模型（假想中的改擴(kuò)建模型）等不同時(shí)期的電網(wǎng)模型進(jìn)行校核。根據(jù)校核目的的不同，能夠設(shè)置多種場(chǎng)景、多種計(jì)算條件，同時(shí)執(zhí)行多個(gè)校核任務(wù)。另外，針對(duì)校核結(jié)果可以優(yōu)化的運(yùn)行方式，需要能夠自動(dòng)給出方式優(yōu)化輔助決策建議。

3）基于動(dòng)態(tài)備自投策略的N-1電網(wǎng)安全分析技術(shù)

當(dāng)設(shè)備的備自投策略有多個(gè)時(shí)，需要能夠根據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)狀態(tài)，自動(dòng)選擇適配的備自投策略，模擬N-1發(fā)生時(shí)因設(shè)備開斷和自投開關(guān)動(dòng)作導(dǎo)致的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變和負(fù)荷轉(zhuǎn)移情況，并做潮流分析，基于重構(gòu)的電網(wǎng)和負(fù)荷模型對(duì)主變和線路段進(jìn)行校核，自動(dòng)給出過載設(shè)備的負(fù)荷轉(zhuǎn)供方案。

模擬備自投動(dòng)作時(shí)，需要綜合考慮備自投的時(shí)序性、均分性等特性。為了提高校核的速度，需要能夠基于基態(tài)模型，根據(jù)設(shè)備開斷和自投開關(guān)動(dòng)作情況動(dòng)態(tài)重構(gòu)局部模型并實(shí)現(xiàn)局部拓?fù)洹?/p>

4）自動(dòng)成圖技術(shù)

根據(jù)業(yè)務(wù)場(chǎng)景需要，對(duì)校核結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行有序組織，實(shí)現(xiàn)在線的動(dòng)態(tài)自動(dòng)成圖。需要考慮的成圖場(chǎng)景包括N-1負(fù)荷轉(zhuǎn)供態(tài)勢(shì)圖、供電路徑溯源圖、供電范圍拓?fù)鋱D等。

3 實(shí)現(xiàn)思路

3.1 主要流程

圖1為系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的主要流程。

圖1 系統(tǒng)主要流程

3.2 關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

1）提供圖模一體的電網(wǎng)建模及校驗(yàn)工具

有文獻(xiàn)描述了根據(jù)變電站系統(tǒng)配置描述文件（system configuration description, SCD）實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)模型擴(kuò)展的技術(shù)方案。有文獻(xiàn)研究了基于IEC 61970系列標(biāo)準(zhǔn)中的公共信息模型（common information model, CIM）實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)建模系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

基于CIM的電網(wǎng)模型互操作研究和實(shí)踐都已比較成熟，本文重點(diǎn)關(guān)注如何在導(dǎo)入的第三方電網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上補(bǔ)充運(yùn)行方式校核所必需的線路段模型。解決方案是，提供一個(gè)圖模一體的圖形化建模及校驗(yàn)工具，對(duì)第三方電網(wǎng)模型進(jìn)行通用化處理，并在此基礎(chǔ)上通過繪制站區(qū)圖對(duì)缺失的線路段進(jìn)行補(bǔ)充建模。通過繪制站區(qū)圖，可以為站間線路建立完整準(zhǔn)確的拓?fù)浼皡?shù)信息，以便能夠在運(yùn)行方式校核時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別供電路徑中的最小載流元件。

圖2所示為圖模一體建模工具繪制的站區(qū)圖（局部）示例。

圖2 用于建立站間線路段模型的站區(qū)圖

2）構(gòu)建能夠支持多種校核場(chǎng)景的動(dòng)態(tài)資源池

創(chuàng)建互相隔離的校核任務(wù)動(dòng)態(tài)資源池，每個(gè)校核任務(wù)動(dòng)態(tài)申請(qǐng)和釋放資源池中的資源，并在封閉的資源環(huán)境中完成校核任務(wù)的全生命周期。動(dòng)態(tài)資源池實(shí)現(xiàn)思路如圖3所示。

圖3 動(dòng)態(tài)資源池實(shí)現(xiàn)思路

3）自匹配的備自投策略及過載設(shè)備負(fù)荷轉(zhuǎn)供輔助決策

有文獻(xiàn)對(duì)備自投自動(dòng)投退的策略和規(guī)則進(jìn)行了深入研究。有文獻(xiàn)在潮流校核過程中通過負(fù)荷轉(zhuǎn)移的方法將負(fù)荷從工作母線轉(zhuǎn)移到備用母線來模擬備自投的動(dòng)作，有效縮短了校核時(shí)間。有文獻(xiàn)對(duì)所有的備自投動(dòng)作策略在執(zhí)行前進(jìn)行電網(wǎng)安全校驗(yàn)，分別給出線路過載和變壓器過載的校正方案。有文獻(xiàn)研究計(jì)及備自投的N-1靜態(tài)安全分析快速計(jì)算方法，進(jìn)行一次設(shè)備的N-1故障校核。本文重點(diǎn)關(guān)注多個(gè)備自投方案的在線自匹配及多個(gè)轉(zhuǎn)供方案的優(yōu)化組合及效果評(píng)估。

首先，在考慮備自投的方向性、時(shí)序性、均分性等特點(diǎn)的情況下對(duì)備自投進(jìn)行建模。然后，模擬N-1，在基態(tài)拓?fù)涞幕A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)局部拓?fù)洌⑼ㄟ^供電路徑搜索及設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)得到滿足動(dòng)作條件的備自投策略。最后，根據(jù)備自投策略和電網(wǎng)拓?fù)?，?duì)負(fù)荷進(jìn)行轉(zhuǎn)移，并對(duì)負(fù)荷轉(zhuǎn)移后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行校核，得到校核計(jì)算結(jié)果。對(duì)不滿足N-1的主變或線路，分析并給出所有可降低設(shè)備負(fù)載的輔助決策方案。

為了加快動(dòng)態(tài)重構(gòu)局部模型并實(shí)現(xiàn)局部拓?fù)涞乃俣?，本文借鑒相關(guān)文獻(xiàn)提出的構(gòu)造與原電網(wǎng)相似拓?fù)?、不同參?shù)的“伴隨網(wǎng)絡(luò)”的概念。圖4為系統(tǒng)根據(jù)備自投策略自動(dòng)完成負(fù)荷轉(zhuǎn)移后，給出的用于降低波及設(shè)備負(fù)載的輔助決策方案。方案包含互補(bǔ)或互斥特征，用于協(xié)助使用者快速完成方案的優(yōu)化組合。

圖4 N-1情況下負(fù)荷轉(zhuǎn)移輔助決策方案

4）基于實(shí)時(shí)拓?fù)涞淖詣?dòng)成圖技術(shù)

目前，圍繞變電站一次接線圖、饋線圖的自動(dòng)成圖技術(shù)研究較多，但與具體業(yè)務(wù)緊密結(jié)合的應(yīng)用級(jí)自動(dòng)成圖技術(shù)并不多見。供電范圍分析示意圖和供電路徑示意圖為輻射狀無環(huán)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，可采用樹形布局算法，將成圖模型抽象為一個(gè)多叉樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用寬度優(yōu)先搜索、遞歸中序遍歷的方法實(shí)現(xiàn)圖元布局。

對(duì)于N-1波及分析示意圖，主要的難點(diǎn)在于沒有現(xiàn)成的算法可用，需要自行設(shè)計(jì)算法解決成圖數(shù)據(jù)的排序、分組、去重和試探性布局。綜合考慮N-1發(fā)生后因設(shè)備自投（需要考慮級(jí)聯(lián)自投）引起的各種負(fù)荷轉(zhuǎn)移場(chǎng)景，模擬人工繪圖的思路和過程，實(shí)現(xiàn)N-1波及分析示意圖的自動(dòng)生成。圖5為利用自動(dòng)成圖技術(shù)生成的N-1波及分析示意圖。

圖5 N-1波及分析示意圖

4 應(yīng)用情況

基于本文描述的思路和方法實(shí)現(xiàn)的輸電網(wǎng)運(yùn)行方式校核系統(tǒng)已經(jīng)在北京市電力公司投入使用。系統(tǒng)投入使用前，每年迎峰度夏和安全度冬前都需要針對(duì)站線切改情況、負(fù)荷增長(zhǎng)情況調(diào)整運(yùn)行方式，離線手工分析正常運(yùn)行方式下線路和主變的負(fù)載率、N-1情況下負(fù)荷的轉(zhuǎn)供策略及策略影響到的上游主變和線路的負(fù)載率，并手工編制運(yùn)行方式規(guī)劃報(bào)告，一次校核任務(wù)往往需要50～70人?天才能完成。

系統(tǒng)投入使用后，所有的工作全部轉(zhuǎn)為線上進(jìn)行，用戶只需指定輸電網(wǎng)模型和負(fù)荷數(shù)據(jù)的日期（可以不同）、采用的運(yùn)行方式，必要時(shí)利用圖形化的動(dòng)態(tài)建模工具對(duì)電網(wǎng)模型進(jìn)行快速調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)“一鍵校核”和“一鍵生成報(bào)告”，一次校核任務(wù)大概需要0.5～4人?時(shí)（取決于是否需要調(diào)整電網(wǎng)模型），校核結(jié)果可在線上實(shí)時(shí)發(fā)布。

5 結(jié)論

通過提供一體化的輸電網(wǎng)模型動(dòng)態(tài)建模工具，構(gòu)建并自動(dòng)維護(hù)可支持并行校核的動(dòng)態(tài)資源池，實(shí)現(xiàn)備自投策略的自動(dòng)適配，為過載設(shè)備提供負(fù)荷轉(zhuǎn)供輔助決策，并輔之以自動(dòng)成圖等可視化展示手段，該思路和方法在實(shí)際應(yīng)用中較易落地。

落地系統(tǒng)可以幫助電力企業(yè)發(fā)現(xiàn)輸電網(wǎng)在各種運(yùn)行方式下及N-1情況下的薄弱環(huán)節(jié)并自動(dòng)給出調(diào)整策略，準(zhǔn)確識(shí)別用電負(fù)荷及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化可能導(dǎo)致的電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)并給出應(yīng)對(duì)措施，也可以對(duì)輸電網(wǎng)設(shè)計(jì)方案預(yù)期達(dá)到的效果提前進(jìn)行仿真校核，為保障輸電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

本文編自2022年第10期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“基于動(dòng)態(tài)建模技術(shù)構(gòu)建輸電網(wǎng)運(yùn)行方式校核系統(tǒng)的探索”，作者為唐濤南、劉海林 等。