通過支持廣泛的用戶互動，為電力系統(tǒng)提供足夠的靈活性、實現(xiàn)個性化的用戶服務(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)每年都要針對輸電網(wǎng)進行與迎峰度夏、安全度冬、保供電、設(shè)備檢修相關(guān)的大量設(shè)計校核工作，這些工作專業(yè)性強、工作量大、易出錯，對相關(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，需要人工準備大量數(shù)據(jù)，并進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)準備需要耗費大量時間，對專業(yè)知識要求也較高。

目前，雖然有一些文獻對輸電網(wǎng)的在線校核進行了研究，比如有文獻闡述了基于實時測量系統(tǒng)的可靠性評估系統(tǒng)的整體架構(gòu)設(shè)計，并著重討論了系統(tǒng)算法和用戶接口設(shè)計，但電網(wǎng)的調(diào)控仍面臨以下幾個迫切需要解決的問題：1）如何在線發(fā)現(xiàn)實時電網(wǎng)正常運行及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）如何準確識別用電負荷及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化可能導(dǎo)致的電網(wǎng)風險并給出應(yīng)對措施；3）對電網(wǎng)設(shè)計方案進行模擬，對未來的實施效果提前進行仿真校核。

1 需要解決的問題

通過建設(shè)輸電網(wǎng)設(shè)計與校核系統(tǒng)，可實現(xiàn)輸電網(wǎng)的在線實時校核及安全調(diào)整輔助決策，輔助方式人員進行電網(wǎng)的改擴建，實現(xiàn)相關(guān)工作的自動化、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)并實現(xiàn)免維護

構(gòu)建一個實時電網(wǎng)校核基態(tài)，定期自動從能源管理系統(tǒng)（energy management system, EMS）導(dǎo)入實時輸電網(wǎng)模型、圖形及負荷數(shù)據(jù)，構(gòu)建并自動維護一個隨時可用的實時電網(wǎng)斷面，作為設(shè)計和校核任務(wù)的基礎(chǔ)。

2）構(gòu)建一個多任務(wù)并行的校核管理平臺

校核管理平臺為多個并行的設(shè)計或校核任務(wù)提供互相隔離的全生命周期管理，提供設(shè)計工作所需要的繪圖、建模工具，提供運行方式調(diào)整、用電負荷調(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）提供全場景的智能校核引擎

校核引擎負責對各種應(yīng)用場景下的電網(wǎng)運行方式進行電網(wǎng)承載力分析，對重過載設(shè)備給出負荷轉(zhuǎn)供輔助決策方案；根據(jù)電網(wǎng)運行方式自動動態(tài)匹配備自投策略，對N-1情況下的電網(wǎng)承載力進行校核，對不滿足N-1的設(shè)備給出原因及安全調(diào)整輔助決策方案。

4）對分析結(jié)果進行可視化展示

提供一套自動成圖組件，實現(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成圖，以直觀展示分析校核結(jié)果。

2 關(guān)鍵技術(shù)

為實現(xiàn)上述建設(shè)目標，需重點解決如下關(guān)鍵技術(shù)。

1）異構(gòu)的存量模型校驗及增量擴展技術(shù)

傳統(tǒng)上，輸電網(wǎng)的模型由EMS維護，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，而線路段往往會成為供電路徑上的最小載流元件，其模型的完整性和準確性會直接影響校核結(jié)果。

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

2）基于差異模型的電網(wǎng)運行方式自動校核和輔助決策技術(shù)

電網(wǎng)運行方式校核的需求可能來源于檢修計劃、用電需求、電網(wǎng)設(shè)計等各種場景，需要能夠基于歷史模型、現(xiàn)時模型、未來模型（假想中的改擴建模型）等不同時期的電網(wǎng)模型進行校核。根據(jù)校核目的的不同，能夠設(shè)置多種場景、多種計算條件，同時執(zhí)行多個校核任務(wù)。另外，針對校核結(jié)果可以優(yōu)化的運行方式，需要能夠自動給出方式優(yōu)化輔助決策建議。

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

當設(shè)備的備自投策略有多個時，需要能夠根據(jù)電網(wǎng)實時狀態(tài)，自動選擇適配的備自投策略，模擬N-1發(fā)生時因設(shè)備開斷和自投開關(guān)動作導(dǎo)致的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)改變和負荷轉(zhuǎn)移情況，并做潮流分析，基于重構(gòu)的電網(wǎng)和負荷模型對主變和線路段進行校核，自動給出過載設(shè)備的負荷轉(zhuǎn)供方案。

模擬備自投動作時，需要綜合考慮備自投的時序性、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)動作情況動態(tài)重構(gòu)局部模型并實現(xiàn)局部拓撲。

4）自動成圖技術(shù)

根據(jù)業(yè)務(wù)場景需要，對校核結(jié)果數(shù)據(jù)進行有序組織，實現(xiàn)在線的動態(tài)自動成圖。需要考慮的成圖場景包括N-1負荷轉(zhuǎn)供態(tài)勢圖、供電路徑溯源圖、供電范圍拓撲圖等。

3 實現(xiàn)思路

3.1 主要流程

圖1為系統(tǒng)需要實現(xiàn)的主要流程。

圖1 系統(tǒng)主要流程

3.2 關(guān)鍵技術(shù)實現(xiàn)

1）提供圖模一體的電網(wǎng)建模及校驗工具

有文獻描述了根據(jù)變電站系統(tǒng)配置描述文件（system configuration description, SCD）實現(xiàn)變電站內(nèi)模型擴展的技術(shù)方案。有文獻研究了基于IEC 61970系列標準中的公共信息模型（common information model, CIM）實現(xiàn)電網(wǎng)建模系統(tǒng)的設(shè)計方案。

基于CIM的電網(wǎng)模型互操作研究和實踐都已比較成熟，本文重點關(guān)注如何在導(dǎo)入的第三方電網(wǎng)模型的基礎(chǔ)上補充運行方式校核所必需的線路段模型。解決方案是，提供一個圖模一體的圖形化建模及校驗工具，對第三方電網(wǎng)模型進行通用化處理，并在此基礎(chǔ)上通過繪制站區(qū)圖對缺失的線路段進行補充建模。通過繪制站區(qū)圖，可以為站間線路建立完整準確的拓撲及參數(shù)信息，以便能夠在運行方式校核時準確識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景的動態(tài)資源池

創(chuàng)建互相隔離的校核任務(wù)動態(tài)資源池，每個校核任務(wù)動態(tài)申請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。動態(tài)資源池實現(xiàn)思路如圖3所示。

圖3 動態(tài)資源池實現(xiàn)思路

3）自匹配的備自投策略及過載設(shè)備負荷轉(zhuǎn)供輔助決策

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

首先，在考慮備自投的方向性、時序性、均分性等特點的情況下對備自投進行建模。然后，模擬N-1，在基態(tài)拓撲的基礎(chǔ)上實現(xiàn)局部拓撲，并通過供電路徑搜索及設(shè)備的實時狀態(tài)得到滿足動作條件的備自投策略。最后，根據(jù)備自投策略和電網(wǎng)拓撲，對負荷進行轉(zhuǎn)移，并對負荷轉(zhuǎn)移后的網(wǎng)絡(luò)進行校核，得到校核計算結(jié)果。對不滿足N-1的主變或線路，分析并給出所有可降低設(shè)備負載的輔助決策方案。

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

圖4 N-1情況下負荷轉(zhuǎn)移輔助決策方案

4）基于實時拓撲的自動成圖技術(shù)

目前，圍繞變電站一次接線圖、饋線圖的自動成圖技術(shù)研究較多，但與具體業(yè)務(wù)緊密結(jié)合的應(yīng)用級自動成圖技術(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現(xiàn)圖元布局。

對于N-1波及分析示意圖，主要的難點在于沒有現(xiàn)成的算法可用，需要自行設(shè)計算法解決成圖數(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（需要考慮級聯(lián)自投）引起的各種負荷轉(zhuǎn)移場景，模擬人工繪圖的思路和過程，實現(xiàn)N-1波及分析示意圖的自動生成。圖5為利用自動成圖技術(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現(xiàn)的輸電網(wǎng)運行方式校核系統(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站線切改情況、負荷增長情況調(diào)整運行方式，離線手工分析正常運行方式下線路和主變的負載率、N-1情況下負荷的轉(zhuǎn)供策略及策略影響到的上游主變和線路的負載率，并手工編制運行方式規(guī)劃報告，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)為線上進行，用戶只需指定輸電網(wǎng)模型和負荷數(shù)據(jù)的日期（可以不同）、采用的運行方式，必要時利用圖形化的動態(tài)建模工具對電網(wǎng)模型進行快速調(diào)整，即可實現(xiàn)“一鍵校核”和“一鍵生成報告”，一次校核任務(wù)大概需要0.5～4人?時（取決于是否需要調(diào)整電網(wǎng)模型），校核結(jié)果可在線上實時發(fā)布。

5 結(jié)論

通過提供一體化的輸電網(wǎng)模型動態(tài)建模工具，構(gòu)建并自動維護可支持并行校核的動態(tài)資源池，實現(xiàn)備自投策略的自動適配，為過載設(shè)備提供負荷轉(zhuǎn)供輔助決策，并輔之以自動成圖等可視化展示手段，該思路和方法在實際應(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)在各種運行方式下及N-1情況下的薄弱環(huán)節(jié)并自動給出調(diào)整策略，準確識別用電負荷及電網(wǎng)結(jié)構(gòu)變化可能導(dǎo)致的電網(wǎng)風險并給出應(yīng)對措施，也可以對輸電網(wǎng)設(shè)計方案預(yù)期達到的效果提前進行仿真校核，為保障輸電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行提供技術(shù)支撐。

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