王仲達(dá)1，錢江峰1，劉慶程1，謝 旭2
(1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京211106；2.國家電網(wǎng)公司華北分部，北京100053)
摘 要： 以地區(qū)電網(wǎng)備自投監(jiān)視和局部區(qū)域智能恢復(fù)供電為目標(biāo)，結(jié)合華北地區(qū)電網(wǎng)供電恢復(fù)決策系統(tǒng)的建設(shè)，對(duì)該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)思想及實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了介紹。該系統(tǒng)主要圍繞“供電恢復(fù)決策生成”、“供電恢復(fù)決策分析”這兩個(gè)技術(shù)特點(diǎn)，從實(shí)際地區(qū)電網(wǎng)的供電智能恢復(fù)的整體設(shè)計(jì)框架、故障定位、決策生成、決策分析等方面對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和思路進(jìn)行了闡述。同時(shí)介紹了主站端站內(nèi)備自投的建模及監(jiān)視方法，以及系統(tǒng)建成后的供電恢復(fù)過程。
關(guān)鍵詞： 調(diào)度自動(dòng)化；供電恢復(fù)；風(fēng)險(xiǎn)分析，安全分析及策略校正；備自投裝置
0 引言
隨著智能電網(wǎng)的實(shí)施，電網(wǎng)調(diào)度以及調(diào)控一體化逐步推進(jìn)，電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性仍然是研究的重點(diǎn)課題。當(dāng)今社會(huì)對(duì)于供電可靠供應(yīng)的要求越來越高。為了減小停電面積、縮短停電時(shí)間，提高電網(wǎng)運(yùn)行可靠性，智能恢復(fù)供電決策系統(tǒng)的建設(shè)勢(shì)在必行。
傳統(tǒng)的站內(nèi)備自投裝置是恢復(fù)供電的一種有效手段，獲得了廣泛的應(yīng)用。但備自投裝置邏輯簡(jiǎn)單，功能單一，只能滿足站內(nèi)特定接線方式下的局部供電恢復(fù)要求。因此，從整個(gè)電網(wǎng)的角度來考慮，站內(nèi)備自投恢復(fù)供電的決策存在固有的局限性[1-4]。為解決上述問題，已經(jīng)有許多關(guān)于主站備自投自動(dòng)恢復(fù)供電的研究[5-8]。這類研究彌補(bǔ)了站內(nèi)備自投供電恢復(fù)的局限性，很好地解決了針對(duì)串供接線方式下失電負(fù)荷的自動(dòng)恢復(fù)問題，但是，這類主站備自投仍存在一些問題。首先，主站備自投雖然由主站系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，但從實(shí)現(xiàn)上基本遵循站內(nèi)備自投的設(shè)計(jì)邏輯，沒有充分發(fā)揮主站系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，某種程度上孤立于主站調(diào)度系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用功能之外，未能充分利用現(xiàn)有調(diào)度自動(dòng)化的數(shù)據(jù)和應(yīng)用資源；其次，主站備自投適用的接線方式很有限，只能應(yīng)對(duì)最簡(jiǎn)單的串供接線方式，限制了使用范圍，且缺乏智能性；最后，只能應(yīng)對(duì)單一故障，在極端多重故障情況下缺乏對(duì)策，難以保證有效處理及可靠動(dòng)作。
本文提出了地區(qū)電網(wǎng)供電恢復(fù)決策系統(tǒng)，突破傳統(tǒng)備自投在恢復(fù)供電領(lǐng)域的設(shè)計(jì)觀念，同時(shí)考慮到備自投對(duì)局部電網(wǎng)恢復(fù)供電的影響，以故障定位和斷電負(fù)荷分析為出發(fā)點(diǎn)，采用廣播原理的電源點(diǎn)追溯的方式，結(jié)合電網(wǎng)的安全校核及風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)供電恢復(fù)的最優(yōu)決策方案。它對(duì)拓展現(xiàn)有調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的功能、實(shí)現(xiàn)故障情況下的供電自動(dòng)恢復(fù)、提高主站系統(tǒng)的智能化水平具有重要意義和使用價(jià)值。
1 供電恢復(fù)的整體設(shè)計(jì)架構(gòu)
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能框架由以下2個(gè)環(huán)節(jié)組成：（1）決策生成單元，針對(duì)電網(wǎng)發(fā)生的故障信息，計(jì)算給出全部可行的決策方案；（2）決策分析單元，對(duì)給出的決策方案逐一進(jìn)行系統(tǒng)安全評(píng)估，其中包括風(fēng)險(xiǎn)分析、安全校核，并以人工選擇調(diào)整的方式實(shí)現(xiàn)人工決策。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
決策生成單元主要包括以下4個(gè)方面，（1）故障診斷功能，根據(jù)主站數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息，判斷電網(wǎng)是否有故障發(fā)生，并正確給出故障點(diǎn)的位置；（2）站內(nèi)備自投監(jiān)視功能，讀取備自投模型庫，分析判斷備自投動(dòng)作情況；（3）停電范圍分析，根據(jù)故障設(shè)備進(jìn)行拓?fù)浞治?，找出故障引起的全部失電?fù)荷；（4）決策生成，查找恢復(fù)供電通路，給出供電恢復(fù)的全部決策。
決策分析單元主要包括以下3個(gè)方面，（1）對(duì)生成的全部決策進(jìn)行安全校核，并給出對(duì)應(yīng)的電網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)預(yù)警；（2）對(duì)生成的全部決策進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，并給出電網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警；（3）用戶根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)及決策分析，人為調(diào)整決策方案。
2 供電恢復(fù)決策生成
圍繞“供電恢復(fù)決策生成”這一技術(shù)核心，系統(tǒng)解決了一系列的技術(shù)難題，基于電網(wǎng)當(dāng)前的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及運(yùn)行方式，以電網(wǎng)設(shè)備的故障或操作的實(shí)際情況作為分析的出發(fā)點(diǎn)，考慮站內(nèi)備自投裝置的動(dòng)作情況，結(jié)合故障診斷的分析結(jié)果，以最快、最合理的方式給出供電恢復(fù)的最佳策略作為該課題的核心任務(wù)之一。
2.1 故障定位的實(shí)現(xiàn)
如圖2所示，系統(tǒng)采用分類故障診斷模式，結(jié)合當(dāng)前電網(wǎng)的現(xiàn)狀，調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)接收站端的消息按時(shí)間優(yōu)先級(jí)以及適應(yīng)性可分為三類：第一類為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的遙信信號(hào)，作為開關(guān)狀態(tài)診斷數(shù)據(jù)源；第二類為站端傳送的SOE信號(hào)，作為SOE信息診斷數(shù)據(jù)源；第三類為站端傳送的保護(hù)信號(hào)，作為保護(hù)信息診斷數(shù)據(jù)源。根據(jù)上述對(duì)信息的具體分類，信息綜合判斷單元結(jié)合三類信息最終生成故障定位信息，并為決策的生成提供基礎(chǔ)的分析條件。
2.2 站內(nèi)備自投的建模及監(jiān)視方法
站內(nèi)備自投往往分為負(fù)荷端備自投以及出線備自投。負(fù)荷端備自投適用的接線方式比較固定，如圖3所示即為典型負(fù)荷端備自投適用的接線方式。而出線備自投往往根據(jù)地區(qū)電網(wǎng)的接線方式自定義備自投邏輯，所以安裝比較靈活。
從備自投裝置的實(shí)現(xiàn)邏輯上來看，備自投裝置分為3個(gè)環(huán)節(jié)，其一是裝置啟動(dòng)條件的檢測(cè)環(huán)節(jié)，其二是裝置動(dòng)作出口環(huán)節(jié)，其三是備自投閉鎖環(huán)境。根據(jù)備自投裝置實(shí)現(xiàn)的邏輯，在主站端可以自動(dòng)生成負(fù)荷備自投模型以及人工輸入出線備自投模型，并與廠站備自投裝置形成映射對(duì)應(yīng)關(guān)系。
站內(nèi)備自投監(jiān)視的主要目的在于使恢復(fù)供電決策的計(jì)算更為準(zhǔn)確、合理。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生故障或人為操作后，可能會(huì)導(dǎo)致部分地區(qū)負(fù)荷的斷電，而此時(shí)備自投如果滿足啟動(dòng)條件則會(huì)自動(dòng)恢復(fù)部分負(fù)荷的供電。所以，當(dāng)備自投裝置動(dòng)作完成后，電網(wǎng)潮流以及停電范圍分析才是合理、準(zhǔn)確的。
2.3 停電范圍分析
本文采用廣義模型結(jié)構(gòu)矩陣的方式表達(dá)電網(wǎng)的運(yùn)行方式。將無阻抗元件（如開關(guān)、刀閘、母線）定義為廣義節(jié)點(diǎn)，把阻抗元件（如線路、變壓器、電容電抗器）定義為廣義支路，最終電網(wǎng)的接線方式及運(yùn)行方式描述為節(jié)點(diǎn)和支路的拓?fù)渚仃?，可大大提高拓?fù)渌阉鞯男省?/p>
由于地區(qū)電網(wǎng)基本是輻射狀的，從故障設(shè)備拓?fù)浞治銎湎蛳逻B接的所有節(jié)點(diǎn)，并綜合考慮備自投裝置恢復(fù)供電的部分負(fù)荷，停電范圍即可確定。
2.4 決策生成
基于廣域拓?fù)渌阉鞯姆椒梢哉业绞щ姀S站恢復(fù)供電的全部路徑，具體的優(yōu)化方案采用遺傳算法，在滿足約束條件的前提下使目標(biāo)函數(shù)最小?；謴?fù)過程本質(zhì)上通過一系列開關(guān)變位來實(shí)現(xiàn)，全部為離散化操作。首先對(duì)全網(wǎng)開關(guān)拓?fù)渚幪?hào)，使開關(guān)都有一個(gè)含拓?fù)湫畔⒌木幪?hào)，恢復(fù)過程的每一步動(dòng)作都是相應(yīng)編號(hào)開關(guān)的變位，以此為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)染色體編碼。同理，已知初始狀態(tài)和開關(guān)編號(hào)方式，也很容易從染色體中的任意位置解析出恢復(fù)過程中的電網(wǎng)狀態(tài)。具體的目標(biāo)函數(shù)可以表示為下式：
同時(shí)，恢復(fù)過程需要滿足如下約束條件：
?。?）動(dòng)作有效性約束，即每一組開關(guān)動(dòng)作完成后，系統(tǒng)要么恢復(fù)更多的供電區(qū)域，要么使網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加合理。絕對(duì)不會(huì)在一組動(dòng)作結(jié)束后使運(yùn)行情況惡化，更不會(huì)使帶電設(shè)備失電。
（2）故障的隔離約束。即在整個(gè)恢復(fù)過程中都不會(huì)對(duì)故障設(shè)備充電，以免造成保護(hù)再次動(dòng)作，產(chǎn)生難以預(yù)知的后果。
?。?）潮流約束。即整個(gè)恢復(fù)過程中保證任意設(shè)備潮流值不越過事故限值，避免設(shè)備后備保護(hù)動(dòng)作。
3 供電恢復(fù)決策分析及調(diào)整
供電恢復(fù)決策的確定必須考慮電網(wǎng)運(yùn)行的安全性以及潛在的風(fēng)險(xiǎn)。所以，需要根據(jù)初始供電恢復(fù)決策預(yù)先進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和安全校核，如果初始決策不滿足電網(wǎng)運(yùn)行的安全性要求，系統(tǒng)必須進(jìn)行決策修正，直至滿足電網(wǎng)運(yùn)行的安全要求為止。
本文從風(fēng)險(xiǎn)分析以及安全校核兩個(gè)方面進(jìn)行供電恢復(fù)決策分析，并根據(jù)分析結(jié)果，利用安全校正控制單元，最終給出最為合理的供電恢復(fù)決策方案。供電恢復(fù)決策分析及調(diào)整結(jié)構(gòu)如圖4所示。
3.1 風(fēng)險(xiǎn)分析
運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)指電網(wǎng)在某些特殊的運(yùn)行方式下可能由于操作或故障導(dǎo)致局部停電且無法短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)的情況。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，本文所述的特殊運(yùn)行方式包括串供運(yùn)行、負(fù)荷單主變運(yùn)行、負(fù)荷單母線運(yùn)行以及負(fù)荷單電源運(yùn)行。如串供運(yùn)行的電源端發(fā)生故障，其受電的所有廠站將發(fā)生斷電，這種運(yùn)行方式的供電恢復(fù)邏輯較為復(fù)雜，無法通過站端配置備自投裝置的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)恢復(fù)供電，所以串供運(yùn)行是電網(wǎng)運(yùn)行可靠性很低的運(yùn)行方式之一，串供運(yùn)行方式如圖5所示。
風(fēng)險(xiǎn)分析是基于決策方案進(jìn)行全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析，預(yù)先找出決策方案執(zhí)行后電網(wǎng)可能存在的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，為用戶提前掌握電網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)及進(jìn)行方案調(diào)整提供依據(jù)。
3.2 安全分析及校正控制
系統(tǒng)基于決策方案對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視、安全分析和潮流計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的多側(cè)面的預(yù)案分析，并找出電網(wǎng)運(yùn)行預(yù)案的薄弱環(huán)節(jié)，為安全校正策略的生成提供校正目標(biāo)。同時(shí)結(jié)合靈敏度分析軟件和校正控制軟件進(jìn)行控制策略調(diào)整。
對(duì)于220 kV及以上電壓等級(jí)電網(wǎng)和110 kV及以下電壓等級(jí)輻射電網(wǎng)，由于運(yùn)行方式不同，具有不同的校正控制手段。高壓環(huán)網(wǎng)支路越限或斷面越限矯正控制是基于靈敏度計(jì)算并結(jié)合規(guī)劃方法，給出發(fā)電機(jī)、負(fù)荷調(diào)整的方向性建議；針對(duì)地區(qū)低壓輻射網(wǎng)有效地調(diào)整手段通常為調(diào)整電網(wǎng)運(yùn)行方式，實(shí)現(xiàn)不間斷供電方式下的消除越限。
4 實(shí)用化實(shí)現(xiàn)
該軟件已經(jīng)在華北多級(jí)調(diào)度一體化仿真系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行試驗(yàn)，并對(duì)地調(diào)電網(wǎng)部分220 kV變電站進(jìn)行了故障模擬測(cè)試，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行故障定位、失電區(qū)域分析并最終給出優(yōu)化后的決策方案。以圖6為例說明整個(gè)試驗(yàn)過程。
該局部電網(wǎng)包括三個(gè)220 kV變電站和兩個(gè)110 kV變電站。為了便于理解，220 kV變電站為電源端，110 kV變電站為負(fù)荷端，運(yùn)行方式如圖6所示。此時(shí)，220 kV變電站1是110 kV變電站4的供電電源，并存在一個(gè)備用電源，即220 kV變電站2。測(cè)試方案是設(shè)置220 kV變電站母線故障，110 kV變電站4全站失壓，系統(tǒng)供電恢復(fù)決策步驟如下。
?。?）根據(jù)系統(tǒng)通道信息接收到的開關(guān)變位信號(hào)、模擬SOE信號(hào)以及繼電保護(hù)信號(hào)進(jìn)行故障定位，確定故障設(shè)備是設(shè)置220 kV變電站1母線。
?。?）進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治觯阉鞯綌嚯娯?fù)荷為110 kV變電站4全部負(fù)荷。
?。?）備自投監(jiān)視單元啟動(dòng)，讀取失電廠站備自投模型，分析判斷是否具備條件，由于開關(guān)106和開關(guān)109均處于合閘狀態(tài)，不滿足啟動(dòng)條件。
?。?）自動(dòng)生成恢復(fù)決策，初始決策方案是斷開106開關(guān)、合上108開關(guān)。
?。?）風(fēng)險(xiǎn)分析，遍歷全網(wǎng)無特殊運(yùn)行方式，滿足方案運(yùn)行條件。
?。?）安全分析及校正控制，分析結(jié)果是線路4過載，在初始決策方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行校正，合107開關(guān)及116開關(guān)。
5 結(jié)束語
本文提出電網(wǎng)供電恢復(fù)智能決策及管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，具備智能性、安全性、使用維護(hù)的方便性等特點(diǎn)，可以大幅度提高電網(wǎng)安全可靠性。系統(tǒng)集成在調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，充分利用全網(wǎng)數(shù)據(jù)信息及應(yīng)用環(huán)境，以故障驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的模式自動(dòng)完成故障定位、恢復(fù)策略生成、備自投建模及監(jiān)視、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、安全校核，并自動(dòng)給出供電恢復(fù)最佳策略，為調(diào)度運(yùn)行人員提供處理事故的指導(dǎo)工具。具有良好的推廣應(yīng)用前景，目前已在地區(qū)級(jí)電網(wǎng)投入了試運(yùn)行。
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