大电网四级梯度预警预控方法的工程实践

柴旭峥，王红印，付红军，郑 亮，吴文传，易永辉，镐俊杰

（1.河南电力调度控制中心，河南 郑州 450052；2.国网电力科学研究院，江苏 南京 210003；3.清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京 100084；4.许继电网保护自动化公司，河南 许昌 461000）

0 引言

随着我国特高压电网建设工作的不断深入，特高压等级的交直流大区互联电网正在逐步形成。在坚强智能电网为建设目标的大背景下，不仅需要互联电网实现区域间各种一次能源的合理优化调配，同时对大电网的安全稳定运行提出了更高的要求，使之面临着更加复杂的挑战与考验。2003年北美东部电网8·14 大停电事故[1]的发生，使国际电力系统运行与控制领域的研究人员和电网运行人员越来越深刻地意识到采取系统、综合、在时间轴上扩展的防御措施对避免电网大停电事故发生的重要意义[2-4]。

国内外现有的预警和预防性控制系统重视电网运行在线、实时、动态的安全稳定分析和事故防范措施[5-7]，但是越来越多的运行和研究人员意识到在研究态、规划态对电网进行分析研究从而指导生产运行的重要[8-10]。在对电网运行个环节深刻体会的基础上，从系统工程学的角度考虑[11]，电网运行也具有“普遍联系和永恒发展”的特性。电网运行是由检修计划、方式校核、调度操作、实时监控这些相互联系且在时间序列上递进发展的环节组成的“大系统”，预警预控应用于每个环节将能够具体体现系统、综合防御的思想，从而从各个源头上降低电网大停电事故发生的隐患。

河南电网处于未来三华大电网的枢纽位置，多条特高压交、直流输电线路将落地河南，采用合理的预警预控手段保障河南电网的安全稳定运行，已经成为调度机构势在必行的重要工作。基于系统工程学的思想，大电网安全可靠运行四级梯度预警预控方法[12-13]提出在周计划、日计划、操作前和实时四个时间梯度上递进的环节，进行相应的预警预控工作。为了将四级梯度预警预控方法应用于河南电网的运行实践，河南电力调度通信中心与国网电力科学研究院和清华大学一起科研攻关、协作开发，在功能上充分实现了四级梯度预警预控的设计思想。在实现设计功能的过程中根据河南电网的实际特点和国际上相关技术的发展情况，解决了相关技术难题，进行了一系列创新性的技术应用。本文将介绍大电网安全可靠运行四级梯度预警预控方法在河南电网应用的工程实践情况，主要介绍系统的功能实现、创新性的技术应用和应用中的思考与启示。

1 系统的功能实现

四级梯度预警预控系统的功能实现流程图如图1所示。

图1 四级梯度预警预控系统功能实现流程图Fig.1 Flow chart of four-grade forewarning and preventive control system

1.1 周、日计划预警预控

周、日计划环节上的预警预控都需要根据电网基本参数、负荷预测数据、发电计划曲线、联络线交易计划曲线、输电断面稳定限额、机组和电网设备检修计划、新设备投运计划等数据和信息进行安全稳定计算校核，避免安全风险较大的计划运行方式，提供某些未来运行方式下计算后得到的预防性控制策略。

周计划环节预警预控工作需要根据下一周中每一日的电网结构和负荷预测情况，选取每一日峰、谷、平的电网数据（一周七天共21 个时间点）进行分析研究，主要工作包括：

1）在综合校验的基础上指导合理安排下一周各日重大检修、新设备投运等电网操作。

2）在考虑天气因素、节假日或保电要求对负荷影响的基础上得到负荷预测数据，对下一周各日的计划检修、新设备投运和开机方式进行静态和暂态安全校核，对设备和断面的稳定裕度进行评估。

3）根据评估结果，避免不合理的运行方式安排，对安排的检修工作提出需要关注的设备、极限及事故前的预控策略和事故后处理建议，提出无功设备投退、电网旋转备用留取、断面潮流控制等检修方式下的补强措施要求。

日计划环节上的预警预控根据日负荷预测的结果，针对日检修计划和临时运行方式安排，对每一日96 点（15 min 一个时间点）的电网运行数据进行分析研究。在预警分析和预控措施考虑方面的内容与周计划环节相似。周、日计划环节预警预控系统的界面如图2所示，包括计划校核流程、校核时间段的选择和结果框的内容。

图2 计划环节预警预控系统的界面Fig.2 Interface of four-grade forewarning and preventive control system planning part

计划环节上的预警预控功能由于系统平台的开放性，能够加入将投运的新设备进行建模分析，能够调取不同季节背景下系统大、小负荷的电网数据进行分析，使其研究态的功能对运行方式的考虑更具体，对大电网运行机理的研究与认识更深入，对运行方式和运行人员具有更广泛得分析和研究用途。

1.2 操作前预警预控

电网操作通过对设备的启停改变了电网的结构，电网的结构改变会对安全稳定运行的边界条件产生重要影响，因此在电网操作的过程中和操作后有必要对电网的运行状态变化进行分析计算和校核评估。操作前环节的预警预控工作就是要求当值调度员在日计划所安排的设备停电操作前，依据当前潮流水平和天气情况，应用预警预控系统对该操作任务开展评估工作。

四级梯度预警预控系统在操作前的应用是由当值调度员在操作前将当前电网数据送至研究态，在研究态模式下进行操作，将操作后的数据提交给四级梯度预警预控系统进行分析。四级梯度预警预控系统会根据电网拓扑的改变进行静态安全、暂态稳定、电压稳定、孤网风险及频率特性、短路电流、系统阻尼特性等分析。针对分析的结果，评价是否具备操作的条件，对于具备操作条件的操作明确网络结构变化后系统潮流及稳定水平的改变，并提供操作后的系统薄弱关节。

1.3 实时预警预控

河南电网安全可靠运行四级梯度预警预控系统在数据平台共享的基础上，发挥国网电科院和清华大学在电网稳定分析与控制领域多年的研究积淀和优势，提供了两套独立运行的系统，显示其部分功能的调度员应用界面如图3、图4所示，其能够反映主要的实时预警预控功能。

图3 四级梯度预警预控系统的调度员应用界面（国网电科院）Fig.3 Interface of four-grade forewarning and preventive control system for dispatcher (SGEPRI)

四级梯度预警预控系统的实时预警预控环节基本实现了以下功能：

1）以电网当前运行方式为数据来源，对预设的故障集进行静态、暂态、系统阻尼特性、电压和频率稳定性分析，对稳定性指标给进行量化和按危险程度大小的排序。

2）计算实时电网的断面功率稳定极限，并与断面实际潮流进行比较，按裕度进行危险程度量化排序，给出对应计算结果的严重故障。对超过或接近相应断面稳定限额的情况提示出告警信息，同时给出优化控制措施的建议。

3）电网网络拓扑分析功能。通过相应算法进行实时搜索，得到与主网弱联系的区域电网并给出出告警信息。

图4 四级梯度预警预控系统的调度员应用界面（清华）Fig.4 Interface of four-grade forewarning and preventive control system for dispatcher (Tsinghua)

4）根据电网实时数据，进行短路电流计算。

当值调度员根据实时预警预控的提示信息，结合电网的负荷发展情况和天气情况，提前进行预警预控工作：有针对性的要求相关供电单位对线路或变电站站内设备进行特巡，并提前做好相关事故预想和预案，同时采取降低断面（线路）输送功率、提高相关地区电压水平等稳定性补强措施。

2 主要创新性技术应用

2.1 多数据源的预报潮流与网络模型合并技术

预报潮流与网络模型合并模块位于整个软件系统的基层，为各种分析计算提供作为主要数据源的实时态和预报态电网潮流。四级梯度预警预控系统对电网潮流有非常高的技术要求，这源于四级梯度预警预控系统需要整合多个数据源的潮流模型，并形成计算需要的规划态、研究态、实时态的潮流基础。根据河南电网的实际情况，四级梯度预警预控系统需要从现有的EMS 系统实时数据库、节能调度系统、检修计划系统，以及华中调度数据平台获取相关数据，生成各种潮流模型，为后续的各种分析计算提供模型服务。同时需要系统具备添加新设备后在不同负荷背景下生成规划态潮流的功能。图5所示为多数据源预报潮流的模型/潮流数据流程。

实现多数据源的预报潮流的重要方法是负荷预测与母线分摊，即根据负荷预测结果，假设各母线的负荷变化率相同，即可用较简单的采用乘负荷增长因子的方法预报各负荷母线的注入功率。在母线注入分摊时，是基于一些假设条件进行的，然而这些假设条件实际上并不一定是完全合理的，这就导致预报态潮流计算可能出现不收敛的情况。此时就需要我们修正所预测的负荷功率注入，使得潮流计算收敛。由于本软件系统中潮流计算采用PQ 分解法，而电力系统中又存在着PQ 解耦特性，因此很容易就想到应当在潮流计算有功发散时，修改负荷有功注入数据，在无功发散时，修改负荷无功注入数据。

图5 多数据源预报潮流的模型/潮流数据流程Fig.5 Data flow chart for multi-resource forecasting load flow model

实现全网网络模型合并主要依靠多Qθ 节点的潮流计算技术。四级梯度预警预控系统的潮流计算模块将边界节点转换为Qθ 节点，通过计算得到外网潮流的灵敏度信息，并根据灵敏度信息以及各机组的出力情况和各负荷功率，调整注入功率的数值，使得最终边界节点的P，V和内网数据一致。

2.2 基于多代理的软件支撑平台技术

智能代理（Agent）是计算机科学和人工智能领域一个重要的概念。基于代理的系统研究方法代表了一种新的方式和途径，用于概念化、分析描述和实现复杂的现实系统，也是一种新的软件开发和系统建模模式。

为了构建基于Multi-Agent 的河南电网安全可靠运行四级梯度预警预控系统，研发人员首先开发了综合“Multi-Agent”与“集群计算”两大技术的WLGrid(Wide Logic Grid)框架。在开发阶段，该框架向具体功能Agent 的开发者屏蔽了分布式计算、异步通信、多任务处理等实现细节，使其专注于具体算法的实现，降低了Agent 的开发难度。在运行阶段，WLGrid 提供了一个Agent 运行平台，作为容器，装载不同功能的Agent，并为它们提供网络通信、进程间通信、计算资源定位、容错处理等服务，将集群内部的计算资源无缝连接起来，组成一台“超级计算机”，为预警预控系统中的各项功能提供高性能计算服务。

河南电网安全可靠运行四级梯度预警预控系统采用了“功能层、目标层、系统层”的三层软件架构，如图6所示。

图6 河南电网安全可靠运行四级梯度预警预控系统的三层多代理软件平台构架Fig.6 Triple-layer MAS software platform schematic diagram of four-grade forewarning and preventive control system for Henan power grid

2.3 预警预控系统的一些具体功能实现技术

河南电网安全可靠运行四级梯度预警预控系统的体系化建设，在设计上体现了调度运行生产全过程的系统学思想，在具体功能实现上又密切关注制约电网发展的实际问题。河南电网由于网架结构发展迅速，对短路电流问题和电磁环网问题一直非常重视，因此四级梯度预警预控系统在具体功能上进行了在线短路电流计算技术和电网运行薄弱性分析及孤网频率安全分析技术的有益尝试。

求解短路电流的方法是利用对称分量法实现ABC 系统与120 系统参数转换，列出正、负、零序网络方程，推导出故障点的边界条件方程，将网络方程与边界条件方程联立求解，求出短路电流及其他分量。可以进行指定范围内短路电流的扫描计算，将短路电流与断路器遮断容量进行比较，给出量化指标，同时计算短路电流与机组出力和线路的灵敏度。

河南电网安全可靠运行四级梯度预警预控系统采用了基于“找桥算法”的电网拓扑薄弱性在线分析方法。为实现电网拓扑薄弱性分析，找到网络结构中联系薄弱的线路，需要对深度优先搜索算法进行扩充，通过在遍历过程中节点的顺序编号以及最低顺序编号之间的关系，找到网络结构中的桥（桥的定义为：去掉该条线路后，即有孤岛出现）。该算法将图论知识同电网拓扑分析紧密结合，仅通过一次遍历就能对电网进行薄弱性分析，同以往拓扑分析算法相比，效率大幅提升，分析内容更加丰富。例如在如图7所示的某地电网实际接线运行方式下，潢川-蓼城线路跳闸，系统立刻提示系统出现桂园、蓼城变电站孤岛。

图7 某地电网实际接线运行方式Fig.7 Real operation mode of a regional power net

当前对孤网频率安全评估通常仅考虑机组或负荷的频率调节特性，未考虑故障后孤网中低频减载装置和发电机高周保护的动作情况。河南电网安全可靠运行四级梯度预警预控系统的评估技术采用等值后的孤网模型，模拟了孤网中低频减载装置及发电机高周切机的动作过程，从而同时计及了机组、负荷的调频特性和低频减载、高周切机保护对孤网频率的影响。

3 应用中的思考与启示

3.1 系统维护工作是良好应用的基础

河南电网安全可靠运行四级梯度预警预控系统2008年6月投入试运行以来积累了大量现场运行维护经验，而系统维护工作是保证良好应用的基础。由于EMS 的实时数据是内部电网模型的基础，当新设备投运时需要及时加入新设备模型并更新数据，否则系统的计算结果将有明显的错误。保证EMS 状态估计的准确率也十分重要，如果相关算法或模型不合理，无功平衡处理不好，错误的设备潮流和电压越限将会被报警提示，从而干扰调度员对电网状况的判断。现场数据采集单元RTU 故障或调试中产生的错误数据也会造成系统的误报警，因此现场RTU 故障或有调试、更换工作时需要应用人员与维护人员做好沟通，必要时可以采取短时人工置数的方式保证系统的正确计算。

3.2 在电网发展中解决预警预控系统发现的问题

在四级梯度预警预控系统的运行过程中会提示一些一般不易察觉的电网危险点，满足了系统设计建设时的要求。通过四级梯度预警预控系统的应用，使运行分析人员对电网的薄弱环节有了更清晰的认识，从而为通过运行方式调整和基建配合予以解决提供了基础。例如豫南电网某电厂2 台300 MW 的装机，当全厂机组总出力超500 MW 时预警预控系统提示电厂附近一条线径较细的220 kV 线路N-1事故过载，显示表明是由线径较细线路同一断面上一条线径较粗、输送功率较大的线路跳闸所致。实质上，此断面由多条线路组成，若线径较细的线路停运则任一线路跳闸不会有过载情况，进一步研究表明，此线径较细的线路与电网联系不够紧密，若剖接入相应变电站则不会再出现N-1 事故过载情况。由于发现这一问题正值电网用电紧张时期，因此为提高供电能力经常采用断开此线径较细线路的运行方式，后来用电紧张缓解时期便通过基建改接彻底解决了这一问题。

3.3 电网的快速发展对预警预控系统带来挑战

随着特高压交、直流输电和智能电网的快速发展，河南电网面临着电网新技术的巨大冲击。2011年末特高压交流输电系统南阳站主变已投运，十二五期间哈密、准格尔东的特高压直流输电将直馈河南，西北的风电也将通过交直流混联电网送入河南，河南电网的运行特性将更加复杂。特高压等级交直流输电系统和新能源电力的暂稳态特性、建模的合理性都有待深入的研究和验证，这些对四级梯度预警预控系统的计算分析和创新发展都提出了更高要求。

4 结语

本文介绍了四级梯度预警预控方法在河南的工程实践情况。结合河南电网安全可靠运行四级梯度预警预控系统的建设使用，详细介绍了系统的功能实现、创新性的技术应用和应用中的思考与启示。

河南电网安全可靠运行四级梯度预警预控系统实现了在周计划、日计划、操作前和实时四个时间梯度上递进环节的预警预控工作。在数据源与网络模型、软件平台构建技术和具体功能实现技术等方面体现了满足四级梯度预警预控系统高效、实用要求的创新性工作。应用中的思考与启示为四级梯度预警预控系统更好地应用与发展提出了方向。

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