基于多层次指标体系的电网综合态势感知体系架构设计

李峰，王珂，徐鹏，潘玲玲，李卫东，杨胜春

（1. 中国电力科学研究院，江苏 南京 210061；2. 大连理工大学，辽宁 大连 116000）

电网态势感知是掌握电网运行轨迹的重要技术手段，指在一定的时空范围内，认知、理解影响电网运行变化的各类因素，力求准确有效地预测电网的安全态势，使得电网的安全管理从被动变为主动。而构建指标体系，对庞大的电网运行信息进行提取和归纳，是表征电网运行轨迹的有效方法。

现有调度自动化系统有着大量的监测数据，并且也提出了许多监测指标。每个指标重点关注电网运行的某一方面（安全性、脆弱性、风险性、经济性等），缺乏统筹各方面因素来形成反映电网运行总体情况的顶层综合指标。因此，需要基于目前已有的表征电网运行状态的各类单一指标研究成果，建立起全维度多层次电网运行轨迹指标体系，解决“电网正在发生什么，发生了什么，为什么发生，将要发生什么，希望发生什么”等问题。该体系中的总体指标由各分类指标信息聚合而成，能够直观地反映未来一段时间内电网运行轨迹的变化趋势。分类指标的时序图是某一具体视角上的电网运行轨迹，总体指标的时序图是全局视角上的电网运行轨迹。

近年来，国内外学者在态势感知和指标体系上开展了较多研究。文献[1]提出了调度系统的态势感知，期望能够准确有效地预测系统的安全态势，将对电力系统的安全控制由被动变为主动。 文献[2-4]通过多指标从安全供电能力、静态电压安全性、拓扑结构脆弱性、暂态安全性、风险性5个方面构建了电网安全评价指标体系。文献[3]选取负荷增长、网架完善、安全供电、经营效益和社会效益5个指标作为配电网项目评价的主要指标。文献[4]从农村电网和城市电网的可靠性计算角度提出全网供电可靠性指标的合成方法。文献[5]基于调度员思维模式，以当前态、发展态、能力态、可控态、评估态5个方面建立电网指标体系，其构建思路很值得借鉴。文献[6]从电网运行指标对系统运行的影响角度出发，将指标分为系统特性类指标、优化控制类指标、故障评估类指标、二次支持类指标、操作环境评估类指标、外部环境类指标6类。文献[7]归纳分析国外电力系统基于态势感知的研究与实践，重点提出了态势感知技术中的可视化、预警和决策支持理念对于智能电网建设、电网安全稳定运行的重要作用。文献[8]提出构建基于态势感知的自动智能调度体系架构。但上述文献没有考虑如何提出态势感知技术如何与指标体系相融合，并借助于实际调度系统上发展综合态势感知技术。

本文将在分析现有电力系统运行规程、规范，以及现有监测指标的基础上，提出全维度多层次电网运行轨迹指标体系，然后依赖于现有调度自动化系统D5000[9]的平台功能、电网模型、实时数据、应用模块等已有的基础，提出基于指标体系的电网综合态势感知体系架构设计。

1 指标体系

1.1 指标体系构建原则

指标体系构建的依据之一即为SMART准则。本文对其5项具体要求的内涵进一步地解读。S对应着指标体系应具有明确的物理意义；M对应着指标体系中子指标应具有可测量性、可计算性；A对应着指标体系在技术上的可操作性、成本上的可实施性；R对应着指标体系应具有相关的应用背景；T对应着指标体系中子指标应计算、展示快速，具有一定的自适应性。

调度管理规程、技术导则、事故处置条例等是专为调度人员而形成的操作规范，体现了实际调度需求，且历经多年实践检验，若以上述规章制度为源，辅以特定电网的调度管理经验，有利于保证所设计的运行状态指标体系架构的有效性与实用性。另外调度员在工作中针对特定电网固有特征的调度管理经验，以及对具体问题的处理方式，对指标体系的构建具有重要的参考价值。

1.2 指标体系

诸多调度管理规程或办法中均在总则的第一条或第二条中提到电网运行要求“安全、优质、经济”。这是对电网整体运行性能的一贯要求，因此本文将此确定为一级指标，定位于系统整体运行性能的总体评价。

1.2.1 安全性能指标设计

安全性能指标定位于对反映运行状态的不同侧面进行评价。参阅调度管理规程或办法，相应内容主要包括：新增与检修计划、有功电力电量平衡与发电计划、无功电压和网损管理、电网结构及运行结线方式、系统短路容量、N-1静态安全分析和静态电压稳定分析、系统稳定分析及安全约束等。

1.2.2 优质性能指标设计

根据国家对电网质量指定的标准，《供电电压允许偏差》、《公用电网谐波》、《三相电压允许不平衡度》、《电力系统频率允许偏差》、《电压允许波动和闪变》、《电冶允许波动和闪变》，以及围绕电能质量的不同侧面，本研究设计的优质性指标为频率质量指标、电压质量指标，以及连续供电质量指标。

1.2.3 经济性能指标设计

电力系统运行的经济性是指在满足安全和一定质量要求的前提下，尽可能提高系统运行的经济性，即合理地利用现有的能源和设备，以最低的燃料耗量和运行成本，对用户进行可靠而满意的供电。

本文将系统的经济性能指标分为发电成本指标与输电成本指标。

最后形成的三级指标体系如图1所示。

2 综合态势感知设计

2.1 总体设计

电网综合态势感知系统在感知电网实时轨迹和未来时刻发展变化轨迹时，需要从电网安全、优质、经济等方面来计算大量的电网实时安全指标和未来风险指标，指标计算需要有完善的电网模型、设备参数、电网实时运行方式，以及与指标体系相对应的指标计算应用。现有D5000系统以大量应用模块，从不同的视角反应了电网运行状态，能够为综合态势感知的指标计算提供大量可用的基础指标值或指标计算用的数据。基于D5000系统以已有的数据和功能来实现综合态势感知系统，可以节省大量的人力物力，也能够保障综合态势感知系统的有效开发和落地应用。

图1 指标体系结构图Fig. 1 Index system structure

综合态势感知系统需要灵活地从D5000系统获取所需的各类实时数据，而且可以统一调用D5000系统各应用模块来完成期望的各类指标计算。尽管D5000系统在设计时已经采用了面向服务架构（SOA）设计[10-11]，也为各个应用模块制定了应用功能规范，提出了应用模块的输入、输出、功能的规范。但D5000系统的各个应用模块相对独立，可互操作性相对较差，无法适应综合态势感知的需求。

面向服务架构（SOA）是为实现企业能够快速应用已有的服务构建新的业务系统而逐渐兴起的。SOA将企业中的各个业务功能转化为服务，服务之间满足松耦合并且可以重用和组合。服务接口采用标准化的接口设计，服务之间采用标准化的通信方法，使得企业能够快速应用已有的服务构建新的业务系统；同时为解决大量的应用服务需求，计算机界已普遍采用了并行计算平台来给大量的业务需求提供可扩展、可伸缩的并行计算服务。而且在D5000系统的设计和开发时已经引入了SOA架构和并行计算平台[12-13]，应该说在一定程度上为实施综合态势感知业务提供了基础。但仍需要充分利用D5000系统采用的面向服务架构（SOA）技术和并行计算平台技术来对现有应用模块从2个方面进行改造和完善。

1）遵循SOA规范改造现有应用模块。从计算需求和应用功能规范出发，针对每个应用模块应用SOA设计方法，为每个应用模块制定服务接口。应用模块通过SOA机制，服务注册、服务发布对外提供统一服务，使得综合态势感知来调用应用模块提供的服务来完成某项计算。

2）扩展D5000系统的并行计算平台应用范围。目前并行计算平台主要服务于安全校核、在线安全预警，其他应用均没有部署到并行计算平台。并行计算平台需要为其他各类应用模块提供计算服务。通过并行计算平台提供服务调用代理，能够接受客户端调用请求，创建并分配服务所需计算资源，创建服务实例。

通过充分利用D5000系统采用的面向服务架构（SOA）技术和并行计算平台技术来对现有应用模块进行改造和完善，这样不仅能够延续现有D5000系统的要求，而且能够适应综合态势感知的计算需求，图2是D5000环境下的综合态势感知体系架构示意图。

图2 D5000系统下综合态势感知实施方案图Fig. 2 The schema of comprehensive situational awareness based on D5000 system

图2中，第一部分是D5000系统实时数据和基础指标计算。通过SOA和并行计算平台实现D5000数据资源、应用计算服务的统一管理，为电网运行轨迹提供实时数据和基础指标数据。第二部分是电网综合指标计算，通过分析基础指标的关联关系，实现综合指标的计算，并且能够计算实时、未来时刻电网运行轨迹。

2.2 实时数据和基础指标计算服务

在为综合态势感知提供实时数据和基础指标计算服务中，可以分为3块内容，一是实时电网运行态势的监测，主要是指以往常规的电网运行状态监测，需要的计算量较少；二是计及外部环境的设备故障概率计算服务，主要是分析外部环境信息，结合电网的地理信息，设备状态监测信息，计算和评估电网中设备健康程度，计算设备的故障概率模型，为后续风险分析提供参考数据；三是从不同视角开展电网分析计算，包括静态安全、暂态安全、动态安全等多方面大量计算。

2.2.1 实时电网运行态势的监测

实时电网运行态势的监测主要是指SCADA、AGC、综合智能告警信息提高的电网运行状态，可以实现各类应用的SOA封装，提供服务的订阅发布功能，为指标计算和运行状态提供数据，主要包括监测电网当前运行的潮流方式、频率、电压、告警、负荷快速爬坡、故障事件、ACE等。具体到每个应用而言：

1）AGC系统能够提供的数据有AGC运行分析和考核指标等信息，包括AGC 投运率、A1/A2 或CPS1/CPS2 性能指标、AGC 调节备用容量、频率和联络线交换功率的合格率等；量测数据异常告警、区域控制异常告警、机组控制异常告警等。

2）SCADA系统能够提供的数据有实时数据、历史数据、一次设备运行信息、稳定断面监视结果、备用监视结果等；一次设备故障跳闸、一次设备过热稳定越限、系统频率越限、厂站电压越限、断面潮流越限等。

3）状态估计能够提供的数据有母线电压、机组/负荷功率、线路/变压器功率、变压器分接头位置、电流、频率等；电网运行方式数据;断路器/刀闸的开/合等电网运行状态数据等。

2.2.2 计及外部环境的设备故障概率计算服务

重要输变电设备的随机停运会引起系统潮流转移，而恶劣的气候环境和过负荷等条件又导致元件故障概率的增加，最终会酿成大停电事故。造成系统设备故障的因素可以分为以下4类：

1）与设备自身健康状态相关的因素。设备自身的健康状况的良好程度是影响设备故障概率高低的重要因素。可以基于长期可靠性评估中设备的稳态故障概率来考虑设备自身健康状态。

2）与系统运行条件相关的因素。运行状态的恶化（如过流）会导致设备发热量增加，进而导致设备停运；当电流、频率、电压升高或降低到保护整定值时，设备的保护装置动作，设备跳闸退出运行的概率增加。因此，在设备瞬时故障概率模型中需要考虑电力系统运行条件的影响。

3）与外部环境相关的因素。电力系统运行经验和元件故障分析表明：设备的故障与其对应的外部环境密切相关，如在雷雨、台风、飓风、冰雪等一些极度恶劣的天气条件下，设备的故障概率大大增加。需要依据考虑外部环境预测信息来计算设备故障概率也是十分必要的。

4）其他相关因素。除了上述故障因素，导致设备停运的因素还有人为操作不当，设备维护不当，保护动作误动作等。对于这些因素，由于其随机性较大，无法用已有的模型进行表示，因此在以往的研究中，将涉及这些因素的设备可靠性参数取为常数，由历史统计数据得到。

本环节可以改变现有调度系统分析主要是基于确定性模型的现状。随着电网电源、负荷、输电等多个环节的不确定性因素增强，基于不确定性模型的电网发展趋势风险评价方法能够实现电网运行风险的提前预警，提升电网抵御可能风险的水平，有效降低连锁故障发生的几率。

2.2.3 电网运行态势的分析计算和风险评估服务

电网运行态势的分析计算和风险评估服务可以为指标计算提供计算服务。将诸如潮流计算、静态安全分析、静态电压稳定计算、暂态功角计算、暂态电压稳定、动态稳定计算、风险评估计算等应用模块部署在并行计算平台，由并行计算平台统一管理各应用模块服务实例创建、计算资源分配。所用应用模块采用请求响应模式服务对外提供计算服务。各应用模块服务接口请求的输入数据采用E格式提供，包括设备参数、电网模型、故障集数据、运行方式。服务接口输出数据也采用E格式文件。

根据指标计算的需求，采用D5000系统的服务总线功能定义了几个应用模块的SOA服务，如表1所示。

2.3 综合指标计算

综合指标分析是指多个下级指标采用一定的聚合顺序和聚合权重，合成少量的上级综合指标，以期能够通过更少的指标就能综合反映多个下级指标要素。电网运行轨迹的综合指标用于评估实时电网状态和未来发展趋势，能够减少无关信息对电网调度员思维的干扰，使调度员能够集中精力关注于表征电网运行轨迹的评价指标，依据评价指标把握电网运行态势，有利于提高电网控制的精准度和效果。

本文提出指标体系中各类分项指标的计算方法均采用度量当前状态值距离临界值的远近程度，使得无需再进行各指标的一致化和无量纲化处理。电网处在正常情况下时，电网各项基础指标的当前状态值应小于临界值，即指标值结果均小于“1”，而当电网当前状态指标超过临界值时，指标值会超过“1”，此时电网不安全，需要采取措施，指标值超过安全门槛“1”的范围越大，电网越不安全。分项指标定义方法见式（1）。

式中，Xi为第i个设备的度量值；Xi，limit为第i个设备度量值的限制；Tj为第j个分项指标。依据此原理可以定义线路热稳定裕度指标、变压器负载率裕度指标、断面传输裕度指标、电压偏差率指标等一系列指标的计算公式。

为实现指标的聚合，需要确定不同指标的重要性，将重要性采用指标权重值进行反映。指标权重是一个相对的概念，是针对某一指标而言，某一指标的权重是指该指标在所有考核指标中的相对重要程度。指标的聚合需要采用合理的数据挖掘技术或专家经验指导方法，发现子类指标关联关系，选择合适的子类指标进行聚合，形成父类综合指标。而且父类综合指标的量化值需要由子类指标的量化值聚合而来，本文采用常用的层次分析法来确定子类指标的权重。

表1 应用模块的SOA服务接口设计说明Tab. 1 The description of the SOA interface of application

同样，通过各项基础指标聚合得到的电网安全综合指标也以“1”作为安全临界值。需要注意的是，如果分项指标超过“1”，需要有相应逻辑保证综合指标在聚合各分项指标后，其值也大于“1”，否则运行调度人员无法捕捉到电网正在发生或者即将发生的安全问题，可能会因为处理不及时进一步导致更加严重的电网安全事故。如果仅仅采用层次分析法确定分项指标权重进行聚合，很有可能聚合出来的综合指标值会湮没分项指标值超过“1”的情形。因此本文提出了基于层次分析法的基础上，并对于分项指标超过1时采用变权重惩罚机制，来确保综合指标也会超过1，进而来凸显电网的薄弱点。

3 算例

根据本文提出的综合态势感知体系框架，在某省级D5000系统上开发了原型系统，选取了指标体系中的线路热稳定裕度LPFI、变压器负载率TPFI、断面传输裕度WPFI、频率偏差FDI、电压偏差率EVDI、有功旋转备用SRCI、N-1开断分析SCAI、静态电压稳定VSMI、短路电流SCCI、负荷变化率LFI等多个指标，利用D5000系统提供的24个具有不同负荷水平的断面进行指标计算。计算结果可见表2。为了更清晰地看出基础指标和综合指标的关系，将其中变化较大的线路热稳定裕度、断面传输裕度、静态电压稳定、负荷变化率、综合指标曲线图绘制在图3。通过图3可以看出，各基础指标决定了综合指标的值。虚线圈1中，各项基础指标都在相对的峰值，所以综合指标值也相应地在峰值。在虚线圈2中，LPFI指标在峰值点，而LFI指标在峰谷点，两者叠加，综合指标曲线较为平坦。在虚线圈3中主导系统稳定的越限WPFI指标，使得综合指标飙升到1.4以上，充分体现了以1为安全分界点原则。

通过算例可以看到，本文提出基于指标体系的综合态势感知计算能够有效的应用于D5000系统，提升D5000系统对电网感知能力。

表2 仿真断面的指标计算结果表Tab. 2 The result of the index system of the test cases

图3 仿真结果指标曲线图Fig. 3 Index curve based on the result of simulation

4 结语

本文内容以实现电网全维度的态势感知为目标，构建体系安全、优质、经济等方面的全维度多层次指标体系，然后结合最新的智能电网调度技术支持系统D5000的特点，提出了利用面向服务架构技术和并行计算平台技术，在D5000运行环境来实现综合态势感知的方法。在充分共享D5000的数据和计算服务基础上，可以有效开展综合指标计算、可视化展示和安全预警，是行之有效的基于指标体系的综合态势感知体系，能够提升调度员对电网的感知能力。

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