智能电网在线安全稳定预警系统研究及应用

肖盛，王斐，唐玮，肖河，叶钟海

（1.国网江西省电力公司，江西南昌 330077；2.国网咸阳供电公司，陕西咸阳 712000；3．国网江西省电力公司经济技术研究院，江西南昌 330077；4．国网赣州市供电公司，江西赣州 341000）

智能电网在线安全稳定预警系统研究及应用

肖盛1，王斐2，唐玮3，肖河4，叶钟海1

（1.国网江西省电力公司，江西南昌 330077；2.国网咸阳供电公司，陕西咸阳 712000；3．国网江西省电力公司经济技术研究院，江西南昌 330077；4．国网赣州市供电公司，江西赣州 341000）

在线安全稳定预警与辅助决策是智能电网调度中不可缺少的技术之一。从全网实时数据生成、安全稳定预警与辅助决策3个层面来研究在线安全稳定预警系统的功能构建与应用模式。利用在线实时态及时发现电网运行中的薄弱点和风险点，并给出相应的辅助控制策略；利用在线研究态进行预想方式和应急方式分析，制定相应的事故处理预案，以大幅提高电网安全运行水平，降低大范围停电风险。实例仿真结果表明：调控运行人员可以全方位、不间断、全周期地监视电网运行情况，有助于实现电网安全稳定运行的实时监控；有助于发现各种运行方式存在的问题，并且有针对性地提出改进或预防措施。

智能电网；在线安全稳定预警；辅助决策；稳定裕度

随着特高压电网建设的推进和清洁能源的大规模消纳，大规模跨区互联电网电气联系日趋紧密，远距离输电断面间耦合关系更加复杂，安全稳定水平相互制约，资源优化利用与安全问题矛盾突出[1]。因此，迫切需要改变现有系统分析、计划校核和调度运行模式，推进稳定分析计算向更短周期、更加精细方向拓展。

传统离线方式下的仿真计算，主要用于电网规划研究、年度方式研究、检修方式安排和稳定控制策略研究等，且计算结果趋于保守，使电网运行效益降低，不利于提高电网输电能力。另外，在电网快速发展的过渡期，负荷快速增长、电网结构和潮流方式变化大、安全稳定特性变化快，迫切需要在线安全稳定预警技术，以实现电网在线安全评估及预警，及时发现电网存在的安全隐患，提出相应的预防控制措施，实现在线分析与离线分析一体化的综合智能预警。

文献[2-3]从电网综合防御框架的构成、统一数据平台的整合，介绍了在线研究成果；文献[4]介绍了具有智能化特征的安全稳定分析和控制决策技术在电网运行管理中的应用；文献[5-6]分别介绍了美国PJM、加拿大BC输电公司在2003年美加大停电后在在线安全稳定分析与控制决策技术取得的可观成果，但是其离工程化和应用化水平还有一定的距离；文献[7]也探讨了在线动态安全分析在电力系统中的应用，但是还缺乏在线预警与离线分析功能紧密结合、专门针对调控运行人员的在线安全稳定预警实用系统。本文详细介绍了在线安全稳定预警系统的功能模块组成及实现，基于全网实时数据，实时扫描电网的薄弱环节，对电网运行风险进行实时预警并给出相应的辅助决策，能大大降低电网运行风险，并利用研究态模式对电网进行预想方式风险和电网应急状态风险分析、安全计划校核等，取得了良好的效果，为电网安全稳定运行提供有效保障。

1 系统简介

在线安全稳定分析及辅助决策系统属于智能电网调度技术支持系统D5000实时与监控类应用的一个重要模块，系统建设遵循“统一分析，分级管理”原则，包含实时态和研究态2个模块，采用统一计算数据，各级调度负责调度管辖电网内的安全稳定分析任务，分析结果实现全网共享[8-10]。同时，根据需要开展在线联合分析工作。

实时态模块在线跟踪电网实际运行情况，每15 min定期对电网运行展开6大类计算分析和预防控制决策支持（静态安全分析、暂态稳定分析、小干扰稳定分析、短路电流分析、静态电压稳定分析、稳定裕度评估分析），实现电网安全稳定性的可视化监视和在线辅助决策，向调度运行人员提供当前运行方式下的电网预防控制措施方案，给出稳定极限和调度策略，保障电网安全稳定运行[11]。

研究态模块则是选择调度运行人员关心的断面数据，对系统存在的静态、暂态以及动态等问题作详细研究，寻找系统静态、暂态、动态等安全稳定问题的成因，研究解决问题的根本方法，达到在当前运行状态下优化系统运行、提高系统安全、稳定和经济运行的目的。

2 全网实时计算数据整合

数据整合功能模块根据电网运行数据、设备参数和实时数据，形成准确合理的电网运行工况，为各类稳定分析应用提供在线整合潮流数据。在线数据的形成过程：

1）各省市将各自的实时数据上传至分中心，其中实时数据包括设备拓扑连接关系、投运状态、运行方式、实时遥信和实时遥测等。

2）分中心对各省市调上传的数据进行汇总，对模型中存在的拓扑、量测错误反馈回省市调，进行模型校验后形成最终模型，并将模型上传至国调。

3）国调整合形成全网实时潮流数据并进行状态估计，以5 min为周期传送至国调的在线分析系统。

4）国调将全网实时运行数据（含静态模型）与系统运行专业提供的动态模型及参数进行整合，形成在线分析数据；同时国调将电网实时运行数据下发至各分中心。

5）各分中心将国调下发的全网实时运行数据与系统运行专业提供的动态模型及参数进行数据整合，形成本地在线分析所用数据，同时将全网实时运行数据下发至各省市调。

6）各省市调将上级下发的全网实时运行数据和系统运行专业提供的动态模型及参数进行数据整合，形成本地在线分析所用数据。至此，全国同步电网在线数据全部形成。

3 在线安全稳定预警系统指标模块

3.1 基态安全分析

基于当前电网或研究态电网的运行数据，对系统中所有元件进行潮流分析，确定在基态潮流下系统是否存在电压越限母线、过载或重载设备（线路、变压器、母线和断面）。

采用成熟的潮流计算技术，潮流计算程序中使用的算法是PQ解耦法提供初值，再转入牛顿—拉夫逊法求解，从而保证潮流计算程序具有良好的收敛性。3.2 静态安全分析

基于当前电网的运行数据，对系统中所有元件进行静态N-1开断或指定预想故障集进行开断潮流分析，确定在静态N-1故障条件下或指定预想故障集过后系统是否存在过载的线路/变压器和越限的母线等。静态安全分析假定故障后系统再次进入稳定状态，对其进行交流潮流计算，并根据潮流结果评估各监视设备的过载情况，它是传统静态N-1故障条件下的静态安全分析的延伸。

对基态潮流文件进行各类控制装置的处理、负荷模型转换和发电机无功处理等。根据静态故障表生成故障后的潮流文件，进行交流潮流计算，从而得到设备过载和电压越限评估结果。为了进一步提高计算速度和收敛性，采用故障前的节点电压和相角作为潮流计算（采用牛顿—拉夫逊法）的启动初值。

3.3 静态稳定分析

针对指定联络线或联络断面，采用实用算法，求得输电线路或断面静态功角稳定极限。再由指定联络线或联络断面的静态功角稳定极限和基态传输功率，求静态功角稳定储备系数。根据稳定计算导则规定的静态稳定储备标准，由静态功角稳定储备系数与静态稳定储备标准值的差，给出静态功角稳定分析预警输出信息。

3.4 暂态稳定分析

暂态稳定分析包括暂态功角、暂态电压和暂态频率分析。通过对仿真曲线进行数据挖掘，给出每个预想故障的暂态功角稳定裕度和主导模式、暂态电压和频率安全稳定裕度和主导模式，为调度员提供在线监视暂态电压和频率安全稳定水平的手段。

3.5 动态稳定分析

动态稳定分析分为小扰动动态稳定计算和大扰动动态稳定计算。小扰动模式分析根据电网实时运行状态、模型和参数进行小扰动稳定性分析，给出当前运行方式下系统存在的低频振荡模式，并给出阻尼比、振荡频率和参与元件等信息。大扰动阻尼安全评估根据电网实时运行状态，分析电网的阻尼特性，对于振荡模式中阻尼裕度不足的故障给出相应的告警提示。

3.6 静态电压稳定分析

针对在线潮流断面，对电压稳定进行评估，依据预先设定及人工提交的断面数据、各设备动态参数（考虑与电压稳定性密切相关的动态元件特性，包括有载调压变压器（ULTC）、发电机定子和转子过流限值、过励和低励限值等），求取正常方式或故障后方式的电压稳定性。

一般采用PV曲线技术分析静态电压稳定性。PV曲线技术是一种实用的静态电压稳定分析方法，它通过建立监视节点电压和一个区域负荷或断面传输功率之间的关系曲线，从而指示区域负荷水平或传输断面功率水平导致整个系统临近电压崩溃的程度[9-11]。

3.7 稳定裕度评估

根据稳定分析结果，在满足静态稳定、暂态稳定、动态稳定和电压稳定等稳定约束的条件下，计算电网调度计划和调度操作校核断面的稳定裕度（极限功率）。

稳定裕度评估应用主要包括静态稳定裕度评估、暂态稳定裕度评估、动态稳定裕度评估和电压稳定裕度评估等4方面的功能。稳定裕度评估应用功能模块及数据逻辑关系见图1。

图1 稳定裕度评估流程Fig.1 Flow chart of the stability margin assessment

3.8 调度运行辅助决策

根据在线安全稳定分析应用的预警信息，综合利用稳态、动态数据，针对电网当前运行中存在的故障越限或隐患，分析可调设备，确定满足多类稳定约束的调度辅助策略，消除或缓解电网实时或预想故障后的越限、失稳等异常情况，为电网的安全运行提供前瞻性的调整策略支持。

调度运行辅助决策应用主要包括暂态稳定辅助决策、动态稳定辅助决策、电压稳定辅助决策、静态安全辅助决策、紧急状态辅助决策和辅助决策综合分析6个功能模块。调度运行辅助决策功能模块及数据逻辑关系见图2。

综合分析各类安全稳定分析辅助决策信息，对静态安全辅助决策、暂态稳定辅助决策、动态稳定辅助决策、电压稳定辅助决策和紧急状态辅助决策的信息进行汇总和评价，综合处理不同种类辅助决策信息，最终得出统一的辅助决策。

图2 调度运行辅助决策流程Fig.2 Flow chart of the online auxiliary decision-making

4 算例分析

本文选取江西电网赣州断面某时刻的实时运行数据进行预想故障分析。赣州断面由2条同杆并架500 kV线路和4条220 kV线路组成，如图3所示，当时赣州区域电网用电负荷约为1 500 kW，其中受电1 100 kW，故障集中设置500 kV文赣双回线同跳时，对赣州受电断面进行仿真分析，仿真结果如表1所示。表1中给出了暂稳计算结果、静态电压计算结果、小干扰稳定计算结果以及断面裕度评估结果，如出现越限情况则以红色警示调度运行人员,并给出相应的调度辅助决策供调度运行人员参考。

图3 赣州地区电网地理接线图Fig.3 Geographical wiring diagram of Ganzhou power grid

表1 仿真分析结果Tab.1 The simulation results

由表2可知，500 kV文赣双回线同跳后，受电潮流全部转移至其余4条220 kV线路，导致部分线路过载甚至重载。另外，500 kV文山变主变也出现严重过载，此时若系统稳控未动作切负荷，辅助决策给出应立即对赣州地区进行拉限负荷，同时增加区域内机组出力，降低过载设备潮流；另外由表3可知，故障后赣州区域电压跌落严重，影响系统安全稳定运行，辅助决策给出应对各变电站容抗器进行投退，同时增加机组的无功出力。

表2 设备过载裕度Tab.2 Power equipment overload margin

由表1中仿真结果可知，故障后区域电网内无暂态稳定问题，系统的暂态功角、暂态电压、暂态频率均有较高的稳定裕度。图4给出了文赣双回线跳闸后，赣南区域内部分机组的功角、部分母线电压以及系统频率的暂态过程仿真结果。由图4可知，线路跳闸后，机组功角、母线电压以及系统频率都会出现短暂的突变，之后又逐渐恢复至正常范围内，说明故障后系统暂态过程稳定。

如图5所示对比了赣州受电断面静态稳定极限结果，系统经过计算得出的静态稳定极限为923 MW，而系统运行处给出的静态稳定极限控制值为1 350 MW，其中含有320 MW的稳控切负荷量，两者相差约100 MW，基本符合运行精度要求，具有一定的实用价值。

表3 静态电压分析结果Tab.3 The results of static voltage analysis

图4 故障后暂态稳定仿真曲线Fig.4 The transient stability simulation curve after faults

图5 静态稳定断面极限分析Fig.5 Static stability limiting value analysis

5 结语

本文构建的具有强自适应能力的在线安全稳定预警及辅助决策系统，将成为电网安全稳定运行必不可少的支柱。调控运行人员可以全方位、不间断、全周期的监视电网运行情况，有助于实现电网安全稳定运行的实时监控；有助于发现各种运行方式存在的问题，并有针对性地提出改进或预防措施。这对提高电网调度的安全性和经济性具有重要意义，为调度运行部门提供一种有效的、快速的、可靠的分析评价手段；也为实现由倒闸操作与运行控制并重的经验型调度向电网安全分析决策的科学智能型调度转变，实现调度业务转型升级，提供了坚实的基础。

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（编辑 董小兵）

Research and Application of Online Security Early Warning System for Smart Grid

XIAO Sheng1，WANG Fei2，TANG Wei3，XIAO He4，YE Zhonghai1
（1.State Grid Jiangxi Electric Power Company，Nanchang 330077，Jiangxi，China；2.State Grid Xianyang Electric Power Company，Xianyang 712000，Shaanxi，China；3.State Grid Jiangxi Economic Research Institute，Nanchang 330077，Jiangxi，China；4.State Grid Ganzhou Electric Power Company，Ganzhou 341000，Jiangxi，China）

Online security and stability early warning and decision making are indispensable technologies in the smart grid dispatching.This paper presents studies on the function construction and application model of the online security and stability early warning system from the following three aspects: the real time data generation，security early warning and auxiliary decision making.The online real time function is used to find out the weak points and risks and the corresponding auxiliary decision-making strategies are given；and the expected state and emergency state can also be analyzed by the online research function，and the accident control strategies can be prepared in advance，and the safe operation of the power grid can be greatly improved and risks of widespread power blackouts be reduced.The simulation results show that using the system proposed，the control and operating personnel can monitor the power grid in the full-scaled，uninterrupted，and full life-cycle way，and the strategies proposed help to realize the real-time monitoring of the safe and stable operation of the power grid；help to find existing problems in all kinds of operation modes，and put forward improvement or prevention measures.

smart grid；online security pre-warning；auxiliary decision-making；stability margin

国家高技术研究发展计划（863计划）资助项目（2011AA05A105）。

Project Supported by the National High-Tech R&D Program（863 Program）（2011AA05A105）.

1674-3814（2016）08-0023-06

TM712/TM77

A

2016-01-23。

肖 盛（1986—），男，硕士，工程师，研究方向为电力系统安全稳定与控制。