基于动态建模技术构建输电网运行方式校核系统的探索

唐涛南 刘海林 王 卫 王腾飞

基于动态建模技术构建输电网运行方式校核系统的探索

唐涛南1刘海林2王 卫1王腾飞1

（1. 国网北京市电力公司，北京 100031； 2. 东方电子股份有限公司，山东 烟台 264001）

本文介绍一种基于动态建模技术构建输电网运行方式校核系统的思路和方法，旨在为电力企业的方式人员提供一套智能化的校核工具，通过对实时或假想中的电网进行动态模拟建模、自动校核和辅助决策，经历一次或多轮次的校核和优化迭代，实现对实时电网的运行方式及设计中的电网改扩建方案的快速验证，从而显著提高电网设计工作的科学性、准确性、经济性，降低设计风险，提高电网投资的效益。

输电网；动态建模；辅助决策；自动成图

0 引言

通过支持广泛的用户互动，为电力系统提供足够的灵活性、实现个性化的用户服务，成为未来智能电网发展的必然要求[1]。大型电力企业每年都要针对输电网进行与迎峰度夏、安全度冬、保供电、设备检修相关的大量设计校核工作，这些工作专业性强、工作量大、易出错，对相关人员的要求很高。电网分析校核软件有很多，目前国内主要采用电力系统潮流及暂态稳定分析程序（Bonneville power administration, BPA）、电力系统分析综合程序（power system analysis software package, PSASP）、电力系统仿真软件（power system simulator for engineering, PSS/E）等，它们成为目前电网运行分析的重要工具[2]。然而，这类软件大都是离线分析软件，需要人工准备大量数据，并进行一系列配置才能使用。其中，PSS/E需要使用者具备一定的编程基础，PSASP的数据准备需要耗费大量时间，对专业知识要求也较高。目前，虽然有一些文献对输电网的在线校核进行了研究，比如文献[3]阐述了基于实时测量系统的可靠性评估系统的整体架构设计，并着重讨论了系统算法和用户接口设计，但电网的调控仍面临以下几个迫切需要解决的问题：

1）如何在线发现实时电网正常运行及-1情况下电网的薄弱环节并给出合理的安全调整策略。

2）如何准确识别用电负荷及电网结构变化可能导致的电网风险并给出应对措施。

3）对电网设计方案进行模拟，对未来的实施效果提前进行仿真校核。

1 需要解决的问题

通过建设输电网设计与校核系统，可实现输电网的在线实时校核及安全调整辅助决策，辅助方式人员进行电网的改扩建，实现相关工作的自动化、专业化、可视化。为此，系统需要提供如下主要功能。

1）构建校核基态并实现免维护

构建一个实时电网校核基态，定期自动从能源管理系统（energy management system, EMS）导入实时输电网模型、图形及负荷数据，构建并自动维护一个随时可用的实时电网断面，作为设计和校核任务的基础。

2）构建一个多任务并行的校核管理平台

校核管理平台为多个并行的设计或校核任务提供互相隔离的全生命周期管理，提供设计工作所需要的绘图、建模工具，提供运行方式调整、用电负荷调整、备自投策略调整、校核结果展示、辅助决策方案展示所需的界面。

3）提供全场景的智能校核引擎

校核引擎负责对各种应用场景下的电网运行方式进行电网承载力分析，对重过载设备给出负荷转供辅助决策方案；根据电网运行方式自动动态匹配备自投策略，对-1情况下的电网承载力进行校核，对不满足-1的设备给出原因及安全调整辅助决策方案。

4）对分析结果进行可视化展示

提供一套自动成图组件，实现设备供电范围、-1波及分析、重要用户供电电源分析的自动成图，以直观展示分析校核结果。

2 关键技术

为实现上述建设目标，需重点解决如下关键技术。

1）异构的存量模型校验及增量扩展技术

传统上，输电网的模型由EMS维护，其站内的主变、母线、开关、刀开关等设备的模型是完备的，但站外的线路段模型往往不完整，可能只包含部分线路段，而线路段往往会成为供电路径上的最小载流元件，其模型的完整性和准确性会直接影响校核结果。因此，基于第三方异构模型构建完整、准确的输电网模型是一切校核工作的基础，需要进行如下技术研究：①从EMS导入输电网模型和图形，并进行图模质量校验和异构模型转换；②以转换得到存量模型为基础，对缺失的线路段模型快速实现补充建模；③提供简捷、可视化的手段为处于设计中的假想电网快速建立模型。

2）基于差异模型的电网运行方式自动校核和辅助决策技术

电网运行方式校核的需求可能来源于检修计划、用电需求、电网设计等各种场景，需要能够基于历史模型、现时模型、未来模型（假想中的改扩建模型）等不同时期的电网模型进行校核。根据校核目的的不同，能够设置多种场景、多种计算条件，同时执行多个校核任务。

另外，针对校核结果可以优化的运行方式，需要能够自动给出方式优化辅助决策建议。

3）基于动态备自投策略的-1电网安全分析技术

当设备的备自投策略有多个时，需要能够根据电网实时状态，自动选择适配的备自投策略，模拟-1发生时因设备开断和自投开关动作导致的电网结构改变和负荷转移情况，并做潮流分析，基于重构的电网和负荷模型对主变和线路段进行校核，自动给出过载设备的负荷转供方案。

模拟备自投动作时，需要综合考虑备自投的时序性、均分性等特性。

为了提高校核的速度，需要能够基于基态模型，根据设备开断和自投开关动作情况动态重构局部模型并实现局部拓扑。

4）自动成图技术

根据业务场景需要，对校核结果数据进行有序组织，实现在线的动态自动成图。需要考虑的成图场景包括-1负荷转供态势图、供电路径溯源图、供电范围拓扑图等。

3 实现思路

3.1 主要流程

图1为系统需要实现的主要流程。

图1 系统主要流程

3.2 关键技术实现

1）提供图模一体的电网建模及校验工具

文献[4]描述了根据变电站系统配置描述文件（system configuration description, SCD）实现变电站内模型扩展的技术方案。文献[5]研究了基于IEC 61970系列标准中的公共信息模型（common information model, CIM）实现电网建模系统的设计方案。基于CIM的电网模型互操作研究和实践都已比较成熟，本文重点关注如何在导入的第三方电网模型的基础上补充运行方式校核所必需的线路段模型。解决方案是，提供一个图模一体的图形化建模及校验工具，对第三方电网模型进行通用化处理，并在此基础上通过绘制站区图对缺失的线路段进行补充建模。通过绘制站区图，可以为站间线路建立完整准确的拓扑及参数信息，以便能够在运行方式校核时准确识别供电路径中的最小载流元件。图2所示为图模一体建模工具绘制的站区图（局部）示例。

2）构建能够支持多种校核场景的动态资源池

创建互相隔离的校核任务动态资源池，每个校核任务动态申请和释放资源池中的资源，并在封闭的资源环境中完成校核任务的全生命周期。动态资源池实现思路如图3所示。

图3 动态资源池实现思路

3）自匹配的备自投策略及过载设备负荷转供辅助决策

文献[6]对备自投自动投退的策略和规则进行了深入研究。文献[7]在潮流校核过程中通过负荷转移的方法将负荷从工作母线转移到备用母线来模拟备自投的动作，有效缩短了校核时间。文献[8]对所有的备自投动作策略在执行前进行电网安全校验，分别给出线路过载和变压器过载的校正方案。文献[9]研究计及备自投的-1静态安全分析快速计算方法，进行一次设备的-1故障校核。本文重点关注多个备自投方案的在线自匹配及多个转供方案的优化组合及效果评估。

首先，在考虑备自投的方向性、时序性、均分性等特点的情况下对备自投进行建模。

然后，模拟-1，在基态拓扑的基础上实现局部拓扑，并通过供电路径搜索及设备的实时状态得到满足动作条件的备自投策略。

最后，根据备自投策略和电网拓扑，对负荷进行转移，并对负荷转移后的网络进行校核，得到校核计算结果。对不满足-1的主变或线路，分析并给出所有可降低设备负载的辅助决策方案。

为了加快动态重构局部模型并实现局部拓扑的速度，本文借鉴文献[10]提出的构造与原电网相似拓扑、不同参数的“伴随网络”的概念。

图4为系统根据备自投策略自动完成负荷转移后，给出的用于降低波及设备负载的辅助决策方案。方案包含互补或互斥特征，用于协助使用者快速完成方案的优化组合。

4）基于实时拓扑的自动成图技术

目前，围绕变电站一次接线图、馈线图的自动成图技术研究较多[11-13]，但与具体业务紧密结合的应用级自动成图技术并不多见。

供电范围分析示意图和供电路径示意图为辐射状无环网架结构，可采用树形布局算法，将成图模型抽象为一个多叉树数据结构，采用宽度优先搜索、递归中序遍历的方法实现图元布局。

对于-1波及分析示意图，主要的难点在于没有现成的算法可用，需要自行设计算法解决成图数据的排序、分组、去重和试探性布局。综合考虑-1发生后因设备自投（需要考虑级联自投）引起的各种负荷转移场景，模拟人工绘图的思路和过程，实现-1波及分析示意图的自动生成。

图5为利用自动成图技术生成的-1波及分析示意图。

4 应用情况

基于本文描述的思路和方法实现的输电网运行方式校核系统已经在北京市电力公司投入使用。系统投入使用前，每年迎峰度夏和安全度冬前都需要针对站线切改情况、负荷增长情况调整运行方式，离线手工分析正常运行方式下线路和主变的负载率、-1情况下负荷的转供策略及策略影响到的上游主变和线路的负载率，并手工编制运行方式规划报告，一次校核任务往往需要50～70人∙ 天才能完成。系统投入使用后，所有的工作全部转为线上进行，用户只需指定输电网模型和负荷数据的日期（可以不同）、采用的运行方式，必要时利用图形化的动态建模工具对电网模型进行快速调整，即可实现“一键校核”和“一键生成报告”，一次校核任务大概需要0.5～4人∙时（取决于是否需要调整电网模型），校核结果可在线上实时发布。

图5 N-1波及分析示意图

5 结论

通过提供一体化的输电网模型动态建模工具，构建并自动维护可支持并行校核的动态资源池，实现备自投策略的自动适配，为过载设备提供负荷转供辅助决策，并辅之以自动成图等可视化展示手段，该思路和方法在实际应用中较易落地。落地系统可以帮助电力企业发现输电网在各种运行方式下及-1情况下的薄弱环节并自动给出调整策略，准确识别用电负荷及电网结构变化可能导致的电网风险并给出应对措施，也可以对输电网设计方案预期达到的效果提前进行仿真校核，为保障输电网的安全、经济运行提供技术支撑。

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Exploration of transmission network operation mode verification system based on dynamic modeling technology

TANG Taonan1LIU Hailin2WANG Wei1WANG Tengfei1

(1. State Grid Beijing Electric Power Company, Beijing 100031; 2. Dongfang Electronics Co., Ltd, Yantai, Shandong 264001)

This paper introduces a set of ideas and methods of building an operation mode verification system for transmission network based on dynamic modeling technology, which aims to provide a set of intelligent verification tools for transmission network designers of power enterprises. With the help of dynamic simulation modeling, automatic verification and auxiliary decision-making provided by these tools, the designers can achieve rapid verification on operation mode of real-time network or reconstruction and expansion plans that are being designed after one or more rounds of verification and optimization iterations. It has been proved that these methods can significantly improve the scientificity, accuracy and economy of transmission network design and reduce design risks so as to improve the efficiency of power grid investment.

transmission network; dynamic modeling; auxiliary decision-making; automatic mapping

2022-07-06

2022-07-28

唐涛南（1965—），男，江西省抚州市人，博士，主要从事电网调控运行及其自动化方面的研究工作。