基于电网覆冰风险定级和预调度的方式融冰辅助决策系统设计

曾华荣，杨旗，马覃峰，曹杰，高正浩，吴建蓉，殷蔚翎

(1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州贵阳550002；2.南方电网防冰减灾联合实验室，贵州贵阳 550002；3.贵州电网有限责任公司调度控制中心，贵州贵阳 555002)

冰雪灾害是危害电力系统运行的最严重自然灾害之一[1]：覆冰引起杆塔、输电线路载荷变化和绝缘性能变化，带来杆塔倒塌[2]，线路断线，绝缘子冰闪[3]，导线、地线弧垂变化引发保护动作跳闸[4]，线路部件损坏和绝缘间隙击穿等事故风险。由于线路覆冰发生具有区域性特征，多设备同时、相继故障，严重威胁电网安全稳定运行[5]。

鉴于严重冰灾危害电网稳定，进而影响工业生产和社会稳定，科技工作者对输电线路防冰、除冰技术进行了深入的研究[6-7]。通过在输电线路材料选择[8]、线路规划设计[9]、网架结构完善、覆冰状态监测预测[10-12]、线路杆塔防冰加固、融冰装置设计等技术领域进行持续的研究和技术应用，电网防冰、除冰技术及管理水平有了较大的提升。

热力融冰法，耗时短且操作简单，具有较强的实用性，特别是交直流融冰法是目前消除输电线路覆冰灾害最为有效且比较成熟的技术之一[13-16]。

交直流融冰技术主要包括固定式直流融冰、车载式直流融冰、融冰变压器、方式融冰、低压交流短路融冰等。各种融冰方式特点和适用情况如表1所示。

表1 交直流融冰技术特点和适用场景Tab.1 Characteristics and applicable scenarios of AC / DC ice melting technology

适用于输电网的线路融冰方式为固定式直流融冰和方式融冰。固定式直流融冰，通过在重点变电站安装融冰装置，覆冰发生时，将覆冰线路一端接入融冰装置，另一端短路，融冰装置提供直流电流注入导线引起导线温度升高以达到融冰的目的，是目前输电线路融冰的主要技术手段；方式融冰，通过改变运行方式，转移潮流达到融冰效果，适用于电厂送出通道和大负荷供电通道，不需要专用融冰设备，较为灵活，是停电融冰技术的有益补充。

方式融冰作为输电线路除冰的重要手段之一，相关自动化、智能化辅助手段较为缺乏，目前主要采用方式计算人员离线编制方案，校核通过后下发执行，调度运行人员对满足方式融冰的线路按下发规程执行的工作方式。调度运行人员按纸质规程执行，自动化程度低；方案在编制环节基于典型方式校核，执行时电网实际运行方式同典型方式存在差异，缺少验证和修正环节；方式融冰方案需要改变电网运行方式，仅在线路覆冰发生并达到一定厚度才开始启动，而覆冰发生具有区域性的特征，当多条线路发生覆冰需要进行方式融冰、停电融冰时，对调度部门、运检部门造成巨大的工作压力，可能存在人员不足的风险，当前的工作方式不能在覆冰发生前和发生初期对覆冰进行抑制。

随着覆冰监测、覆冰预测系统的建设和不断完善，结合气象数据、计划数据，线路覆冰风险分析和预警具备了必要的数据基础。基于电网调度自动化系统的实时、可靠、全面的电网运行数据和应用开放性特征，获取线路运行状态、方式融冰操作进度，发电计划等数据，应用间数据交互变得更为便利，使通过调整电网运行方式，增大线路功率，减轻线路覆冰风险变为可能。

本文通过深入调研方式融冰管理流程和技术现状，基于电网调度运行融冰操作需求，提出一种基于电网覆冰风险定级和预调度的方式融冰辅助决策系统设计方案，将方式融冰方案编制、校核、电网运行监视、覆冰风险定级、覆冰抑制、方式融冰操作进行有效关联，提高了电网抵御线路覆冰危害，快速执行方式融冰操作的能力。

1 系统框架设计

本系统串联方式计算、调度运行业务，接入电网实时运行数据、线路覆冰监测预测数据，向方式计算专业、调度运行专业提供方式融冰方案导入、电网运行覆冰风险监视、融冰过程监视、预调度策略生成、方式融冰策略生成等服务。本系统采用B/S架构，按功能特点分为三层，分别是汇集层、业务层和交互层，系统框架如图1所示。

图1 输电线路方式融冰辅助决策系统框架Fig.1 System framework of auxiliary decision-making system for transmission line ice melting

汇集层负责从调度自动化系统获取电网运行实时数据、从覆冰监视预测系统获取输电线路当前覆冰信息和未来覆冰预测信息，从气象系统获取各区域气象预报信息。

业务层是系统的核心部分，提供方式融冰方案管理功能、电网仿真数据生成、电网覆冰风险分析、常规方式融冰辅助决策、预调度方式融冰辅助决策和融冰方案校核功能。

人机交互层向方式计算、调度运行人员提供方式融冰方案导入、电网覆冰风险查询、常规方式融冰、预调度方式融冰策略查询、融冰操作指示等功能。

2 方式融冰方案解析及关键信息抽取

电力公司每年结合电网网架结构、电源分布情况，在确保电网安全稳定运行、供电可靠的前提下，编制当年电网方式融冰方案。方式融冰方案作为方式融冰的指导性文件，也是本系统的辅助决策生成的重要依据。方式融冰方案为文档格式，需要对其核心内容进行解析、结构化，才能为本系统所用。

通过对某电力公司方式融冰方案结构和内容进行分析，线路方式融冰方案主要内容如图2所示。

图2 方式融冰方案结构和内容Fig.2 Structure and content of mode ice melting scheme

基于本系统数据需求，对方案中的线路名称、组合路径、准备过程、实施过程信息进行提取，并且对关键信息进行结构化处理。

(1)融冰对象获取

方式融冰方案按融冰线路组织，从中获得可以进行方式融冰的线路清单。

(2)组合路径处理

从融冰方案中的组合路径信息，可以确定该线路融冰时，电源使用情况和功率传输路径。

融冰方案中组合路径内容示例如图3所示。

图3 方式融冰方案中的组合路径示例Fig.3 Example of combined path in ice melting scheme

通过对东坝线和干曹Ⅱ回线的组合路径进行分析，可以确定以上线路的融冰电源和线路类型信息如下表2所示。

表2 组合路径分析结果Tab.2 Analysis results of combined path

(3)调度令处理

融冰方案中含调度指令内容和操作步骤，调度指令包含操作类指令和控制类指令，示例如图4所示。

图4 方式融冰方案中的调度令示例Fig.4 Example of dispatching order in ice melting scheme

本系统对调度令进行结构化，在线路进行方式融冰时，根据调度令内容，同指令票系统交互，可自动生成指令票。

3 基于CIM模型文件的实时计算模型生成

传统电力系统运行方式分析校核中,使用的是人工编制的典型方式数据, 但此类数据维护成本高, 难以灵活调节拓扑颗粒度、跟踪电力系统运行状态变化[17]。

CIM模型是为了实现不同的电力企业应用系统之间信息和功能的互通互享，由国际电工委员会提出的一种通用标准体系[18]。CIM模型为电网全设备的物理模型，含开关、刀闸设备，同时也包含停运设备，设备运行状态需要根据开关、刀闸分合状态分析带电状态确定。从调度自动化系统，可以获得满足CIM标准的电网模型和实时数据文件，为本系统提供所需仿真计算数据。

电网分析仿真使用计算模型，使用CIM模型进行电网仿真分析，涉及CIM模型到计算模型的转换处理[19]。模型转换分为CIM-XML文件解析、全网拓扑分析、等电位节点合并、名称转换等步骤。

CIM-XML文件解析，通过对XML文件读取，按照标签名称、属性名称，将设备信息和运行信息存储到对应的设备对象中。

全网拓扑分析，按设备特性，将不同设备对象映射为逻辑节点、逻辑支路两类，基于深度优先搜索技术，进行支路连接关系分析和带电判断，剔除失电设备和非主电气岛中的设备，输出按厂站组织的设备信息以及厂站间线路连接信息。

等电位节点合并，状态为“合”的开关、刀闸，只起到连接两侧设备的作用，其两侧电位相等，为减轻潮流计算的计算量并节省存储空间，对等电位节点进行合并处理。等电位节点合并以逻辑厂站为处理对象，对厂站内的逻辑支路逐个判断，如果为开关、刀闸等设备，删除该支路，删除末端节点，将连接末端节点的支路，修改为与首端节点相连。

名称转换，本系统使用BSD-BPA软件进行电网潮流、稳定仿真，因为BSD-BPA软件对节点名称有长度限制，本系统基于设备名称，按BSD-BPA软件节点名称规范，参照名称映射规则，生成节点名称。

可方式融冰线路分析，按照可方式融冰线路特征，基于实时电网计算模型，以水电厂为起点，搜索水电厂出线以及并网变电站的下一级线路作为监视对象。

4 电网覆冰风险评估与定级

输电线路作为输电网中的关键组成部分，对供电可靠性有着直接影响，准确评估输电线路故障引起的电网运行风险，有助于方式计算人员优化运行方式、编制预案，也能辅助调度运行人员监视风险点和提前进行电网运行调整。文献[20]提出了一种基于改进支持向量机的电网实时风险评估与预警技术。文献[21]将风险理论引入调度操作评估当中，提出一种基于马尔可夫链与两点估计法的电网调度操作风险评估方法。文献[22]提出了一种基于改进多层感知机的电网运行风险评估方法。文献[23]构建了考虑概率预测的安全风险评估与主动调控模型，实现了基于时序预测输出系统部分关键对象在未来的越限概率，并最终集成为系统量化风险。

本系统综合考虑当前覆冰厚度、未来覆冰厚度和设备停运后果，将原本不够直观的定量系统运行风险进行定级处理，为调度运行人员采用对应策略提供直观的参考，也为本辅助决策系统自动处置提供明确的依据，最终通过预调度方式融冰和常规方式融冰措施，抑制、减缓输电线路覆冰发生和发展，避免、减轻覆冰对电网稳定运行的影响。

本系统将基于方式融冰方案解析和实时运行方式分析得到的可方式融冰线路，作为监视对象。系统从覆冰监测系统、覆冰预测系统获取监视线路当前覆冰厚度、未来覆冰厚度；基于实时计算模型对监视线路进行静态安全分析和稳定分析，判断其故障对电网稳定性的影响，综合以上信息确定线路融冰紧迫性指标。

覆冰风险计算流程如下：从输电线路覆冰监测系统获得线路当前覆冰厚度THKln，从覆冰预测系统中获取覆冰时段和覆冰厚度，从中估算线路一小时后覆冰厚度THKlf，线路设计最大覆冰厚度表示为THKld，将线路覆冰厚度和线路设计最大覆冰厚度的比值作为该线路覆冰断线的风险值。

输电线路当前断线风险Rln计算方法如公式(1)所示：

(1)

输电线路未来断线风险Rlf计算方法如公式(2)所示：

(2)

线路重要性权重分为网架结构重要性和电网稳定运行重要性两部分。

网架结构重要性系数Wli′为线路静态指标，依据保底网架原则确定，电网稳定运行重要性系数Wli″随电网运行方式变化而变化，通过周期计算该线路发生N-1故障后电网静态、暂态稳定运行能力确定。

基于覆冰断线风险和重要性指标，计算监视线路融冰紧迫性指标Urgencyl计算方法如公式(3)所示：

(3)

将电网输电线路覆冰断线风险分为严重风险、中等风险、轻微风险三级。

严重风险进行告警，由调度运行人员制定融冰措施，采用停电融冰方式进行融冰；中等风险采用调整运行方式的方式融冰手段进行融冰；严重风险和中等风险判断方法参照调度运行相关规程。轻微风险采用通过预调度方式增加线路功率的手段进行覆冰抑制、覆冰厚度增速降低，基于线路融冰紧迫性指标Urgencyl数值进行判定，支持对限值进行调整。

5 预调度方式融冰辅助决策

输电线路覆冰风险定级为轻微风险，表明该线路已经发生覆冰或者即将发生覆冰，并且覆冰厚度呈增加的趋势，但又不满足常规方式融冰的条件，此时尝试通过增加发电厂出力来增大线路功率，对覆冰的发生和发展进行抑制和限制，处理流程包括相关机组分析、可增出力计算、目标方式生成、安全校核和方案下发。

相关机组分析，以待处理覆冰线路起点、取功率流入端方向，进行网络拓扑分析，寻找与覆冰线路输送功率强相关的发电机。

可增出力计算：可进行方式融冰的线路，为水电厂出线或者并网变电站的下一级线路，相关机组为水电机组。水电机组可增出力受发电机额定容量、当前出力、水库水位、设备运行状态影响，基于调度自动化系统采集的水电厂相关数据，相关机组i的最大可调出力Pgmax_i计算方法如式(4)所示：

Pgmax_i=Pgrated_i-MAX(Plimit1_i-Plimit2_i)

(4)

其中Pgrated_i为机组i的额定容量，Plimit1_i、Plimit2_i分别为机组i的水位受限和设备状态受限功率。

机组i的可增出力Pgraise_i的计算方法如式(5)所示：

Pgraise_i=Pgmax_i-Pg_i

(5)

其中Pg_i为机组i的当前出力。

融冰可行性估算：考虑到相关机组可能存在多条有功输送通道，通过计算各机组同覆冰线路的灵敏度Ki，计算线路可增输送功率Plraise计算方法如公式(6)所示：

(6)

当线路可增输送功率大于设定数值时，则认为该预调度方式融冰可以产生预期效果，是可行的。

目标方式生成：预调度方式融冰，虽然不需要改变电网拓扑结构，但是会影响电网的潮流分布，为保证融冰过程中电网安全稳定运行，需要进行静态、暂态校核。以当前方式为基础，在参与融冰的机组所属区域内，选择合适数量的机组降低出力，维持区域以及全网的发用电平衡，计算相关厂站无功平衡情况，调整无功设备投运情况，维持无功平衡，生成目标方式，供校核使用。

6 常规方式融冰辅助决策

输电线路覆冰风险定级为中等风险，表明该线路覆冰情况已经满足常规方式融冰的条件，需按规程启动相应融冰操作。

基于本系统的方式融冰方案解析及关键信息抽取处理，方式融冰方案内容完成结构化存储，系统按照结构化的方式融冰方案，辅助多级调度机构的调度运行人员进行方式融冰操作，提供融冰方案展示与调整，调度指令票生成、控制指令下发、执行过程监视等功能。

电网覆冰风险评估与定级功能判定线路达到常规方式融冰条件后，向调度运行人员推送线路覆冰状态及方式融冰方案内容，调度运行人员可根据电网实际运行情况，对方式融冰方案进行调整，按设定流程审核通过后，本系统按审核后的方案从准备工作和实施过程两个方面指导调度运行人员进行方式融冰操作。

通过同调度自动化系统的指令票功能联动，支持将具体融冰措施自动生成指令票，可大幅提高工作效率；通过自动从调度自动化系统、覆冰监测预测系统获取融冰线路的运行状态、覆冰厚度，辅助调度运行人员及时掌握当前操作进展和融冰进展。

7 方式融冰动态校核

预调度方式融冰和常规方式融冰，均改变了电网的潮流分布，并且两种融冰方式执行均需要持续一定的时间，执行过程中电网的运行方式也在不断变化，因此方案执行之前需要对方案实施过程中不同时刻进行电网安全、稳定分析，以验证方案的安全可行性，保证实施过程中电网的稳定运行；方案执行过程中，为应对电网运行中的非计划调整，也要基于实时运行数据，不断进行校核工作。

本系统通过计算模型生成功能，从调度自动化系统获取实时CIM模型数据文件，生成当前计算模型；通过同调度计划、检修计划、负荷预测等系统的交互，获得未来各个时刻发电、用电数据和设备运行状态，对当前计算模型进行调整，得到未来各个时刻的电网计算模型，供静态校核和暂态校核使用。

(1)潮流调整

生成的计算模型可能存在潮流不收敛的情况，文献[24]通过分析电网在不收敛临界点的特征，提出了综合表征指标，并基于该指标提出电网潮流不收敛的自动调整算法。文献[25]从全网功率平衡的角度，完成对系统潮流的调整，增强潮流的收敛性。文献[26]基于 NR迭代电压幅值和相角的偏差衰减比突变点处的数值大小确定病态特征，建立了基于内点法最优潮流的病态潮流和无解潮流的自动调整模型。

本系统综合人工经验，对典型的数据错误进行筛查后，按照有功功率平衡和无功功率平衡的顺序，对系统的参数(发电机出力、变压器分接头位置，无功补偿装置等)进行调整，改变潮流方式，使新生成的潮流方程收敛[27-28]。

(2)快速静态校核

静态安全分析用以校核电网发生N-1和N-M故障情况下，是否仍能保持安全运行。考虑到调度自动化系统具备完整的静态安全扫描功能，以及融冰操作的时效性要求，本系统通过快速生成故障集以缩小计算范围，提高静态校核速度。

通过对融冰初始电网方式进行拓扑分析，可以确定解列故障集，按照解列故障集逐个进行方式调整和潮流计算、判断是否存在电网设备过载，生成过载设备清单。过载设备清单，加上同杆并架线路故障形成完整故障集。基于该故障集，对融冰阶段各个时刻的计算模型进行调整，使用PSD-BPA潮流程序，进行详细的潮流计算分析。主要步骤如图5所示。

图5 快速静态校核流程Fig.5 Flow of quick static verification

本系统通过潮流数据自动修改和潮流计算结果自动分析，实现静态校核的自动处理：按照故障集内容，将支路(含线路和变压器)从潮流数据中去除，通过拓扑分析，去除孤立节点，若发生电网解列，在解列的多个同步网中均设定平衡节点，调整有功、无功，保证各个同步电网的有功、无功平衡，以及平衡机出力的合理性，以保证潮流计算的顺利进行。

潮流计算完成后，对计算输出文件进行解析，根据过载限值表，判断是否存在支路过载情况，判定电网运行方式是否安全。

(3)快速暂态稳定校核

对通过静态校核的方式融冰方案，本系统基于PSD-BPA稳定分析程序进行稳定仿真，进一步判断方式融冰方案的安全性。故障卡生成、稳定分析计算程序调用、稳定计算结果分析判断，均通过软件实现，从而实现了暂态稳定自动分析。

稳定性判断主要是从电网在功角、电压、频率、阻尼等方面特征进行分析：同步电网中最大功角差超过设定值；主要母线电压超出设定范围并未及时恢复；系统频率超过设定的范围；出现等幅振荡或者增幅振荡，存在以上任一种情况，则认为电网暂态稳定校核不通过。为提高暂态稳定校核速度，本系统应用稳定快速判断技术，实时分析处理稳定计算的输出数据，当系统稳定判据满足时，立刻终止当前仿真计算。

8 结语

本文提出一种基于调度自动系统的预调度方式融冰、常规方式融冰辅助决策系统设计方案，通过预调度方式融冰，充分利用电网的调节能力，在不停电的情况下，通过增加相关机组出力，实现输电线路覆冰的抑制和缓解；常规方式融冰辅助决策功能，可以对调度运行人员的方式融冰操作提供大力的支持，提高工作效率，减少工作失误，通过方式融冰动态校核功能，提高了方式融冰操作的安全性，本系统的应用，可以提高电网对低温覆冰天气的抵御能力。