一种基于影响因素的电网环境风险感知平台的设计与实现

摘要：电网设备运行过程中面临各种不确定因素的影响，科学应对这些因素可提升电网运行的安全性和稳定性。文章根据电网风险等级和电网设备运行等特点，设计了一个风险感知预警平台，对电网设备运行的环境信息进行收集、整理和分析，实现极端天气状况的监控预警感知，并通过灾前布控技术手段，最大限度地降低由于环境因素造成的停电事故。

关键词：电网环境；风险感知；SCADA；设计

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.04.016

中图分类号：TM 77，TP 3" " " " " " " "文献标示码：A" " " " " " " "文章编码：1672-7274（2023）04-00-03

Design and Implementation of a Power Grid Environmental Risk Perception Platform Based on Power Grid Impact

SUN Shijun1， HAN Zhenfeng1， WANG Lifeng2， REN Peng2， WANG Huijin2

（1. State Grid Shandong Electric Power Company， 250000 Jinan， China;

2. Shandong Lusoft Digital Technology Co.， Ltd.， 250000 Jinan， China）

Abstract： Power grid equipment is affected by various uncertain factors during operation， and scientific response to these factors can improve the security and stability of power grid operation. According to the characteristics of power grid risk level and power grid equipment operation， this paper designs a risk perception and early warning platform to collect， sort out and analyze the environmental information of power grid equipment operation， realize the monitoring and early warning perception of extreme weather conditions， and reduce the blackout accidents caused by environmental factors to the maximum extent by means of pre-disaster control technology.

Key words： power grid environment; risk perception; SCADA; design

电网设备负责电能的生产与传输，是电力供应的基础设施。输电网是电能传输的主要载体，承担着电能供应和保障国民经济发展的重要任务。电网的安全稳定运行一直以来都是电力企业关注的焦点问题，随着我国电网规模的不断扩大，电网覆盖面积越来越广，复杂环境下的电网建设项目越来越多，电网设备运行的安全性遭到各种风险因素的威胁。借助现代科学技术提升电网设备智能化管理水平，可以有效提升电网运行的安全性和稳定性。山东地区强对流、大风、暴雨等气象灾害频发，气象灾害已成为威胁电网安全的主要风险因素之一，对电力设施安全、电网稳定运行影响大。建设电网环境风险感知平台，可以为电网提供精准预警，促进电网防灾减灾从应对单一灾种向综合减灾转变，从减少灾害损失向减小灾害风险转变，全面提升电网抵御自然灾害的综合防范能力。基于影响因素的灾害预警模型研究及电网环境风险感知平台研发，成为提升电网气象灾害风险防御能力的重要手段。针对电网运维、调度的气象灾害精准防控需求，基于先进的精准数值预报技术、电网气象灾害精准预报预警技术，提供杆塔、输电线路的精准气象要素预报，对威胁电网运行安全的强对流、雷电、风偏、山火、冰冻灾害等气象灾害提供差异化防灾预警服务，实现灾前精准布防、灾中灵活调度，有效减少经济损失，全面提升防灾效率、明显降低防灾成本、显著提升气象灾害精准防控、精细运维和安全供电水平[1]。

1" 电网运行风险因素评价

电网的安全运行主要体现在电力设备的安全性和系统运行的稳定性。一旦电力设备出现故障将直接影响电网的稳定性，严重时会造成大面积停电事故，因此，有必要对电网运行风险因素进行深入研究，通过有效预判对电网设备进行灾害防护。影响电网运行的风险因素，主要包括设备自身的安全隐患以及外部环境造成的风险[2]。

1.1 设备自身存在风险

随着电网建设规模不断扩大，电网设备复杂程度和电能负荷越来越高，电网设备自身会存在一些不稳定、不安全的因素。电网设备在设计、制造、原材料或者安装生产环节出现质量问题，输变电设备设施、电力隧道长期高负荷运行加剧元器件老化等都可能导致电网运行风险。

1.2 电网运行外部环境风险

电网运行外部环境风险是影响电网安全运行的主要因素，尤其是一些恶劣气候的影响，例如，大风引发的线路断裂、大风刮倒异物碰到线路导致短路、暴雪导致树枝压断线路、暴雨进入隧道导致电缆线路受潮影响运行、雷击导致绝缘子等设备出现故障等。电缆隧道内基础设施出现结构性风险，隧道顶板开裂、漏筋、保护层脱落、隧道坍塌都会对电网设备的安全运行造成影响。

2" 系统软件设计

基于影响因素的电网环境风险感知系统，可以实现针对威胁电网运行安全的强对流、雷电、风偏、山火、冰冻灾害的识别预警，以及电力气象灾害与输电通道监拍的融合，结合气象环境的预测，实现灾害预警等工作，帮助电力部门实现多部门联合的灾害防控管理。此外，电网环境风险感知系统还可以进行电网运行状态信息的实时查询，提升电网线路智能化管理水平。目前，该平台采用Browser/Server Architecture架构，前后端采用HTML、CSS+JAVA编程语言设计，数据存储采用Oracle关系型数据库，具有高共享性、高扩展性及高处理性能等特点，适用于工业化数据应用场景。为进一步提升电网环境风险因素的识别准确度和管理效率，电网环境风险感知系统整合了气候环境、设备状态等多方面的数据信息，数据服务器作为高级应用实时数据平台，可以实时获取电网模型数据、实时运行数据、图形数据和计算所需要的文件数据作为二次开发的数据源，搭建人机交互界面[3]。

此外，数据监视与采集控制系统（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）是以计算机为基础的DCS与电力自动化监控系统，应用范围很广，尤其是在电力领域中的数据采集和视频监控方面应用得最为广泛，技术发展也最为成熟。SCADA数据库存储输电线路、变压器、母线、负荷、发电机以及开关状态等数据。采用文件传输协议服务器（File Transfer Protocol Server，FTP），依照FTP提供计算机文件存储和访问服务，在电网环境风险感知平台中提供电网模型数据和气候环境数据访问服务。目前，SCADA由监控中心、远程终端单元、可编程逻辑控制器、通信模块、人机交互界面组成，远程终端单元可以实时采集监控范围内的设备运行参数信息。监控中心作为SCADA的核心部分，包含多台服务器和分布式软件应用程序，负责对所有数据信息对整合和分析，掌握设备运行状态并进行风险评估。数据计算分析处理单元，从输入管理模块中录入所需电网设备运行状态的相关参数，并提供相应的风险评估方法，可以实现对不同设备的风险指标进行精准计算，并给出相应的风险控制策略。数据处理结果可由输出模块进行保存和显示，及时获取设备故障信息和对应的风险指标，给出风险控制策略。通信模块完成对数据信息的同步传输，通过人机交互界面可以图表的形式查询所有设备信息，以及风险指标结果和风险控制策略，为后期的设备维护管理提供理论依据。

3" 电网环境风险感知平台架构设计

电网设备维护管理是电网运行的重要流程，通过电网环境风险感知平台对电网设备运行状态进行实时监控管理，确保设备处于稳定运行状态。基于电网影响的电网环境风险感知平台是一套面向电网运行的多源风险信息集成、多层面风险综合分析评估及管控的自动化系统。系统具有多种标准化接口，能满足本地系统的实用需求。通过整合平台收集到的风险信息、筛选出多余数据并将相关数据进行组合，辨别并生成相应可能出现的风险场景模型，作为电力系统运行风险分析评估对象。从系统可获取电网设备状态评价结果，评估设备的最新健康状态，从气象信息系统获取电网区域气象信息以及自然灾害预警，综合设备健康状态信息和外部自然环境信息形成电网风险场景模型。灾害预警模块主要提供灾害预警功能，多部门救灾调度功能，救灾过程还原功能，基本GIS操作，可以实现对山火灾害、滑坡灾害、地震灾害、覆冰灾害的预警，进行人员和物资调度以及地图缩放漫游、属地查询、地图量距和图层控制。如图1所示。

3.1 电网强对流灾害临近预警模型

基于电网影响因素的电网环境风险感知平台通过雷达监测、潜势预报、强对流监测、强对流统计查询等二级功能开发工作，强对流大风落区监测、强对流强降水落区监测、雷电监测外推、潜势预报指数查询、电网强对流临近预警、电网强对流大风落区影响分析、电网强对强降水落区影响分析等三级功能开发工作，对强对流灾害的数据进行采集，包括风速、风向、大气压强，综合考虑强对流灾害天气发生背景、环境和地形地貌等特征，建立强对流天气事件与天气形势和地形地貌之间的关系，生成山东电网对各类强对流天气事件临近预报预警技术模型[4]。

3.2 山火告警模型研究

基于影响因素的电网环境风险感知平台可以通过国内和国际上的静止卫星（风云四号、葵花8号）、极轨卫星（风云三号系列卫星NPP、EOS系列、Aqua、NOAA等），将空间阈值法和时序法相结合，及时发现微弱热点和火情发展初期的热点，跟踪火势变化情况，实现火情及时发现和动态监控，根据风速风向、火点距设施位置等综合因素建立山火识别告警模型。在山火灾害预警模型中，平台接收气温数据、空气湿度数据、红外遥感监测数据，结合电网设施位置、电网杆塔高度等数据进行预警。实现对火点监测、识别、告警、蔓延分析等二级功能以及卫星遥感数据解析、多源卫星火点监测数据融合、山火气象风险等级预报、山火气象风险预警、虚假火点信息排查等三级功能。

3.3 冰冻灾害预警模型

建立冰冻灾害预警模型，实现对冻雨的预报研究和覆冰的预报研究。冻雨的预报采用温度垂直廓线判别模型，通过对大气垂直温度随高度的变化情况判别降水态势。覆冰的预报主要根据覆冰综合模型对模式输出结果（高空到地面的风速、温度、湿度、降水量等气象要素）进行加工、处理，得到格点化的覆冰标准冰厚、冰重载荷。结合电网覆冰灾害记录，分析电网覆冰灾害事件发生时的关键因子（如覆冰标准冰厚、风速、温度等），建立电网覆冰预警模型[5]。

3.4 雷电活动临近预警算法

利用闪电定位数据，结合聚类、滤波修正算法可对雷电单体的识别和其移动轨迹进行相应的外推预测，得到15分钟时间分辨率、预报时效为0～1小时的雷电移动轨迹外推产品。

3.5 电网风偏预警模型

实现风速监测预报、风偏灾害预报、预警信息发布等二级功能，以及大风格点监测、大风格点预报、电网设施风偏概率预警、风偏风险预警发布等三级功能。收集历史风偏跳闸故障资料，结合故障地点风向、气温、气压等要素变化特征，分析不同风偏天气模型，根据数值模式的要素预报结果进行模型适应性修正，得到最终的电网风偏预警模型。

3.6 电网故障视频监拍驱动

依据电网山火、大风、覆冰、强降水等历史记录，查找采集对应的电网设施现场高频监拍装置拍摄的视频图像。基于对传回终端监拍图像进行气象灾害智能识别分类的结果，可自动调整监拍频次，如若未出现灾害天气，调低监拍频次。

4" 结束语

综上所述，随着电网智能化发展，电网结构和运行状态控制变得日趋复杂，电网系统负荷越来越大，运行方式不断变化，导致一些区域受到环境因素的影响引发停电事故，给国民经济发展和社会的和谐稳定造成负面影响。电网线路的安全性除了自身老化磨损因素，还会受到外界因素的影响。我国幅员辽阔大，气象环境复杂多变，再加上电网设备长期暴露在外，自然灾害对电网设备的影响较为严重，一些输电线路容易受到各种自然灾害的影响，包括强降雪和降雨、飓风、雷击、地震、山火、泥石流等恶劣天气，会对电网系统的安全运行造成影响。因此，需要开展电网环境风险研究，建立完善的电网环境风险预警模型，提升电网的风险防控能力。本文以山东电网为研究对象，研究基于影响因素的电网环境风险感知平台的设计与实现。基于影响因素的电网环境风险感知平台，可以对电网运行过程中潜在风险因素进行识别和分析，并采取有效的措施对其进行防控管理，实现电网设备的安全运行。电网环境风险感知平台包括预警功能等模块，可实现雷电监测、雷电预警、闪电历史统计、闪电监测、雷达监测外推、雷电落区影响分析、电网雷电影响分析、雷电分类统计、雷暴日查询等功能。■

参考文献

[1] 何俊，于华，邓长虹，等．极端天气下基于态势感知的重点区域电网负荷供电保障策略[J]．高电压技术，2022，48（4）：1277-1285

[2] 李阿鹏，乐程毅，贝斌斌，等．电网规划与电力设计对电网安全的影响[J]．光源与照明，2021（10）：146-148.

[3] 白东平．基于态势感知的主动配电网安全风险评估方法研究[D]．长春：长春工业大学，2021

[4] 姚海燕，向新宇，於志渊，等．基于TEE和eSE的智能电网风险态势感知防护技术[J]．微型电脑应用，2022，38（4）：191-194，201.

[5] 方丽华，熊小伏，方嵩，等．基于电网故障与气象因果关联分析的系统风险控制决策[J]．电力系统保护与控制，2014，42（17）：113-119.