创新电网安全稳定控制系统状态在线评估方法研究

赵 越

（南京南瑞继保工程技术有限公司）

0 引言

随着我国特高压交直流混联电网系统的逐渐建成，我国电网系统在较大规模上实现了电网系统资源的优化分配。然而，电网的长距离、大容量传输也对电网系统的安全性提出了新的要求。为了保证国家大规模交直流电网网络的安全，需要建立众多的电网网络安全、稳定监控体系（简称“稳控系统”）。例如，在国家电网公司中，目前拥有的220kV及以上的稳控设备共有5689套，它们覆盖了2042个厂站，厂站覆盖率高达23.96%，所涉及的切机总数为4.3×108kW，切负载总数为2.7×107kW。在中国整个电网网络中，每个跨区直流输送系统都配备了对应的稳定控制系统，总容量为1.1242×108kW，而这当中，74%的输送能力依靠稳定控制系统［1］。

1 电网稳控系统状态评估指标体系

随着电网规模的扩大、网络结构的增多及被控目标的多元化，使得稳定控制系统的应用范围越来越广，从而导致稳定控制的失效几率也越来越高。选择能反映稳定控制系统工作状况的特征参数，建立稳定控制的评价指标，进而对稳定控制系统进行评价。针对稳定控制系统在工作过程中对评价精度和计算复杂度两个方面的要求，本文提出了稳定控制系统的评价方法，并对评价方法进行了研究。

科学性是指每一项指标都要有选择的基础，它的定义是准确的，相应的数据是从有关的国标与行业导则中得来的，比如：GB／T 40587-2021《电网系统安全稳定控制系统技术规范》、GB38755-2019《电网系统安全稳定导则》等。完备性是指所选择的指数要既能全面地描述稳定控制系统的工作状况，又能体现稳定控制体系中各种指数的相互关系。实用性指的是为了确保该评价方法可以应用于各种厂站等级的稳定控制体系，必须将全部的评价参数都进行甄别，以减少后续评价的工作量。分层是指在稳定控制系统中，各个单元之间相互协作，共同完成各种任务的实际依据［2］。

为了准确地体现出各种指标对稳控系统运行状态的作用，在探索了稳控系统的构架模式和工作特征之后，可以将稳控系统运行状态分为三个层面：政策软件的运行状态、装置本体的运行状态以及通信系统的运行状态。因为战略管理系统的工作状况通常是通过制造厂商的检测系统来进行展示的，因此本文可以不考虑这点。

设备本身的运转状况，特别是指安装在每个厂站的稳控设备硬件的正常运转情况，在本文中，将选用一些稳控系统可监控的公共数据，以此为特征量，将其当作一个状态指数。通讯系统的工作状况，具体是指设在相同工厂的两组稳控设备之间的通讯，以及不同稳控设备在多个工厂间的通讯。因稳控系统需长时间网络化，且在调节指令出现时，必须通过多个电站间的通讯交换来实现调节指令，故有必要将通讯的某些特性参数纳入到调节指令中。

对所选取的稳定控制体系进行了综合评价，并对稳定控制体系的分级状态评估指标进行了分析，分析结果见表。其中，将影响稳定控制评价效果的指标设为层级一，层级一的任何一个参数的异常，都有可能导致层级二和三参数的改变，乃至失效。层级一的各项参数包括：绝缘电阻、频率测量误差、零点漂移、同步时差、传输速率和总传输延迟。

对于可以对稳定控制系统各个功能模块和稳定控制设备的使用年限产生影响的状况评价指标，可以设为层级二［3］。层级二指标是描述稳定控制系统工作状况的重要依据。层级二的指标具体包含了功率测量绝对误差、整组动作时间、交流电流回路功率、交流电压回路功率、直流电源回路功率、开入功能压板动作正确率、信号脉冲宽度、双重配置通道延时差、有效值录波时间间隔及瞬时值录波时间间隔。

为了提高系统评价的准确性以及最后评价结果的精确性，将评价标准分成了三个层次。第三个层次的指标虽然没有第一个层次和第二个层次那么重要，但因为涉及到的指标太多，需要将第三个层次的指标进行简单的分析，从而降低运算的难度。第三个层次的指标有温度变化、开关量采集正确率、时钟精确度和误码率［4］。

2 稳控系统在线状态评估方法

在此基础上，对稳定控制系统进行了实时性能评价，评价流程如图所示。首先对初始的评价指标进行初选，并以此为基础构建评价指标集合；因为层级一的评价指标对稳定控制系统的作用最大，而且还会对其他层级的状况评价指标产生一定的作用，所以需要首先对一级的状况评价指标进行判定。然后建立一个判定集合，并对指标判定数值进行分级，如果其中任何一个判定数值为0，那么就会得到一个失效的判定，如果所有判定数值都为1，那么就会进入下一个判定过程。接着根据所划分的等级和退化的模式，来确定每个指标的从属程度，并进行退化程度的计算；依据各评价体系中各评价指标的优劣程度来进行调整，并采用隶属度修正和权重计算来确定各评价体系中各评价指标的结果。最后通过分析得出了系统的性能评价指标集合，并以指标集合的最大值作为评价指标［5］。

图 稳控系统在线状态评估步骤

2.1 建立状态评估指标集和评语集

根据稳定控制体系的各个状态评价指标，构建一个状况评价指标集X，并按顺序输入各个指标的数值，集合X表示为：

式中，xij为记录的第i组第j项指标的指标值；m表示总项数；n表示总组数。

根据现场的实际情况和历史经验数据，对稳控系统建立评语集A：

式中，Ak对应第k种评语；z为评语数量，本文选取正常、轻度劣化、重度劣化、故障四种评语，即z＝4。

正常是指稳控系统的各个参数都在合理的区间内，各个性能都能很好地发挥作用；轻度劣化是指整个控制体系的某些性能不在标准区间内；重度劣化是指稳控系统的大多数参数偏离了标准，一些函数无法正常工作；故障是指某一稳定控制装置的某些性能参数处在失效区域内，或某一项性能无法正常运行。

2.2 层级一状态评估指标处理

考虑到层级一对稳定控制系统工作状况的重要作用，所以层级一的状况评价指标具有较强的优先性。创建一个指标集X1，该集合仅包括层级一的状况评价指标，表示为：

对第n组（即最新一组）的层级一指标值采用特定的判断函数进行处理，判断函数为：

式中，xk为层级一中的第k个状态评估指标；xklim为第k个状态评估指标正常范围的极限值；Pk为第k个状态评估指标的判断值。

进一步得到判断集P为：

如果所构造的判定集合P中有一个判定为0，那么该判定的判定结果是错误的；在各判定数值均为1的情况下，启动稳定控制系统的运行状况评价。

2.3 隶属度矩阵的建立

通过对每个指标的状态进行描述，实现对指标的量化表征。对于第n类的指标，按照等级和退化的程度，选择一个具体的从属函数，从而获得从属程度矩阵U，其表达式为：

式中，μjk（xnj）为第n组第j项指标对于第k种评语的隶属度；xnj为第n组第j个状态评估指标。

2.4 劣化度矩阵的建立

劣化是通过对稳定性评价指标的改变来反映稳定控制系统中每一个组件的损耗。从反映正常、轻微退化、严重退化直至失效的角度来看，有两种劣化情形：一是状态评估指标值逐渐增大超过上边界值的劣化；二是在评价指标数值降低时，随着退化的加深，各指标对稳定控制系统的作用也随之增大。因此，必须构造劣化指标矩阵，对各指标之间的关联性进行调整［6］。

利用上向劣化指标和下向劣化指标对退化指数进行了建模，得到劣化程度。对于向上劣化指标，使用下列方法来计算劣化程度：

式中，c（xij）为第i组第j项状态评估指标劣化度；xij为第i组第j项状态评估指标；为第j项状态评估指标正常范围边界值；xi0为第i组状态评估指标正常范围边界值；xjmax为第j项故障范围上边界值。

针对下向劣化指标，采用以下方式计算劣化度：

进一步得到劣化度矩阵为：

2.5 实时状态评估指标数集的计算

根据各个指标对稳定控制系统的作用会随着退化而变化的特点，构建了变量的加权矩阵W：

式中，wj为第j项指标的综合权重。

进一步通过加权计算得到实时状态评估指标数集B为：

式中，Bk为第k种评语所对应的实时状态值。

选择B中最大的数值，以其作为评价指标，得到稳定控制系统的性能。

3 结束语

随着特高压交直流混联电力网络的大规模发展，电力网络中存在着大量的稳定性与可靠性问题，如何保证电力网络的可靠性是亟待解决的问题。以指标等级为基础的状况评价系统，使各指标间的关联性得到了较好地体现，对各指标的综合评价更为详细；采用熵值法对各指标进行赋权，以确保各指标的客观分布；通过对退化程度变量权重及从属关系的修改，使评价模型在实际工况下具有较强的普适性。该方法对稳定控制系统的工作状况进行了较为精确的评价，为稳定控制系统的安全稳定控制工作奠定了理论基础。