电网运行状态监测与预警系统

崔梦璐

（国网冀北电力有限公司廊坊供电公司，河北 廊坊 065000）

0 引 言

电力系统作为现代社会的基础设施，其安全、稳定的运行关系到社会经济的正常运转。然而，随着电力系统规模的扩大和技术复杂性的增加，电网运行状态的监测与预警显得越来越重要。如何有效进行电网运行状态的实时监测，准确预警可能出现的风险，是当前电力系统运营管理面临的重要挑战。

1 电网运行状态监测的基本理论与技术

1.1 电网运行状态评估的基本理论

电网运行状态评估作为电网运行管理的核心环节，主要依赖于电网状态估计理论和电网稳定性分析理论。电网状态估计理论通过应用最小二乘法、加权最小二乘法等数学方法，处理电力系统运行测量值，以估计电网的状态变量，如节点电压幅值、相角等。这样可以全面掌握电网的实时运行状态，为电网运行的决策提供精确的依据。电网稳定性分析理论则专注于电网在受到各种扰动（故障、负荷变化等）后的反应，主要研究电网是否能保持运行参数在正常范围内变化，或在扰动消失后是否恢复到稳定运行状态[1]。暂态稳定性分析、小扰动稳定性分析和电压稳定性分析等都属于稳定性分析的范畴，且其结果是电网预警系统发出预警信号的重要依据。

1.2 电网运行状态监测的关键技术

电网运行状态监测的关键技术主要包括数据采集技术、数据处理技术和状态评估技术。

1.2.1 数据采集技术

对电网的运行参数进行实时、准确、连续的采集是状态监测的基础。如使用传感器对电压U、电流I、频率f等进行采样，采样频率需要满足奈奎斯特采样定理，即采样频率fs至少为信号最大频率fmax的2倍，以保证信号的正确还原，即

1.2.2 数据处理技术

数据预处理通常包括滤波、归一化等操作。例如，对电流信号I进行归一化处理，即

式中：Imin和Imax分别为电流信号的最小值和最大值。

滤波通常使用如低通滤波器，其传递函数为

式中：fc为截止频率；j为虚数单位。

1.2.3 状态评估技术电网的实时状态通常由一组复杂的非线性方程来描述，而状态估计就是求解这些方程。最常用的方法是基于牛顿-拉夫森方法的最大似然估计，求解目标函数，首先写出样本的似然函数，再进行对数化处理，得到对数似然函数，再进行参数求解，过程较繁复，在此不作赘述。

2 电网运行状态预警系统设计

2.1 系统架构设计

在设计电网运行状态预警系统的架构时，需要考虑系统的功能需求、性能要求以及系统的可扩展性。一个典型的电网运行状态预警系统可能包括如图1所示的几个部分，重点介绍以下几层。

图1 电网运行状态预警系统架构

（1）数据采集层。这一层的主要任务是从各个监测点收集电网的运行数据，如电压、电流、频率等，并将这些数据通过网络传送到数据处理层。数据采集层需要有足够的带宽以支持大量数据的实时传输，同时需要有较高的可靠性保证数据的完整性。

（2）数据处理层。数据处理层负责对收到的数据进行预处理，包括数据清洗、数据转换、数据整合等操作。这一层需要有强大的数据处理能力，能够快速处理大量数据。

（3）数据分析层。这一层负责对处理后的数据进行分析，包括运行状态评估、异常检测、故障预测等。数据分析层需要使用各种先进的算法和模型，因此需要有强大的计算能力[2]。

2.2 数据采集与处理模块设计

数据采集的主要目标是从电网系统中收集各种运行数据。这些数据通常由位于电网各节点的传感器提供。因此，传感器的选型与部署尤为重要。本研究选择的传感器类型等信息如表1所示。

表1 传感器的选型与部署

在数据采集模块中，各种传感器实时采集电网运行状态参数，如电流、电压、温度以及频率等，然后将这些数据通过有线或无线方式发送到数据处理模块。

一方面，数据处理模块需要进行数据预处理，包括数据清洗和数据格式转换。数据清洗主要是对数据进行异常值检测和处理，如使用三西格玛原则进行异常检测。异常值处理可以根据具体情况选择删除、插值等方法。数据格式转换主要是将收集的各种格式的数据统一为可以进行数据分析的格式。

另一方面，数据处理模块需要进行数据聚合和数据分析。数据聚合是根据需要将数据进行适当的统计和汇总，如统计每分钟、每小时或每天的平均电压、最高电流等。数据分析则需要根据电网运行的特性和需求，使用各种统计分析方法和数据挖掘方法，如时间序列分析、关联规则分析、聚类分析等，对电网运行状态进行深入研究[3]。

例如，如果使用时间序列分析，可以采用自回归移动平均模型进行描述。该模型的一般形式为

式中：Xt为时间t的数据；αi和βi为参数；εt为时间t的误差项。

2.3 用户交互与信息展示模块设计

用户交互与信息展示模块设计是电网运行状态预警系统的重要组成部分，目的是以直观、有效的方式向用户提供电网的运行状态信息，并接收用户的操作指令[4]。

在用户界面设计中，需要考虑信息的展示方式。一般来说，电网的状态信息包括各种电气参数（电压、电流、频率等）、设备的工作状态、系统的运行状态等。这些信息应该以直观易懂的方式展示给用户，以帮助他们快速理解电网的当前状态。这可以通过图表、图像、报表等方式实现。例如，可以用报警列表展示系统的预警信息等，如图2所示。

图2 用户交互与信息展示示例

同时，为方便用户对电网进行操作和管理，用户界面需要提供各种操作功能，如设备的远程控制、参数设定、故障处理等。这些操作功能应该设计成易于使用的方式，如按钮、菜单、对话框等。

3 电网运行状态预警系统的实施与应用

3.1 系统实施步骤与要点

实施电网运行状态预警系统的过程需要遵循一系列关键步骤。首先，在需求分析和系统设计阶段，深入理解电网运行特点和需求，明确系统主要功能和性能指标，并完成系统架构和各模块设计，确保满足实时性、稳定性、可靠性和易用性等应用需求。其次，在系统实施和调试阶段，通过编写测试软件程序、安装调试硬件设备等方式，采用功能测试、性能测试、压力测试和稳定性测试等多角度验证，确保系统性能和稳定性。再次，进入系统运行和运维管理阶段，对系统进行运行监控、性能优化、故障处理和定期维护更新，同时建立完善的运维体系和管理机制，以保障系统的持续正常运行[5]。最后，通过对系统运行效果的评估，包括系统性能、稳定性、可靠性和用户满意度等指标，根据评估结果对系统进行优化和改进，进一步提升系统的整体性能。

3.2 系统应用效果与案例分析

实践中，该电网运行状态预警系统已经在多个电网系统中得到应用，并取得了显著效果。以某地区电网为例，实施该预警系统后能够实时监测电网的运行状态，及时发现异常，大大提高了电网的运行安全性和稳定性。在该地区电网运行中，预警系统成功捕获了几次关键的电网运行异常，通过对异常的快速响应，避免了可能发生的严重后果。

4 结 论

随着电力系统规模的扩大和运行方式的复杂化，电网运行状态的监测与预警成为保障电力系统稳定运行的重要手段。经过深入研究与实践，电网运行状态的监测与预警系统已经取得了显著进步，能够有效实现电网运行状态的实时监测、准确评估和及时预警，对于防止电力事故、提高电力供应可靠性具有重要意义。