智能化输电断面极限管理及在线动态校核系统研究与开发

李建，郭剑，孙才峰，顾健辉，王彬，胡鑫

（1.国网四川省电力公司，四川成都 610041；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 211106）

智能化输电断面极限管理及在线动态校核系统研究与开发

李建1，郭剑2，孙才峰2，顾健辉2，王彬1，胡鑫1

（1.国网四川省电力公司，四川成都 610041；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏南京 211106）

为了提升断面稳定限额管理的实用化水平，结合四川电网断面极限管理现状与特点及自动化系统需求，提出了基于已有自动化系统统一支撑平台一体化构建智能化输电断面极限管理及在线动态校核系统的实现方案，并阐述了断面限额管理、断面限额在线监视与告警以及断面极限功率可行区间计算功能及其实现需要采用的关键技术。该系统已在省调得到应用，为稳定断面极限在线管理提供技术支撑。

控制限额模型；稳控系统；控制限额识别；极限功率；可行区间

“十二五”期间，国家电网将基本建成以“三纵三横”特高压电网为骨干网架的交直流互联大电网，全网电气联系日趋紧密，电网运行特性更为复杂化，断面间耦合关系更加密切，安全稳定水平相互关联。清洁能源的大规模消纳，电网运行方式及其安全稳定特性快速变化，输电设备有效利用和新能源电源大规模接入的压力不断增大，需要消除电网安全稳定方面的瓶颈才能实现资源大范围的优化利用[1-3]。

四川电网作为我国西南的重要水电能源基地，已经形成远距离、大规模交直流混合送端电网，一方面，需要汇集大型能源基地电力保证外送容量；另一方面，需要为当地负荷供电，支撑本地电网安全稳定可靠运行，因而对电网运行分析与控制决策提出了更高的要求[4-6]。特别是大规模水电送出串并联通道输送能力的交互影响对电网安全稳定运行至关重要。

随着电网在线安全稳定综合防御系统、智能电网调度控制系统（D5000）以及其他自动化系统的建设，为调度人员全面准确地掌握电网安全运行特征信息和洞察电网运行态势创造了良好的技术基础和条件。对于断面稳定限额管理，目前生产运行中稳定断面监控基于“离线计算，在线监测”模式实现，通过自动化手段实现断面稳定限额的在线监视和越限告警功能；但是在线运行时，没有提供手段对离线制定的断面稳定限额进行在线滚动计算和校核，检查其是否能够确保电网安全稳定运行[5-8]。同时，在对断面稳定限额建模时未全面考虑对断面稳定限额影响的重要因素（如稳控投退和温度变化等）[4]，不能准确地描述实际电网的断面稳定限额。所以迫切需要有效的技术手段实现断面稳定限额的全面结构化建模，并能够对离线制定的断面稳定限额进行在线校核和滚动计算[9-11]。

本系统的建设以提升断面稳定限额管理的实用化水平为目标，基于已有自动化系统统一支撑平台构建，实现稳定断面极限的规范化建模、在线化监视和自动化校核，为稳定断面极限管理各个环节不同岗位的使用人员提供辅助支撑。

1 系统架构

本系统基于智能电网调度控制系统一体化建设，结合自身特点及相关功能指标要求，包括基础功能和高级功能，其中基础功能包括断面限额管理和断面限额在线监视与告警，高级功能是断面极限功率可行区间计算。软件配置如图1所示。

图1 软件配置图Fig.1 Software configuration

本系统硬件配置方案遵守D5000系统总体设计原则，断面限额管理功能属于调度管理类应用[5-6]，部署在安全Ⅲ区，共享OMS应用的硬件设施；断面限额在线监视与告警和断面极限功率可行区间计算功能属于实时监控与预警类应用，部署在安全Ⅰ区[5-6]，复用在线安全稳定分析应用的硬件设施。

2 关键技术

2.1 断面限额维护

以WEB形式提供限额管理界面，通过一定的权限控制实现不同角色对断面限额模型数据的编辑维护，流程审批和限额同布等管理流程。根据实际电网运行控制的要求，稳定断面限额分为长期限额和临时限额，其中临时限额根据具体需求又分为检修临时限额和调度临时限额，限额管理功能要支持各类限额的编制、审批和同步等维护功能。

2.1.1 限额编制

限额编制功能支持220 kV及以上电网的稳控断面限额的维护。支持断面数据的编辑、断面送端方向的定义[12-13]。基于模型数据和提供的公式编辑规则，支持线路、变压器、稳控系统、功率和断路器等设备运行方式和监控要求的公式表达，无法用公式表达的支持备注说明。支持设置季节相关的限额。在完成限额编制后，能够对已编制的限额进行查阅修改。能够支持按断面名称、设备名称、所属地区等分类进行查询，支持对已有限额数据信息的修改、复制和删除等基础功能操作。支持将编制的限额以WORD、EXCEL等办公软件支持的文件格式导出。

2.1.2 限额审批

限额同步前需要报批审核。当完成限额编制后，需要提交给相关负责人审核，待审核确认无误经批准获得同步权限后，才能够同步到安全Ⅰ区。根据限额类型的不同，审批流程分为长期限额审批、检修临时限额审批和调度临时限额审批。

以长期限额审批流程为例：方式部门限额维护人员按照丰枯期运行规定编制长期限额，编制完成后，选择需要流转的限额数据，触发进入流转过程。方式处处长对本部门编制的长期限额进行审核，确认无误后进行限额流转发送，限额进入下一个流转节点。长期限额最终流转到调度处主任节点，主任对限额审核通过后，可以启用限额。审批流程如图2所示。

图2 长期限额审批流程Fig.2 Long-run limit approval process

2.1.3 限额同步

断面限额维护功能中已经完成审批的限额数据，按照规范要求生成指定格式的断面限额描述文件，通过隔离装置传输到安全Ⅰ区，由安全Ⅰ区相关程序进行解析处理。断面限额文件完成解析后生成解析结果标志信息并由Ⅰ区隔离装置将结果返回给安全Ⅲ区，断面限额维护功能检测到解析结果标志信息后进行解析，由维护人员确认。

2.2 断面限额在线监视与告警

2.2.1 断面限额解析

断面限额解析功能部署在安全I区，解析从安全Ⅲ区同步而来的限额描述文件，完成文件校验和数据入库。

1）限额描述。限额描述文件包括：断面组成、控制限额、运行方式、时间有效范围、监控约束、限额类型优先级以及备注文字七大类元素。最终形成的限额描述文件包括优先级设定、断面组成与断面送端信息定义、限额E表结构数据组成。限额解析需要处理限额描述文件中的关键字、逻辑关系词、运算符、函数、表达式和E表结构。以“函数”为例，支持的函数类型如表1所示。

表1 函数表Tab.1 Function list

2）数据库建模。限额解析功能对限额描述文件进行解析之后，需要对解析出的内容进行持久化处理，并与支撑平台进行一体化存储，因此针对限额描述文件内容的存储进行数据库建模，能够结构化的存储限额内容。断面限额数据库存储建模遵循以下3点原则：①断面限额数据相关表要能满足断面限额编制要求。②限额存储模型基于结构化的方式建模，非结构化数据作为单独元素进行存储。③断面限额存储模块要支持为断面限额自动匹配、实时计算与实时修正等功能提供基础数据。

依照①～③设计原则，在系统设计过程中对限额模型相关的断面组成、控制限额、运行方式、时间有效范围、监控约束、限额类型优先级、备注文字等限额关键信息进行了抽象归纳，最终设计3张数据库表：断面限额表、断面信息表和公式表。这3张表之间通过关键字互相引用关联。

2.2.2 断面限额快速识别

在设备工况或者稳控装置运行状态发生变化之后，必须要能够快速响应系统运行状态的变化，高效搜索匹配出正确的限额。限额的快速识别需要从2个方面进行研究，分别为设备状态的快速判定和限额匹配方式的快速解析[7]。

1）设备状态快速识别。对所有启用状态中的限额数据进行预处理，对限额识别过程中所需要读取的设备状态信息进行汇总，当需要读取设备状态时候，只读取此部分相关的设备记录。减少设备模型库中相关设备的状态信息读取范围，只读取需要的状态量。对读取到的设备状态数据在内存中按设备类型分类并做排序映射处理，加快最终调用接口的设备状态检索速度。

2）约束条件快速解析。约束条件由表达式解析引擎完成解析和计算，由运算符、函数等表达式组成单元组成。表达式解析引擎的执行流程如图3所示。

图3 方式约束解析引擎Fig.3 Constraint resolution engine

词法分析将表达式分隔成一个个词法单元（token），即单词。这些单词包括基本运算符、关键字、分隔符和操作数，也可能包含扩展的函数。其中运算符，分隔符（括号），扩展函数在表达式引擎内部都定义了不同的优先级，以支持对运算符优先级的正确识别。

后缀表达式（又叫逆波兰式）是一种不含括号的表达式，并且运算符放在操作数后。对于一个后缀表达式的求值而言，所有的计算按运算符出现的顺序，严格从左向右进行。表达式解析引擎在对输入约束字符串完成词法分析的基础上，按调度场算法（shunting-yard algorithm，SYA）生成后缀表达式栈。

在完成词法分析并且生成后缀表达式栈后，通过扫描后缀表达式栈完成对表达式的求值计算。

2.2.3 断面限额确认

针对断面限额自动识别模块识别出与电网当前运行状态匹配的断面限额信息，可通过自动或者人工方式进行确认[14]。在自动确认模式下，无需人工干预，按照约定的选取原则（如优先级等）自动完成断面限额确认并进入到限额发布环节。当运行在人工确认模式时，提供限额确认工具由调度运行人员对限额变化信息进行手工确认。

限额确认工具自动识别与电网当前运行状态匹配的断面限额最新信息，并与目前已正式使用的断面限额信息进行比对，识别出差异信息；针对限额差异信息，弹出确认画面，详细列出每个断面的限额的变化信息由调度运行人员进行确认。

2.2.4 断面限额发布

限额数据的交互基于D5000平台统一的服务总线交互接口，将调度员已经启用断面当前限额信息提供给SCADA应用使用，具体支持请求/响应和订阅发布2种模式。

1）请求/响应模式。SCADA应用作为客户端，周期性向DSA应用请求指定的一个或多个断面的限额信息，DSA应用收到请求报文后返回指定断面集的限额信息。断面限额信息的更新由SCADA应用的请求报文触发。数据交互流程如图4所示。

图4 请求/响应模式数据交互流程Fig.4 Request/response mode data interaction flow

2）订阅/发布模式。SCADA应用作为客户端，初始化时向DSA应用订阅断面限额信息。DSA应用检测到断面限额发生变化后，主动向SCADA应用（所有订阅断面限额信息的应用）返回当前在线考察断面的限额信息。断面限额信息的更新由DSA应用根据断面限额信息是否发生变化主动触发。数据交互流程如图5所示。

图5 订阅/发布模式数据交互流程Fig.5 Subscribe/publish mode data interaction flow

2.2.5 断面限额监视和统计

限额发布模块把当前系统限额推送给SCADA应用之后，SCADA应用模块接收限额数据，并在监视画面进行展示。断面监视预警界面以列表等多种形式展示。主要信息包括断面名称、断面当前潮流、断面稳定限额、断面当前潮流与稳定限额差值、电压等级、所属区域、越限程度等信息，并支持按照各种信息的排序。

限额监视功能设定越限告警范围，当限额越限超过设定阈值后，监视功能画面会给越限限额标记红色进行告警提示。监视功能会定期采集当前的限额与实际断面传输功率信息，用于后期统计分析。

2.3 断面极限功率可行性区间计算

计及静态和暂态安全稳定约束的断面极限功率可行性区间计算，是指对指定的断面进行满足静态和暂态安全稳定约束的负荷极限可行区间计算，首先，根据安全稳定分析结果进行极限搜索关键调整方式识别，分别确定静态和暂态对应的最危险调整方式和最安全调整方式；其次，基于分布式计算机群采用断面极限功率集群计算方法实现指定调整方式的断面极限功率计算；最后，对静态和暂态的最危险调整方式对应的断面极限功率、静态和暂态的最安全调整方式对应的断面极限功率分别按照极小值原则进行合并处理，从而最终确定断面极限功率的可行区间。

2.3.1 关键调整方式识别

断面极限搜索关键调整方式包括最危险调整方式和最安全调整方式，其自动识别的步骤如下：

1）针对电网当前运行方式，采用暂态功角稳定量化评估方法和暂态电压安全稳定量化评估方法对计算断面暂态安全稳定考核故障集中每个故障分别进行暂态安全稳定评估，得到每个故障的暂态功角稳定模式（暂态功角稳定裕度、发电机的主导分群模式、临界发电机群和余下发电机群中各台发电机的参与因子）和暂态电压安全稳定模式（暂态电压安全稳定裕度、负荷参与因子）。

2）依据发电机、负荷的参与因子、功率对指定断面考核故障的暂态功角稳定裕度、暂态电压安全稳定裕度计算出每台可调发电机、每个可调负荷对指定断面功率极限的影响因子。

3）根据发电机和负荷对指定断面功率极限的影响因子，确定用于计算断面功率暂态极限区间下限（最小值）对应最危险调整方式的送、受端发电机和负荷的调整方案。

4）根据发电机和负荷对指定断面功率极限的影响因子，确定用于计算指定断面功率暂态极限区间上限（最大值）对应最安全调整方式的送、受端发电机和负荷的调整方案。

2.3.2 断面极限功率集群计算

为了解决大规模电网极限功率计算量大的问题，基于分布式计算管理平台采用断面极限功率集群计算方法[8]，具体步骤如下：

1）管理节点根据给定的断面传输功率预先指定调整方式中可调机组和负荷空间确定断面传输功率的搜索上限和搜索下限，对于断面考核的每一个故障，结合可用的计算单元的数目，将断面传输功率分成多个档位，对每个档位生成计算任务的控制文件。

2）计算节点获取计算任务后，从控制文件中读取调整空间信息、断面信息和断面功率需要控制的目标数值；根据控制文件中指定的调整原则和方法，调整各发电机的出力和负荷使稳定断面的功率达到指定的档位，计算该功率档位下考核故障的静态和暂态安全稳定评估，计算完成后将计算结果返回给管理节点。

3）管理节点对回收的所有档位的计算结果进行分析，将各个断面临界稳定的档位判断为断面极限的功率档位；根据断面的极限功率档位和搜索下限，针对校核故障按照调整精度划分校核档位，生成校核任务的控制文件。

4）计算节点获取校核任务后，调整各发电机出力和负荷使稳定断面的功率达到校核档位，进行此运行方式下校核故障的安全稳定评估；计算完成后将计算结果返回管理节点。

5）管理节点对回收的所有档位的计算结果进行分析，确定满足所有校核故障安全稳定约束的档位为断面极限的功率档位。

3 实际应用

目前，结合本文研究内容与四川电网的运行现状，已经基于统一平台研发和部署了智能化输电断面极限管理及在线动态校核系统，并且接入了实际的断面限额，完成了限额编制、审批、同步、解析、识别、确认和发布的所有环节。在实际的生产环境中，启用的断面限额数据发送到SCADA应用后，实时统计断面的实际传输功率，对于重载和越限的断面通过不同颜色进行标记警示。断面极限功率可行性区间计算功能评估得到可行性区间的上、下限，与安全稳定断面在线极限同以棒图并列对比显示，直观地给出了可行性区间范围。

4 结语

本文基于智能电网调度控制系统统一支撑平台构建了四川电网智能化输电断面极限管理及在线动态校核系统，遵循D5000统一的标准，在充分利用已有设备和基础平台的情况下，通过规范化的限额描述方法实现稳定断面控制限额的统一建模，根据当前系统工况快速搜索出匹配的限额数据，并支持通过标准化交互接口提供给第三方应用。在此基础上进一步实现了断面极限功率可行性区间计算，为断面限额的在线监视和管理提供了有力技术支撑手段，有效提高了电网的安全稳定运行水平。

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（编辑 董小兵）

Research and Development of Intelligent Transmission Interfaces Limit Management&On-Line Dynamic Verification System

LI Jian1，GUO Jian2，SUN Caifeng2，GU Jianhui2，WANG Bin1，HU Xin1
（1.State Grid Sichuan Electric Power Company，Chengdu 610041，Sichuan，China；2.NARI Technology Development Limited Company，Nanjing 211106，Jiangsu，China）

To improve the practical level of transmission interfaces limit management，in view of the current situation and the characteristics of the interface limit management as well as the requirements of the automation system in the Sichuan power grid，this paper proposes a solution to build the intelligent transmission interfaces limit management and on-line dynamic verification system based on the existing automation system.Furthermore，the paper expounds the key technologies as needed for realization of the interfaces limit management function and the on-line monitoring and calculation of the transmission limit feasible interval.The system as described in the paper has been put into use in the provincial power dispatching center and rendered reliable technical support for the on-line management of the interfaces limit.

control limit model；stability control system；control limit identification；power limitation；feasible interval

2016-01-12。

李 建（1977—），男，博士，高级工程师，主要从事电网调度运行管理技术研究工作；

郭 剑（1982—），男，硕士，工程师，主要从事电力系统及其自动化相关研究工作；

孙才峰（1982—），男，硕士，工程师，主要从事电力系统及其自动化相关研究工作；

顾健辉（1981—），男，硕士，工程师，主要从事电力系统及其自动化相关研究工作；

王 彬（1982—），男，硕士，工程师，主要从事电网调度运行管理技术研究工作；

胡 鑫（1979—），男，硕士，高级工程师，主要从事电网调度运行管理技术研究工作。

国家电网公司科技项目“适应多级调度的协同在线安全稳定防御关键技术深化研究”；国网四川省电力公司科技项目（521999130JX0）。

Project Supported by the Science and Technology Project of SGCC“Deepening Research on Key Technologies of Cooperative Online Security and Stability Defense Adapting to Multilevel Scheduling”；Science and Technology Project of State Grid Sichuan Electric Power Company（521999130JX0）.

1674-3814（2016）12-0057-06

TM734

A