王仲達1，錢江峰1，劉慶程1，謝 旭2
(1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京211106；2.國家電網公司華北分部，北京100053)
摘 要： 以地區電網備自投監視和局部區域智能恢復供電為目標，結合華北地區電網供電恢復決策系統的建設，對該項目的設計思想及實現方法進行了介紹。該系統主要圍繞“供電恢復決策生成”、“供電恢復決策分析”這兩個技術特點，從實際地區電網的供電智能恢復的整體設計框架、故障定位、決策生成、決策分析等方面對整個系統的設計方法和思路進行了闡述。同時介紹了主站端站內備自投的建模及監視方法，以及系統建成后的供電恢復過程。
關鍵詞： 調度自動化；供電恢復；風險分析，安全分析及策略校正；備自投裝置
0 引言
隨著智能電網的實施，電網調度以及調控一體化逐步推進，電網運行的可靠性仍然是研究的重點課題。當今社會對于供電可靠供應的要求越來越高。為了減小停電面積、縮短停電時間，提高電網運行可靠性，智能恢復供電決策系統的建設勢在必行。
傳統的站內備自投裝置是恢復供電的一種有效手段，獲得了廣泛的應用。但備自投裝置邏輯簡單，功能單一，只能滿足站內特定接線方式下的局部供電恢復要求。因此，從整個電網的角度來考慮，站內備自投恢復供電的決策存在固有的局限性[1-4]。為解決上述問題，已經有許多關于主站備自投自動恢復供電的研究[5-8]。這類研究彌補了站內備自投供電恢復的局限性，很好地解決了針對串供接線方式下失電負荷的自動恢復問題，但是，這類主站備自投仍存在一些問題。首先，主站備自投雖然由主站系統實現，但從實現上基本遵循站內備自投的設計邏輯，沒有充分發揮主站系統的優勢，某種程度上孤立于主站調度系統的高級應用功能之外，未能充分利用現有調度自動化的數據和應用資源；其次，主站備自投適用的接線方式很有限，只能應對最簡單的串供接線方式，限制了使用范圍，且缺乏智能性；最后，只能應對單一故障，在極端多重故障情況下缺乏對策，難以保證有效處理及可靠動作。
本文提出了地區電網供電恢復決策系統，突破傳統備自投在恢復供電領域的設計觀念，同時考慮到備自投對局部電網恢復供電的影響，以故障定位和斷電負荷分析為出發點，采用廣播原理的電源點追溯的方式，結合電網的安全校核及風險分析技術，最終實現供電恢復的最優決策方案。它對拓展現有調度自動化系統的功能、實現故障情況下的供電自動恢復、提高主站系統的智能化水平具有重要意義和使用價值。
1 供電恢復的整體設計架構
系統設計的功能框架由以下2個環節組成：（1）決策生成單元，針對電網發生的故障信息，計算給出全部可行的決策方案；（2）決策分析單元，對給出的決策方案逐一進行系統安全評估，其中包括風險分析、安全校核，并以人工選擇調整的方式實現人工決策。其系統結構如圖1所示。
決策生成單元主要包括以下4個方面，（1）故障診斷功能，根據主站數據采集及監控系統的數據信息，判斷電網是否有故障發生，并正確給出故障點的位置；（2）站內備自投監視功能，讀取備自投模型庫，分析判斷備自投動作情況；（3）停電范圍分析，根據故障設備進行拓撲分析，找出故障引起的全部失電負荷；（4）決策生成，查找恢復供電通路，給出供電恢復的全部決策。
決策分析單元主要包括以下3個方面，（1）對生成的全部決策進行安全校核，并給出對應的電網薄弱環節預警；（2）對生成的全部決策進行風險分析，并給出電網運行的風險預警；（3）用戶根據運行經驗及決策分析，人為調整決策方案。
2 供電恢復決策生成
圍繞“供電恢復決策生成”這一技術核心，系統解決了一系列的技術難題，基于電網當前的拓撲結構及運行方式，以電網設備的故障或操作的實際情況作為分析的出發點，考慮站內備自投裝置的動作情況，結合故障診斷的分析結果，以最快、最合理的方式給出供電恢復的最佳策略作為該課題的核心任務之一。
2.1 故障定位的實現
如圖2所示，系統采用分類故障診斷模式，結合當前電網的現狀，調度自動化系統接收站端的消息按時間優先級以及適應性可分為三類：第一類為數據采集與監控系統的遙信信號，作為開關狀態診斷數據源；第二類為站端傳送的SOE信號，作為SOE信息診斷數據源；第三類為站端傳送的保護信號，作為保護信息診斷數據源。根據上述對信息的具體分類，信息綜合判斷單元結合三類信息最終生成故障定位信息，并為決策的生成提供基礎的分析條件。
2.2 站內備自投的建模及監視方法
站內備自投往往分為負荷端備自投以及出線備自投。負荷端備自投適用的接線方式比較固定，如圖3所示即為典型負荷端備自投適用的接線方式。而出線備自投往往根據地區電網的接線方式自定義備自投邏輯，所以安裝比較靈活。
從備自投裝置的實現邏輯上來看，備自投裝置分為3個環節，其一是裝置啟動條件的檢測環節，其二是裝置動作出口環節，其三是備自投閉鎖環境。根據備自投裝置實現的邏輯，在主站端可以自動生成負荷備自投模型以及人工輸入出線備自投模型，并與廠站備自投裝置形成映射對應關系。
站內備自投監視的主要目的在于使恢復供電決策的計算更為準確、合理。當電網發生故障或人為操作后，可能會導致部分地區負荷的斷電，而此時備自投如果滿足啟動條件則會自動恢復部分負荷的供電。所以，當備自投裝置動作完成后，電網潮流以及停電范圍分析才是合理、準確的。
2.3 停電范圍分析
本文采用廣義模型結構矩陣的方式表達電網的運行方式。將無阻抗元件（如開關、刀閘、母線）定義為廣義節點，把阻抗元件（如線路、變壓器、電容電抗器）定義為廣義支路，最終電網的接線方式及運行方式描述為節點和支路的拓撲矩陣，可大大提高拓撲搜索的效率。
由于地區電網基本是輻射狀的，從故障設備拓撲分析其向下連接的所有節點，并綜合考慮備自投裝置恢復供電的部分負荷，停電范圍即可確定。
2.4 決策生成
基于廣域拓撲搜索的方法可以找到失電廠站恢復供電的全部路徑，具體的優化方案采用遺傳算法，在滿足約束條件的前提下使目標函數最小。恢復過程本質上通過一系列開關變位來實現，全部為離散化操作。首先對全網開關拓撲編號，使開關都有一個含拓撲信息的編號，恢復過程的每一步動作都是相應編號開關的變位，以此為基礎實現染色體編碼。同理，已知初始狀態和開關編號方式，也很容易從染色體中的任意位置解析出恢復過程中的電網狀態。具體的目標函數可以表示為下式：
同時，恢復過程需要滿足如下約束條件：
（1）動作有效性約束，即每一組開關動作完成后，系統要么恢復更多的供電區域，要么使網絡結構更加合理。絕對不會在一組動作結束后使運行情況惡化，更不會使帶電設備失電。
（2）故障的隔離約束。即在整個恢復過程中都不會對故障設備充電，以免造成保護再次動作，產生難以預知的后果。
（3）潮流約束。即整個恢復過程中保證任意設備潮流值不越過事故限值，避免設備后備保護動作。
3 供電恢復決策分析及調整
供電恢復決策的確定必須考慮電網運行的安全性以及潛在的風險。所以，需要根據初始供電恢復決策預先進行風險分析和安全校核，如果初始決策不滿足電網運行的安全性要求，系統必須進行決策修正，直至滿足電網運行的安全要求為止。
本文從風險分析以及安全校核兩個方面進行供電恢復決策分析，并根據分析結果，利用安全校正控制單元，最終給出最為合理的供電恢復決策方案。供電恢復決策分析及調整結構如圖4所示。
3.1 風險分析
運行風險指電網在某些特殊的運行方式下可能由于操作或故障導致局部停電且無法短時間內恢復的情況。根據系統設計的實際情況，本文所述的特殊運行方式包括串供運行、負荷單主變運行、負荷單母線運行以及負荷單電源運行。如串供運行的電源端發生故障，其受電的所有廠站將發生斷電，這種運行方式的供電恢復邏輯較為復雜，無法通過站端配置備自投裝置的方式實現自動恢復供電，所以串供運行是電網運行可靠性很低的運行方式之一，串供運行方式如圖5所示。
風險分析是基于決策方案進行全網拓撲結構分析，預先找出決策方案執行后電網可能存在的風險點，為用戶提前掌握電網運行的風險及進行方案調整提供依據。
3.2 安全分析及校正控制
系統基于決策方案對電網進行狀態監視、安全分析和潮流計算，實現對電網運行狀態的多側面的預案分析，并找出電網運行預案的薄弱環節，為安全校正策略的生成提供校正目標。同時結合靈敏度分析軟件和校正控制軟件進行控制策略調整。
對于220 kV及以上電壓等級電網和110 kV及以下電壓等級輻射電網，由于運行方式不同，具有不同的校正控制手段。高壓環網支路越限或斷面越限矯正控制是基于靈敏度計算并結合規劃方法，給出發電機、負荷調整的方向性建議；針對地區低壓輻射網有效地調整手段通常為調整電網運行方式，實現不間斷供電方式下的消除越限。
4 實用化實現
該軟件已經在華北多級調度一體化仿真系統進行了運行試驗，并對地調電網部分220 kV變電站進行了故障模擬測試，系統自動進行故障定位、失電區域分析并最終給出優化后的決策方案。以圖6為例說明整個試驗過程。
該局部電網包括三個220 kV變電站和兩個110 kV變電站。為了便于理解，220 kV變電站為電源端，110 kV變電站為負荷端，運行方式如圖6所示。此時，220 kV變電站1是110 kV變電站4的供電電源，并存在一個備用電源，即220 kV變電站2。測試方案是設置220 kV變電站母線故障，110 kV變電站4全站失壓，系統供電恢復決策步驟如下。
（1）根據系統通道信息接收到的開關變位信號、模擬SOE信號以及繼電保護信號進行故障定位，確定故障設備是設置220 kV變電站1母線。
（2）進行網絡拓撲分析，搜索到斷電負荷為110 kV變電站4全部負荷。
（3）備自投監視單元啟動，讀取失電廠站備自投模型，分析判斷是否具備條件，由于開關106和開關109均處于合閘狀態，不滿足啟動條件。
（4）自動生成恢復決策，初始決策方案是斷開106開關、合上108開關。
（5）風險分析，遍歷全網無特殊運行方式，滿足方案運行條件。
（6）安全分析及校正控制，分析結果是線路4過載，在初始決策方案的基礎上進行校正，合107開關及116開關。
5 結束語
本文提出電網供電恢復智能決策及管理系統設計方案，具備智能性、安全性、使用維護的方便性等特點，可以大幅度提高電網安全可靠性。系統集成在調度自動化系統的基礎上，充分利用全網數據信息及應用環境，以故障驅動應用的模式自動完成故障定位、恢復策略生成、備自投建模及監視、風險評估、安全校核，并自動給出供電恢復最佳策略，為調度運行人員提供處理事故的指導工具。具有良好的推廣應用前景，目前已在地區級電網投入了試運行。
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