输电网运行评估系统在福建电网的实现

刘铠诚，何光宇，陈睿，黄文英，邓兆云，邓勇

(1.清华大学电机系电力系统国家重点实验室，北京市100084;2.国网福建电力调度控制中心，福州市350003)

0 引言

为了使电网运行人员更加明确地了解输电网的运行状态，发现电网的薄弱环节，并更加有针对性地作出决策，我们需要构建一套输电网运行评估指标体系。

目前，许多专家学者已经从多种角度对指标体系进行研究，提出了指标体系的构建思路［1-3］以及针对单一评估目标的指标体系的构建方法［4-5］。本文作者基于这些研究，从结果和原因2个层面出发，提出了一套系统的输电网运行评估指标体系的构建方法［6］，详细阐述了结果评估中的外部需求评估指标集［7］和内部安全需求评估指标集［8］的指标选取方法。

基于本文作者在文献［6－8］中关于输电网运行评估指标体系的研究，本文针对福建电网这一具体的输电网，结合实际需求，构建符合福建电网实际情况的福建电网运行评估指标体系，用于评估福建电网的运行水平。为便于福建电网评估指标体系在输电网运行调度中的实际应用，开发了福建电网在线运行分析与辅助决策系统，对评估指标进行实时监控，在福建电网初步实现了在线综合分析与辅助决策。本文将基于普遍适用的输电网运行评估指标体系，阐述适用于福建电网的评估指标体系的构建，介绍福建电网在线运行分析与辅助决策系统的硬件架构、软件架构，并给出典型算例表明系统实际运行效果。

1 指标体系的构建

首先，根据福建电网的实际需求和采集数据的情况，基于文献［4］中提出的构建输电网评估指标体系的方法，选取福建电网最为关心的指标，形成福建电网的运行评估指标体系。

在选取指标的过程中，对其中的各个指标集，作了如下的考虑。

1.1 结果评估

结果评估分为对用户需求、发电企业需求、互联电网需求、社会需求等外部需求的评估以及对电网公司本身内部需求的评估，表1列出了结果评估的相关指标。

表1 福建电网运行评估指标体系结果评估指标集Tab.1 Effect evaluation index set of index system for Fujian Power Grid

(1)外部需求评估指标集。实际运行中，运行人员更关心外部需求在长时间段内总体的满足程度，在特定断面短时的电压、频率或功率在一定程度内的偏差是可以接受的。因而，外部需求评估指标集多数选取统计时间段内的评估指标:电压、频率等质量需求采用合格率、波动率指标评估;负荷、发电功率需求采用可靠率、发电计划完成率、弃水期装机满发率等指标;联络线功率根据评估时段的不同采用CPS1和CPS2指标［9］。根据福建电网的实际情况，不可调电源节点中，仅考虑风电节点的随机波动，为便于监测风电出力及时调控接纳，在短期内采用出力接纳比例评估。

(2)内部需求评估指标集。安全需求是否满足是调度运行人员最关心的运行情况之一。风险指标能够反映当前电网整体安全情况，并能够提示最有可能发生的故障和后果最严重的事故情况，提前预警调度人员。故有必要在当前断面和统计时间段内评估输电网的安全风险，计算电网安全风险价值指标和电网安全条件风险价值指标。系统的高效性水平一般更体现在统计时间段内，故高效需求评估中仅选取统计时间段内的指标，包括电能传输效率及环境成本2个方面。

1.2 原因评估

原因评估的基本方法为分解转化。分解即将结果评估中的表示长时间内、总体需求满足程度的指标，分解为短时间内、局部需求满足程度的指标。表2列出了各分解指标。由于满足外部需求本质上是满足各节点上的需求，对于电压需求、不可调电源功率需求，有必要采用节点指标评估局部情况，以便于调度人员掌握局部信息，根据运行情况及时作出调整，具体指标包括节点电压合格率、节点供电可靠率等等。此外，单情景的发生风险指示了最危险的某些情景，而设备的高效性指标可以为减少损耗的精细化管理提供依据。

表2 福建电网运行评估指标体系分解指标集Tab.2 Decomposition index set of index system for Fujian Power Grid

转化通常是对决策评估而言，针对单决策，给出了决策评估的指标集，如表3所示。根据福建电网的实际情况，外部需求中电源出力的波动仅考虑风电波动。外部需求的波动情况细化到负荷母线和风电节点处，以便于考察局部需求的变动。决策自身因素方面，考虑各决策周期上的控制决策，对AGC控制策略、经济调度策略、日前计划、月度运行方式、年度运行方式等设立定性指标进行评估，说明其决策执行情况及决策合理性。

表3 福建电网运行评估指标体系决策评估指标集Tab.3 Strategy evaluation index set of index system for Fujian Power Grid

2 硬件体系架构

福建电网评估的硬件体系结构包含以下几部分内容:应用服务器、数据服务器、客户端、福建电网FTP服务器和综合数据平台。

其中应用服务器用于进行指标的计算、分析，提供辅助决策等，共有2台，互为备用;数据服务器为用于存放所有指标数据以及系统相关的模型数据、参数数据等，也是共有2台，互为备用。这4台服务器为指标体系专用服务器。

福建电网FTP服务器和综合数据平台为福建电网已有服务器，用于为指标体系提供相关的数据支持。客户端为各部门人员的工作站或PC机，用以运行界面程序。

硬件体系架构如图1所示。

3 软件体系架构

项目软件主要分为后台数据支持和前台可视化2个方面的内容。其中后台基于OSGi［10］+SOA机制组织，而前台可视化则是基于Swing Java Builder、JFree Chart和Jide技术开发实现，后台与前台之间的数据交互通过HTTP+Hessian实现。后台框架基于以下2个目的进行组织:(1)计算、存储、读取指标，为前台可视化提供稳定的数据支持;(2)为辅助决策的事件机制［11］提供相关服务。

图1 硬件体系架构Fig.1 Hardware architecture

软件体系架构如图2所示，包括了数据库服务、指标缓存服务、指标查询服务、状态估计数据服务、调度作业服务、指标体系配置信息服务、事件信息管理服务、http服务和Hessian等多个相关服务，以下具体阐述其功能和实现方式。

(1)数据库服务。

本系统需要用到2个数据库服务:指标体系数据库服务，福建电网数据平台数据库服务。指标体系数据库服务是指标体系的专用数据库服务，提供的是针对系统内部数据库的读写，负责存储指标体系所需要的各种数据，所有前台可视化要展示的指标信息都要进入此数据库，指标体系的一些配置信息也由本数据库存储。福建电网数据平台数据库服务，负责处理指标体系与福建电网已有数据之间的交互，例如读取福建电网已有指标，读取计算指标所需要的一些基础数据等等。

(2)指标缓存服务。

指标缓存服务是指标体系运行效率的重要保证。将一些常用的指标信息放入内存，当前台可视化需要这些信息时直接返回相关数据即可，而不需要进行相关的数据库操作，这样能够节省大量的时间。

(3)指标查询服务。

指标查询服务是负责所有指标查询相关的功能。它直接与数据库服务进行交互，在应用层与数据库之间增加1层，一方面保证了数据库的安全稳定，另一方面也使得程序实现更加清晰。

(4)状态估计数据服务。

状态估计数据服务，定时读取福建电网FTP上的状态估计结果(E格式文件)，通过格式转换得到潮流断面等相关系统运行信息，对外提供数据接口，为高级应用提供数据支持。与之密切相关的是福建电网FTP资源，这是状态估计结果的提供平台。

图2 软件体系架构图Fig.2 Software architecture

(5)作业调度服务。

作业调度服务负责处理一些与时间相关的任务，例如指标的定时计算，状态数据的定时读取和处理等等。

(6)指标体系配置信息服务。

指标体系配置信息服务负责指标体系配置相关的数据服务，例如当前体系有哪些结果评估指标、分别对应着哪些原因评估指标，有哪些看板，各个看板分别包含哪些指标及其对象的相关信息。与之密切相关的是YAML格式的配置文件，它同时还与指标体系数据库进行交互。

(7)Http服务和Hessian。

Http服务和Hessian共同构成了远程调用的技术基础，用于满足可视化模块和指标体系管理模块的数据需求。指标体系配置信息服务、指标查询服务，事件信息管理服务均通过Http和Hessian进行注册，以保证远程模块能够通过Http获取相关数据服务。

相关功能模块可以分为远程功能性模块和事件机制模块2类，具体介绍如下:

(1)远程功能性模块。

远程功能性模块主要包含2个内容:可视化模块、指标体系管理模块。可视化模块是整个系统最重要的模块之一，它将整个指标体系以一定的可视化方式展示出来，不但包括指标体系本身的可视化还包括基于指标体系的事件驱动机制的可视化。指标体系管理模块主要负责指标体系的修改，包括指标的添加和删除，结果评估指标及原因评估指标的修改，指标体系对象的维护等。

(2)事件机制模块。

事件机制模块由一系列模块组成，如图3所示，包括指标计算、指标监视和事件处理模块(称为核心模块)，还包括为这些模块提供相关数据服务的服务性模块(图3中没有表示出来)。

整个事件机制可以通过图3详细展现出来，图中展示了事件机制实现的3个事例，将系统中所有的控制模式都统一到这一框架之下。事件发现层负责通过综合指标体系在整个系统内发现事件，避免信息孤岛事件的发生;事件分析层负责通过数据挖掘等方式在整个系统内查找引起问题的根本原因;事件处理层负责协同控制所有可控资源，形成整体最优的解决方案。

图3 事件机制示例Fig.3 Example for event mechanism

4 系统运行实例

限于篇幅所限，无法全面展现系统的运行情况，因此本节选取了电网实际运行中2个常见的越限场景:重要断面功率越限和电压越限，以此来说明该系统的运行机制。

(1)重要断面功率越限。

将重要断面的输送功率抽象成指标，根据上述事件机制组织整个辅助决策流程。监视到重要断面功率越限后，记录越限额，基于灵敏度(转移分布因子)的思想调整发电机的有功出力，消除线路越限。

功率越限决策流程见图4，以500kV福州—东台双线断面为例，线路功率限额为700MW。

(2)电压越限。

将重要节点电压抽象为指标，指定其上下限。监视到某重要节点电压越限后，启动最优潮流模块，将各个节点电压的限值转化成最优潮流的约束条件，同时数据可控发电机节点及其对应的无功输出上下限，目标函数为网损最小。经过最优潮流得到各个可调发电机节点的端电压的调节量。这样得到的策略，施加到系统控制后，一方面消除电压越限，一方面使得当前系统处在网损最优的状态。

以泉州变电站35kV侧1号节点电压越限为例说明:在某个时刻，泉州变电站35kV侧1号节点电压为36.66kV，该节点电压上限为36.4kV，电压越上限。

图4 功率越限决策流程图Fig.4 Flow chart of strategy for power flow over limit

调用最优潮流消除越限并优化网损，得到的控制策略见表4。

控制效果为:在优化控制前，主网架网损为119.76MW，泉州变电站35kV侧1号节点电压为36.66kV;优化控制后，主网架网损变为113.67MW，泉州变电站35kV侧1号节点电压变为36.36kV。可以看出，优化控制起到了消除电压越限的效果，同时对网损也进行了一定优化。

表4 电压越限控制策略Tab.4 Control strategy for voltage over limit

5 结论

本文所述的福建电网在线运行分析与辅助决策系统，是输电网运行评估指标体系在实际电力系统中的应用。由文中所列的典型算例可以看出，该系统可以准确地反映电网的运行状态，监测和分析电网的薄弱环节;而系统所提供的辅助决策，对提高电网的安全性、经济性等也都具有显著效果。这也说明作者所提出的输电网运行指标体系，其构建方法是科学、合理的，可以有效地指导电力系统的运行实践。

［1］万卫，王淳，程虹，等.电网评价指标体系的初步框架［J］.电力系统保护与控制，2008，36(24):14-18.

［2］韩柳，彭冬，王智冬，等.电网评估指标体系的构建及应用［J］.电力建设，2010，31(11):28-33.

［3］孙成.区域电网运行绩效指标体系的探索与实践［J］.华东电力，2011，39(4):608 －611.

［4］张国华，张建华，彭谦，等.电网安全评价的指标体系与方法［J］.电网技术，2009，33(8):30-34.

［5］王超，徐政，高鹏，等.大电网可靠性评估的指标体系探讨［J］.电力系统及其自动化学报，2007，19(1):42-48.

［6］邓勇，陈睿，黄文英，等.面向闭环控制的输电网运行评估指标体系架构设计［J］.电力建设，2014，35(7):1-6.

［7］陈睿，何光宇，刘铠诚，等.输电网外部需求评估指标集构建［J］.电力建设，2014，35(7):7-12.

［8］林韩，黄文英，邓兆云，等.输电网安全性需求评估指标集构建［J］.电力建设，2014，35(8):12-17.

［9］Jaleeli N，Vanslyck L S.NERC's new control performance standards［J］.IEEE Transactions on Power Systems，1999，14(3):1092-1099.

［10］OSGi Specification Overview，http://www.OSGI.org.

［11］Hu Wei，Lu Qiang，Mei Shengwei.Hybrid emergency control for power system［J］.Electric Power Components and Systems，2001，29(8):683-693.