大电网运行趋势在线安全稳定分析系统

奚江惠，奚江丽，胡济洲，徐遐龄，党杰

(1． 国家电网华中电力调控分中心，湖北 武汉430077;2． 国网湖北省电力公司，湖北 武汉430077;3． 中交第二公路勘测设计院，湖北 武汉430050)

“十二五”期间，华中电网已形成特高压四直一交格局，特高压交直流通道已成为西南水电、西北风火打捆电力、华北火电等跨区跨省大范围输送的主干通道。交直流电网之间、送受端电网之间、特高压、超高压不同电压等级电网之间的相互关联关系趋于复杂，给电网安全稳定运行带来了新挑战，迫切需要不断提升大电网自动化、智能化的在线安全分析控制能力，以有效适应电网快速变化，提升监控和应急水平。

华中电网已建成智能电网调度控制系统，基于其D5000 平台建成了在线安全分析与预警系统(下简称DSA 系统)。相比离线人工安全分析，在线模式更适应电力系统运行方式不断变化的特点〔1－4〕。DSA 系统的功能是对系统当前运行方式进行周期性安全稳定在线分析，文中所述的新型在线分析系统对此功能进行了拓展，根据电力系统当前运行状态，结合日前、日内发电计划、检修计划等信息，判断未来短时间内电网可能发生的变化，超前进行安全分析，预估电力系统稳定问题和发展趋势，对未来状态进行预警，实现传统的事故报警到事故预警的新模式。该系统是国家科技部863 计划“提升电网安全稳定和运行效率的柔性控制技术”和国家电网公司“大电网规划与运行控制技术深化研究重大专题”项目五“大电网在线评估技术深化研究”的配套示范项目，已于2014年在华中网调建成。

1 原有在线安全分析与预警系统及其应用与局限性

1.1 DSA 系统的基本功能

智能电网调度控制系统已在华中电网建成投运数年，在线安全分析与预警系统(DSA 系统)是其中一项高级应用，采用调度部门通用的离线稳定分析工具(如PSASP、BPA 等)，整合在线潮流数据和电网模型数据，基于并行计算平台进行自动分析与应用计算，实现在线稳定全面分析与评估;根据计算分析结果，对电网状态进行预警，并采用可视化方法反映给调度员。其核心是进行静态稳定、暂态稳定、静态电压稳定和小干扰稳定分析评估，给出安全运行边界、严重故障和补救措施建议作为调度员辅助决策。

DSA 系统由104 个计算节点组成，15 min 完成一次电网当前运行断面的周期性完整在线评估。通过整合状态估计结果、电网模型/参数、故障集、相量量测、输电断面和二次信息等信息，生成整合潮流，在这些数据准备工作完成基础上触发各类在线安全稳定分析功能。因对整个国家电网主网是全建模，不采用简化模型和外网等值，为提高计算速度，基于多核服务器硬件平台采用分布式并行计算技术。

1.2 DSA 系统的应用有效性

DSA 系统投运后，已成为重要的电网调控技术支撑手段，文献〔5〕给出了电网故障的在线、离线仿真结果的对比分析，对DSA 系统的仿真效果进行了分析，证明DSA 系统确实可为调度运行提供有效的快速评估。此外，DSA 系统仿真结果曲线与WAMS 记录的电网故障后的实际运行曲线的对比也可以证明该系统的有效性。2014年6月19日特高压宾金直流调试期间极方式转换过程中，极Ⅰ突然闭锁，未启动切机，输送功率突降2 432 MW，大量过剩功率在送端华中电网涌动。WAMS记录曲线显示川渝联络线之一的黄万一回线功率从360 MW 突升至1 150 MW(图1)。运行方式计算人员利用DSA 系统对故障发生时的电网进行了仿真计算，结果曲线(图2)与WAMS 曲线一致。

图1 黄万一回线功率WAMS 记录曲线

图2 黄万一回线功率DSA 仿真曲线

1.3 DSA 系统的局限性

目前DSA 系统虽然包括大量的计算功能，具备了短期调度计划数据(包括发电计划和负荷预测)，但还不具备面向稳定分析的未来态自动安全评估功能，迫切需要超前进行安全分析，预估电力系统稳定性问题和发展趋势，实现未来状态事故前预警，实现从传统的事故报警向事故预警的模式转变;具备对系统的全面评估功能，但不具备对稳定问题的快速定位，当前状态数据15 min 后出结果，缺乏时效性，缺乏未来短期电网安全趋势状态的预测能力，对安全稳定控制策略与实时状态的匹配程度缺乏校核和评估。迫切需要根据当前状态以及可能的变化，掌握电网薄弱断面的快速识别以及重要故障的快速确定技术。

与此同时，为了达到863 课题申报中在线评估5 min，30 000 节点规模考核指标要求，在提高在线并行计算平台调度效率的基础上，需要进一步扩充相应配套计算资源。

即原有DSA 系统在功能和性能指标上均需改进和完善以适应快速变化的大电网的调控需求。

2 电网运行趋势在线安全分析系统及功能应用

鉴于DSA 系统的局限性和对新型在线安全分析系统研究应用的迫切性，“跨大区交直流电网在线安全评估与决策研究及子系统开发”列入了国家863 第19 课题“提升电网安全稳定和运行效率的柔性控制技术”研究内容中，其主要内容即为完善原有DSA 系统的功能，实现运行状态变化趋势预估。为有效支撑国家863 计划研究，国家电网公司将“大电网在线评估技术深化研究”作为“大电网规划与运行控制技术深化研究重大专项”内容。华中电网是跨区交直流互联电网的重要枢纽，成为了电网运行趋势在线安全分析系统(新型DSA 系统)的落地示范电网。

2.1 新型DSA 系统

新DSA 系统是基于原有DSA 系统进行功能完善和拓展。根据文献〔6〕的要求，在线趋势分析功能属于D5000 实时监控与预警范畴，是对原有D5000 分析计算功能的深入扩展。新DSA 系统需基于智能电网调度控制系统D5000 平台构建。图3给出了新DSA 系统的基本结构示意图。

图3 新型DSA 系统结构示意图

2.2 新型DSA 主要功能及应用

新DSA 系统实现在线安全分析的基本流程如图4 所示。

图4 新型DSA 系统流程图

根据图4 的流程示意，新DSA 系统首先通过整合计算母线数不小于35 000 的计算数据、超短期调度预测(包括联络线计划、发电计划和检修计划等)，采用潮流预测方法形成未来态运行状态。第二步利用高效并行计算技术可预测15～30 min 的未来运行状态。一旦发现任一个潜在的安全问题，可视化技术可展示系统条件，调度员有足够的时间做出调整决策。运行趋势分析结果既可以在本系统展示也支持送回EMS 展示。

在线趋势分析系统已经在华中网调建成，其正确性和高效性也已得到在线应用的验证。图5 给出的是趋势潮流分析得到的曲线和实际变化的潮流记录曲线，对比潮流曲线可以看出预测潮流与实际潮流曲线一致。

图5 趋势潮流和实际潮流曲线

图6 显示了随时间变化的热稳定趋势变化。一旦分析出任何一种不稳定，新型DSA 系统将标记这一事件并发出预警提醒调度员这一异常状态，为调度员及时采取避免电力系统失稳的调整措施争取更多的时间提前量。这一点对于驾驭日益复杂的大电网的调度员非常重要。

图6 热稳定趋势分析结果

3 电网运行趋势在线安全分析系统的优势

从应用角度，相对原有DSA 系统，在线运行趋势分析系统的功能方面有较明显优势，主要表现在以下方面:

(1)实现了电网多源信息的快速整合及在线数据的自动校核。

在线趋势分析系统在对多源数据动态匹配方面功能更强，可以处理SCADA，CIM/E，PSASP，CIM 等多种类型的电网运行数据;开发与集成了数据质量评估和校验功能，能自动适应电网拓扑变化，实现坏数据辨识与过滤;优化提高了数据处理效率，国家电网35 000 计算母线级数据在线整合潮流可在3 s 内完成;提供了灵活方便的功能配置机制和辅助检查工具，提高整合数据易维护性。

(2)运用在线综合安全评估技术实现在线运行方式合理性评价功能。

在有功分布合理性评价方面，可自动识别电网的受电和送电区域、主要断面功率有功分布均衡性和重载情况、不同区域有功备用容量和分布、受电比重、损耗等。在无功分布合理性方面，可判断是否基本满足分层分区原则、发电机无功和并联无功分布、无功备用、发电机无功出力和负荷无功是否合理等。在电压合理性方面，具备评估不同区域各中枢点电压是否在合理范围内、是否存在电压差较大的线路或变压器等功能。在上述运行方式合理性评价基础上，系统可进行静态N －1 分析，找出重载和过载的线路和变压器。

(3)具备薄弱环节自动识别功能。

在功能实现上，首先采用基于网络拓扑节点自动收缩方法搜索所有断面，然后通过正常，N －1，N－M 稳定约束〔7～8〕对断面静态输电能力进行快速评估以识别关键断面，最后再考虑故障期间的冲击程度和故障后网络结构变化的影响形成关键故障集。

4 结语

新型的在线运行趋势安全分析系统已在华中网调建成，该系统的有效性和正确性已得到应用验证。基于在线运行方式和超短期运行方式预测(15～30 min 后的运行方式)，在线自动识别超短期运行方式的薄弱断面，帮助调度员提前掌握运行趋势，更有预见性地控制电网，从而实现驾驭大电网能力的提升。华中网调示范系统的应用亦将为后续在国家电网调度部门推广应用奠定基础。

〔1〕石立宝，周华锋，Peter T C，等． 电力系统实时动态安全评估及预警仿真系统的实现〔J〕． 系统仿真学报，2007，19(23):5 401-5 405．

〔2〕潘志宏，张伯明． 能量管理系统中在线动态安全评估的研究〔J〕． 清华大学学报:自然科学版，1999，39(3):45-48．

〔3〕王守相，张伯明，郭琦． 在线动态安全评估中事故扫描的综合性能指标法〔J〕． 电网技术，2005，29(1):60-64．

〔4〕郝丽丽，薛禹胜，Q H WU，等． 关于电力系统动态仿真有效性的评价〔J〕． 电力系统自动化，2008，28(10):1-7．

〔5〕丁平，奚江惠，江嫚，等． 大电网在线动态安全评估系统仿真效果评价〔J〕． 电网技术，2012，36(12):153-158．

〔6〕国家电网公司． Q/GDW 680.45—2011． 智能电网调度技术支持系统第4 －5 部分:实时监控与预警类应用 在线安全稳定分析与调度运行辅助决策〔S〕． 北京:中国电力出版社，2011．

〔7〕李群山． 华中电网500 kV 系统相继故障特点及调度处理方法浅析〔J〕． 华中电力，2006，19(6):29-31．

〔8〕中华人民共和国国家经济贸易委员会． DL 755—2001 电力系统安全稳定导则〔S〕． 北京:中国电力出版社，2001．