电网应急演练推演系统的研究与实现

贾雷亮，申卫华，杨选怀，高　峰，王明松

（1.国网山西省电力公司，太原　030001；2.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京　100192）

电网应急演练推演系统的研究与实现

贾雷亮1，申卫华1，杨选怀2，高峰2，王明松2

（1.国网山西省电力公司，太原030001；2.北京科东电力控制系统有限责任公司，北京100192）

应急演练是电网应急管理的重要环节，针对电网应急演练的业务需求，提出了电网应急演练推演系统。介绍系统的体系架构、组成和功能，着重阐述了应用流程设计，以及面向应急演练的电力系统数字化仿真、应急主体承灾模型量化分级、演练推演引擎等关键技术及其实现方法，研制的应急演练推演系统功能更加完整，可用性更好。

应急演练；推演引擎；电网；数字化仿真

0　引言

电网应急演练是电力应急管理的重要环节，不仅可以对应急指挥人员和处置人员进行培训，还可以对应急预案进行测试和验证，从而为应急体系建设提供合格的技术人才，并促进应急体系的不断完善和持续提升。但是目前在应急演练管理和能力建设工作中还面临着诸多挑战，如缺乏覆盖全部演练业务流程的一体化演练系统，缺乏电力系统数字化仿真的模型和数据支撑，缺少灾害场景与应急主体受损的量化映射等问题，导致应急演练推演系统功能不完整，仅仅局限于流程演练，演练效果较差。

国内部分研究者基于多智能体技术和高层体系结构平台技术开发了一些应急推演系统［1-12］，但系统多侧重在应急指挥流程的仿真，没有对电网相关主体进行机理性仿真，不能为应急指挥决策提供数据支撑。还有研究者在应急演练中加入了灾害场景、抢修现场等三维场景仿真［13-16］，在演练系统的可视化和逼真度方面取得了一定成效，但是对电网应急指挥及抢修各环节的联合仿真问题考虑不足。

基于上述分析，迫切需要开发基于电力系统数字仿真和灾害仿真，覆盖所有演练业务流程并且能够把灾害场景与应急主体承灾进行量化建模的综合演练系统，完善和提升应急演练推演系统的功能和演练效果，为应急演练人员培训和应急方案验证提供先进、可靠的工具。

提出电网应急演练推演系统的平台架构，以电力系统数字化仿真为基础，结合电网应急主体承灾仿真、应急演练推演引擎和GIS态势展示，对整个电网应急演练过程进行推进和可视化展示，提高了电网应急演练系统的逼真度和可用性。

1　电网应急演练推演系统的组成及功能

电网应急演练推演系统采用层次化体系结构，系统总体架构如图1所示，共分为基础层、平台层、业务支撑层、应用层和用户层。

图1　电网应急演练与仿真推演系统体系结构

基础层。该层主要包含电力GIS地理信息数据，电网相关生产系统，应急物资信息数据，仓储物流信息数据，重要用户数据，气象灾害数据，社会网络信息，政府、电厂、电网、主要用户等发布的相关应急管理文件等，应急指挥的组织结构及人员信息，已有的数字化演练方案和脚本，由系统录播的演练历史记录，还包括应急演练系统必需的基础网络。

平台层。该层主要集成一体化电网建模环境、虚拟场景开发引擎、仿真数据管理、应急推演引擎、GIS服务引擎、基础信息管理等组件构成了分布式、交互式应急演练与仿真推演支撑平台。

业务支撑层。该层主要包括仿真运行支撑、推演支撑、基础支撑等3大部分。

仿真运行支撑主要包含电网仿真、变电仿真、设备灾变仿真、灾害场景仿真、多智能体仿真以及综合辅助决策等。

推演支撑主要包括演练方案脚本的脚本解析模块，对接演练导调控制的任务控制模块，触发仿真模块、三维场景、时空态势标绘及流程动态标绘的作业执行模块，记录导调控制指令、演练消息、仿真结果、三维场景等重要信息的过程记录模块。

基础支撑主要包括用于提供位置和数据服务的电力GIS模块和用于展示应急演练进程的应急态势模块。

应用层。该层主要包括演练资源管理、演练方案设计、演练过程导调控制、多角色交互演练、灾害及应急场景综合展示、基于电力GIS的时空态势展示、演练流程动态展示、演练过程录播、综合演练评估以及演练辅助管理等功能应用。

用户层。系统设定的主要角色包括演练策划人员、导调人员、参演人员、评估人员及观摩人员等，在应急演练场景中出现的其他角色如媒体、政府部门、电力用户等角色则通过多智能体来模拟实现。

2　系统应用流程设计

应用流程设计是推演系统能否支撑全过程演练的关键，应用流程既要与现有的应急演练过程保持一致，又要能够简化落实到系统模块中。本系统按照应急演练业务过程涉及的人员角色，对演练资源管理、演练方案设计、演练导调控制、多角色协作（演练指挥和演练处置）、演练评估和演练辅助管理等主要环节的业务流程进行重建，很好地实现了应急演练工作的全过程仿真。系统应用流程如图2所示，图中的数字表示流程步骤，详细的描述如下。

在演练培训开始之前，演练策划人员参照演练计划，组织相应的参演目标、参演范围、参演人员等。通过演练资源管理模块，从应急指挥系统中共享演练方案、应急预案、人员组织、物资装备、历史应急案例等资源和数据，作为演练过程中可参考的信息使用。

演练策划人员根据演练的目标和场景，利用演练脚本管理模块，将需要进行部分或者整体演练的方案进行脚本化，编制出相应的演练脚本。脚本中包含突发事件、参演规模、分组配置、评估标准等信息。

演练导调人员通过演练导调控制模块，发布演练脚本，按照事先准备好的演练规模和分组形式，启动应急演练。演练过程由演练脚本驱动，演练导调人员也可以通过演练导调模块对演练进行控制，包括突发事件的设置。

演练指挥人员通过演练指挥模块，根据演练脚本的当前控制消息，分配相应的工作给演练实施小组，共同完成脚本要求的演练任务。这一过程在演练导调人员的监视控制之下进行。演练指挥人员的应急指挥工作过程将被演练过程录播模块记录下来。

演练实施人员通过演练操作模块，根据演练脚本传递的信息，根据指挥人员的工作分配，完成相关的应急处置工作，包括预警管理、信息报告、应急响应等。这一过程也在演练导调人员的监视控制之下进行。每位演练实施人员的应急处置工作过程也被演练过程录播模块记录下来。

图2　系统应用流程

应急指挥和各实施小组的演练情况，由演练评估模块经过初步数据整理后提供给相关的应急评估人员，参照演练脚本提供的评估标准，进行相应的评分。

演练过程记录和评估结果通过演练辅助管理模块形成演练总结报告。

演练总结结束阶段对演练过程产生的演练总结报告、演练评估、演练方案和脚本等资料进行规范管理，便于用于培训和参考。

3　面向电网应急演练的电力系统数字化仿真

电力系统数字化仿真是构建高逼真的电网应急演练仿真环境的基础，以电网数学模型和电力设备模型为对象，采用动态潮流仿真技术，实现各种工况下的电力系统行为的仿真，为推演系统中其他模块提供真实的数字仿真信号，并接受应急演练人员对电力系统的控制及操作，模拟电网的运行态势，验证应急处理措施的正确性。

电力系统数字仿真与主体承灾、灾害场景仿真、多智能体仿真等模块联合运行，实现电网应急演练的演练场景，图3为电力系统数字仿真原理，图中给出在系统运行过程中核心仿真应用交互关系及关键数据流图，系统的联合运行过程如下。

初始化。电力系统实时仿真引擎从仿真建模软件或历史教案读取电力系统模型及运行数据，经过初始化后，进入电力系统数字仿真运行模式，电力系统实时仿真引擎作为联合仿真系统的引擎，按照设定的仿真时步持续推进仿真系统，在此过程中通过平台服务周期性发送仿真结果，同时，监听其他模块的输入事件并进行处理。

图3　电力系统数字仿真原理

各仿真应用加入联合仿真阶段。电网调度控制中心仿真、变电站仿真、仿真平台服务代理等应用模块通过平台的仿真应用管理服务接口函数，申请加入联合仿真系统，并接收平台的同步管理，实现分布式环境下的加入和同步。

各仿真应用交互阶段。电网调度控制中心仿真、变电站仿真、面向应急虚拟仿真平台服务代理等应用模块通过调用平台的声明管理服务接口函数，订购自己关心的电力系统仿真及分析结果或信息，同时，也可通过平台发布各个仿真模块自己生成的仿真数据；在交互过程中，各仿真应用模块通过调用平台的数据分发管理接口服务，进行大量仿真数据或事件的分发和交互，平台通过数据过滤技以缓解仿真系统对于网络带宽和计算量的要求。数据过滤能够确保 “特定的数据在特定的时间被送到特定的地方”。比如，仿真引擎通过数据采集仿真将计算所得到的某电网或变电站遥测、遥信数据通过平台发送到感兴趣的调度自动化或变电站仿真应用，变电站仿真模块的就地操作指令通过平台发送给仿真引擎。

联合仿真时钟统一推进。各仿真应用模块通过调用时间管理接口函数，使各类仿真应用模块严格按照统一时步向前推进，确保仿真事件或信息能以正确的因果顺序在仿真应用间传递。

各仿真应用退出联合仿真阶段。各类仿真应用模块通过平台的仿真应用管理服务接口函数，申请退出联合仿真系统。

4　电网应急主体承灾仿真

电网应急演练过程的逼真程度和演练效果取决于电力系统数字仿真和灾害仿真的机理模型的准确性，以及灾害对电力系统设备和人员的物理损害建模精度。常规变电站仿真中通常也有典型事故仿真，如变压器漏油、六氟化硫泄漏等，但是这些仿真都只是针对某一个设备单独进行故障设置和仿真的，而不是从区域性宏观灾害直接关联到设备物理模型，然后根据设备自身的承灾模型将损害程度映射到设备电气模型的故障。

因此，有必要根据电网、设备、人员的个性特点，综合考虑环境、气象等因素，建立电网、设备、人员等主体的承灾模型，然后将主体承灾模型与常规事故模型在仿真支撑平台的管理下进行交互仿真，并实现事故表现、电气物理状态和电网运行状态的协调表现与有效融合，达到最佳的仿真培训效果。

系统中考虑受害主体在不同级别事故下的承受能力，对其人员的受害特征，设备受损的物理特征及电气状态，给出合理的量化标准，并建立分级量化分析表。根据这些量化表进行建模可以简化建模复杂度，提升仿真效率。

系统定义了电网设施、人员、变电站设备等对象的受害量化表，用于描述对象的受害程度。部分主体损害分级情况如表1～3所示。

受损量化等级可以根据仿真精细程度的需要进行更多层级的划分，针对每种受灾主体其划分标准不尽相同，但考虑到系统仿真的复杂程度与应急演练实际需要，本文中只定义了从绿色到红色的4个等级，分别代表从完全正常、轻微损坏、中度损坏到完全损坏。表3中只对变压器、母线、隔离开关、断路器等变电站设备列举出来，按照完全不受影响、轻度影响但可快速修复、中度影响且无法快速修复、重度影响需要更换设备4个等级进行划分得出。

表1　电网设施宏观受害量化表

表2　人员受害量化表

表3　变电站设备受损量化表

5　演练推演引擎设计

演练推演引擎是对整个应急演练系统进行调度、控制和数据记录的软件系统，其功能是驱动整个电网应急演练系统按照推演剧情进行推演。其逻辑组成主要包括脚本解析、任务控制、作业执行、过程记录4部分。

图4　推演引擎结构

脚本解析。推演引擎需要解析由演练方案设计工具生成的xml格式的演练方案脚本，并将脚本加载到任务控制和作业执行模块中。

任务控制。在脚本加载完成后，引擎接收并执行演练导调控制工具下达的任务命令，如启动/暂停/终止演练，或者增加/删除某个演练进程。

作业执行。在演练过程中，引擎根据演练角色执行的处置措施触发仿真运行支撑模块进行电网及设备仿真运算、三维场景渲染或者时空态势标绘。同时还要根据演练方案中的规则判断流程执行情况，并驱动演练流程图进行动态显示。

过程记录。引擎需要对演练过程中的导调控制指令、各演练角色之间传递的消息、电网仿真模块的关键计算结果、三维仿真的场景切换、时空态势展示的重要信息等进行时序记录。记录详细完整的演练关键过程，一方面是提供给演练过程记录模块利用其将参演角色的操作画面、仿真运行画面、时空态势变化等进行串联起来，能够更加丰富完整的重新演练过程；另一方面也提供给演练评估模块便于其能够对关键的演练进程进行系统评估。

6　结语

研究了电网应急演练的有关问题，设计实现了与实际应急演练过程完全一致的演练流程，并以电力系统数字化仿真为底层支撑，模拟应急状态下电网的运行态势，可以对应急演练过程中的各种应急操作进行响应，不仅能用于应急流程的演练，还能够用于应急方案的验证，大大地提升了系统的可用性。

根据电网、设备、人员的特点建立了相应的主体承灾模型，并对承灾主体进行了受灾量化分级，能够更好地展现不同灾害程度下承灾对象的运行状态，具有更好的沉浸感。

后续应对灾害场景仿真、多智能体仿真、应急流程动态展示等继续进行探讨和研究。

［1］窦志武.基于高层体系结构（HLA）分布交互仿真的应用方法研究［D］.大连：大连理工大学，2006.

［2］韩晓光.HLA在电网联合培训仿真中的应用［D］.武汉：华中科技大学，2006.

［3］杨选怀，林昌年，王国平，等.基于高层体系结构的电力系统综合仿真平台［J］.电网技术，2009，33（11）：98-103..

［4］杨峰.电网分布式培训仿真系统关键技术研究［D］.武汉：华中科技大学，2011.

［5］郑延海，杨胜春，姚建国，等.区域电网联合反事故演习的实现方案［J］.电力系统自动化，2005，29（11）：77-81.

［6］鄢超波，赖华贵，赵千川，等.多智能体并行仿真框架［J］.系统仿真学报，2010，22（1）：191-195.

［7］徐杨，李响，谭若晨，等.大规模多智能体仿真平台设计方法的研究［J］.中国科学技术大学学报，2012，42（8）：617-622.

［8］张芳.基于信息熵的多智能体态势推理算法研究［D］.西安：西安电子科技大学，2013.

［9］康云鹏.应急响应演练系统中适应性技术分析与设计［D］.济南：山东大学，2013.

［10］邵鹏.基于模拟演练系统智能体的设计与实现［D］.北京：中国科学院大学，2014.

［11］张峰，鲁法明，陈新，等.一种B/S结构的应急模拟演练系统［C］.3rd International Conference on Computational Intelligence and Industrial Application，2010.

［12］傅仁军.基于3DGIS技术的电力应急演练系统的设计与实现［D］.北京：北京工业大学，2012.

［13］郭志星，廉东本，苏谟.应急演练角色系统［J］.计算机系统应用，2013，22（3）：25-28.

［14］周柏贾.分布式虚拟仿真地震应急演练技术研究［D］.北京：中国地质大学，2013.

［15］李力雄.基于Agent的应急预案流程建模和仿真演练［D］.天津：天津大学，2010.

Research and Implementation of Power Grid Emergency Drill and Simulation System

JIA Leiliang1，SHEN Weihua1，YANG Xuanhuai2，GAO Feng2，WANG Mingsong2
（1.State Grid Shanxi Electric Power Company，Taiyuan 030001，China；
2.Kedong Power Control System Company Limited，Beijing 100192，China）

Emergency drill is an important part of the power grid emergency management.An emergency drills deduction system for the power grid is proposed according to its function requirements.We introduce the system architecture，composition and function，while focusing on the application process design，power system digital simulation for emergency drills，model quantitative classification of emergency body，deduction engines，and other key technologies and their implementation method.Practical results show that functions of the system are more complete and have better availability.

emergency drill；deduction engine；power grid；digital simulation

TM732

A

1007-9904（2016）01-0010-05

2015-10-26

贾雷亮（1971），男，高级工程师，从事应急管理工作。