基于风险评估方法的综合预警系统设计

郝丽萍 ，张容菠 ，任永伟 ，王 飞

（1.六盘水供电局贵州六盘水553001；2.东方电子股份有限公司山东烟台264000）

未来大电网是能源、信息和业务综合一体的复杂系统，电网调度控制由“人工经验型”升级为“智能分析型”是必然的发展趋势。

顺应智能电网、智能调度的要求，智能告警在地区电网不断得到推广应用，其故障在线诊断准确率已逐渐达到工程实用化水平。智能告警系统提高了电网故障处置能力，缩短了故障处理时间，能够辅助运行人员更加深刻的掌控当前故障及其影响范围[1-8]。但是，智能告警系统只能就电网故障和异常作出警示，无法提示值班员电网当前和未来的整体安全性水平，不能揭示电网当前和未来的总体风险。

文中立足于智能电网、智能调度，提出了一种地区电网基于风险评估方法的综合预警系统（以下简称“综合预警系统”），并对系统的实现进行了深入研究。

1 总体设计

综合预警系统由智能告警、N-1和风险评估共3个子系统构成。3个子系统互相协调、配合，通过综合应用来实现预警功能，如图1所示。

图1 总体设计图

1）智能告警下载告警信息，分析得到电网运行中发生了故障；

2）智能告警分析出故障，形成（疑似）故障设备列表和变位开关列表，作为启动事件，通过远程调用传递给N-1；

3）N-1启动，开始分析计算；

4）N-1计算结束，通过远程调用，启动风险评估；

5）风险评估启动评估过程，计算电网当前风险值；

6）人机接口展示结果，包括故障设备、跳闸开关、关联保护动作信息、过载设备、电压越限的母线和电网风险值；

7）智能告警继续下载告警信息，分析电网中未发生故障，不启动2）～6）的处理；

8）智能告警继续下载告警信息，分析电网中是否发生故障，有故障，启动2）～6）的处理；无故障，按7）处理。

2 系统详细设计

对智能告警、N-1和风险评估子系统的详细设计及其远程过程调用的联动方式如图2所示。

图2 详细设计图

2.1 智能告警

2.1.1 智能告警推理流程

智能告警子系统的关键是故障推理过程，其流程设计如图3所示。

图3中，智能告警推理步骤如下：

1）下载告警信息，过滤冷备用、检修、调试设备产生的信息；

2）检出其中与故障相关的保护和安全自动装置动作信息、开关变位信息；

图3 智能告警推理流程图

3）匹配规则完成推理，并利用遥测验证推理准确性，最终判定电网发生故障；

4）通过“保护—设备”的关联关系和拓扑分析，判定故障设备（或疑似故障设备）；

5）将故障信息推动到告警窗，辅助运行人员处理故障；生成故障设备列表、变位开关列表并作为启动事件，远程调用N-1，驱动N-1进行计算。

2.1.2 设备状态实时评价

设备状态实时评价利用设备的历史故障记录，给予设备一个“正常”、“注意”、“异常”或“紧急”的状态，并更新设备信息数据库。设备状态评价的流程设计如图4所示。

图4中，设备状态实时评价步骤如下：

1）各地区电网每年会开展1～2次设备状态评价活动，得到的结论即各个设备保存在安全Ⅲ区生产管理系统。设备初始状态从生产管理系统导入。若新设备还未评价状态，默认为“正常”；

图4 设备状态实时评价流程图

2）智能告警判定电网发生故障或出现异常，启动设备状态实时评价，对故障、异常的设备进行评价，并重新设置设备状态；

3）N-1判定电网中出现越限、过载的设备，也启动设备状态实时评价，重新评价、设置越限或过载设备的状态；

4）若智能告警和N-1启动设备状态实时评价，先后对同一个设备得到不同的评价结果，以后果严重者为准；

5）运行人员可使用“人工置入”修改设备状态信息数据库中设备的状态。置入状态有“停用”、“冷备用”、“检修”、“调试”共4种。置入状态设备会标记“置入”。智能告警以及N-1都不能更新标记为“置入”的设备的状态，除非运行人员解除其置入标志。标记“置入”的设备，不参与风险计算。

2.2 N-1

2.2.1 N-1子系统

N-1即静态安全分析，在系统发生事故（或预想事故）后，对电网的稳态运行情况进行分析。工程实践时，常对实时态（或某一研究态）的电网，按照N-1原则，研究一个个元件退出运行后，是否会导致其它元件过载和节点电压越限，并为其中一些越限、过载提供可供选择的调整策略。N-1子系统技术成熟，其关键点是减少待分析的（预想）事故数目和加快分析计算的速度[9-12]。

在综合预警系统中，N-1利用智能告警的“启动事件”进行分析计算，大大减少了待分析事故的数目，提高了计算速度。其计算结果（过载、越限信息）输送到过载越限界面展示，供运行人员参考。

2.2.2 故障损失计算

N-1启动故障损失计算，计算电网当前故障情况下的实际故障损失（包括损失负荷、停电用户数、停电用户等级），当前运行设备的越限、过载百分比，更新到设备信息数据库；再将电网正常运行的设备，按照N-1原则，进行故障损失计算，计算每个设备预想故障后的预想故障损失（包括损失负荷、停电用户数、停电用户等级）、过载百分比、越限百分比，保存到设备信息数据库。

2.2.3 设备状态实时评价

N-1启动设备状态实时评价，结合设备越限、过载的历史记录，评价设备状态，并更新设备信息数据库，如图4所示。

N-1完成分析计算，通过远程过程调用启动风险计算。

2.3 风险评估

风险分析方法的核心是风险的定义。根据风险理论可知，决定系统安全等级有两个关键因素：事故发生的可能性和事故后果的严重性。在电力系统安全性分析中，为了定量地衡量这两个因素[13-16]，IEEE标准词典中将风险定义为：

风险=事故发生概率×事故产生后果。

2.3.1 风险定义工具

风险定义工具用来定义设备平均故障率、电网风险等级、风险等级扣分值、故障损失扣分值、设备过载扣分值、设备电压越限扣分值。

1）设备平均故障率

取值范围是（0，1）。定义设备平均故障率时，考虑设备状态、电压等级、设备类型3个要素。如110 kV线路状态为“注意”时，平均故障率设为0.1，状态为“异常”时平均故障率设为0.3；10 kV线路状态为“注意”时平均故障率设为0.3，状态为“异常”时平均故障率设为0.5。设备平均故障率是经验值，依赖于历史统计数据和运行人员的经验，需在应用中不断修正。

2）电网风险等级和扣分值

设为Ⅵ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ六级，Ⅰ级风险最高。每个风险等级对应一个风险等级扣分值，风险等级扣分值是一个分值范围。

3）损失扣分值

实际际故障损失、预想故障损失，其扣分值都是综合损失负荷、停电用户数、停电用户等级对应的一个扣分值。

4）过载扣分值定义原则

5 kV/110 kV/220 kV/500 kV线路过载按照过载百分比定义扣分值；5 kV/110 kV/220 kV主变过载按照过载百分比定义扣分值。

5）限扣分值定义原则：

为10 kV/35 kV/110 kV/220 kV母线越限按照越限百分比定义扣分值。

风险定义工具定义的所有信息保存到风险定义文件中。

2.3.2 风险计算

风险计算子系统启动时读取风险定义文件中的信息。当风险计算子系统接收N-1的计算指令，从设备信息数据库中读取：

1）电网实际故障损失；

2）电网中运行设备的状态、故障过载/越限百分比、预想故障损失、预想过载/越限百分比；

读取上述信息后，风险评估子系统进行计算：

1）按电网实际故障损失，计算得到扣分值1；

2）遍历电网运行设备，计算其故障过载、故障越限扣分值，计算方法为：

（预想过载扣分值+预想电压越限扣分值）×平均故障率；

3）检出2）中扣分值最高的设备，并把其扣分值记为扣分值2；

4）计算每个运行设备发生预想故障的扣分值，计算方法为：

（故障损失扣分值+预想过载扣分值+预想电压越限扣分值）×平均故障率；

5）检出4）中发生预想故障后，扣分值最高的设备，并把其扣分值记为扣分值3；

6）扣分值1+扣分值2+扣分值3=总扣分值；

7）用6）中的总扣分值去匹配电网风险等级分值范围。

把当前电网的风险等级输出到风险展示界面，供运行人员参考，并能调阅扣分值、扣分项。

3 系统开发平台与工具

综合预警系统的软件采用C++/JAVA编程，以QT4.0作为界面开发技术。这样，开发完成的综合预警系统能够在各个平台/操作系统上方便的移植。

4 实验应用

2016年7月，综合预警系统在某地区电网公司投入运行，运行情况表明：

1）智能告警子系统能够正常运行，下载主站汇集的告警信息，分析电网运行中故障；形成（可疑）故障设备列表和变位开关列表，作为启动事件，通过远程调用传递给N-1；

2）其N-1子系统能够完成分析计算并通过远程调用启动风险计算子系统；

3）其风险评估子系统启动计算过程，计算电网当前风险值；

4）人机接口能够展示翔实的计算结果，包括故障设备、跳闸开关、关联保护动作信息、过载设备、电压越限的母线和电网风险值；

5）系统能够提示电网当前和未来的安全等级。

图5 测试界面图

5 结论

综合预警系统综合了智能告警、N-1和风险评估3个子系统，利用智能告警启动N-1，缩小了计算的范围和次数，降低了计算压力，基于风险评估方法为电网安全性打分，评估电网当前、未来的安全性等级，辅助运行人员全面、深刻的理解整个电网当前和未来的风险，示范建设也表明了其良好的工程实用性，在地区电网中具有很好的推广价值。

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