基于数字孪生的电网安全监视与校核技术

石辉，张思远，刘永刚，周二专，陈浩奇

(1.国网湖南省电力有限公司，湖南 长沙 410004；2.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192)

0 引言

近年来，以特高压、跨区互联、新能源、灵活市场化为标签的电网大发展，深刻改变了传统骨干电网的结构及稳定形态。在资源配置效率提升的同时，故障多形态冲击、连锁反应、快速恶化风险加剧，电网监视、分析、控制维度成倍增长，相应的运行控制要求从广度、精度、复杂度、更新频度上都远远超出五年前的水平，上述特点在华中电网、湖南电网集中体现，传统以断面控制为核心的电网运行安全监视、校核机制已无法适应[1－3]。下一阶段，在构建以新能源为主体的新型电力系统战略背景下，电网方式不确定性、运行规则复杂性加剧，亟待开发具备多维立体知识模型、复杂逻辑判断、快速精准响应特点的电网安全监视、校核系统[3]。

数字孪生方法可将物理系统及其控制响应、状态推演、监测评价等信息，通过映射构建为动态镜像的数字模型，其适用于实时电网及其运行规则、分析逻辑的复合建模。数字孪生仿真结合D5000新一代调控平台，能有效解决复杂电网模型与知识模型融合难问题[4]，将全面释放平台批量分析、智能决策、预警预控等一系列功能优势，据此可开展立体、动态、快速、精准的电网运行安全监视与校核。

省级以上电网普遍参照年度冬、夏方式安稳规定及临时限额开展调度运行，控制参、变量涉及电网结构、开机方式、机组旋备、电磁环网断面、潮流转移比断面、交直流协控断面、稳控状态、外受电及负荷水平等。在日前、日内方式安排及实时运行监视、风险预警预控中，需结合负荷变化、发受电需求、设备停复电安排、通道阻塞情况、设备跳闸风险等，对上述参量、变量开展动态优化配置，确保电网任意时刻在不超安全限额的前提下完成各项运行、检修、方式调整任务，因此，判断并定位电网是否超安全限额是其中的难点、关键点。

目前电网调度运行技术平台普遍不具备精确的判断能力及限额匹配能力，主要依靠人工对静态潮流仿真和对安稳规定的理解、记忆，开展监视数据汇总、方式及限额辨识、越限判断、干预决策等业务，不仅容易遗漏而且效率低，安全运行的风险和压力大[2－3]。国内外有基于实时或未来态潮流进行安稳规定与潮流方式动态匹配的研究，但尚无建立规范化的安稳规定知识模型，对安稳规定的脚本录入、正确性校核和维护缺乏一体化的解决方案；有关电网运行方式自动匹配及动态限额跟踪的技术应用，只能基于“if－else” 简单逻辑进行方式辨识，多维适应性差；现有利用安稳规定数字化开展决策规则评估和调度监控方面的研究较少，涉及运行方式编排活动的具有一定辅助决策功能的应用软件专业针对性不强，智能化的规则评估水平低，实用效果不理想[4]。

湖南电网在祁韶直流运行背景下，具有强直弱交、多种稳定问题，运行控制极为复杂，为此，基于数字孪生原理开发安稳规定电子化平台，用于实时方式、潮流越限告警，能较好解决上述问题。

1 数字孪生应用原理

数字孪生是一个新的框架，融合现有成熟方法解决复杂系统问题。在数字孪生方法中，通过实时更新虚拟模型以“镜像” 物理电网，这样电网在线分析、仿真和运行监控可以在虚拟模型上进行[5]。因此，有必要研究支撑电网调度运行的数字孪生建模技术，构建虚拟电网模型，包括用于离线分析和在线监控的电网设备映射和关联关系，为安稳规定的离线形成、在线评估和支持调度运行辅助决策提供具有高保真度的电网运行工况。

通过数字孪生建立电网运行动态模型，辅以基于决策图谱的统一、规范化安稳规定知识模型约束，开发适用于电网调度运行决策支撑的安稳规定编辑、存储和测试一体化软件，能精确识别电网方式，快速匹配稳定限额、判断越限及定位越限原因[6－9]。该软件也称为安稳规定电子化平台，主要由电网潮流数据、设备－模型映射表、运行变量库、安稳规则库四部分组成，如图1 所示。

图1 安稳规定电子化平台框架

实践表明，该平台具备以下技术特点:

1) 立体。突破传统基于纯电网络理论和参数建模、交直流割裂、分区分电压等级等值、只关注单一安全目标的扁平化建模思维，建立多级互联电网高保真镜像，包含任意方式约束、安控策略、跨时空限额的立体知识模型。

2) 动态。以电网拓扑和安稳规定为脉络，连接各建模元素，模型易于扩展，适用于仿真对象及其参数大范围变化。

3) 快速。应用内存计算、CEP 搜索引擎等技术，方式描述采用simuModel 函数＋逻辑语言，规则描述采用数字＋运算符＋逻辑判断，极大提高搜索效率，对电网模型、变量规模不敏感。

4) 精准。基于元变量构建方式、规则描述，以树形结构组织电网知识模型，采用穷举电网潮流、遍历逻辑结构校验搜索结果，确保精准判断越限、定位越限原因。

2 智能监视与校核技术模式

2.1 日方式潮流切片安全校核

日方式静态潮流安全校核是调度计划、方式、运行岗位的基础业务，由于方式变化频繁、点多面广，一般只能针对极大、极小或典型方式开展校核，以指导方式安排或实时调度，往往导致电网运行安全而不经济、方式调整空间狭窄，而现货交易、辅助服务、新能源波动、严重故障等随机因素加剧了上述矛盾[10－11]。

以安稳规定电子化平台为尺子，可对电网日方式96 点潮流批量执行切片安全校核，能够精确分析越限时点、原因，如图2 所示。对历史日方式，可回溯分析电网阻塞、风险发展过程；对未来日前方式，可逐日、逐点推演日前发受电计划、停复电计划安排是否合理，各时点运行备用、通道受阻、新能源消纳等是否达标，从而精确调整、优化日前计划，指导新能源消纳及电网规划、建设、运维工作等；对未来日内方式，可结合日内计划、分布负荷超短期预测、现货出清、突发异常或故障等，动态推演实时电网安全风险，辅助分析降风险措施、效果及现货、辅助服务资源空间，辅助电网精准调度。

图2 日方式切片安全校核图

2.2 断面控制限额优化匹配

大电网运行中经常存在多个断面潮流联动控制(如特高压长南＋祁韶断面、鄂湘＋鄂豫断面)，或某一通道潮流按送、受端多种因素分档控制(如祁韶送、受端约束) 的情况，导致同一断面有两套甚至多套联动的安稳限额。以湖南祁韶直流为例，祁韶受入限额涉及6 个维度、10 档负荷水平、每档7—9 层功率约束，共90 余套方式限额，见表1。为适时解决电源送出受阻、负荷供应受限、开机台数不足、旋备容量不足问题等[12－13]，需要以某项最大化为目标(如以全网供电能力最大、祁韶受入限额最大等)，优化选取断面限额及其联动控制约束。

表1 祁韶受入限额联动控制规则节选

针对某一潮流方式，安稳规定电子化平台可对所有联动断面限额的搭配组合提供安全校核结果，供决策参考。在此基础上，嵌入目标指向寻优算法，可灵活、优化匹配电网运行安全边界，实现跨区大电网安全域内的优化运行自动决策。

2.3 调度操作安全校核

电网调度操作是一项兼具计划性与机动性的业务，操作安全是其首要准则，为此，调度员必须执行“先算后停”，通过预演操作票执行过程，校核操作中、操作后的安全风险。当多张操作票需依次执行时，涉及多种方式变化、限额变更，过渡过程可能存在安全越限且难以发现，安全校核压力巨大。

在安稳规定电子化平台预先录入各检修方式控制限额，将其嵌入操作票预演潮流校核，每一步操作模拟执行后，自动匹配方式限额、判断越限情况，若存在越限则人工调整操作时机、顺序或操作票执行项目，形成安全的调度操作方案，如图3 所示。基于此安全校核机制，还可开发以越限风险为约束的调度操作计划批量自动编排系统，作为未来智能调度平台的重要支撑。

图3 调度操作安全校核及优化调整

2.4 故障预案自动编制

编制故障预案是调度应急管理的核心任务，存在任务量大、适用周期短、分析计算繁重、应用率低等特点。基于安稳规定及预想故障静态潮流仿真，经调整试算、策略优化编写的传统故障预案，适应性、准确性、可行性难以得到保证，编制效率也已无法达到要求。基于在线平台的预案校核技术能通过潮流灵敏度关系、越限控制辅助决策模型，编制自动、批量、准确预案，但受制于潮流安全限额匹配、越限判断的短板，其实用化进程缓慢[14]。

安稳规定电子化平台能较好解决上述短板问题。针对任意故障后方式，以安稳规定电子化平台作为已知方式的安全校核工具，对设备或断面越限提供紧急控制辅助决策；以在线N－1 扫描作为未知方式的补充校核工具，对进一步N－1 越限提供预防控制辅助决策，据此整合成为针对预想方式故障的处置预案。不仅如此，安稳规定电子化平台还能反应安控系统及BZT 动作、区外关联一次设备故障等，动态匹配安全限额用于越限判断及辅助决策。在预案的更新、执行阶段，也可基于上述校核机制，按当时潮流方式校核预案的适用性、有效性，以此支撑预案更新或执行策略。

2.5 电网实时运行辅助决策

跨省/区交直流互联、新能源集群、高度城市化是目前骨干电网的发展趋势，此类电网因存在复杂的大范围潮流耦合关系，在实时调度运行中需多种运行方式频繁切换，传统基于超短期负荷平衡、潮流安全约束的线性规则调度辅助决策，严重依赖调度员干预调节，是调度智能化的巨大挑战[15]。

安稳规定电子化平台对2 000 节点规模电网的分析耗时不超0.02 s，在实时方式识别、快速限额匹配方面有独特优势，可作为实时调度运行辅助决策的核心监视部件。若沿用被动控制思路，可基于实时潮流开展高频率方式识别、越限校核，校核结果送入越限控制辅助决策模型，导出跟踪控制决策并闭环执行，对省规模电网具备秒级控制响应能力。若采取主动控制思路，可结合多档超短期潮流预报，构建多周期未来态潮流[16]，分别开展方式识别、越限校核，据此生成秒级、分钟级、小时级预控和事故响应辅助决策并闭环执行，将大量备用、闲置、有限可调资源纳入实时调度，能达到潮流偏差主动趋零控制、预防性方式优化、源－网－荷同步协调互动的效果，实现电网运行安全性、经济性的可控最优。

2.6 多级安稳规定风险辨识

通常省级以上骨干电网涉及国调、分调、省调多级调度，电网运行需同时执行多级安稳规定，而安稳规定往往由各级调度人工独立编制，缺乏高效、全面、准确的联合校正，此类情况在临时或事故方式下尤为常见，可能存在规则错误、真空或死区的风险，危及电网安全运行[17]。

以安稳规则中的停电方式作为预想故障，导入在线安全分析进行故障扫描，对比规则限额与在线静稳、暂稳约束等是否合理、潮流转移比关系是否准确，若规则限额或转移比异常偏大、偏小则说明可能错误。

安稳规定一般只对部分设备方式、潮流进行约束，电网实际可能出现安稳规定未考虑到的风险，即存在规则真空。采用在线静稳、暂稳、短路电流、断面稳定裕度分析进行全网扫描，若出现安稳规定中未提及的稳定、越限风险，即可能辨识到规则真空。

国调、分调、省调多级安稳规定若协调不当，可能存在限额交叉，导致无可行运行域，即存在规则死区。将多级安稳规定同时导入电子化平台、执行批量评估、修改测试潮流，若存在各方式下始终越限的规则，即可能辨识到规则死区。

3 结语

打造具有中国特色、国际领先的能源互联网，必须跳出传统认识的窠臼，为特高压、新能源、灵活电力市场等新趋势营造宽松、友好的支撑平台。数字孪生与电网仿真的结合即提供了这样一种立体视角，实现了电网调度知识模型的维度跃升。基于数字孪生的安稳规定电子化平台成功实践，证明这一技术蓝海具有高度的开发价值，为此，国网调度系统提出将该技术作为在线分析智能化的核心。本文基于实际需求，提出将其用于电网调度智能监视与校核技术的若干方向和技术路线，其中部分技术设想已投入开发实践，取得预期的良好应用效果。