基于数字可视化的智能电网关键技术及应用

张宁 刘爽 周晓燕

1．辽宁邮电规划设计院有限公司；2．国网营口供电公司

本文通过在智能电网中应用数字可视化技术，采用建立数据处理模型、安全风险量化值模型等方式，结合先进计量基础设施的在线量测数据及电力系统历史运行数据，进行电力系统关键参数的精细化智能计算，通过保护方式及仿真模拟规划分析，为智能电网的建设决策提供可靠依据。

“十四五”规划期，电力工业面临供应电源结构清洁化、电力系统智能化等一系列新形势、新挑战。围绕着国家对电力企业发展决策的总体战略，各专业领域的技术规范性、智能化数据处理时效性、电力基础数据分析精度等要求也越来越高。目前，电力通信系统传输网络结构需要进一步优化，通信网络的带宽可靠性、安全性需要进一步提高。

基于数字可视化的智能电网关键技术在电力系统建设中逐步应用，在数据采集、人工计算分析等设计经验基础上，创新建立基于云计算的数据库模拟平台，利用数字仿真技术建立三维可视化模型，开创链路权重设置算法，通过区分保护方式及仿真模拟规划分析，制定符合电力通信业务特点的网络运行方式，为智能电网的建设决策提供可靠依据，保证各维度数据资源的准确性和相关性，为智能电网的建设决策提供可靠依据，为保障电网的安全运行提供有力的通信业务支撑。

1 建立基于云计算的数字仿真三维可视化设计辅助平台

建立基于云计算的数据库模拟平台，利用数字仿真技术建立三维可视化模型，结合基础设施的在线量测数据及电力系统历史运行数据，将电力通信网基础资源映射至三维虚拟环境中，结合各专业技术特点，采用智能算法对源数据进行处理，以直观的可视化方式得到最优技术改造方案，完成电力通信网络运维的多元化、多方向全寿命周期智能模拟，通过流程化、智能化、自动化的辅助手段，实现对电力通信系统建设的辅助决策。

平台对工程建设中由于设备安装引起的一系列影响进行量化分析，以环境因素、功耗需求、资源协同三个不同维度，计算出现有配套资源的协同情况，并直观展示。三维仿真可视化平台计算流程图如图1所示：

图1 三维仿真可视化平台计算流程图Fig.1 Calculation flow chart of 3D simulation visualization platform

1.1 环境因素分析

将新增设备尺寸、重量等基础参数录入数据分析系统，通过数据库信息比较，进行设备空间、承重、散热量需求分析，在三维场景中完成建设后环境模拟，直观呈现建设成果。机房布局搭建及设备参数分析如图2所示；机房布局搭建后，即可生成三维的机房模拟空间，三维可视化机房设计模拟如图3所示。

图2 机房布局搭建及设备参数分析图Fig.2 Machine room layout and equipment parameter analysis diagram

图3 三维可视化机房设计模拟图Fig.3 3D visual computer room design simulation diagram

1.2 功耗需求计算

通过对新增设备的满载功耗、实际功耗、引接端子需求等多因素进行分析，结合设备全寿命周期的耗电量变化，模拟现有配电系统负载量的时间变化曲线，对规划期内电源系统冗余度等多因素进行综合判定，模拟出工程建设后电源系统的运行情况。

新增设备为单台设备时，直流电源系统冗余量计算公式为：

R

=

R

max −(

KNx

+

C

)

式中：Max—除备用模块外的最大负载量；K —新增设备平均单板功耗系数；Nx—单板增加数量（N∈1,2,3...）；C—初配实际功耗。

电源系统冗余在单设备功耗增加时的离散曲线如图4所示：

图4 电源系统冗余在单设备功耗增加时的离散曲线图Fig.4 Discrete curve of power system redundancy when the power consumption of a single device increases

同时新增2台设备时，直流电源系统冗余量计算公式为：

式中：Max—除备用模块外的最大负载量；K1、K2—新增设备平均单板功耗系数；Nx1、Nx2—单板增加数量（Nx∈1,2,3...）；C1、C2—初配实际功耗。

电源系统冗余在2台设备功耗增加时的曲线如图5所示。通过计算得出电源系统负载的极值，便于对建设后的电源容量不足做出及时判断。

图5 电源系统冗余在2台设备功耗增加时的曲线图Fig.5 Graph of power supply system redundancy when the power consumption of 2 devices increases

1.3 资源协同分析

通过数据库与电力基础资源库的协同管理，新增设备引起的光缆纤芯、端口容量等基础资源的变化将同步反馈至资产资源库，及时高效展示网络优化成效。该平台功能完善、安全高效，实现可行性研究阶段至施工图设计阶段的全过程综合辅助，极大的缩短了规划设计时间、节约成本、提高了建设准确率。

2 建立模块化配电系统建设模型

通过构建“系统-流程-算法”的三维矩阵式模型，将配电网设计中常用但繁琐的配电网短路、潮流计算、线损计算、无功补偿计算、保护整定计算等过程进行模块化、软件化、实用化处理，完成配电系统关键参数的精细智能仿真计算，构建符合国家和企业标准的规划设计决策模型，保证各维度数据资源的准确性和相关性，提高数据精度、提升设计效率。模块化配电设计辅助系统流程如图6所示：

图6 模块化配电设计辅助系统流程图Fig.6 Flow chart of modular distribution design auxiliary system

平台具备深度计算、智能关联、安全高效的特性，方便配电网中较为先进的理论成果的应用，有效加强规划设计深度、提升建设准确率。该平台中的矩阵式模块还可快速复制到其他相同模式的系统中，有助于实现成果的可复制及快速推广。配电网保护整定模块过电流保护计算如图7所示；配电网保护整定模块定时限过电流计算如图8所示。

图7 配电网保护整定模块过电流保护计算图Fig.7 Overcurrent protection calculation diagram of distribution network protection setting module

图8 配电网保护整定模块定时限过电流计算图Fig.8 Distribution network protection setting module definite overcurrent calculation diagram

3 结语

数字可视化智能电网关键技术研究基于云计算的数据库模拟平台，利用数字仿真技术，并通过对电力系统关键参数的精细化智能计算，为智能电网的建设决策提供可靠依据，同时取得了链路权重设置算法及区块链技术引入等关键技术的突破。然而该项目关键技术的推广应用赖于云计算的稳定发展，网络不稳定等客观因素会使云应用的性能受到一定的影响，进而影响该项目的应用效果。同时，受限于电力系统数据的实时性及电力专网信息的保密特性，依赖于系统开放及衔接程度，电网的数字可视化分析将具有一定程度的应用局限性。随着电力全系统智能化的不断发展及其相关技术的不断演进，基于数字可视化的智能电网关键技术的研究将在未来与变电站设备远程监测控制技术、线路系统自动测算及切换路由的远程控制技术、变电站智能化预警与控制技术等技术体系相结合，不断完善互补，为推进电网全智能化做出更大的贡献。