电网新设备启动方案智能编制系统的研究

任冲,牛拴保，柯贤波，王彬，王智伟，程林

(1.国家电网有限公司西北分部，西安 710048； 2.清华大学 电机工程与应用电子技术系，北京 100084)

0 引 言

近年来，随着电网规模的不断扩大，网架结构逐渐增强，装机容量快速增加。设备启动方案的编写和审核作为一类具有特殊性质的工作，长期以来，启动方案的编制都是完全依靠人工书写的方式，工作量很大，缺少防误措施，且无法充分利用调度自动化系统的先进技术[1-3]。通过人工编写新设备投运方案要求参与编制的工作人员需具备丰富又扎实的专业知识，熟练掌握系统运行状态及方式、各厂站的基本结构以及电力工程建设的各项有关规定等，对人员专业素养要求极高。所形成的方案编制准则以及所构建的知识体系是依靠编制人员长期摸索而形成的，若不能对其进行完整记录，则会随着人员的流失而损失[4]。此外，对于每一个新编制的新设备投运方案需要经过多方的审核会签，如果不能对整个投运方案进行直观地模拟演示，则增加了审核人员的理解难度，无法全面考虑到可能存在的安全隐患，增加了投运的风险[5]。因此，如何提升新设备投运方案的智能化、规范化水准对于提升驾驭复杂电网的能力具有重要意义[6-7]。

国内外研究学者对智能化设备管理方案展开了大量的研究工作。文献[8]通过数学分析方法，基于享元模式思想、预定义及自定义算法、常用参量与实测参数校核方法提出了一种电力系统设备参数校核方案，在实际应用中显著提升了设备参数的智能化管理水平；文献[9]提出一种基于无线射频识别电子标签技术的设备管理方法，以非接触式信息读取方式对电力设备进行全寿命周期监控，同时实现设备数据的自动记录，有效提升了电力设备全寿命周期管理的智能化水平;文献[10]应用大数据技术对电力设备的状态数据进行分析，通过物联网掌握电力设备的运行状态，实现了电气设备的全寿命周期管理，为电力设备运行客户提供全方位的技术服务；文献[11] 在电网调度自动化系统中加入了可视化技术，提出了具有数据图形化、信息层次化、信息集成化、信息智能化功能的电力系统可视化系统展示方法，能够更加简洁、直观地对目前系统的运行状态进行展示;文献[12]提出了一种基于多智能体和专家系统的电网智能报警系统，采用决策树理论和粗糙集理论对电网报警信息处理的准则进行学习挖掘，并以这些准则为知识库构建报警信息处理专家系统，实验结果证明该系统在报警处理时的高效快速性；文献[13]提出了一种全面的基于多智能体技术的防误策略，并基于模糊认知图的智能体推理模型研究出一种实时操作票生成专家系统，实际应用效果证明了该系统在保证可靠性、可维护性及人机界面友好的前提下，还具有智能性、通用性等要求。

基于上述研究工作，考虑到新设备启动方案编制涉及的元件范围广，约束条件多，操作过程复杂，因而需要充分利用现有电力系统智能操作平台，对新设备启动方案进行风险管控。为此，建立了基于D5000智能调度平台的电网新设备启动方案的智能编制系统，通过分析新设备投运的主要操作类型以及启动方案的基本特性，进而对新设备投运的编制、审核流程以及投运与校核功能进行设计，并测试系统的功能效果。

1 新设备投运的相关特性分析

1.1 投运操作类型

如图1所示，为新设备投运的基本操作。按照操作规程对新设备的投运操作类型进行分类，主要分为常规操作和特殊操作。常规操作通常指的是，开关、刀闸等设备的正常拉合操作[14]；特殊操作的覆盖面比较广，指的是无法遵循“五防”原则执行的操作，需根据实际情况进行判定，主要包括：充电、定相、核相、保护相量检查、继电保护操作等。

图1 新设备投运的基本操作Fig.1 Basic operation of new equipment operation

对于常见特殊操作进行说明：充电是对即将投运的电网新设备进行3～5次的充电安全性实验，其中，开关、刀闸等设备需进行3次冲击合闸试验，变压器需进行5次冲击合闸试验[15]。由于对新设备进行充电时需要对相关断路器、隔离开关进行分合闸操作，因此，要配备相关的设备保护及后备保护，确保新投运设备及已投运设备的安全性。新投运设备的定核相是确保新设备在投入电网运行前，启动区域内一次及二次设备的相位一致，如：对新建厂站需进行定相操作，对原有厂站下进行核相操作。保护相量检查是对新投运的设备或是需要对二次接线进行修改的继电保护设备接负荷做保护向量的检测，如果所接负荷没有达到检测的预期，则对系统的运行方式做出一定的调整，增大启动区域中的负荷大小[16]。继保安全性措施是为了保证在新设备投运过程中整个电网的安全稳定性，基于电网实时运行状态配置相应的继保措施，通过修改保护的运行方式或是保护定值，以确保投运能够顺利进行。

1.2 启动方案特性

基于长期以来的新设备启动经验，可知启动方案的基本特性如下：

(1)按照操作流程依次执行：在新设备投入电网的过程中，大量的一、二次设备均需进行相应的操作来配合新设备投运，因此，每一个操作环节都必须要按照操作流程依次执行，确保新投运设备的安全性和可靠性;

(2)投运方案的复杂性和投运任务的多样性：新设备启动方案需要综合考虑多方面的影响因素，充分了解投运可能涉及的各方面信息，主要包括：投运前的准备工作、确认设备的启动范围、明确设备调度权限、操作的动态修改和更新功能的完善等。对于需要编写新设备启动方案的电气设备来说，主要包括：厂站、母线、变压器、线路、开关以及刀闸等[17];

(3)投运方案签发的流转性：首先，由调控中心对新设备的启动方案进行编制，要求所编写的新设备启动方案具有较强的逻辑性和可读性；接着，将所编制的启动方案送至调度、计划、保护部门进行审核，若审核通过，则确立为作为最终版的启动方案来指导新设备投运；若审核不通过，则对启动方案进行重新编写。

2 新设备启动方案智能编制系统的建立

2.1 系统的总体框架结构

图2为电网新设备启动方案智能编制系统的总体框架结构图。基于D5000平台，建立电网新设备启动方案智能编制系统，系统通过D5000平台获取电网运行方式及状态、各电气参量的实时数据等信息，将生成的启动方案通过浏览器的形式传输至相关的方式部门和审核部门，并以D5000图模同步解析的方式对启动方案的动态情况进行展示。

图2 系统的总体框架结构Fig.2 Overall framework of the system

2.2 系统模型的建立

多智能体系统具备分散控制、应急、并行处理等功能，通过建立通信、协调机制将多个智能体有效组合起来，有效减少了软硬件的消耗，提升了工程实践中各类问题的处理速率，因而在工程领域受到广泛地应用[18]。基于多智能的电网新设备启动方案智能编制模型，其主要包括人机交互智能体、数据采集智能体、拓扑分析智能体、模拟投运智能体、安全校对智能体、方案编排智能体以及动态演示智能体几个重要的智能体模块。

人机交互智能体作为电网新设备启动方案编制系统的重要部件，能够满足用户与系统进行交互通信的功能，使得用户能够在满足系统规则约束的前提下，能够自由操作。数据采集智能体通过实时采集电网的网架拓扑结构、电压/电流参量等数据，将这些数据实时传输至系统后台，并保存至断面数据库中，确保新设备投运状态的实时性。数据采集智能体对新设备启动范围内的各电气参量进行数据采集、传输并存储后，通过拓扑分析智能体基于广度与深度优先的混合搜索策略对这些数据做拓扑分析。拓扑分析主要包括站内拓扑分析，如：开关、刀闸、母线、线路等，以及站间拓扑分析，如：线路与变压器拓扑节点的分析。模拟投运智能体在实现上述三种智能体的基本功能之后，在遵循新设备投运相关章程的前提下，操作人员通过模拟平台上，模拟实现各开关和刀闸的开合以及继保设备的投退等操作。模拟投运智能体对设备投运相关操作的整个执行流程进行记录，生成相应的操作流程清单；安全校对智能体根据安全校对数据库的规则，对新设备投运模拟过程的每一个操作步骤进行校对。若校对合格，则将该操作步骤写入新设备投运方案中；若校对不合格，则对该操作步骤的相关内容进行修正后重新进行校对。方案编排智能体在安全校对智能体完成对新设备投运操作步骤的校对工作后，方案编排智能体将这些操作步骤与工程基本信息、新设备基本参量、启动区域、启动时间等内容一同进行编排，形成完整的新设备投运方案，并存储至数据库中。动态演示智能体将方案编排智能体形成的完整的新设备投运方案以音频或是视频等方式对用户进行展示，能够更加直观清晰地了解每个操作步骤的详细内容，有利于用户对整个流程的了解与掌握，也便于发现问题。

3 系统软件功能的设计与实现

3.1 编制与审核流程功能实现

新设备启动方案智能编制系统以D5000平台为基础，采用B/S模式在Visual Studio平台上运用VC#语言进行系统开发。如图3所示，为系统的B/S模式结构图，其主要包括客户机、应用服务器和数据库服务器三大部分。B/S应用程序支持广域网内各不同地域的不同用户通过浏览器访问相关数据，同时通过管理服务器来实现系统的日常运维，有效地减少了运维成本[19]。

图3 B/S模式结构图Fig.3 Structure diagram of B/S mode

如图4所示，为调控部门进行新设备启动方案编制操作的流程图。工作人员通过浏览器的访问、操作权限验证后，对启动方案进行编写，最后将启动方案通过互联网传输至有关部门进行审核。

图4 启动方案的编制流程Fig.4 Compilation flow chart of start-up scheme

图5为新设备启动方案审核流程图。审核人员通过浏览器登陆，并通过权限验证后，能够以视频或是音频的方式对收到的启动方案进行阅览。若无任何问题，则生成最终的投运方案并打印；若存在需要修改的地方，可直接通过互联网将方案退回，并待修正后进行重新审核。该审核流程充分运用网络的便捷性，提升了工作速率。

图5 启动方案的审核流程Fig.5 Approval flow chart of startup scheme

3.2 智能编制系统设备投运与校核功能实现

由于需投运新设备的种类属性各异，所涉及操作的逻辑、时间以及目的也各不相同，增加了投运操作的复杂性。为此，采用分层控制方案对新设备投运与校核功能进行研究。

基于在实际工程中遇到的新设备投运经验，将新设备投运应遵循的逻辑规则分为宏观性规则和微观性规则两种[20]。对于宏观性规则，是站在全局的角度上对各项操作步骤的顺序进行大体地规划；而微观性规则，则从较细致的层面，对具体设备的具体操作进行详细的说明，如：设备投运前的准备工作、充电、定相与核相、继保设备的投入等。其中，对于微观性规则，如本文1.1小节所述，根据投运设备操作类型的不同进行分类，又细分为常规操作和特殊操作。由此来看，宏观性规则下涵盖了不同的微观性规则，对于不同的操作规则都是有一定的适用范围约束的，需根据电网实际运行工况进行设定。以宏观性规则为基准确定新设备投运方案的主要操作步骤，对微观性规则展开详细说明：

(1)投运前的方式准备。

在将新设备投入电网运行前，需要先进行投运前的方式准备，包括将母线由运行状态转热备用状态、关联继电保护设备的投退、保护定值的修改等。不管新投运设备的类型是什么，只要与母线接线方式有关，都需要将其中一条母线倒空，以保证其处于热备用状态，便于执行试验或是充电等操作。这样能够降低由于突发故障造成对电网的冲击。对于改变母线运行方式以及其他常规倒闸操作，根据“五防”规则来进行相应操作即可；若是待充电的新设备，则选择基于“解五防”规则进行操作。

(2)修改临时保护定值。

在新设备投运过程中会出现特殊的操作工况，如在新设备充电时要避免保护误动，若不对相应的保护进行更改，则无法完成后续工作。修改临时保护定值，一方面能够为投运启动区域内的关联设备提供后备保护，将故障的发生概率和区域限制在最小；另一方面能够确保一些特殊投运操作的顺利执行。由于不同的操作内容所需要设定的临时保护定值各异，因此，临时保护定值的修改要根据具体操作内容来制定不同的准则，是基于“拓展五防”规则展开的。

(3)新投运设备的充电。

对于即将投运的电网新设备需做三到五次的充电安全性实验，在充电过程中，既有需要遵守“五防”规则的工况，又存在需要遵守“拓展五防”规则的工况。其中，“拓展五防”规则包括了新设备充电时要有后备临时保护，如：新设备的发电侧三个开关的范围内需要有后备临时保护。此外，还需要确保不会发生保护误动，如：从对侧线路对本侧新设备进行充电过程中，要确保本侧母线保护已装有该新设备的电流互感器。

(4)新设备投运的定核相。

新设备投运的定核相工作主要是基于“拓展五防”规则对母线以及线路互感器展开的，如：对各个不同的电源进行核相操作校对时，需要有明显的断开点进行直观地判断。

(5)保护向量的检测。

对于新投运的设备或是需要对二次接线进行修改的继电保护设备等，都需要接负荷做保护向量的检测。如果所接负荷没有达到检测的预期，则对系统的运行方式做出一定的调整，增大启动区域中的负荷大小。

(6)恢复后备保护初始设置。

在投运结束前，基于“拓展五防”规则对临时后备保护进行还原，将其还原为原设定值。

(7)恢复系统原运行方式。

如前所述，当新设备投运启动范围内需要对关联母线进行操作的，需要确保新投运电气设备和原有电力系统的安全运行，因而要对其中一条母线进行倒空操作。由于母线倒空操作属于常见的倒闸操作，基于“五防”准则执行即可。当新设备投运过程结束后，要及时恢复电力系统原有的运行方式，即需要将被倒空的母线恢复至正常运行状态。。

综上所述，对于新设备投运过程中需遵循的“五防”规则和“解五防”规则属于常规操作规则，可直接应用，而对于“拓展五防”规则，则需要根据不断变化的电网拓扑、设备类型、设备属性等参量对规则库进行不断地更新。

4 系统功能的测试

(1)确认操作区域。

用户应用电网新设备启动方案智能编制系统进行新设备启动方案的编制前，需要确认待投运的设备以及对应的电网启动范围，找到需要操作的厂站。图6为厂站的详细接线图。

图6 电气厂站接线图Fig.6 Wiring diagram of electric power plant

(2)执行操作并校验。

如图7所示，为元件的可操作选项示意图。选择所需要操作的元件，单击鼠标右键选择相应的操作类型，如：开关正常拉开，开关正常闭合等，对元件进行操作。系统基于相应的操作、校对准则对操作指令的合法性进行判断，若指令符合操作要求，则执行相应操作，并给出操作结果提示；若指令不符合操作要求通过，则给出相应的警告信息。

图7 元件的可操作选项Fig.7 Operational options for components

(3)生成新设备启动方案。

系统对所有符合操作规范要求的操作指令进行顺序记录，形成新设备启动方案的主线，然后通过投运预案要求设定相应的投运时间以及电网启动范围，形成最终的设备启动操作方案，如图8所示。

图8 完整的新设备启动方案Fig.8 Complete start-up plan of new equipment

5 结束语

文章对电网新设备启动方案的智能编制系统进行研究，基于D5000电网数据平台获取所需数据，采用B/S系统模式，构建了电网新设备启动方案的智能编制系统，实现了对新设备投运方案的编制、审核以及投运与校核功能的设计。系统功能测试效果充分证明了本文研究成果对提升新设备投运风险管控的效力，以及保障电力系统稳定运行的重要作用。