伍凌云，王民昆，李 強，徐 杰

(1.四川省電力公司調(diào)度中心，四川 成都 610041;2.中國電力科學(xué)研究院，北京 100192)

0 引言

為貫徹落實國網(wǎng)公司“三集五大”工作部署，按照“大運行”體系建設(shè)的總體要求，目前四川省電力公司調(diào)度中心正在全面推進各地調(diào)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)應(yīng)用軟件功能的建設(shè)和實用化工作。在保證實現(xiàn)調(diào)控一體化和地縣一體化功能的基礎(chǔ)上，建設(shè)和完善調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)各項應(yīng)用軟件功能，持續(xù)提升應(yīng)用功能實用化水平，逐步推動調(diào)控運行向智能分析型轉(zhuǎn)變。大運行對自動化系統(tǒng)運行管理提出很高要求，系統(tǒng)運行維護安全責(zé)任大大增加，“調(diào)控一體化、地縣一體化”的調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)投運后，地區(qū)電網(wǎng)調(diào)度生產(chǎn)、設(shè)備監(jiān)視和遠方控制嚴(yán)重依賴于自動化系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，對系統(tǒng)功能穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性提出了更加苛刻的要求，自動化系統(tǒng)運行維護的安全責(zé)任和壓力空前巨大。探索建立適應(yīng)大運行調(diào)度一體化及調(diào)控一體化的系統(tǒng)運行指標(biāo)考核體系，實現(xiàn)精益化運行管理與考核成為保障調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)安全可靠運行的重要工作內(nèi)容。

在保障自動化系統(tǒng)安全可靠運行的前提下，保障電網(wǎng)運行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的正確可靠是調(diào)控一體化及調(diào)度一體化業(yè)務(wù)技術(shù)支撐平臺實現(xiàn)的基礎(chǔ)條件。而狀態(tài)估計計算(state estimatior，SE)結(jié)果是調(diào)度一體化業(yè)務(wù)應(yīng)用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，提高狀態(tài)估計合格率指標(biāo)是保障調(diào)度一體化功能可靠運行的基礎(chǔ)。這里采用自動化最新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，通過基礎(chǔ)IEC 61970標(biāo)準(zhǔn)的CIM/E電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)交互，以松耦合的方式在異構(gòu)系統(tǒng)上實現(xiàn)省調(diào)對地調(diào)EMS系統(tǒng)狀態(tài)估計計算。

1 CIM/E封裝狀態(tài)估計計算數(shù)據(jù)實現(xiàn)原理

1.1 狀態(tài)估計數(shù)學(xué)描述［1］

狀態(tài)估計是能量管理系統(tǒng)(energy management system，EMS)高級應(yīng)用的基本功能，其量的測量主要來自于SCADA的實時數(shù)據(jù)，量測不足之處使用預(yù)報和計劃型的偽量測，另外還有一部分根據(jù)基爾霍夫定律得到的偽量測是必須使用的。

量測方程為

狀態(tài)估計的目標(biāo)函數(shù)為

即在給定量測向量z之后，狀態(tài)估計向量x是使目標(biāo)函數(shù)J(x)達到最小的x的值。式中R－1表示量測權(quán)重(采用量測方差的倒數(shù))，式(2)的含意是量測量加權(quán)殘差平方和為最小。

維數(shù)較少的系統(tǒng)狀態(tài)估計可直接采用基本加權(quán)最小二乘法求解，但實際系統(tǒng)狀態(tài)量多，需用內(nèi)存量大計算時間長，這里采用快速分解模型，將量測量分解為有功和無功兩類，即

將狀態(tài)量x也分解為電壓相角θ和幅值v兩類，即

同樣將量測方程h(x)分解為兩類，即

在基本加權(quán)最小二乘法狀態(tài)估計的修正方程(3)和(4)的雅可比矩陣H中引入以下兩項假設(shè)。

可以得到快速分解法狀態(tài)估計的修正方程為

式中，A為(na×na)有功常數(shù)對稱矩陣;B為 (nr×nr)無功常數(shù)對稱矩陣;a為na維有功自由向量;b為nr維無功自由向量。

1.2 基于CIM/E的SE計算數(shù)據(jù)交互

由狀態(tài)估計最小二乘法的模型得知，要想得到完整的狀態(tài)估計運行結(jié)果，有一些數(shù)據(jù)是必須事先得到的，例如系統(tǒng)的節(jié)點信息、支路信息等電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)，采集的實時數(shù)據(jù)信息，包括有功注入、無功注入等［8－10］。一般情況下狀態(tài)估計與SCADA在同一EMS系統(tǒng)中實現(xiàn)，計算需要完成以下功能:首先，定義電網(wǎng)模型及實時數(shù)據(jù)的輸入輸出接口，實現(xiàn)輸入輸出功能。電網(wǎng)模型包含了系統(tǒng)中所有的設(shè)備對象、量測對象等和狀態(tài)估計計算相關(guān)的電網(wǎng)信息。其次，按導(dǎo)入的電網(wǎng)模型中定義的網(wǎng)絡(luò)元件互連關(guān)系和當(dāng)前的開關(guān)刀閘狀態(tài)判別電網(wǎng)實時接線方式，進行網(wǎng)絡(luò)拓撲。最后，根據(jù)已知的系統(tǒng)量測信息，導(dǎo)入電網(wǎng)模型信息以及網(wǎng)絡(luò)拓撲后的系統(tǒng)狀態(tài)，進行狀態(tài)估計計算并輸出結(jié)果。目前省調(diào)EMS系統(tǒng)中沒有對地調(diào)管轄電網(wǎng)設(shè)備進行建模，也未實時采集地區(qū)電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，要在省調(diào)EMS系統(tǒng)中實現(xiàn)對地調(diào)的狀態(tài)估計計算，必須實現(xiàn)省地EMS系統(tǒng)模型和電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)交互。但省調(diào)與各地調(diào)現(xiàn)未采用基于同一平臺的EMS系統(tǒng)，系統(tǒng)應(yīng)用的互聯(lián)受到限制。

在近年來中國智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)建設(shè)過程中，各級調(diào)度中心基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和模型參數(shù)的“源端維護、全網(wǎng)共享”是系統(tǒng)建設(shè)需要解決的重要關(guān)鍵技術(shù)之一，也是智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)建設(shè)運行的重要基礎(chǔ)工作。為此，國調(diào)中心制定基于CIM/E語言的模型交互方案。此方案的基礎(chǔ)是IEC 61970/IEC 61968 標(biāo)準(zhǔn)［3，4］。通用信息模型(common information model，CIM)是 IEC 61970的核心部分，定義了電力企業(yè)應(yīng)用集成中涉及到的公用類、屬性、關(guān)系等。其中，公用類(class)是抽象的，可以擴展到許多應(yīng)用，可定義信息交換模型［5－7］。

CIM/E文件主要包含電網(wǎng)模型描述、模型導(dǎo)出時刻的電網(wǎng)數(shù)據(jù)斷面、設(shè)備命名規(guī)范、模型與通信索引表、與模型匹配的單線圖等信息，文件格式簡潔易于程序解析，因此這里將其作為省、地兩級調(diào)度之間的模型和數(shù)據(jù)交換文件。在地調(diào)EMS中提供本地模型到CIM模型的映射，根據(jù)程序內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容，按照CIM數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)化為CIM對象，生成CIM/E文本文件并輸出，通過調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)準(zhǔn)實時傳輸至省調(diào)，省調(diào)讀入CIM/E文件解析并將其轉(zhuǎn)換為內(nèi)部程序所需格式，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)拓撲分析和運行數(shù)據(jù)預(yù)處理后就可以得到電網(wǎng)結(jié)點模型和實時數(shù)據(jù)進行狀態(tài)估計計算。

2 技術(shù)實施方案

省、地調(diào)之間用CIME進行模型和運行數(shù)據(jù)的交換。省調(diào)側(cè)依據(jù)各地調(diào)模型和數(shù)據(jù)分別進行狀態(tài)估計計算，計算結(jié)果和統(tǒng)計信息分別寫入實時數(shù)據(jù)庫和商用數(shù)據(jù)庫，并提供界面展示和查詢。

2.1 電網(wǎng)模型和運行數(shù)據(jù)交換

在省調(diào)側(cè)部署專用數(shù)據(jù)接口服務(wù)器，存放模型文件和運行數(shù)據(jù)文件。地調(diào)側(cè)使用狀態(tài)估計應(yīng)用下的電網(wǎng)模型生成CIM/E格式的模型文件，模型文件中包含scada數(shù)據(jù)斷面，上傳至省調(diào)指定路徑。省調(diào)側(cè)狀態(tài)估計應(yīng)用周期讀取解析CIM/E文件進行狀態(tài)估計計算?？紤]到多個地調(diào)模型/數(shù)據(jù)文件同時上傳，同時啟動狀態(tài)估計計算，計算程序設(shè)計采用并行計算技術(shù)。

基于CIM/E模型數(shù)據(jù)交換和并行技術(shù)的狀態(tài)估計軟件設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 狀態(tài)估計軟件設(shè)計框圖

2.2 模型數(shù)據(jù)要求及校驗

地調(diào)電網(wǎng)模型和準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)均使用CIM/E文件。地調(diào)建模應(yīng)保證系統(tǒng)完整性(電源、網(wǎng)絡(luò)、負荷)。對外網(wǎng)和未采集廠站模型做等值處理，如將外網(wǎng)廠站等值成發(fā)電機組或負荷(如受電線路建議增加等值發(fā)電機，送電線路建議增加等值負荷)，無實時量測數(shù)據(jù)的用戶變等值成負荷模型。CIM/E文件中應(yīng)包含模型和scada斷面數(shù)據(jù)，模型與斷面數(shù)據(jù)應(yīng)相互匹配。

省調(diào)對地調(diào)模型和準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)進行量測預(yù)校驗，主要包含模型正確性校驗和準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)預(yù)檢測。模型正確性校驗包含(模型校驗及錯誤信息總覽、設(shè)備空掛/單端懸空及設(shè)備信息屬性錯誤信息);準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)預(yù)檢測包含可觀測性校驗、廠站平衡校驗、母線平衡校驗、線路兩端量測沖突等，校驗信息提供界面展示。模型/數(shù)據(jù)交換方式及相關(guān)接口。

地調(diào)側(cè)電網(wǎng)模型發(fā)生變更時，應(yīng)及時主動請求省調(diào)側(cè)對新模型進行校驗。模型校驗結(jié)果通過界面展示，校驗包含連接點錯誤、參數(shù)不完整、設(shè)備空掛等信息。模型校驗程序同時將模型更新時間寫入歷史庫，提供界面查詢。

2.3 狀態(tài)估計計算

省調(diào)側(cè)狀態(tài)估計應(yīng)用通過常駐進程周期啟動計算，計算周期應(yīng)不小于地調(diào)模型和數(shù)據(jù)上傳周期。狀態(tài)估計先CIM/E文件內(nèi)容的寫入省調(diào)EMS實時數(shù)據(jù)庫，同時讀入到內(nèi)存庫中進行狀態(tài)估計計算。狀態(tài)估計主要包含網(wǎng)絡(luò)拓撲分析、量測系統(tǒng)分析、量測預(yù)校驗功能、狀態(tài)估計計算、不良數(shù)據(jù)檢測與辨識。狀態(tài)估計計算程序框圖如圖2所示。

圖2 狀態(tài)估計框圖

3 系統(tǒng)配置方案

硬件根據(jù)計算量(21個地調(diào)15分鐘頻率SE計算)需求配置3臺專用SE計算服務(wù)器，以滿足于21個地調(diào)準(zhǔn)實時數(shù)據(jù)并列計算。服務(wù)器配置在安全I區(qū)，計算結(jié)果統(tǒng)計信息傳輸至III區(qū)通過OMS系統(tǒng)發(fā)布。

狀態(tài)估計是基于智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)分析應(yīng)用，應(yīng)接受平臺統(tǒng)一管理。省調(diào)側(cè)對21個地調(diào)模型和數(shù)據(jù)同時進行狀態(tài)估計計算，因此需要對每臺服務(wù)器上的應(yīng)用進行合理分布。人機界面只展示應(yīng)用主節(jié)點上的數(shù)據(jù)，因此需給21個地調(diào)狀態(tài)估計分配21個不同的應(yīng)用。采用小應(yīng)用的模式，每個狀態(tài)估計小應(yīng)用相當(dāng)于狀態(tài)估計大應(yīng)用的一個映射，擁有同樣的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，不同的小應(yīng)用可布置在不同服務(wù)器上，因此可以滿足21個狀態(tài)估計計算的需求。各個小應(yīng)用集成一套人機界面，通過切換應(yīng)用來查看不同地調(diào)的SE計算結(jié)果數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

推進調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)的精細化運行管理工作，以系統(tǒng)狀態(tài)估計遙測合格率運行指標(biāo)為著手點監(jiān)督考核系統(tǒng)運行情況，對有效提升調(diào)度一體化功能應(yīng)用水平提供了基礎(chǔ)保障。充分利用了CIM/E電網(wǎng)通用模型交互規(guī)范，在省地EMS系統(tǒng)異構(gòu)條件下，在省調(diào)側(cè)實現(xiàn)各地調(diào)系統(tǒng)電網(wǎng)數(shù)據(jù)的狀態(tài)估計準(zhǔn)實時計算，是對加強地調(diào)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)的運行管理的有益嘗試，同時也為探索建立適應(yīng)大運行調(diào)度一體化及調(diào)控一體化的系統(tǒng)運行指標(biāo)考核體系，實現(xiàn)精益化運行管理與考核提供了可行方案。

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