劉鎧誠(chéng)，何光宇，陳睿，黃文英，鄧兆云，鄧勇

(1.清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市100084;2.國(guó)網(wǎng)福建電力調(diào)度控制中心，福州市350003)

0 引言

為了使電網(wǎng)運(yùn)行人員更加明確地了解輸電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)，并更加有針對(duì)性地作出決策，我們需要構(gòu)建一套輸電網(wǎng)運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)體系。

目前，許多專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)從多種角度對(duì)指標(biāo)體系進(jìn)行研究，提出了指標(biāo)體系的構(gòu)建思路［1-3］以及針對(duì)單一評(píng)估目標(biāo)的指標(biāo)體系的構(gòu)建方法［4-5］。本文作者基于這些研究，從結(jié)果和原因2個(gè)層面出發(fā)，提出了一套系統(tǒng)的輸電網(wǎng)運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建方法［6］，詳細(xì)闡述了結(jié)果評(píng)估中的外部需求評(píng)估指標(biāo)集［7］和內(nèi)部安全需求評(píng)估指標(biāo)集［8］的指標(biāo)選取方法。

基于本文作者在文獻(xiàn)［6－8］中關(guān)于輸電網(wǎng)運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)體系的研究，本文針對(duì)福建電網(wǎng)這一具體的輸電網(wǎng)，結(jié)合實(shí)際需求，構(gòu)建符合福建電網(wǎng)實(shí)際情況的福建電網(wǎng)運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)體系，用于評(píng)估福建電網(wǎng)的運(yùn)行水平。為便于福建電網(wǎng)評(píng)估指標(biāo)體系在輸電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)度中的實(shí)際應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了福建電網(wǎng)在線運(yùn)行分析與輔助決策系統(tǒng)，對(duì)評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在福建電網(wǎng)初步實(shí)現(xiàn)了在線綜合分析與輔助決策。本文將基于普遍適用的輸電網(wǎng)運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)體系，闡述適用于福建電網(wǎng)的評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建，介紹福建電網(wǎng)在線運(yùn)行分析與輔助決策系統(tǒng)的硬件架構(gòu)、軟件架構(gòu)，并給出典型算例表明系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行效果。

1 指標(biāo)體系的構(gòu)建

首先，根據(jù)福建電網(wǎng)的實(shí)際需求和采集數(shù)據(jù)的情況，基于文獻(xiàn)［4］中提出的構(gòu)建輸電網(wǎng)評(píng)估指標(biāo)體系的方法，選取福建電網(wǎng)最為關(guān)心的指標(biāo)，形成福建電網(wǎng)的運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)體系。

在選取指標(biāo)的過(guò)程中，對(duì)其中的各個(gè)指標(biāo)集，作了如下的考慮。

1.1 結(jié)果評(píng)估

結(jié)果評(píng)估分為對(duì)用戶(hù)需求、發(fā)電企業(yè)需求、互聯(lián)電網(wǎng)需求、社會(huì)需求等外部需求的評(píng)估以及對(duì)電網(wǎng)公司本身內(nèi)部需求的評(píng)估，表1列出了結(jié)果評(píng)估的相關(guān)指標(biāo)。

表1 福建電網(wǎng)運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)體系結(jié)果評(píng)估指標(biāo)集Tab.1 Effect evaluation index set of index system for Fujian Power Grid

(1)外部需求評(píng)估指標(biāo)集。實(shí)際運(yùn)行中，運(yùn)行人員更關(guān)心外部需求在長(zhǎng)時(shí)間段內(nèi)總體的滿(mǎn)足程度，在特定斷面短時(shí)的電壓、頻率或功率在一定程度內(nèi)的偏差是可以接受的。因而，外部需求評(píng)估指標(biāo)集多數(shù)選取統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)的評(píng)估指標(biāo):電壓、頻率等質(zhì)量需求采用合格率、波動(dòng)率指標(biāo)評(píng)估;負(fù)荷、發(fā)電功率需求采用可靠率、發(fā)電計(jì)劃完成率、棄水期裝機(jī)滿(mǎn)發(fā)率等指標(biāo);聯(lián)絡(luò)線功率根據(jù)評(píng)估時(shí)段的不同采用CPS1和CPS2指標(biāo)［9］。根據(jù)福建電網(wǎng)的實(shí)際情況，不可調(diào)電源節(jié)點(diǎn)中，僅考慮風(fēng)電節(jié)點(diǎn)的隨機(jī)波動(dòng)，為便于監(jiān)測(cè)風(fēng)電出力及時(shí)調(diào)控接納，在短期內(nèi)采用出力接納比例評(píng)估。

(2)內(nèi)部需求評(píng)估指標(biāo)集。安全需求是否滿(mǎn)足是調(diào)度運(yùn)行人員最關(guān)心的運(yùn)行情況之一。風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)能夠反映當(dāng)前電網(wǎng)整體安全情況，并能夠提示最有可能發(fā)生的故障和后果最嚴(yán)重的事故情況，提前預(yù)警調(diào)度人員。故有必要在當(dāng)前斷面和統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)評(píng)估輸電網(wǎng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，計(jì)算電網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值指標(biāo)和電網(wǎng)安全條件風(fēng)險(xiǎn)價(jià)值指標(biāo)。系統(tǒng)的高效性水平一般更體現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)，故高效需求評(píng)估中僅選取統(tǒng)計(jì)時(shí)間段內(nèi)的指標(biāo)，包括電能傳輸效率及環(huán)境成本2個(gè)方面。

1.2 原因評(píng)估

原因評(píng)估的基本方法為分解轉(zhuǎn)化。分解即將結(jié)果評(píng)估中的表示長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)、總體需求滿(mǎn)足程度的指標(biāo)，分解為短時(shí)間內(nèi)、局部需求滿(mǎn)足程度的指標(biāo)。表2列出了各分解指標(biāo)。由于滿(mǎn)足外部需求本質(zhì)上是滿(mǎn)足各節(jié)點(diǎn)上的需求，對(duì)于電壓需求、不可調(diào)電源功率需求，有必要采用節(jié)點(diǎn)指標(biāo)評(píng)估局部情況，以便于調(diào)度人員掌握局部信息，根據(jù)運(yùn)行情況及時(shí)作出調(diào)整，具體指標(biāo)包括節(jié)點(diǎn)電壓合格率、節(jié)點(diǎn)供電可靠率等等。此外，單情景的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)指示了最危險(xiǎn)的某些情景，而設(shè)備的高效性指標(biāo)可以為減少損耗的精細(xì)化管理提供依據(jù)。

表2 福建電網(wǎng)運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)體系分解指標(biāo)集Tab.2 Decomposition index set of index system for Fujian Power Grid

轉(zhuǎn)化通常是對(duì)決策評(píng)估而言，針對(duì)單決策，給出了決策評(píng)估的指標(biāo)集，如表3所示。根據(jù)福建電網(wǎng)的實(shí)際情況，外部需求中電源出力的波動(dòng)僅考慮風(fēng)電波動(dòng)。外部需求的波動(dòng)情況細(xì)化到負(fù)荷母線和風(fēng)電節(jié)點(diǎn)處，以便于考察局部需求的變動(dòng)。決策自身因素方面，考慮各決策周期上的控制決策，對(duì)AGC控制策略、經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略、日前計(jì)劃、月度運(yùn)行方式、年度運(yùn)行方式等設(shè)立定性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估，說(shuō)明其決策執(zhí)行情況及決策合理性。

表3 福建電網(wǎng)運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)體系決策評(píng)估指標(biāo)集Tab.3 Strategy evaluation index set of index system for Fujian Power Grid

2 硬件體系架構(gòu)

福建電網(wǎng)評(píng)估的硬件體系結(jié)構(gòu)包含以下幾部分內(nèi)容:應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、客戶(hù)端、福建電網(wǎng)FTP服務(wù)器和綜合數(shù)據(jù)平臺(tái)。

其中應(yīng)用服務(wù)器用于進(jìn)行指標(biāo)的計(jì)算、分析，提供輔助決策等，共有2臺(tái)，互為備用;數(shù)據(jù)服務(wù)器為用于存放所有指標(biāo)數(shù)據(jù)以及系統(tǒng)相關(guān)的模型數(shù)據(jù)、參數(shù)數(shù)據(jù)等，也是共有2臺(tái)，互為備用。這4臺(tái)服務(wù)器為指標(biāo)體系專(zhuān)用服務(wù)器。

福建電網(wǎng)FTP服務(wù)器和綜合數(shù)據(jù)平臺(tái)為福建電網(wǎng)已有服務(wù)器，用于為指標(biāo)體系提供相關(guān)的數(shù)據(jù)支持?？蛻?hù)端為各部門(mén)人員的工作站或PC機(jī)，用以運(yùn)行界面程序。

硬件體系架構(gòu)如圖1所示。

3 軟件體系架構(gòu)

項(xiàng)目軟件主要分為后臺(tái)數(shù)據(jù)支持和前臺(tái)可視化2個(gè)方面的內(nèi)容。其中后臺(tái)基于OSGi［10］+SOA機(jī)制組織，而前臺(tái)可視化則是基于Swing Java Builder、JFree Chart和Jide技術(shù)開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)，后臺(tái)與前臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交互通過(guò)HTTP+Hessian實(shí)現(xiàn)。后臺(tái)框架基于以下2個(gè)目的進(jìn)行組織:(1)計(jì)算、存儲(chǔ)、讀取指標(biāo)，為前臺(tái)可視化提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)支持;(2)為輔助決策的事件機(jī)制［11］提供相關(guān)服務(wù)。

圖1 硬件體系架構(gòu)Fig.1 Hardware architecture

軟件體系架構(gòu)如圖2所示，包括了數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)、指標(biāo)緩存服務(wù)、指標(biāo)查詢(xún)服務(wù)、狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)服務(wù)、調(diào)度作業(yè)服務(wù)、指標(biāo)體系配置信息服務(wù)、事件信息管理服務(wù)、http服務(wù)和Hessian等多個(gè)相關(guān)服務(wù)，以下具體闡述其功能和實(shí)現(xiàn)方式。

(1)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。

本系統(tǒng)需要用到2個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù):指標(biāo)體系數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，福建電網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)。指標(biāo)體系數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)是指標(biāo)體系的專(zhuān)用數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，提供的是針對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫(xiě)，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)指標(biāo)體系所需要的各種數(shù)據(jù)，所有前臺(tái)可視化要展示的指標(biāo)信息都要進(jìn)入此數(shù)據(jù)庫(kù)，指標(biāo)體系的一些配置信息也由本數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)。福建電網(wǎng)數(shù)據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)，負(fù)責(zé)處理指標(biāo)體系與福建電網(wǎng)已有數(shù)據(jù)之間的交互，例如讀取福建電網(wǎng)已有指標(biāo)，讀取計(jì)算指標(biāo)所需要的一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等等。

(2)指標(biāo)緩存服務(wù)。

指標(biāo)緩存服務(wù)是指標(biāo)體系運(yùn)行效率的重要保證。將一些常用的指標(biāo)信息放入內(nèi)存，當(dāng)前臺(tái)可視化需要這些信息時(shí)直接返回相關(guān)數(shù)據(jù)即可，而不需要進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)操作，這樣能夠節(jié)省大量的時(shí)間。

(3)指標(biāo)查詢(xún)服務(wù)。

指標(biāo)查詢(xún)服務(wù)是負(fù)責(zé)所有指標(biāo)查詢(xún)相關(guān)的功能。它直接與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)進(jìn)行交互，在應(yīng)用層與數(shù)據(jù)庫(kù)之間增加1層，一方面保證了數(shù)據(jù)庫(kù)的安全穩(wěn)定，另一方面也使得程序?qū)崿F(xiàn)更加清晰。

(4)狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)服務(wù)。

狀態(tài)估計(jì)數(shù)據(jù)服務(wù)，定時(shí)讀取福建電網(wǎng)FTP上的狀態(tài)估計(jì)結(jié)果(E格式文件)，通過(guò)格式轉(zhuǎn)換得到潮流斷面等相關(guān)系統(tǒng)運(yùn)行信息，對(duì)外提供數(shù)據(jù)接口，為高級(jí)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。與之密切相關(guān)的是福建電網(wǎng)FTP資源，這是狀態(tài)估計(jì)結(jié)果的提供平臺(tái)。

圖2 軟件體系架構(gòu)圖Fig.2 Software architecture

(5)作業(yè)調(diào)度服務(wù)。

作業(yè)調(diào)度服務(wù)負(fù)責(zé)處理一些與時(shí)間相關(guān)的任務(wù)，例如指標(biāo)的定時(shí)計(jì)算，狀態(tài)數(shù)據(jù)的定時(shí)讀取和處理等等。

(6)指標(biāo)體系配置信息服務(wù)。

指標(biāo)體系配置信息服務(wù)負(fù)責(zé)指標(biāo)體系配置相關(guān)的數(shù)據(jù)服務(wù)，例如當(dāng)前體系有哪些結(jié)果評(píng)估指標(biāo)、分別對(duì)應(yīng)著哪些原因評(píng)估指標(biāo)，有哪些看板，各個(gè)看板分別包含哪些指標(biāo)及其對(duì)象的相關(guān)信息。與之密切相關(guān)的是YAML格式的配置文件，它同時(shí)還與指標(biāo)體系數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互。

(7)Http服務(wù)和Hessian。

Http服務(wù)和Hessian共同構(gòu)成了遠(yuǎn)程調(diào)用的技術(shù)基礎(chǔ)，用于滿(mǎn)足可視化模塊和指標(biāo)體系管理模塊的數(shù)據(jù)需求。指標(biāo)體系配置信息服務(wù)、指標(biāo)查詢(xún)服務(wù)，事件信息管理服務(wù)均通過(guò)Http和Hessian進(jìn)行注冊(cè)，以保證遠(yuǎn)程模塊能夠通過(guò)Http獲取相關(guān)數(shù)據(jù)服務(wù)。

相關(guān)功能模塊可以分為遠(yuǎn)程功能性模塊和事件機(jī)制模塊2類(lèi)，具體介紹如下:

(1)遠(yuǎn)程功能性模塊。

遠(yuǎn)程功能性模塊主要包含2個(gè)內(nèi)容:可視化模塊、指標(biāo)體系管理模塊?？梢暬K是整個(gè)系統(tǒng)最重要的模塊之一，它將整個(gè)指標(biāo)體系以一定的可視化方式展示出來(lái)，不但包括指標(biāo)體系本身的可視化還包括基于指標(biāo)體系的事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制的可視化。指標(biāo)體系管理模塊主要負(fù)責(zé)指標(biāo)體系的修改，包括指標(biāo)的添加和刪除，結(jié)果評(píng)估指標(biāo)及原因評(píng)估指標(biāo)的修改，指標(biāo)體系對(duì)象的維護(hù)等。

(2)事件機(jī)制模塊。

事件機(jī)制模塊由一系列模塊組成，如圖3所示，包括指標(biāo)計(jì)算、指標(biāo)監(jiān)視和事件處理模塊(稱(chēng)為核心模塊)，還包括為這些模塊提供相關(guān)數(shù)據(jù)服務(wù)的服務(wù)性模塊(圖3中沒(méi)有表示出來(lái))。

整個(gè)事件機(jī)制可以通過(guò)圖3詳細(xì)展現(xiàn)出來(lái)，圖中展示了事件機(jī)制實(shí)現(xiàn)的3個(gè)事例，將系統(tǒng)中所有的控制模式都統(tǒng)一到這一框架之下。事件發(fā)現(xiàn)層負(fù)責(zé)通過(guò)綜合指標(biāo)體系在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)發(fā)現(xiàn)事件，避免信息孤島事件的發(fā)生;事件分析層負(fù)責(zé)通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘等方式在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)查找引起問(wèn)題的根本原因;事件處理層負(fù)責(zé)協(xié)同控制所有可控資源，形成整體最優(yōu)的解決方案。

圖3 事件機(jī)制示例Fig.3 Example for event mechanism

4 系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)例

限于篇幅所限，無(wú)法全面展現(xiàn)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，因此本節(jié)選取了電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行中2個(gè)常見(jiàn)的越限場(chǎng)景:重要斷面功率越限和電壓越限，以此來(lái)說(shuō)明該系統(tǒng)的運(yùn)行機(jī)制。

(1)重要斷面功率越限。

將重要斷面的輸送功率抽象成指標(biāo)，根據(jù)上述事件機(jī)制組織整個(gè)輔助決策流程。監(jiān)視到重要斷面功率越限后，記錄越限額，基于靈敏度(轉(zhuǎn)移分布因子)的思想調(diào)整發(fā)電機(jī)的有功出力，消除線路越限。

功率越限決策流程見(jiàn)圖4，以500kV福州—東臺(tái)雙線斷面為例，線路功率限額為700MW。

(2)電壓越限。

將重要節(jié)點(diǎn)電壓抽象為指標(biāo)，指定其上下限。監(jiān)視到某重要節(jié)點(diǎn)電壓越限后，啟動(dòng)最優(yōu)潮流模塊，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓的限值轉(zhuǎn)化成最優(yōu)潮流的約束條件，同時(shí)數(shù)據(jù)可控發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)及其對(duì)應(yīng)的無(wú)功輸出上下限，目標(biāo)函數(shù)為網(wǎng)損最小。經(jīng)過(guò)最優(yōu)潮流得到各個(gè)可調(diào)發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)的端電壓的調(diào)節(jié)量。這樣得到的策略，施加到系統(tǒng)控制后，一方面消除電壓越限，一方面使得當(dāng)前系統(tǒng)處在網(wǎng)損最優(yōu)的狀態(tài)。

以泉州變電站35kV側(cè)1號(hào)節(jié)點(diǎn)電壓越限為例說(shuō)明:在某個(gè)時(shí)刻，泉州變電站35kV側(cè)1號(hào)節(jié)點(diǎn)電壓為36.66kV，該節(jié)點(diǎn)電壓上限為36.4kV，電壓越上限。

圖4 功率越限決策流程圖Fig.4 Flow chart of strategy for power flow over limit

調(diào)用最優(yōu)潮流消除越限并優(yōu)化網(wǎng)損，得到的控制策略見(jiàn)表4。

控制效果為:在優(yōu)化控制前，主網(wǎng)架網(wǎng)損為119.76MW，泉州變電站35kV側(cè)1號(hào)節(jié)點(diǎn)電壓為36.66kV;優(yōu)化控制后，主網(wǎng)架網(wǎng)損變?yōu)?13.67MW，泉州變電站35kV側(cè)1號(hào)節(jié)點(diǎn)電壓變?yōu)?6.36kV?？梢钥闯?，優(yōu)化控制起到了消除電壓越限的效果，同時(shí)對(duì)網(wǎng)損也進(jìn)行了一定優(yōu)化。

表4 電壓越限控制策略Tab.4 Control strategy for voltage over limit

5 結(jié)論

本文所述的福建電網(wǎng)在線運(yùn)行分析與輔助決策系統(tǒng)，是輸電網(wǎng)運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)體系在實(shí)際電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。由文中所列的典型算例可以看出，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確地反映電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)測(cè)和分析電網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié);而系統(tǒng)所提供的輔助決策，對(duì)提高電網(wǎng)的安全性、經(jīng)濟(jì)性等也都具有顯著效果。這也說(shuō)明作者所提出的輸電網(wǎng)運(yùn)行指標(biāo)體系，其構(gòu)建方法是科學(xué)、合理的，可以有效地指導(dǎo)電力系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐。

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