奚江惠，胡濟洲，裘微江，邵德軍

（1.國家電網(wǎng)華中電力調(diào)控分中心，湖北 武漢 430077；2.國網(wǎng)湖北省電力公司，湖北 武漢 430077；3.中國電力科學研究院，北京 100192）

0 引言

“大電網(wǎng)沙盤推演系統(tǒng)”是國家電網(wǎng)公司《大電網(wǎng)規(guī)劃與運行控制技術深化研究重大專題》項目五《大電網(wǎng)在線評估技術深化研究》的配套示范項目[1～2]，引入了最早用于軍事領域的沙盤推演機制，將其與電力系統(tǒng)機電電磁混合計算方法和現(xiàn)代數(shù)字影像技術相結合，構建大電網(wǎng)安全穩(wěn)定沙盤推演系統(tǒng)。

在華中電網(wǎng)構建大電網(wǎng)安全穩(wěn)定沙盤推演系統(tǒng)是華中電網(wǎng)提高大電網(wǎng)調(diào)控能力的需要。華中電網(wǎng)正處于特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)過渡階段，特高壓直流通道多、送電功率大，交流電網(wǎng)相對薄弱。資源大范圍靈活配置促進了減排環(huán)保，但也使系統(tǒng)穩(wěn)定特性趨于復雜，運行方式多變。同時，電網(wǎng)規(guī)模的擴大、新能源發(fā)電在大電網(wǎng)的迅猛發(fā)展、極端氣候和地質(zhì)災害頻發(fā)等多因素都給電網(wǎng)安全穩(wěn)定造成嚴重威脅。而傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)分析計算軟件無論在自動化、智能化方面，還是在定量研究特高壓直流送受端相互影響等方面都有明顯局限性。

本文所述系統(tǒng)基于傳統(tǒng)穩(wěn)定分析計算軟件，吸取全數(shù)字仿真以及安全評估的先進技術，可作為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計算高效智能化分析平臺，實用化后將豐富調(diào)度員掌握大電網(wǎng)變化趨勢的技術手段，在多種應用場景中發(fā)揮作用。

1 大電網(wǎng)安全穩(wěn)定沙盤推演技術演進及國內(nèi)外應用情況

1.1 軍事和企業(yè)沙盤推演

沙盤推演最早應用于軍事，用模擬戰(zhàn)爭形態(tài)來演繹將要發(fā)生的戰(zhàn)爭。戰(zhàn)爭沙盤推演通過紅、藍兩軍在戰(zhàn)場上的對抗與較量，發(fā)現(xiàn)雙方戰(zhàn)略戰(zhàn)術上存在的問題，提高指揮員的作戰(zhàn)能力。戰(zhàn)爭沙盤模擬推演跨越了實兵軍演的巨大成本障礙和時空限制，在重大戰(zhàn)爭戰(zhàn)役中得到普遍運用，其實演效果尤其在“二戰(zhàn)”中發(fā)揮到了極致。

企業(yè)沙盤模擬培訓是上世紀五十年代由軍事沙盤推演演化而成，英、美知名商學院和管理咨詢機構意識到沙盤推演同樣適合企業(yè)對中、高層經(jīng)理的培訓，隨即對軍事沙盤模擬推演進行廣泛借鑒與研究，最終開發(fā)出了企業(yè)沙盤實戰(zhàn)模擬這一新型現(xiàn)代培訓模式。這種新穎而獨特的培訓模式現(xiàn)已風靡歐美，成為世界500強企業(yè)經(jīng)營管理培訓的主選課程，接受過沙盤模擬訓練的中國優(yōu)秀企業(yè)也已超過7 000家；沙盤模擬教學模式已被北大、清華、人大、浙大等多所高等院校納入MBA、EMBA及中高層管理者在職培訓的教學之中。

其它行業(yè)通過現(xiàn)代數(shù)字影像技術與傳統(tǒng)沙盤模型的組合，打造獨特的動態(tài)數(shù)字沙盤，用于規(guī)劃展示、匯報和宣傳等。

沙盤模擬培訓特有互動性、趣味性和競爭性特點，能調(diào)動學員學習興趣，使學員充分運用聽、說、學、做、改等一系列學習手段，開啟一切可以調(diào)動的感官功能，對所學內(nèi)容形成深度記憶，并能夠?qū)W到的管理思路和方法在實際工作中很快實踐與運用。在沙盤模擬培訓中學員得到的不再是空洞乏味的概念、理論，而是極其寶貴的實踐經(jīng)驗和深層次的領會與感悟。

1.2 電力系統(tǒng)沙盤推演及其研究應用現(xiàn)狀

電力系統(tǒng)沙盤推演借鑒軍事沙盤模擬推演，模擬一個方式或電網(wǎng)調(diào)控措施（可類比戰(zhàn)爭方案）是否正確,是對電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行和控制的沙盤化模擬、分析、培訓。電力系統(tǒng)沙盤推演提供自然、直觀的交互方式，形象、高效的數(shù)據(jù)展示，全面、及時的信息反饋，通過便捷的操作和強烈的融入感，使用戶快速掌握當前電網(wǎng)狀態(tài)和存在的問題，從而提高工作效率和工作質(zhì)量。電力系統(tǒng)沙盤推演可用于電網(wǎng)運行方式計算、規(guī)劃、調(diào)度等工作，當然其應用效果取決于數(shù)據(jù)是否能反映真實電網(wǎng)（類似戰(zhàn)爭決策正確需要有準確的情報）以及正確的仿真算法（類比軍事推演需遵守傷亡比例規(guī)律）。

軍事沙盤系統(tǒng)已經(jīng)從簡單的靜態(tài)的模型系統(tǒng)發(fā)展為可展示軍事環(huán)境因素和要素動態(tài)變化的電子系統(tǒng)。然而，電力系統(tǒng)領域沙盤推演系統(tǒng)的應用相對較少。

1990年代后，國外電網(wǎng)事故呈現(xiàn)出多發(fā)性和復雜性，在此背景下，很多國家開始著手大電網(wǎng)在線分析與評估系統(tǒng)建設。但重點集中于在線穩(wěn)定評估和預警方面，關于離線或規(guī)劃數(shù)據(jù)的智能綜合評估決策技術文獻報道還不多見。電力系統(tǒng)可視化技術比較早的應用于電網(wǎng)信息展示見于國外開發(fā)的Power World軟件。支持電網(wǎng)狀態(tài)沙盤推演與決策運行的可視化與互動結合技術方面的文獻目前還較為少見。調(diào)度部門已有在線安全穩(wěn)定分析與預警系統(tǒng)，在此基礎上，還需提升基于當前電網(wǎng)在線數(shù)據(jù)的電網(wǎng)沙盤推演能力，逐步形成在線分析和沙盤推演并行的全時間維度電網(wǎng)分析方法。同時，虛擬仿真技術、三維動畫技術、多點觸摸技術、多媒體技術、系統(tǒng)控制技術、電網(wǎng)仿真技術和高性能計算等技術的快速發(fā)展為電力系統(tǒng)沙盤推演系統(tǒng)的發(fā)展應用提供了技術支撐[3～4]。國家電網(wǎng)公司2012年設立《大電網(wǎng)規(guī)劃與運行控制技術深化研究重大專題》項目，其中大電網(wǎng)安全穩(wěn)定沙盤推演系統(tǒng)就是填補國內(nèi)空白的研究應用項目。

2 系統(tǒng)結構

2.1 通用結構

大電網(wǎng)安全穩(wěn)定沙盤推演系統(tǒng)基于傳統(tǒng)穩(wěn)定分析計算軟件，運用全數(shù)字仿真以及安全評估的先進技術，采用統(tǒng)一的仿真計算數(shù)據(jù)管理平臺實現(xiàn)各種運行方式的智能制定以及自動化綜合評估，為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定計算提供高效智能化分析平臺，從而為調(diào)度、規(guī)劃、方式制定等工作提供通用研究和決策支持。該系統(tǒng)屬于典型的三部件結構，即對話部件（人機交互及問題綜合系統(tǒng)）、數(shù)據(jù)部件（數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）、模型部件（模型庫管理系統(tǒng)）。圖1為其通用結構圖。

圖1 系統(tǒng)通用結構圖Fig.1 General structure of the system

2.2 系統(tǒng)結構及各功能模塊

大電網(wǎng)安全穩(wěn)定沙盤推演系統(tǒng)部署在華中調(diào)控分中心調(diào)度網(wǎng)安全Ⅱ區(qū)，系統(tǒng)硬件結構包括服務器端和客戶端兩個部分。服務器端主要配置為數(shù)據(jù)庫服務器、數(shù)據(jù)平臺應用服務器、文件服務器、分布式計算機群、網(wǎng)絡設備、磁盤陣列。客戶端配置包括PC終端、觸摸屏、網(wǎng)絡設備。

大電網(wǎng)安全穩(wěn)定沙盤推演系統(tǒng)總體結構如圖2所示，由仿真計算數(shù)據(jù)管理平臺（D5000數(shù)據(jù)接入、仿真計算數(shù)據(jù)管理）、仿真計算平臺、電網(wǎng)可視化及互動平臺、通信服務總線、推演應用服務端控制等5個子系統(tǒng)組成。

圖2 大電網(wǎng)安全穩(wěn)定沙盤推演系統(tǒng)總體結構Fig.2 Overall structure of bulk power system sand-table simulation platform

2.2.1 仿真計算數(shù)據(jù)管理平臺

仿真計算數(shù)據(jù)管理平臺進行電網(wǎng)模型和數(shù)據(jù)資源的統(tǒng)一管理，為各類應用提供數(shù)據(jù)存取管理服務。具體功能包括：

1）電網(wǎng)模型和參數(shù)管理，管理電網(wǎng)設備基礎參數(shù)、電網(wǎng)設備動態(tài)模型參數(shù)、電網(wǎng)設備電磁暫態(tài)模型及參數(shù)、綜合評估設置數(shù)據(jù)。

2）推演案例管理。對用戶針對某個問題進行推演而生成的推演案例數(shù)據(jù)進行管理，包括案例上傳、下載、新建、刪除等。推演案例數(shù)據(jù)包括：電網(wǎng)基礎網(wǎng)架、推演前電網(wǎng)運行方式、方式變化數(shù)據(jù)修改記錄、推演后電網(wǎng)運行方式、針對運行方式的安全評估數(shù)據(jù)、暫穩(wěn)推演數(shù)據(jù)和機電電磁混合推演數(shù)據(jù)。

3）與在線系統(tǒng)接口?？梢詫隓5000狀態(tài)估計后的數(shù)據(jù)，與離線方式計算數(shù)據(jù)進行整合生成仿真計算數(shù)據(jù)。

4）在基本的存儲管理外，還包括諸如共享、安全備份、可追溯的版本管理等。

5）支持不同來源和類屬的數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理。通過數(shù)據(jù)管理模式，可對電網(wǎng)應用集成提供支持和管理。

2.2.2 仿真計算平臺

仿真計算平臺的功能是實現(xiàn)全面的電網(wǎng)安全分析、評估和全過程仿真，集成各類電網(wǎng)仿真分析算法，實現(xiàn)電網(wǎng)的全面分析，包括快速潮流計算、機電暫態(tài)計算、機電電磁混合計算、安全評估（暫態(tài)穩(wěn)定分析、小干擾穩(wěn)定分析、靜態(tài)安全分析、短路電流分析、電壓穩(wěn)定分析）、綜合靈敏度分析、穩(wěn)定裕度計算、電網(wǎng)穩(wěn)定輔助分析等。

通過機群的并行計算方式，提供分網(wǎng)并行和任務并行兩種并行計算模式，可靈活組合發(fā)揮分網(wǎng)并行和任務并行的綜合優(yōu)勢，快速分析電網(wǎng)當前運行工況或預想運行工況下的安全穩(wěn)定問題以及快速暫穩(wěn)計算校核。

2.2.3 電網(wǎng)仿真推演應用服務端控制模塊

電網(wǎng)仿真推演應用服務端控制模塊也稱仿真推演應用服務器，提供對客戶端發(fā)來的推演操作和數(shù)據(jù)請求等消息的響應以及仿真推演相關業(yè)務處理和控制服務，包括電網(wǎng)推演用戶管理、電網(wǎng)推演組管理、電網(wǎng)推演規(guī)則服務、電網(wǎng)推演操作處理、電網(wǎng)推演結果發(fā)布等。

2.2.4 電網(wǎng)可視化及互動平臺（推演客戶端）

電網(wǎng)可視化及互動平臺（推演客戶端）利用可視化，直觀明了地表示出系統(tǒng)安全分析計算結果和電網(wǎng)動態(tài)變化過程。利用交互技術，實現(xiàn)用戶推演指令的輸入和結果反饋輸出。利用推演流程控制，來動態(tài)組合問題以及控制推演過程，滿足決策需要。該子系統(tǒng)提供顯示器、大屏幕系統(tǒng)、大/小尺寸觸摸屏等多類展示和交互手段，實現(xiàn)運行方式設定等操作的互動化、電網(wǎng)仿真及安全評估結果的可視化。

電網(wǎng)可視化及互動平臺中內(nèi)嵌的推演應用客戶端邏輯控制功能包含用戶輸入命令響應、輸出結果分析處理、推演應用流程控制等。推演應用客戶端邏輯控制模塊管理驅(qū)動沙盤推演過程中的電網(wǎng)展示及交互界面生成，和推演應用服務端控制模塊協(xié)同提供推演界面?zhèn)冗壿嬁刂?，是人機系統(tǒng)的邏輯控制模塊。

2.2.5 通信服務總線

華中系統(tǒng)是一個局域網(wǎng)內(nèi)的分布式系統(tǒng)，為實現(xiàn)分布式系統(tǒng)協(xié)調(diào)運行，采用總線技術，提供位置透明的通信手段，隔離操作系統(tǒng)和硬件平臺的相關性，保證信息的及時可靠交換和系統(tǒng)的靈活擴展。通信服務總線是系統(tǒng)中處理各個組件間相互通信、協(xié)調(diào)與控制的媒介，任何符合一定標準的應用程序都可以通過適配器以插件方式獲得總線的支持。

3 系統(tǒng)工作過程及功能特點

3.1 工作過程

沙盤推演工作流程包括：構建沙盤、打開沙盤、推演準備、推演實施、綜合評估、推演記錄。不同推演方式的工作流程基本一致，如圖3所示。

圖3 推演工作流程框圖Fig.3 Structure diagram of the gaming simulation

沙盤推演核心步驟是沙盤構建、沙盤推演和綜合評估。構建沙盤是準備仿真計算數(shù)據(jù)和沙盤圖形。仿真計算數(shù)據(jù)準備包括在線數(shù)據(jù)整合導入和仿真設置。通過在線數(shù)據(jù)接口整合既可導入實時在線狀態(tài)估計數(shù)據(jù)形成在線當前運行方式，也可導入在線歷史狀態(tài)估計數(shù)據(jù)形成在線歷史運行方式。疊加上仿真設置數(shù)據(jù)形成沙盤的推演控制數(shù)據(jù)，進行仿真推演。仿真設置數(shù)據(jù)則為運行統(tǒng)計設置數(shù)據(jù)、故障信息、穩(wěn)定控制策略、安全評估方案信息、計算控制信息等，通過仿真計算數(shù)據(jù)管理平臺進行管理，是沙盤推演必需的數(shù)據(jù)。沙盤推演則是在沙盤電網(wǎng)上推演計算，通過模擬不同的電網(wǎng)故障和調(diào)整控制措施，計算電網(wǎng)響應以及安全穩(wěn)定水平變化判斷調(diào)整控制措施是否有效。綜合評估依據(jù)預設的電網(wǎng)安全穩(wěn)定指標對不同方案推演結果進行比選，從中挑選滿意或較優(yōu)的方案。

3.2 功能特點及性能指標

3.2.1 機電電磁混合推演

電力系統(tǒng)沙盤推演系統(tǒng)至少需具備潮流推演、暫穩(wěn)推演等基本功能，結合華中電網(wǎng)特點和調(diào)控運行需求，華中大電網(wǎng)安全穩(wěn)定沙盤推演系統(tǒng)還有機電電磁混合推演功能。

華北-華中-西南同步電網(wǎng)正處于特高壓電網(wǎng)發(fā)展過渡期，交流電網(wǎng)發(fā)展相對滯后于特高壓直流，復奉、錦蘇、賓金特高壓直流豐水期送出2 160×104kW水電，三峽近區(qū)葛南、龍政、宜華、林楓和江城直流送出1 316×104kW電力，受端華東電網(wǎng)的故障可能造成多回直流換相失敗，直流線路自身也可能故障造成直流再啟動，存在直流功率輸送短時受阻的電磁暫態(tài)過程，會在送端電網(wǎng)中產(chǎn)生巨大的暫態(tài)能量沖擊，危及電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行[4]。越來越多的直流輸電以及串補、SVC等各類FACTS元件在電力系統(tǒng)中應用，相應要求大電網(wǎng)沙盤推演系統(tǒng)必須具備機電電磁混合推演能力。華中大電網(wǎng)沙盤推演系統(tǒng)采用了機電電磁混合仿真技術，可以對直流輸電系統(tǒng)用電磁暫態(tài)模型描述，電網(wǎng)其他部分用機電暫態(tài)模型描述進行機電電磁混合仿真推演。不僅可查看電網(wǎng)機電暫態(tài)變化過程，還可查看比暫態(tài)穩(wěn)定計算更細致的電磁暫態(tài)變化過程。

3.2.2 可視化

可視化評估技術具有清晰、直觀、形象、方便的特點，在數(shù)據(jù)展示、場景構建等方面應用十分廣泛?？梢暬夹g的大量應用更應是沙盤推演系統(tǒng)的特點。

華中大電網(wǎng)安全穩(wěn)定沙盤推演系統(tǒng)采用二維、三維圖形技術在電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示、運行安全狀態(tài)顯示、運行的趨勢顯示三方面提高可視化程度[5]。二維可視化技術涉及圖形渲染及矢量繪圖等技術，利用各類圖形圖像生成動畫、閃爍、顏色改變等效果，形成可視化展示方式。箭頭圖及箭頭流動圖應用箭頭顯示線路潮流方向以及大小；支路餅圖顯示線路負載率等信息，餅圖還可以與渲染圖結合使用；著色圖用顏色的差別來顯示數(shù)據(jù)的大?。磺€圖用于時域曲線、頻域曲線等曲線的顯示輸出。

三維展示是二維展示的提升。三維可視化展示形式以更多的視角直觀展現(xiàn)電力系統(tǒng)的狀態(tài)，可以使用戶直接構造、觀察、分析和操作逼真的三維場景。三維柱形圖表達方式計算量小、顯示速度快，適用于點數(shù)據(jù)（如廠站電壓、區(qū)域無功裕度、節(jié)點頻率等）的可視化表達，三維曲面圖則是利用空間插值的方法將點數(shù)據(jù)定義擴展到整個平面。此外還可用三維動畫如元件選中動畫、設備運行動畫（例如機組轉(zhuǎn)動）、動態(tài)閃爍展示等增強展示效果。空間域的三維展示用于形象表示系統(tǒng)的安全運行區(qū)域。一個展示相互關聯(lián)多斷面安全運行區(qū)域的三維空間域示意圖如圖4所示。

圖4 安全域的三維顯示示意圖Fig.4 Three dimensional diagram of the security area

如圖所示，當萬龍斷面潮流由87×104kW變化到176×104kW，在三維空間域中，當前運行點由A轉(zhuǎn)移到B，安全裕度減小，但仍處于安全區(qū)域內(nèi)。

3.2.3 觸摸屏操作互動

正如智能手機已廣泛采用觸摸屏，計算機人機交互互動方式也正處于鍵盤、鼠標向觸摸屏的改變中。華中大電網(wǎng)安全穩(wěn)定沙盤推演系統(tǒng)采用了高分辨率多點觸摸屏，調(diào)整計算數(shù)據(jù)、設置故障等均通過觸摸屏操作完成，讓推演系統(tǒng)的人機互動形式更加方便，直觀，更加人性化，增加推演系統(tǒng)的互動性，趣味性。

4 結束語

華中電網(wǎng)在特高壓互聯(lián)電網(wǎng)所處的地位及其復雜多變的穩(wěn)定特性與承載的安全責任，是華中建設大電網(wǎng)安全穩(wěn)定沙盤推演系統(tǒng)的直接原因。該系統(tǒng)支持2×104節(jié)點以上規(guī)模的大電網(wǎng)推演，建成后將應用于調(diào)度生產(chǎn)一線，滿足調(diào)度運行多種應用。主要應用于下述場景：

1）研究態(tài)分析展示

利用沙盤推演系統(tǒng)形象直觀推演研究態(tài)運行方案。

2）緊急態(tài)評估展示

華中電網(wǎng)是一個自然災害多方的區(qū)域電網(wǎng)，若遇惡劣天氣或地質(zhì)災害，系統(tǒng)運行于特殊方式，可利用沙盤推演系統(tǒng)導入在線運行方式，計算評估系統(tǒng)穩(wěn)定水平。

3）歷史態(tài)、實時態(tài)、未來態(tài)聯(lián)合計算展示

沙盤推演系統(tǒng)利用在線、歷史或計劃數(shù)據(jù)導入、電網(wǎng)分析和智能綜合評估等功能，對電網(wǎng)即將發(fā)生或者已經(jīng)發(fā)生的重大事件進行快速分析與評估。支持當前、歷史及未來態(tài)電網(wǎng)仿真、動態(tài)過程校驗、穩(wěn)控措施校驗、電網(wǎng)事故分析等功能。

在系統(tǒng)實用化后，可推廣應用于國（分）省各級電網(wǎng)調(diào)控運行，豐富電網(wǎng)調(diào)控技術手段，滿足電網(wǎng)日益增長的穩(wěn)定分析的業(yè)務需求。

（References）

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[2]國家電網(wǎng)公司.國家電網(wǎng)公司總部科技項目《大電網(wǎng)在線評估技術深化研究》任務書.國家電網(wǎng)公司[2012]515號文.2012.State Grid.Task Book for Advanced Bulk Power System On-line Security Analysis[R].2012.

[3]孫揚，封孝生，唐九陽，等.多維可視化技術綜述[J].計算機科學，2008，35(11):1-7.Sun Yang,Feng Xiaosheng,Tang Jiuyang,et al．Sur?vey on the Research of Multidimensional and Multi?variate Data Visualization[J].ComputerScience，2008，35(11)：1．

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[5]韓禎祥，呂捷，邱家駒．科學計算可視化及其在電力系統(tǒng)中的應用前景[J]．電網(wǎng)技術，1996，20(7)：22-27．Han Zhenxiang，Lü Jie，Qiu Jiaju． Visualization in Scientific Computingand ItsApplication As?pects in Power Systems[J]．Power System Technolo?gy，1996，20(7)：22-27．