何 邁， 劉俊勇， 任瑞玲， 劉 洋， 劉友波， 劉若凡

(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院， 成都 610065)

·專題討論——虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(41)·

電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)仿真

何 邁， 劉俊勇， 任瑞玲， 劉 洋， 劉友波， 劉若凡

(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院， 成都 610065)

以電力系統(tǒng)動(dòng)模仿真實(shí)驗(yàn)室和電力系統(tǒng)運(yùn)行仿真軟件為基礎(chǔ)，構(gòu)建了電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)，描述了仿真平臺(tái)的框架和軟、硬件組成以及大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的接口技術(shù)和第三方軟件。并以風(fēng)電系統(tǒng)的傳輸線極限潮流為背景，展示了大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用的流程和結(jié)果。所搭建的大數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)可為教師和研究生以及高年級(jí)本科生在熟悉傳統(tǒng)電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和仿真的基礎(chǔ)上，較為方便地引入大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，以對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)做進(jìn)一步的機(jī)理或現(xiàn)象的分析。

電力系統(tǒng)； 大數(shù)據(jù)； 仿真平臺(tái)

0 引 言

電力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)研究在國內(nèi)剛剛起步，尤其是在適應(yīng)電力特性的大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)平臺(tái)、數(shù)據(jù)算法、分析理論等方面研究成果較少。以當(dāng)前現(xiàn)有大數(shù)據(jù)研究成果來看，其主要停留在概念層面，尚未尋找到大數(shù)據(jù)在電力系統(tǒng)方向的具體落腳點(diǎn)與具體應(yīng)用方向?，F(xiàn)有實(shí)際研究成果仍主要停留在大數(shù)據(jù)平臺(tái)研發(fā)、改造與二次開發(fā)等層面，以及處理框架與處理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)階段。大數(shù)據(jù)研究理論的出現(xiàn)，是基于數(shù)據(jù)本身自然蘊(yùn)含的系統(tǒng)行為和全天然的數(shù)據(jù)自然表征。理論上，大數(shù)據(jù)并不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行任何縮略刪減，而是針對(duì)數(shù)據(jù)整體所包含的復(fù)雜系統(tǒng)行為進(jìn)行最為原生態(tài)的發(fā)掘與發(fā)現(xiàn)處理。大數(shù)據(jù)站在全景數(shù)據(jù)的角度，對(duì)傳統(tǒng)意義上的分散孤立數(shù)據(jù)進(jìn)行鏈接，將數(shù)據(jù)組織成復(fù)雜信息集合，并在此之上結(jié)合各種數(shù)據(jù)組織處理算法，實(shí)現(xiàn)非數(shù)學(xué)建模式研究理論。其中包含以下幾個(gè)方面內(nèi)容：

(1) 數(shù)據(jù)預(yù)處理研究。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解析、數(shù)據(jù)篩選等、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等工作，算法設(shè)計(jì)與基礎(chǔ)工具并行。

(2) 數(shù)據(jù)分析研究。數(shù)據(jù)分布形狀、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)確認(rèn)、噪聲消除、數(shù)據(jù)降維等。在研究數(shù)據(jù)形狀基礎(chǔ)上，分析邏輯關(guān)聯(lián)；理論算法研究。

(3) 算法性能研究。算法缺陷、算法適應(yīng)性缺陷、計(jì)算容量等，理論研究及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

(4) 算法優(yōu)化研究。分布式計(jì)算，理論研究。

(5) 性能評(píng)估仿真研究。理論研究與工具開發(fā)。

從以上分析看，高校大數(shù)據(jù)研究更多偏重于算法，而缺少找到實(shí)際大數(shù)據(jù)的渠道，以及缺少使用這些大數(shù)據(jù)的平臺(tái)，因此，在學(xué)校內(nèi)部利用現(xiàn)有資源搭建大數(shù)據(jù)仿真試驗(yàn)平臺(tái)，是開展大數(shù)據(jù)研究的重要一步。雖然，實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的數(shù)據(jù)并不是真正意義上的大數(shù)據(jù)，但它奠定了全過程應(yīng)用實(shí)際大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)電力系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)

為達(dá)到對(duì)電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析的目的，需要分析大數(shù)據(jù)的來源，針對(duì)大學(xué)缺乏來自現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的大數(shù)據(jù)，需對(duì)學(xué)校內(nèi)的電網(wǎng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和軟件仿真數(shù)據(jù)均納入大數(shù)據(jù)的來源。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室已配備了能較好仿真并能模擬電網(wǎng)運(yùn)行的高級(jí)應(yīng)用軟件，這些軟件能供研究者進(jìn)行自定義的電網(wǎng)行為研究，產(chǎn)生與實(shí)際較為吻合的大數(shù)據(jù)，以下是傳統(tǒng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室和常用電力系統(tǒng)仿真軟件的簡(jiǎn)介[1～6]：

(1) 電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室。電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室是根據(jù)相似原理建立起來的電力系統(tǒng)物理模擬綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。它能夠真實(shí)和動(dòng)態(tài)地再現(xiàn)電力系統(tǒng)的各種動(dòng)態(tài)運(yùn)行工況和擾動(dòng)過程,是研究電力系統(tǒng)的重要工具。實(shí)驗(yàn)室擁有模擬發(fā)電機(jī)組和交、直流模擬輸電線路、無窮大電源，負(fù)荷和控制設(shè)備，并配備了現(xiàn)代化的微機(jī)測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)和智能化上層實(shí)驗(yàn)管理平臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)控、錄波和遙視等功能。動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室一般能模擬電力系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)以及暫態(tài)運(yùn)行方式，并具有控制功能，如低頻低壓減載，電壓無功調(diào)節(jié)控制，短路開關(guān)跳閘等。所有運(yùn)行方式均可按實(shí)驗(yàn)人員的要求自行定義和設(shè)置，其隨時(shí)間變化的過程能在計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上全過程輸出。

因此，動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實(shí)際上就是電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)的一部分，遺憾的是，通常實(shí)驗(yàn)室規(guī)模較小，只能模擬10余個(gè)節(jié)點(diǎn)的電網(wǎng)；另一原因是它只能記錄電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的內(nèi)部數(shù)據(jù)，欠缺電網(wǎng)以外的外部數(shù)據(jù)支撐，如負(fù)荷變化與人的生活工作特點(diǎn)的關(guān)聯(lián)、關(guān)系等。但充分利用動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室是邁向?qū)嶋H應(yīng)用的重要一步。

(2) 電力系統(tǒng)潮流及暫態(tài)穩(wěn)定仿真軟件PSD-BPA。PSD-BPA是中國電力科學(xué)研究院引進(jìn)和推出的基于Windows操作系統(tǒng)的潮流及暫態(tài)穩(wěn)定和人機(jī)界面程序。PSD-BPA的程序規(guī)模最多支持10 000個(gè)節(jié)點(diǎn)、15 200條支路、40條兩端直流線路和25條多端直流線路，以及120個(gè)功率交換區(qū)域。PSD-BPA包括了潮流計(jì)算程序、短路電流程序、暫態(tài)穩(wěn)定程序、小干擾穩(wěn)定分析程序等程序功能模塊。以下對(duì)常用的潮流計(jì)算程序和暫態(tài)穩(wěn)定程序進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹： ① BPA潮流程序采用的計(jì)算方法有3種：P-Q分解法、牛頓-拉夫遜法和改進(jìn)的牛頓-拉夫遜算法，采用什么算法以及迭代的最大步數(shù)可以由用戶指定。為了提高收斂性，通常是先采用P-Q分解法進(jìn)行初始迭代，然后再轉(zhuǎn)入牛頓-拉夫遜法求解潮流。 ② BPA穩(wěn)定程序是用于分析電力系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下受到各種干擾時(shí)的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的有力工具。程序采用的基本解法是：所有微分方程線性化后用隱式梯形積分法求解；網(wǎng)絡(luò)方程采用導(dǎo)納陣三角分解后迭代求解。

BPA穩(wěn)定程序是與BPA潮流程序結(jié)合起來運(yùn)行的，潮流程序輸出的新庫文件(*.BSE)和穩(wěn)定文件一起作為穩(wěn)定程序的輸入。穩(wěn)定程序分成求解和輸出兩部分，求解部分生成兩個(gè)求解文件，以保存求解過程中所有母線的輸出信息和復(fù)故障計(jì)算信息。輸出部分利用求解文件、潮流庫文件及穩(wěn)定輸出文件進(jìn)行輸出。這種結(jié)構(gòu)允許用戶運(yùn)行求解部分并保存求解文件，然后不用重新求解而能夠任意地、有選擇地進(jìn)行輸出。

(3) 電力系統(tǒng)全數(shù)字電磁暫態(tài)仿真系統(tǒng)RTDS。RTDS (實(shí)時(shí)數(shù)字仿真器) 是一種實(shí)時(shí)全數(shù)字電磁暫態(tài)電力系統(tǒng)模擬裝置, 利用先進(jìn)的軟硬件技術(shù), 可以對(duì)交直流系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的仿真。

RTDS仿真系統(tǒng)是先進(jìn)的計(jì)算機(jī)硬件和大量的計(jì)算機(jī)軟件的綜合體。建模周期短、靈活性強(qiáng)、結(jié)果直觀、頻率特性范圍大、計(jì)算精度高和模型合理是其主要特點(diǎn)。其中，RTDS 硬件基于DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)和并行計(jì)算，計(jì)算速度可達(dá)到實(shí)時(shí)輸出的目的。另外，RTDS最重要的特性是它能維持實(shí)時(shí)條件下的連續(xù)運(yùn)行,也就是說,它能足夠快地求解電力系統(tǒng)的方程并連續(xù)地產(chǎn)生輸出,這些輸出真實(shí)地代表了實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。因此,RTDS仿真系統(tǒng)可用來做保護(hù)系統(tǒng)的閉環(huán)試驗(yàn)并且大大優(yōu)于其他試驗(yàn)方法，還能校驗(yàn)保護(hù)設(shè)備的性能及設(shè)置。主要功能： ① 交流電網(wǎng)實(shí)時(shí)暫態(tài)分析計(jì)算和交直流聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行研究。RTDS可研究電力系統(tǒng)暫態(tài)過程中,各種快速響應(yīng)裝置的相互影響。還可研究電網(wǎng)互聯(lián)的運(yùn)行問題。 ② 高壓直流輸電(HVDC)系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的研究。RTDS可模擬 HVDC的換流器、線路、電抗器及控制系統(tǒng)、交流系統(tǒng)、高壓輸電線路、發(fā)電機(jī)等，還可與實(shí)際HVDC控制系統(tǒng)相連組成實(shí)時(shí)閉環(huán)系統(tǒng)。 ③ 研究電力系統(tǒng)暫態(tài)過程中穩(wěn)定性及對(duì)電網(wǎng)的影響問題。其中，RTDS還可以對(duì)故障錄波并可回放, 現(xiàn)在正逐漸取代了基于模擬技術(shù)的暫態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析儀而成為新一代仿真器。 ④ 開發(fā)測(cè)試電力系統(tǒng)新裝置。RTDS用于開發(fā)和研究電力系統(tǒng)新裝置及其控制系統(tǒng)。此外，RTDS還可以對(duì)繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)測(cè)試。 ⑤ 進(jìn)行事故分析和仿真計(jì)算。RTDS作可為電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、 運(yùn)行及其故障分析的工具。

以上介紹的是中外實(shí)際電力系統(tǒng)所使用的能仿真電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)3種商用軟件系統(tǒng)，它們的數(shù)據(jù)均可較為真實(shí)地反映電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行狀況，因此，如何充分利用這些軟件和產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是構(gòu)成大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)，不足之處在于這些軟件和數(shù)據(jù)是按物理數(shù)學(xué)模型求解而產(chǎn)生的，可能采用了許多假設(shè)，并不能完全真實(shí)地反映實(shí)際系統(tǒng)的全部機(jī)理和現(xiàn)象，以及部分仿真不了的機(jī)理。

2 電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)的框架及構(gòu)成

動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)室和仿真軟件及系統(tǒng)是高等學(xué)校電力系統(tǒng)專業(yè)普遍具有的，它們構(gòu)成了電力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析的實(shí)驗(yàn)室來源，將它們裝配統(tǒng)一起來，為大數(shù)據(jù)分析所用，并利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)已有的成果搭建一個(gè)更高的平臺(tái)，即電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)[7-10]。

電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)分析仿真分為4個(gè)步驟，如圖1所示。

圖1 電力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析流程

(1) 組裝構(gòu)成電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的大數(shù)據(jù)。理論上講這個(gè)步驟構(gòu)成的數(shù)據(jù)來源應(yīng)盡可能的廣泛，能夠反映電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的多重特性以及機(jī)理和新的現(xiàn)象，以便大數(shù)據(jù)分析時(shí)找出電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)之間的相關(guān)性，該部分的難點(diǎn)在于數(shù)據(jù)的整合，如把不同監(jiān)視系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，不同時(shí)間的數(shù)據(jù)，不同顆粒度的數(shù)據(jù)，不同描述方式的數(shù)據(jù)，如何整合在一起為后面分析所用。在實(shí)際系統(tǒng)中，通常能收集的數(shù)據(jù)范圍有限，研究者使用這些工具產(chǎn)生的大量結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，均為集中式并只符合軟件本身定義的格式規(guī)范，因此必須按照國際標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的模型格式(CIM)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并形成大數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)所要求的分布式格式，從而進(jìn)入數(shù)據(jù)處理進(jìn)程。因此，大數(shù)據(jù)分析的第一步要求研究工作者對(duì)所能采集的數(shù)據(jù)按需組裝。

(2) 按大數(shù)據(jù)分析要求的預(yù)處理技術(shù)。該步驟主要是對(duì)上述數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括清洗、剔除大誤差數(shù)據(jù)，形成能表征分析目標(biāo)的空間向量模型，這個(gè)部分的內(nèi)容屬于兩個(gè)方面，一是純粹數(shù)據(jù)預(yù)處理和過濾技術(shù)的應(yīng)用，二是要根據(jù)大數(shù)據(jù)分析的目標(biāo)乃至無目標(biāo)的分析方法來形成數(shù)據(jù)空間向量集。向量集除了訓(xùn)練集以外，還應(yīng)有隨機(jī)的測(cè)試向量集。

(3) 大數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)和方向。這個(gè)步驟主要涉及電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)分析中所期望的分析處理方法，包括有目標(biāo)和無目標(biāo)兩種思路，兩條技術(shù)路線都包括了基本相同的技術(shù)步驟：即利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)降維處理、聚類、線性或非線性判別等來研究狀態(tài)之間的相關(guān)性，用馬爾科夫模型、貝葉斯估計(jì)等來研究狀態(tài)的隨機(jī)行為，用組合多學(xué)習(xí)器來研究各種非線性關(guān)聯(lián)和因果關(guān)系。該步驟的主要內(nèi)容既可以使用商用的大數(shù)據(jù)分析軟件包，亦可根據(jù)自己的需要，在一些可編程的仿真軟件平臺(tái)上提出和實(shí)現(xiàn)自己創(chuàng)新的分析算法。

(4) 電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果和可視化展示。主要包括抽取和驗(yàn)證大數(shù)據(jù)分析處理后的結(jié)果是否與電力系統(tǒng)運(yùn)行的機(jī)理符合，現(xiàn)象是否趨同，如出現(xiàn)與電力系統(tǒng)機(jī)理或經(jīng)驗(yàn)不一致的情況，要仔細(xì)分析和研究是否是新的發(fā)現(xiàn)或是錯(cuò)誤的結(jié)果，這個(gè)步驟更多的是依賴于應(yīng)用電力系統(tǒng)知識(shí)對(duì)結(jié)果的分析和查錯(cuò)、糾錯(cuò)以及重新梳理分析過程。最后需要將大數(shù)據(jù)分析的結(jié)果如何在電力系統(tǒng)工作者熟悉的環(huán)境下展示和表達(dá)出來，這可借鑒電力系統(tǒng)可視化技術(shù)[11-16]。

為適應(yīng)電力系統(tǒng)大數(shù)據(jù)研究過程，搭建架構(gòu)如圖2所示的電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)大數(shù)據(jù)仿真平臺(tái)，其中包括了與傳統(tǒng)電網(wǎng)動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室SCADA/EMS系統(tǒng)的接口，與仿真軟件的接口，大數(shù)據(jù)分析處理軟件系統(tǒng)以及人機(jī)交互的可視化輸出平臺(tái)，共同形成一個(gè)完整的從數(shù)據(jù)輸入到可視化輸出的大數(shù)據(jù)分析處理構(gòu)架。

圖2 大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)與電力系統(tǒng)模擬仿真系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系

大數(shù)據(jù)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，其硬件和軟件配置分別為：①服務(wù)器。中央處理器，8～16核心至強(qiáng)；內(nèi)存16～32 GB；硬盤900(300×3)GB或以上；網(wǎng)絡(luò)接口，千兆；電源，冗余電源；數(shù)量，3臺(tái)。②交換機(jī)。網(wǎng)絡(luò)接口，千兆；數(shù)量，1臺(tái)。③軟件配置。物理操作系統(tǒng)，Windows；虛擬機(jī)，VMware Workstation；虛擬操作系統(tǒng)，Hadoop、Impala、Spark等；數(shù)據(jù)庫，MySQL+Administrator，tools。

圖3 大數(shù)據(jù)平臺(tái)的硬件結(jié)構(gòu)

該仿真平臺(tái)與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)不同之處，采用了通用開源的分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)，并用Hadoop實(shí)現(xiàn)管理。Hadoop是一個(gè)分布式文件系統(tǒng)(Hadoop Distributed File System)，簡(jiǎn)稱HDFS。它有高容錯(cuò)性的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)用來部署在低廉的硬件上，提供高吞吐量來訪問應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，適合那些有著超大數(shù)據(jù)集的應(yīng)用程序。

Hadoop最核心的設(shè)計(jì)是：HDFS和MapReduce。前者為海量的數(shù)據(jù)提供存儲(chǔ)，后者為海量的數(shù)據(jù)提供計(jì)算。

MapReduce。MapReduce應(yīng)用程序包含 3 個(gè)部分： Map 函數(shù)、Reduce 函數(shù)和 main 函數(shù)。main 函數(shù)將作業(yè)控制和文件輸入/輸出結(jié)合起來。Hadoop 提供了大量的接口和抽象類，從而為 Hadoop程序開發(fā)人員提供工具，可用于調(diào)試和性能度量等。

基于以上平臺(tái)，電力系統(tǒng)學(xué)生或研究者可忽略不太擅長的數(shù)據(jù)接口和分布式存貯和處理以及可視化數(shù)據(jù)輸出，而專注于電網(wǎng)數(shù)據(jù)的機(jī)理研究過程，便于使用不同的工具，采用數(shù)據(jù)處理過程中常常用到的商用或開源的數(shù)據(jù)處理軟件包，從而極大提高大數(shù)據(jù)處理的效率。例如：在大數(shù)據(jù)采集處理流程之中，常使用的工具有MySQL、Oracle、HBase、Redis和 MongoDB等。大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析處理流程之中常用的查詢和分類匯總工具有InfoBright、Hadoop(Pig和Hive)、YunTable、SAP Hana和Oracle Exadata。大數(shù)據(jù)挖掘處理流程常用的工具有Hadoop Mahout等，來滿足高級(jí)別的數(shù)據(jù)分析需求。

利用該平臺(tái)研究者可用較短時(shí)間掌握大數(shù)據(jù)分析處理的基本技術(shù)，而把重點(diǎn)放在所擅長的電力系統(tǒng)專業(yè)上。

3 風(fēng)電接入電網(wǎng)對(duì)TTC數(shù)值分布和調(diào)度規(guī)則的影響

以互聯(lián)系統(tǒng)輸電通道可用傳輸容量(Available Transfer Capability，ATC)中的極限傳輸功率(Total Transfer Capability，TTC)作為大數(shù)據(jù)分析的示例，大數(shù)據(jù)分析流程如圖4所示。

圖4 大數(shù)據(jù)分析流程圖

清潔能源接入電網(wǎng)使其運(yùn)行方式復(fù)雜，某一特定值作為TTC閾值的方式難以滿足需求，主要表現(xiàn)在：①新能源的不確定性對(duì)TTC有較大影響；②不包含任何調(diào)度輔助決策信息，無法為控制行為提供定量支持。文獻(xiàn)[17-18]中分別采用蒙特卡洛法和時(shí)域仿真對(duì)含風(fēng)電接入的網(wǎng)絡(luò)TTC進(jìn)行評(píng)估。文獻(xiàn)[19-20]中提出了電力系統(tǒng)精細(xì)規(guī)則的概念，建立TTC指標(biāo)與可觀測(cè)電氣量的關(guān)系。

研究考慮風(fēng)電接入對(duì)TTC數(shù)值分布和調(diào)度規(guī)則的影響。首先用電力系統(tǒng)軟件仿真聚類風(fēng)電出力和負(fù)荷水平從而產(chǎn)生電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)多場(chǎng)景，對(duì)各場(chǎng)景再進(jìn)行故障和安全的潮流仿真，生成大數(shù)據(jù)；故障仿真數(shù)據(jù)主要用于計(jì)算該場(chǎng)景下TTC風(fēng)險(xiǎn)閾值，為是否進(jìn)行調(diào)度行為提供依據(jù)。安全仿真數(shù)據(jù)用于形成不同場(chǎng)景下樣本集，數(shù)據(jù)挖掘后形成TTC調(diào)度規(guī)則庫，供在線匹配后進(jìn)行輔助決策。用24節(jié)點(diǎn)的IEEE-RTS79系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.1 風(fēng)電-負(fù)荷場(chǎng)景生成

TTC受負(fù)荷水平、風(fēng)電場(chǎng)物理特性、風(fēng)電出力等系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響。風(fēng)速和負(fù)荷的變化存在一定規(guī)律，考慮這兩個(gè)方面變化的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行方式，可以等值為概率場(chǎng)景集進(jìn)行研究[21]。因此，場(chǎng)景聚類中心的TTC信息在一定程度上代表該場(chǎng)景所包含的所有運(yùn)行狀態(tài)對(duì)應(yīng)的TTC信息。

3.2 TTC信息的提取和應(yīng)用

3.2.1 TTC風(fēng)險(xiǎn)閾值計(jì)算

根據(jù)壞場(chǎng)景集的思想[22-23], TTC閥值的計(jì)算應(yīng)考慮系統(tǒng)與正常誤差最大的狀態(tài)-故障下TTC數(shù)據(jù)信息。

單一場(chǎng)景TTC風(fēng)險(xiǎn)閾值計(jì)算過程：

(1) 基態(tài)潮流計(jì)算。選擇某場(chǎng)景i聚類中心負(fù)荷水平及風(fēng)電出力數(shù)據(jù)計(jì)算基準(zhǔn)TTC(可用BPA中的潮流計(jì)算功能實(shí)現(xiàn))。

(2) 設(shè)置故障序列。初始化j=1(j為故障編號(hào))。

(3) 含故障的TTC計(jì)算(可用BPA中的暫態(tài)穩(wěn)定功能計(jì)算)。計(jì)算第j個(gè)故障切除后斷面TTC。故障仿真中，發(fā)電機(jī)組切除帶來的發(fā)電量缺額由其余正常運(yùn)行的發(fā)電機(jī)補(bǔ)償，風(fēng)電場(chǎng)始終保持獨(dú)立的出力狀態(tài)。

(4) 故障序列計(jì)算未結(jié)束，則j=j+1；返回(3)。

(5) 故障序列計(jì)算結(jié)束，描繪TTC分布情況，計(jì)算該場(chǎng)景下TTC風(fēng)險(xiǎn)閾值。

3.2.2 調(diào)度規(guī)則提取步驟

目前一般將斷面實(shí)際傳輸功率小于某固定的預(yù)置功率作為輸電斷面安全標(biāo)準(zhǔn)，未充分考慮到TTC隨系統(tǒng)狀態(tài)改變而變化的特點(diǎn)，偏保守，以至傳輸能力難以充分利用。由于電力系統(tǒng)是一個(gè)高維非線性系統(tǒng)，本文采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)輸電斷面與運(yùn)行狀態(tài)之間的關(guān)系進(jìn)行提取。主要分為以下步驟：①大數(shù)據(jù)樣本空間形成；②特征屬性選擇，提出基于線性回歸精度的前后交替特征屬性選擇方法；③規(guī)則提取和表示。

3.2.3 大數(shù)據(jù)樣本空間形成和特征屬性選擇

以場(chǎng)景為單位進(jìn)行安全大樣本仿真，提取場(chǎng)景TTC信息，得出規(guī)則制定所需要的樣本空間。特征選擇過程是從大的候選屬性集合中選擇一個(gè)有代表性的屬性子集[24]，在實(shí)際應(yīng)用過程中，可采用憑經(jīng)驗(yàn)或先驗(yàn)知識(shí)減少候選屬性，提高學(xué)習(xí)速度。這取決于研究者的知識(shí)水平和對(duì)研究問題的認(rèn)識(shí)程度。

3.2.4 調(diào)度規(guī)則生成

對(duì)每個(gè)場(chǎng)景下目標(biāo)屬性TTCsm和特征屬性集合Ssm用最小二乘法進(jìn)行線性回歸，最終形成為一簇一次多元多項(xiàng)式，即

(1)

式中ΔTTCsm為場(chǎng)景m下實(shí)際TTC與基態(tài)TTC的預(yù)測(cè)偏差量；xsm1，xsm2，…，xsmn為特征屬性；bsm1，bsm2，…，bsmn為線性回歸系數(shù)。

實(shí)際中，調(diào)度員可根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)斷面TTC進(jìn)行實(shí)時(shí)定量的控制以滿足TTC安全要求。

3.3 算例分析

3.3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理和場(chǎng)景聚類結(jié)果

以24節(jié)點(diǎn)的IEEE-RTS79系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行場(chǎng)景聚類和精確調(diào)度信息提取的算例仿真。原系統(tǒng)負(fù)荷峰值為2 850 MW，總?cè)萘繛? 405 MW。系統(tǒng)詳細(xì)參數(shù)取自文獻(xiàn)[25]，計(jì)算結(jié)果均折算為標(biāo)幺值，基準(zhǔn)值設(shè)為100 MW。

如圖5所示，以220 kV供電區(qū)(1區(qū))與130 kV受電區(qū)(2區(qū))區(qū)間斷面TTC作為研究對(duì)象；母線14接入風(fēng)電場(chǎng)，包含170臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組額定容量2 MW，總裝機(jī)容量340 MW，風(fēng)機(jī)參數(shù)為：vcin=4 m/s，vr=10 m/s，vco=22 m/s，Pr=22 MW，功率因數(shù)為0.95。

圖5 含風(fēng)電場(chǎng)的24節(jié)點(diǎn)雙區(qū)域IEEE-RTS系統(tǒng)

以小時(shí)為單位提取風(fēng)電和負(fù)荷的組合(時(shí)間跨度為1年)，用于場(chǎng)景聚類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。圖6給出了以小時(shí)為單位的全年風(fēng)速變化曲線。

圖6 以小時(shí)為單位的年度風(fēng)速曲線

輸入量(風(fēng)場(chǎng)出力和系統(tǒng)負(fù)荷)如表1所示被分為5個(gè)場(chǎng)景。圖7所示為使用權(quán)值數(shù)組描繪了原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理后各聚類中心分布情況。

表1 聚類結(jié)果

圖7 聚類中心分布情況

輸出層負(fù)荷最大值為2 850 MW，風(fēng)場(chǎng)出力最大值為340 MW，權(quán)重?cái)?shù)組元素論域?yàn)閇0,1]。

圖中點(diǎn)[0.821 0,0.294 0]代表：

該場(chǎng)景中心負(fù)荷為2 850×0.821 0=2 340 MW。

風(fēng)場(chǎng)出力為340×0.294 0=100 MW。

對(duì)應(yīng)表1中[2 340 MW,100 MW]；選擇其作為算例仿真TTC信息提取和精確運(yùn)行規(guī)則生成的測(cè)試場(chǎng)景,該場(chǎng)景TTC基準(zhǔn)值為1486 MW。

3.3.2 調(diào)度依據(jù)-風(fēng)險(xiǎn)閾值計(jì)算

(1)單一場(chǎng)景TTC風(fēng)險(xiǎn)閾值計(jì)算。圖8描繪了測(cè)試場(chǎng)景下TTC風(fēng)險(xiǎn)分布情況，經(jīng)計(jì)算該場(chǎng)景TTC風(fēng)險(xiǎn)值為1 278.88 MW。

(2)全場(chǎng)景TTC風(fēng)險(xiǎn)閾值。經(jīng)計(jì)算全場(chǎng)景TTC風(fēng)險(xiǎn)值為：1 231.73 MW。

圖8 測(cè)試場(chǎng)景風(fēng)險(xiǎn)TTC分布情況

3.3.3 調(diào)度規(guī)則提取及應(yīng)用

(1) 數(shù)據(jù)樣本生成。所有屬性采用標(biāo)幺值，功率基準(zhǔn)值取100 MW。共提取1 500個(gè)樣本(1 000個(gè)訓(xùn)練集、500個(gè)測(cè)試集)。每個(gè)樣本均包含以下待選屬性：系統(tǒng)總負(fù)荷變量△PTload，總發(fā)電變量△PTgen；1區(qū)負(fù)荷變量△P1Tload，發(fā)電變量△P1Tgen；2區(qū)負(fù)荷變量△P2Tload，發(fā)電變量△P2Tgen；各發(fā)電機(jī)出力變量△PGn、△QGn；斷面實(shí)際傳輸有功變量△Pcross，各負(fù)荷變量△PL1-17、△QL1-17；各母線電壓變量△UB1-24；斷面TTC變量△TTC。

(2) 特征選擇：△P1Tload為一區(qū)(供區(qū))負(fù)荷變量；△UB13為母線13電壓變量；△UB15為母線15電壓變量；△UB23為母線23電壓變量；△PG14為風(fēng)場(chǎng)出力變量；△Pcross為斷面實(shí)際傳輸有功變量；△PL13為母線13負(fù)荷變量；△PL15為母線15負(fù)荷變量。精確調(diào)度規(guī)則為：

ΔTTC=-0.034 3ΔP1Tload+10.172 3ΔUB13+ 69.220 0ΔUB15+3.037 3ΔUB23- 0.133 0ΔPG14+0.085 7ΔPcross- 0.321 30ΔPL13-0.144 3ΔPL15

(2)

由式(2)可知，供電區(qū)負(fù)荷較大時(shí)，斷面TTC相應(yīng)偏?。蝗糨旊姅嗝婀╇姸穗妷核奖惶岣?，TTC會(huì)增加；風(fēng)場(chǎng)出力增加時(shí)，TTC會(huì)減??；臨近斷面的負(fù)荷較大時(shí)，TTC減小。

以斷面實(shí)際傳輸功率是否大于TTC風(fēng)險(xiǎn)值作為調(diào)度依據(jù)，即實(shí)際傳輸容量大于1 278.88 MW時(shí)，調(diào)度員可根據(jù)實(shí)際情況依照精確調(diào)度規(guī)則對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4 結(jié) 語

描述了高校電力系統(tǒng)專業(yè)普遍已有的電力系統(tǒng)動(dòng)模仿真實(shí)驗(yàn)室和電力系統(tǒng)運(yùn)行仿真軟件，針對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的大數(shù)據(jù)分析仿真實(shí)驗(yàn)仿真平臺(tái)的要求，提出了仿真平臺(tái)的框架，并詳細(xì)描述了用計(jì)算機(jī)相應(yīng)的軟、硬件系統(tǒng)和接口組成的平臺(tái)構(gòu)成及其功能，在此基礎(chǔ)上，用提取含風(fēng)電網(wǎng)絡(luò)TTC信息和調(diào)度規(guī)則的方法的具體算例說明了平臺(tái)的使用過程。實(shí)際應(yīng)用表明搭建的仿真平臺(tái)能較好繼承傳統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)室以及軟件，又能很好地采用大數(shù)據(jù)的各種先進(jìn)軟件和技術(shù)，使研究者能盡快掌握和應(yīng)用大數(shù)據(jù)的基本方法和技術(shù)。

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Big Data Experiment Simulation Platform for Analyzing Power System Operation States

HEMai，LIUJun-yong，RENRui-ling，LIUYang，LIUYou-bo，LIURuo-fan

(School of Electrical Engineering and Information, Sichuan University, Chengdu 610065, China)

The use of big data tool has became one of important issues in recent research of power system. Based on the situation that operational digital simulation software is widely used in traditional power system analog labs of Chinese universities, a big data experiment simulation platform is firstly proposed in order to analyze power system operation states. Further, it gives the descriptions of platform structure framework, hardware and software constitution and interface with big data tools and third-party software. The demonstration of the big dada analysis flowchart and study results is displayed by research of transmission line total transfer capability of a power system with wind power impacts. The proposed platform can be easily grasped by students so that they can quickly apply big data technology to mechanisms and phenomenon of power systems.

power system; big data; simulation platform

2016-03-24

國家自然基金重點(diǎn)項(xiàng)目(51037003)

何 邁(1965-)，女，四川西充人，學(xué)士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)應(yīng)用。E-mail：hemai@scu.edu.cn

TM 732；TM 743

A

1006-7167(2017)01-0073-07