向萌，左劍，謝曉騫，沈陽武，崔挺

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410004)

湖南電網(wǎng)運行狀態(tài)分析系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

向萌1，左劍1，謝曉騫2，沈陽武1，崔挺1

(1.國網(wǎng)湖南省電力公司電力科學(xué)研究院，湖南長沙410007；2.國網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長沙410004)

電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)蘊藏著安全運行控制的寶貴信息，但以往沒有專門針對歷史運行信息進行有效的管理、挖掘和分析，缺乏有效總結(jié)運行規(guī)律、分析運行經(jīng)驗的工具。本文介紹了湖南電網(wǎng)運行狀態(tài)分析系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容，該系統(tǒng)對運行數(shù)據(jù)建立索引式存儲和管理，最后基于電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)實現(xiàn)了電網(wǎng)運行狀態(tài)的各項物理量的自動分析功能，可對當(dāng)前狀態(tài)和歷史信息的統(tǒng)計挖掘和可視化展示，為電網(wǎng)方式安排和發(fā)展規(guī)劃提供有價值的信息，亦為電網(wǎng)數(shù)據(jù)的挖掘探索提供參考。

運行狀態(tài)；自動分析；數(shù)據(jù)挖掘；可視化展示

長期以來，電網(wǎng)調(diào)度及自動化部門通過SCADA系統(tǒng)監(jiān)視電網(wǎng)的實時運行情況，但是海量的歷史運行數(shù)據(jù)一直沉積，缺乏有效的智能分析工具從龐大、雜散的運行數(shù)據(jù)中挖掘有價值的運行特性信息來評價和指導(dǎo)電網(wǎng)的運行和規(guī)劃。因此需要基于電網(wǎng)實際歷史運行數(shù)據(jù)建立一套電網(wǎng)運行狀態(tài)分析系統(tǒng)，將各平臺的運行數(shù)據(jù)通過該系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的抽取規(guī)整、挖掘分析和可視化展現(xiàn)〔1－3〕。該系統(tǒng)針對當(dāng)前規(guī)模日益龐大的電網(wǎng)數(shù)據(jù)建立合理的數(shù)據(jù)解析方法，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，通過對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進行訪問，滿足對電網(wǎng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析需求。

1 運行分析系統(tǒng)設(shè)計思路

運行數(shù)據(jù)挖掘分析的目標(biāo)是通過對各時間點電網(wǎng)數(shù)據(jù)的研究，反映更加詳細的電網(wǎng)運行狀態(tài)，為電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行提供全面必要的信息。為適應(yīng)數(shù)據(jù)格式多樣化，該系統(tǒng)設(shè)計建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，支持設(shè)備模型參數(shù)的統(tǒng)一管理，能夠添加新投設(shè)備和刪除退役設(shè)備。通過對各類運行數(shù)據(jù)進行索引式管理，自定義時間節(jié)點選擇各類設(shè)備對應(yīng)的運行狀態(tài)量，按照用戶指定要求生成各種運行工況下的專項分析內(nèi)容。

湖南電網(wǎng)運行狀態(tài)分析的專項統(tǒng)計分析功能主要包括:功率信息、電壓信息、頻率信息、電量信息、新能源信息等。在統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對設(shè)備運行狀態(tài)的可視化展示，支持在界面上進行電網(wǎng)設(shè)備和模型參數(shù)的瀏覽、編輯。電網(wǎng)運行狀態(tài)分析系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 湖南電網(wǎng)運行狀態(tài)分析系統(tǒng)設(shè)計架構(gòu)

2 系統(tǒng)內(nèi)容設(shè)計和實施方案

2.1 系統(tǒng)內(nèi)容設(shè)計

2.1.1 運行統(tǒng)計分析量

1)功率方面:功率統(tǒng)計對象是發(fā)電機、發(fā)電廠、變壓器、變電站、線路、負荷、斷面以及無功補償裝置等，統(tǒng)計分析量為采集的有功功率、無功功率，統(tǒng)計功能包括最大值、最小值、平均值、功率因數(shù)、功率區(qū)間占比、容載比、合格率、投入率、峰谷差、越限率以及相關(guān)系數(shù)等。

2)電壓方面:電壓統(tǒng)計對象是不同電壓等級的母線電壓，統(tǒng)計分析量包括指定時間段內(nèi)的平均值、最高值、最低值、合格率、越限次數(shù)和越限概率等。

3)頻率方面:頻率統(tǒng)計對象是全網(wǎng)頻率及各發(fā)電廠頻率，統(tǒng)計分析量包括指定時間段內(nèi)的平均頻率、最高頻率、最低頻率、頻率合格率及越限概率等。

4)電量方面:電量的統(tǒng)計對象是各發(fā)電廠，統(tǒng)計分析量是指定時間段內(nèi)的電廠總尖峰平谷電量、凈尖峰平谷電量以及統(tǒng)計時段內(nèi)的總電量。

5)新能源方面:新能源統(tǒng)計對象是風(fēng)電場，統(tǒng)計分析量包括風(fēng)資源、運行狀態(tài)、功率波動、電壓統(tǒng)計及安全事故統(tǒng)計等信息。

2.1.2 設(shè)備運行狀態(tài)評估

從歷史數(shù)據(jù)挖掘分析設(shè)備重載、越限情況，評估設(shè)備使用狀態(tài)。對指定區(qū)域輸變電設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，獲取元件在一段時間內(nèi)功率/電壓極值、出力波動、功率越限等數(shù)據(jù)，對設(shè)備投切、參數(shù)是否配置、元件功率/電壓出現(xiàn)跳變等情況輸出告警文件，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果分析設(shè)備的運行狀態(tài)和電網(wǎng)的安全水平。

2.1.3 運行統(tǒng)計可視化

實現(xiàn)電網(wǎng)電氣量、歷史信息以及高級分析量的可視化展示，包括電網(wǎng)歷史運行關(guān)鍵指標(biāo)的報表、圖表等，按照預(yù)先設(shè)定的報表進行輸出，并可根據(jù)需要對展示時段、區(qū)域范圍等方面進行調(diào)整?？梢暬缑孀龅郊軜?gòu)清晰、操作簡便、簡潔明了。

1)用戶可通過日期/時間下拉框選擇歷史數(shù)據(jù)，對選定時間范圍內(nèi)數(shù)據(jù)顯示、分析。

2)按照地區(qū)、數(shù)據(jù)類型、設(shè)備類型等分層、分級顯示統(tǒng)計結(jié)果。

3)界面顯示表格、數(shù)據(jù)可以用報表方式導(dǎo)出。

2.1.4 潮流滾動展示

開發(fā)潮流滾動的演示功能。實現(xiàn)對在線潮流數(shù)據(jù)的可視化滾動展示?；谠诰€潮流數(shù)據(jù)，通過手工繪制地理接線圖，將在線滾動更新的潮流結(jié)果數(shù)據(jù)實時錄入并顯示，并且可以自由選擇歷史任意時刻，顯示指定時刻的電網(wǎng)潮流圖，可以用于反演場景，顯示電網(wǎng)當(dāng)時的潮流走向、電壓分布以及下網(wǎng)負荷等。

2.2 實施方案

2.2.1 參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)導(dǎo)入

靜態(tài)參數(shù)設(shè)置:在區(qū)域的統(tǒng)計范圍內(nèi)，按照不同電壓等級的廠站、變壓器、線路、斷面及母線等進行基本參數(shù)的導(dǎo)入和設(shè)置，其配置內(nèi)容包括屬地、名稱、容量、穩(wěn)定限額等內(nèi)容。根據(jù)基本參數(shù)設(shè)置電網(wǎng)元件各項運行指標(biāo)，可通過導(dǎo)入設(shè)置好的元件參數(shù)的Excel文件進行配置。

運行數(shù)據(jù)導(dǎo)入:接入該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包括電網(wǎng)實時數(shù)據(jù)、在線潮流數(shù)據(jù)、狀態(tài)估計數(shù)據(jù)、電量數(shù)據(jù)、頻率數(shù)據(jù)、聯(lián)絡(luò)線數(shù)據(jù)及地區(qū)電網(wǎng)數(shù)據(jù)。將運行數(shù)據(jù)根據(jù)各種類型的進行分開存儲，掛在磁盤陣列指定區(qū)域。

運行分析系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動存儲的同時解析文件中的關(guān)鍵運行信息，將運行信息錄入數(shù)據(jù)庫。通過數(shù)據(jù)庫元件表結(jié)構(gòu)建立區(qū)分設(shè)備類型及專項數(shù)據(jù)類型，增加數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)索引，方便數(shù)據(jù)信息抽取統(tǒng)計。

通過并行處理技術(shù)進行數(shù)據(jù)信息準(zhǔn)備，有效解決了數(shù)據(jù)傳輸、解析耗時過長的問題，在解析數(shù)據(jù)文件的過程中有效保留關(guān)鍵信息，屏蔽冗余信息、降低存儲空間消耗。根據(jù)需求將設(shè)定的相關(guān)數(shù)據(jù)指標(biāo)生成報表、圖形。

2.2.2 歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

1)電網(wǎng)常規(guī)數(shù)據(jù)統(tǒng)計:可實現(xiàn)對電網(wǎng)歷史運行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，包括對指定時段的主變、線路、斷面、補償裝置等設(shè)備的相關(guān)指標(biāo)進行統(tǒng)計分析，自動生成電網(wǎng)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的報表、圖表等，并可根據(jù)需要調(diào)整統(tǒng)計的設(shè)備、時段、范圍等。

2)電網(wǎng)重要設(shè)備狀態(tài)監(jiān)視:將查詢時間范圍內(nèi)所有投運設(shè)備列表，對重點監(jiān)視設(shè)備排序顯示，用戶可對特殊設(shè)備進行特定查找操作，程序支持模糊查找功能。報表、圖形界面可方便調(diào)整數(shù)據(jù)統(tǒng)計的時間范圍，可導(dǎo)出界面顯示原表格，也可以導(dǎo)出分類勾選的數(shù)據(jù)信息形成圖表。

3)電網(wǎng)斷面運行詳情分析:滾動記錄電網(wǎng)的斷面信息，包括各斷面構(gòu)成信息，斷面動態(tài)功率、斷面流向信息。實現(xiàn)對斷面在統(tǒng)計范圍時間內(nèi)極值、均值、斷面線路的統(tǒng)計分析。對斷面限額預(yù)先設(shè)定和關(guān)聯(lián)、針對每條線路在每個數(shù)據(jù)斷面時間形成告警文件，方便日后對歷史告警信息查詢。

2.2.3 運行狀態(tài)挖掘展示

研究電網(wǎng)運行分析的指標(biāo)，實現(xiàn)各類設(shè)備信息的統(tǒng)計，對原始數(shù)據(jù)的更深層次分析:

1)以不同地理分區(qū)劃分和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，對照地區(qū)發(fā)電負荷在統(tǒng)計時間范圍內(nèi)變化情況，分析地區(qū)電網(wǎng)的負荷和發(fā)電規(guī)模、容量及設(shè)備情況；統(tǒng)計設(shè)備總?cè)萘考暗貐^(qū)總負荷，分析地區(qū)運行特性；

2)統(tǒng)計斷面信息變化情況，包括區(qū)域內(nèi)、區(qū)域間斷面聯(lián)絡(luò)線功率流向、有功傳輸情況；統(tǒng)計設(shè)備的容量、出力情況，對出現(xiàn)重載、越限情況的設(shè)備重點關(guān)注，便于監(jiān)視預(yù)警；

3)針對新能源發(fā)電情況進行專項統(tǒng)計，主要有新能源電站的功率出力、波動情況、出力區(qū)間占比、出力相關(guān)系數(shù)、出力占負荷比值以及風(fēng)速等信息。

4)基于實時在線潮流的數(shù)據(jù)在地理接線圖直接展示區(qū)域的各條線路的電力輸送情況，包括廠站出力、負荷下網(wǎng)、線路潮流等，直觀感受全網(wǎng)潮流的走勢和設(shè)備的負載情況。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)及應(yīng)用

3.1 運行狀態(tài)展示

運行狀態(tài)監(jiān)視模塊通過讀取當(dāng)前實時數(shù)據(jù)，在地理圖上顯示重要斷面潮流流向及功率情況，采用柱狀圖對于發(fā)電、負荷實時數(shù)據(jù)進行分區(qū)分類顯示，實時畫面見圖2。

圖2 全省各類電源出力的實時界面

圖3 為當(dāng)前全省各地區(qū)變電站的主變?nèi)萘考罢急确治鍪疽鈭D，變電容量主要反映各地區(qū)當(dāng)前輸送電能的能力。

圖3 全省變電站容量分析

3.2 功率信息分析

功率信息模塊統(tǒng)計分析所有入庫數(shù)據(jù)的各元件功率信息，如圖4—6所示，包括發(fā)電機、發(fā)電廠、變壓器、變電站、線路、斷面、各區(qū)域負荷、無功配置等設(shè)備情況。在元件類型中選擇某一元件類型，設(shè)置開始時間、結(jié)束時間進行查詢。

圖4 全省各發(fā)電機出力數(shù)據(jù)分析

圖5 某發(fā)電機進相情況分析

圖6 某發(fā)電機出力區(qū)間占比

以A發(fā)電廠為例，選中的關(guān)注某時間段或某一時間點，選中A發(fā)電廠的1號機組這一行，得到該發(fā)電機在這段時間的最大出力、最小出力、平均出力等情況；選中某列排序，可以得到全省各發(fā)電機的各項指標(biāo)的排序情況。若選中某變壓器，界面不僅顯示變壓器的功率實時情況，還將展示統(tǒng)計時段內(nèi)該變壓器的重載和平均負載情況分析，底下伴之有功率及功率因數(shù)曲線。

3.3 電壓信息統(tǒng)計

電壓統(tǒng)計模塊分別統(tǒng)計500 kV，220 kV，110 kV母線電壓變化情況。圖7中顯示了選中時段內(nèi)全省500 kV電壓等級所有母線及其電壓情況。選擇某一行即選中某變電站，顯示了該站的最高、最低、平均電壓以及越限情況。以表格方式顯示平均電壓最高母線為Z變500 kV母線，平均最高電壓535.203 kV；平均電壓最低母線為Y變500 kV母線，平均最低電壓526.977 kV。

圖7 某時段全省500 kV母線電壓統(tǒng)計界面

3.4 頻率信息監(jiān)視

該模塊統(tǒng)計各時間點的電廠數(shù)據(jù)頻率信息和全網(wǎng)的頻率信息，數(shù)據(jù)來源于海量數(shù)據(jù)平臺。圖8為從全省各電廠的頻率分析界面，全網(wǎng)最大頻率50.04 Hz，最小頻率 49.959 Hz，頻率合格率100%。

圖8 某時段全省的各電廠頻率統(tǒng)計界面

3.5 電量信息統(tǒng)計

選定某時間段，電量模塊統(tǒng)計各電廠電量和全網(wǎng)電量，可對各電廠的電量尖峰平谷的分析，還可自定義計算統(tǒng)計時段內(nèi)的機組利用小時數(shù)。如圖9所示，選中某一電廠，右側(cè)自動顯示該電廠的總電量和凈電量的尖峰平谷占比分析。

圖9 某時段某電廠的尖峰平谷電量分析

3.6 新能源評價分析

新能源評價分析模塊設(shè)計為統(tǒng)計和評價新能源的基本信息和各項運行特性，包括新能源概況、運行統(tǒng)計匯總、風(fēng)資源、功率統(tǒng)計、狀態(tài)監(jiān)控、功率波動情況、電壓統(tǒng)計及安全事故統(tǒng)計等信息。圖10中顯示的圖片為湖南各風(fēng)電場的風(fēng)資源信息，主要是風(fēng)速、風(fēng)頻的統(tǒng)計發(fā)信息，展示了氣象風(fēng)向玫瑰圖以及風(fēng)速概率分布等。

圖10 新能源評價分析風(fēng)資源界面

3.7 系統(tǒng)參數(shù)管理

系統(tǒng)參數(shù)管理模塊導(dǎo)入設(shè)備參數(shù)設(shè)置信息，一方面將各元件的屬地、容量和限額等信息設(shè)置為規(guī)定值；另一方面，將不同模塊間相關(guān)元件通過關(guān)鍵字有機地銜接起來，從而做到互動的可視化。系統(tǒng)基礎(chǔ)參數(shù)管理需要及時根據(jù)電網(wǎng)的新投廠站進行基礎(chǔ)參數(shù)的更新，斷面的定義和限額須與最新的穩(wěn)定規(guī)定保持一致。圖11為小水電容量設(shè)置界面。

圖11 運行分析系統(tǒng)系統(tǒng)配置界面

4 系統(tǒng)的特點及展望

4.1 運行分析系統(tǒng)特點

1)運行數(shù)據(jù)的有序管理。該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)實現(xiàn)了各類運行數(shù)據(jù)的有序收集、存儲、處理和應(yīng)用，既保證了各類數(shù)據(jù)的獨立性與完整性，又提高了數(shù)據(jù)管理效率和共享能力。運行狀態(tài)分析系統(tǒng)做到了運行數(shù)據(jù)的一目了然，讓數(shù)據(jù)的錄入、存儲、分享和編輯更加高效便捷。

2)歷史數(shù)據(jù)的深度挖掘。該系統(tǒng)通過建立運行狀態(tài)的指標(biāo)體系對對原始數(shù)據(jù)的更深層次分析的挖掘。一方面通過時間維度對數(shù)據(jù)進行從分鐘到日到年的加工和處理；另一方面通過關(guān)聯(lián)特性在不同對象之間挖掘其相關(guān)因子，對同一對象進行不同維度屬性的計算；此外，還可根據(jù)用戶的需求進行設(shè)定，為歷史運行特性的搜尋和畫面的反演提供了便捷的工具。

3)運行狀態(tài)的可視化展示。該系統(tǒng)以功能模塊區(qū)分主題，通過自上而下的層級關(guān)系展開顯示結(jié)果。系統(tǒng)架構(gòu)明了、畫面簡潔，可自定義統(tǒng)計對象和時間范圍，根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果的不同性質(zhì)分別通過曲線、柱狀圖、餅圖、地理信息圖等清晰有效地展現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)和信息。數(shù)據(jù)視圖的交互聯(lián)動可以幫助用戶通過結(jié)果與搜索的互動，捕捉電網(wǎng)關(guān)鍵的和敏感的數(shù)據(jù)信息。

4.2 開發(fā)展望

當(dāng)前的運行數(shù)據(jù)具有量大、多類型、價值豐富、真實性等特點，對規(guī)模巨大的運行數(shù)據(jù)開展分析挖掘，終歸目的是開發(fā)高級應(yīng)用讓運行數(shù)據(jù)自己說話，用戶通過可視化畫面感受電網(wǎng)的運行狀態(tài)及規(guī)律特性。

1)系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)的風(fēng)險預(yù)判。開啟將數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用于電力設(shè)備狀態(tài)評估和風(fēng)險預(yù)判的思路和方法，基于PMU數(shù)據(jù)分析設(shè)備的運行參數(shù)，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)探索不確定模型條件下被分析因素之間的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)然，這對設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)提出了更高的要求。

2)電力系統(tǒng)運行后評估。針對歷史的實際運行方式數(shù)據(jù)開展運行方式的安全和經(jīng)濟評估。通過建立多層次的評估指標(biāo)體系，量化電網(wǎng)在該方式運行下的安全風(fēng)險和經(jīng)濟效益，評價運行方式的狀態(tài)等級。在此基礎(chǔ)上對未來電網(wǎng)的方式計劃采取預(yù)分析的方式，為未來電網(wǎng)的運行方式提供決策參考〔4〕。

3)基于大數(shù)據(jù)挖掘的用戶行為分析。用戶數(shù)據(jù)研究可將方向分為預(yù)測型和優(yōu)化型兩大類。綜合用電信息、氣象地理及電網(wǎng)數(shù)據(jù)開展電力用戶細分建模、負荷預(yù)測和用戶習(xí)慣分析，探尋電力用戶響應(yīng)行為的機理模型。通過對用戶數(shù)據(jù)進行邏輯上的合理分析圈出不合理的對象群來進行用戶特征的優(yōu)化管理。

4)電力市場環(huán)境下的安全經(jīng)濟問題。從歷史電價、負荷、氣候、新能源以及市場需求等數(shù)據(jù)開展電價影響及預(yù)測研究，將交易信息、負荷預(yù)測、新能源數(shù)據(jù)實時與在線潮流計算相結(jié)合實現(xiàn)電力市場的超前安全經(jīng)濟評估，開展基于微網(wǎng)監(jiān)控數(shù)據(jù)的電能質(zhì)量評估以及經(jīng)濟運行的探索等〔5〕。

5 小結(jié)

對電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)開展?fàn)顟B(tài)分析和可視化的設(shè)計研究，完成了湖南電網(wǎng)運行狀態(tài)分析系統(tǒng)各功能模塊的落地應(yīng)用。

該系統(tǒng)實現(xiàn)了在線運行數(shù)據(jù)的分類存儲和挖掘分析，具備對當(dāng)前電網(wǎng)數(shù)據(jù)的自動分析、歷史信息的深層次挖掘及任意時刻的全網(wǎng)潮流回放功能。該系統(tǒng)一方面有助于快速定位湖南電網(wǎng)運行狀態(tài)的薄弱點和直觀感受穩(wěn)定問題的原因所在，為電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析提供了便捷的手段；另一方面給運行數(shù)據(jù)提供了靈活高效的分析挖掘手段，可為電網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析開展下一步的研發(fā)工作提供平臺和借鑒。

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Design and Implementation of Operation State Analysis System of Hunan Power Grid

XIANG Meng1， ZUO Jian1， XIE Xiaoqian2， SHEN Yangwu1， CUI Ting1
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute， Changsha 410007， China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410004，China)

Grid operation data contains valuable information of safe operation control.However，there was no special tool to effectively manage and analyze historical operation information.The running rules and experience could not be effectively summarized.This paper introduces the design content of the operation status analysis system of Hunan power grid.The system establishes the index storage and management of the running data，and realizes the automatic analysis function of the indicators of the operation status of the power grid.It excavates and visualizes the current state and historical information，providing valuable information for grid arrangement and development planning，and giving references for excavation and exploration of grid data.

operation state； automatic analysis； data mining； visualization display

TM711.2

A

1008-0198(2017)05-0005-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.05.002

2017-02-17

向萌(1988)，女，碩士，工程師，主要從事電網(wǎng)在線安全穩(wěn)定分析、中長期仿真分析工作。

左劍(1980)，男，博士，高級工程師，主要從事電力系統(tǒng)分析及其安全穩(wěn)定控制、廣域測量應(yīng)用研究。