石輝，張思遠，劉永剛，周二專，陳浩奇

(1.國網(wǎng)湖南省電力有限公司，湖南 長沙 410004；2.中國電力科學研究院有限公司，北京 100192)

0 引言

近年來，以特高壓、跨區(qū)互聯(lián)、新能源、靈活市場化為標簽的電網(wǎng)大發(fā)展，深刻改變了傳統(tǒng)骨干電網(wǎng)的結(jié)構及穩(wěn)定形態(tài)。在資源配置效率提升的同時，故障多形態(tài)沖擊、連鎖反應、快速惡化風險加劇，電網(wǎng)監(jiān)視、分析、控制維度成倍增長，相應的運行控制要求從廣度、精度、復雜度、更新頻度上都遠遠超出五年前的水平，上述特點在華中電網(wǎng)、湖南電網(wǎng)集中體現(xiàn)，傳統(tǒng)以斷面控制為核心的電網(wǎng)運行安全監(jiān)視、校核機制已無法適應[1－3]。下一階段，在構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)戰(zhàn)略背景下，電網(wǎng)方式不確定性、運行規(guī)則復雜性加劇，亟待開發(fā)具備多維立體知識模型、復雜邏輯判斷、快速精準響應特點的電網(wǎng)安全監(jiān)視、校核系統(tǒng)[3]。

數(shù)字孿生方法可將物理系統(tǒng)及其控制響應、狀態(tài)推演、監(jiān)測評價等信息，通過映射構建為動態(tài)鏡像的數(shù)字模型，其適用于實時電網(wǎng)及其運行規(guī)則、分析邏輯的復合建模。數(shù)字孿生仿真結(jié)合D5000新一代調(diào)控平臺，能有效解決復雜電網(wǎng)模型與知識模型融合難問題[4]，將全面釋放平臺批量分析、智能決策、預警預控等一系列功能優(yōu)勢，據(jù)此可開展立體、動態(tài)、快速、精準的電網(wǎng)運行安全監(jiān)視與校核。

省級以上電網(wǎng)普遍參照年度冬、夏方式安穩(wěn)規(guī)定及臨時限額開展調(diào)度運行，控制參、變量涉及電網(wǎng)結(jié)構、開機方式、機組旋備、電磁環(huán)網(wǎng)斷面、潮流轉(zhuǎn)移比斷面、交直流協(xié)控斷面、穩(wěn)控狀態(tài)、外受電及負荷水平等。在日前、日內(nèi)方式安排及實時運行監(jiān)視、風險預警預控中，需結(jié)合負荷變化、發(fā)受電需求、設備停復電安排、通道阻塞情況、設備跳閘風險等，對上述參量、變量開展動態(tài)優(yōu)化配置，確保電網(wǎng)任意時刻在不超安全限額的前提下完成各項運行、檢修、方式調(diào)整任務，因此，判斷并定位電網(wǎng)是否超安全限額是其中的難點、關鍵點。

目前電網(wǎng)調(diào)度運行技術平臺普遍不具備精確的判斷能力及限額匹配能力，主要依靠人工對靜態(tài)潮流仿真和對安穩(wěn)規(guī)定的理解、記憶，開展監(jiān)視數(shù)據(jù)匯總、方式及限額辨識、越限判斷、干預決策等業(yè)務，不僅容易遺漏而且效率低，安全運行的風險和壓力大[2－3]。國內(nèi)外有基于實時或未來態(tài)潮流進行安穩(wěn)規(guī)定與潮流方式動態(tài)匹配的研究，但尚無建立規(guī)范化的安穩(wěn)規(guī)定知識模型，對安穩(wěn)規(guī)定的腳本錄入、正確性校核和維護缺乏一體化的解決方案；有關電網(wǎng)運行方式自動匹配及動態(tài)限額跟蹤的技術應用，只能基于“if－else” 簡單邏輯進行方式辨識，多維適應性差；現(xiàn)有利用安穩(wěn)規(guī)定數(shù)字化開展決策規(guī)則評估和調(diào)度監(jiān)控方面的研究較少，涉及運行方式編排活動的具有一定輔助決策功能的應用軟件專業(yè)針對性不強，智能化的規(guī)則評估水平低，實用效果不理想[4]。

湖南電網(wǎng)在祁韶直流運行背景下，具有強直弱交、多種穩(wěn)定問題，運行控制極為復雜，為此，基于數(shù)字孿生原理開發(fā)安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺，用于實時方式、潮流越限告警，能較好解決上述問題。

1 數(shù)字孿生應用原理

數(shù)字孿生是一個新的框架，融合現(xiàn)有成熟方法解決復雜系統(tǒng)問題。在數(shù)字孿生方法中，通過實時更新虛擬模型以“鏡像” 物理電網(wǎng)，這樣電網(wǎng)在線分析、仿真和運行監(jiān)控可以在虛擬模型上進行[5]。因此，有必要研究支撐電網(wǎng)調(diào)度運行的數(shù)字孿生建模技術，構建虛擬電網(wǎng)模型，包括用于離線分析和在線監(jiān)控的電網(wǎng)設備映射和關聯(lián)關系，為安穩(wěn)規(guī)定的離線形成、在線評估和支持調(diào)度運行輔助決策提供具有高保真度的電網(wǎng)運行工況。

通過數(shù)字孿生建立電網(wǎng)運行動態(tài)模型，輔以基于決策圖譜的統(tǒng)一、規(guī)范化安穩(wěn)規(guī)定知識模型約束，開發(fā)適用于電網(wǎng)調(diào)度運行決策支撐的安穩(wěn)規(guī)定編輯、存儲和測試一體化軟件，能精確識別電網(wǎng)方式，快速匹配穩(wěn)定限額、判斷越限及定位越限原因[6－9]。該軟件也稱為安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺，主要由電網(wǎng)潮流數(shù)據(jù)、設備－模型映射表、運行變量庫、安穩(wěn)規(guī)則庫四部分組成，如圖1 所示。

圖1 安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺框架

實踐表明，該平臺具備以下技術特點:

1) 立體。突破傳統(tǒng)基于純電網(wǎng)絡理論和參數(shù)建模、交直流割裂、分區(qū)分電壓等級等值、只關注單一安全目標的扁平化建模思維，建立多級互聯(lián)電網(wǎng)高保真鏡像，包含任意方式約束、安控策略、跨時空限額的立體知識模型。

2) 動態(tài)。以電網(wǎng)拓撲和安穩(wěn)規(guī)定為脈絡，連接各建模元素，模型易于擴展，適用于仿真對象及其參數(shù)大范圍變化。

3) 快速。應用內(nèi)存計算、CEP 搜索引擎等技術，方式描述采用simuModel 函數(shù)＋邏輯語言，規(guī)則描述采用數(shù)字＋運算符＋邏輯判斷，極大提高搜索效率，對電網(wǎng)模型、變量規(guī)模不敏感。

4) 精準?；谠兞繕嫿ǚ绞?、規(guī)則描述，以樹形結(jié)構組織電網(wǎng)知識模型，采用窮舉電網(wǎng)潮流、遍歷邏輯結(jié)構校驗搜索結(jié)果，確保精準判斷越限、定位越限原因。

2 智能監(jiān)視與校核技術模式

2.1 日方式潮流切片安全校核

日方式靜態(tài)潮流安全校核是調(diào)度計劃、方式、運行崗位的基礎業(yè)務，由于方式變化頻繁、點多面廣，一般只能針對極大、極小或典型方式開展校核，以指導方式安排或?qū)崟r調(diào)度，往往導致電網(wǎng)運行安全而不經(jīng)濟、方式調(diào)整空間狹窄，而現(xiàn)貨交易、輔助服務、新能源波動、嚴重故障等隨機因素加劇了上述矛盾[10－11]。

以安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺為尺子，可對電網(wǎng)日方式96 點潮流批量執(zhí)行切片安全校核，能夠精確分析越限時點、原因，如圖2 所示。對歷史日方式，可回溯分析電網(wǎng)阻塞、風險發(fā)展過程；對未來日前方式，可逐日、逐點推演日前發(fā)受電計劃、停復電計劃安排是否合理，各時點運行備用、通道受阻、新能源消納等是否達標，從而精確調(diào)整、優(yōu)化日前計劃，指導新能源消納及電網(wǎng)規(guī)劃、建設、運維工作等；對未來日內(nèi)方式，可結(jié)合日內(nèi)計劃、分布負荷超短期預測、現(xiàn)貨出清、突發(fā)異?；蚬收系?，動態(tài)推演實時電網(wǎng)安全風險，輔助分析降風險措施、效果及現(xiàn)貨、輔助服務資源空間，輔助電網(wǎng)精準調(diào)度。

圖2 日方式切片安全校核圖

2.2 斷面控制限額優(yōu)化匹配

大電網(wǎng)運行中經(jīng)常存在多個斷面潮流聯(lián)動控制(如特高壓長南＋祁韶斷面、鄂湘＋鄂豫斷面)，或某一通道潮流按送、受端多種因素分檔控制(如祁韶送、受端約束) 的情況，導致同一斷面有兩套甚至多套聯(lián)動的安穩(wěn)限額。以湖南祁韶直流為例，祁韶受入限額涉及6 個維度、10 檔負荷水平、每檔7—9 層功率約束，共90 余套方式限額，見表1。為適時解決電源送出受阻、負荷供應受限、開機臺數(shù)不足、旋備容量不足問題等[12－13]，需要以某項最大化為目標(如以全網(wǎng)供電能力最大、祁韶受入限額最大等)，優(yōu)化選取斷面限額及其聯(lián)動控制約束。

表1 祁韶受入限額聯(lián)動控制規(guī)則節(jié)選

針對某一潮流方式，安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺可對所有聯(lián)動斷面限額的搭配組合提供安全校核結(jié)果，供決策參考。在此基礎上，嵌入目標指向?qū)?yōu)算法，可靈活、優(yōu)化匹配電網(wǎng)運行安全邊界，實現(xiàn)跨區(qū)大電網(wǎng)安全域內(nèi)的優(yōu)化運行自動決策。

2.3 調(diào)度操作安全校核

電網(wǎng)調(diào)度操作是一項兼具計劃性與機動性的業(yè)務，操作安全是其首要準則，為此，調(diào)度員必須執(zhí)行“先算后?！?，通過預演操作票執(zhí)行過程，校核操作中、操作后的安全風險。當多張操作票需依次執(zhí)行時，涉及多種方式變化、限額變更，過渡過程可能存在安全越限且難以發(fā)現(xiàn)，安全校核壓力巨大。

在安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺預先錄入各檢修方式控制限額，將其嵌入操作票預演潮流校核，每一步操作模擬執(zhí)行后，自動匹配方式限額、判斷越限情況，若存在越限則人工調(diào)整操作時機、順序或操作票執(zhí)行項目，形成安全的調(diào)度操作方案，如圖3 所示。基于此安全校核機制，還可開發(fā)以越限風險為約束的調(diào)度操作計劃批量自動編排系統(tǒng)，作為未來智能調(diào)度平臺的重要支撐。

圖3 調(diào)度操作安全校核及優(yōu)化調(diào)整

2.4 故障預案自動編制

編制故障預案是調(diào)度應急管理的核心任務，存在任務量大、適用周期短、分析計算繁重、應用率低等特點?；诎卜€(wěn)規(guī)定及預想故障靜態(tài)潮流仿真，經(jīng)調(diào)整試算、策略優(yōu)化編寫的傳統(tǒng)故障預案，適應性、準確性、可行性難以得到保證，編制效率也已無法達到要求?；谠诰€平臺的預案校核技術能通過潮流靈敏度關系、越限控制輔助決策模型，編制自動、批量、準確預案，但受制于潮流安全限額匹配、越限判斷的短板，其實用化進程緩慢[14]。

安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺能較好解決上述短板問題。針對任意故障后方式，以安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺作為已知方式的安全校核工具，對設備或斷面越限提供緊急控制輔助決策；以在線N－1 掃描作為未知方式的補充校核工具，對進一步N－1 越限提供預防控制輔助決策，據(jù)此整合成為針對預想方式故障的處置預案。不僅如此，安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺還能反應安控系統(tǒng)及BZT 動作、區(qū)外關聯(lián)一次設備故障等，動態(tài)匹配安全限額用于越限判斷及輔助決策。在預案的更新、執(zhí)行階段，也可基于上述校核機制，按當時潮流方式校核預案的適用性、有效性，以此支撐預案更新或執(zhí)行策略。

2.5 電網(wǎng)實時運行輔助決策

跨省/區(qū)交直流互聯(lián)、新能源集群、高度城市化是目前骨干電網(wǎng)的發(fā)展趨勢，此類電網(wǎng)因存在復雜的大范圍潮流耦合關系，在實時調(diào)度運行中需多種運行方式頻繁切換，傳統(tǒng)基于超短期負荷平衡、潮流安全約束的線性規(guī)則調(diào)度輔助決策，嚴重依賴調(diào)度員干預調(diào)節(jié)，是調(diào)度智能化的巨大挑戰(zhàn)[15]。

安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺對2 000 節(jié)點規(guī)模電網(wǎng)的分析耗時不超0.02 s，在實時方式識別、快速限額匹配方面有獨特優(yōu)勢，可作為實時調(diào)度運行輔助決策的核心監(jiān)視部件。若沿用被動控制思路，可基于實時潮流開展高頻率方式識別、越限校核，校核結(jié)果送入越限控制輔助決策模型，導出跟蹤控制決策并閉環(huán)執(zhí)行，對省規(guī)模電網(wǎng)具備秒級控制響應能力。若采取主動控制思路，可結(jié)合多檔超短期潮流預報，構建多周期未來態(tài)潮流[16]，分別開展方式識別、越限校核，據(jù)此生成秒級、分鐘級、小時級預控和事故響應輔助決策并閉環(huán)執(zhí)行，將大量備用、閑置、有限可調(diào)資源納入實時調(diào)度，能達到潮流偏差主動趨零控制、預防性方式優(yōu)化、源－網(wǎng)－荷同步協(xié)調(diào)互動的效果，實現(xiàn)電網(wǎng)運行安全性、經(jīng)濟性的可控最優(yōu)。

2.6 多級安穩(wěn)規(guī)定風險辨識

通常省級以上骨干電網(wǎng)涉及國調(diào)、分調(diào)、省調(diào)多級調(diào)度，電網(wǎng)運行需同時執(zhí)行多級安穩(wěn)規(guī)定，而安穩(wěn)規(guī)定往往由各級調(diào)度人工獨立編制，缺乏高效、全面、準確的聯(lián)合校正，此類情況在臨時或事故方式下尤為常見，可能存在規(guī)則錯誤、真空或死區(qū)的風險，危及電網(wǎng)安全運行[17]。

以安穩(wěn)規(guī)則中的停電方式作為預想故障，導入在線安全分析進行故障掃描，對比規(guī)則限額與在線靜穩(wěn)、暫穩(wěn)約束等是否合理、潮流轉(zhuǎn)移比關系是否準確，若規(guī)則限額或轉(zhuǎn)移比異常偏大、偏小則說明可能錯誤。

安穩(wěn)規(guī)定一般只對部分設備方式、潮流進行約束，電網(wǎng)實際可能出現(xiàn)安穩(wěn)規(guī)定未考慮到的風險，即存在規(guī)則真空。采用在線靜穩(wěn)、暫穩(wěn)、短路電流、斷面穩(wěn)定裕度分析進行全網(wǎng)掃描，若出現(xiàn)安穩(wěn)規(guī)定中未提及的穩(wěn)定、越限風險，即可能辨識到規(guī)則真空。

國調(diào)、分調(diào)、省調(diào)多級安穩(wěn)規(guī)定若協(xié)調(diào)不當，可能存在限額交叉，導致無可行運行域，即存在規(guī)則死區(qū)。將多級安穩(wěn)規(guī)定同時導入電子化平臺、執(zhí)行批量評估、修改測試潮流，若存在各方式下始終越限的規(guī)則，即可能辨識到規(guī)則死區(qū)。

3 結(jié)語

打造具有中國特色、國際領先的能源互聯(lián)網(wǎng)，必須跳出傳統(tǒng)認識的窠臼，為特高壓、新能源、靈活電力市場等新趨勢營造寬松、友好的支撐平臺。數(shù)字孿生與電網(wǎng)仿真的結(jié)合即提供了這樣一種立體視角，實現(xiàn)了電網(wǎng)調(diào)度知識模型的維度躍升。基于數(shù)字孿生的安穩(wěn)規(guī)定電子化平臺成功實踐，證明這一技術藍海具有高度的開發(fā)價值，為此，國網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)提出將該技術作為在線分析智能化的核心。本文基于實際需求，提出將其用于電網(wǎng)調(diào)度智能監(jiān)視與校核技術的若干方向和技術路線，其中部分技術設想已投入開發(fā)實踐，取得預期的良好應用效果。