通過支持廣泛的用戶互動，為電力系統提供足夠的靈活性、實現個性化的用戶服務，成為未來智能電網發展的必然要求。大型電力企業每年都要針對輸電網進行與迎峰度夏、安全度冬、保供電、設備檢修相關的大量設計校核工作，這些工作專業性強、工作量大、易出錯，對相關人員的要求很高。

電網分析校核軟件有很多，目前國內主要采用電力系統潮流及暫態穩定分析程序（Bonneville power administration, BPA）、電力系統分析綜合程序（power system analysis software package, PSASP）、電力系統仿真軟件（power system simulator for engineering, PSS/E）等，它們成為目前電網運行分析的重要工具。然而，這類軟件大都是離線分析軟件，需要人工準備大量數據，并進行一系列配置才能使用。其中，PSS/E需要使用者具備一定的編程基礎，PSASP的數據準備需要耗費大量時間，對專業知識要求也較高。

目前，雖然有一些文獻對輸電網的在線校核進行了研究，比如有文獻闡述了基于實時測量系統的可靠性評估系統的整體架構設計，并著重討論了系統算法和用戶接口設計，但電網的調控仍面臨以下幾個迫切需要解決的問題：1）如何在線發現實時電網正常運行及N-1情況下電網的薄弱環節并給出合理的安全調整策略；2）如何準確識別用電負荷及電網結構變化可能導致的電網風險并給出應對措施；3）對電網設計方案進行模擬，對未來的實施效果提前進行仿真校核。

1 需要解決的問題

通過建設輸電網設計與校核系統，可實現輸電網的在線實時校核及安全調整輔助決策，輔助方式人員進行電網的改擴建，實現相關工作的自動化、專業化、可視化。為此，系統需要提供如下主要功能。

1）構建校核基態并實現免維護

構建一個實時電網校核基態，定期自動從能源管理系統（energy management system, EMS）導入實時輸電網模型、圖形及負荷數據，構建并自動維護一個隨時可用的實時電網斷面，作為設計和校核任務的基礎。

2）構建一個多任務并行的校核管理平臺

校核管理平臺為多個并行的設計或校核任務提供互相隔離的全生命周期管理，提供設計工作所需要的繪圖、建模工具，提供運行方式調整、用電負荷調整、備自投策略調整、校核結果展示、輔助決策方案展示所需的界面。

3）提供全場景的智能校核引擎

校核引擎負責對各種應用場景下的電網運行方式進行電網承載力分析，對重過載設備給出負荷轉供輔助決策方案；根據電網運行方式自動動態匹配備自投策略，對N-1情況下的電網承載力進行校核，對不滿足N-1的設備給出原因及安全調整輔助決策方案。

4）對分析結果進行可視化展示

提供一套自動成圖組件，實現設備供電范圍、N-1波及分析、重要用戶供電電源分析的自動成圖，以直觀展示分析校核結果。

2 關鍵技術

為實現上述建設目標，需重點解決如下關鍵技術。

1）異構的存量模型校驗及增量擴展技術

傳統上，輸電網的模型由EMS維護，其站內的主變、母線、開關、刀開關等設備的模型是完備的，但站外的線路段模型往往不完整，可能只包含部分線路段，而線路段往往會成為供電路徑上的最小載流元件，其模型的完整性和準確性會直接影響校核結果。

因此，基于第三方異構模型構建完整、準確的輸電網模型是一切校核工作的基礎，需要進行如下技術研究：①從EMS導入輸電網模型和圖形，并進行圖模質量校驗和異構模型轉換；②以轉換得到存量模型為基礎，對缺失的線路段模型快速實現補充建模；③提供簡捷、可視化的手段為處于設計中的假想電網快速建立模型。

2）基于差異模型的電網運行方式自動校核和輔助決策技術

電網運行方式校核的需求可能來源于檢修計劃、用電需求、電網設計等各種場景，需要能夠基于歷史模型、現時模型、未來模型（假想中的改擴建模型）等不同時期的電網模型進行校核。根據校核目的的不同，能夠設置多種場景、多種計算條件，同時執行多個校核任務。另外，針對校核結果可以優化的運行方式，需要能夠自動給出方式優化輔助決策建議。

3）基于動態備自投策略的N-1電網安全分析技術

當設備的備自投策略有多個時，需要能夠根據電網實時狀態，自動選擇適配的備自投策略，模擬N-1發生時因設備開斷和自投開關動作導致的電網結構改變和負荷轉移情況，并做潮流分析，基于重構的電網和負荷模型對主變和線路段進行校核，自動給出過載設備的負荷轉供方案。

模擬備自投動作時，需要綜合考慮備自投的時序性、均分性等特性。為了提高校核的速度，需要能夠基于基態模型，根據設備開斷和自投開關動作情況動態重構局部模型并實現局部拓撲。

4）自動成圖技術

根據業務場景需要，對校核結果數據進行有序組織，實現在線的動態自動成圖。需要考慮的成圖場景包括N-1負荷轉供態勢圖、供電路徑溯源圖、供電范圍拓撲圖等。

3 實現思路

3.1 主要流程

圖1為系統需要實現的主要流程。

圖1 系統主要流程

3.2 關鍵技術實現

1）提供圖模一體的電網建模及校驗工具

有文獻描述了根據變電站系統配置描述文件（system configuration description, SCD）實現變電站內模型擴展的技術方案。有文獻研究了基于IEC 61970系列標準中的公共信息模型（common information model, CIM）實現電網建模系統的設計方案。

基于CIM的電網模型互操作研究和實踐都已比較成熟，本文重點關注如何在導入的第三方電網模型的基礎上補充運行方式校核所必需的線路段模型。解決方案是，提供一個圖模一體的圖形化建模及校驗工具，對第三方電網模型進行通用化處理，并在此基礎上通過繪制站區圖對缺失的線路段進行補充建模。通過繪制站區圖，可以為站間線路建立完整準確的拓撲及參數信息，以便能夠在運行方式校核時準確識別供電路徑中的最小載流元件。

圖2所示為圖模一體建模工具繪制的站區圖（局部）示例。

圖2 用于建立站間線路段模型的站區圖

2）構建能夠支持多種校核場景的動態資源池

創建互相隔離的校核任務動態資源池，每個校核任務動態申請和釋放資源池中的資源，并在封閉的資源環境中完成校核任務的全生命周期。動態資源池實現思路如圖3所示。

圖3 動態資源池實現思路

3）自匹配的備自投策略及過載設備負荷轉供輔助決策

有文獻對備自投自動投退的策略和規則進行了深入研究。有文獻在潮流校核過程中通過負荷轉移的方法將負荷從工作母線轉移到備用母線來模擬備自投的動作，有效縮短了校核時間。有文獻對所有的備自投動作策略在執行前進行電網安全校驗，分別給出線路過載和變壓器過載的校正方案。有文獻研究計及備自投的N-1靜態安全分析快速計算方法，進行一次設備的N-1故障校核。本文重點關注多個備自投方案的在線自匹配及多個轉供方案的優化組合及效果評估。

首先，在考慮備自投的方向性、時序性、均分性等特點的情況下對備自投進行建模。然后，模擬N-1，在基態拓撲的基礎上實現局部拓撲，并通過供電路徑搜索及設備的實時狀態得到滿足動作條件的備自投策略。最后，根據備自投策略和電網拓撲，對負荷進行轉移，并對負荷轉移后的網絡進行校核，得到校核計算結果。對不滿足N-1的主變或線路，分析并給出所有可降低設備負載的輔助決策方案。

為了加快動態重構局部模型并實現局部拓撲的速度，本文借鑒相關文獻提出的構造與原電網相似拓撲、不同參數的“伴隨網絡”的概念。圖4為系統根據備自投策略自動完成負荷轉移后，給出的用于降低波及設備負載的輔助決策方案。方案包含互補或互斥特征，用于協助使用者快速完成方案的優化組合。

圖4 N-1情況下負荷轉移輔助決策方案

4）基于實時拓撲的自動成圖技術

目前，圍繞變電站一次接線圖、饋線圖的自動成圖技術研究較多，但與具體業務緊密結合的應用級自動成圖技術并不多見。供電范圍分析示意圖和供電路徑示意圖為輻射狀無環網架結構，可采用樹形布局算法，將成圖模型抽象為一個多叉樹數據結構，采用寬度優先搜索、遞歸中序遍歷的方法實現圖元布局。

對于N-1波及分析示意圖，主要的難點在于沒有現成的算法可用，需要自行設計算法解決成圖數據的排序、分組、去重和試探性布局。綜合考慮N-1發生后因設備自投（需要考慮級聯自投）引起的各種負荷轉移場景，模擬人工繪圖的思路和過程，實現N-1波及分析示意圖的自動生成。圖5為利用自動成圖技術生成的N-1波及分析示意圖。

圖5 N-1波及分析示意圖

4 應用情況

基于本文描述的思路和方法實現的輸電網運行方式校核系統已經在北京市電力公司投入使用。系統投入使用前，每年迎峰度夏和安全度冬前都需要針對站線切改情況、負荷增長情況調整運行方式，離線手工分析正常運行方式下線路和主變的負載率、N-1情況下負荷的轉供策略及策略影響到的上游主變和線路的負載率，并手工編制運行方式規劃報告，一次校核任務往往需要50～70人?天才能完成。

系統投入使用后，所有的工作全部轉為線上進行，用戶只需指定輸電網模型和負荷數據的日期（可以不同）、采用的運行方式，必要時利用圖形化的動態建模工具對電網模型進行快速調整，即可實現“一鍵校核”和“一鍵生成報告”，一次校核任務大概需要0.5～4人?時（取決于是否需要調整電網模型），校核結果可在線上實時發布。

5 結論

通過提供一體化的輸電網模型動態建模工具，構建并自動維護可支持并行校核的動態資源池，實現備自投策略的自動適配，為過載設備提供負荷轉供輔助決策，并輔之以自動成圖等可視化展示手段，該思路和方法在實際應用中較易落地。

落地系統可以幫助電力企業發現輸電網在各種運行方式下及N-1情況下的薄弱環節并自動給出調整策略，準確識別用電負荷及電網結構變化可能導致的電網風險并給出應對措施，也可以對輸電網設計方案預期達到的效果提前進行仿真校核，為保障輸電網的安全、經濟運行提供技術支撐。

本文編自2022年第10期《電氣技術》，論文標題為“基于動態建模技術構建輸電網運行方式校核系統的探索”，作者為唐濤南、劉海林 等。