王仲达1，钱江峰1，刘庆程1，谢 旭2
(1.国电南瑞科技股份有限公司，江苏 南京211106；2.国家电网公司华北分部，北京100053)
摘 要： 以地区电网备自投监视和局部区域智能恢复供电为目标，结合华北地区电网供电恢复决策系统的建设，对该项目的设计思想及实现方法进行了介绍。该系统主要围绕“供电恢复决策生成”、“供电恢复决策分析”这两个技术特点，从实际地区电网的供电智能恢复的整体设计框架、故障定位、决策生成、决策分析等方面对整个系统的设计方法和思路进行了阐述。同时介绍了主站端站内备自投的建模及监视方法，以及系统建成后的供电恢复过程。
关键词： 调度自动化；供电恢复；风险分析，安全分析及策略校正；备自投装置
0 引言
随着智能电网的实施，电网调度以及调控一体化逐步推进，电网运行的可靠性仍然是研究的重点课题。当今社会对于供电可靠供应的要求越来越高。为了减小停电面积、缩短停电时间，提高电网运行可靠性，智能恢复供电决策系统的建设势在必行。
传统的站内备自投装置是恢复供电的一种有效手段，获得了广泛的应用。但备自投装置逻辑简单，功能单一，只能满足站内特定接线方式下的局部供电恢复要求。因此，从整个电网的角度来考虑，站内备自投恢复供电的决策存在固有的局限性[1-4]。为解决上述问题，已经有许多关于主站备自投自动恢复供电的研究[5-8]。这类研究弥补了站内备自投供电恢复的局限性，很好地解决了针对串供接线方式下失电负荷的自动恢复问题，但是，这类主站备自投仍存在一些问题。首先，主站备自投虽然由主站系统实现，但从实现上基本遵循站内备自投的设计逻辑，没有充分发挥主站系统的优势，某种程度上孤立于主站调度系统的高级应用功能之外，未能充分利用现有调度自动化的数据和应用资源；其次，主站备自投适用的接线方式很有限，只能应对最简单的串供接线方式，限制了使用范围，且缺乏智能性；最后，只能应对单一故障，在极端多重故障情况下缺乏对策，难以保证有效处理及可靠动作。
本文提出了地区电网供电恢复决策系统，突破传统备自投在恢复供电领域的设计观念，同时考虑到备自投对局部电网恢复供电的影响，以故障定位和断电负荷分析为出发点，采用广播原理的电源点追溯的方式，结合电网的安全校核及风险分析技术，最终实现供电恢复的最优决策方案。它对拓展现有调度自动化系统的功能、实现故障情况下的供电自动恢复、提高主站系统的智能化水平具有重要意义和使用价值。
1 供电恢复的整体设计架构
系统设计的功能框架由以下2个环节组成：（1）决策生成单元，针对电网发生的故障信息，计算给出全部可行的决策方案；（2）决策分析单元，对给出的决策方案逐一进行系统安全评估，其中包括风险分析、安全校核，并以人工选择调整的方式实现人工决策。其系统结构如图1所示。
决策生成单元主要包括以下4个方面，（1）故障诊断功能，根据主站数据采集及监控系统的数据信息，判断电网是否有故障发生，并正确给出故障点的位置；（2）站内备自投监视功能，读取备自投模型库，分析判断备自投动作情况；（3）停电范围分析，根据故障设备进行拓扑分析，找出故障引起的全部失电负荷；（4）决策生成，查找恢复供电通路，给出供电恢复的全部决策。
决策分析单元主要包括以下3个方面，（1）对生成的全部决策进行安全校核，并给出对应的电网薄弱环节预警；（2）对生成的全部决策进行风险分析，并给出电网运行的风险预警；（3）用户根据运行经验及决策分析，人为调整决策方案。
2 供电恢复决策生成
围绕“供电恢复决策生成”这一技术核心，系统解决了一系列的技术难题，基于电网当前的拓扑结构及运行方式，以电网设备的故障或操作的实际情况作为分析的出发点，考虑站内备自投装置的动作情况，结合故障诊断的分析结果，以最快、最合理的方式给出供电恢复的最佳策略作为该课题的核心任务之一。
2.1 故障定位的实现
如图2所示，系统采用分类故障诊断模式，结合当前电网的现状，调度自动化系统接收站端的消息按时间优先级以及适应性可分为三类：第一类为数据采集与监控系统的遥信信号，作为开关状态诊断数据源；第二类为站端传送的SOE信号，作为SOE信息诊断数据源；第三类为站端传送的保护信号，作为保护信息诊断数据源。根据上述对信息的具体分类，信息综合判断单元结合三类信息最终生成故障定位信息，并为决策的生成提供基础的分析条件。
2.2 站内备自投的建模及监视方法
站内备自投往往分为负荷端备自投以及出线备自投。负荷端备自投适用的接线方式比较固定，如图3所示即为典型负荷端备自投适用的接线方式。而出线备自投往往根据地区电网的接线方式自定义备自投逻辑，所以安装比较灵活。
从备自投装置的实现逻辑上来看，备自投装置分为3个环节，其一是装置启动条件的检测环节，其二是装置动作出口环节，其三是备自投闭锁环境。根据备自投装置实现的逻辑，在主站端可以自动生成负荷备自投模型以及人工输入出线备自投模型，并与厂站备自投装置形成映射对应关系。
站内备自投监视的主要目的在于使恢复供电决策的计算更为准确、合理。当电网发生故障或人为操作后，可能会导致部分地区负荷的断电，而此时备自投如果满足启动条件则会自动恢复部分负荷的供电。所以，当备自投装置动作完成后，电网潮流以及停电范围分析才是合理、准确的。
2.3 停电范围分析
本文采用广义模型结构矩阵的方式表达电网的运行方式。将无阻抗元件（如开关、刀闸、母线）定义为广义节点，把阻抗元件（如线路、变压器、电容电抗器）定义为广义支路，最终电网的接线方式及运行方式描述为节点和支路的拓扑矩阵，可大大提高拓扑搜索的效率。
由于地区电网基本是辐射状的，从故障设备拓扑分析其向下连接的所有节点，并综合考虑备自投装置恢复供电的部分负荷，停电范围即可确定。
2.4 决策生成
基于广域拓扑搜索的方法可以找到失电厂站恢复供电的全部路径，具体的优化方案采用遗传算法，在满足约束条件的前提下使目标函数最小。恢复过程本质上通过一系列开关变位来实现，全部为离散化操作。首先对全网开关拓扑编号，使开关都有一个含拓扑信息的编号，恢复过程的每一步动作都是相应编号开关的变位，以此为基础实现染色体编码。同理，已知初始状态和开关编号方式，也很容易从染色体中的任意位置解析出恢复过程中的电网状态。具体的目标函数可以表示为下式：
同时，恢复过程需要满足如下约束条件：
（1）动作有效性约束，即每一组开关动作完成后，系统要么恢复更多的供电区域，要么使网络结构更加合理。绝对不会在一组动作结束后使运行情况恶化，更不会使带电设备失电。
（2）故障的隔离约束。即在整个恢复过程中都不会对故障设备充电，以免造成保护再次动作，产生难以预知的后果。
（3）潮流约束。即整个恢复过程中保证任意设备潮流值不越过事故限值，避免设备后备保护动作。
3 供电恢复决策分析及调整
供电恢复决策的确定必须考虑电网运行的安全性以及潜在的风险。所以，需要根据初始供电恢复决策预先进行风险分析和安全校核，如果初始决策不满足电网运行的安全性要求，系统必须进行决策修正，直至满足电网运行的安全要求为止。
本文从风险分析以及安全校核两个方面进行供电恢复决策分析，并根据分析结果，利用安全校正控制单元，最终给出最为合理的供电恢复决策方案。供电恢复决策分析及调整结构如图4所示。
3.1 风险分析
运行风险指电网在某些特殊的运行方式下可能由于操作或故障导致局部停电且无法短时间内恢复的情况。根据系统设计的实际情况，本文所述的特殊运行方式包括串供运行、负荷单主变运行、负荷单母线运行以及负荷单电源运行。如串供运行的电源端发生故障，其受电的所有厂站将发生断电，这种运行方式的供电恢复逻辑较为复杂，无法通过站端配置备自投装置的方式实现自动恢复供电，所以串供运行是电网运行可靠性很低的运行方式之一，串供运行方式如图5所示。
风险分析是基于决策方案进行全网拓扑结构分析，预先找出决策方案执行后电网可能存在的风险点，为用户提前掌握电网运行的风险及进行方案调整提供依据。
3.2 安全分析及校正控制
系统基于决策方案对电网进行状态监视、安全分析和潮流计算，实现对电网运行状态的多侧面的预案分析，并找出电网运行预案的薄弱环节，为安全校正策略的生成提供校正目标。同时结合灵敏度分析软件和校正控制软件进行控制策略调整。
对于220 kV及以上电压等级电网和110 kV及以下电压等级辐射电网，由于运行方式不同，具有不同的校正控制手段。高压环网支路越限或断面越限矫正控制是基于灵敏度计算并结合规划方法，给出发电机、负荷调整的方向性建议；针对地区低压辐射网有效地调整手段通常为调整电网运行方式，实现不间断供电方式下的消除越限。
4 实用化实现
该软件已经在华北多级调度一体化仿真系统进行了运行试验，并对地调电网部分220 kV变电站进行了故障模拟测试，系统自动进行故障定位、失电区域分析并最终给出优化后的决策方案。以图6为例说明整个试验过程。
该局部电网包括三个220 kV变电站和两个110 kV变电站。为了便于理解，220 kV变电站为电源端，110 kV变电站为负荷端，运行方式如图6所示。此时，220 kV变电站1是110 kV变电站4的供电电源，并存在一个备用电源，即220 kV变电站2。测试方案是设置220 kV变电站母线故障，110 kV变电站4全站失压，系统供电恢复决策步骤如下。
（1）根据系统通道信息接收到的开关变位信号、模拟SOE信号以及继电保护信号进行故障定位，确定故障设备是设置220 kV变电站1母线。
（2）进行网络拓扑分析，搜索到断电负荷为110 kV变电站4全部负荷。
（3）备自投监视单元启动，读取失电厂站备自投模型，分析判断是否具备条件，由于开关106和开关109均处于合闸状态，不满足启动条件。
（4）自动生成恢复决策，初始决策方案是断开106开关、合上108开关。
（5）风险分析，遍历全网无特殊运行方式，满足方案运行条件。
（6）安全分析及校正控制，分析结果是线路4过载，在初始决策方案的基础上进行校正，合107开关及116开关。
5 结束语
本文提出电网供电恢复智能决策及管理系统设计方案，具备智能性、安全性、使用维护的方便性等特点，可以大幅度提高电网安全可靠性。系统集成在调度自动化系统的基础上，充分利用全网数据信息及应用环境，以故障驱动应用的模式自动完成故障定位、恢复策略生成、备自投建模及监视、风险评估、安全校核，并自动给出供电恢复最佳策略，为调度运行人员提供处理事故的指导工具。具有良好的推广应用前景，目前已在地区级电网投入了试运行。
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