地区电网故障驱动的静态安全分析系统的设计

贵州电网有限责任公司六盘水供电局、东方电子股份有限公司的研究人员张容菠、郝丽萍、李科峰、王飞，在2017年第5期《电气技术》杂志上撰文指出，为了解决地区电网静态安全分析系统中待分析（预想）事故数目较多的不足，引入故障在线分析技术，采用其分析得到的（疑似）故障设备列表和变位开关列表作为输入，减少静态安全分析计算中（预想）事故的数目，加快了其分析计算的速度。

针对地区电网静态安全分析结果以列表展示的不足，引入风险评估算法，为电网安全性评分，给值班员一个电网安全性的量化概念。工程实践证明：所改进的系统缩小了计算范围和次数，降低了计算压力，提高了静态安全分析系统的工程实用性。

智能电网把最新的信息技术和各种电力基础设施高度结合，形成一个新型智能化服务网络，实现电力系统清洁、高效、安全、可靠的目标，其相关技术主要包括：综合通信、遥感和测量、先进的设备、控制技术、改进的界面和决策支持等。本文立足于智能调度技术，对地区电网静态安全分析系统进行完善和改进，为调度值班员提供更好的决策支持。

电力系统静态安全分析简称“N-1扫描”，是对系统事故后（或预想事故发生后）电网的稳态运行情况进行分析（如发电机、线路开断后分析电网的安全性及安全裕度）。工程应用时，常对运行中的实时态电网（或某一研究态下的电网），按照N-1原则，研究一个个元件退出运行后，是否会导致其它元件过载和节点电压越限，并为其中一些越限、过载提供可供选择的调整策略。

早期静态安全分析多采用交流潮流和直流潮流来判定系统安全性[1]，但随着电网规模扩大，其实用性受到了巨大挑战。近些年，静态安全分析研究的两个关键点是如何减少待分析的（预想）事故数目和如何加快分析计算的速度[2]。

目前，工程应用中的静态安全分析系统，有人工触发、周期触发和事件触发等几种启动方式。人工触发是由运行人员启动静态安全分析软件触发分析，这是最早使用的触发方式。人工触发的时机依赖运行人员的经验，何时触发、何种条件下触发，很难把握，因此在电网发生异常时，很可能错过最有价值的分析时间，难以及时发现系统的薄弱环节。

周期触发是利用定时器，设置一个时间周期（比如15分钟），时间到了就触发一次分析。周期触发可以减轻运行人员的压力，但仍然可能错过最有价值的分析时间，无法保证及时的发现系统的薄弱环节。为解决人工触发、周期触发的不足，事件触发应运而生。事件触发是周期性捕捉系统中的开关变位信息，把一个时间片内电网中所有的开关变位作为一个事件，来触发分析。

当前，电网系统规模很大，系统中开关变位多且频繁，运行静态安全分析系统的服务器计算压力很大，故现场一般不设置“事件驱动”，其实用化水平受到很大限制。

另外，无论使用何种方式触发，N-1扫描分析计算得到的结果，多以列表的方式展示，值班员很难迅速掌握所有列表信息，对当前电网的安全性缺少一个量化的概念。

本文提出的故障驱动的静态安全分析系统由故障在线分析子系统、静态安全分析子系统和风险评估子系统[3]组成，大大缩小了N-1扫描时计算的范围和次数，并评估电网当前安全性等级，提高了静态安全分析系统的工程实用性。

1.系统总体设计

故障驱动的静态安全分析系统总体设计如图1所示。

图1 系统结构图

1) 故障在线分析子系统下载主站汇集的告警信息，分析得到电网运行中发生了故障；

2) 故障在线分析子系统分析出故障，汇集所有的故障设备或疑似故障设备和变位开关，形成故障设备列表和变位开关列表，作为启动事件，通过远程调用传递给静态安全分析子系统；

3) 静态安全分析子系统启动，开始分析计算；

4) 静态安全分析子系统计算结束，通过远程调用，启动风险计算子系统；

5) 风险计算子系统启动计算过程，计算电网当前风险值；

6) 人机接口展示结果，包括故障设备、跳闸开关、关联保护动作信息、过载设备、电压越限的母线和电网风险值；

7) 故障在线分析子系统继续下载主站汇集的告警信息，分析得到电网运行中未发生故障，不启动2）、3）、4）、5）、6）的处理；

8) 故障在线分析子系统继续下载主站汇集的告警信息，分析电网运行中是否发生故障，有故障，启动2）、3）、4）、5）、6）的处理；无故障，按7）处理。

2.系统详细设计

图2对故障在线分析子系统、静态安全分析子系统和风险评估子系统及其远程过程调用的联动方式进行了详细描述。

2.1 故障在线分析子系统

故障在线分析子系统从主站下载各种告警信息，先过滤检修、调试、冷备用设备产生的告警信息，再检出告警信息中与电网故障有关的保护信息（包括事故总、保护出口、重合闸、备自投和频率电压控制动作信息）和开关变位信息，判定电网发生故障，并通过预置的“保护——设备”关联关系，辅以拓扑分析，判定故障设备（或疑似故障设备），再汇集相关的变位开关，生成故障设备列表、变位开关列表，将它们作为启动事件，通过远程调用传递给静态安全分析子系统，驱动静态安全分析子系统进行计算；同时，故障在线分析子系统将故障信息发送给告警显示界面，供运行人员参考、确认。

故障在线分析子系统调用设备评价，设备评价结合设备的故障历史记录，给予设备一个“正常”、“注意”、“异常”或“紧急”的状态（从前向后严重程度升高），并更新设备信息数据库。

图2 系统设计图

设备信息数据库中每个设备的初始状态，是从安全Ⅲ区导入的，安全Ⅲ区各个设备的状态，是供电公司开展设备评估工作得出的结论。设备信息数据库中设备的状态（或解除人工置入标志）通过“状态置入”进行修改。

运行人员使用“状态置入”修改设备状态信息数据库中一个设备的状态（或解除人工置入标志），置入的状态有“停用”、“冷备用”、“检修”、“调试”四种。置入一个设备的状态后，设备状态信息数据库中给此设备打上置入标志。

故障在线分析子系统（以及下文所述的的静态安全分析子系统）不能更新置入设备的状态，除非运行人员使用“状态置入”解除了其置入标志。置入“停用”、“冷备用”、“检修”、“调试”的设备，不参与风险计算。

2.2 静态安全分析子系统

静态安全分析子系统使用启动事件（即故障设备列表和变位开关列表），启动分析计算，计算结果（过载、越限信息）输送到过载越限界面展示，供运行人员参考。

静态安全分析子系统调用故障损失计算，计算电网当前故障情况下的实际故障损失（损失负荷、停电用户数、停电用户等级），当前运行设备的越限、过载百分比，再更新到设备信息数据库；再将电网正常运行的设备，按照N-1原则，进行故障损失计算，计算每个设备预想故障后的预想故障损失（损失负荷、停电用户数、停电用户等级）、过载百分比、越限百分比，保存到设备信息数据库。

静态安全分析子系统调用设备评价，设备评价结合设备越限、过载的历史记录，给予设备一个“正常”、“注意”、“异常”或“紧急”的状态，并更新设备信息数据库。若故障分析子系统和静态安全分析子系统对同一设备的状态做出不同评价，取后果严重的状态为准。

静态安全分析子系统完成分析计算，通过远程过程调用启动风险计算。

2.3 风险评估子系统

风险定义工具用来定义设备平均故障率、电网风险等级、风险等级扣分值、故障损失扣分值、设备过载扣分值、设备电压越限扣分值[4]。

设备平均故障率的取值范围是（0，1）。定义设备平均故障率时，考虑设备状态、电压等级、设备类型3个要素，比如：110kV线路状态为“注意”时，平均故障率设为0.1，状态为“异常”时平均故障率设为0.3；10kV线路状态为“注意”时平均故障率设为0.3，状态为“异常”时平均故障率设为0.5。设备平均故障率是经验值，依赖于历史统计数据和运行人员的经验，需要在应用中不断修正[5]。

电网风险等级设为Ⅵ、Ⅴ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅱ、Ⅰ六个级别，I级风险最高。每个风险等级对应一个风险等级扣分值，风险等级扣分值是一个分值范围，比如I级对应的扣分值≥1000。

故障损失有两种，一种是实际故障损失，一种是预想故障损失，其扣分值都是综合损失负荷、停电用户数、停电用户等级对应的一个扣分值。

设备过载扣分值是：1）为35kV/110kV/220kV/500kV线路过载按照过载百分比定义扣分值；2）为35kV/110kV/220kV主变过载按照过载百分比定义扣分值。

设备电压越限扣分值是：为10kV/35kV/110kV/220kV母线越限按照越限百分比定义扣分值。

风险定义工具定义的所有信息保存到风险定义文件中。

风险计算子系统启动时读取风险定义文件中的信息，当风险计算子系统接收到静态安全分析子系统的计算指令，从设备信息数据库中读取：1）电网实际故障损失；2）电网中运行设备的状态、故障过载/越限百分比、预想故障损失、预想过载/越限百分比；

读取上述信息后，风险计算子系统进行计算：

1）按电网实际故障损失，计算得到扣分值1；

2）遍历电网运行设备，计算其故障过载、故障越限扣分值，计算方法为：（预想过载扣分值+预想电压越限扣分值）×平均故障率；

3）检出2）中扣分值最高的设备，并把其扣分值记为扣分值2；

4）计算每个运行设备发生预想故障的扣分值，计算方法为：（故障损失扣分值+预想过载扣分值+预想电压越限扣分值）×平均故障率；

5）检出4）中发生预想故障后，扣分值最高的设备，并把其扣分值记为扣分值3；

6）扣分值1+扣分值2+扣分值3=总扣分值；

7）用6）中的总扣分值去匹配电网风险等级分值范围。

把当前电网的风险等级输出到风险展示界面，供运行人员参考，并能调阅扣分值、扣分项[6]。

3.应用效果

2015年8月，故障驱动的地区电网静态安全分析系统在某地级电网公司投入运行，运行情况表明：

1）其故障在线分析子系统能够正常运行，包括下载主站汇集的告警信息，分析电网运行中是否发生故障；汇集所有的（疑似）故障设备和变位开关，形成故障设备列表和变位开关列表，作为启动事件，通过远程调用传递给静态安全分析子系统；

2）其静态安全分析子系统能够完成分析计算并通过远程调用启动风险计算子系统；

3）风险计算子系统启动计算过程，能够计算电网当前风险值；

4）人机接口能够展示翔实的计算结果，包括故障设备、跳闸开关、关联保护动作信息、过载设备、电压越限的母线和电网风险值等。

4.结语

故障驱动的地区电网静态安全分析系统能够为电网安全性评分，评估电网当前安全性等级，缩小了计算的范围和次数，大大降低了计算压力并提高了静态安全分析系统的工程实用性，在地区电网中有很好的推广价值。