電力系統(tǒng)涉及發(fā)電、輸電、變電、配電和用電多個環(huán)節(jié)，容易受到惡劣環(huán)境、自然災(zāi)害及人為破壞的影響從而發(fā)生停電事故。現(xiàn)今民眾對電能的依賴程度越來越高，尤其在用電高峰期，若發(fā)生大面積電力中斷，將造成難以估量的損失。因此，建立完善的電力網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急系統(tǒng)顯得尤為重要。

電力系統(tǒng)的應(yīng)急管理涉及的部門較多、范圍廣泛、過程繁瑣及災(zāi)害信息錯綜復(fù)雜，需應(yīng)急指揮中心與交通、氣象等多個部門聯(lián)合響應(yīng)，共享信息。為了維護(hù)電網(wǎng)運行的穩(wěn)定性，有效地減少大面積停電事故，降低停電事故所造成的經(jīng)濟(jì)財產(chǎn)損失，我國迫切需要建立完善的電力系統(tǒng)應(yīng)急管理與技術(shù)體系。

為減少電網(wǎng)發(fā)生停電事件，可從抗災(zāi)規(guī)劃建設(shè)與防災(zāi)減災(zāi)調(diào)度操作兩方面著手。建設(shè)抗災(zāi)型電力系統(tǒng)可以從源頭上增強電力網(wǎng)絡(luò)的抗災(zāi)性能，減少停電事故；防災(zāi)減災(zāi)調(diào)度操作是指在電網(wǎng)發(fā)生事故時，通過不同的操作使故障造成的損失最小化。

目前，不同學(xué)者已經(jīng)從電力系統(tǒng)防災(zāi)、減災(zāi)和救災(zāi)方面做了大量的研究工作。目前電力系統(tǒng)應(yīng)急工作多立足于故障發(fā)生后的應(yīng)急搶修，在日常監(jiān)控與預(yù)測方面應(yīng)用研究較少。為此，本文立足于電力系統(tǒng)基層用戶的需求，深入探討智能算法在故障預(yù)測與應(yīng)急最優(yōu)決策中的應(yīng)用，結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對電網(wǎng)全面的監(jiān)控。

1 電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)急系統(tǒng)功能設(shè)計

電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)急系統(tǒng)是對電網(wǎng)進(jìn)行日常監(jiān)測與快速應(yīng)急響應(yīng)的工具，是集物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、通信技術(shù)、地理信息系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)與智能算法等多種技術(shù)于一體的系統(tǒng)平臺，為電網(wǎng)防御自然災(zāi)害、減少系統(tǒng)故障的發(fā)生，并提供監(jiān)控、分析、預(yù)測及決策等功能，降低停電事故帶來的經(jīng)濟(jì)損失，減輕決策指揮人員的壓力。系統(tǒng)分為電網(wǎng)運行監(jiān)控模塊、電網(wǎng)應(yīng)急模塊和系統(tǒng)自我優(yōu)化模塊三部分，具體功能分布如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)急系統(tǒng)功能布局

電網(wǎng)運行監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)電網(wǎng)日常運行的數(shù)據(jù)統(tǒng)計、狀態(tài)監(jiān)測與風(fēng)險評估，系統(tǒng)實時更新電網(wǎng)負(fù)荷、氣候、交通與各傳感器的信息，依據(jù)匯總信息進(jìn)行電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測與風(fēng)險評估。對可能老化的設(shè)備做出更換提示，對應(yīng)急物資進(jìn)行系統(tǒng)式的管理。

電網(wǎng)應(yīng)急模塊負(fù)責(zé)事故發(fā)生后的應(yīng)急處理。一方面匯總電網(wǎng)突發(fā)事故信息，如故障地點、損害程度，附近交通、應(yīng)急人員與物資信息，快速有效地整合、分析、提取事故現(xiàn)場和相關(guān)資源信息，并向各部門發(fā)布災(zāi)害信息；另一方面作為應(yīng)對突發(fā)事故的決策支持，根據(jù)現(xiàn)場故障信息與各部門人員配備信息，結(jié)合電網(wǎng)模型、電網(wǎng)負(fù)荷、交通及氣候情況等，獲得現(xiàn)場救援最優(yōu)決策。在救援過程中，依據(jù)應(yīng)急預(yù)案落實情況和故障恢復(fù)情況，實時調(diào)整決策結(jié)果，實現(xiàn)科學(xué)決策與高效處理。

系統(tǒng)優(yōu)化模塊，負(fù)責(zé)事故恢復(fù)后對整個應(yīng)急過程進(jìn)行總結(jié)與分析，將故障信息更新至故障數(shù)據(jù)庫，在系統(tǒng)恢復(fù)時對出現(xiàn)的誤差進(jìn)行優(yōu)化，補充應(yīng)急物資。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及硬件設(shè)備較多。不同模塊之間的通信與數(shù)據(jù)庫的讀入/寫出極大地影響系統(tǒng)運行速度。隨著系統(tǒng)的運行，數(shù)據(jù)庫也將逐漸擴(kuò)大。因此，系統(tǒng)采用云數(shù)據(jù)庫，通過傳感器與聯(lián)動部門采集到的運行數(shù)據(jù)，直接傳輸至云數(shù)據(jù)庫。各模塊均可對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行讀入/寫出的操作，隨著數(shù)據(jù)的增加，可逐步對云數(shù)據(jù)庫進(jìn)行擴(kuò)容處理。系統(tǒng)通信圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)通信圖

每個子系統(tǒng)分為共享數(shù)據(jù)和內(nèi)部數(shù)據(jù)。環(huán)境參數(shù)、傳感器數(shù)據(jù)和系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)均為共享數(shù)據(jù)。設(shè)備型號、物資存放情況等為內(nèi)部數(shù)據(jù)。共享數(shù)據(jù)存儲于云數(shù)據(jù)庫中，內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲于子系統(tǒng)控制電腦硬盤中。中央總控有權(quán)限查看所有數(shù)據(jù)。

2 電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)急系統(tǒng)

2.1 電網(wǎng)運行監(jiān)控模塊

影響電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的因素繁多，為保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運行，建立自然環(huán)境變化下的電網(wǎng)成災(zāi)因子數(shù)據(jù)庫。通過在線監(jiān)測環(huán)境溫度、濕度、雨量和風(fēng)速等參數(shù)，結(jié)合以往故障發(fā)生時的環(huán)境信息，建立電網(wǎng)成災(zāi)因子庫。

利用數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（supervisory control and data acquisition, SCADA）對現(xiàn)場運行的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視與控制，在傳統(tǒng)的對設(shè)備控制的基礎(chǔ)上，加入人工智能算法進(jìn)行預(yù)測與故障診斷，對維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定的重要設(shè)備予以重點監(jiān)控。

電力變壓器的運行狀況直接關(guān)系到整個電網(wǎng)的運行。對變壓器的在線故障診斷，不僅可以有效減少故障發(fā)生，還能在發(fā)生故障后，判斷故障類型，縮短恢復(fù)時間。現(xiàn)如今，市面上常見的變壓器有油浸式變壓器和干式變壓器（在一些特點的場景，只允許使用干式變壓器）兩種。

油浸式變壓器可以通過分析油中溶解氣體（如一氧化碳CO、二氧化碳CO2、甲烷CH4和氫氣H2等）實現(xiàn)故障診斷。首先使用內(nèi)嵌式傳感器測量主要氣體濃度，再使用特定算法對系統(tǒng)進(jìn)行建模與計算。

目前關(guān)于油浸式變壓器故障診斷的方法較多，如三比值法、Rogers法和特征氣體法等傳統(tǒng)方法，以及支持向量機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)等人工智能方法。而對于干式變壓器，可通過采集變壓器的溫度、運行電壓、運行電流和局部放電等參數(shù)對變壓器進(jìn)行在線監(jiān)測。

高壓斷路器是電網(wǎng)中起保護(hù)和控制作用以維護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定的設(shè)備。其合（分）閘線圈產(chǎn)生的電流波形包含了斷路器運行狀態(tài)的關(guān)鍵信息，如輔助觸點狀態(tài)、線圈卡滯等。

系統(tǒng)先采集運行中的斷路器的合（分）閘電流信號，再通過去噪、建模和分析等一系列算法，獲得高壓斷路器的運行狀態(tài)。將傳感器采集到的數(shù)據(jù)、電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)與天氣信息相結(jié)合，建立電網(wǎng)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫模型。

災(zāi)害數(shù)據(jù)庫可以作為排查電網(wǎng)薄弱點的技術(shù)支持，在未引起系統(tǒng)故障之前排除潛在風(fēng)險，為杜絕事故發(fā)生提供決策依據(jù)與手段。記錄每天不同地點的用電負(fù)荷量，形成每日用電負(fù)荷曲線，作為應(yīng)急搶修決策時的數(shù)據(jù)支持。電網(wǎng)在線監(jiān)測模型如圖3所示。

圖3 電網(wǎng)在線監(jiān)測模型

科學(xué)管理應(yīng)急物資。通過射頻識別技術(shù)對應(yīng)急物資進(jìn)行自動感知、識別，建立物資出入庫臺賬，隨時掌握應(yīng)急物資的位置、數(shù)量和狀態(tài)。利用全球定位系統(tǒng)與最優(yōu)路徑?jīng)Q策，實現(xiàn)在應(yīng)急模式下對物資的最優(yōu)化調(diào)配。記錄每次故障發(fā)生后的物資的使用情況、磨損程度。為減少故障發(fā)生后物資調(diào)配所需時間，模擬不同故障點發(fā)生各類故障，優(yōu)化物資存放數(shù)量、地點和配比等。

1）電網(wǎng)運行模型建立

電網(wǎng)運行模型的建立是系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)，建立完善的電網(wǎng)運行模型可以有效提高系統(tǒng)故障預(yù)測的準(zhǔn)確性。電網(wǎng)運行模型需建立在實際電力拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，綜合考慮天氣變化、環(huán)境參數(shù)、負(fù)荷情況和服役時間等運行條件對系統(tǒng)的影響。由此可獲得系統(tǒng)中電力設(shè)備與輸電線的運行風(fēng)險與可靠性。

根據(jù)實際情況，建立電力拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。將不同節(jié)點對應(yīng)的環(huán)境參數(shù)、傳感器數(shù)據(jù)和運行狀態(tài)進(jìn)行記錄保持。對每一臺變壓器與斷路器進(jìn)行在線監(jiān)測，并根據(jù)有關(guān)建立輸電線路偶然失效概率模型。由此可得到城市電力網(wǎng)絡(luò)停電風(fēng)險。

2）薄弱點排查

在電力系統(tǒng)運行時，電網(wǎng)的有功功率、無功功率、負(fù)荷特性和節(jié)點電壓極限等因素是影響系統(tǒng)穩(wěn)定的主要原因。當(dāng)運行中的某一節(jié)點負(fù)荷供需失衡時，便成為系統(tǒng)薄弱節(jié)點。

節(jié)點電壓的變化與功率裕度相關(guān)，可作為識別電網(wǎng)薄弱點的重要指標(biāo)。電網(wǎng)薄弱點識別，可為工作人員提供排查依據(jù)，縮小排查范圍，減輕工作負(fù)擔(dān)。

由電網(wǎng)模型得到節(jié)點故障概率，根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)計算系統(tǒng)的節(jié)點薄弱概率、電壓降落期望和節(jié)點電壓期望，并將之排序，由此得到系統(tǒng)薄弱點排查的重要依據(jù)。

3）高風(fēng)險評估

電力系統(tǒng)中的風(fēng)險是指電力系統(tǒng)故障發(fā)生的可能性與發(fā)生故障的嚴(yán)重程度。一般采用故障發(fā)生的概率與危害嚴(yán)重性的乘積來計算。

式中，C為表征節(jié)點重要程度的價值系數(shù)，由應(yīng)急管理中保障供電需要程度決定，如舉辦大型活動、重要比賽的現(xiàn)場，可酌情增大系數(shù)。

由此可得到城市電力網(wǎng)絡(luò)停電風(fēng)險值。根據(jù)城市實際情況，設(shè)立風(fēng)險閾值，一旦超過風(fēng)險閾值，則列為停電高風(fēng)險地區(qū)，立即組織人員排查。

4）故障預(yù)測

常見的油浸式變壓器易發(fā)生低溫過熱、中溫過熱、高溫過熱、高能放電、低能放電和局部放電六類典型故障。在變壓器運行出現(xiàn)隱患時，油中溶解氣體含量將會發(fā)生一定的變化。對變壓器故障預(yù)測，能及時地發(fā)現(xiàn)變壓器異常，減少停電事故的發(fā)生。

變壓器故障預(yù)測的方法眾多，這里不再贅述。

5）故障診斷

當(dāng)變壓器發(fā)生故障時，對故障類型的診斷可大大減少檢修時間。通過檢測油中溶解氣體含量，即可實現(xiàn)變壓器在線故障診斷。故障診斷與故障預(yù)測方法一致。

系統(tǒng)運行流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)在線監(jiān)測流程圖

2.2 電網(wǎng)應(yīng)急模塊

電網(wǎng)應(yīng)急模塊是在電網(wǎng)發(fā)生故障之后應(yīng)急指揮的輔助平臺。當(dāng)今電網(wǎng)設(shè)備繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在發(fā)生故障之后，根據(jù)不同故障類型需要涉及不同的搶修人員與搶修物資，還需與聯(lián)動部門密切配合，在情形復(fù)雜、時間緊張的情況下，僅憑人為經(jīng)驗難以做出合理的應(yīng)急策略。尤其在發(fā)生大面積停電時，人員緊張，形勢嚴(yán)峻，各故障點的恢復(fù)順序?qū)?yīng)急救援的結(jié)果影響巨大。因此科學(xué)制定搶修恢復(fù)策略顯得尤為重要。

對電網(wǎng)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，根據(jù)每日的負(fù)荷數(shù)據(jù)，得到各個節(jié)點的負(fù)荷曲線。對負(fù)荷曲線積分運算得到負(fù)荷的時變模型。發(fā)生故障后，先確定發(fā)生故障的拓?fù)涔?jié)點，建立故障網(wǎng)絡(luò)模型，依據(jù)當(dāng)前道路情況，獲得相鄰節(jié)點之間的車程距離與車程所需時間。

搶修目標(biāo)分為恢復(fù)時間最快與經(jīng)濟(jì)損失最低兩種?；謴?fù)時間最快是在發(fā)生故障之后，使用路徑最短的原則實施搶修，以期盡快完成搶修，節(jié)省時間成本；經(jīng)濟(jì)損失最低是優(yōu)先恢復(fù)失電荷等級較高、負(fù)荷較大的設(shè)備，以期降低經(jīng)濟(jì)損失。

若選擇恢復(fù)時間最短原則，則在故障網(wǎng)絡(luò)模型上采用二進(jìn)制粒子群算法，獲得連接所有節(jié)點的時間最短路徑。若選擇經(jīng)濟(jì)損失最低原則，則結(jié)合每個節(jié)點的負(fù)荷情況，計算連接所有節(jié)點的負(fù)荷最低路徑。兩種搶修原則可根據(jù)實際情況進(jìn)行選擇。

故障發(fā)生之后，從電網(wǎng)運行監(jiān)控模塊獲取故障節(jié)點的運行數(shù)據(jù)，根據(jù)建立的電力設(shè)備模型，對設(shè)備故障做出預(yù)判。一方面使搶修人員到達(dá)現(xiàn)場后迅速了解設(shè)備情況，對故障恢復(fù)做出預(yù)判，加快故障恢復(fù)時間；另一方面便于指揮人員了解故障嚴(yán)重程度，作為指揮人員的決策支持。利用信息交互平臺，指揮此次應(yīng)急預(yù)案實施所需的人員調(diào)度、車輛調(diào)度和應(yīng)急物資調(diào)度。

由于道路交通、受災(zāi)規(guī)模和外部條件均在動態(tài)變化之中，因此搶修恢復(fù)的最佳決策也應(yīng)該根據(jù)環(huán)境的變化做出相應(yīng)的調(diào)整與修改，使之獲得全局最優(yōu)的應(yīng)急決策。系統(tǒng)應(yīng)急流程圖如圖5所示。

與此同時，電網(wǎng)應(yīng)急平臺也是電力企業(yè)信息發(fā)布與信息溝通的平臺。發(fā)生故障之后，將有關(guān)停電區(qū)域、線路、預(yù)計恢復(fù)供電時間與恢復(fù)供電順序等信息，通過網(wǎng)絡(luò)與短信的形式發(fā)送給相關(guān)部門與用戶。同時，在應(yīng)急救援工程中，應(yīng)及時將救援現(xiàn)場情況與進(jìn)展匯報給聯(lián)動部門，實現(xiàn)與聯(lián)動部門的信息互通。

圖5 系統(tǒng)應(yīng)急流程圖

2.3 系統(tǒng)優(yōu)化模塊

應(yīng)急突發(fā)事件在正常條件下均是小概率事件，在數(shù)據(jù)庫中，海量的是運行正常的數(shù)據(jù)。因此在發(fā)生故障后，故障時的傳感器數(shù)據(jù)、電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)可以優(yōu)化系統(tǒng)模型，使模型的預(yù)測結(jié)果更加準(zhǔn)確。而在恢復(fù)故障過程中遇到的異常情況可用于優(yōu)化應(yīng)急決策模型，如電網(wǎng)拓?fù)涔?jié)點之間的車程時間異常，導(dǎo)致路徑最短決策下所經(jīng)歷的時間并非最短。在這一過程中，應(yīng)急救援物資的需求情況，可以對應(yīng)急物資存放提供新的思路。

3 算例分析

本文以某地區(qū)的住宅商業(yè)區(qū)為例，將用電區(qū)域簡化為如圖6所示的母線系統(tǒng)簡化圖。該系統(tǒng)共有15處負(fù)荷，編號1—15為負(fù)荷節(jié)點，沒有發(fā)電機，所有功率由電源節(jié)點承擔(dān)。負(fù)荷重要性分為一級、二級和三級，對應(yīng)權(quán)重分別為50、20和1。本文采用Matlab7.1進(jìn)行仿真計算，系統(tǒng)的主控界面圖如圖7所示。

圖6 某地區(qū)母線系統(tǒng)簡化圖

圖7 系統(tǒng)主控界面圖

1）薄弱點排查

測量系統(tǒng)的運行參數(shù)，某時刻有3個節(jié)點電壓超出范圍，計算其節(jié)點薄弱概率、電壓降落期望和節(jié)點電壓期望，并由高到低，排序見表1。

表1 系統(tǒng)節(jié)點薄弱點排序

2）高風(fēng)險評估

假設(shè)臺風(fēng)即將進(jìn)入該區(qū)域，根據(jù)災(zāi)害數(shù)據(jù)庫匹配與災(zāi)害強度、設(shè)備抗災(zāi)能力計算節(jié)點停運概率。由負(fù)荷等級與日負(fù)荷數(shù)據(jù)，得到系統(tǒng)停電風(fēng)險的前三名見表2，其中節(jié)點4為一級負(fù)荷，價值系數(shù)為50；節(jié)點11、5為二級負(fù)荷，價值系數(shù)為20。

表2 系統(tǒng)節(jié)點停電風(fēng)險排序

3）故障診斷

某時刻發(fā)生變壓器故障，油中氣體含量見表3，判斷故障為高能放電。

表3 變壓器油中氣體含量

4）救援最優(yōu)決策

編號F1—F4為故障點，4處故障造成配電系統(tǒng)10處負(fù)荷失電。失電負(fù)荷的重要性等級見表4。

表4 失電負(fù)荷等級

恢復(fù)時間最短原則下的搶修順序：F1→F2→F3→F4；經(jīng)濟(jì)損失最低原則下的搶修順序：F1→F3→F2→F4。系統(tǒng)應(yīng)急界面如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)應(yīng)急界面圖

4 結(jié)論

本文研究設(shè)計了一套電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)急系統(tǒng)，系統(tǒng)分為電網(wǎng)運行監(jiān)控模塊、電網(wǎng)應(yīng)急模塊和系統(tǒng)優(yōu)化模塊，實現(xiàn)對電網(wǎng)的監(jiān)測、控制與應(yīng)急功能。系統(tǒng)故障數(shù)據(jù)庫的建立有賴于過往故障的發(fā)生，隨著故障數(shù)據(jù)庫的完善，系統(tǒng)的準(zhǔn)確率將會逐步提升。

本系統(tǒng)可提升電網(wǎng)信息采集、處理的效率，實現(xiàn)對電網(wǎng)的全面監(jiān)測；使應(yīng)急指揮系統(tǒng)更加科學(xué)化、智能化，降低突發(fā)事件造成的經(jīng)濟(jì)損失。因此，本系統(tǒng)有很好的應(yīng)用前景。

本文編自2021年第2期《電氣技術(shù)》，論文標(biāo)題為“城市電網(wǎng)監(jiān)控應(yīng)急系統(tǒng)的設(shè)計”，作者為劉士亞、郭靜、岑釗華。