0引言
在中国，中国电力科学研究院、国网电力科学研究院联合研发动态安全评估和预警系统(powersystemdynamicsecurityassessment&earlywarningsystem，PDSA)，并成功应用于国家电网和南方电网进行周期不间断在线安全稳定分析，实现稳定裕度评估和预防控制辅助决策[16-19]。清华大学张伯明教研组研发了基于EMS/DTS的电网控制中心安全预警和决策支持系统并实施于江西电网[20-23]，石立宝教研组着眼于动态安全裕度，研发了实时动态安全评估及预警仿真系统，实现了极限传输容量的高效计算[24-25]。在各机构或专家学者的研究成果中，或对电网进行全面安全分析，或针对某一特定稳定问题进行评估，而在线安全稳定分析均是实现大电网动态安全评估的核心技术。基于实时数据的在线安全稳定分析综合利用稳态、动态、暂态多角度在线安全分析评估以及稳定裕度评估，在一定程度上实现了大电网运行的全面安全预警和多维多层协调的主动安全防御[26-27]。然而，基于实时数据的在线安全稳定分析仍存在以下几个问题：1）在系统实际运行需要时间间隔内(如5~15min)，进行周期、事件和人工触发计算，运算结果合理性保证的前提条件是计算周期内，电网不发生明显的拓扑和电气量的变化。2）电网调度和运行人员会经常对电网运行工况进行调整，如开关刀闸操作、发电量调节、电网元件投切，需要对调整后的电网安全稳定情况进行预先校核。3）由于存在电网模型等值，对跨区电网的在线安全稳定分析，上级与下级调度控制中心之间、两级调度控制中心之间仅依靠实时数据自动计算无法满足电网潮流和动态行为的一致性。4）新能源发电、负荷的快速变化对电网在线安全稳定情况的预知提出了实际要求，基于实时数据的在线安全稳定分析无法满足。上述原因对在线安全稳定分析提出了更高的要求。基于此，深化关于电力系统在线动态安全评估和预警系统方面的研究，提出满足实际电网调度运行需求的在线安全稳定分析应用模式具有重要意义。
1在线安全稳定分析介绍
在线安全稳定分析的服务对象是电网调度运行，包括提出电网运行的主要问题和解决方案2方面含义。在线安全稳定分析中，同时进行静态安全分析、暂态稳定分析、电压稳定分析、小干扰稳定分析和短路电流计算，并进行稳定裕度评估；若系统存在不安全的问题，针对不同稳定问题，即时启动相应预防控制辅助决策计算，提供运行方式调整的可行方案，以保证系统的稳定运行。在线安全稳定分析整体上可划分为4个过程：数据整合(dataintegration，DI)、动态安全稳定分析(dynamicsecurity/stabilityanalysis，DSA)、稳定裕度评估(stabilitymarginevaluation，SME)和预防控制辅助决策(preventivecontroldecisionmaking，PCDM)。基于智能电网调度控制系统基础平台，获取电网模型、故障集等计算参数，分别接入来自状态估计、上级调控机构下发的电网运行数据，通过数据准备生成满足在线安全稳定分析要求的计算数据，基于并行计算实现安全稳定分析和稳定裕度评估(或预防控制辅助决策)功能。图1是在线安全分析总体框架。
2应用模式
在应用模式上，完整的在线安全稳定分析应分为实时分析模式、研究分析模式和趋势分析模式。实时分析模式对当前电网运行方式进行安全稳定分析和稳定裕度评估和预防控制辅助决策；研究分析模式对研究方式进行潮流调整，并进行安全稳定分析和稳定裕度评估和预防控制辅助决策；趋势分析模式基于当前实时方式数据，根据调度计划类数据生成未来一段时间内的电网趋势运行方式，并依时序滚动进行安全稳定分析和稳定裕度评估和预防控制辅助决策。
2.1实时分析模式
实时分析模式是实现在线安全稳定分析的主要功能。其主要特点是，基于未经任何修改的在线运行数据，不允许任何人工对模型、数据的修改，自动执行系统分析过程，对电力系统做出客观的安全稳定分析结论和稳定裕度评估结论(或辅助决策计算结果)。实时分析模式分析对象的形成如图2所示。在流程上，首先通过实现与调度支持系统的接口，获取调度支持系统中的各类安全稳定分析所需要的在线数据；然后进行数据整合和数据交换，送入到并行计算平台中；并行计算平台通过高效的计算组织方法，实现各个电力系统应用软件的并行分析，并通过统一规范接口送回计算结论到调度支持系统。图3是完整计算执行过程流程图，从上至下按执行时间顺序描述执行过程，同时体现了硬件设备之间的数据流向。具体可划分为4个过程。1）计算触发阶段。支持周期触发、事件触发和人工触发3种启动方式：周期触发自动完成对当前电网运行方式的安全扫描，实现对当前电网运行方式的评估、预警和辅助决策；事件触发获取事件信息，从状态估计获取设备故障后电网运行方式，实现对设备故障后电网运行方式的评估、预警和辅助决策；人工触发支持调度运行人员手动触发在线分析计算，实现对当前电网运行方式的评估、预警和辅助决策。依3种启动方式的重要程度，其优先级为人工触发最高，事件触发次之，周期触发最次。周期触发为以每5或15min为周期的不间断触发计算。触发计算后，计算平台状态和计算任务执行状态被全过程跟踪，调度运行人员对在线分析的计算状态全景掌握。2）数据整合阶段。计算触发后，从EMS/SCADA等系统获取计算数据，经过状态估计和潮流计算，得到支持的潮流数据、稳态数据和动态数据。然后将完整计算数据和相关计算配置文件发送至调度服务器。3）安全稳定分析和稳定裕度计算阶段。基于并行计算技术，利用数据整合形成的计算数据，进行静态安全分析、暂态稳定分析、电压稳定分析、小干扰稳定分析、短路电流计算和稳定裕度评估。稳定计算结果存入数据库，并发送至人机界面。安全稳定分析结束后，执行稳定裕度评估计算，稳定裕度计算考虑静稳裕度、热稳裕度和暂稳裕度。4）调度辅助决策计算阶段。对于DSA计算存在不安全的分析结果，进行预防控制辅助决策的计算。其中不安全结果包括热稳越限、暂态失稳、电压失稳、低频振荡、短路电流超标。整个计算完成后，运行方式数据和计算结果存入数据库。实时运行模式依靠并行计算的高速计算能力和开放的集成性能，完全实现基于在线数据的全部稳定分析计算，整个分析计算可在5min完成。其全面快速的安全预警功能，改变传统的基于典型方式进行离线稳定分析的模式，分析结果更全面客观，解决电力系统长过程连续故障(或开断)情况下的安全分析的速度、全面性和可信度的问题，为应对电网的大面积停电事故提供宝贵的技术手段。
2.2研究分析模式
研究分析模式主要实现调度运行操作前的安全稳定分析功能。其主要特点是，通过人工修改运行方式，对即将在系统中发生的调度运行参与事件进行安全稳定评估。在作用上，研究分析模式可以对实时运行方式进行干预，研究调度运行操作对电网安全稳定运行影响和校核；也可以对历史潮流断面进行研究，可用于事故反演和分析。研究分析模式分析对象的形成如图4所示。在流程上，首先通过人机界面，记录下用户的修改内容并计算潮流；然后送入到并行计算平台中；最后并行计算平台通过高效可靠的任务分配方法，实现各种稳定计算并行分析，并推送计算结论到人机界面。图5是完整计算执行过程流程图。与实时分析相区别的是，研究分析在触发计算之前，允许对潮流数据进行修改。因而基于在线数据的研究分析本质上属于一种在线研究态分析，基于历史数据的研究分析本质上已经属于离线分析，所以其计算触发仅支持人工触发即可。在形式上，包括独立推演和联合推演2种形式，当调度运行人员仅对管辖范围内电气元件进行操作时，可利用独立推演对操作后电网的稳定情况进行研究；当调度运行人员的操作影响会波及到相邻或远方电网时，可以进行上下级调度和不同区域调度间进行联合推演。
2.3趋势分析模式
由于实时分析模式基于当前电网运行状态进行计算，对即将发生的变化缺少应对手段。趋势分析实现对短期内电网安全稳定状态发展趋势的预先评估。趋势分析可以拓展在线安全稳定分析的覆盖范围，能给出电网运行即将发生的重大变化及其稳定状态。在电网安全稳定趋势发生恶化或者没有改善的情况下，给出电网短期控制的辅助决策，调整电网未来运行状态，进一步实现电网运行安全的预防控制。趋势分析基于在线运行方式，利用未来短时间内的计划数据(如断面功率计划、交直流联络线功率计划、实时发电计划、检修计划等)和预测数据(如新能源发电超短期预测、超短期负荷预测等)，将实时运行方式与计划和预测数据匹配在一起，形成未来短时间内的潮流解。趋势分析模式分析对象的形成如图6所示。在分析流程上，趋势分析与实时分析并无不同，只是趋势分析仅需支持周期触发启动，由于研究对象本质上属于对电网未来态的预测，无事件触发和人工触发功能的必要性。图7是完整计算执行过程流程图。显然，趋势分析模式一方面是实时分析模式在时间尺度上的向前延伸，另一方面通过一系列稳定指标的对比判断电网安全稳定情况是趋向更安全还是更危险。但应说明的是，由于趋势运行方式本质上为对电网未来态的预测，仍存在着很大的不确定性，预测运行方式与实际运行方式之间存在差别不可避免，因而在实际调度运行应用中，趋势分析模式并不能取代实时分析模式。
2.4应用模式比较
表1是3种应用模式的比较。3种应用模式的根本区别在于研究数据源范围的差异，因而导致各自的分析对象的不同。实时分析和趋势分析要求客观的反映电网实际或预测的安全稳定情况，因而不允许对电网潮流进行人工调整，不允许人工参与分析过程，依据客观要求形成了各自需要满足的触发方式。实时分析和趋势分析在时间上要求的快速性导致必须利用高效可靠的大规模并行计算平台；而研究分析模式用于十几分钟至小时时间尺度内的调度操作校核或事故反演，因而关心的往往是特定的稳定任务，利用小规模或单机计算即可满足运算速度的要求。
3算例分析
以某省级实际电网实例进行分析，该电网调度控制中心具备实时分析和趋势分析同时进行周期触发计算，触发周期为15min。2014年11月4日00:15:00—03:00:00期间，实时分析和趋势分析同时给出静态安全分析预警：若BXI线发生N-1故障，将造成BXII热稳越限。次日进行研究分析模式仿真重演、并依据调度辅助决策给出的方式调整进行研究分析，实时分析、趋势分析、研究分析的结果比对如图9所示。算例结果可见，实时分析对当前电网断面安全稳定情况进行分析，同时，趋势分析可对电网未来时间段内的运行安全稳定性进行有效预测。由于趋势分析的分析对象为基于当前断面和计划数据生成的未来态趋势潮流，与15min后实际潮流断面的误差不可避免，因而基于趋势潮流的安全稳定分析结果与实际分析结果也存在定量上的误差。但在计划执行和预测数据满足一定准确性的范围内，分析结果并不影响其对未来电网安全稳定分析的定性结论。研究分析的重演可以与实时分析结论相印证，通过调度辅助决策给出的建议，利用研究分析对电网潮流断面进行调整，重新进行BXI线N-1断开的静态安全分析，BXII线热稳定分析的越限情况消失，有效遏制了电网热稳越限风险。
4结论
在线安全稳定分析经过多年实践，在一些国家电力调度中发挥了重要作用，且已经在中国国家电网和南方电网调控工作中常态化、标准化。提出在线安全稳定分析的3种应用方式，能够为调度运行人员对系统运行状态掌控、判断和决策提供有力的技术支撑。实时分析模式改变了传统基于典型方式进行离线分析的模式，能够对电网安全稳定情况实时判断并提供决策。研究分析模式在实时分析模式基础上，在调度运行操作进行前预先进行校核，为调度操作安全性提供重要保障，并能够对关心的历史事件进行反演，有利于调度人员深度掌握系统特性。趋势分析模式基于未来态趋势潮流，预先对系统稳态和动态变化趋势进行判定，提供面向电网运行趋势调整的预防控制辅助决策。3种分析模式分别对电网安全稳定运行和调度操作进行实时判定和预先判定和预先判定，互为补充，协调运行，为电力系统安全稳定运行提供重要保障。
作者：孙树明 谢昶 吕颖 鲁广明 史东宇 于之虹 严剑峰 李雨蔓 单位：中国电力科学研究院 重庆大学电气工程学院
