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南方电网在电力专用逆变电源-电力系统在线安全监视KPI指标体系

围绕电力专用逆变电源-电力系统安全性的定义和控制论的基本思想,完善和补充了南方电网电力运行驾驶舱(power system operation cockpit, POC)已有的安全评价指标体系。

改进后的指标体系能够全面反映电力专用逆变电源-电力系统运行与控制过程中的各个环节,包括电力物理系统本体、三道防线、自动控制系统、信号传输系统、受控设备等。同时,新指标体系中的各项指标均能从南方电网一体化电网运行智能系统(operation smart system, OS2)提取支撑数据,具有较强的现实可行性。

随着全社会电能需求和电源装机容量的快速增长,南方电网的网络结构日益复杂、安全稳定问题逐渐突出[1-2]。为提高电网调度工作人员对电网的实时监控能力,南方电网引进了大量的二次系统,对电力专用逆变电源-电力系统进行测量、控制、保护等。同时,南方电网开展了二次系统一体化的研究,对全网二次系统进行有效整合,建设了新一代的一体化电网运行智能系统(operation smart system, OS2)[2]。

电力运行驾驶舱(power system operation cockpit, POC)作为OS2的顶层子系统,旨在融合一体化二次系统上传的信息,是调度人员与电力专用逆变电源-电力系统进行交互的直接接口,具备信息集中、实时监控等技术特点。

当全网一体化的二次系统将大量数据集中到位于监控主站的POC时,需要一套评价指标作为监视的依据,帮助电网调度工作人员从海量数据中提取关键信息,从而快速、高效地监视和管理电网运行,评价指标的选取决定着系统监视的效果,具有重要的意义。

目前针对电力专用逆变电源-电力系统运行评价指标体系方面的研究,主要从电网长期发展水平、薄弱环节、以及短期运行水平[3-5]等方面展开。文献[3]阐述了构建智能电网评估指标体系的重要意义,并针对智能电网的规模智能化、技术支撑及发展效果等3个方面进行评估指标划分。

文献[4]提出了电网基本评估体系,包含三个方面,评价指标、评价标准和评判方法,并基于此分输、配网给出了相应评估指标及综合评估方法。文献[5]梳理了电网安全评价指标的构成,涵盖了供电能力、静态电压安全、拓扑结构、暂态安全和风险指标等5个方面,并结合实际案例进行安全评估分析。

上述研究为电力专用逆变电源-电力系统运行指标体系研究提供了理论参考,但所述评价指标种类繁多、缺少详细的计算方案,且有待通过实证研究的验证,导致研究成果与实际需求切合欠佳,无法满足POC对系统运行状态进行实时监控的要求。

南方电网以实际长期系统运行经验为基础,结合管理学中关键绩效指标(key performance indicator, KPI),构建出一套监视系统实时运行安全性的指标体系。在OS2的支撑下,该指标体系还能为系统运行水平的事后评价提供依据。

然而,该指标体系主要基于系统运行经验建立,在反映电力专用逆变电源-电力系统安全性方面难免存在疏漏和重复,同时该指标体系缺乏系统的论证,因此,亟需对现有的KPI指标体系进行细化完善和系统整理。

本文引入控制论思想,对南方电网POC现有的安全评价KPI指标体系进行了改进,增强其科学性。首先明确了电力专用逆变电源-电力系统安全性定义,并介绍了电网运行对系统安全性的要求及主要控制手段;其次,梳理出涵盖电力物理系统、自动控制系统及通信系统的KPI安全指标体系;最后,总结阐明新的KPI安全指标体系所作出的改善及未来研究方向。

1  电力专用逆变电源-电力系统实时运行安全性的定义与要求

1.1  电力专用逆变电源-电力系统安全性定义

通常,电力专用逆变电源-电力系统的运行工况可以分为正常运行状态、紧急状态和恢复状态,其中正常状态分为安全状态和警戒状态[6]。在扰动发生后,电力专用逆变电源-电力系统的运行工况将在上述几类运行状态之间相互转变,其转变可用以下状态转移图(图1)描述。其中,实线为受控转移过程,虚线为非受控转移过程。

图1  电力专用逆变电源-电力系统运行状态转移图
南方电网在电力专用逆变电源-电力系统在线安全监视KPI指标体系

1.2  电力专用逆变电源-电力系统实际运行对安全性的要求

1)在电力专用逆变电源-电力系统的实际运行中,首先要求电力专用逆变电源-电力系统静态稳定裕度能达到给定值范围,即系统运行工况位于图1中的“安全状态”。

2)要求电力专用逆变电源-电力系统在发生概率较高而扰动较小的第一类故障(N1故障),运行工况进入图1所示的“紧急状态”后,不采取安全控制措施能保持稳定,并回到“安全状态”。

3)要求电力专用逆变电源-电力系统在发生概率较低但性质严重的第二类故障(N1或N2故障),运行工况进入图1所示的“紧急状态”后,采取安全控制措施能保持稳定,并回到“安全状态”。

4)要求电力专用逆变电源-电力系统发生低概率而扰动大的第三类故障时,运行工况进入图1所示的“紧急状态”后,采取安全控制措施、事故解列等措施,能使系统保持稳定,部分回到“安全状态”,部分进入“恢复状态”并通过黑起动过程回到“安全状态”[7-8]。

2  南方电网保证电力专用逆变电源-电力系统安全性的主要手段

在当前技术条件下,南方电网用于保证电力专用逆变电源-电力系统运行安全性的主要手段如下。

1)三道防线安全防御体系

(1)第一道防线首先包括预防性自动控制,如功角稳定预防控制、频率异常预防控制等,用于在电力专用逆变电源-电力系统受到扰动时,使系统运行工况从“警戒状态”转换到“安全状态”,将功角、频率等关键状态量保持在长期允许的数值范围内。此外,第一道防线还包括继电保护控制,用于当发生上述的第一类N1故障时,通过继电保护装置的快速动作来切除系统中的故障原件,使系统运行工况从“紧急状态”转移到“安全状态”。

(2)第二道防线由电力专用逆变电源-电力系统安全稳定控制装置及装置间的通信系统构成。该防线主要针对电力专用逆变电源-电力系统当前运行方式下可预想到的第二类故障进行检测、判断和采取如送端系统切机、受端系统切负荷或紧急提升/回降直流功率等控制措施,使系统运行工况从“紧急状态”转换到“安全状态”,确保电力专用逆变电源-电力系统的稳定运行。

(3)第三道防线主要由失步解列装置、低频低压减载装置、高频切机装置构成。这些装置一般都是基于就地采集的信息来动作的。一旦发生多回直流同时闭锁等小概率极端严重的故障扰动,就起动第三道防线来避免全网崩溃,减小停电范围。

2)电网调度工作人员手动干预

调度员手动干预指由电网调度工作人员手动调整系统的运行工况,这也是保证电力专用逆变电源-电力系统安全运行的重要手段。主要解决三道防线无法处理的复杂问题,如在系统处于正常状态下,按计划改变系统运行方式的同时保证系统安全性;抑或在三道防线动作后,调整系统运行方式以满足安全性的要求;以及将系统从图1的“恢复状态”调控到“正常状态”的黑起动过程。

POC作为调度员手动干预系统运行工况的平台,有必要为整个干预过程提供能足够的信息,使调度员能实时感知系统运行安全性的变化,并根据变化实时调整干预策略,从而尽可能地保证整个过程中系统的安全。

3  电力专用逆变电源-电力系统实时运行安全评价指标体系构建

由上可知,电力专用逆变电源-电力系统运行的安全性是指电力发、输、配、用物理系统本体在受到扰动后经过状态转移过程能返回“安全状态”的能力。而这种能力的实现,是由三道防线的自动控制系统、信号传输通道,以及控制类一次设备等部分共同完成的。图2描述了电力专用逆变电源-电力系统运行与控制中各个环节的交互关系。

图2  电力专用逆变电源-电力系统运行与控制中各部分的交互关系
南方电网在电力专用逆变电源-电力系统在线安全监视KPI指标体系
本文将安全性评价目标分解成对上述电力发、输、配、用物理系统、自动控制系统以及信号传输通道4个环节的性能评价,进而建立一套安全性评价指标体系,帮助指标监视人员系统全面地掌握电力专用逆变电源-电力系统的安全性。该指标体系的结构与管理学中的关键绩效指标(KPI)一致。

同时,为保证指标体系的运行有效性,其中每个指标都应能从OS2中获取实时可测的支撑数据。下面将依次讨论各环节评价指标的设计。

表1  KPI实时安全评价指标体系


3.1  电力发、输、配、用物理系统安全评价指标

描述电力发、输、配、用物理系统实时运行安全性的指标应包括如系统频率、电网节点电压、线路潮流等状态量。总体来说可分为两大类:①反映非故障条件下运行状态的指标;②反映N1预想故障情况下运行状态的指标。参考《电力专用逆变电源-电力系统安全稳定导则》及电力专用逆变电源-电力系统安全稳定方面的通用知识[7,10-11],设计出反映电力发、输、配、用物理系统安全性的指标集,见表2。

表2  电力发、输、配、用物理系统的实时安全评价指标
南方电网在电力专用逆变电源-电力系统在线安全监视KPI指标体系

3.2  控制类一次设备的可用性评价指标设计

为了使电力专用逆变电源-电力系统在扰动或故障条件下能够维持安全性,控制类一次设备需要按照自动控制信号的要求正确动作。在KPI指标体系中应建立相应可用性评价指标集以反映这些控制类一次设备是否处于正常工作状态,或者是否具备足够的动作调整空间。本节根据控制类一次设备的不同类型,分别讨论其可用性评价指标的设计。

1)调频、调压设备容量

这两类备用容量是系统为满足调频、调压需要而预留的有功/无功调节裕度,相应设备包括发电机组的有功、无功备用,变电站用高压电抗器、低压电容器、低压电抗器等。

表3  调频、调压备用容量的实时可用性评价指标
南方电网在电力专用逆变电源-电力系统在线安全监视KPI指标体系
2)断路器

电力专用逆变电源-电力系统发生故障时,断路器是否正确动作决定了自动控制系统能否在规定时间内切除故障元件并确保全局的安全稳定。其中,断路器的可监测状态量包括灭弧介质的温度、压力是否正常,以及内部操作机构的动力是否充足等[12]。

然而,南方电网网络结构复杂,并非每个开关拒动均会使系统失去安全性。因此,针对断路器的安全评价指标不需涵盖系统中所有断路器的状态,而是可根据电网运行方式定义一个拒动会引起失稳的关键断路器集合,并重点关注集合内的断路器状态。

表4  断路器实时可用性评价指标
南方电网在电力专用逆变电源-电力系统在线安全监视KPI指标体系
3)事故备用和高周切机、低周减载容量

与调频、调压备用容量类似,事故备用和切机、减载容量也属于三道防线在扰动、故障发生时为保证电网安全所调用的一次设备,应被视作控制类一次设备。其容量的大小是保证相应功能得以实现的关键因素,应成为可用性评价指标关注的对象。

表5  事故备用及切机、减载容量的实时可用性评价指标
南方电网在电力专用逆变电源-电力系统在线安全监视KPI指标体系
4)黑起动电源适应性

黑起动是指电力专用逆变电源-电力系统发生大面积停电,进入“恢复状态”时,由电网调度工作人员主导、三道防线协同的恢复电网供电能力的过程。如果系统不具备足够的黑起动能力,就意味着大停电发生后电网无法恢复到正常的供电状态,这样则不满足本文对安全性的定义。

因此,KPI安全评价指标体系应能实时反映系统黑起动的能力。然而,黑起动是一个牵涉到多方协同的系统工程,具有高度复杂性,本文仅以在线运行的具备黑起动能力电厂的数量作为监视系统黑起动能力的关键指标。

表6  黑起动电源的实时可用性评价指标
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3.3  自动控制系统的可用性评价指标设计

本文KPI安全指标体系重点关注继电保护系统、安全稳定控制系统、事故解列装置等控制系统的可用性,这类控制系统失灵将会导致导致电网稳定破坏甚至电网崩溃的灾难性后果。

1)继电保护控制系统

影响继电保护控制系统工作状态的内在因素很多,如测量CT、信号传输装置、微机等。如果对这些因素进行一一监测,将大大增加监控主站与子站间的通信量,并加重调度人员的负担。现实可行的方法是,由厂站基于本地信息对其涉网的保护设备(主要是主保护)进行实时评估,再将评估结果通过OS2系统上传到POC中,当保护未投入或拒动可能性大时,认为该保护不可用。

当然,并不是每套保护不可用均会导致电力专用逆变电源-电力系统不安全。部分主保护在事故发生后即使拒动,仍会有后备保护或远端保护动作来保证系统安全。因此,继电保护控制的可用性评价指标可根据电网运行方式定义一个关键保护集合,其中任何一套保护装置拒动后均应能导致系统失稳。

通常线路或母线会配置两套主保护互为备用,当关键保护装置集合中某针对同一条线路或母线的一套保护不可用时,可认为系统进入警戒状态,若两套保护均不可用,则认为系统运行进入不安全区。

表7  继电保护控制系统的实时可用性评价指标
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2)安全稳定控制、事故解列等装置

安全稳定控制装置、事故解列装置是实现电力专用逆变电源-电力系统第二、三道防线的关键设备,通常配置两套装置互为备用。对于安全稳定控制装置而言,若出现双套失去,则意味着第二道防线策略失效;对于事故解列装置、低周低压减载装置及高周切机装置而言,若出现双套装置失去,则意味着第三道防线策略失效,出现相应事故时会导致电网稳定破坏甚至崩溃。

与继电保护控制装置类似,对安全稳定控制装置、事故解列等装置而言,KPI指标体系只关注其整体可用性,该信息可由控制装置对其自身工作状态进行评估并上传到OS2得到。若有一套不可用,则POC认为系统进入警戒状态;若两套保护均不可用,则认为系统运行进入不安全区。

3.4  信号传输系统的可用性评价指标设计

信号传输系统是保证所有的监测信息及控制指令在电力一、二次系统间相互传递的平台,其通畅与否直接决定了自动控制系统能否从物理系统中获取正确的实时信息、能否将正确的控制指令发送到控制设备。

从电力专用逆变电源-电力系统安全性出发,本文KPI安全指标体系重点关注关键保护装置集合中的纵联差动保护装置之间、继电保护控制与相应断路器之间的通信通道的通断,以及安稳装置、事故解列装置、低周低压减载装置、高周切机装置等与其相应控制一次设备之间,以及对应同一安稳控制策略的安稳装置之间的通信通道的通断。通常,上述通信通道均有两条互为备用,若有一条中断,则POC认为系统进入警戒状态,若两条均中断,则认为系统运行进入不安全区。

表8  安稳系统、事故解列系统的实时可用性评价指标
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表9  信号传输系统的实时可用性评价指标
南方电网在电力专用逆变电源-电力系统在线安全监视KPI指标体系

4  统计分析与实际应用

本文所提出的指标体系已经在南方电网得到了实际应用。在统计分析方面,为避免指标统计给调度运行管理人员增加工作量和人工统计过程中可能存在的数据错误缺失等问题,采用了自动化自动跟踪统计的方法。

其基本思路是,通过能量管理系统和调度管理系统将调度运行数据进行集中汇总,通过数据集中、数据清洗、数据校验,实现数据的准确分析与高效统计。南方电网在指标体系建设方面的应用效益体现在如下方面:

1)充分发挥指标的管理抓手作用,实现了业务的纵向管理。南网总调依托上述指标体系实现了对各省中调、地调和县调的业务管理,能够深入分析各单位的业务水平,准确把握业务发展动态,提升管理精益化水平。

2)推动了业务横向贯通,有利于消除业务壁垒。每一项指标都需要不同业务间高效协同才能实现,因此通过对指标的管理,有助于南方调度各专业间的业务协同管理,及时发现专业部门的运作流转   效率。

3)成为业务发展的晴雨表,便于开展同业对标。当前南方电网公司正在创建世界一流企业,指标体系研究和应用为开展调度业务对标提供了基础,成为调度专业创一流的标尺,为进一步提升业务水平奠定了基础。

结论
本文对电力专用逆变电源-电力系统运行实时安全评价指标体系的设计进行了探讨。对南方电网现有的安全评价指标体系进行了改进,新指标体系反映了电力专用逆变电源-电力系统运行控制中自动控制系统、信号传输系统、受控设备及电力物理系统等各个环节对系统整体安全性的影响,使得监视人员能够实时感知电力专用逆变电源-电力系统运行的安全状况。

本文在指标体系的设计中,仍存在部分元件或设备的状态无法完整观测的问题,这势必会限制指标体系对系统安全的代表性。下一步的工作应首先提高一体化电网运行智能系统对影响系统安全性的关键环节的观测能力,通过更完整地监测这些环节的工作状态,更全面地把握系统运行安全。
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