创新电网安全稳定控制系统状态在线评估方法研究

创新电网安全稳定控制系统状态
在线评估方法研究
赵　越
（南京南瑞继保工程技术有限公司）
摘　要：当前，随着国家电网逐渐向特高压交直流混联方向发展，为了保障电网的安全，每一座电厂和变电站都必须配备相应的稳态控制体系，而实际条件下，该体系将会在较长时间内持续不停地运转，因此，如何评价其内部的各组成部分和功能，以确保该体系的正常运转成为一个重要的研究课题。

针对该问题，本文构建了一套分层的稳定控制系统评价指标，并利用该评价模型对稳定控制系统进行了评价；在稳定控制的目标等级划分和退化状态划分的基础上，给出了多层次从属程度的确定方法；针对系统性能退化程度对系统性能评价指标权值的作用，采用了一种新的评价指标权值与系统性能退化程度相结合的评价指标权值确定方法。

通过实例计算，验证了该方法的正确性与实用性，为稳定控制体系的管理与维护提供了科学的理论与技术支撑，保证了稳定控制体系的安全性与可靠性。

关键词：电网安全；控制系统状态；在线评估方法；研究分析
０　引言
随着我国特高压交直流混联电网系统的逐渐建成，我国电网系统在较大规模上实现了电网系统资源的优化分配。

然而，电网的长距离、大容量传输也对电网系统的安全性提出了新的要求。

为了保证国家大规模交直流电网网络的安全，需要建立众多的电网网络安全、稳定监控体系（简称“稳控系统”）。

例如，在国家电网公司中，目前拥有的２２０ｋＶ及以上的稳控设备共有５６８９套，它们覆盖了２０４２个厂站，厂站覆盖率高达２３ ９６％，所涉及的切机总数为４ ３×１０８ｋＷ，切负载总数为２ ７×１０７ｋＷ。

在中国整个电网网络中，每个跨区直流输送系统都配备了对应的稳定控制系统，总容量为１ １２４２×１０８ｋＷ，而这当中，７４％的输送能力依靠稳定控制系统［１］。

１　电网稳控系统状态评估指标体系
随着电网规模的扩大、网络结构的增多及被控目标的多元化，使得稳定控制系统的应用范围越来越广，从而导致稳定控制的失效几率也越来越高。

选择能反映稳定控制系统工作状况的特征参数，建立稳定控制的评价指标，进而对稳定控制系统进行评价。

针对稳定控制系统在工作过程中对评价精度和计算复杂度两个方面的要求，本文提出了稳定控制系统的评价方法，并对评价方法进行了研究。

科学性是指每一项指标都要有选择的基础，它的定义是准确的，相应的数据是从有关的国标与行业导则中得来的，比如：ＧＢ／Ｔ４０５８７ ２０２１《电网系统安全稳定控制系统技术规范》、ＧＢ３８７５５ ２０１９《电网系统安全稳定导则》等。

完备性是指所选择的指数要既能全面地描述稳定控制系统的工作状况，又能体现稳定控制体系中各种指数的相互关系。

实用性指的是为了确保该评价方法可以应用于各种厂站等级的稳定控制体系，必须将全部的评价参数都进行甄别，以减少后续评价的工作量。

分层是指在稳定控制系统中，各个单元之间相互协作，共同完成各种任务的实际依据［２］。

为了准确地体现出各种指标对稳控系统运行状态的作用，在探索了稳控系统的构架模式和工作特征之后，可以将稳控系统运行状态分为三个层面：政策软件的运行状态、装置本体的运行状态以及通信系统的运行状态。

因为战略管理系统的工作状况通常是通过制造厂商的检测系统来进行展示的，因此本文可以不考虑这点。

设备本身的运转状况，特别是指安装在每个厂站的稳控设备硬件的正常运转情况，在本文中，将选用一些稳控系统可监控的公共数据，以此为特征量，将其当作一个状态指数。

通讯系统的工作状况，具体是指设在相同工厂的两组稳控设备之间的通讯，以及不同稳控设备在多个工厂间的通讯。

因稳控系统需长时间网络化，且在调节指令出现时，必须通过多个电站间的通讯交换来实现调节指令，故有必要将通讯的某些特性
参数纳入到调节指令中。

对所选取的稳定控制体系进行了综合评价，并对稳定控制体系的分级状态评估指标进行了分析，分析结果见表。

其中，将影响稳定控制评价效果的指标设为层级一，层级一的任何一个参数的异常，都有可能导致层级二和三参数的改变，乃至失效。

层级一的各项参数包括：绝缘电阻、频率测量误差、零点漂移、同步时差、
传输速率和总传输延迟。

表　分级状态评估指标表
层级一层级二
层级三绝缘电阻功率测量绝对误差温度变化
频率测量误差整组动作时间开关量采集正确率零点漂移交流电流回路功率时钟精确度同步时差交流电压回路功率误码率
传输速率直流电源回路功率总传输延迟
开入功能压板动作正确率信号脉冲宽度双重配置通道延时差有效值录波时间间隔瞬时值录波时间间隔
对于可以对稳定控制系统各个功能模块和稳定控
制设备的使用年限产生影响的状况评价指标，可以设为层级二
［３］。

层级二指标是描述稳定控制系统工作状
况的重要依据。

层级二的指标具体包含了功率测量绝对误差、整组动作时间、交流电流回路功率、交流电压回路功率、直流电源回路功率、开入功能压板动作正确率、信号脉冲宽度、双重配置通道延时差、有效值录波时间间隔及瞬时值录波时间间隔。

为了提高系统评价的准确性以及最后评价结果的
精确性，
将评价标准分成了三个层次。

第三个层次的指标虽然没有第一个层次和第二个层次那么重要，但因为
涉及到的指标太多，需要将第三个层次的指标进行简单的分析，从而降低运算的难度。

第三个层次的指标有温
度变化、开关量采集正确率、时钟精确度和误码率［４］。

２　稳控系统在线状态评估方法
在此基础上，对稳定控制系统进行了实时性能评价，评价流程如图所示。

首先对初始的评价指标进行
初选，并以此为基础构建评价指标集合；因为层级一的评价指标对稳定控制系统的作用最大，而且还会对其他层级的状况评价指标产生一定的作用，所以需要首先对一级的状况评价指标进行判定。

然后建立一个判定集合，并对指标判定数值进行分级，如果其中任何一
个判定数值为０，那么就会得到一个失效的判定，如果
所有判定数值都为１，那么就会进入下一个判定过程。

接着根据所划分的等级和退化的模式，来确定每个指标的从属程度，并进行退化程度的计算；依据各评价体
系中各评价指标的优劣程度来进行调整，
并采用隶属度修正和权重计算来确定各评价体系中各评价指标的结
果。

最后通过分析得出了系统的性能评价指标集合，并以指标集合的最大值作为评价指标
［５］。

图　稳控系统在线状态评估步骤
２ １　建立状态评估指标集和评语集
根据稳定控制体系的各个状态评价指标，构建一个状况评价指标集Ｘ，并按顺序输入各个指标的数值，集合Ｘ表示为：
Ｘ＝ｘ
１１…ｘ１ｊ…ｘ１ｍ ｘｉ１
…ｘｉｊ…ｘｉｍ
ｘｎ１
…
ｘｎｊ…
ｘ
ｎｍ
（１）
式中，ｘｉｊ
为记录的第ｉ组第ｊ项指标的指标值；ｍ表示总项数；ｎ表示总组数。

根据现场的实际情况和历史经验数据，对稳控系统建立评语集Ａ
：Ａ＝Ａ１…Ａｋ…Ａ[]ｚ
（２）
式中，Ａｋ对应第ｋ
种评语；ｚ为评语数量，本文选取正常、轻度劣化、重度劣化、故障四种评语，即ｚ＝４。

正常是指稳控系统的各个参数都在合理的区间
内，
各个性能都能很好地发挥作用；轻度劣化是指整个控制体系的某些性能不在标准区间内；重度劣化是指稳控系统的大多数参数偏离了标准，一些函数无法正常工作；故障是指某一稳定控制装置的某些性能参数处在失效区域内，或某一项性能无法正常运行。

２ ２　层级一状态评估指标处理
考虑到层级一对稳定控制系统工作状况的重要作用，所以层级一的状况评价指标具有较强的优先性。

创建一个指标集Ｘ１，该集合仅包括层级一的状况评价指标，表示为：
Ｘ１＝ｘ１…ｘｋ…ｘ[]ｂ
（３）
对第ｎ组（即最新一组）的层级一指标值采用特
定的判断函数进行处理，判断函数为：
Ｐｋ＝ｆｘ()ｋ
＝１ｘｋ≤ｘｋｌｉｍ０ｘｋ＞ｘｋ{
ｌｉｍ
（４）
式中，ｘｋ为层级一中的第ｋ个状态评估指标；ｘｋｌｉｍ
为第ｋ个状态评估指标正常范围的极限值；Ｐｋ
为第ｋ个状态评估指标的判断值。

进一步得到判断集Ｐ为：
Ｐ＝ｐ１…ｐｋ…ｐ[]ｂ＝ｆＸ()１
（５）
如果所构造的判定集合Ｐ中有一个判定为０，那
么该判定的判定结果是错误的；在各判定数值均为１的情况下，启动稳定控制系统的运行状况评价。

２ ３　隶属度矩阵的建立通过对每个指标的状态进行描述，实现对指标的
量化表征。

对于第ｎ类的指标，
按照等级和退化的程度，选择一个具体的从属函数，从而获得从属程度矩阵
Ｕ，其表达式为：
　Ｕ＝μ
１１ｘｎ()
１…μ１ｋｘｎ()１
…μ１４ｘｎ()１
……μｊｋｘ
()ｎｊ
……
μｍ１ｘ()ｎｍ
…
μｍｋｘ()ｎｍ
…μｍ４ｘ()
ｎｍ
（６）式中，μｊｋ（ｘｎｊ）为第ｎ组第ｊ项指标对于第ｋ种评语的隶属度；ｘｎｊ
为第ｎ组第ｊ个状态评估指标。

２ ４　劣化度矩阵的建立
劣化是通过对稳定性评价指标的改变来反映稳定
控制系统中每一个组件的损耗。

从反映正常、轻微退化、严重退化直至失效的角度来看，有两种劣化情形：一是状态评估指标值逐渐增大超过上边界值的劣化；二是在评价指标数值降低时，随着退化的加深，各指标对稳定控制系统的作用也随之增大。

因此，必须构造
劣化指标矩阵，对各指标之间的关联性进行调整［６］。

利用上向劣化指标和下向劣化指标对退化指数进
行了建模，
得到劣化程度。

对于向上劣化指标，使用下列方法来计算劣化程度：
ｃ（ｘｉｊ
）＝１
ｘｉｊ≤ｘｉ０
ｅｘｐ－ｘ
ｉｊ
－ｘｉ()０
２２σ
[
]
２
ｘｉｊ＞ｘｉ{
０（７）式中，ｃ（ｘｉｊ
）为第ｉ组第ｊ项状态评估指标劣化度；ｘｉｊ为第ｉ组第ｊ项状态评估指标；σ＝ｘｊｍａｘｘｊ０
３
，ｘｊ０为第ｊ项状态评估指标正常范围边界值；ｘｉ０为第ｉ
组状态评估指标正常范围边界值；ｘｊｍａｘ
为第ｊ项故障范围上边界值。

针对下向劣化指标，采用以下方式计算劣化度：
ｃ（ｘｉｊ
）＝１ｘｉｊ ｘｉ０
ｅｘｐ－
ｘ
ｉｊ
－ｘｉ()０
２２σ
[
]
２ｘｉｊ＜ｘｉ{
０
（８）
式中，σ＝ｘｊｍｉｎｘｊ０
３
，ｘｊｍｉｎ为第ｊ项故障范围下边界值。

进一步得到劣化度矩阵为：
Ｃ＝ｃｘ()１１…ｃ（ｘ１ｊ）…ｃ（ｘ１ｍ）
… … ｃ（ｘｉ１
）…ｃ（ｘｉｊ）…ｃ（ｘｉｍ） …
…
ｃ（ｘｎ１
）…
ｃ（ｘｎｊ
）…ｃ（ｘｎｍ
）
（
９）２ ５　实时状态评估指标数集的计算
根据各个指标对稳定控制系统的作用会随着退化
而变化的特点，
构建了变量的加权矩阵Ｗ：Ｗ＝ｗ１…ｗｊ…ｗ[]ｍ（１０）式中，ｗｊ
为第ｊ项指标的综合权重。

进一步通过加权计算得到实时状态评估指标数集Ｂ为：
Ｂ＝Ｂ１…Ｂｋ…Ｂ[]ｚ
＝Ｗ×Ｕ（１１）
式中，Ｂｋ为第ｋ种评语所对应的实时状态值。

选择Ｂ中最大的数值，以其作为评价指标，得到稳
定控制系统的性能。

３　结束语
随着特高压交直流混联电力网络的大规模发展，
电力网络中存在着大量的稳定性与可靠性问题，如何保证电力网络的可靠性是亟待解决的问题。

以指标等级为基础的状况评价系统，使各指标间的关联性得到了较好地体现，对各指标的综合评价更为详细；采用熵值法对各指标进行赋权，以确保各指标的客观分布；通过对退化程度变量权重及从属关系的修改，使评价模型在实际工况下具有较强的普适性。

该方法对稳定控制系统的工作状况进行了较为精确的评价，为稳定控制系统的安全稳定控制工作奠定了理论基础。

参考文献
［１］　朱介北，邱威，孙宁，等．基于序贯蒙特卡洛法的安全稳定控制系统架构可靠性分析［Ｊ］．电网系统自动化，２０２１，４５（１５）：２１ ２７．［２］　罗剑波，董希建，崔晓丹，等．关于大型安全稳定控制系统可靠性研究的探讨［Ｊ］．电网系统保护与控制，
２０１８，４６（８）：６５ ７２．
［３］　叶远波，谢民，黄太贵，等．基于灰色理论和云模型的智能变电站二次设备状态评估方法［Ｊ］．电网系统保
护与控制，２０１９，４７（９）：１０５ １１１．
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［５］　林添堤，张成，刘皓，等．基于等温松弛电流的１１０ｋＶ电缆绝缘状态评估［Ｊ］．电工电能新技术，２０２０，３９
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［６］　叶荣，蔡金锭．基于弛豫贡献度的变压器油纸绝缘系统老化状态评估［Ｊ］．电工电能新技术，２０１８，３７（１１）：
１５ ２２．
（收稿日期：２０２３ ０５ ０５
）
（上接第２７８页）
工作人员，让他们做好砍伐工作，同时与当地政府、林业部门做好协调工作，争取获得最大程度的政策支持，将各种危险树木尽快清理掉。

要将其与现实情况相联系，制定出一套专门的资金治理体系和管理方法，对危树处理资金进行有效的控制，保证方案能够得到及时的落实并发挥出最大的作用。

２ ５　其他措施
对于铁路供电部门来说，检修人员要严格按照操作规程的要求，认真执行定期巡查的制度，认真对待工作，做到不漏巡、不漏报，要及时发现并上报输电设备中的问题。

对于那些不符合标准的电气设备，要果断地淘汰，确保所有接入铁路１０ｋＶ架空电力线路的电气设备手续齐全，质量合格。

员工教育要以生产实践为导向，重点培养员工的岗位技能、对异常状况的分析与判定以及对故障发展的预测与评价。

铁路１０ｋＶ架空电力线路中，在新设备、新技术的持续普及和应用过程中，要对新设备、新技术的原理、性能等理论知识进行强化，推行标准化操作，对员工的作业流程和操作行为进行规范，对生产操作的随意性、盲目性进行有效管控，降低安全隐患发生率。

另外，铁路供电部门要时刻关注管辖范围内每条１０ｋＶ架空电力线路的负载状况，并对线路负载进行适当的调节，禁止过载操作。

在负载最大时，利用红外热像仪对电线接头的温度进行检测，发现有异常时，应及时采取措施，防止电线因高温而被烧断。

定期对电杆驳接口、铁塔和配变台架进行除锈上油，并强化对杆塔和金属的保护，以提升１０ｋＶ架空线路的安全性。

当１０ｋＶ架空线路出现跳闸现象，可以迅速找出跳闸位置并进行处理，从而减少事故的危害［６］。

３　结束语
本文主要对铁路１０ｋＶ架空电力线路常见的故障特性进行了分析，并且提出针对性的安全预防措施，对于实际工作起到参考作用，保障铁路１０ｋＶ架空电力线路运行的稳定性，降低故障问题发生率。

参考文献
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［２］　渠严磊．农村１０ｋＶ架空配电源线路常见故障分析［Ｊ］．科技资讯，２０１９，１７（１４）：４０ ４２．
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［４］　李启恩．关于１０ｋＶ线路常见故障分析及防范措施［Ｊ］．建材与装饰，２０１８，５２８（１９）：２４１ ２４２．
［５］　罗秋均．关于１０ｋＶ配网架空线路的运行维护与检修探讨［Ｊ］．科学技术创新，２０１７（３０）：１２２ １２３．
［６］　廖盖安．５００ｋＶ架空线路运行常见故障及处理措施［Ｊ］．低碳世界，２０１７，１６０（２２）：１０１ １０２．
（收稿日期：２０２３ ０５ ０５）。