秦立斌， 陳 東， 錢 海

(1.武漢大學電氣工程學院，湖北武漢430072；2.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣東廣州510663)

負荷通道動態(tài)增容專家評估系統(tǒng)研究

秦立斌1， 陳 東1， 錢 海2

(1.武漢大學電氣工程學院，湖北武漢430072；2.中國南方電網有限責任公司超高壓輸電公司檢修試驗中心，廣東廣州510663)

為了確保電網在一定時間段內負荷通道輸送特定容量電能時的安全性與可靠性，研究了基于計算機輔助調度決策的電網負荷通道動態(tài)增容專家評估系統(tǒng)。提出了該系統(tǒng)的需求分析，給出了系統(tǒng)的總體設計，包括系統(tǒng)總體構架設計和網絡結構設計；研究了負荷通道動態(tài)增容狀態(tài)綜合評估中的一些關鍵技術問題，并給出系統(tǒng)的數據接口設計；提供了所構建系統(tǒng)的功能實例界面圖。該系統(tǒng)能夠對電網負荷通道增容調度提供有效決策支持。

負荷通道；動態(tài)增容；專家系統(tǒng)；系統(tǒng)總體設計；狀態(tài)綜合評估

由于電力建設受到諸多因素的制約，如周期較長、新建的線路規(guī)劃走廊有限以及一些環(huán)境問題等[1]，從而產生了對輸電容量需求的持續(xù)增長與建設新線路困難的巨大矛盾。輸電線路的動態(tài)增容技術為緩解這一矛盾提供了強有力的支持[2-3]，它可以深度挖掘現(xiàn)有網絡的輸電潛力，提高輸電網的輸送能力。然而輸電線路的動態(tài)增容的實施需要對整個負荷通道的狀態(tài)進行評估，評估不僅需要負荷通道各段的導體溫度、氣象數據(環(huán)境溫度、風速、日照強度等)[4]，還需要負荷通道內各設備、桿塔、站點、線路的相關數據信息，然后根據相關評估計算方法進行負荷通道狀態(tài)的綜合評估，以綜合評估結果為主要依據輔助動態(tài)增容系統(tǒng)運行調度。

本文基于動態(tài)增容系統(tǒng)的需求，結合現(xiàn)已成熟的專家系統(tǒng)設計和已有的一些設備狀態(tài)評估方法[5-6]，對電網負荷通道動態(tài)增容狀態(tài)綜合評估專家系統(tǒng)進行了深入研究，分析了專家系統(tǒng)的系統(tǒng)需求，研究了系統(tǒng)的總體設計，包括系統(tǒng)的總體構架和系統(tǒng)網絡結構，著重研究了系統(tǒng)內的一些關鍵技術，如負荷通道內單個設備及通道整體的容量限額、風險指數等評估指標的評估計算分析算法。

1 系統(tǒng)需求分析

電網負荷通道動態(tài)增容狀態(tài)綜合評估專家系統(tǒng)的目的是：在不改變設備、線路主體結構，不突破設備、線路安全限制，不額外增加輸電線路和其他輸電設備的前提下，通過實時動態(tài)分析運行環(huán)境和條件，提高線路的傳輸容量，從而在很大程度上解決輸電“瓶頸”現(xiàn)象，確保在負荷通道需要輸送超過額定容量電能時電網的安全可靠運行。負荷通道動態(tài)增容狀態(tài)綜合評估專家系統(tǒng)的功能需求包括：

(1)負荷通道所處環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)測分析即評估預測功能，基于負荷通道環(huán)境、氣象等實時監(jiān)測信息，提供負荷通道各段所處環(huán)境狀態(tài)的展示、評估和預測，給出潛在風險等級等分析結果；

(2)負荷通道內輸變電設備的狀態(tài)監(jiān)測及設備健康狀態(tài)評分功能，基于輸電線路和線路兩端站內變電設備的狀態(tài)監(jiān)測信息，評估各設備的狀態(tài)健康值，并給出設備潛在風險等級分析結果；

(3)負荷通道輸送容量極限的實時測算功能，根據負荷通道氣象監(jiān)測數據和輸變電設備狀態(tài)監(jiān)測信息實時計算負荷通道的當前輸送容量極限，并提供負荷通道中輸電線路、變壓器等關鍵設備的輸送容量裕度；

(4)輔助負荷通道調度決策功能，根據負荷通道的輸送容量裕度、負荷通道所處環(huán)境風險等級以及輸變電設備的狀態(tài)健康值等分析結果，為負荷通道輸送超額容量電能提供決策支持；

(5)智能預警功能，根據負荷通道各設備狀態(tài)評估以及負荷通道輸送容量實時預測趨勢分析，對狀態(tài)評估不合格的設備或輸送容量即將越限時提供自動預警功能。

2 總體設計

2.1 系統(tǒng)總體架構

如圖1所示，負荷通道動態(tài)增容狀態(tài)綜合評估專家系統(tǒng)的總體架構劃分為三個層面，從下到上依次為：外部數據接入層、運維平臺數據層、業(yè)務功能應用層。

圖1 系統(tǒng)總體架構圖

外部數據接入層包含覆冰預警系統(tǒng)、氣象監(jiān)測、生產管理信息系統(tǒng)(PMIS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)、輸變電評價系統(tǒng)、試驗監(jiān)測以及巡視記錄等。系統(tǒng)接口遵循南方電網公司數據交換標準，滿足超高壓公司的系統(tǒng)間接口規(guī)范要求。

運維平臺數據層包含存儲電網設備信息的屬性數據庫和存儲電網圖形信息的地理信息系統(tǒng)(GIS)數據庫，以及在線監(jiān)測、試驗檢測、巡視記錄等數據的存儲庫。運維數據平臺層為超高壓公司上層業(yè)務應用系統(tǒng)提供統(tǒng)一數據來源。

負荷通道動態(tài)增容狀態(tài)綜合評估系統(tǒng)是在運維數據平臺層提供數據的基礎上進行的業(yè)務應用，其內部由四個部分構成：數據接口模塊、狀態(tài)綜合評估算法模塊、狀態(tài)綜合評估數據庫以及應用功能模塊。

2.2 系統(tǒng)網絡結構

如圖2所示，系統(tǒng)網絡結構由三大部分組成：在線數據采集、其它系統(tǒng)[如數據采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)、PMIS、巡查等系統(tǒng)]接入及負荷通道狀態(tài)綜合評估系統(tǒng)應用。

圖2 系統(tǒng)網絡結構圖

在線數據采集由測溫裝置、小型氣象站、全球移動通信系統(tǒng)(GSM)接收機和主機服務器構成。測溫裝置和氣象站均具有無線傳輸功能，通過移動網絡以通用分組無線服務技術(GPRS)方式與主站GPRS接收機進行雙向通訊，并通過主站服務器進入運維平臺數據中心。運維平臺通過電力內部網絡將SCADA、PMIS、巡查等系統(tǒng)的數據統(tǒng)一接入運維平臺數據中心。

負荷通道狀態(tài)綜合評估系統(tǒng)的Web服務器負責發(fā)布程序，并與數據庫服務器交互，通過系統(tǒng)數據接口模塊獲取數據。終端用戶通過內部網絡，以瀏覽器/服務器模式(B/S)形式訪問系統(tǒng)功能。

3 負荷通道專家系統(tǒng)關鍵技術

3.1 輸送容量限額評估

負荷通道動態(tài)增容評估系統(tǒng)中最重要的部分是整個負荷通道內各設備、線路、站點、桿塔的狀態(tài)評估，從而對通道輸送容量限額進行評估。其中又以三大主要定容設備——輸電線路、變壓器和開關類設備為主，應重點關注這些設備的健康風險評估。由于整條負荷通道的通流設備是串聯(lián)的，故負荷通道的輸送容量限額確定遵循“木桶原理”，即取負荷通道上所有通流設備，在保證各自穩(wěn)定、安全運行的前提下，所允許輸送容量限額的最低值。

3.1.1 輸電線路輸送容量限額

輸電線路的輸送容量應使導線不超過最高允許溫度，目的在于使導線在長期運行或在事故條件下，導線的溫升不致影響導線強度，以保證導線的使用壽命，并且維持線路對地安全距離，因此，可以通過導線溫度、弧垂等參量的監(jiān)測與計算分析，確定輸電線路輸送容量限額(用輸電線路中通過的電流表示輸送容量)。

我國《110-500kV架空送電線路設計技術規(guī)范》規(guī)定：驗算導線允許載流量時，鋼芯鋁絞線和鋼芯鋁合金絞線的允許溫度采用70℃(大跨越可采用90℃)。導線熱容量的計算都是根據熱平衡方程來計算的[7]。當導體穩(wěn)態(tài)溫度達到允許溫度限值Tcmax時的輸電線路容量即為輸送容量限額。

穩(wěn)態(tài)熱平衡方程為：式中：Qc為對流散熱；Qr為輻射散熱；Qs為日照吸熱；Tc為導線溫度，℃；R(Tc)為導線交流電阻。當Tc取輸電線路最大允許溫度時，I即為輸電線路的輸送容量限額。

導線交流電阻R(Tc)、對流散熱Qc、輻射散熱Qr和日照吸熱Qs都可以通過氣象監(jiān)測(即氣象模型)得到環(huán)境溫度、日照、風速、風向等參數，再通過各自的相應計算模型進行求解計算。

式中：α20為20℃時的電阻溫度系數，℃；R20為20℃時直流電阻；k為集膚效應系數；kf為空氣的熱導率，W/(m·K)；Ta為環(huán)境溫度，℃；D為導線外徑，mm；Vw為風速，m/s；μf為空氣的動態(tài)粘度，kg/(m·s)；n、A、B、C、p為常數；ε為導體表面的輻射系數；σ為斯蒂芬-包爾茲曼常數；r為導線吸熱系數；Si為日照強度。

在風速偏低、溫度較高時，式(3)對流散熱Qc的求取如用氣象監(jiān)測方法將會有較大誤差，故而可以通過導線溫度監(jiān)測(導線溫度模型)來求解對流散熱Qc[8]。

式中：h(t)為熱傳遞系數，代表環(huán)境溫度和風速風向的綜合影響，通過已知的導線溫度、導線電流等參數求取，消除了因為風速測量的不準確而帶來的誤差。

由導線運行時的溫度和電流求取熱傳遞系數h(t)，然后由h(t)近似為導線溫度達70℃時的熱傳遞系數h70(t)，進一步即可求得導線最高允許溫度70℃時的熱容量。

本文所構建系統(tǒng)對兩種模型的選取方法：即當導線溫度高于環(huán)境溫度5℃以上時，宜選用基于導線溫度模型，其他情況下選用基于氣象模型，這樣得出的輸送容量極限更趨精確。

輸電線路輸送容量提高，輸電導線溫度升高，從而線路弧垂增大，如果弧垂過大，就會產生安全隱患甚至造成對地放電等事故?；〈沟南拗抵饕奢旊娋€對地安全距離來決定，輸電線路輸送容量的提升必須考慮弧垂變化?；〈古c導線溫度的數學模型為：

式中：f為弧垂長度；Tc為通電導線的溫度；a均為常數，詳細參數和公式推導見文獻[9]。通過式(7)，根據負荷通道最小弧垂的大小確定基于弧垂的導線溫度限值Thmax，之后根據基于導線溫度的模型即可得出基于弧垂的線路傳輸極限。圖3為輸電線路輸送容量限額計算框圖。

3.1.2 變壓器與開關類設備輸送容量限額

根據GB/T1094.7-2008《電力變壓器第7部分：油浸式電力變壓器負載導則》，變壓器內熱點溫升限值基準值設為98℃。變壓器內熱點溫升限制了變壓器輸送容量的提高，可根據變壓器的熱點溫升限值確定變壓器輸送容量限額。根據文獻[10]，開關類設備(斷路器、隔離開關)長時間連續(xù)載流能力與環(huán)境溫度的關系表示為：

圖3 輸電線路輸送容量限額求取框架圖

式中：Ia為環(huán)境溫度θa下的允許連續(xù)載流能力，A；Ir為額定連續(xù)載流能力，A；θmax為最高允許運行溫度，℃；θr為最大允許溫升，℃；n取1.8。當環(huán)境溫度低于40℃時，應取最高允許運行溫度及相應的最大溫升，且短時過載能力不應大于2倍；當環(huán)境溫度高于40℃時，應取最大允許溫升及相應的最高溫度。

3.2 負荷通道增容運行風險評估

由負荷通道動態(tài)增容的原理可知，評估負荷通道增容風險的關鍵是預測容量評估模型中引用的各種參數，使用馬爾可夫鏈蒙特卡羅(MCMC)方法產生氣候模型各參數后驗分布的隨機序列來獲取氣候模型，進而利用該模型通過蒙特卡羅(MC)模擬來預測導線、變壓器以及開關類設備的溫度分布，計算出負荷通道的風險指標。負荷通道動態(tài)增容風險評估主要流程如圖4所示。

圖4 輸電線路風險評估流程示意圖

負荷通道增容風險指標就是指負荷通道各設備溫度超過運行溫度限值的概率。對于輸電線路，指的是導線溫度Tc超過規(guī)定允許運行溫度限值Tcmax或基于弧垂的導線溫度限值Thmax。風險指標可如下式計算得到：

式中：Nf為MC模擬中溫度越限的次數；N為MC模擬的總次數。

4 數據接口設計

專家系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的接口采取獨立的數據接口來實現(xiàn)。本系統(tǒng)數據接口主要采用通訊接口規(guī)范(CIS)和Web Service實現(xiàn)外部接口，并通過面向服務的體系結構(SOA)技術封裝成外部接口服務。

Web Service是一種自包含、模塊化的應用，是基于網絡的、分布式的模塊化組件，執(zhí)行特定的任務，遵守具體的技術規(guī)范，這些規(guī)范使Web Service能與其它兼容的組件進行互操作。Web Service基于HTTP、XML和SOAP等標準協(xié)議，所以即使以不同的語言編寫并且在不同的操作系統(tǒng)上運行，也可以進行通信，因此，適用于網絡上不同系統(tǒng)的分布式應用，標準性好，擴展性好，耦合度低；內容由標準文本組成，任何平臺和程序語言都可以使用；格式的轉換基本不受限制，可以滿足不同應用系統(tǒng)的需求；通過統(tǒng)一的數據接口，可實現(xiàn)與其他系統(tǒng)的松耦合、高性能、自動化和可監(jiān)控。

5 系統(tǒng)實例

系統(tǒng)采用流行的B/S結構模式。系統(tǒng)的分析設計采用面向對象的技術，應用Visio、PowerDesigner等工具進行輔助設計。系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境：操作系統(tǒng)Microsoft Windows 2000/XP/2003/ Windows7；開發(fā)工具VS2012語言(C#)；數據庫Oracle 11g；設計工具Visio2013、PowerDesigner12。系統(tǒng)運行環(huán)境服務器Web服務器：應裝有IIS6.0和.Net FrameWork 3.0或以上版本?？蛻舳耍翰僮飨到y(tǒng)Microsoft Windows 2000/XP/2003/Windows7；瀏覽器Microsoft Internet Explorer 6.0或以上。

目前某電網超高壓公司已初步建成本文提出的電網負荷通道動態(tài)增容狀態(tài)綜合評估專家系統(tǒng)，并且已經逐步投入使用。根據系統(tǒng)運行情況來看，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)輸電線路環(huán)境狀態(tài)及設備狀態(tài)監(jiān)測分析與評估、線路兩端站內變電設備健康狀態(tài)分析評估、輸電線路狀態(tài)綜合評估分析和負荷通道的調度輔助決策。這為負荷通道的調度決策提供了強有力的支撐，解決了動態(tài)增容技術的最大障礙，不僅可以挖掘電網的潛力，提高負荷通道的輸送能力，而且可以保證負荷通道運行的安全性、穩(wěn)定性和可靠性。

圖5～圖8分別是電網負荷通道動態(tài)增容狀態(tài)綜合評估專家系統(tǒng)的數據查詢與展示功能圖、通道容量趨勢圖、系統(tǒng)參數設置功能圖和站點接線示意圖。

圖5 數據查詢與展示功能圖

圖6 通道容量趨勢圖

圖7 系統(tǒng)參數設置功能圖

圖8 站點接線示意圖

6 結語

本文所提出的電網負荷通道動態(tài)增容狀態(tài)綜合評估專家系統(tǒng)較之于傳統(tǒng)的輸電線路動態(tài)增容監(jiān)測系統(tǒng)有很大區(qū)別，該系統(tǒng)全面考慮了整個負荷傳輸通道的各個環(huán)節(jié)，包括輸電線路、桿塔以及各變電站等；該系統(tǒng)全面評估了負荷通道各段所處環(huán)境狀態(tài)以及負荷通道內各設備各站點健康狀態(tài)和潛在風險；該系統(tǒng)能夠提供電網負荷通道中輸電線路的可用裕度、環(huán)境風險等級以及變電設備的健康狀態(tài)指數等評估結果，輔助負荷通道的增容調度決策。該系統(tǒng)具有全面性、高可靠性以及很強的實用性，可以為調度工作人員所采用。

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Research on expert system for load channel dynamic capacity-increase integrated condition evaluation

QIN Li-bin1,CHEN Dong1,QIAN Hai2
(1.School of Electrical Engineering,Wuhan University,Wuhan Hubei 430072,China;2.China Southern Power Grid EHV Maintenance& Test Center,Guangzhou Guangdong 510663,China)

Taking into account the needs of the grid for the operational safety and reliability when the grid load channel transports specific capacity of electricity, an expert system for grid load channel dynamic capacity-increase integrated condition evaluation based on computer aided technology was presented. The system requirements analysis and system general design,including system overall structure and network structure were introduced.Some key technologies of grid load channel integrated condition evaluation were focused.And the data interface design of the system was provided. The presented system was able to integrally evaluate grid load channel condition automatically and intelligently and provide effective decision support for the load channel scheduling.

load channel;dynamic capacity-increase;expert system;system overall structure;integrated condition evaluation

TM 73

A

1002-087 X(2017)02-0305-05

2016-07-18

國家高技術研究發(fā)展計劃（“863”計劃）資助項目(2012AA050209)

秦立斌(1990—)，男，湖北省人，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)運行、分析與控制。