CN102194058B

CN102194058B - 基于广域测量系统wams的电网安全稳定可视化方法

Info

Publication number: CN102194058B
Application number: CN201110125601.1A
Authority: CN
Inventors: 王英涛
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2015-09-23
Anticipated expiration: 2031-05-16
Also published as: CN102194058A

Abstract

本发明为基于广域测量系统WAMS的电网安全稳定可视化方法，通过计算机图形化显示技术，将数据转换到功角稳定可视化、电压稳定可视化、动态稳定可视化、频率稳定可视化、热稳定可视化、稳定性三维可视化、综合稳定可视化的操作，将广域量测、监视、分析、预警、决策结果有效梳理及整合，以可视化的手段展示给调度员，实现实时监测、主动预警、主动分析、主动提供辅助决策结果，提供给调度员最需要的关键信息，实现了多角度、多维度的直观可视化的数据展现方式，使调度人员加强对电网运行情况的把握，及时洞察已存在的异常或潜在的事故隐患，同时使调度运行从经验型向分析型、智能型发展。

Description

基于广域测量系统WAMS的电网安全稳定可视化方法

技术领域：

本发明涉及一种可视化方法，具体涉及基于广域测量系统WAMS的电网安全稳定可视化方法。

背景技术：

随着三峡工程及全国互联网等工程的持续进行，电网规模越来越大，运行方式越来越复杂，如何加强大电网的可靠性成为备受关注的问题。广域测量技术是近年来电力系统前沿技术中最活跃的领域之一。广域测量系统(WAMS)是基于同步相量测量技术，在现代高速的通信网络的支持下，对地域广阔的电力系统运行状态进行监测和分析，为电力系统实时控制和运行服务的系统。广域测量系统构成电力系统动态信息平台，当前对电力系统动态过程监测，加强互联网的可靠性有着重要的意义；另外，广域测量系统对电力系统控制、保护、规划、分析等领域也有着深远的影响。

广域测量系统已经成为电力系统重要的量测系统，它为电网运行、调度提供了大量实时数据，然而目前缺少有效、直观的显示方式表现复杂、大量的信息，对电网发生的各种过程无法进行高效展示、信息挖掘与智能告警，必须提供可视化图形展示手段，为电力系统监视、控制、调度、分析、规划等提供保证。

发明内容：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可视化技术将电网运行的枯燥数据用动态、灵活、实物化的方式，借助计算机图形化显示技术给技术人员提供直观可靠的数据显示，通过将数据展示与应用综合分析相结合，使系统运行人员更方便、直观地了解当前系统的运行状态，采取更有效、针对性的运行控制措施；使运行人员及时洞察存在的异常和潜在的事故隐患，加强对电网宏观信息的把握，使调度运行从经验型向分析型、智能型发展。

本发明提供的基于广域测量系统WAMS的电网安全稳定可视化方法，其改进之处在于，所述方法是在计算机上按下述步骤实现的：

1)启动可视化：

对电网WAMS系统量测量的描述表输入参数：厂站名称，厂站地理坐标；

WAMS量测量类型输入参数：母线电压相量及频率、线路有功、无功量测值，发电机内电势、功角、转速；

2)获取WAMS全网状态量测值，按照WAMS系统量测量描述表获取WAMS量测量；

3)电网稳定性可视化

(3-1)功角稳定性可视化，包括如下步骤：

(3-1.1)令WAMS监测的机组集合为{Gi|θ_Gi＝θ_i′(k≥i≥1)}，电网最大功角差可以用下述公式计算：

θ_max＝MAX{fabs(θ_i-θ_j)|(k≥i≥1，k≥j≥1)}

(3-1.2)将全网最大功角差用极坐标方式显示出来；

(3-2)电压稳定性可视化，包括如下步骤：

(3-2.1)通过WAMS测量得到电网主网架的电压相量：令电网主网架节点集合为S＝{1，2，...n}；为电网节点电压相量；以无向图G＝<V，E>的方式建立电网主网架拓扑图，以经度、纬度为坐标，在平面上描出V中的厂站；

(3-2.2)采用等高线技术描述电网的电压状态，包括如下步骤：

(3-2.2.1)建立电网厂站量测量的三维坐标x、y、z；其中：x，y分别为厂站的经度、纬度坐标，z为量测值；

(3-2.2.2)根据电路原理，由相邻线路的厂站三维坐标x、y、z，计算线路上i点的三维坐标x₁：y₁，z₁；

(3-2.2.3)形成三维向量，使用等高线算法画出等高线；

(3-2.2.4)将等高线采用色彩映射表的方式画出；

(3-3)动态稳定性可视化，包括如下步骤：

(3-3.1)通过频谱分析技术，将低频振荡机组划分为若干个振荡模式的机群，令WAMS监测的第i个振荡模式的机组为其中k表示振荡模式个数，f表示频率，θ表示角度，ρ表示幅度；

(3-3.2)设置k个极坐标图来分别表示k个振荡模式，对于每一种振荡模式，令相关的机组集合为用户设置好参考机组G_ref，机组G_i的显示角度为用计算出来的角度在极坐标图上表示每个机组在该振荡模式下的相位；

(3-4)频率稳定性可视化，包括如下步骤：

(3-4.1)WAMS通过测量和计算方法，得到电网主网架厂站的频率：令电网主网架节点集合为S＝{1，2，...N}；f为电网节点的频率；以所述无向图G＝<V，E>的方式建立电网主网架图，以经度、纬度为坐标，在平面图上描出V中的厂站；

(3-4.2)采用等高线技术描述电网的频率，使频率异常区域可视化；

(3-5)电网输电线路热稳定可视化，包括如下步骤；

(3-5.1)以所述无向图G＝<V，E>的方式建立电网主网架图，以经度、纬度为坐标，在平面图上描出V中的厂站，以线段连接彼此之间存在输电线路的厂站；

(3-5.2)以不同颜色表示线路的负荷情况，负荷情况分为轻载、正常、超载三个情况；令线路集合为

(3-6)电网稳定性三维可视化，依次按以下步骤显示电网的稳定性；

以三维瀑布图的方式显示电网的扰动状态，x坐标为显示的厂站，y坐标为时间；z坐标为量测值；显示厂站按照地理位置的远近在x坐标轴上从小到大排列；z坐标是厂站电压、频率或功角量测量；电网的电压是向量，厂站电压为点；

(3-7)电网稳定性分析可视化：

以警示灯的方式显示电网各种不同稳定性的情况警示灯以三种颜色分别表示稳定性正常、稳定边缘、系统失稳等状态；不同状态的划分由系统分析计算得出。

本发明提供的第一优选方案的可视化方法，其改进之处在于，所述权利要求1的所述步骤(3-1.2)极坐标图按逆时针方向角度逐渐增大，设置不同的稳定性区域，以不同的颜色表示功角稳定性强弱。

本发明提供的第二优选方案的可视化方法，其改进之处在于，所述权利要求1的所述(3-2.2.3)是根据所有量测及计算的三维坐标形成的三维向量。

本发明提供的第三优选方案的可视化方法，其改进之处在于，所述权利要求1的所述(3-2.2.4)将相邻等高线之间的区域用同一种颜色描绘；色彩映射采取颜色与电网状态量数值相对应的方式，电网状态量可采取标么值表示，随着状态量由最小到最大变化，通过调整色彩分量的大小来控制产生的颜色与之对应。

本发明提供的第四优选方案的可视化方法，其改进之处在于，所述权利要求1的所述(3-5.2)的轻载、正常、超载三个情况判断方法如下：

如果L_i∈{轻载线路}；

如果L_i∈{正常负载线路}；

如果L_i∈{重载线路}。

本发明提供的第五优选方案的可视化方法，其改进之处在于，所述权利要求1的所述(3-6)，对于电力系统中的定义在点上的厂站电压，利用空间插值的方法将其定义扩展到整个平面，再以二维标量场可视化常用的三维曲面图形式显示；三维曲面图的显示曲面高的区域相应的数值大，曲面低的区域数值小。

本发明提供的第六优选方案的可视化方法，其改进之处在于，所述权利要求1的所述(3-7)稳定性警示灯包括功角稳定、动态稳定、电压稳定、频率稳定、热稳定。

与现有技术比，本发明的有益效果为：

基于广域测量系统的电网可视化技术将电网运行的枯燥数据用动态、灵活、实物化的方式，借助计算机图形化显示技术给技术人员提供直观可靠的数据显示，通过将数据展示与应用综合分析相结合，使系统运行人员更方便、直观地了解当前系统的运行状态，采取更有效、针对性的运行控制措施；使运行人员及时洞察存在的异常和潜在的事故隐患，加强对电网宏观信息的把握，使调度运行从经验型向分析型、智能型发展。

本发明基于广域测量系统的实时动态数据，实现电网大范围稳定性可视化，实现了电网状态从静态、二维平面、孤立数据的展示方式到动态、三维立体、连续图形的展示方式的转变。通过从海量信息中提取、运算，得出对电网实时运行有价值的决策信息，使调度人员从计算、分析数据直接转入决策过程，减少反应时间，进一步提升对大电网的驾驭能力。

本发明将广域量测、监视、分析、预警、决策结果有效梳理及整合，以可视化的手段展示给调度员，实现实时监测、主动预警、主动分析、主动提供辅助决策结果，提供给调度员最需要的关键信息，实现了多角度、多维度的直观可视化的数据展现方式，使调度人员加强对电网运行情况的把握，及时洞察已存在的异常或潜在的事故隐患。

附图说明

图1为本发明提供的基于WAMS的电网安全稳定可视化流程图；

图2为本发明提供的电网功角稳定性可视化示意图；

图3为本发明提供的电网动态稳定可视化示意图；

图4为本发明提供的电网线路热稳定可视化示意图；

图5为本发明提供的电网稳定性等位线可视化示意图；

图6为本发明提供的电网稳定状态瀑布示意图；

图7为本发明提供的电网稳定三维可视化示意图；

图8为本发明提供的电网综合稳定性可视化示意图；

图9为本发明提供的色彩映射表示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

步骤(1)：启动可视化

输入以下参数：电网WAMS系统量测量的描述表，包括厂站名称，厂站地理坐标(经度，纬度)，WAMS量测量类型，包括母线电压相量及频率、线路有功、无功量测值，发电机内电势、功角、转速等。

步骤(2)：获取WAMS全网状态量测值，按照WAMS系统量测量描述表获取WAMS量测量。

步骤(3)：电网稳定性可视化

电网稳定性可视化主要包括7个并行的可视化工具，即功角稳定可视化、电压稳定可视化、动态稳定可视化、频率稳定可视化、热稳定可视化、稳定性三维可视化、综合稳定可视化等。

(3-1)功角稳定性可视化，依次按以下步骤显示电网的功角稳定性。

(3-1.1)令WAMS监测的机组集合为{Gi |θ_Gi＝θ_i′(k≥i≥1)}，则电网最大功角差可以用公式(1)计算：

θ_max＝MAX{fabs(θ_i-θ_j)|(k≥i≥1，k≥j≥1)}

(3-1.2)将全网最大功角差用极坐标方式显示出来，如图2所示。极坐标图按逆时针方向角度逐渐增大，设置不同的稳定性区域，以不同的颜色表示功角稳定性强弱。一般采用黄、绿、红、橙、砖红等颜色分别表示轻负荷、正常、重负荷、稳定边缘、失稳等状态，不同状态的划分由系统分析计算得出。

(3-2)电压稳定性可视化，依次按以下步骤显示电网的电压稳定性。

(3-2.1)通过WAMS测量得到电网主网架的电压相量：令电网主网架节点集合为S＝{1，2，...N}；为电网节点电压相量。以简单无向图G＝<V，E>的方式建立电网主网架拓扑图，以(经度，纬度)为坐标，在平面上描出V中的厂站。如图4所示。V是非空集合，称为顶点集；E是V中元素构成的无序二元组的集合，称为边集。

(3-2.2)采用等高线技术描述电网的电压状态，使电压异常区域可视化，依次按以下步骤描述电压状态。

(3-2.2.1)建立电网厂站量测量的三维坐标(x，y，z)，其中：x，y分别为厂站的经度、纬度坐标，z为量测值。

(3-2.2.2)根据电路原理，由相邻线路的厂站三维坐标(x，y，z)，计算线路上i点的三维坐标(x_i，y_i，z_i)。

(3-2.2.3)将所有量测及计算的三维坐标形成三维向量，并使用等高线算法计算画出等高线。

(3-2.2.4)将等高线采用色彩映射表的方式表达(如图9所示)，将相邻等高线之间的区域用同一种颜色描绘。色彩采用红绿蓝(RGB)三个色彩分量表示，色彩映射采取颜色与电网状态量数值相对应的方式，电网状态量可采取标么值表示，随着状态量由最小到最大变化，通过调整色彩分量的大小来控制产生的颜色与之对应，一般对应输出的颜色为深蓝色、蓝色、青色、绿色、黄色、橙色、红色、深红色。

(3-3)动态稳定性可视化，依次按以下步骤显示电网的动态稳定性。

(3-3.1)通过频谱分析技术，将低频振荡机组划分为若干个振荡模式的机群，令WAMS监测的第i个振荡模式的机组为(k表示振荡模式个数，f表示频率，θ表示角度，ρ表示幅度)。

(3-3.2)设置k个极坐标图来分别表示k个振荡模式，对于每一种振荡模式，令相关的机组集合为用户设置好参考机组G_ref后，机组G_i的显示角度为即可用计算出来的角度在极坐标图上表示每个机组在该振荡模式下的相位。如图3所示。

(3-4)频率稳定性可视化

(3-4.1)WAMS通过测量和计算方法，得到电网主网架厂站的频率：令电网主网架节点集合为S＝{1，2，...N}；f为电网节点的频率。以简单无向图G＝<V，E>的方式建立电网主网架图，以(经度，纬度)为坐标，在平面图上描出V中的厂站。(如图5所示)

(3-4.2)采用等高线技术描述电网的频率，使频率异常区域可视化。。

(3-5)电网输电线路热稳定可视化，依次按以下步骤显示电网的动态稳定性。

(3-5.1)以简单无向图G＝<V，E>的方式建立电网主网架图，以(经度，纬度)为坐标，在平面图上描出V中的厂站，以线段连接彼此之间存在输电线路的厂站。如图4所示。

(3-5.2)以不同颜色表示线路的负荷情况，负荷情况分为轻载、正常、超载三个情况，分别用蓝色、黄色、红色表示，令线路集合为(P表示输送功率)则

如果L_i∈{轻载线路}；其中P_rate为线路额定功率。

如果L_i∈{正常负载线路}；

如果L_i∈{重载线路}

其中，为线路轻载系数；为线路轻载系数。线路轻载系数和线路轻载系数根据运行方式人为确定。

(3-6)电网稳定性三维可视化，依次按以下步骤显示电网的稳定性。

以三维瀑布图的方式显示电网的扰动状态，如图6所示，其中x坐标为显示的厂站，y坐标为时间；z坐标为量测值。显示厂站按照地理位置的远近在x坐标轴上从小到大排列；z坐标可以是电网的电压、频率、功角等量测量。

如图7所示，对于电力系统中的某些定义在点上的物理量(如厂站电压)，利用空间插值的方法将其定义扩展到整个平面，再以二维标量场可视化常用的三维曲面图形式进行表达。三维曲面图的显示类似于地理中的地形图，曲面越高的区域相应的数值也越大，曲面越低的区域数值越小。

(3-7)电网稳定性分析可视化

如图8所示，以警示灯的方式显示电网各种不同稳定性的情况，稳定性警示灯包括功角稳定、动态稳定、电压稳定、频率稳定、热稳定等。警示灯的颜色可用绿色、黄色、红色，分别表示稳定性正常、稳定边缘、系统失稳状态，其中绿色表示正常状态；黄色表示警戒状态；红色表示失稳状态。警示灯根据系统稳定性程度显示相应颜色。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims

1.基于广域测量系统WAMS的电网安全稳定可视化方法，其特征在于，所述方法是在计算机上按下述步骤实现的：

1)启动可视化：

3)电网稳定性可视化

(3－1)功角稳定性可视化，包括如下步骤：

(3－1.1)令WAMS监测的机组集合为{Gi|θ_Gi＝θ_i，(k≥i≥1)}，电网最大功角差可以用下述公式计算：

θ_max＝MAX{fabs(θ_i-θ_j)|(k≥i≥1,k≥j≥1)}

(3－1.2)将全网最大功角差用极坐标方式显示出来；

(3－2)电压稳定性可视化，包括如下步骤：

(3－2.1)通过WAMS测量得到电网主网架的电压相量：

\dot{U} = [\begin{matrix} {\dot{U}}_{1} \\ {\dot{U}}_{2} \\ . \\ . \\ . \\ {\dot{U}}_{n} \end{matrix}],

令电网主网架节点集合为S＝{1,2,...N}；为电网节点电压相量；以无向图G＝<V,E>的方式建立电网主网架拓扑图，以经度、纬度为坐标，在平面上描出V中的厂站；

(3－2.2)采用等高线技术描述电网的电压状态，包括如下步骤：

(3－2.2.1)建立电网厂站量测量的三维坐标x、y、z；其中：x，y分别为厂站的经度、纬度坐标，z为量测值；

(3－2.2.2)根据电路原理，由相邻线路的厂站三维坐标x、y、z，计算线路上i点的三维坐标x_i,y_i,z_i；

(3－2.2.3)形成三维向量，使用等高线算法画出等高线；

(3－2.2.4)将等高线采用色彩映射表的方式画出；

(3－3)动态稳定性可视化，包括如下步骤：

(3-3.1)通过频谱分析技术，将低频振荡机组划分为若干个振荡模式的机群，令WAMS监测的第i个振荡模式的机组为

{G_{i} | f_{G_{i}} = f_{k}, θ_{G_{i}} = θ_{G_{i}}, ρ_{G_{i}} = ρ_{i} (n_{k} &GreaterEqual; i &GreaterEqual; 1)};

其中k表示振荡模式个数，f表示频率，θ表示角度,ρ表示幅度；

(3－3.2)设置k个极坐标图来分别表示k个振荡模式，对于每一种振荡模式，令相关的机组集合为用户设置好参考机组G_ref，机组Gi的显示角度为用计算出来的角度在极坐标图上表示每个机组在该振荡模式下的相位；

(3－4)频率稳定性可视化，包括如下步骤：

(3－4.1)WAMS通过测量和计算方法，得到电网主网架厂站的频率：

f = [\begin{matrix} f_{1} \\ f_{2} \\ . \\ . \\ . \\ f_{n} \end{matrix}],

令电网主网架节点集合为S＝{1,2,...N}；f为电网节点的频率；以所述无向图G＝<V,E>的方式建立电网主网架图，以经度、纬度为坐标，在平面图上描出V中的厂站；

(3－4.2)采用等高线技术描述电网的频率，使频率异常区域可视化；

(3－5)电网输电线路热稳定可视化，包括如下步骤；

(3－5.1)以所述无向图G＝<V,E>的方式建立电网主网架图，以经度、纬度为坐标，在平面图上描出V中的厂站,以线段连接彼此之间存在输电线路的厂站；

(3－5.2)以不同颜色表示线路的负荷情况，负荷情况分为轻载、正常、超载三个情况；令线路集合为P表示输送功率；

(3－6)电网稳定性三维可视化，依次按以下步骤显示电网的稳定性；

(3－7)电网稳定性分析可视化：

2.如权利要求1所述的可视化方法，其特征在于，所述权利要求1的所述步骤(3－1.2)极坐标图按逆时针方向角度逐渐增大，设置不同的稳定性区域，以不同的颜色表示功角稳定性强弱。

3.如权利要求1所述的可视化方法，其特征在于，所述权利要求1的所述(3－2.2.3)是根据所有量测及计算的三维坐标形成的三维向量。

4.如权利要求1所述的可视化方法，其特征在于，所述权利要求1的所述(3-2.2.4)将相邻等高线之间的区域用同一种颜色描绘；色彩映射采取颜色与电网状态量数值相对应的方式，电网状态量可采取标么值表示，随着状态量由最小到最大变化，通过调整色彩分量的大小来控制产生的颜色与之对应。

5.如权利要求1所述的可视化方法，其特征在于，所述权利要求1的所述(3-5.2)的轻载、正常、超载三个情况判断方法如下：

如果

P_{L_{i}} < k_{L_{i}}^{OLOW} \times P_{rate},

L_i∈{轻载线路}；

如果

k_{L_{i}}^{LOW} \times P_{rate} \leq P_{L_{i}} \leq k_{L_{i}}^{HIGH} \times P_{rate},

L_i∈{正常负载线路}；

如果L_i∈{重载线路}，为线路轻载系数，为线路重载系数。

6.如权利要求1所述的可视化方法，其特征在于，所述权利要求1的所述(3-6)，对于电力系统中的定义在点上的厂站电压，利用空间插值的方法将其定义扩展到整个平面，再以二维标量场可视化常用的三维曲面图形式显示；三维曲面图的显示曲面高的区域相应的数值大，曲面低的区域数值小。

7.如权利要求1所述的可视化方法，其特征在于，所述权利要求1的所述(3-7)稳定性警示灯包括功角稳定、动态稳定、电压稳定、频率稳定、热稳定。