大电网安全稳定沙盘推演系统

奚江惠，胡济洲，裘微江，邵德军

（1.国家电网华中电力调控分中心，湖北 武汉 430077；2.国网湖北省电力公司，湖北 武汉 430077；3.中国电力科学研究院，北京 100192）

0 引言

“大电网沙盘推演系统”是国家电网公司《大电网规划与运行控制技术深化研究重大专题》项目五《大电网在线评估技术深化研究》的配套示范项目[1～2]，引入了最早用于军事领域的沙盘推演机制，将其与电力系统机电电磁混合计算方法和现代数字影像技术相结合，构建大电网安全稳定沙盘推演系统。

在华中电网构建大电网安全稳定沙盘推演系统是华中电网提高大电网调控能力的需要。华中电网正处于特高压交直流混联电网过渡阶段，特高压直流通道多、送电功率大，交流电网相对薄弱。资源大范围灵活配置促进了减排环保，但也使系统稳定特性趋于复杂，运行方式多变。同时，电网规模的扩大、新能源发电在大电网的迅猛发展、极端气候和地质灾害频发等多因素都给电网安全稳定造成严重威胁。而传统的电力系统分析计算软件无论在自动化、智能化方面，还是在定量研究特高压直流送受端相互影响等方面都有明显局限性。

本文所述系统基于传统稳定分析计算软件，吸取全数字仿真以及安全评估的先进技术，可作为电力系统安全稳定计算高效智能化分析平台，实用化后将丰富调度员掌握大电网变化趋势的技术手段，在多种应用场景中发挥作用。

1 大电网安全稳定沙盘推演技术演进及国内外应用情况

1.1 军事和企业沙盘推演

沙盘推演最早应用于军事，用模拟战争形态来演绎将要发生的战争。战争沙盘推演通过红、蓝两军在战场上的对抗与较量，发现双方战略战术上存在的问题，提高指挥员的作战能力。战争沙盘模拟推演跨越了实兵军演的巨大成本障碍和时空限制，在重大战争战役中得到普遍运用，其实演效果尤其在“二战”中发挥到了极致。

企业沙盘模拟培训是上世纪五十年代由军事沙盘推演演化而成，英、美知名商学院和管理咨询机构意识到沙盘推演同样适合企业对中、高层经理的培训，随即对军事沙盘模拟推演进行广泛借鉴与研究，最终开发出了企业沙盘实战模拟这一新型现代培训模式。这种新颖而独特的培训模式现已风靡欧美，成为世界500强企业经营管理培训的主选课程，接受过沙盘模拟训练的中国优秀企业也已超过7 000家；沙盘模拟教学模式已被北大、清华、人大、浙大等多所高等院校纳入MBA、EMBA及中高层管理者在职培训的教学之中。

其它行业通过现代数字影像技术与传统沙盘模型的组合，打造独特的动态数字沙盘，用于规划展示、汇报和宣传等。

沙盘模拟培训特有互动性、趣味性和竞争性特点，能调动学员学习兴趣，使学员充分运用听、说、学、做、改等一系列学习手段，开启一切可以调动的感官功能，对所学内容形成深度记忆，并能够将学到的管理思路和方法在实际工作中很快实践与运用。在沙盘模拟培训中学员得到的不再是空洞乏味的概念、理论，而是极其宝贵的实践经验和深层次的领会与感悟。

1.2 电力系统沙盘推演及其研究应用现状

电力系统沙盘推演借鉴军事沙盘模拟推演，模拟一个方式或电网调控措施（可类比战争方案）是否正确,是对电力系统安全稳定运行和控制的沙盘化模拟、分析、培训。电力系统沙盘推演提供自然、直观的交互方式，形象、高效的数据展示，全面、及时的信息反馈，通过便捷的操作和强烈的融入感，使用户快速掌握当前电网状态和存在的问题，从而提高工作效率和工作质量。电力系统沙盘推演可用于电网运行方式计算、规划、调度等工作，当然其应用效果取决于数据是否能反映真实电网（类似战争决策正确需要有准确的情报）以及正确的仿真算法（类比军事推演需遵守伤亡比例规律）。

军事沙盘系统已经从简单的静态的模型系统发展为可展示军事环境因素和要素动态变化的电子系统。然而，电力系统领域沙盘推演系统的应用相对较少。

1990年代后，国外电网事故呈现出多发性和复杂性，在此背景下，很多国家开始着手大电网在线分析与评估系统建设。但重点集中于在线稳定评估和预警方面，关于离线或规划数据的智能综合评估决策技术文献报道还不多见。电力系统可视化技术比较早的应用于电网信息展示见于国外开发的Power World软件。支持电网状态沙盘推演与决策运行的可视化与互动结合技术方面的文献目前还较为少见。调度部门已有在线安全稳定分析与预警系统，在此基础上，还需提升基于当前电网在线数据的电网沙盘推演能力，逐步形成在线分析和沙盘推演并行的全时间维度电网分析方法。同时，虚拟仿真技术、三维动画技术、多点触摸技术、多媒体技术、系统控制技术、电网仿真技术和高性能计算等技术的快速发展为电力系统沙盘推演系统的发展应用提供了技术支撑[3～4]。国家电网公司2012年设立《大电网规划与运行控制技术深化研究重大专题》项目，其中大电网安全稳定沙盘推演系统就是填补国内空白的研究应用项目。

2 系统结构

2.1 通用结构

大电网安全稳定沙盘推演系统基于传统稳定分析计算软件，运用全数字仿真以及安全评估的先进技术，采用统一的仿真计算数据管理平台实现各种运行方式的智能制定以及自动化综合评估，为电力系统安全稳定计算提供高效智能化分析平台，从而为调度、规划、方式制定等工作提供通用研究和决策支持。该系统属于典型的三部件结构，即对话部件（人机交互及问题综合系统）、数据部件（数据库管理系统）、模型部件（模型库管理系统）。图1为其通用结构图。

图1 系统通用结构图Fig.1 General structure of the system

2.2 系统结构及各功能模块

大电网安全稳定沙盘推演系统部署在华中调控分中心调度网安全Ⅱ区，系统硬件结构包括服务器端和客户端两个部分。服务器端主要配置为数据库服务器、数据平台应用服务器、文件服务器、分布式计算机群、网络设备、磁盘阵列。客户端配置包括PC终端、触摸屏、网络设备。

大电网安全稳定沙盘推演系统总体结构如图2所示，由仿真计算数据管理平台（D5000数据接入、仿真计算数据管理）、仿真计算平台、电网可视化及互动平台、通信服务总线、推演应用服务端控制等5个子系统组成。

图2 大电网安全稳定沙盘推演系统总体结构Fig.2 Overall structure of bulk power system sand-table simulation platform

2.2.1 仿真计算数据管理平台

仿真计算数据管理平台进行电网模型和数据资源的统一管理，为各类应用提供数据存取管理服务。具体功能包括：

1）电网模型和参数管理，管理电网设备基础参数、电网设备动态模型参数、电网设备电磁暂态模型及参数、综合评估设置数据。

2）推演案例管理。对用户针对某个问题进行推演而生成的推演案例数据进行管理，包括案例上传、下载、新建、删除等。推演案例数据包括：电网基础网架、推演前电网运行方式、方式变化数据修改记录、推演后电网运行方式、针对运行方式的安全评估数据、暂稳推演数据和机电电磁混合推演数据。

3）与在线系统接口。可以导入D5000状态估计后的数据，与离线方式计算数据进行整合生成仿真计算数据。

4）在基本的存储管理外，还包括诸如共享、安全备份、可追溯的版本管理等。

5）支持不同来源和类属的数据的统一管理。通过数据管理模式，可对电网应用集成提供支持和管理。

2.2.2 仿真计算平台

仿真计算平台的功能是实现全面的电网安全分析、评估和全过程仿真，集成各类电网仿真分析算法，实现电网的全面分析，包括快速潮流计算、机电暂态计算、机电电磁混合计算、安全评估（暂态稳定分析、小干扰稳定分析、静态安全分析、短路电流分析、电压稳定分析）、综合灵敏度分析、稳定裕度计算、电网稳定辅助分析等。

通过机群的并行计算方式，提供分网并行和任务并行两种并行计算模式，可灵活组合发挥分网并行和任务并行的综合优势，快速分析电网当前运行工况或预想运行工况下的安全稳定问题以及快速暂稳计算校核。

2.2.3 电网仿真推演应用服务端控制模块

电网仿真推演应用服务端控制模块也称仿真推演应用服务器，提供对客户端发来的推演操作和数据请求等消息的响应以及仿真推演相关业务处理和控制服务，包括电网推演用户管理、电网推演组管理、电网推演规则服务、电网推演操作处理、电网推演结果发布等。

2.2.4 电网可视化及互动平台（推演客户端）

电网可视化及互动平台（推演客户端）利用可视化，直观明了地表示出系统安全分析计算结果和电网动态变化过程。利用交互技术，实现用户推演指令的输入和结果反馈输出。利用推演流程控制，来动态组合问题以及控制推演过程，满足决策需要。该子系统提供显示器、大屏幕系统、大/小尺寸触摸屏等多类展示和交互手段，实现运行方式设定等操作的互动化、电网仿真及安全评估结果的可视化。

电网可视化及互动平台中内嵌的推演应用客户端逻辑控制功能包含用户输入命令响应、输出结果分析处理、推演应用流程控制等。推演应用客户端逻辑控制模块管理驱动沙盘推演过程中的电网展示及交互界面生成，和推演应用服务端控制模块协同提供推演界面侧逻辑控制，是人机系统的逻辑控制模块。

2.2.5 通信服务总线

华中系统是一个局域网内的分布式系统，为实现分布式系统协调运行，采用总线技术，提供位置透明的通信手段，隔离操作系统和硬件平台的相关性，保证信息的及时可靠交换和系统的灵活扩展。通信服务总线是系统中处理各个组件间相互通信、协调与控制的媒介，任何符合一定标准的应用程序都可以通过适配器以插件方式获得总线的支持。

3 系统工作过程及功能特点

3.1 工作过程

沙盘推演工作流程包括：构建沙盘、打开沙盘、推演准备、推演实施、综合评估、推演记录。不同推演方式的工作流程基本一致，如图3所示。

图3 推演工作流程框图Fig.3 Structure diagram of the gaming simulation

沙盘推演核心步骤是沙盘构建、沙盘推演和综合评估。构建沙盘是准备仿真计算数据和沙盘图形。仿真计算数据准备包括在线数据整合导入和仿真设置。通过在线数据接口整合既可导入实时在线状态估计数据形成在线当前运行方式，也可导入在线历史状态估计数据形成在线历史运行方式。叠加上仿真设置数据形成沙盘的推演控制数据，进行仿真推演。仿真设置数据则为运行统计设置数据、故障信息、稳定控制策略、安全评估方案信息、计算控制信息等，通过仿真计算数据管理平台进行管理，是沙盘推演必需的数据。沙盘推演则是在沙盘电网上推演计算，通过模拟不同的电网故障和调整控制措施，计算电网响应以及安全稳定水平变化判断调整控制措施是否有效。综合评估依据预设的电网安全稳定指标对不同方案推演结果进行比选，从中挑选满意或较优的方案。

3.2 功能特点及性能指标

3.2.1 机电电磁混合推演

电力系统沙盘推演系统至少需具备潮流推演、暂稳推演等基本功能，结合华中电网特点和调控运行需求，华中大电网安全稳定沙盘推演系统还有机电电磁混合推演功能。

华北-华中-西南同步电网正处于特高压电网发展过渡期，交流电网发展相对滞后于特高压直流，复奉、锦苏、宾金特高压直流丰水期送出2 160×104kW水电，三峡近区葛南、龙政、宜华、林枫和江城直流送出1 316×104kW电力，受端华东电网的故障可能造成多回直流换相失败，直流线路自身也可能故障造成直流再启动，存在直流功率输送短时受阻的电磁暂态过程，会在送端电网中产生巨大的暂态能量冲击，危及电网安全稳定运行[4]。越来越多的直流输电以及串补、SVC等各类FACTS元件在电力系统中应用，相应要求大电网沙盘推演系统必须具备机电电磁混合推演能力。华中大电网沙盘推演系统采用了机电电磁混合仿真技术，可以对直流输电系统用电磁暂态模型描述，电网其他部分用机电暂态模型描述进行机电电磁混合仿真推演。不仅可查看电网机电暂态变化过程，还可查看比暂态稳定计算更细致的电磁暂态变化过程。

3.2.2 可视化

可视化评估技术具有清晰、直观、形象、方便的特点，在数据展示、场景构建等方面应用十分广泛。可视化技术的大量应用更应是沙盘推演系统的特点。

华中大电网安全稳定沙盘推演系统采用二维、三维图形技术在电力系统数据显示、运行安全状态显示、运行的趋势显示三方面提高可视化程度[5]。二维可视化技术涉及图形渲染及矢量绘图等技术，利用各类图形图像生成动画、闪烁、颜色改变等效果，形成可视化展示方式。箭头图及箭头流动图应用箭头显示线路潮流方向以及大小；支路饼图显示线路负载率等信息，饼图还可以与渲染图结合使用；着色图用颜色的差别来显示数据的大小；曲线图用于时域曲线、频域曲线等曲线的显示输出。

三维展示是二维展示的提升。三维可视化展示形式以更多的视角直观展现电力系统的状态，可以使用户直接构造、观察、分析和操作逼真的三维场景。三维柱形图表达方式计算量小、显示速度快，适用于点数据（如厂站电压、区域无功裕度、节点频率等）的可视化表达，三维曲面图则是利用空间插值的方法将点数据定义扩展到整个平面。此外还可用三维动画如元件选中动画、设备运行动画（例如机组转动）、动态闪烁展示等增强展示效果。空间域的三维展示用于形象表示系统的安全运行区域。一个展示相互关联多断面安全运行区域的三维空间域示意图如图4所示。

图4 安全域的三维显示示意图Fig.4 Three dimensional diagram of the security area

如图所示，当万龙断面潮流由87×104kW变化到176×104kW，在三维空间域中，当前运行点由A转移到B，安全裕度减小，但仍处于安全区域内。

3.2.3 触摸屏操作互动

正如智能手机已广泛采用触摸屏，计算机人机交互互动方式也正处于键盘、鼠标向触摸屏的改变中。华中大电网安全稳定沙盘推演系统采用了高分辨率多点触摸屏，调整计算数据、设置故障等均通过触摸屏操作完成，让推演系统的人机互动形式更加方便，直观，更加人性化，增加推演系统的互动性，趣味性。

4 结束语

华中电网在特高压互联电网所处的地位及其复杂多变的稳定特性与承载的安全责任，是华中建设大电网安全稳定沙盘推演系统的直接原因。该系统支持2×104节点以上规模的大电网推演，建成后将应用于调度生产一线，满足调度运行多种应用。主要应用于下述场景：

1）研究态分析展示

利用沙盘推演系统形象直观推演研究态运行方案。

2）紧急态评估展示

华中电网是一个自然灾害多方的区域电网，若遇恶劣天气或地质灾害，系统运行于特殊方式，可利用沙盘推演系统导入在线运行方式，计算评估系统稳定水平。

3）历史态、实时态、未来态联合计算展示

沙盘推演系统利用在线、历史或计划数据导入、电网分析和智能综合评估等功能，对电网即将发生或者已经发生的重大事件进行快速分析与评估。支持当前、历史及未来态电网仿真、动态过程校验、稳控措施校验、电网事故分析等功能。

在系统实用化后，可推广应用于国（分）省各级电网调控运行，丰富电网调控技术手段，满足电网日益增长的稳定分析的业务需求。

（References）

[1]国家电网公司.《大电网在线评估技术深化研究》科技项目可行性研究报告[R].2012.State Grid.Feasibility Research Report for Advanced Bulk Power System On-line Security Analysis[R].2012.

[2]国家电网公司.国家电网公司总部科技项目《大电网在线评估技术深化研究》任务书.国家电网公司[2012]515号文.2012.State Grid.Task Book for Advanced Bulk Power System On-line Security Analysis[R].2012.

[3]孙扬，封孝生，唐九阳，等.多维可视化技术综述[J].计算机科学，2008，35(11):1-7.Sun Yang,Feng Xiaosheng,Tang Jiuyang,et al．Sur⁃vey on the Research of Multidimensional and Multi⁃variate Data Visualization[J].ComputerScience，2008，35(11)：1．

[4]国家电网公司华中分部.2015国家电网公司系统电网运行方式（华中分册）[R].2015:97-98.CentralChina DepartmentofSGCC.2015 State Grid Running Mode(Central China)[R].2015:97-98.

[5]韩祯祥，吕捷，邱家驹．科学计算可视化及其在电力系统中的应用前景[J]．电网技术，1996，20(7)：22-27．Han Zhenxiang，Lü Jie，Qiu Jiaju． Visualization in Scientific Computingand ItsApplication As⁃pects in Power Systems[J]．Power System Technolo⁃gy，1996，20(7)：22-27．