大电网安全稳定控制系统全过程实景调测验证平台

  完成单位：国网新疆电力有限公司电力科学研究院

  主要完成人：赵启、南东亮、张路、周杰

发明专利《一种电网安全稳定控制系统智能物联管理虚拟测试方法》（ZL202011192958.7），提出了智能物联管理虚拟测试方法，设计开发了虚拟测试终端和全景可观的智能测试平台，解决了电网安全稳定开展系统测试难度大、风险高的难题。目前已在新疆电网实际应用，并与疆内外多家电力企业开展合作转化，有效保障了清洁能源消纳，助力绿色能源高速发展。

一、研发背景

随着我国加快现代能源体系建设和推动能源产业革命，国家电网“十四五”规划新增输电能力5600万千瓦，到2025年清洁能源占比50%，跨省跨区输电3亿千瓦。目前国家电网现有稳控装置6800余台，切机、切负荷总量4.57亿千瓦，电力系统稳定特性日趋复杂，近70%的跨区输送能力提升依赖稳控系统，稳控系统已成为电网安全运行的必备措施。新疆电网是稳控系统规模最大、结构最复杂和控制难度最高的省级电网，稳控装置1022套,220kV及以上覆盖率99.23%，增幅111.16%，策略1200余项，平均每条策略执行59座厂站。稳控系统联调频繁程度不断升高，近4年系统联调达200余次、涉及厂站940座，年均工作五百人次，300余天，日均超过18小时。电网稳控装置测试项目平均40余项/台，六年及以上未检率超过12%，迫切需要高效的测试方法对稳控系统进行全方面的调试检验。

截至本专利申请之日，现有稳控系统测试技术主要存在以下不足：

目前稳控系统现场测试多采用分层、分级局部测试的方法；实验室测试多采用搭建局部稳控系统的仿真测试方法，无法真实模拟装置投运后的运行状态。由于各稳控系统存在差异性，上述两种方法基本不具备复用性，难以对现场稳控系统开展整体的系统级测试；

稳控装置现场测试使用继电保护测试仪进行精度检验，采用装置自带传动功能进行出口动作检验，稳控装置通用测试仪器仅能实现装置单体或系统局部静态测试，难以模拟复杂故障时序下稳控系统响应的动态性能，无法验证稳控系统在故障处理时的可靠性；

大规模稳控系统控制策略复杂，动作结果影响厂站和设备较多，地理位置分散，现场联调时需多个地点间的测试人员通过电话协调配合，对人员依赖程度高，出错几率大。测试效率低且易造成结果判断不准确，测试质效难以提升。

  二、发明团队介绍 

项目团队由1名博士、2名硕士、1名本科生组成，骨干力量为从事专业10余年的技术专家（含1名西北电网继电保护专家），团队成员长期从事电力系统稳定控制技术研究，具有丰富的理论功底和技术研发、现场调试实践经验。团队创新思维强、专业优势互补，涵盖电力系统运行控制、继电保护、自动控制等方向，近年来累计开展技术攻关10余项，申请专利20余项，发表论文30余篇，获得省部级以上科技奖励12项；团队熟练掌握电网安全稳定控制系统调试流程和测试方法，现场调试经验丰富，本项目核心技术拥有自主知识产权，研究成果已应用于电网实际生产和重大工程建设中。

表1  项目团队成员表

三、成果(专利)简介

当前稳控系统规模庞大，覆盖范围广、链条长，对可靠性要求极高，但稳控系统现场验证手段不够完善，存在的隐患难以完全排除，威胁电网安全稳定运行。为解决上述问题本专利提出智能物联管理虚拟测试方法，结合电力系统仿真软件、通信网络及对时系统，设计了虚拟测试终端和全景可观的测试主站，通过开发硬件测试终端和软件测试主站，构建稳控系统智能测试平台，解决大规模稳控系统难以进行现场动态整组试验的难题，实现大规模稳控系统全面测试，提升电网稳控系统调试和检验技术水平。专利成果适用于能源行业稳控系统的调试和检验，其测试原理可推广应用于石油化工、轨道交通等行业，提供技术支持和决策。

针对现有稳控系统测试技术存在的不足，本专利公开了如下技术方案:

提出智能物联管理虚拟测试方法，构建稳控系统智能测试平台：基于无线通信、全球定位系统等物联网技术，建立大规模稳控系统分布式协同测试体系，结合电力系统现有仿真软件、通信网络及对时系统，开发测试主站、虚拟测试终端，构建稳控系统智能测试平台，实现大规模稳控系统全面测试。

（2）设计虚拟测试终端，实现稳控系统动态性能测试。采用虚拟机技术，应用软件分层架构设计虚拟测试终端，采用多场景故障仿真和波形回放技术，模拟电网各种故障后的动态过程数据，测试稳控系统响应的动态性能；

（3）建立全景可观的测试主站，提升稳控系统现场检验质效。实时同步现场稳控装置模型文件、运行数据、动作报文，对待测厂站的稳控系统进行全景展示以及测试管理，实现测试过程的自动执行和测试结果的智能比对。

目前，国内外尚无相关产品应用。本专利原创性突出，属于基础性专利，填补了国内的技术空白。2015年开始本专利技术的保护布局，包括本专利在内，在稳控测试平台架构、测试平台硬件结构以及测试平台高级应用方面共申请专利21项（授权11项），登记软件著作权6项，发表论文10篇（其中SCI及EI收录论文7篇，核心论文3篇），有效防止竞争者绕开本核心专利实施其它的侵权行为。

四、专利转化情况介绍 

(一)专利产品的推广应用

1.在电网企业应用

自2019年以来，以本专利核心技术研制的稳控系统智能测试平台已在新疆得到广泛应用，并推广至辽宁、山东等省示范应用。本专利技术在新疆电网稳控系统调试过程中应用，累计完成50余项输变电工程现场测试，成功发现一项稳控系统重大缺陷，避免稳控系统误动作造成的大面积停电事故，经济和社会效益显著。

本专利提出的智能物联管理虚拟测试方法在电网企业主要应用在以下几个方面:首先用于新、改、扩建工程验收测试和稳控系统定期测试，确保稳控系统安全稳定运行；其次可开展电网事故、系统缺陷分析和反事故措施验证，对电网事故进行全景反演；最后可对专业技术人员进行现场实操技能培训，提升专业技术人员的技能水平。

2.在电力行业应用

本专利提出的分布式测试模式，能够直接应用于继电保护的跨间隔系统级闭环测试，实现对继电保护功能的全面校验，提高继电保护系统的检验质效。基于本专利技术的继电保护装置智能测试平台和开关量远传模块，于2021年年底实现成果转化应用并上架国网电子商务平台，累计完成订单二十余套，销售额194.22万元。

另外，本专利开发的虚拟测试终端，可作为制造厂家出厂验收和科研单位、高等院校仿真试验工具，开展电网综合仿真技术研究，有助于设备制造企业完善相关产品性能，提高产品质量，支撑科研单位开展新技术研究和专业人才培养。使用本专利研制的稳控系统智能测试平台在国网辽宁电科院、国网山东电科院等单位开展推广应用。在实验室内完成稳控装置的策略执行验证，实现稳控装置在现场投运前的策略执行正确性测试。

3.在能源领域应用

本专利提出的多厂站多机同步测试技术原理，不仅能够用在电力行业，同时也可以应用在石油、化工、轨道交通等行业，其技术路线可为其他行业提供专业技术支持和控制决策依据，具有很强的技术通用性。

（二）专利技术推动本行业的技术进步

本专利可对电网稳控系统硬件、软件、通信链路进行全方位测试检验，以及稳控策略执行的系统性验证，完美的应对稳控联调工作中所面临的挑战，实现特高压交直流电网复杂稳控系统的大规模、多厂站、全自动闭环测试认证，全面提升电网稳控系统调试和检验技术水平。

（1）专利应用广泛

1）可服务于电力系统生产运行过程。新建、扩建和改造的变电站、输电线路等正式投入运行之前，必须对新安装稳控装置进行验收检验，开展现场稳控系统级联合调试，专利的应用可确保稳控装置正常运行及稳控策略全方面验证；2）可服务于稳控装置检验过程。在稳控装置投入运行6年内，按照《继电保护安全自动装置检验规程》要求必须开展稳控装置定期检验，专利应用可确保稳控装置正常运行；3）可服务于电网事故分析、稳控系统缺陷分析和反事故措施验证。专利可应用于对电网事故进行远程全景反演，对实施反措的现场稳控装置再次校核，确保反措有效执行；4）可服务于稳控系统综合仿真试验。依托专利研制的稳控系统智能测试平台可作为制造厂家出厂验收和科研单位综合仿真试验工具，有助于设备制造企业完善相关产品性能，提高产品质量同时还可支撑科研单位开展新技术研究和专业人才培养。

（2）促进技术的标准化

通过实施专利产品化及标准化策略，积极将本专利技术转化为产品，已实现批量生产和全疆范围内的推广使用。

本专利技术方案已制定《新疆电网安全稳定控制系统联合调试全过程管控细则》、《新疆电网区域安全稳定控制系统管理规范化实施细则》，规范稳控系统联合调试流程与检测技术。同时推动行业技术进步，提升行业影响力，利用本专利分布式全面测试技术参编电力行业标准《电力系统安全稳定控制系统设计及应用》（DL/T 2193—2020）和国网公司企业标准《电力系统继电保护及安全自动装置运行评价规程》(Q/GDW 10395—2022)，满足标准中稳控系统在新、改、扩建工程验收测试和稳控系统定期测试的要求，同时满足对稳控系统整组动作时间测试的要求；依据本核心专利牵头编写发布电力行业标准DL/T 2534-2022《电力系统安全稳定控制系统测试技术规范》和新疆维吾尔自治区地方标准DB 65/T 4597-2022《电网安全稳定控制系统运行评价及检验规程》，促进稳控系统测试技术的规范化、标准化，保障专利成果的有效应用及持续推广。

（3）产品应用的新闻报道

通过标准化的技术在新疆电网中首先进行试点应用，并进行了现场应用的宣传报道，扩大了产品的影响力，促进了全疆范围的全面应用。通过标准化的技术在新疆电网中全面实施，指导调试人员标准化实施稳控系统联合调试，取得积极效果。

（4）参加行业交流，扩大影响

    2021年本专利发明人张路携本专利技术在中国电机工程学会第十八届保护和控制学术研讨会上做了研究成果交流汇报，获得了与会专家的一致好评。2021年本专利成果得到了国网新疆电力有限公司主要领导、新疆电机工程学会等多家单位领导的观摩指导和认可。2021年本专利成果参加第六届国网青年创新创意大赛，向多家单位展示本专利核心内容，获得高度评价和反响，扩大了行业影响力。

（三）专利获奖情况

以本专利为核心技术的项目获奖情况。

1.基于本专利的项目“大电网安全稳定控制系统全过程实景调测验证平台”荣获国家电网有限公司第六届青年创新创意大赛一等优秀青年创新项目。

2.基于本专利的项目“区域电网稳控系统一键式远程闭环调试平台的研制”荣获2021年新疆维吾尔自治区创新标杆一等奖。

3.基于本专利的项目“大电网安全稳定控制系统全景仿真调测关键技术研究及装备研制”荣获2021年国网新疆电力有限公司科技进步一等奖。

五、经济效益与社会效益介绍 

（一）经济效益介绍

1.销售、产值、利润及纳税

本专利近三年在新疆、辽宁和山东等省级电网的50余项工程中应用，累计销售设备30套，销售额=350万元/套*套数=350*30=10500万元；专利许可费用98万元；依据本专利技术自行实施费用51.5万元；新增利润=新增销售额*30%+专利许可费用+自行实施费用=3299.5万元；新增税收=国家税收+增值税=新增利润*15%+新增销售额/1.17*17%=494.93+1525.64=2020.57万元；该专利研制的产品2019至2021年三年共计使用54次，节支增效=每套每次调试节支额*产品使用次数=9169.2万元。自2019年本专利产品推广应用，共计节省人工开支400余万元，多创造售电收入约27000万元。

2.项目发展前景及潜在经济效益预测

（1）项目发展前景

1）政策支持，应用前景广泛

近年来，国家积极推动清洁能源发展，实现碳达峰碳中和的目标。中发〔2021〕36号《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》、国发〔2021〕23号《关于2030年前碳达峰行动方案的通知》、国发〔2021〕33号《国务院关于印发“十四五”节能减排综合工作方案的通知》等文件中均明确提出了我国要提高非化石能源消费比重、提升能源利用效率、降低二氧化碳排放水平来实现碳达峰、碳中和的目标。

为实现双碳目标，我国构建特高压交直流电网，远距离输送清洁能源，同时伴随着新能源大量并网，电力系统稳定特性日趋复杂，稳控系统已成为电网安全运行的必备措施。因此，开展智能高效的稳控系统测试技术研究是保障电网安全稳定运行的关键举措，也是目前稳控系统测试技术的主要发展方向，本专利为后续的稳控系统测试技术发展提供了坚实的基础。

2)本项目产品的发展规划

未来本项目做了如下的发展规划：

第一步：通过利用本专利技术在新疆电网制定了《新疆电网安全稳定控制系统联合调试全过程管控细则》、《新疆电网区域安全稳定控制系统管理规范化实施细则》以及地方标准《电网安全稳定控制系统运行评价及检验规程》，促进本专利产品在新疆的全面应用。2022年我们面向新疆电网稳固市场、树立品牌，并且做好向国网系统内推广的技术储备和市场调研，拓展市场销售渠道；

第二步：通过利用本专利技术制定了国网公司企业标准《电力系统继电保护及安全自动装置运行评价规程》，促进本专利产品在国网系统内的全面应用。2023-2024年扩展国网系统业务，扩大市场，根据用户需求完成产品迭代升级，做好全国推广的准备；

第三步：通过利用本专利技术制定了电力行业标准《电力系统安全稳定控制系统测试技术规范》和《电力系统安全稳定控制系统设计及应用》，促进本专利产品在全国范围的推广应用。2025-2026年开拓全国市场，持续不断创新，衍生更多体系化和标准化的产品和服务，持续扩大服务范围，最终形成产业化。

（2）经济效益预测

本专利产品能够有效提升稳控系统测试工作的质效，提前发现隐性故障，保障电网安全稳定运行，未来市场情况预测如下：

1）本专利产品在电网公司、发电厂、新能源场站、设备制造厂家等企业进行稳控装置的检验、调试及验收；

2）本专利产品可开展稳控系统综合仿真试验研究，可应用于各级电科院、高等院校；

3）本专利产品可实现分布式测试、远程集控，可应用于石油化工、轨道交通等需求该技术的行业。

经调研，目前市场上还没发现和本平台有完全相同功能的产品，市场处于空白期，在电力行业属于市场开拓者。

（二）社会效益介绍

使用本专利研制的稳控系统智能测试平台建立了有效的现场测试认证手段，实现了大规模稳控系统动态整组行为的可信测试，大幅降低人力和物力投入，提升调试效率，全面提高了电网稳控系统检验和测试的技术水平，为保障电力系统安全稳定运行打下坚实的基础，助力电网安全运行和清洁能源消纳。

1.本专利产品的应用能够解决如下问题

（1）减少调试人员数量。对于涉及9座变电站稳控系统的调试，利用常规调试方式完成一次系统联调，需要20人同时配合。而利用该测试系统仅需要11人即可完成试验，可减少调试人员数量50%。

（2）减少调试时间。对于涉及9座变电站稳控系统的调试，利用常规调试方式完成一次系统联调，需要1-2天完成。而利用该测试系统仅需要8小时即可完成试验，减少调试时间70%。

（3）提高自动化程度。采用策略智能校核技术，可实现稳控装置控制策略执行结果自动验证，提高自动化程度，提高调试效率和准确率。

（4）可验证大规模电网的复杂策略。利用电力系统常用仿真软件将基于同一电网模型计算出的动态数据作为测试输入源，无须对被测电网模型进行简化或等值，不受电网规模、故障类型限制，可验证大规模电网的复杂策略。

（5）可多厂站多机同步测试。利用智能调测主站和测试终端，采用全球定位系统同步技术和无线通信技术，通过数据整合实现多厂站的稳控系统全场景智能调测，减少地域对调试的影响。解决了跨区域分散的多机高精度同步故障反演及数据传输的难题，实现了测试主站一点控制、多终端同步响应的一键式测试。

（6）应用场景多样。服务于电力生产单位新建及改造稳控装置投产前的新安装装置验收检验以及需进行的补充检验，同时还可以对远程事故全景反演进行稳控系统缺陷分析和反措执行校验。

2.通过本专利产品的应用具有如下社会效益

（1）降低电网和设备运行维护成本

本专利成果应用于变电站、新能源厂站以及发电厂，为设备检修人员提供一种智能的稳控系统检验测试方法，提升了变电站运维智能化水平，提高检修人员稳控系统联调效率，大量减少人力成本。同时，促进变电站一、二次设备运维检修水平提升，保证一、二次系统的安全可靠运行，提升电网供电可靠性和运行经济性。

自2019年以来，本专利研制的稳控系统智能测试平台在国网新疆电力调度控制中心、国网新疆超高压分公司及国网喀什供电公司等单位的50余项输变电工程开展应用，检验稳控装置超过1000台·次，节约人工近4万人·时，共计节省人工开支400余万元，提高了现场联调质效。

（2）提升电网及设备供电保障能力

本专利以智能物联网技术为核心，结合电力系统现有仿真软件、通信网络及对时系统，开发测试主站、虚拟测试终端，研制出稳控系统智能测试平台，实现大规模稳控系统全面测试检验，解决了稳控系统软硬件、回路、通信链路的全方位检验，以及稳控策略执行的系统性验证难题，有力保障了电网安全稳定运行，提升了电网和设备运维智能化水平，有助于推动电网一、二次设备智能化水平的进一步发展，为社会经济稳定发展、现代工农业生产及人民生活做好供电保障，具有显著的社会效益。本专利技术于2021年在新疆电网稳控系统调试过程中应用，成功发现一项稳控系统重大缺陷，避免稳控系统误动作造成的大面积停电事故，经济和社会效益显著。

本专利产品在新疆电网多个火电厂及风电、光伏场站现场应用，经过测试的稳控系统在安装、调试阶段的缺陷率降低了20%，有效保障了新疆外送电量提升80亿千瓦时，直接经济效益增加20亿元，外送清洁能源减少二氧化碳排放8640万吨。本专利产品计划2022年在西北电网系统保护建设工程中应用，进一步拓展二次设备远程检修调试方法，保障大电网安全稳定运行，提升疆电外送能力；本平台应用将有力促进南疆新型电力系统示范区构建，助力能源转型、绿色发展，实现碳达峰、碳中和战略目标。

（3）助力现代能源体系构建

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确指出推进能源革命，建设清洁低碳、安全高效的能源体系，提高能源供给保障能力。本专利成果的应用有助于提高特高压输电通道利用率，提高电力系统互补互济和智能调节能力，加强源网荷储衔接，提升清洁能源消纳和存储能力，提升向边远地区输配电能力，推进煤电灵活性改造，加速国家多能互补的清洁能源基地的建设，助力现代能源体系的构建。