（电力系统及其自动化专业论文）数字化电网中信息建模技术的理论与应用.pdf

a b s t r a c t a sp r o d u c t i v i t ya n dl i v i n gs t a n d a r di m p r o v i n g ，t h ed e m a n d so fu s i n g b e t t e r - q u a l i t y p u b l i ci a f r a s t m c t u r e s ，s u c ha sp o w e rs y s t e m ，h a v eb e e ni n c r e a s i n ga c c o r d i n g l y h o w e v e r ，t h er e c e n tp o w e rg r i di sc o n s i d e r e dt ob eo fm a n yw e a k n e s s e s f o rt h e s a k eo fi m p r o v i n gt h ee f f e c t i v e n e s so fu t i l i z i n gp o w e r 鲥d ， s o m er e s e a r c ho n d e v e l o p i n gan e wg e n e r a t i o no fp o w e rg n d ，h a sb e e ni n i t i a t e db yr e l e v a n t m u l t i n a t i o n a le n t e r p r i s e sa n dp o w e rr e s e a r c hi n s t i t u t i o n s n o w a d a y s ，d u et ot h e i m p r o v e m e n t so nc o m p u t e rt e c h n o l o g y ， n e t w o r kt e c h n o l o g ya n dp o w e re l e c t r o n i c s t e c h n o l o g y ，i ti sp o s s i b l et od e v e l o pad i g i t a lp o w e rg r i dw h i c hi sp r o p o s e db y d o m e s t i cp o w e re x p e r t sa n d p o w e re n t e r p r i s e s t h ed i g i t a lp o w e rg r i di sc h a r a c t e r i s t i c b yf a c i l i t a t e db yd i g i t a la n di n t e l l i g e n tt e c h n o l o g y ，w h i c hc o n s e q u e n t l yl e a dt o h i g h e re f f i c i e n c ya n ds a f e t yp o w e rs u p p l y i np a r to n e ，t h ef o c u si so nd i s c u s s i n gt h ed e f i n i t i o n ，s t r u c t u r ea n d o p e r a t i o no f t h ed i g i t a lp o w e rg r i d r a t h e rt h a nt o t a l l yr e c o n s t r u c t i n go r i g i n a ls y s t e m ，t h ec o n c e p t o fd i g i t a lp o w e rg r i de m p h a s i z e so nm o d i f y i n ga n di m p r o v i n gt h ee x i s t i n gs y s t e m w i t hs u p p o r tf r o md i g i t i z e dt e c h n o l o g y h o w e v e r ，i ti sn o te a s yt oa c h i e v et h i sg o a l d u et oal a r g ea m o u n to ft e c h n i c a lp r o b l e m sn e e d e dt ob es o l v e d o n ec r i t i c a li s s u ei s m o d e l i n g ， w h i c hp r o v i d e sau n i f i e dd i g i t a li n f r a s t r u c t u r ef o rt h ew h o l ep o w e r s y s t e m t h es e c o n dp a r tm a i n l ys t u d i e sa tr e l e v a n tm o d e l i n gt h e o r i e s i n f o r m a t i o n m o d e l i n gt e c h n i q u e sc o u l dh e l pt od e s c r i b et h ee x t e r n a lw o r l d ， w h i c hm e f l l l st h a t 晰t l lt h eh e l po f t h i st o o l ，t h e r e a l i t yc o u l d b ec o n n e c t e da n do v e nc o m m u n i c a t ew i t h c o m p u t e r t h a ti st os a y ，m a k i n gu s eo ft h ep o w e ro fi n f o r m a t i o nm o d e l i n g t e c h n i q u e s , p e o p l ea r ea b l et oc o n s t r u c ta no v e r a l lp i c t u r eo fi n f o r m a t i o nm o d e l t h e r e f o r e ，i ti sp o s s i b l ef o rp o w e re n t e r p r i s e st od e s i g nt h et o p - l e v e lm o d e lb a s e do n t h ec o m m o ni n f o r m a t i o nm o d e l ( c n v o ，w h i c hi s p r o p o s e db yi n t e r n a t i o n a l e n g i n e e r i n gc o n s o r t i u m ( m c ) t h i sm o d e lc o u l dp r o v i d eam e t a d a t am o d e lt op o w e r s y s t e m a d d i t i o n a l l y ，t h i ss e c t i o na l s od i s c u s s e sh o wt ob u i l dau n i f i e dm o d e lo f m d i g i t a lp o w e rg r i db a s e do nc i m v i au s i n gi n f o r m a t i o nm o d e l i n gt e c h n i q u e s i nt h a tl a s ts e c t i o n ，b ye v a l u a t i n g t w op a r t i c u l a rp r o j e c t s ，t h i sp a p e rd i s c u s s e s t h ed e t a i l e dp r o c e d u r e so fd e s i g n i n gau n i f i e dm o d e lo fd i g i t a lp o w e r 鲥d ，a sw e l la s h o wt ou t i l i z et h em o d e lf o rs y s t e m si n t e g r a t i o n t h ef i r s tp r o j e c ti st od e s i g na na s s e t m o d e lo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kf o rn a t i o n a lp o w e re n t e r p r i s e s s p e c i f i c a l l y ， a f t e rt h e s t u d yo nt h ea s s e to r g a n i z a t i o nf o r m a tw i t h i nc i ma n dt h ed i s c u s s i o no fr e l e v a n t d o m e s t i ca n do v e r s e ae x p e r i e n c e ，t h ea s s e tm o d e l i n gp r i n c i p l e sa r ep r o p o s e d ， f o l l o w e db yap r a c t i c a lm o d e lo fu s i n gp a r t i c u l a ra s s e tt y p e s m e a n w h i l e ，t h ei n s i g h t o ft h es e c o n dp r o j e c ti sg i v e nt ou s i n gs e r v i c eo r i e n t e da r c h i t e c t u r e ( s o a ) i n t e g r a t i o nm e t h o db a s e do nc i mi nac i v i cp o w e re n t e r p r i s ei nz h e j i a n gp r o v i n c e t h a ti s ，w i t ht h eh e l po ft h et e c h n i q u eo fw e b s e r v i c e sa n dm o d e l - d r i v e n i n t e g r a t i o n ，c i m - s o am o d e lw h i c hi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r i sm a d eu s eo f t ob u i l d u pt h es e r v i c ei n f i a s 仇l c t u r e f i n a l l y ，t h es o ai n t e g r a t i o nm e t h o di se x p o u n d e db y m e a n so fd e v e l o p i n ge x a m p l eo fa na c t u a lm a i n t e n a n c es c h e d u l i n gs y s t e mo fp o w e r e n t e r p r i s e s k e yw o r d s ：d i g i t a lp o w e rg r i d ，i n f o r m a t i o nm o d e lb u i l d i n g ，c o m m o ni n f o r m a t i o n m o d e l ，u n i f i e dd i g i t a lp o w e rg r i dm o d e l ，p o w e ra s s e tm o d e l i n g ，s e r v i c eo r i e n t e d a r c h i t e c t u r e i v 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 数字化电网的背景 电力工业是一个国家的支柱能源和经济命脉，在国民经济发展中起着不可替 代的支撑性作用。我国电力工业从2 0 世纪9 0 年代实行改革以来，已逐步实现了 政企分开、厂网分离，并开始打破垄断，引入竞争。为了满足经济发展和社会进 步的要求以及进一步推进电力改革的需要，我国的电网企业希望通过打造数字化 电网和建设信息化企业来促进企业和谐发展，更好地服务于党和国家的工作大 局，服务于发电企业，服务于电力客户，服务于社会发展，履行社会责任，这既 是一个机遇也是一个挑战。在这个背景下，近年来电网企业开始把数字化电网提 上了议事日程。 1 2 基本概念 1 2 1 数字化电网 一般所说的数字化。就是将现实世界中的各种信息转变为可以度量的数字、 数据，并以这些数字、数据为基础建立适当的数字化模型，把它们转变为一系列 二进制代码，引入计算设备内部，进行统一处理。在人类历史上与数字化这种量 化描述客观世界相近的发展历程还有语言的诞生和数学逻辑的诞生。每一次当人 类发展出一种更好更精确描述客观世界的工具，人类社会的发展进程就会加快， 文明的程度也会大大地提高。 近几十年计算机、自动控制和通信技术的飞速发展为数字化技术打下了坚实 的基础。在电网里面，数字化技术已经逐渐渗透到规划、计划、建设、运行、安 全、调度、营销等各个环节中，很多基础的单元也开始实现数字化。因此站在更 高层面上的“数字化电网”概念也于近年逐渐浮上了水面。从对数字化技术在各个 行业中的应用分析来看，“数字化”不仅包括很重要的模型化，还有多源信息采集、 整合处理、仿真、可视化展示和辅助决策的含义。因此可以认为，各类针对电网 设备、运行工况和拓扑结构的建模技术、传感器技术、数据采集和传输技术、地 理信息系统、动态模拟和仿真、3 d 虚拟现实、优化计算等均属于数字化电网范 绪论 畴内的基础技术。而且，基于这些基础技术外延或派生出的其它各类相关技术也 可纳入数字化电网的技术范畴。数字化电网的推行，可以通过高效的数据采集以 及先进的数据处理和控制手段来提高电网企业的生产效率，保证电力生产的安 全。但正因为数字化电网涉及的技术范围广种类多，所以全面地实现数字化电网 也是一个很复杂的课题。 1 2 2 信息建模 “模型”一词，从狭义上来说指的是实物模型，但现在已经发展为包括非实物 的形式模型。最先被普遍使用的非实物模型是“数学模型”，即把一个实际问题抽 象为用数学符号表示的数学问题，通过求解数学模型，就能够达到解决实际问题 的目的。在非实物的形式模型中，除了“数学模型”之外，还有用文字语言描述的 “模型”，按一般分类可以分为：模拟模型、语义模型、数学模型、因果模型。其 中，只有“模拟模型”属于实物模型，其它的都属于非实物模型。 建构模型是一种重要的科学操作与科学思维的方法。它是为解决特定的问 题，在一定的抽象、简化、假设条件下，再现原型客体的某种本质特性：同时它 又是一种中介，是让人们更好地认识和改造原型、构建新型客体的一种科学方法。 建模有两种思路，一是从实践出发，经过概括、归纳、综合，可以提出各种模型， 模型一经被证实，即有可能形成理论；二是从理论出发，经类比、演绎、分析， 提出各种模型，从而促进实践发展。模型可以是客观实物的相似模拟( 实物模型) ， 可以是真实世界的数学描写( 数学模型) ，可以是思想观念的文字表达( 语义模型) ， 也可以是客观现实的形象显示( 图像模型) 【。 信息建模的范围涵盖建模理论的方方面面，实际上指的就是把现实世界中各 种实物以及关系抽象出来，建立起能用于信息化系统的模型。当然，针对不同应 用的建模，其方法及对象也会有一定的区别。从前面对数字化的定义可以看出， 虽然数字化的外延意义很多，但其核心也在于“建立起适当的数字化模型”，所以 数字化在一定程度上需要信息建模技术的配合。 1 3 国内外研究现状和发展趋势 1 3 1 国际上与数字化电网相似的研究 国际上并没有提出过严格意义上的“数字化电网”，但是针对未来的电网发展 2 浙江大学硕士学位论文 却提出过许多与数字化电网相近的概念。例如，美国电力研究院( e p r _ r ) 将未来的 电网定义为“智能电网”( i n t e l l i g r i d ) 【2 1 ，也就是说要让电网具有更全面的智能化； 美国能源部的电力输配局在2 0 0 3 年7 月发布的“对电力第二个百年的全国范围的 构想报告中提出了“网格2 0 3 0 ( g r i d2 0 3 0 ) 的概念【3 】；美国的b a t t e l l e 研究所和 i b m 公司也先后分别提出了“智能电网”( g r i d w i s e 或者i n t e l l i g e n tp o w e rg r i d ) 的 概念【4 】。欧洲于2 0 0 5 年提出了欧洲技术平台0 三t p ) 的智能电网( s m a r t g r i d ) 的概念 p 】，对欧洲2 0 2 0 年左右的电力网络提出了构想。虽然这些概念各有不同，但它 们也具有一些共同点，那就是它们都包含了可靠、灵活、经济的电力和信息流传 送以及安全的通信，主张全面的信息集成和数字化监控、自由的电力交易、分布 式的电源供应、电网和用户之间双向的互动，实现提高电网运营的安全性、效益 和效率，以及对环境的影响最小化的目标。 1 3 2 国内与数字化电网相似的研究 国内电力行业在9 0 年代时就曾经提出过对电力系统进行数字化改造的概 念，但比较有影响力的应属学术界中卢强院士于2 0 0 0 年左右提出的“数字电力 系统”p s ) 眄】。它是指对某一实际运行的电力系统的物理结构、物理特性、技术 性能、经济管理、环保指标、人员状况、科教活动等数字地形象化地实时地描述 与再现。d p s 是该实际电力系统的实时、全面、仿真的数字电力系统。 在国内的供电企业方面，南方电网公司在近两个五年计划中提出了建设“数 字南方电网 f 7 】这样一个主要目标。“数字南方电网”是以全局模型的形式对实际 运行电网的真实特性进行数字地、准确地、实时地再现，这个全局模型以一组数 字模型从不同的角度对整个系统的运行状态进行了真实的刻画，从而能够根据调 度决策的需要建立系统的实时分析平台和超实时的仿真平台，并最终实现电网调 度决策的智能化和调度指令执行的自动化。“数字南方电网”概念分为数字化和智 能化两个部分，数字化是指实现管理、安全、运行等信息获取、传递和使用的数 字化，而智能化是指在数字化的基础上提高管理和生产的智能化程度，实现智能 系统对人工的替代。 与此同时，国家电网公司下属的一些区域电力公司相继提出了各自对于“数 字电力( 网) ”的理解，如：江苏的数字江苏省电力公司、天津市电力公司的数字化 企业等。上海市电力公司也先后进行了“数字化供电所”和数字化供电系统的研究 绪论 和探索【引。而在“十一五”期间，国家电网公司提出在全系统实施信息化“s g l 8 6 ” 工程，按照集约统一、严格调控、试点先行、积极稳步推进的工作思路，大力推 动信息化健康、快速、可持续发展，并提出要实现“数字化电网、信息化企业” 的建设目标。 尽管“数字电力系统”、区域或者省( 市) 电力公司提出的“数字化企业”、“数字 电网”和国际上的多种智能电网的概念均是从符合本国家、单位或者组织情况的 角度出发，尝试着对数字化电网的概念进行描述和展望，但是目前对数字化电网 概念的明确定义和完整内涵的描述尚未形成一致意见，大多数的观点都是从电网 的某些方面出发，将信息技术和电力系统特性相结合，推动电力企业效益和电网 稳定水平的提高。没有统一的定义、规范及实施方案，是数字化电网在实践中面 临的一个很大的困难。 1 3 3 国内外电力企业信息建模研究现状 电力企业的信息模型也是国内外相关机构的研究重点。目前比较通用权威的 电力企业模型是国际电工技术委员会i e c 定义的电力系统通用信息模型c i m ( c o m m o ni n f o n n a t i o nm o d e l ) 。c i m 是电力企业应用集成的重要工具，它主要由 抽象的公用类、属性、关系等构成，其类( c l a s s ) 及对象( o b j e c t ) ，可以用于许多 电力系统应用或者定义信息交换模型。目前c i m 已经被国内外多个电力企业所 接受，据不完全统计有3 0 多家开发商可以提供6 0 多种基于c i m 的应用，c i m 还被其它标准化组织所认可和引用。c i m 提供了一个关于电力能量管理系统信 息的全面逻辑视图，是一个代表电力企业所有主要对象的抽象模型，其中包括了 这些对象的公有类和属性，以及它们之间的关系。c i m 主要包括三个系列标准， 分别是i e c 6 1 9 6 8 、i e c 6 1 9 7 0 和i e c 6 1 8 5 0 。其中i e c 6 1 9 7 0 描述了能量管理系统 的应用程序接1 2 ( e m s - - a p d ) i e c 6 1 9 6 8 描述了配电管理系统的接口参考模型 ( i n t e r f a c er e f e r e n c em o d e l ，瓜蛐；i e c 6 1 8 5 0 则定义了变电站自动化和通信系统 的配置和通讯。 c i m 的系列标准主要i e c 第5 7 技术委员会负责制定，涉及第1 3 、1 4 、1 6 、 1 9 等工作组，具体分工如下： 第1 3 工作组：能量管理系统应用程序接1 2 ( e m s - - a f i ) ； 第1 4 工作组：配电管理系统集成( s y s t e mi n t e g r a t i o nf o rd i s t r i b u t i o n 4 浙江大学硕士学位论文 m a n a g e m e n t , s i d m ) ： 第1 6 工作组：放松管制的电力市场通讯框架( f r a m e w o r kf o rd e r e g u l a t e d e l e c t r i c i t ym a r k e tc o m m u n i c a t i o n s ) ； 第1 9 工作组：第5 7 工作组内长期的互操作可行性( i n t e r o p e r a b i l i t yw i t h i n t c 5 7i nl o n gt e r m ) 。 i e c 第5 7 技术委员会第1 3 工作小组接受e p r ic c a p it a s kf o r c e ( 美国电力 研究所控制中心应用程序接口小组) 的工作成果。e p c c a p it a s kf o r c e 的主要 任务是建立标准的需求和草案，最初的方法是将服务集成化，但是最近两年方法 已经转变为标准化组件接口。在最近提出的标准草案中，标准的内容主要是应用 程序接口a p i ，这些接口使得各个应用程序无需知道别的应用程序的内部结构就 可以访问公共数据和交换信剧9 】。 目前，c i m 已从概念验证的阶段步入实际工程实施的阶段。据e p r i 统计， 截止至2 0 0 5 年1 0 月，已有5 0 家电力公司或机构在不同的应用中使用c i m ；包 括e p r i 、i e c t c 5 7 的w g l 3 、皿c t c 5 7 的w g1 4 、i e c t c 5 7 的w g1 6 、n e r c 数据交换工作小组( d e w g ) 和o m gu f i l i t yt 作小组等5 家标准化组织支持c i m ； 已经或即将采用c i m 实现的应用有6 0 多个，如a g c 和经济调度、调度员潮流、 状态估计、拓扑分析、电压安全分析、动态安全分析、s c a d a 、d m s 、用户信 息系统等等。目前i e c 与c i m 有关的工作仍然在继续，c i m 版本仍在不断被 更新，模型也在逐步完善。而针对c i m 的扩展应用在国内各大科研机构、高校 和电力企业中也是热门的研究课题。 1 4 研究意义及文章结构 数字化电网是一个庞大的体系，涵盖的范围也非常的广，需要投入大量的人 力物力财力，同时还需要不同领域的专家在基础技术和理论上的不懈努力。目前 国内的两大电网公司都在数字化电网方面提出了各自的远景目标，地方的供电企 业也有自己的一些思路，针对数字化电网的研究也是数不胜数，无数的专家学者 都在各自的领域为数字化电网的实践打下基础。相信在不远的将来，数字化电网 的概念会越来越统一，目标也越来越清晰，数字化电网的实现也不再是纸上描画 的宏图远景，而会变成我们身边的现实。 在数字化电网中，信息的“数字化”是整个工程的关键，建模理论则是沟通了 绪论 信息和数字化之间的桥梁。为了赶上数字化电网的发展大潮，本文希望通过研究 数字化电网的框架和远景，为明确数字化电网的建设目标和发展思路提供一点基 础素材，同时通过研究建模理论在数字化电网中的应用，为数字化电网的统一模 型构建工作提供一定的参考。在这种思路的指导下，根据所做的工作可以确定文 章的结构。 ( 1 ) 第一章主要介绍课题的研究背景、国内外研究现状、课题设计的基本概 念以及研究的意义： ( 2 ) 第二章主要明晰数字化电网的研究对象，从宏观上去了解和认识数字化 电网的整体结构，有针对性地对其关键技术进行研究，确定信息建模在数字化电 网中的地位。 ( 3 ) 第三章从已有电网模型入手，研究信息建模的基本方法，并且参照国际 标准公共信息模型的建模思路及目前成果，结合实际情况提出具体的数字化电网 建模思路。 ( 4 ) 第四章结合实际案例研究如何通过信息建模理论来构建数字化电网的公 共模型。 ( 5 ) 第五章结合实际案例来介绍如何在数字化电网统一模型的基础上进行集 成应用，迸一步为数字化电网的实施打下基础。 6 浙江大学硕士学位论文 第二章数字化电网研究 2 1 数字化电网定义 关于数字化电网，至今在电力行业中还没有一个完整和明确的定义。国内的 电力公司以及科研机构的技术专家正在就如何对发电系统和电力网络的设计、建 设、运行模式进行大规模的改进进行讨论。有观点认为，数字化电网是指在整个 供电过程中使用数字技术对某一实际运行的电力系统的物理结构、物理特性、技 术性能、经济管理、实时运行数据、人员状况等数字化、形象化、实时地描述与 再现。这一定义偏重于用数字化手段再现电网的实际情况而缺少了对电网的控制 管理等重要功能，并未能将数字化电网的整体含义阐述清楚。另有观点认为，数 字化电网就是指我们在综合运用当今各种新技术的基础上，通过设计建设和运行 模式的深入变革，使得现代电力系统实现数字化。该定义虽然比较全面地反映了 数字化电网的内涵，但又太过于笼统，不能描画出数字化电网清晰的面貌【1 0 1 。 综合绪论中提到的“数字化”定义以及国内外对数字化电网的研究，本文更偏 重于国家电网公司对“数字化电网”较为全面完整的定义，按他们的观点，“数字 化电网”不仅仅是实际电网系统在计算机系统中的仿真和“影子”，而是将整个电 网系统作为一个整体，通过运用先进数字化技术对电网相关的信息进行全面、统 一的建模、统筹，为电网生产全过程提供完整、统一、准确的信息，建立一个规 划、设计、计划、建设、运行、调度、营销等各个环节协调优化的坚强电网【l l 】。 更具体地来说，数字化电网以先进电力电子、计算机、传感器、通信等技术为基 础，采集更完整、更全面、更合理的电网运行、设备状态、生产作业、客户营销 以及电网规划建设等信息，采用国际通用标准和信息集成技术，实现电力企业范 围内的数据共享和跨部门业务流转，以信息化技术对电网所有数字资源进行一体 化的统筹整合，站在企业全局决策协调的高度上，进行统一的分析，形成对电网 整体运营的优化，从而增加电网的安全可靠性、运营水平和效率，提高客户满意 度和电力企业的收益，降低成本，进而增进电网与环境、社会和用户之间的友好 度。 2 2 数字化电网的基本框架 7 数字化电网研究 2 2 1 数字化电网的功能模块 从电能流的角度来看，电力系统由发电、输电、变电、配电、用电五个环节 组成。数字化电网涵盖整个电力系统，因此也必须包含这五个环节的数字化过程。 这五个环节在传统电网中耦合得不算特别紧密，但为了把整个电网当作一个有机 的整体，数字化电网还应该包括把这五个环节整合起来统筹管理的数字化过程。 图2 1 数字化电网的构成环节 在电力系统发展的过程中，数字化技术和自动化技术已经在各个环节中得到 了初步的应用。已有应用系统的建设基本上采集了整个电网的基础和运行数据， 形成了各自的数据库，但各个系统之间的数据都是相对独立的【1 2 1 。数字化电网应 该包含一些基本的子功能模块，只有在这些子功能模块的基础上才能够进一步构 建起完整的数字化电网。这些子功能模块都是在已有或者正在开发的应用系统的 基础上建立起来的，包括以下几项： ( 1 ) 电网的智能规划与建设 电网的规划、设计和建设要综合所辖区域内用电负荷与能源的分布发展特 性，加强电网当前的拓扑结构、输送能力等方面的分析，协调考虑骨干网架的结 构模式、区域电网之间的联网优化模式，对电网进行适度超前的优化规划和设计， 并借助g i s 等空间信息技术实现对电网规划、建设的优化决策【l 3 1 。 ( 2 ) 智能调度 数字化输电智能调度由数据预处理、分析模型、在线分析、实时镜像仿真、 调度员培训仿真、离线分析、运行规划、智能决策和自动化控制系统构成，它需 浙江大学硕士学位论文 要与其它系统( 包括其它的输电调度系统、配电调度系统、营销系统、自动控制 系统的中间层和执行层) 进行数据的交换【1 4 】。 ( 3 ) 数字化配网 由于配电网直接面向用户，所以保证配电网安全稳定运行，向用户提供可靠、 经济的电力，满足用户需求，提高配电用电的管理水平及服务质量是数字化配网 的重要内容之一。随着技术的发展，电子、计算机及信息管理技术在配电与用电 管理的自动化中得到应用。数字化配网是电力系统现代化的必然趋势，其重要意 义在于：在正常运行情况下，通过监视配网运行工况，优化配网运行方式；当配 网发生故障或异常运行时，迅速查出故障区段及异常情况，快速隔离故障区段、 及时恢复非故障区域用户的供电，缩短对用户的停电时间、减少停电面积；根据 配网电压合理控制无功负荷和电压水平，改善供电质量，降低线路损耗，达到经 济运行目的；合理控制用电负荷，从而提高设备利用率；自动抄表计费，保证抄 表计费的及时和准确，提高企业的经济效益和工作效率，为用户提供自动化的用 电信息【1 5 】。 ( 4 ) 数字化变电站 随着许多智能化电气设备的出现，特别是智能化开关、光电式电流电压互感 器、一次运行设备在线状态监测、变电站运行操作培训仿真等技术的日趋成熟以 及计算机高速网络在实时系统中的开发应用，已有的变电站自动化技术势必会受 到深刻的影响，这使得数字化变电站有了坚实的基础。数字化变电站是由网络化 的二次设备和智能化的一次设备分层构建，建立在开放式变电站通信平台之上， 能够实现站内智能电气设备间信息共享和互操作的现代化变电站。数字化变电站 的一次设备和二次设备均采用智能设备，设备间交互的信息均按统一的模型进行 数字化处理【1 6 】。 ( 5 ) 电能量计量 能量管理系统( e m s ) 主要由计算机、操作系统、支持系统、数据收集、能量 管理( 发电控制和发电计划) 和网络分析组成。前三部分即计算机、操作系统和支 持系统共同构成了技术支撑平台；后三部分即数据收集、能量管理和网络分析构 成了后台分析系统。后台分析系统又可以再分为两类：仅包括数据收集功能者为 基本应用软件( s c a d a ) ；而包括能量管理和网络分析功能者为高级应用软件【1 7 1 。 9 数字化电网研究 ( 6 ) 电力营销 电力营销是电力企业生产、输送、销售、服务的最后一个环节的特征，这决 定了电力营销应用在企业内部需要大量来自生产，输送的相关信息( 电网信息， 购电信息等) ，对外也需要与广大电力客户、银行、税务、政府、发电企业等众 多合作伙伴建立相关联系。因此，一个完整的营销技术支持系统建设就离不开数 字化电网中各个相关应用之间的集成【1 8 】。 从电能流的角度来看，以上几大功能设计到电力系统的各个环节，各个环节 的相关性如下图所示 s t t i 图2 2 数字化电网子功能模块与电网的关联 2 2 2 数字化电网的关键技术 由于数字化电网涉及电力系统的各个方面，所以实现其的技术也有很多，从 宏观上可以分为电网技术、数据采集、数据传输、信息集成、分析优化等几大类。 具体的技术列举如下： ( 1 ) 先进电网技术 先进的电网技术包括分布式发电、高级储能系统、高级电网控制技术( 如 f a c t s 等) 和高级传导技术( 超导、h t s 、a c c r 等) 等。其中分布式发电能够高 1 0 浙江大学硕士学位论文 效利用多种可再生能源发电，实现电源的灵活配置，特别用于如调峰、为边远用 户或商业区和居民区供电，节省输变电投资、提高供电可靠性等方面【1 9 】。 ( 2 ) 先进传感测量技术 先进传感测量技术包括o t c 、o p t 和消费者门户( s m a r tm e t e r ，智能电表) 等无线和智能的传感器。o t c 、o p t 可实现测量、保护与控制设备的数据共享， 减少互感器的使用量。光纤网络将现场与监控系统及多个监控系统之间连接起 来，构成计算机光纤局域网，具有快速、抗干扰能力强等特点。光纤c t 、p t 测 量的结果精度高、速度快；智能电表能够完成自动抄表，智能选择用电方式等操 作【2 0 1 。 ( 3 ) 集成通信技术 集成通信技术保证了电网数据的传输，其主要包含有线通信方式如光纤、电 力线载波( p l c ) 、工频控制技术、m o d e m 、现场总线和r s - 4 8 5 、d s l 等；无线通 信技术包含有调幅、调频、微波通信、卫星通信、主动r f i d 、b l u e t o o t h 、w i f i 、 z i g b e e 等。多种灵活的通信技术为数据的传输提供了多种可选方式【2 。 ( 4 ) 先进控制技术 先进控制技术包含s c a d 舰m s a e m s 、变电站自动化( s a ) 、配电自动化 a ) 、先进抄表体系( a m i ) 、网格计算和多a g e n t 系统等，为电网的控制提供了 全面、灵活的选择。 ( 5 ) 信息集成技术 信息集成技术包括有公共信息模型( c w o 、公用服务和通用接口等。公共信 息模型和组件接口规范为信息数据的统一和集成提供支持。 ( 6 ) 计算机图像技术 计算机图像技术以丰富的多媒体形式，对电网生产中相关的设备、人员、状 态信息进行可视化展现，使人机界面更加友好和便捷，为电网调度者和企业管理 者提供整个电网的运行状况，并针对不同的业务需求主题，为决策者提供相应的 全局优化决策支持。 ( 7 ) 优化决策支持等技术 优化决策支持技术利用生产数据平台所提供的信息，针对不同应用方面，根 据数据分析模型进行模拟仿真寻优，并向有关人员提供及时、可靠的业务指标等 数字化电网研究 信息，更好地协助决策者对未来的生产经营活动和目标进行量化的分析和论证， 实现从定性管理到定量管理的转变。如预试数据的综合分析、趋势跟踪、检修计 划优化安排、设备评估、安全评估等等。 ( 8 ) 信息安全技术 数字化电网中的信息系统构成一个高度融合的网络，信息在其中的传递是快 速通畅的，但同时这也带来了更多不可知的安全因素，增加了系统的风险。因此 数字化电网的安全运行不仅离不开电网物理稳定，也离不开系统的信息安全。 电网信息网络安全基础体系，可以为电力信息安全提供技术保障，其目标不仅是 实现电力一次系统的安全稳定运行，而且要确保电力二次系统的信息和监控系统 的安全。 2 2 3 数字化电网的实现 上面两小节叙述了数字化电网的基本子功能模块和数字化电网涉及的基础 技术，可以看到，从电能流的角度来看数字化电网应该是由几大块的子功能模块 构成，当然这些功能还不是数字化电网的全部，但只有在这几块功能都建立起来 之后，数字化电网才有了实现的前提，也有条件去进行一些更复杂的应用。然而 在考虑实现数字化电网的时候，从电力系统的数据流入手会更现实一些，因为无 论哪一个应用系统，无论要实现哪些功能，信息和数据都是数字化电网的核心。 卜一麓也_ 一誓电十蹙也十配喇嗽- t l 数据 t i- 一传燃来! 曩翟雹翟盈i i l i l i i i ， l 一一通信技木露乏蚕菡豳函毽圈 。数据整合 搀管筛嬲疆再鬲疆两函酽嬲搦 _ 决策分析匕二遥巡婆鹫隧毖豳琵蹴龇燮：= = ：= ：= = ：2 乞红毖蠡8 ；戳鎏缓豳 图2 3 数字化电网的实现 1 2 幽23 说明了从数据的角度来构造数字化电网的实施方案。数据首先是通过 采集系统从电网殴施中采集，然后经过传输网络传送到特定的地方，再根据应用 的需要对数据进行存储整台，最后再通过这些数据进行分析优化，进而对整个数 宁化电网的运行进行管理。而上。节所提到的关键技术就为这个实现过程提供了 支持。具体的实现过程阐述如下： ( 1 ) 对与电网相关的各种信息进行充分的数据采集 对与电网相关的各种物资、设备、人员以及环境进行允分的数据采集。采用 先进的传感器技术，按照合理的颗粒度埘物资、设备的物理结构、物理特性、技 术性能指标、地理信息，实时运 亍状况、与电州相关人员的信息和环境状况、用 电客广的特征等进行采集以便能够形成支撑电网监控、分析、决策的原始数据。 只有进行亢分的、1 义的数据采集，才能够为更好地掌控整个电网的状况提供充 足的数字化信息。 ( 2 ) 构建统一的电网模型 遵循国际通用的i e c 相关标准c i m 模型以及数据访问接口等标准，将电罔 中的相关的物资、设备和人员，以及电网拓扑结构进行统一的数字化建模，并将 这些数宁化信息存储于统一的数据中心有利于针对不同的应用丰题，构建相应 丰题的数据库，实行i e c 标准之 u 的互联，实现数据无缝传输和共享。 ( 3 ) 建设快速、灵活的通信平台 簿j 赫 ：髫。2 矗 ! 一一 接受、处理电两鼓据的应用系统 日 s d m s ，w m s 计量系统，宴时历史数据系 缔曲倍信自e 蚌甚 基于i p 的通信协议和机制 l 图2 4 数字化电网的通讯平台 建设覆盖整个电网区域的光纤主通信信道和基丁电力线载波、微波、主动 r f i d 、b l u e t o o t h 、w i f i 、z i g b e e 等通信技术的辅助和备用通信信道，通过先进 的网络管理技术、容错技术和信息安全技术，以强大的数字化通信、p 台为电刚_ 【| 司 # 字“m 【 【r 度电话、线路继电保护、安全自动装胃，调度自动化及备项业务应用等提供宽带、 高速、可靠、便捷的传输平台。 ( 4 ) 建立信息总线，实现信息集成 通过通信平台采集e 米的标准化数据，数字化电网的系统需要对它们进行集 成应爿j 。集成的信息包括：丑；时数掘、f u 删公刖内部应并j 系统数据、外部应用系 统数据。实现信息集成的过程包括建立企业信息总线，实现应用系统之间的数据 流动，把各应用系统的数据集成到分析数据仓库等。 电网应用外部应用数据模型和标准 j = 3 ” i = 圈2 , 5 数字化电网的信息集成 ( 5 ) 实现电网全局的叮视化展示，完成全面、精确的监控 通过对屯网系统数字化信息全面地处理和分析，用平面和二维的方式，形敦 地展现电网中有关元件、环节、节点的地理位置、环境状况、实时状态变茸和“健 康”状态，各种自动控制装置的动作特性( 包括继电保护装置) ，影响电力系统安全 运行的特殊自然环境( 如雷电、飓风等) 等信息，对整个电网系统的内在运行和健 康状态以及外在环境凼素进行真实的刻画，通过图像处理和显不技术最大程度地 提高电网的可见度。 ( 6 ) 对电i 叫的数字化信息进行统筹牡合和分析优化 按照电网远行和管理的业务结构，确定r b 力企业的分析结构，并明确不同业 务领域的分析和优化内容以及相互可的关系。比如町以墟过对电网所辖区域内朋 浙江大学硕士学位论文 电负荷与能源分布和区域经济发展特性，以及电网当前的拓扑结构、输送能力等 方面的分析，综合协调考虑骨干网架的结构模式、区域电网之间的联网优化模式， 对电网进行适度超前的优化规划和设计，借助g i s 等空间信息技术实现对电网规 划、建设的优化决策，加强对工程的监控，降低投资，缩短工期；依据电网中各 相关设备的实时状态信息，通过推理、智能决策产生多个可行的趋优化策略，利 用超实时仿真平台对控制的效果进行评估，并将评估的结果供调度人员参考，实 现调度的优化；根据电网设备的健康状况，进行综合评价，提出状态检修的辅助 决策和策略；根据用电客户的状态，综合考虑系统运行实际状态，实现多目标趋 优化( 有功潮流、无功潮流、电能质量和频率质量等) ，并将a v c 和a g c 作为综 合控制的手段，在保证供电质量的前提下，使系统运行在更加经济安全的运行点 上，保障系统运行方式的平稳调整，使得电网实现安全和经济运行指标的同步改 善【2 2 】。 图2 6 数字化电网的分析系统 2 3 数字化电网与供电企业 对于一个供电企业来说，它既要实现包括调度自动化、变电站自动化等在内 的数字化电网，又要实现包括人力财务管理等在内的企业信息化。前者侧重于对 电网一次、二次的实时监测、控制，后者则侧重于对生产和企业运营的管理。目 前的发展目标是二者分别实现。数字化电网是对电力系统生产过程的控制管理， 是对电网信息的收集，而统一收集到的数据则是企业信息化的一个基础，企业必 须借助这些数据才能达到进行决策和开展管理，从这个角度讲，二者又是密不可 1 5 数字化电网研究 分的。可以认为，供电企业同时实现了数字化电网和企业信息化之后，企业就进 入了一个更高的层次，这也是供电企业规模发展