智能电网信息物理融合系统建模与仿真研究.pdf

DOI ： 1 0 3 9 6 9 j is s n 1 0 0 9 - 9 4 9 2 2 0 1 4 1 2 0 1 9 智能电网信息物理融合系统建模与仿真研究 王海柱 ，蔡泽祥 ，何瑞文 ( 1 广东电网电力调度控制中心，广东广州 5 1 0 6 0 0 ；2 华南理工大学 电力学院，广东广州 5 1 0 6 4 0 ； 3 广东工业大学 自动化学院，广东广州 5 1 0 0 0 6 ) 摘要：随着间歇性电源、柔性负荷大幅接人电网，电力系统动态过程被大大加快，能量流与信息流的相互耦合成为智能电网的 的重要特征， 信息网络故障可能引发相继或连锁故障在信息网和物理网之间交替传播，导致信息物理耦合系统的崩溃 ， 严重威 胁电力系统安全运行。从能量流与信息流的关联度增加、电力系统动态过程加快、信息流全局性对能量流的影响三方面分析了 智能电网能量流与信息流的耦合特征， 对智能电网信息物理融合系统的建模需求 、现状和内容进行了分析，以2 2 0 k V 典型变 电站为实例研究了能量流和信息流的耦合机理和作用。 关键词：智能电网； 信息物理融合系统；智能变电站；I E C 6 1 8 5 0 中图分类号 ：T M7 1 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 99 4 9 2( 2 0 1 4)l 20 0 7 40 6 Re s e a r c h o n M o d e l in g a n d S imu l a t io n o f Cy b e r - P h y s ic a l S y s t e ms in S ma r t Gr id W ANG Ha i z h u 。 ，CAI Z e x ia n g 。 ，HE Ru i we n ( 1 G u a n g d o n g p o w e r g r id d is p a t c h c o n t r o l c e n t e r ，G u a n g z h o u 5 1 O 6 0 0 ，C h i n a ；2 S o u t h C h in a U n i v e r s it y o f T e c h n o l o g y ， G u a n g z h o u 5 1 0 6 4 0 ，Ch in a ；3 S c h o o l o f a u t o ma t io n ，Gu a n g d o n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o gy ，Gu a n g z h o u 51 0 0 0 6，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Wit h in t e r mit t e n t g e n e r a t io n，fl e x ib l e l o a d h a s a c c e s s e d t o p o we r g r id g r e a t l y，t h e p o we r s y s t e m d y n a mic p r o c e s s is a c c e l e r a t e d gre a t l y， a n d mu t u al c o u p l in g b e t we e n e n e r g y fl o w a n d in f o r ma t io n fl o w b e c o me s a n imp o r t a n t f e a t u r e o f s ma rt g dd I n f o r ma t io n n e t wo r k f a u l t ma y c a u s e s e q u e n t ial o r in t e r l o c k f a u l t a n d a l t e r n a t e t r a n s mis s io n be t we e n in f o rm a t io n n e t wo r k a n d p h y s ic a l n e t wo r k， wh ic h r e s u l t s in c y b e r -p h y s ic a l s y s t e ms c o l l a p s e a n d t h r e a t e n s t o t h e s a f e o p e r a t io n o f p o we r s y s t e m s e r io u s l y F ir s t l y， b a s e d o n t h e in c r e a s in g o f c o r r e l a t io n d e g r e e b e t we e n e n e r g y flo w a n d in f o r ma t io n flo w， t h e s p e e d u p o f p o we r s y s t e m d y na mic p r o c e s s a n d t h e in fl u e n c e o f g l o b a l in f o r ma t io n flo w o n e n e r gy fl o w， t h is p a p e r a n a l y z e s c o u p l in g f e a t u r e o f t h e s ma rt g ri d e n e r gy flo w a nd in f o r ma t io n flo wS e c o n d l y， t h is p a p e r a n a l y z e s mo d e l in g n e e d s ， a c t u a l it y a n d c o n t e n t o f s ma r t g ri d e y b e r -p h y s ic a l s y s t e ms L a s t l y ， t his p a p e r s t u d ie s t h e me c h a n is m a n d e f f e c t o f t h e mu t u al c o u p l in g b e t we e n e n e r gy f l o w a n d in f o rm a t io n flo w b a s e d o n a 2 2 0k V t y p ic a l s ma r t s u b s t a t io n Ke y wo r d s ： s ma rt g dd； C PS； s ma r t s u b s t a t io n； I EC 61 8 5 0 0 引言 智能电网是一个典型的信息物理融合系统 ( C y b e r P h y s ic a l S y s t e m，C P S ) ，其 一大特 征是 电 力能量流与信息流的相互耦合作用1- 31 。能量流与 信息流的耦合越紧密、电网规模越大，电力系统 面临的运行和控制 的风险越大 ，简单割裂其相互 影响的后果必然会降低电力系统的运行效率和可 靠性。因此建立信息流的数学描述方程，与能量 流数学描述方程 “ 联立求解” ，进而形成定量分析 国家 自 然科学基金项目 【 编号：5 1 3 7 7 0 2 6 ) 收稿 13 期 ：2 0 1 40 82 5 方法体系即是智能电网的 “ 数学形态” 4 - 6 1 。 C P S 架构下，信息流成为电力系统能量流闭 环链中必不可少的链接，能量流与信息流将深度 融合并相互影响，共同决定电力系统的功能和行 为特征 。而且 ，随着间歇式 电源 、柔性交流输 电 技术 和与实 时 电价相 关 的柔性 负荷 ( 如 电动 汽 车 、储能装置等)大规模接人 电网 ，电力系统动 态过程被大大加快 ，极度依赖于信息反馈和信息 决策 。再者 ，随着 一二 次设备 的网络化智 能 王海柱 等：智能电网信息物理融合系统建模与仿真研究 电力 化 ，物理能量系统与信息系统的耦合程度越加紧 密 ，信息网络故障可能引发相继或连锁故障在信 息网和物理网之间交替传播，导致整个耦合系统 的崩溃 ，严重威胁电力系统安全运行 。 能量流的分析已形成了一套完整的建模与定 量分析方法 ( 潮流 、短路 、稳定 、无功优化等 ) ， 其一大特征是 可以不依赖于 “ 实测 ”而能够有效 指导实际电网运行 ，具有 良好 的精度 ，成为电网 规划、运行、设计、设备制造的依据。显然，信 息流具有与能量流相似的分析评价需求 ，例如 ： 信息网络的 “ 运行方式”分析 ；设备选型、新 技术 管理模式评价等 ；目前分析手段局 限于实际 系统 的运行 “ 实测” ，难 以用数学 的手段定量分 析、比较、重现，难以找到关键影响因素、边界 约束条件等。因此，建立智能电网的信息物理融 合系统模型、定量分析能量流和信息流的耦合机 理 、相互作用十分重要 。 1 智能电网能量流和信息流的耦合 随着智 能电网的推进 ，可利用 的信息资源和 通信条件发生了根本性的变化，系统结构的复杂 性和信息的网络化传输也给电网故障辨识 、配置 的合理性和完备性 、对故 障类型和运行方式 的适 应性 和实时性带来挑 战 。在智能 电网的背景下 ， 能量流和信息流的耦合呈现 出以下特点 。 ( 1 )能量流与信息流耦合更加紧密 ，关联度 加大。智能电网的一次设备智能化、信息化，使 得 电压 、电流等电气量和开关状态 等非 电气量的 获取更为便利，电力系统逐步从实体化向虚拟化 发展 ，实体装置与逻辑功能的划分边界变得模 糊 ，逻辑 功能 的实 现不 再局 限于某 个特 定 的装 置 ，而是 分布在不 同的实体装 置内实现 。智能电 网在规划 、设计 、运行等不同阶段 中更多 以虚拟 化、逻辑化的姿态出现，能量流的交换和传递表 征为行为形态各异的信息流，信息流的交换和传 递通过反馈作用于能量流。另外，信息网络的引 入使得专业壁垒、地域壁垒模糊化 ，全 网信息共 享 、能量互通 ，智能 电网成为真正意义上 的一张 网，点点相关 ，环环相扣，能流量和信息流紧密 耦合 ，成为不可分割的整体 。 ( 2 )电力系统动态过程加快 ，动态特性更加 复杂，实时控制要求大幅提升。间歇性电源如风 电 、太 阳能等具有显著 的随机性和间歇性特点 ， 一 方面作为绿色清洁能源，其接人电网的比例大 幅上升将是大势所趋 ，另一方面 间歇性 电源大规 模接人 电网，对 电网的安全稳定运行造成极大的 冲击 ，对 电网的控制调节 能力提出更高的要求 。 电动汽车、储能装置、光伏电站等柔性负荷不仅 作为 电网的被服务者 ，同时主动参与电网运行控 制 ，实现与电网的双 向互动 ，这就要求 电网具备 与之相适应的控制方法和手段。非常规互感器等 先进传感设备能够通过较好的频率响应特性，真 实反映高频信号，为暂态量保护提供可靠依据， 与此同时，通信技术的高速发展，为电气量采样 值的可靠传输创造有利的条件 。 ( 3 )信息流的快速性 、全局性为能量流控制 提供新思路。远端线路发生短路故障， 从检测到 故障电流到继 电保 护动作 、断路器跳开等一系列 过程需要一定 的时间消耗 ，而信息流 的传播速度 远快于机 电暂态动作过程 ，电网内其他区域比能 量流传播更早获知此信息，这就为广域保护等新 型控制方法提供了可能。电网规模越来越大 ，结 构越来越复杂 ，运行方式灵活多变 ，常规继电保 护依靠 整定值大小和时间长短配合 的方式不能有 效跟踪 系统运行方式的变化 ，可能出现保 护失配 或者灵敏度不足的情况。智能电网信息互联 、互 通 ，全 网信息共享 ，如何有效 利用 区域乃至全局 信息设计智能电网的保护控制系统将是一个全新 的课题。 传统的只是在 电力系统分析模型 中简单考虑 保护控制的时序动作逻辑或通信传输 的时滞特 性 ，已经不能够解决智能电网电力系统能量流和 信息流 的交互机理 。而且 ，随着智能电网建设 的 不断推进 ，以信息流为载体的电力系统信息物理 融合 系统 的有效性 和布局 形态 问题也 不能再 回 避，有必要重新思考和解决信息物理融合系统的 实时性 、可靠性和安全性问题。 2 智能电网信息物理融合系统的建模分析 ( 1 )信息物理系统的建模需求及现状 电网一次系统能量流分析方法构成了电力系 统分析的基本框架 ：1 )潮流计算。潮流计算不仅 可以检验 电力系统规划方案对各种运行方式 的适 应性 ，还可以分析负荷和网络结构的变化对系统 电力电网 的影响 ，判断母线过电压 、线路等元件过负荷， 以及制定相关的预防控制策略等。2 )稳定计算。 通过对功角稳定性 、频率稳定性 、电压稳定性进 行分析 ，解决功角抖动造成的大面积停电、频率 下降造成的系统崩溃、电压下降造成的地区停电 等问题 ，为电力系统安全和稳定运行提供保障。 3 )短路计算 。短路计算 的目的是为了正确选择和 校验电气设备，准确地制定供配电系统的保护装 置 ，避免在短路电流作用下损坏电气设备，保证 供配电系统中出现短路时，保护装置能可靠动作。 与能量流对于一次系统 的作用相似 ，信息流 对于二次系统同样重要：1 )稳态分析，通过信息 流的稳态分析，研究信息流的流量分布，让网络 方案设计、设备选型、薄弱环节提升等有据可 依 ，摆 脱依赖 设计 、工程人 员凭 经验判 断 的困 境 ；2 )动态分析，通过对信息流的延时、丢包、 误码率、路径等动态性能的分析，为故障分析与 重演 、调度策略设计 、网络性能分析等提供定量 依据 ，改变二次系统依赖第三方的网络测试仪实 测的尴尬现状；3 )优化控制，以信息流分析方法 为载体 ，分析电力系统信息流特点，提出与电力 系统业务应用需求 匹配 的交换技术 ，彻底扭转 电 力系统运维依靠通信 网络 自身性能 “ 尽力而为” 、 交换过程无法监控 的局面。 能量系统是一个连续系统 ，通过微 积分等构 建了一套成熟完整的能量流建模仿真定量分析方 法 ，如 B P A ( B o n n e v il l e P o w e r A d min is t r a t io n )具 备 电力系统稳态 、电磁暂态 、机电暂态以及 中长 期动态 、短路 电流计算 、电压稳定计算和频域计 算等交直流电力系统全过程仿真能力 。信息系统 是一个离散 系统 ，通过有限状态机 的事件驱动机 制构建了一套完整的信息流建模仿真定量分析方 法 ， 如 O P N E T ( O p t imiz e d N e t w o r k E n g in e e ri n g T o o l s )模型库包括路 由器 、交换机 、服务器 、客 户机、 A T M( A s y n c h r o n o u s T r a n s f e r Mo d e ) 、 D S L ( D i g i t a l S u b s c r i b e r L i n e ) 等通信网络重要设备和 T C P I P ( T r a n s mi s s io n C o n t r o l P r o t o c o l I n t e r n e t P r o t o c o 1 )等重要协议 ，能完整描述信息在通信网络 的交换全过程。然而，由于能量流与信息流的耦 合模型缺失 ，目前 ，一般将成熟 的电力系统和通 信网络动态仿真程序结合，在同步机制下实现混 合 仿真 ，如 P S C A D ( P o w e r S y s t e ms C o mp u t e r A id e d D e s ig n ) E MT DC ( E l e c t r i c M a g n e t i c T r a n s ie n t o f D i r e c t C u r r e n t ) 与 N S 2 ，B P A与 N S 2 ，P S C A D E M T D C 与O P N E T 等。精细化混合仿真有助于研究通信网 络与电力系统的相互作用 ，设计控制保护方案， 优化整体系统设计。但是由于能量流分析方法不 具备信息流模型 ，信息流分析方法也不具备能量 流模型，联合仿真不能反映能量流与信息流的耦 合机 理和作 用 ，只将两 者仿真 的结果 半实 时交 互 ，与实际出入较大。因此 ，本文提出通过建立 信息物理融合系统模型，在信息流仿真软件中建 立两者耦合模型，解决信息物理融合系统的定量 分析问题的方法。 ( 2 )信息物理系统的建模内容 本文讨论在信息系统仿真平 台上 ，建立反 映 能量 流与信息流耦合机理与作用 的信息流模 型 ， 主要建模内容包括三部分 。 1 )反映物理系统动态特性的设备建模。在信 息 物 理 系 统 中 ，I E D ( I n t e l l ig e n t E l e c t r o n ic D e v ic e )是 电力 系统业务实现 的载体 ，比如 承担电 力系统保 护功能的继电保 护 I E D、负责开关 跳合 的智能操作单元I E D 、执行远动指令的测控I E D 等。一方面 ，I E D模型遵循 I E C 6 1 8 5 0 、I E C 6 0 8 7 0 等标准完成电力系统业务对应的信息生成 、封 装 、传 输 、解 析 、提取 的全生命 过程 ，执行 指 令，形成闭环；另一方面，I E D体现设备数据处 理机制与能力 ，比如 I E D的光 口或者 电 口的数据 收发能力 、缓存数据 的内存大小 、数据处理 的先 后次序等 ，完整体现电力 系统业务信息流在 I E D 中的处理过程和性能。 2