电网智能调度自动化系统研究现状及发展趋势.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 电网智能调度自动化系统研究现状及发展趋势 马韬韬1 郭创新1 曹一家1 韩祯祥1 秦 杰2 张王俊2 1 浙江大学电气工程学院 浙江省杭州市310027 2 上海市电力公司调度通信中心 上海市200122 摘要 调度自动化系统作为电网运行控制的基础 在智能电网背景下将向智能化的方向发展 文 中综述了国内外电网智能调度的实践情况 对智能调度的需求 考虑因素等若干问题进行了探讨 提出智能调度中心的层次结构 并对智能调度中心涉及的关键技术进行了阐述 关键词 智能电网 智能调度 调度自动化 收稿日期 2009209220 修回日期 2010203229 国家自然科学基金资助项目 50677062 新世纪优秀人才支 持计划资助项目 NCET20720745 浙江省自然科学基金资 助项目 R107062 国家高技术研究发展计划 863计划 资 助项目 2008AA05Z210 教育部博士点专项基金资助项目 2009010111058 0 引言 近年来 国外政府部门和科研机构纷纷提出了 各自的智能电网战略 126 中国国家电网公司提出 以特高压电网为骨干网架 各级电网协调发展的坚 强电网为基础 利用先进的通信 信息和控制技术 构建以信息化 自动化 互动化为特征的国际领先 自主创新 中国特色的坚强的智能化电网 调度是电网运行的中枢 调度自动化系统作为 电网运行的基础 已经取得了长足进步 但当电网处 于非正常状态时 仍需依赖人工经验进行判断和处 理 随着电网规模日益扩大 依赖人工经验和认知 的有效性将急剧下降 例如 2008年8月14日北 美大停电 从事故征兆到最终电网解列 前后近4 h 其间各自动化设备 调度人员获取的信息都不够充 分 无法判断出整个事态的严重性和发展趋势 7 狭义的智能调度指调度人员的辅助决策 在智 能电网的背景下 广义的智能调度包括调度各应用 业务的智能化 1 狭义智能调度实践 1 1 调度人员辅助决策的需求 面对日益庞大和复杂的电网 尤其是当电网出 现紧急情况时 调度人员在短时间内需要处理海量 的信息 容易出现认知障碍 8 在这种情况下 即使 经验丰富的调度人员 要保证及时 准确地进行决策 也力不从心 从认知学角度看 随着系统复杂性的 增加 人的认知和判断能力随之下降 8 见图1 图1 系统复杂度与人工干预能力的关系 Fig 1 Relationship between system complexity and ability of human judgment 国外学者研究表明 9 当压力过大时 调度人员 的反应速度将急剧下降 两者关系如图2所示 图2 压力水平与调度人员反应速度的关系 Fig 2 Relationship between stress level and speed of human response 面对巨大的压力 即使训练有素的调度人员要 及时判断问题的根源也很困难 同时 随着调度人 员的工作调动或退休 其积累的经验很难形成知识 并在组织内传承 因此 调度人员辅助决策是智能 调度最基本的需求 1 2 开发实践 文献 10 提出了调度机器人 AO 的概念 AO 利用机器学习的方法 在线自动学习电力系统的运 行情况 美国电力公司 加拿大Quebec电力公司 利用 决策 树 的 原 理 基 于 广 域 相量 测 量 系 统 WAMS 进行电压稳定实时预测 8 华盛顿大学 开发了基于knowledge2based system和logic2based system原理的智能系统 11 分别是用于安全评估 故障诊断和电力系统保护 Sakaguchi和Matsumoto提出了基于调度人员 7 第34卷 第9期 2010年5月10日 Vol 34 No 9 May 10 2010 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 经验和操作规则训练的专家系统 用于电网故障恢 复时的决策支持 12 Wallenberg和Larson则搭建 了对能量管理系统 EMS 报警信息进行智能化理 解和处理的专家系统原型 12 法国电力公司研究了决策树 专家系统在电网 稳定 评 估 和 决 策 中 的 应 用 以 及rule2based和 knowledge2based专家系统各自的优缺点 13 美国 Empros电力控制中心在如何将智能工具与现有 EMS有效结合方面做了大量工作 14 法国电力公 司 德国电力公司和新加坡电力公司的故障诊断系 统相继投入了使用 15 苏格兰电力公司采用 i Kue 16 解决方案对调度人员 工程师的经验进行知 识化整理 以期实现知识在组织内部的传承 狭义智能调度为调度人员提供辅助决策 该类 方法的关键是基于样本训练和机器学习 属于人工 智能在电力系统的应用 使得调度中心具备了一定 的智能化水平 2 广义智能调度实践 2 1 美国PJM调度控制中心AC2研究 美国PJM公司的先进控制中心 advanced control center AC2 是一套资产和资源的集成系 统 其特点是 保持业务的连续性 通过准同步运 行的方式 逐步替代原有控制中心的系统 提供全面 的业务连续性能力 开放 模块化的软件架构 采 用 积木 的设计思想 强调不同软件供应商的互操 作性 AC2通过边界防护 应用与数据保护 监视 与管理 访问与授权等手段 提高安全性 2 2 美国电力科学研究院智能控制中心 美国电力科学研究院提出的智能输电网由智能 控制中心 智能变电站 智能一次输电网组成 作为 智能输电网神经中枢的智能控制中心的特点是 监视及可视化 采用基于相量测量单元 PMU 的 状态测量采集替代传统的基于数据采集与监控 SCADA 系统和远动终端单元 RTU 的数据进行 状态估计 状态测量结果在地理信息系统 GIS 中 混合显示 实现真正的可视化 评估分析 智能控 制中心的在线分析实现模型的动态更新 在线考虑 系统未来的运行状态 使真正的中短期控制成为可 能 控制性 通过最优协调分布在系统中的多种控 制设备 实现优于传统控制中心的对电网的可控性 良好的交互性 包括与变化的业务结构的交互 以 及与配电网内灵活接入的新能源的交互 2 3 智能电网调度支持系统 2008年2月 国家电力调度中心启动了智能电 网调度技术支持系统的研究 17 该系统包括一体 化技术支持系统基础平台和高级应用功能2部分 基础平台分为8个模块和2个基本应用 分别是商 用数据库管理 实时数据库 系统管理 消息总线 服 务总线 公共服务 人机界面 安全防护 数据采集与 交换 SCADA 高级应用功能包括实时监控与预 警 调度计划 安全校核 调度管理 2 4 国网电力科学研究院大停电防御框架 国网电力科学研究院提出了时空协调的大停电 防御框架 18 该框架将SCADA系统 EMS扩展到 动态范畴的DSCADA DEMS 采集和处理广域的 静态和动态信息 通过扩展等面积准则 EEAC 算 法实现在线的稳定量化分析以及预决策 通过在线 预算 实时匹配的策略实现稳定控制的自适应优化 及协调 2 5 南方电网综合防御框架 南方电网针对其复杂的交直流混合输电的特 点 提出综合协调防御系统框架 19 该系统的中心 站由1个广域综合信息平台和7个功能子系统构 成 7个功能子系统包括 安全稳定实时监测与预 警子系统 在线预防控制与辅助决策子系统 安全稳 定控制在线协调与优化子系统 超短期安全稳定态 势预测与辅助决策子系统 基于在线数据的电网运 行离线研究与辅助决策子系统 实测数据离线综合 应用研究子系统 电力交易计划安全校核子系统 2 6 三维协调的电网EMS 清华大学电网调度自动化实验室提出了三维协 调的新一代EMS 20 该系统能够适应电网在空 间 时间和目标3个维度上的特点进行多方面协调 的综合预警和智能辅助决策 是基于全局优化的实 时闭环控制系统 其关键技术包括 基于3维分解协 调的体系设计 电网模型重建 综合分析 预警 决 策 无功电压优化闭环控制 有功优化闭环控制 基 于多智能代理和计算机集群的支撑平台 3 智能调度若干问题的思考 3 1 智能调度的需求分析 智能调度应用业务主要包括实时监测 分析与 评估 调整与控制 调度计划和调度管理 17 实时监测是指对电网运行的实时状态进行监测 和报警 其需求包括电网运行稳态监视 动态监视 辅助服务监视和对下级电网运行情况的在线监视 等 以及电网二次设备状态监视 脱硫 煤耗 烟气 供热等在线监测 对非电网但影响到电网运行的实 时信息进行监视 包括气象预报和实时气象卫星云 图信息 雷电监测等功能 在监测的基础上提供报 警功能 包括 设备 输电断面的监视和告警 备用容 8 2010 34 9 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 量和负荷变化情况及分布的监视与告警 灾害影响 电网的范围 程度和设备的监视 低频振荡的监视与 告警 针对电网故障的综合告警等 在实时监测信息和离线信息的基础上对电网进 行实时 前瞻或者研究模式下的分析与评估 其需求 主要包括电网静态计算分析 大电网在线安全稳定 预警 大电网运行潜力分析与运用 电网运行方式安 排计算 保护及安全自动装置的整定计算 运行分析 评估 专业及调度人员的培训和考核 反事故演习 调整与控制是指对电网运行方式进行调整控 制 包括智能操作票 事故处理 用电负荷控制 二次 设备控制 自动发电控制 AGC 电压频率控制等 调度计划主要是制定电网运行策略 其功能包 括负荷预测 系统和母线 水情预报 发电计划 含 水电计划 供 用 电计划 检修计划 辅助服务计 划 交换计划 安全校核 电能量统计分析 考核与结 算管理 信息发布 对分布式能源的调度等 调度管理包括调度生产资料和管理资料的管 理 运行值班管理 网站管理及信息发布 统计报表 并网协议管理 小水电及新能源管理 故障及缺陷管 理 检修管理 网损管理 电网前期管理 新设备启动 管理 电网原始参数管理 无功电压管理 限额管理 电网二次设备管理 3 2 智能调度的考虑因素 智能调度系统设计规划时 应考虑以下因素 智能调度应以调度应用为出发点 分析调度业务 的需求 技术为应用服务 智能调度应以现有调度 自动化系统为基础 是对现有调度自动化系统的提 升 解决现有调度自动化系统的不足 如维护工作量 大 系统内部的模型及编码不统一等 智能调度应 适应未来电网的发展 未来电网含大量分布式能源 要求能够良好地与用户进行交互 调度时兼顾安全 经济 对环境友好等原则 以及对黑客入侵的防范 等 都是智能调度系统设计时需要考虑的因素 3 3 智能调度的技术要求 智能调度自动化系统应降低实施及维护成本 提供业务连续性 具有高效的用户界面 兼容行业标 准 降低对操作系统的依赖性 能够实现高水平的互 操作以及软件模块的重用 架构应具备可扩展性 灵 活性 开放性 平台无关性 高度安全性特点 3 4 智能调度的研究模式 国内外智能调度的实践主要包括2种研究模 式 由外向内模式 如政府主导型和研究机构与厂 商合作型 这类研究的典型特征是 建立新的不同于 以往系统的原型系统的开发思路 原型系统建成达 到预期效果后 电网公司再引入其新的成果 内部 自发模式 是电网公司根据自身运行中发现的问题 和已有自动化系统的不足 对系统进行改造 4 智能调度中心的层次结构 智能调度首先应该是调度中心的智能化 应从 数据流和业务需求的角度对智能调度中心的层次结 构进行分析设计 智能调度中心的层次结构如图3 所示 包括系统级支撑平台和高级应用功能集合 图3 智能调度中心的层次结构 Fig 3 Architecture of intelligent dispatch control center 4 1 基于数据流的系统级支撑平台 电网控制中心的数据包括未经处理的原始实时 数据及历史数据 应用类数据 通常是经处理的应用 数据 如分析态 培训态 规划态数据 交换数据 与 三区 四区交换的数据 同时还包括各类电网模 型 智能电网背景下还需要对各类数据进行融合 数据流和模型驱动了整个调度中心的业务流程 因此 系统级支撑平台为应用支撑平台提供系 统级的功能 包括硬件层 数据资源中心 数据引擎 3个主要部分 硬件层包括服务器 工作站 计算机 集群 统一存储设备 路由器 交换机等计算机和通 信物理设备 数据资源中心包括数据采集层 实时数 据库 历史数据统一存储 应用数据库 存储各类应 用数据 数据交换平台等 数据引擎采用总线方式 为各类应用提供数据及模型驱动各类高级应用业 务 提供数据流 数据及模型搜索 定制功能 智能引擎采用在线及离线机器学习模式 学习 电网运行规则 为调度人员的辅助决策提供知识库 4 2 基于调度业务的高级应用功能 按上述电网调度应用业务需求将高级应用功能 划分为实时监测 分析与评估 调整与控制 调度计 划和调度管理5部分 这些功能既包括已有的电力 系统高级应用功能 如实时状态估计 不良数据辨 识 网络拓扑与动态着色 预想故障分析 潮流计算 电压调节能力充裕度校核 短路电流计算与保护定 值校核 理论线损计算 超短期负荷预测 母线负荷 预测 网络重构等 也包括智能电网背景下的风力出 力预测 含分布式能源的调度 智能报警 智能故障 诊断 电网机器学习等功能 各应用之间采用面向 服务架构 SOA 方式进行封装 实现相互调用 9 专题研讨 智能电网 马韬韬 等 电网智能调度自动化系统研究现状及发展趋势 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 展现层包括智能界面引擎及展示引擎 界面引 擎提供灵活的界面集成及定制功能 为不同的业务 人员定制集成不同的界面 实现唯一的界面入口 展 示引擎提供基于GIS的可视化 虚拟现实展示 5 智能调度中心的关键技术 5 1 信息及计算机关键技术 电力系统对实时性的要求非常高 其本身的复 杂度要求所采用的平台具有强大的计算能力 集群 计算机 网格计算 21223 技术为应用提供强大的计算 能力支持 数据引擎的实现依赖于数据总线 消息 总线 服务总线技术 智能控制中心前置的通信接 入方式包括光纤以太网 电力宽带 3G及4G无线 通信等 安全防护则由入侵检测 多级防火墙 操作 记录等技术组成 电网的控制系统属于典型的分布式环境 24 目前 针对分布式系统开发的技术包括简单对象访 问协 议 SOAP 公 共 对 象 请 求 代 理 结 构 CORBA 组件对象模型 分布式组件对象模型 COM DCOM 中 间 件 25 组 件 技 术 26 等 COM DCOM是组件模型标准 CORBA是分布式 应用的服务标准 CORBA和DCOM为分布式应 用程序建立服务 服务对象来执行客户端调用的服 务 SOAP是基于可扩展置标语言 XML 和超文 本传输协议 HTTP 的分布式对象之间的通信协 议 是COM DCOM与CORBA对象进行通信的协 议 实际上 利用SOAP的互操作性和CORBA强 大的执行能力 两者可以很好地结合在一起 对象 管理组织 OMG 正在关注这方面的发展 27 5 2 数据及模型关键技术 IEC 61970 IEC 61968 IEC 61850和公用信息 模型 CIM 28230 等系列标准 统一命名规范 电网公 共模型和数据统一建模 4级模型 网调 省调 地 调 县调 及图形拼接等技术在智能调度中心的数据 资源中心的实现 使得各级调度中心基础数据的源 端维护 全网共享成为可能 数据及模型是电力业务的核心 不轻易随调度 自动化系统的更新换代而改变 因此 在进行智能 调度中心层次设计时 应对数据及模型进行有效的 规划及梳理 保证数据及模型的质量 才能确保高级 应用功能的数据源的可靠性 5 3 电力系统高级应用关键技术 电力系统高级应用的关键技术包括很多方面 如基于静态 动态和继电保护安全自动装置信息的 电力系统综合智能报警技术 安全稳定在线综合预 警技术 故障快速诊断技术 高精度母线负荷预测技 术 风力发电预测技术 电网运行优化关键技术 检 修计划安全校核技术 基于状态检修的检修计划编 排及优化技术 电网分析及大规模仿真技术 节能优 化调度技术 含分布式能源的调度技术等 这类技 术的核心是算法 算法的差异会导致不同的应用效 果 在技术实现时应对算法的优劣进行深入比较 6 结语 智能电网掀起了电力工业界新一轮革命的浪 潮 而智能调度的概念也从狭义的调度人员辅助决 策拓展到调度各业务的全面智能化 智能调度应以 调度业务的需求为出发点 不应单纯考虑技术的先 进性 技术应为应用服务 智能调度是现有调度自 动化系统的全面提升 进一步深化信息化 数字化工 作 智能调度的核心是智能调度中心 智能调度中 心的支撑平台应从数据流的角度进行层次划分 高 级应用功能则是调度业务需求的体现 同时 智能 调度应该考虑未来电网发展的需要及面临的挑战 为驾驭未来电网提供切实有效的保障 参 考 文 献 1 ERPI ERPI s intelliGrid program EB OL 2009202203 http www 2 U S Department of Energy The U S department of energy s GridWise program EB OL 2009202203 http www gridwise org 3 European Commission European technology platform smart grids vision and strategy for Europe s electricity networks of future EB OL 2008210210 http ec europa eu research energy pdf smartgrids en pdf 4 U S Department ofEnergy NationalEnergyTechnology Laboratory Modern grid initiative a vision for modern grid EB OL 2008206201 http netl doe gov moderngrid docs 5 EPRI Profiling and mapping of intelligent grid R 2 Control Center of Shanghai Municipal Electrical Power Company Shanghai 200122 China Abstract In the context of smart 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