电网智能调度自动化系统研究现状及发展趋势.pdf

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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/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

2、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

3、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

4、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.1Relationship between system complexity andability 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.2Relationship between

5、 stress level andspeed 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logic2

6、basedsystem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.34No.9May 10,2010 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/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

7、、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 Kue16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

8、制中心AC2研究美国PJM公司的先进控制中心(advancedcontrol 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

9、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

10、。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

11、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EMS20。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

12、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

13、、输电断面的监视和告警,备用容82010,34(9)1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/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

14、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

15、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

16、、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

17、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.3Architecture of intelligent dispatch control center4.1 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

18、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

19、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.http:/展现层包括智能界面引擎及展示引擎。界

20、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

21、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

22、 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

23、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

24、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.ERPIs intelliGrid program EB/OL.2009202203.http:/.2 U.S.Department of Energy.The U.S.department of energysGridWise program EB/OL.2009202203.http:/www.gridwis

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34、coordination.Automation of Electric Power Systems,2007,31(13):127.21 FOSTER I,KESSELMAN C,TUECKE S.The anatomy ofthe grid EB/OL.2009211201.http:/www.globus.org/alliance/publications/papers/anatomy.pdf.22 PARASHAR M,LEE C A.Special issue on grid computing.Proceedings of IEEE,2005,93(3):4792484.23 FOS

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38、息化、人工智能技术在电力系统的应用。E2mail:tt3220 郭创新(1969),男,通信作者,教授,博士生导师,主要研究方向:智能电网和分布式能源并网、智能信息处理技术在电力系统中的应用。E2mail:guochuangxin 曹一家(1969),男,教授,博士生导师,主要研究方向:电力系统稳定与控制和信息技术在电力系统中的应用。Current Status and Development Trend of Intelligent Dispatching Automation System of Power SystemMA Taotao1,GUO Chuangxin1,CAO Yijia

39、1,HA N Zhenxiang1,QIN J ie2,Z HA N G Wangjun2(1.Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;2.Control Center of Shanghai Municipal Electrical Power Company,Shanghai 200122,China)Abstract:In the context of smart grid,dispatching automation system as the basis for operation and control of power grids wi

40、lldevelop towards an intelligent direction.This paper reviews the domestic and international practices of power system intelligentdispatch.The demands for intelligent dispatch and factors to be taken into account are discussed.The sub2hierarchy and thekey technologies involved in intelligent control

41、 center are also described.This work is supported by National Natural Science Foundation of China(No.50677062),New Century Excellent Talentsin University(No.NCET20720745),Natural Science Foundation of Zhejiang Province(No.R107062),National HighTechnology Research and Development Program of China(863 Program)(No.2008AA05Z210)and Doctorate Fund of theMinistry of Education(No.20090101110058).Key words:smart grid;intelligent dispatch;dispatching automation11 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