山東智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)關鍵技術研究

張　強，邱夕兆，劉紅軍，延　峰，馬曉紅

（山東電力調度控制中心，濟南　250001）

山東智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)關鍵技術研究

張強，邱夕兆，劉紅軍，延峰，馬曉紅

（山東電力調度控制中心，濟南250001）

隨著“外電入魯”進程加速，含特高壓交直流電網(wǎng)的大電網(wǎng)調度控制對控制系統(tǒng)不斷提出新的要求。介紹山東已投運的智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)，從軟硬件架構、數(shù)據(jù)平臺技術、人機交互及可視化技術3個方面闡述系統(tǒng)平臺關鍵技術及應用情況。結合山東電網(wǎng)“十三五”調控應用需求分析提出平臺技術研發(fā)方向，以期為相關研究建設工作提供參考。

電力系統(tǒng)；智能電網(wǎng)；調度控制；平臺

0　引言

“十二五”期間，山東智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)主調、備調分別在濟南、濰坊全面建成并投入使用。系統(tǒng)基于統(tǒng)一基礎平臺構建各類核心應用功能［1］，改變了原來十余套系統(tǒng)并存的局面；并具備上下級遠程調閱功能，實現(xiàn)了調控系統(tǒng)業(yè)務的“橫向集成、縱向貫通”，有力支撐了省調內部及多級調度聯(lián)合業(yè)務的開展，是“大運行”體系建設的重要成果之一。

作為各項應用功能的支撐和基礎，系統(tǒng)平臺采用了多種先進、適用技術；隨著“十三五”調控運行對智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)提出的新需求，系統(tǒng)平臺面臨新的挑戰(zhàn)。從系統(tǒng)軟硬件架構、數(shù)據(jù)平臺、人機交互及可視化等3個方面闡述系統(tǒng)平臺關鍵技術，并結合應用需求分析技術發(fā)展方向，以期為相關研究和建設提供參考。

1　系統(tǒng)架構

計算機是實現(xiàn)調度自動化系統(tǒng)的物理載體。幾十年來，計算機軟硬件技術不斷進行著更新?lián)Q代，其每一次發(fā)展和進步都成為調度自動化系統(tǒng)發(fā)展的有力助推器。

自20世紀80年代以來，電網(wǎng)調控中心一直采用主備機模式，但現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展對高性能計算的要求越來越高，而單體計算機的速率已接近飽和，需要采用多處理機并行計算。如圖1，智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)的硬件架構采用服務器集群方式?；诙嘀悄艽恚∕AS）的軟件管理模式［2］，各服務器在統(tǒng)一的任務分配下并行處理相應業(yè)務。服務器間通過廣播傳遞心跳報文，對應用狀態(tài)進行管理。管理算法是分布式的，系統(tǒng)根據(jù)優(yōu)先級和設定算法保證有且僅有一臺主機。在進程管理方面，主動匯報進程周期調用匯報接口進行進程狀態(tài)匯報。被動監(jiān)視進程由進程管理程序定期判斷是否在運行。在網(wǎng)絡管理方面，系統(tǒng)的雙網(wǎng)管理采用bonding技術，將多塊網(wǎng)卡通過綁定虛擬成一塊網(wǎng)卡，可以有效實現(xiàn)負載均衡，提高機器的網(wǎng)絡吞吐量和可用性。

圖1　基于集群機的高性能計算硬件體系結構

該平臺軟硬件架構已在山東智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)得到應用，但在電網(wǎng)互聯(lián)程度日益加深的情況下，新的應用需求迫切要求該體系架構得到進一步擴充和發(fā)展。

從系統(tǒng)建模角度，現(xiàn)有各級調控中心EMS系統(tǒng)多基于弱互聯(lián)電網(wǎng)階段需求建設而成，各自按調度管轄范圍分別獨立建模。而隨著電網(wǎng)互聯(lián)程度的逐漸加強，尤其是“十三五”期間“外電入魯”戰(zhàn)略的實施，山東電網(wǎng)將更緊密融入國家電網(wǎng)，大電網(wǎng)在線安全穩(wěn)定分析應成為調度員的必備工具；另一方面，從管理角度，正在進行的“大運行”體系建設也對深入掌握各級電網(wǎng)運行信息提出了要求。上述需求都對擴充電網(wǎng)建模范圍提出了客觀要求，而這僅靠某一級調控中心獨立建模是難以完成的，迫切需要實現(xiàn)模型的共享。從系統(tǒng)架構角度，應充分利用流行的“云計算”技術［3-4］，在現(xiàn)有體系架構之外搭建由若干其他服務器構成的計算云，通過平臺提供的總線和代理服務，各級調度系統(tǒng)所構建的模型可同步上傳到云中心，并根據(jù)分析需要訂閱和下載自身需要的電網(wǎng)模型。

目前，山東省調已開始研究基于云計算技術的電網(wǎng)模型中心建設方案，目標是實現(xiàn)各級電網(wǎng)建模的“物理分布、邏輯統(tǒng)一、分布維護、實時共享、按需取用”。預期將來基于全網(wǎng)大模型的電網(wǎng)分析計算將承載于大量的廣域分布式計算機上，具備前所未有的計算能力、可擴展性、廉價性。

2　數(shù)據(jù)平臺技術

2.1RTU/SCADA

基于RTU的SCADA是電網(wǎng)調度自動化系統(tǒng)的基礎，負責采集和處理電力系統(tǒng)運行中各種實時和非實時數(shù)據(jù)，是電網(wǎng)調控中心各種在線應用軟件主要的數(shù)據(jù)來源。按調度管轄范圍，目前山東省地EMS系統(tǒng)的SCADA采集信息涵蓋山東電網(wǎng)從500 kV到10 kV各電壓等級發(fā)電廠、變電站、風電場、光伏電站和抽水蓄能電站，并且通過直采或轉發(fā)方式獲取周邊外網(wǎng)廠站、銀東直流相關量測數(shù)據(jù)。SCADA及在此基礎上的狀態(tài)估計信息是調控運行人員監(jiān)視、分析、控制電網(wǎng)的最重要基礎信息。在調度端起到調度員“眼睛”和“耳朵”的作用，同時在廠站端又承擔執(zhí)行調度指令的“手”和“腳”的功能。SCADA覆蓋了所在電網(wǎng)各電壓等級，并可與聯(lián)網(wǎng)的其他系統(tǒng)交換所需要的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信息比較全面；SCADA信息的采集與管理有相對規(guī)范的隊伍進行維護和完善，確保其運行的可靠。

隨著大電網(wǎng)調度控制對穩(wěn)態(tài)實時數(shù)據(jù)精確度、同時性要求不斷提高，下一步SCADA研究和建設重點為：

1）RTU采集數(shù)據(jù)帶時標，逐步實現(xiàn)與PMU采集數(shù)據(jù)的融合。不同RTU數(shù)據(jù)采集的同步性可以達到20 ms以內，RTU中的模擬量采集和傳輸頻率可以達到5 Hz，測量數(shù)據(jù)都在測控裝置側打上時標。

2）RTU、PMU和在線狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)（系統(tǒng)輸變電在線監(jiān)測模塊提供）融合形成廣義SCADA。廣義SCADA可應用于電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)視、設備健康診斷和壽命估計?；趶V義SCADA數(shù)據(jù)，可以在線修正線路的熱穩(wěn)定極限，進行設備的健康狀態(tài)、故障率預測等，并以此實現(xiàn)在線運行風險評估與調度計劃優(yōu)化決策。

另外，在廠站端，分布式智能控制模式是SCADA的一個發(fā)展方向［5］。廠站設備元件配備含操作系統(tǒng)的處理器和傳感器，每個元件構成一個獨立的智能單元，在集中控制計算機的協(xié)調下，可將采集到的設備狀態(tài)信息與鄰近元件交互，從而在廠站端即可構建與一次電網(wǎng)設備運行狀態(tài)相適應的電網(wǎng)模型，并可將該模型和數(shù)據(jù)信息上傳調度端。這是物聯(lián)網(wǎng)思想在電網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中應用的一個體現(xiàn)，提升對廠站內設備狀態(tài)感知智能化程度的同時，有望將原來在調度端構建的電網(wǎng)模型前移至廠站內，為智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)“源端維護”提供更有利的條件。

2.2PMU/WAMS

PMU（Phasor Measurement Unit）同步相量測量單元，是以同步時鐘為基準，高速通信為通道，采集、測量和發(fā)送發(fā)電廠和變電站電壓、電流幅值和相角、發(fā)電機功角等電氣量的一種裝置。WAMS（Wide Area Measurement System）廣域測量系統(tǒng)，是以PMU信息為基礎，實現(xiàn)電網(wǎng)動態(tài)運行監(jiān)視、擾動識別等功能的動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的RTU/SCADA是電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)的主要來源，可以滿足電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)分析的需要，但RTU測量速率太慢，時標不同步，不能滿足電網(wǎng)快速穩(wěn)定控制的需要。PMU通過GPS對時，可以獲取帶時標的數(shù)據(jù)，以毫秒級速度采集電網(wǎng)發(fā)生的電量動態(tài)變化信息。因此，PMU/WAMS具有高密度數(shù)據(jù)采集、高精度時標同步的特征，相對于RTU的“X射線”級質量監(jiān)測，PMU可以提供“核磁共振成像”質量等級的電力系統(tǒng)監(jiān)測，是電網(wǎng)調度控制中心動態(tài)數(shù)據(jù)的主要來源，為實現(xiàn)電力系統(tǒng)廣域監(jiān)測、分析和決策提供基礎。

目前山東PMU信息覆蓋范圍包括500 kV變電站（500 kV出線、500 kV母線、主變高壓側）、各統(tǒng)調電廠（發(fā)電機、220 kV以上母線、出線）、220 kV電壓等級并網(wǎng)風電場（母線、出線）的電壓、電流、有功、無功?，F(xiàn)場采集精度可達到100幀/s，目前省調主站采集精度為25幀/s。在應用方面，PMU信息與RTU信息是互補關系，前者主要用于一次調頻、低頻振蕩、電網(wǎng)動態(tài)運行等監(jiān)視，后者則主要作為電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)監(jiān)視和分析；同時二者共同作為綜合智能告警模塊的數(shù)據(jù)源，為故障判斷提供依據(jù)。相比RTU/SCADA，PMU/WAMS在電力系統(tǒng)的應用還處于初級階段，但就監(jiān)控功能而言，PMU/WAMS的出現(xiàn)有效提高了在低頻振蕩監(jiān)視、無功備用和電壓穩(wěn)定監(jiān)視、系統(tǒng)頻率和區(qū)域之間頻率變化的監(jiān)視等應用方面的速度和精度。

隨著“外電入魯”建設的加速，“十三五”期間山東電網(wǎng)將初步形成與國家電網(wǎng)緊密耦合的特高壓混合大受端電網(wǎng)，電網(wǎng)調度控制對PMU信息的要求將日益提高。特高壓交直流WAMS中各測點和分析中心站之間需要傳輸交換海量數(shù)據(jù)，主要包括監(jiān)測站點的電壓相量、頻率、主要電氣元件的潮流數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)的準確時標等信息，而且數(shù)據(jù)包的傳輸間隔也將達到毫秒級。目前的通信手段一方面需要加快光纖通信的建設；另一方面，需要考慮分布式的應用以緩解通信壓力。目前山東WAMS模塊采用時間序列數(shù)據(jù)庫，包括實時庫和歷史庫。其中，時間序列實時庫采用固定時間長度、數(shù)據(jù)等間隔、下標直接定位機制滿足海量動態(tài)信息的存儲、檢索要求，事件處理性能達到每秒五百萬級。時間序列歷史庫方面，可利用支撐平臺提供的遠程代理服務實現(xiàn)跨調控中心查詢時間歷史數(shù)據(jù)記錄。

在主站應用方面，應加強在數(shù)據(jù)分析基礎上的高級應用功能研究和建設。廣域量測信息具有大數(shù)據(jù)應有的結構性和關聯(lián)性特征［6］，且該信息在長時間序列（日、月、年）、空間上關聯(lián)分布的各個局部電網(wǎng)的累積能有效體現(xiàn)電網(wǎng)運行時空關聯(lián)特性，具有較大的挖掘和利用價值。目前山東省調已開展相關前期研究，利用大數(shù)據(jù)技術，挖掘特高壓交直流互聯(lián)大電網(wǎng)廣域信息，實現(xiàn)外網(wǎng)模型構建，保障互聯(lián)電網(wǎng)潮流分析等的精確性。同時挖掘該信息在時空上的相互關系，實現(xiàn)在相互關系分析基礎上的預測，尋求影響電網(wǎng)穩(wěn)定運行的關鍵因素與主導環(huán)節(jié)，根據(jù)實際場景自適應匹配電網(wǎng)安全防控策略，實現(xiàn)基于WAMS的在線動態(tài)安全評估與預警。

3　人機交互及可視化技術

人類和計算機對于數(shù)據(jù)、信息的感知方式及特點不同，需要通過人機交互軟件這一中間環(huán)節(jié)來溝通。幾十年來，電力系統(tǒng)的人機交互手段已經得到很大發(fā)展，為調度員提供了大量直觀豐富的電網(wǎng)工況信息。圖2～4為不同時期山東省調調控大廳的大屏可視化展示情況，經歷了由模擬到數(shù)字、由簡單到豐富、由單一到綜合的過渡過程。

圖2　2002年的山東電網(wǎng)調度室

圖3　2004年啟用的山東電力調度大廳

圖4　2012年啟用的山東電力調控大廳

盡管如此，現(xiàn)有的人機交互仍然存在如下問題：

1）信息表現(xiàn)不夠充分和友好?，F(xiàn)有EMS系統(tǒng)大多直接使用數(shù)據(jù)形式來表現(xiàn)屬性，除了簡單的數(shù)據(jù)可視化手段外，大多僅在廠站圖、潮流圖中展示系統(tǒng)運行實時數(shù)據(jù)，沒有充分利用圖形圖像可視化領域最新技術。更進一步，沒有深入分析系統(tǒng)運行和維護人員對界面的功能需求，將多媒體信息與用戶需求相結合，數(shù)據(jù)表現(xiàn)不夠充分和友好。

2）對信息的挖掘和分析功能不足。當前主要是將各種數(shù)據(jù)直接顯示給運行調度人員，缺乏對這些數(shù)據(jù)的深入分析挖掘，無法將電力系統(tǒng)的深層次的規(guī)律展示給操作人員，既造成了大量數(shù)據(jù)信息的浪費，也給電力系統(tǒng)的運行控制帶來了諸多困難。

3）信息表現(xiàn)和分析粒度與實際需求不匹配。為了更好地反映電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)，要求在單一的電氣接線圖或地理接線圖上盡可能多地顯示信息，但是這樣做帶來了兩個弊端，一是對調度運行人員來說有很多數(shù)據(jù)信息是他們所不需要關心的，過多的數(shù)據(jù)信息反而會干擾他們的決策；二是大量的細節(jié)信息容易淹沒關鍵信息，尤其在事故處理情況下，難以給調度運行人員掌握系統(tǒng)整體運行狀態(tài)提供有效幫助。

歸納來說，當前人機交互和可視化存在的主要問題是“數(shù)據(jù)量大，但信息量少”。隨著信息技術的快速發(fā)展，未來智能電網(wǎng)調控中心的人機交互手段需要有大的變化，采用更加智能的數(shù)據(jù)處理手段，通過更加友好的可視化方式來實現(xiàn)人機交互，更加快速地給人類調度員提供“數(shù)據(jù)量少、信息量大”的輸出?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)（GIS）的可視化技術、三維可視化技術、人機工程和認知工程、視頻技術等正在逐步得到重視和應用［7-12］，有望在未來的人機交互中發(fā)揮重要作用。

目前山東省調綜合智能告警模塊的界面展示采用多主題框架技術，在同一屏幕上采用多個窗口同時展示電網(wǎng)主網(wǎng)架、廠站圖、故障簡報等，無須頻繁切換圖形畫面，實現(xiàn)綜合信息實時監(jiān)視。同時，主題窗口布局可任意設置，顯示內容完全交由應用二次開發(fā)控制。系統(tǒng)借助標準消息通信接口，確保主題窗口之間交互響應和狀態(tài)同步的一致性。利用視頻技術、三維可視化技術，研發(fā)并投入使用500 kV變電站主要設備遙視功能以及變電站三維場景仿真，可實現(xiàn)對電網(wǎng)設備外觀、內部構造和參數(shù)三維展現(xiàn)，滿足變電站三維場景交互式仿真要求。

4　結語

十三五期間，隨著“外電入魯”進程的加速，山東電網(wǎng)將更緊密融入國家電網(wǎng)。特高壓交直流大電網(wǎng)調度控制對智能電網(wǎng)調度控制系統(tǒng)提出了新的需求和挑戰(zhàn)，作為各應用的支撐，系統(tǒng)平臺首當其沖。在現(xiàn)有集群計算模式基礎上，系統(tǒng)軟硬件應向以云平臺為代表的廣域分布式架構擴展，滿足電網(wǎng)統(tǒng)一模型和數(shù)據(jù)中心建設及應用需求；數(shù)據(jù)平臺方面，應在大量信息采集的基礎上著力加大對信息的挖掘和利用程度，應用大數(shù)據(jù)技術進行電力系統(tǒng)運行趨勢分析；人機交互和可視化方面，應以調度人員思維模式為框架，以可視化功能模塊為界面，以互動計算為核心，為調控運行人員提供動態(tài)、三維立體、與地理面貌相結合、虛擬實際場景的展示方式。

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Key Technology of Shandong Smart Grid Dispatching and Control System

ZHANG Qiang，QIU Xizhao，LIU Hongjun，YAN Feng，MA Xiaohong
（Shandong Electric Power Dispatching and Control Center，Jinan 250001，China）

With the process of external electric power injecting into Shandong power grid，dispatching and control of large power grid containing UHV AC and DC have to meet new requirements.Key technology and its application are discussed from three aspects，namely software and hardware architecture，data platform technology and human computer interaction and visualization.Development direction is put forward according to the application demand of Shandong electric power in the thirteenth five periods，in order to provide a reference for relevant research and construction work.

power system；smart grid；dispatching and control；platform

TM734

A

1007-9904（2016）01-0020-05

2015-09-03

張強（1980），男，高級工程師，從事電網(wǎng)調度自動化運行管理工作。