風(fēng)水協(xié)同運行控制信息的傳輸

陳麒宇，張芳，章銳

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風(fēng)水協(xié)同運行控制信息的傳輸

陳麒宇1，張芳2，章銳3

（1．中國電力科學(xué)研究院有限公司，北京市 海淀區(qū) 100192；2．北京信息科技大學(xué)，北京市 海淀區(qū) 100192；3. 全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，江蘇省 南京市 210003）

為響應(yīng)全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，保障大規(guī)模風(fēng)電接入下風(fēng)水協(xié)同安全穩(wěn)定運行，研究風(fēng)電水電協(xié)同運行(wind power and hydropower coordinated operation，WHCO)對信息通訊技術(shù)的需求。結(jié)合電網(wǎng)信息通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，提出WHCO信息通信保護專網(wǎng)(information and communication protection network，ICPN)，搭建ICPN的功能架構(gòu)，并提出了關(guān)鍵技術(shù)。在WHCO調(diào)度系統(tǒng)中建立具體的WHCO-ICPN系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的信息共享、信息通信時延以及安全防御功能。該系統(tǒng)為WHCO的實現(xiàn)提供了測量與控制信息實時傳輸通道，具有較大的工程應(yīng)用價值。

全球能源互聯(lián)網(wǎng)；風(fēng)水協(xié)同；調(diào)度系統(tǒng)；信息通信保護專網(wǎng)

0 引言

隨著通訊、控制技術(shù)的進步[1-3]，風(fēng)水協(xié)同運行(wind power and hydropower coordinated operation，WHCO)將成為大規(guī)模消納風(fēng)電，解決棄風(fēng)問題的有效方法[4-7]。由于風(fēng)電水電之間通常有一定的距離，測量與控制信息傳輸和應(yīng)用成為實現(xiàn)WHCO的關(guān)鍵。首先，對WHCO在各方面對信息通信技術(shù)的需求進行分析。然后，在對電網(wǎng)信息通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行深入研究后，提出用于WHCO的信息通信保護專網(wǎng)(information and communication protection network，ICPN)，并對其具體功能與所需要的關(guān)鍵技術(shù)進行介紹。最后，在WHCO調(diào)度系統(tǒng)中搭建ICPN體系構(gòu)架。該體系構(gòu)架可滿足大規(guī)模風(fēng)電接入下WHCO調(diào)度需求，對發(fā)展WHCO具有重要理論意義和工程實用價值。

1 WHCO對信息通信技術(shù)需求分析

1.1 短期風(fēng)水功率預(yù)測需求

可靠的風(fēng)電、水電功率預(yù)測是WHCO的前提。短期水電功率較好預(yù)測，只需當(dāng)前庫存量、上游來水量以及水電機組功率上下限便可確定。而短期風(fēng)電功率較難預(yù)測，風(fēng)電功率預(yù)測方法主要有物理方法和統(tǒng)計方法兩種。物理方法主要依賴于數(shù)值天氣預(yù)報；統(tǒng)計方法主要基于歷史數(shù)據(jù)尋求天氣狀況與風(fēng)電出力間關(guān)聯(lián)關(guān)系。這兩種方法均需要將風(fēng)機、風(fēng)電場、變電站、測風(fēng)塔等大量信息快速可靠上傳，實時進行風(fēng)電功率預(yù)測。

不論是短期風(fēng)電功率預(yù)測還是短期水電功率預(yù)測，均需要傳輸大量信息，隨著大規(guī)模風(fēng)電并網(wǎng)，信息量還將進一步增大。信息傳輸?shù)臏蚀_性、可靠性及實時性是短期風(fēng)電、水電功率準確預(yù)測前提保障[8]。迫切需要配套相應(yīng)的信息通信技術(shù)，滿足風(fēng)電、水電短期功率預(yù)測需求。

1.2 WHCO調(diào)度需求

WHCO中電力通信網(wǎng)承擔(dān)的生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)包括電網(wǎng)調(diào)度電話、電網(wǎng)專有業(yè)務(wù)以及調(diào)度生產(chǎn)管理系統(tǒng)業(yè)務(wù)等[4]。其中，電網(wǎng)專有業(yè)務(wù)指各類保護和安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)信號的傳送，如自動安全裝置、繼電保護裝置、自動重合閘裝置等信息的傳遞是保障風(fēng)電水電安全穩(wěn)定協(xié)同運行的關(guān)鍵，對可靠性及傳輸時延要求嚴格。

1.3 風(fēng)水協(xié)同運行監(jiān)控需求

在風(fēng)水協(xié)同運行過程中，首先需要將風(fēng)電、水電輸出功率等量測信息傳遞到控制中心。控制中心根據(jù)風(fēng)水協(xié)同運行調(diào)度系統(tǒng)[4]對傳來的信息進行計算、調(diào)度，然后將調(diào)度信息發(fā)送給水電廠。水電廠根據(jù)調(diào)度信息對水電進行實時控制，以實現(xiàn)風(fēng)水協(xié)同運行控制。在該調(diào)度過程中，必須解決風(fēng)電場與水電廠實時量測信息與控制信息的傳輸問題。

此外，風(fēng)電場、水電廠監(jiān)控信息主要分散在發(fā)電機組監(jiān)控、變電站監(jiān)控、電能計量等多個單獨應(yīng)用系統(tǒng)中，彼此之間缺乏聯(lián)系。就單獨發(fā)電機組來看，風(fēng)電機組的監(jiān)控信息和監(jiān)測方法目前僅存在當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)機監(jiān)控系統(tǒng)中，且不同風(fēng)機廠家的監(jiān)控技術(shù)一般不相融。此外，在生產(chǎn)調(diào)度過程中，調(diào)度員需要在不同監(jiān)控系統(tǒng)間進行切換。隨著大規(guī)模風(fēng)電接入，與之配套的水電機組相應(yīng)增多，監(jiān)控系統(tǒng)由獨立分散的監(jiān)控轉(zhuǎn)變?yōu)橛呻娋W(wǎng)調(diào)度中心、發(fā)電集團、風(fēng)電場、水電廠等組成的多方參與綜合監(jiān)控，風(fēng)電場、水電廠運行管理更加復(fù)雜，客觀上提出了監(jiān)控信息集成共享需求。

為了實現(xiàn)WHCO和提高管理水平，迫切需要研究電力信息通信技術(shù)，建立WHCO統(tǒng)一信息監(jiān)控管理平臺，實現(xiàn)風(fēng)電機組、水電機組、變電站、電能計量等系統(tǒng)的集中監(jiān)控。保障風(fēng)電水電安全穩(wěn)定協(xié)同運行。

2 WHCO-ICPN

2.1 信息通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

與大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行類似，WHCO所涉及到的信息通信技術(shù)也包含安全穩(wěn)定信息專用通道、廣域量測系統(tǒng)以及智能變電站信息系統(tǒng)等。

信息專用通道設(shè)有備用模式，在電力檢修階段仍能夠正常運行，并且可實現(xiàn)從信號觸發(fā)、處理到安全穩(wěn)定裝置動作在300ms以內(nèi)完成。傳輸延時在20ms左右[9]、數(shù)據(jù)可靠性較高。但該信息通道相互間沒有信息交互，處于信息孤島狀態(tài)，較難適應(yīng)風(fēng)水協(xié)同的多目標、多約束運行條件，安全穩(wěn)定控制困難。

在WHCO中應(yīng)用廣域量測系統(tǒng)信息。廣域量測系統(tǒng)主要利用相量測量裝置(phasor measurement unit，PMU)進行電力信息采集、電網(wǎng)運行狀態(tài)監(jiān)測、記錄、故障錄波等任務(wù)[10]。此外，部分學(xué)者還基于其量測數(shù)據(jù)進行電網(wǎng)安全穩(wěn)定分析與控制理論研究。正常運行時，時滯在50ms左右[11]，但當(dāng)通信線路處于檢修狀態(tài)時，時滯可長達數(shù)秒級，難以滿足WHCO對信息通信時滯、通道可靠性等方面要求。此外，該系統(tǒng)的信息通信系統(tǒng)多采用點對點形式，難以實現(xiàn)信息共享，資源利用率低，控制信息與調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)彼此孤立，沒有形成互動。

大規(guī)模風(fēng)電遠距離輸送需要智能變電站參與，同樣，智能變電站信息化程度也影響著WHCO。智能變電站的變壓器、開關(guān)等一次設(shè)備與電網(wǎng)自動控制裝置等二次設(shè)備狀態(tài)信息、運行信息均可采集，信息量大，自動控制、運維效率等水平顯著提高。從風(fēng)水調(diào)度與安全穩(wěn)定運行角度來看，雖然智能變電站控制對象為變壓器分接頭等慢速調(diào)整、WHCO第三道防線等對信息通信時延要求不高過程，但第一、二道防線對信息通信時延要求嚴格。在緊急控制期間，若出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)阻塞，信息通信時延還會增加，影響WHCO安全穩(wěn)定運行。

各種信息通信技術(shù)功能比較見表1。必須研究基于多源信息的WHCO信息通信體系構(gòu)架，解決現(xiàn)有信息通信技術(shù)孤島問題，大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸時延問題、信息通信可靠性等問題。

表1 各種信息通信技術(shù)功能比較

2.2 ICPN功能要點

根據(jù)WHCO特點，結(jié)合電網(wǎng)發(fā)展趨勢，有必要建設(shè)用于新時期下的WHCO-ICPN，其功能架構(gòu)如圖1所示，功能要求如下。

圖1 WHCO-ICPN功能架構(gòu)

1）可控、可靠。從宏觀角度來看，WHCO關(guān)鍵任務(wù)在于對風(fēng)電、水電信息的調(diào)度和管理。電網(wǎng)生產(chǎn)調(diào)度業(yè)務(wù)是按樹狀分級進行的，信息 傳送嚴格按照電網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)、電壓等級匯聚。 各級電網(wǎng)調(diào)度機構(gòu)均需通過ICPN向下級機構(gòu)傳送命令。因此，ICPN信息必須可管控，傳輸可靠。

2.1.1 個人課題進展匯報 報告人將課題設(shè)計思路或?qū)嶒炑芯恐腥〉玫碾A段性成果進行展示，這樣可以擴大學(xué)生知識面，開闊思路，通過不同學(xué)科知識的交流，有利于產(chǎn)生思想碰撞火花，提升創(chuàng)新能力。另外，還可以討論課題研究中遇到的挫折，分享經(jīng)驗。不同的課題可能會用到同樣的實驗方法，個人在實驗中遇到的挫折和苦惱，經(jīng)過學(xué)習(xí)和反復(fù)摸索，使問題得到解決。其他學(xué)生可以通過Seminar學(xué)習(xí)得到一定的經(jīng)驗，避免重復(fù)勞動和資源浪費，有助于日后科學(xué)研究工作。

風(fēng)電的間歇性和不確定性決定了WHCO需要實時對水電輸出功率進行調(diào)整，功率調(diào)整采用較多的是電力電子器件，控制電力電子器件工作狀態(tài)即可控制水電。因此，從微觀角度，電力電子器件控制信號也應(yīng)該具有較高可控性與可靠性。

2）具有抗干擾能力。ICPN必須具有抗干擾能力，防止外界信息攻擊與通行干擾，保證水電實時可控，滿足WHCO需求。

3）信息傳輸時滯性。在WHCO過程中，無論是風(fēng)水功率預(yù)測信息、水電控制信息還是電 力電子器件觸發(fā)信息，時延均應(yīng)足夠小，實時跟蹤風(fēng)電功率變化。尤其當(dāng)風(fēng)電并網(wǎng)規(guī)模進一步擴大，信息量劇增時，不應(yīng)發(fā)生信息阻塞，保持信息通暢。因此，信息傳輸時滯性要滿足WHCO要求。

4）具有信息共享能力。實現(xiàn)WHCO中監(jiān)控信息、控制信息、調(diào)度信息以及計量信息之間的聯(lián)網(wǎng)，在調(diào)度中心、發(fā)電集團、風(fēng)電場、水電廠等機構(gòu)間形成聯(lián)動，解決WHCO信息孤島問題，實現(xiàn)信息共享。

5）具有主動防御能力。信息通信技術(shù)發(fā)展在促進WHCO技術(shù)的同時也帶來了安全隱患[12-13]。隨著網(wǎng)絡(luò)攻擊的頻繁發(fā)生，電力信息安全也逐漸受到重視[14-15]。在電力信息安全受到威脅時，進行主動安全防御才是最好的措施，因此，ICPN還應(yīng)該具有信息安全主動防御能力，保障WHCO信息安全。

3 信息通信保護專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)WHCO特點以及ICPN功能特點，新時期大規(guī)模WHCO中，ICPN具體涉及信息預(yù)處理技術(shù)、信息管理與控制技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、多源信息融合技術(shù)以及信息安全主動防御等技術(shù)。

3.1 信息預(yù)處理技術(shù)

風(fēng)水原始信息會存在雜亂、無效甚至缺值等情況，給WHCO調(diào)度帶來了嚴重影響。因此，需要對風(fēng)水信息進行清洗、集成和轉(zhuǎn)換等預(yù)處理。借助大數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對于離線計算信息，采用Map Reduce來進行處理，可以滿足海量歷史信息處理要求；對于實時計算信息，采用Storm進行處理，其分布式處理框架可滿足調(diào)度實時性的要求。

3.2 多源信息融合技術(shù)

在WHCO過程中，信息通信系統(tǒng)會產(chǎn)生多種不同類型信息，如結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化以及非結(jié)構(gòu)化信息。需要采用多源信息融合技術(shù)對來自多個數(shù)據(jù)源的信息進行統(tǒng)一化、規(guī)范化融合，將其融合為面向WHCO的統(tǒng)一信息模型，更加精確、穩(wěn)定的對風(fēng)水進行調(diào)度。

3.3 信息先進傳輸技術(shù)

為了在風(fēng)電場—水電廠—調(diào)度中心之間高效的進行信息傳輸，ICPN全部采用繼電保護信息專網(wǎng)通信，極大地降低了信息故障的風(fēng)險，保障了信息的安全傳遞。解決了電力電子器件控制信息、風(fēng)水調(diào)度控制信息、繼電保護通訊信息、風(fēng)電場水電廠監(jiān)控信息等存在的大規(guī)模信息傳輸問題，為信息控制奠定基礎(chǔ)。

3.4 信息管理與控制技術(shù)

大規(guī)模WHCO會在ICPN中產(chǎn)生大量風(fēng)水信息，需要對這些信息進行科學(xué)存儲與管理。需要建立科學(xué)的信息管理平臺，有條不紊的控制海量風(fēng)水信息。此外，WHCO安全穩(wěn)定運行主要在于對水電廠輸出功率的控制，電力電子器件在此過程中發(fā)揮了重要作用，對電力電子器件的有效控制是信息控制技術(shù)關(guān)鍵任務(wù)。

3.5 信息安全主動防御技術(shù)

風(fēng)水協(xié)同信息安全防御技術(shù)主要涉及信息安全態(tài)勢感知技術(shù)、信息潛在安全威脅感知技術(shù)、信息安全警告技術(shù)以及信息安全防御策略等技術(shù)。在WHCO過程中，實時感知風(fēng)水信息系統(tǒng)安全狀態(tài)、對未來一段時間信息系統(tǒng)狀態(tài)進行預(yù)測、在發(fā)現(xiàn)潛在威脅時及時發(fā)出警告并給出相應(yīng)防御策略，主動保障風(fēng)水信息系統(tǒng)安全。

4 ICPN在調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)電力信息通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及WHCO對信息通信技術(shù)的需求分析，本文構(gòu)建了圖2 所示的WHCO-ICPN系統(tǒng)。

圖2 WHCO-ICPN系統(tǒng)

ICPN將風(fēng)電功率控制系統(tǒng)、水電功率控制系統(tǒng)、遠程交互系統(tǒng)以及WHCO管理系統(tǒng)聯(lián)為一體，不僅使各系統(tǒng)間形成了強大的信息共享機制，還使各系統(tǒng)間具有較好的信息共享能力。將分散的協(xié)同運行調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)為統(tǒng)一整體，使風(fēng)電、水電各系統(tǒng)間更好地協(xié)調(diào)一致運行。

ICPN采用雙通道流通，即通信系統(tǒng)間安置兩套收發(fā)通信裝置。正常運行時一條通道做信息傳輸使用、另一條通道做信息反饋使用；當(dāng)出現(xiàn)故障或是特殊運行需要接入大規(guī)模風(fēng)電信息時，為了避免信息阻塞，影響信息傳輸時延，兩條通道均作為信息傳輸使用。為系統(tǒng)對信息時滯性要求提供保障。

ICPN獨特的信息安全主動防御系統(tǒng)保障了專網(wǎng)免受外界信息干擾、信息攻擊，該系統(tǒng)可實時評估當(dāng)前信息安全狀態(tài)、預(yù)測未來信息狀態(tài)，在發(fā)現(xiàn)潛在威脅時，提前給出策略，維護信息的正常傳輸。此外，ICPN還設(shè)置了信息預(yù)處理系統(tǒng)以及多源信息融合系統(tǒng)，滿足大規(guī)模風(fēng)電水電信息處理需求，保證風(fēng)水調(diào)度的正常有序進行。

5 結(jié)論

提出利用現(xiàn)有電力系統(tǒng)信息通信保護專網(wǎng)實現(xiàn)WHCO測控信息的傳輸與控制方法。建立了WHCO-ICPN專網(wǎng)。解決了風(fēng)水協(xié)同運行中信息孤島問題、大量信息控制管理與預(yù)處理問題、信息時滯性問題、信息主動安全防御等問題，滿足了全球能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略下風(fēng)水協(xié)同對信息通信技術(shù)基本需求。該信息通信保護專網(wǎng)為實現(xiàn)WHCO提供了基本的技術(shù)支撐，具有理論意義和推廣價值。

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(責(zé)任編輯 車德競)

Communication Technology for Wind Power and Hydropower Coordinated Operation Control

CHEN Qiyu1, ZHANG Fang2, ZHANG Rui3

(1. China Electric Power Research Institute, Haidian District, Beijing 100192, China; 2. Beijing Information Science & Technology University, Haidian District, Beijing 100192, China; 3. Global Energy Interconnection Research Institute, Nanjing 210003, Jiangsu Province, China)

In response to the Global Energy Internet strategy, protecting the security of coordinated hydro and wind power generation, the demands of wind power and hydropower coordinated operation (WHCO) for information and communication technology was analysed. Combined with the development of power grid information technology, the WHCO-information and communication protection network (ICPN) was proposed. The overall functional architecture of information and communication protection network is built. The key technologies were presented. Finally, a specific WHCO-ICPN system was built in the coordinated hydro and wind power generation scheduling system. The information sharing, information communication delay and security defence function of the system were introduced. The system provides a solid technical support for the Global Energy Internet strategy needs and has great engineering value in practice.

Global Energy Internet; wind power and hydropower coordinated operation (WHCO); dispatching system; information and communication protection network (ICPN)

2017-11-20。

陳麒宇(1986)，男，博士后，主要研究方向為新能源及電力系統(tǒng)分析，chenqiyu@epri.sgcc.com.cn。

國家自然科學(xué)基金項目(51377011)；北京市教委科技發(fā)展計劃面上項目(KM201511232008)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51377011); Science and Technology Projects of Beijing Municipal Education Commission (KM201511232008).

10.12096/j.2096-4528.pgt.2018.009