構(gòu)建多級調(diào)度協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)方案的探索

彭躍輝， 葛丹丹

（華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京102206）

0 引 言

目前，我國電網(wǎng)調(diào)度管理體系普遍存在著缺乏橫向協(xié)同、縱向貫通、整體協(xié)調(diào)難、運(yùn)轉(zhuǎn)效率低等突出問題，而其中最為突出迫切需要解決的是多控制中心之間的一體化建模與計(jì)算問題。在實(shí)際電網(wǎng)中開展多控制中心之間的協(xié)同控制研究是非常不現(xiàn)實(shí)的，因此如何在離線的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下借助仿真［1-2］、計(jì)算機(jī)等技術(shù)構(gòu)建與實(shí)際電網(wǎng)一致的多級調(diào)度運(yùn)行場景是解決上述難題的主要途徑。此外，高校作為理論研究、技術(shù)研發(fā)的重要基地，常因缺乏合適的測試環(huán)境無法開展多控制中心的協(xié)同控制研究，這些客觀因素極大地限制了相關(guān)工作的研究進(jìn)展以及研究成果的實(shí)際落地。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下重現(xiàn)與實(shí)際電網(wǎng)一致的多級調(diào)度運(yùn)行場景是系統(tǒng)級的仿真問題，目前系統(tǒng)層面的仿真大多局限于獨(dú)立的研究對象，其中分別以電網(wǎng)［3-4］、電源［5］、調(diào)度中心模擬［6-7］為研究對象的成果較多而且也較為成熟，中國電科院曾開發(fā)出電網(wǎng)與調(diào)度中心聯(lián)合的仿真系統(tǒng)［8］，但不包括電源的詳細(xì)仿真，無法為新能源接入的源網(wǎng)協(xié)調(diào)、AGC閉環(huán)控制等提供研究平臺；南方電網(wǎng)科研院也曾以交直流大電網(wǎng)機(jī)電-電磁暫態(tài)混合仿真為重點(diǎn)，開展交直流電網(wǎng)與調(diào)度控制的混合仿真研究［9-11］，但不涉及多級調(diào)度控制系統(tǒng)平臺的構(gòu)建。因此在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境構(gòu)建多控制中心之間的運(yùn)行環(huán)境，為分布式計(jì)算等的研究測試提供基礎(chǔ)條件仍然是待解決的問題之一。

華北電力大學(xué)新能源電力系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（以下簡稱實(shí)驗(yàn)室）研發(fā)的源網(wǎng)聯(lián)合仿真平臺［12-13］為在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下搭建多級控制中心運(yùn)行場景提供了思路。源網(wǎng)聯(lián)合仿真平臺是一套可實(shí)現(xiàn)全動力過程電源仿真、大規(guī)模電網(wǎng)實(shí)時(shí)仿真以及調(diào)度控制中心模擬于一體的綜合實(shí)驗(yàn)平臺，初步具備了可提供調(diào)度控制中心運(yùn)行所需要的模型環(huán)境和數(shù)據(jù)環(huán)境，并且該平臺具有良好的移植性、可擴(kuò)展性，可根據(jù)研究需要對模型進(jìn)行調(diào)整，對功能架構(gòu)進(jìn)行完善優(yōu)化。因此為了解決實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下缺乏適用于多級調(diào)度協(xié)同控制的運(yùn)行環(huán)境這一客觀問題，進(jìn)一步完善現(xiàn)有平臺的功能架構(gòu)，本文依托實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的源網(wǎng)聯(lián)合仿真平臺進(jìn)行功能擴(kuò)展，構(gòu)建出適用于多級調(diào)度協(xié)同控制研究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并給出相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的解決方案。

1 系統(tǒng)框架

多級調(diào)度協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信是指EMS系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通。調(diào)度控制中心之間數(shù)據(jù)通信的方式是基于以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率高、傳輸距離遠(yuǎn)等原因，數(shù)據(jù)接收端總是會存在數(shù)據(jù)接收延遲或錯誤量測等。本文所構(gòu)建的多級調(diào)度協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是直接在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)局域網(wǎng)來實(shí)現(xiàn)的，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下不具備與實(shí)際電網(wǎng)一致的廣域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，若EMS系統(tǒng)之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，不能真實(shí)模擬調(diào)度中心之間存在的數(shù)據(jù)誤差，進(jìn)一步來說會影響新型在線控制軟件測試結(jié)果及其在實(shí)際電網(wǎng)中的推廣應(yīng)用。因此需要通過在EMS系統(tǒng)之間構(gòu)建具有廣域性質(zhì)的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的方式來解決上述問題。

EMS系統(tǒng)本身支持多種數(shù)據(jù)接口，包括以標(biāo)準(zhǔn)格式的文件，基于實(shí)時(shí)庫接口函數(shù)以及基于FES子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入導(dǎo)出。其中文件形式主要適用于離線分析環(huán)境，實(shí)時(shí)性較差，實(shí)時(shí)庫接口可能會出現(xiàn)量測合格率偏低的現(xiàn)象，且調(diào)試過程繁瑣，F(xiàn)ES子系統(tǒng)本身的功能模塊是封裝的，在實(shí)際電網(wǎng)環(huán)境中得到了實(shí)踐性的驗(yàn)證，可以保證長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。因此本文選擇基于FES服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的方式建立上下級調(diào)度中心的數(shù)據(jù)環(huán)境。本文構(gòu)建的多級調(diào)度協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能架構(gòu)如圖1所示。

圖1 多級調(diào)度協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能框圖

在實(shí)驗(yàn)室搭建多級調(diào)度協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵是構(gòu)建虛擬的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)。從圖1可以看出，調(diào)度平臺中專門用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的FES子系統(tǒng)直接接入虛擬的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，調(diào)度平臺之間可以通過虛擬的數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行量測數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)的交互。

此外，若進(jìn)行分布式計(jì)算的研究測試工作，并且考慮到直接在調(diào)度平臺中進(jìn)行分布式計(jì)算模塊的嵌入，需要外單位提供大量的技術(shù)支持，在研究工作開展初期面臨大量的測試調(diào)整工作，直接嵌入調(diào)度平臺沒有直接必要性，因此可以通過在調(diào)度端設(shè)置獨(dú)立的工作站，用于調(diào)整控制中心之間同一時(shí)刻的量測斷面。該工作站從控制中心獲取數(shù)據(jù)的方式有兩種：① 通過ftp協(xié)議將整個(gè)潮流斷面取出，再根據(jù)自身需要解析出所需量測信息；② 基于FES服務(wù)器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，通過與FES子系統(tǒng)之間建立數(shù)據(jù)通道的方式，獲取指定量測信息。在分布式計(jì)算系統(tǒng)中，分布在各地的子系統(tǒng)在時(shí)間上可能同時(shí)要求啟動計(jì)算，這也就要求在多級調(diào)度系統(tǒng)中有一個(gè)控制中心作為事件發(fā)起者，其他控制中心扮演事件追隨者的角色。

以圖2為例，圖中分布式計(jì)算工作站1作為事件發(fā)起端，向工作站2發(fā)送量測數(shù)據(jù)請求，工作站2接收到數(shù)據(jù)請求后，返回確認(rèn)信息，將來自FES子系統(tǒng)的最新的幾個(gè)數(shù)據(jù)斷面取出，并通過虛擬的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)傳輸至工作站1，同時(shí)工作站1在接收到確認(rèn)信息后，從FES子系統(tǒng)中接收轉(zhuǎn)發(fā)量測數(shù)據(jù)，工作站1將兩側(cè)系統(tǒng)的量測斷面進(jìn)行分析處理后，反饋給工作站2相應(yīng)的處理信息，以便工作站2進(jìn)行量測斷面的調(diào)整，然后再作為實(shí)時(shí)量測通過FES寫入SCADA應(yīng)用，供本地PAS狀態(tài)估計(jì)計(jì)算用，由此便實(shí)現(xiàn)了分布式計(jì)算系統(tǒng)同時(shí)啟動計(jì)算的要求。

圖2 分布式計(jì)算系統(tǒng)同時(shí)啟動流程圖

2 構(gòu)建虛擬調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)

實(shí)際電力系統(tǒng)中不同級別調(diào)度由于分布在不同的地理位置，只能通過廣域的調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)。廣域調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)具有可靠性低、便于異構(gòu)系統(tǒng)接入的本質(zhì)特征。數(shù)據(jù)網(wǎng)的信息通信層主要包括交換機(jī)、路由器等通信設(shè)備以及鏈路管理、流量調(diào)節(jié)、通信協(xié)議等通信規(guī)約，其主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸。信息交互過程中會出現(xiàn)通信延時(shí)、中斷、丟包或惡意攻擊等。

結(jié)合實(shí)際調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的上述特征，可直接依托實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的廣域網(wǎng)模擬器來復(fù)現(xiàn)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)。從圖3可以看出，廣域網(wǎng)模擬器是由數(shù)量不同的交換機(jī)和路由器組成，通過普通網(wǎng)線和光纖等實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間互連，然后再依托上層管理工具進(jìn)行鏈路、流量、帶寬等的管理。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，廣域網(wǎng)模擬器的使用并不具有通用性，主要表現(xiàn)在其允許接入的外部設(shè)備需配置固定網(wǎng)段的IP、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更改流程復(fù)雜、現(xiàn)有帶寬最大可擴(kuò)展至100 MB等，若實(shí)驗(yàn)人員不具備熟練的網(wǎng)絡(luò)管理經(jīng)驗(yàn)，很難開展相關(guān)工作。

圖3 廣域網(wǎng)模擬器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

仿真模擬在網(wǎng)絡(luò)研究中可以節(jié)省資金、容易操作、結(jié)果可靠、接近實(shí)際。因此，可采用仿真模擬的方式復(fù)現(xiàn)出廣域調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)，在眾多主流的網(wǎng)絡(luò)仿真軟件上［14-15］，OPNET Modeler［16］軟件具有豐富的技術(shù)、協(xié)議、設(shè)備模型庫和適合各個(gè)層次的建模工具以及靈活強(qiáng)大的仿真分析工具，特別適合各種網(wǎng)絡(luò)仿真研究。此外，OPNET Modeler提供了系統(tǒng)在環(huán)（System in the Loop，SITL）仿真接口方式，允許與多個(gè)硬件設(shè)備同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。因此本文從操作簡便性、功能可擴(kuò)展性等方面考慮，選擇OPNET Modeler作為信息通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真工具。

OPNET Modeler通過SITL模塊可為多個(gè)真實(shí)的物理網(wǎng)絡(luò)接口配置不同的虛擬地址，從而使多個(gè)真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備能夠通過以太網(wǎng)接口與OPNET中的仿真模型進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合仿真。根據(jù)所連接系統(tǒng)的性質(zhì)，SITL半實(shí)物仿真包含真實(shí)網(wǎng)絡(luò)-虛擬網(wǎng)絡(luò)（Real-Sim）、真實(shí)網(wǎng)絡(luò)-虛擬網(wǎng)絡(luò)-真實(shí)網(wǎng)絡(luò)（Real-Sim-Real）和虛擬網(wǎng)絡(luò)-真實(shí)網(wǎng)絡(luò)-虛擬網(wǎng)絡(luò)（Sim-Real-Sim）3種配置模式［16］。結(jié)合圖1所示的功能結(jié)構(gòu)圖可知，選擇真實(shí)網(wǎng)絡(luò)-虛擬網(wǎng)絡(luò)-真實(shí)網(wǎng)絡(luò)這種配置模式（見圖4）可以與實(shí)驗(yàn)室已有平臺進(jìn)行無縫對接，即通過兩個(gè)SITL模塊分別與兩級調(diào)度控制平臺的FES子系統(tǒng)相連。

圖4 真實(shí)網(wǎng)絡(luò)-虛擬網(wǎng)絡(luò)-真實(shí)網(wǎng)絡(luò)配置模式

利用OPNET Modeler對通信系統(tǒng)進(jìn)行仿真的具體過程為：①在OPNET軟件中搭建通信系統(tǒng)模型，并設(shè)置相應(yīng)的通信節(jié)點(diǎn)，包括實(shí)際節(jié)點(diǎn)和虛擬節(jié)點(diǎn)。實(shí)際節(jié)點(diǎn)是指電力系統(tǒng)中實(shí)際運(yùn)行設(shè)備的通信節(jié)點(diǎn)，而虛擬節(jié)點(diǎn)是指為了模擬網(wǎng)絡(luò)擁堵等場景，虛設(shè)的一些只考慮通訊性能而不進(jìn)行電力仿真的通訊節(jié)點(diǎn)。② 在設(shè)置IP地址時(shí)，由于不同調(diào)度控制平臺不在同一網(wǎng)段，因此需要在OPNET中配置交換機(jī)和路由器，并且在路由器中配置靜態(tài)路由表，以實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)段的連接。③OPNET主機(jī)中的網(wǎng)卡通過以太網(wǎng)實(shí)時(shí)接收調(diào)度控制平臺產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，并通過SITL模塊將數(shù)據(jù)送至服務(wù)器進(jìn)行通信網(wǎng)絡(luò)的仿真?？偟膩碚f，OPNET Modeler主要負(fù)責(zé)連接多級調(diào)度平臺，傳輸其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)還可模擬通信延時(shí)、中斷和網(wǎng)絡(luò)攻擊等通信異常場景。

3 分布式協(xié)同建模技術(shù)

區(qū)分上下級調(diào)度是按照覆蓋管理區(qū)域的不同來實(shí)現(xiàn)的，如上級調(diào)度部門覆蓋下級調(diào)度部門的所有管理區(qū)域，但由于與下級調(diào)度部門功能職責(zé)的分配不同，并不需要建立全網(wǎng)的詳細(xì)電網(wǎng)模型，只需要針對其直接遙控和監(jiān)控的部分區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)建模，其他區(qū)域則只需搭建基本框架，量測信息通過下級調(diào)度主站轉(zhuǎn)發(fā)的形式獲得。

目前實(shí)驗(yàn)室用于模擬實(shí)際電網(wǎng)的是RTDS仿真平臺，結(jié)合調(diào)度中心配置及實(shí)際電網(wǎng)的地理區(qū)域進(jìn)行分片，并保證彼此之間有相互重疊的小區(qū)域?；赗TDS平臺進(jìn)行電網(wǎng)模型的搭建時(shí)，并不需要考慮實(shí)際地理位置，因此屬于同一片區(qū)域的廠站模型可能不在同一個(gè)計(jì)算單元上，得益于RTDS的計(jì)算單元之間可以通過設(shè)置輸入輸出模塊或者搭建DNP串行器模塊，實(shí)現(xiàn)量測的跨計(jì)算單元的傳輸，因此在進(jìn)行電網(wǎng)模型分片時(shí)，可以不用考慮量測輸出和外部控制指令輸入的問題。

在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的EMS系統(tǒng)中構(gòu)建適用于分布式協(xié)同控制的電網(wǎng)模型，具體操作如下：在其中一套系統(tǒng)上搭建完整的電網(wǎng)模型；另一套系統(tǒng)上選擇部分區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行搭建，由于與其他未被選擇的區(qū)域電網(wǎng)之間存在不可分割的電氣聯(lián)系，因此不能直接忽略實(shí)際連接關(guān)系，否則不符合潮流割集平衡的規(guī)律。

以某區(qū)域性電網(wǎng)為例（見圖5），在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的兩套EMS系統(tǒng)中搭建上下級調(diào)度電網(wǎng)模型，如在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的二期EMS系統(tǒng)上搭建部分區(qū)域電網(wǎng)，一期EMS系統(tǒng)上搭建全部電網(wǎng)模型。電網(wǎng)模型中A站和B站作為邊界節(jié)點(diǎn)存在，A站包含在二期EMS系統(tǒng)將要搭建的區(qū)域模型中，但A站與B站之間存在重要的500 kV輸電通道，若直接忽略是不合理的，但將兩者之間的輸電線路直接作為負(fù)荷掛接在A站節(jié)點(diǎn)上，從功率平衡來說是合理的，但不能直觀體現(xiàn)A站與B站之間的電氣連接關(guān)系。因此即使B站節(jié)點(diǎn)不在二期EMS系統(tǒng)的建模范圍內(nèi)，仍在SCADA應(yīng)用的廠站信息表中新增B站，目的是在交流線段表中可以新增A站與B站之間的輸電線路，并在A站的廠站接線圖中進(jìn)行設(shè)備元件連接，來自RTDS的量測信息也直接與該記錄的相應(yīng)域進(jìn)行關(guān)聯(lián)。使其區(qū)別于其他交流線路的方法是在交流線段表中編輯“等值標(biāo)志”域值等值為發(fā)電機(jī)或負(fù)荷，具體等值為哪種形式，要視實(shí)際潮流方向而定，以流入母線為正；若為正，則編輯為等值為發(fā)電機(jī)；若負(fù)，則編輯為等值為負(fù)荷。

圖5 某區(qū)域性電網(wǎng)分片建模

4 結(jié) 語

適用于互聯(lián)電網(wǎng)一體化計(jì)算的分布式計(jì)算算法等多級調(diào)度協(xié)同控制技術(shù)由于缺乏合適的數(shù)據(jù)環(huán)境，一直沒有得到實(shí)踐驗(yàn)證。源網(wǎng)聯(lián)合仿真與控制實(shí)驗(yàn)平臺在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)了實(shí)際電網(wǎng)的運(yùn)行環(huán)境，為提供多級調(diào)度協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建提供了必要的基礎(chǔ)條件。多級調(diào)度協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)建主要涉及兩個(gè)關(guān)鍵問題，關(guān)于虛擬調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)的構(gòu)建，本文選擇技術(shù)已非常成熟的信息通信仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)，并選擇OPNET作為實(shí)際仿真工具，結(jié)合OPNET的工作機(jī)制以及所需數(shù)據(jù)環(huán)境的本質(zhì)特征，提供了具體的實(shí)現(xiàn)流程；關(guān)于適用于分布式協(xié)同控制的電網(wǎng)模型構(gòu)建，考慮到本文構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所依托的電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境源自RTDS仿真器，采用將RTDS電網(wǎng)模型進(jìn)行分片處理的方式，基于不同的模擬控制中心EMS系統(tǒng)分別建模。本文給出的多級調(diào)度協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建方案是在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源的基礎(chǔ)上綜合考慮多種因素給出的，不一定適用于其他實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，因此如何構(gòu)架出具有普適性的多級調(diào)度協(xié)同控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是未來需要開展的研究內(nèi)容。