基于信息網(wǎng)絡(luò)綜合傳輸電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制

1、基于信息網(wǎng)絡(luò)綜合傳輸電力系統(tǒng)運(yùn)行和控制    摘要：網(wǎng)絡(luò)為電力系統(tǒng)的運(yùn)行與控制提供了嶄新的空間，同時(shí)也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)化是電力二次設(shè)備繼數(shù)字化（微機(jī)化）以后的在一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)起主導(dǎo)作用的主題。文中針對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制系統(tǒng)（PNCS）的一些相關(guān)問題進(jìn)行了討論，包括發(fā)展展望、研究工作現(xiàn)狀和有待解決的問題等。關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化控制；電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制；信息傳輸；智能二次設(shè)備；二義性 1 引言現(xiàn)代大型電網(wǎng)的安全控制是一個(gè)未能很好解決的復(fù)雜問題，2003年的美加大停電便是例證，美國(guó)技術(shù)評(píng)論雜志已將其列為九個(gè)開拓性的新興科技領(lǐng)域之一。電力系統(tǒng)中現(xiàn)有的各

2、種控制系統(tǒng)（如繼電保護(hù)、綜合自動(dòng)化、功角穩(wěn)定控制、無(wú)功電壓控制）之間相互獨(dú)立，且大多數(shù)采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)式的專線通信方式。如將基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)（Networked Control System，NCS）技術(shù)引入電力系統(tǒng)，可望為解決大系統(tǒng)的安全控制問題提供一條嶄新的途徑。NCS系指在控制系統(tǒng)的信息傳輸途徑中含有網(wǎng)絡(luò)成分，有些文獻(xiàn)也稱其為網(wǎng)絡(luò)化控制，或網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的控制。NCS具有可靠性高、控制靈活、易于維護(hù)、擴(kuò)展方便等眾多優(yōu)點(diǎn)，一經(jīng)提出便已在眾多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，如網(wǎng)絡(luò)化家電、基于網(wǎng)絡(luò)的智能制造等。NCS的巨大優(yōu)越性使其必然也會(huì)在電力系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。但建設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)的投資巨大，不太可能為各種特

3、定的功能建設(shè)各自獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，各種控制信息及電力系統(tǒng)的其他運(yùn)行信息運(yùn)行于同一電力信息專用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上的可能性比較大（也可能將公用網(wǎng)絡(luò)納入電力信息網(wǎng)絡(luò)中，以實(shí)現(xiàn)某些特定信息的傳輸，或作為某些運(yùn)行情況下傳輸某些信息的備用）。本文稱這樣的電力信息專用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)及其所聯(lián)的各種電力二次設(shè)備，為基于網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)運(yùn)行與控制系統(tǒng)（PNCS）。PNCS的實(shí)現(xiàn)可顯著簡(jiǎn)化控制設(shè)備的連接方式，實(shí)現(xiàn)各種異構(gòu)控制設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)集成和信息共享，使全局穩(wěn)定控制和全局繼電保護(hù)等一些嶄新的控制功能成為可能，它的進(jìn)一步發(fā)展可能會(huì)模糊現(xiàn)有電力系統(tǒng)控制設(shè)備之間的界限。但電力系統(tǒng)各種控制設(shè)備的信息差異很大，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸控制信息將存在時(shí)延不確定、

4、路徑不確定、數(shù)據(jù)包丟失、信息因果性喪失等問題，在實(shí)際應(yīng)用PNCS前必須從理論上解決這些問題。目前還沒有學(xué)者明確提出就該問題進(jìn)行系統(tǒng)的研究。解決上述共性問題、掌握基于網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)控制的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，將是我們?cè)谛乱淮娏ο到y(tǒng)控制設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)中面臨的一大挑戰(zhàn)。在過去的一段時(shí)期內(nèi)，數(shù)字化是電力技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志性成果之一；信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)是下一階段的發(fā)展主題之一。在數(shù)字化發(fā)展過程中，對(duì)具體裝備的數(shù)字化研究工作比較關(guān)注，與數(shù)字制造等領(lǐng)域相比，針對(duì)數(shù)字化的概念、共性問題等開展的宏觀性研究工作相對(duì)較少。在網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展過程中，選擇哪一種研究模式也是一個(gè)值得探討的問題?；谶@樣的認(rèn)識(shí)和對(duì)未來的評(píng)估，本文針對(duì)PNCS的

5、一些相關(guān)問題進(jìn)行了討論。 2 發(fā)展展望網(wǎng)絡(luò)化帶來的最直接變化是變電站二次設(shè)備接線形式的改變。數(shù)據(jù)采集和控制命令由點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的專線傳輸轉(zhuǎn)向由公共網(wǎng)絡(luò)傳輸。這一轉(zhuǎn)變將使二次設(shè)備的接口規(guī)范化、簡(jiǎn)單化、便于維護(hù)和擴(kuò)展。規(guī)范化和簡(jiǎn)單化系指使用同樣的網(wǎng)絡(luò)通訊接口采集或輸出數(shù)據(jù)，二次設(shè)備的輸入輸出接口在形式及數(shù)量上都將變得簡(jiǎn)單，且不同設(shè)備采用相同的技術(shù)。在變電站網(wǎng)絡(luò)上接入大量二次設(shè)備以后，人們便會(huì)考慮調(diào)整一些二次設(shè)備的功能，因而影響到網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒌淖兓?。如：在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)時(shí)代，可能對(duì)許多二次設(shè)備采集同一電流或電壓量，再進(jìn)行濾波處理。在網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代，可在采集裝置中進(jìn)行這些模擬量的各種公共的前期處理，再將處理結(jié)果量通過網(wǎng)

6、絡(luò)傳給眾多二次設(shè)備。因此使變電站二次設(shè)備的組成及各種設(shè)備的軟件發(fā)生變化，智能的數(shù)字化采集裝置將得到廣泛應(yīng)用。發(fā)展的第三階段便是基于網(wǎng)絡(luò)的各類二次設(shè)備的數(shù)據(jù)交換和信息集成，實(shí)現(xiàn)變電站數(shù)據(jù)的無(wú)二義、可重用。網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)集成提供了最為廣闊的空間，但要完成這一步非常艱巨，考慮到二次設(shè)備制造廠家眾多及變電站已有的眾多數(shù)字二次設(shè)備，這一步的實(shí)現(xiàn)將需要較長(zhǎng)的時(shí)間。在實(shí)現(xiàn)了變電站數(shù)據(jù)無(wú)二義后，網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢(shì)才開始真正體現(xiàn)，帶來變電站數(shù)字設(shè)備的變革，即數(shù)字設(shè)備功能的結(jié)構(gòu)性調(diào)整和新功能新設(shè)備的層出不窮。具體舉例如下：現(xiàn)有各類數(shù)字設(shè)備和系統(tǒng)中的某些功能是相互重復(fù)的，這些重復(fù)的功能在數(shù)據(jù)無(wú)二義的基礎(chǔ)上可以合并。

7、經(jīng)過以上發(fā)展后，許多裝置的功能已變得非常簡(jiǎn)單，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)本身的發(fā)展，許多裝置作為物理硬件存在的必要性將受到質(zhì)疑，許多硬件平臺(tái)將被合并，變電站裝置的數(shù)目將顯著減少，且不同功能硬件平臺(tái)的結(jié)構(gòu)都將實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)字設(shè)備的硬件多樣性也許將一去不返，只剩下規(guī)范化的硬件平臺(tái)，具體功能由軟件來實(shí)現(xiàn)。此外，由于網(wǎng)絡(luò)提供了聯(lián)系手段，數(shù)據(jù)的無(wú)二義將使各類數(shù)字設(shè)備之間可以相互交流，一些以前不能實(shí)現(xiàn)的新功能將變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，如各類數(shù)字設(shè)備記錄的電力系統(tǒng)故障信息的綜合分析和應(yīng)用。從系統(tǒng)級(jí)的角度來看，網(wǎng)絡(luò)化帶來的變化主要集中在后兩個(gè)階段，目前頗受關(guān)注的廣域控制和廣域保護(hù)、故障信息處理系統(tǒng)等均是這方面的代表。網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展將使獲

8、得全局信息的成本大為降低，獲取信息的速度也越來越快，系統(tǒng)級(jí)的新功能將越來越多。最終網(wǎng)絡(luò)將使電力系統(tǒng)中的任何數(shù)據(jù)和信息均可簡(jiǎn)單地得到，且無(wú)二義性，變電站的數(shù)字設(shè)備被功能強(qiáng)大的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算設(shè)備所替代，研究人員的主要精力將用于開發(fā)各類功能強(qiáng)大的軟件，而變電站“新設(shè)備”的安裝，也可能由某一個(gè)電力系統(tǒng)軟件管理中心的值班人員在遠(yuǎn)距離完成，將某單位開發(fā)的新型功能軟件通過網(wǎng)絡(luò)傳送到某個(gè)變電站的超級(jí)計(jì)算機(jī)，由軟件去適應(yīng)變電站的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并開始發(fā)揮作用。電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制現(xiàn)在大多數(shù)由就地裝置完成，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到足夠快速以后，也可能由超級(jí)計(jì)算機(jī)在收集全局實(shí)時(shí)信息以后作出控制決策，從根本上改變電力系統(tǒng)二次系統(tǒng)的面貌。 3

9、 研究現(xiàn)狀現(xiàn)有的研究工作主要集中在網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)電力系統(tǒng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分析、信息傳輸特性的分析、網(wǎng)絡(luò)信息流控制技術(shù)、通信體系結(jié)構(gòu)等方面。盡管以往沒有明確提出對(duì)PNCS進(jìn)行研究，但許多研究工作都可歸結(jié)為以下幾方面：（1）網(wǎng)絡(luò)時(shí)延對(duì)控制系統(tǒng)的影響。文1對(duì)基于信息網(wǎng)絡(luò)的三方負(fù)荷頻率控制（LFC）進(jìn)行了仿真研究，研究結(jié)果表明，在參與調(diào)頻的電廠中，當(dāng)超過66%的電廠收到的頻率控制信息延時(shí)超過兩個(gè)數(shù)據(jù)包的傳輸時(shí)間時(shí)，電力系統(tǒng)的頻率將發(fā)生振蕩。文2對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延大于250ms時(shí)，發(fā)電機(jī)的有功出力將出現(xiàn)振蕩。其他類似的研究也都表明控制系統(tǒng)的穩(wěn)

10、定性表現(xiàn)出很強(qiáng)的時(shí)延依賴性。（2）對(duì)信息傳輸特性的分析。目前，這方面的研究方法主要有實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和基于統(tǒng)計(jì)模型的網(wǎng)絡(luò)仿真方法3-7。文3以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了通過ATM網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)程保護(hù)信息的可行性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大于96%時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的丟包率和時(shí)延會(huì)增加，為確保安全可靠地通信，應(yīng)采取有效的流量控制策略限制網(wǎng)絡(luò)流量為鏈路容量的95%以下。文4采用網(wǎng)絡(luò)仿真方法，在不同的網(wǎng)絡(luò)流量環(huán)境下，對(duì)基于Agent的差動(dòng)保護(hù)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r(shí)延特性進(jìn)行了仿真評(píng)估，認(rèn)為必須構(gòu)建企業(yè)專用通信網(wǎng)絡(luò)來滿足差動(dòng)保護(hù)信息傳輸?shù)男枰?。?采用網(wǎng)絡(luò)仿真方法驗(yàn)證了通過專用IP通信網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)程保護(hù)信息的可行性和有效性。文6采用網(wǎng)絡(luò)仿真方

11、法對(duì)兩區(qū)域四機(jī)系統(tǒng)中PSS的遠(yuǎn)程穩(wěn)定信息的傳輸時(shí)延特性進(jìn)行了研究，認(rèn)為速率為56kbps（56K link）、1.544Mbps（DS1）、44.736Mbps（DS3）、100Mbps（100BaseX）和594.43Mbps（OC-12）的專用通信鏈路都能滿足遠(yuǎn)程穩(wěn)定信息傳輸時(shí)間的要求。采用基于統(tǒng)計(jì)模型的網(wǎng)絡(luò)仿真方法得到的結(jié)果只是網(wǎng)絡(luò)的平均動(dòng)態(tài)特性，用于分析保護(hù)和控制信息的傳輸特性可能不夠，有必要采用確定性的信息建模方法進(jìn)行研究，以得到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延最大值及避免一切由緩沖區(qū)溢出帶來的包丟失。（3）網(wǎng)絡(luò)信息流控制。目前主要針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)（如交換機(jī)或路由器）進(jìn)行研究。為滿足綜合信息傳輸中保護(hù)、

12、視頻、管理等信息的不同服務(wù)質(zhì)量需求，文8提出了在ATM交換機(jī)中采用混合優(yōu)先級(jí)控制策略，研究結(jié)果表明，這些策略在保證各種信息服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上提高了網(wǎng)絡(luò)鏈路的利用率。文9提出了采用時(shí)延控制策略對(duì)同時(shí)到達(dá)交換機(jī)的保護(hù)信息流進(jìn)行控制。這些方法并不能確保端到端的響應(yīng)時(shí)間要求，因此有必要研究基于網(wǎng)絡(luò)端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點(diǎn)相結(jié)合的信息流控制機(jī)制。（4）通信體系結(jié)構(gòu)。華盛頓大學(xué)電力系和計(jì)算機(jī)系組成的GridStat研究組10,11從電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性出發(fā)，提出采用網(wǎng)狀通信結(jié)構(gòu)連接廠站和控制中心。文12從網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性和可靠性角度出發(fā)，提出了分層次的通信體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)分為：廠站層、區(qū)域?qū)雍拖到y(tǒng)層三層

13、。構(gòu)建合適的通信體系結(jié)構(gòu)還有許多問題有待解決。 4 有待解決的問題（1）適用于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的電力系統(tǒng)控制方法?；诰W(wǎng)絡(luò)綜合傳輸電力系統(tǒng)的各類數(shù)字設(shè)備的信息，將使控制設(shè)備面臨時(shí)延不確定、路徑不確定、數(shù)據(jù)包丟失、信息因果性喪失等問題，尤其是數(shù)據(jù)包丟失可能影響系統(tǒng)的可觀性和可控性?，F(xiàn)有的電力系統(tǒng)控制理論都是針對(duì)時(shí)延確定系統(tǒng)的，需研究這些新問題對(duì)于已有控制方法的穩(wěn)定性的影響，并借鑒NCS的研究成果，構(gòu)建新的網(wǎng)絡(luò)化控制理論與方法。此外，網(wǎng)絡(luò)為廣域控制設(shè)備的實(shí)時(shí)信息交互提供了可能，可以改變基于先驗(yàn)知識(shí)的控制方法，顯著改善各種控制系統(tǒng)的性能，但也對(duì)實(shí)時(shí)協(xié)同控制策略提出了挑戰(zhàn)。應(yīng)研究網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下多源、異構(gòu)信息的感知

14、和自主適應(yīng)原理與方法，異構(gòu)系統(tǒng)的協(xié)同決策支持理論，控制系統(tǒng)面向網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的行為模型，海量散亂測(cè)量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、高效處理方法。（2）電力系統(tǒng)綜合傳輸?shù)膶Ｓ镁W(wǎng)絡(luò)技術(shù)。電力系統(tǒng)是一個(gè)快速的分布式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，對(duì)可靠性的要求很高，與網(wǎng)絡(luò)化制造、網(wǎng)絡(luò)化家電不同，現(xiàn)有的成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)難以滿足需要，可能必須針對(duì)PNCS的特點(diǎn)研究專用技術(shù)。包括典型的變電站控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和站間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、電力高速專用網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層協(xié)議、電力實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的流量均衡方法、信息分類方法、擁塞與流量識(shí)別及控制、電力系統(tǒng)故障等緊急情況下的信息調(diào)度方法、電力系統(tǒng)分布式環(huán)境下的實(shí)時(shí)中間件技術(shù)等。（3）統(tǒng)一的電力系統(tǒng)信息模型。數(shù)字化的一個(gè)基本要求是徹底消除

15、數(shù)據(jù)和知識(shí)的二義性，通常由公用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或協(xié)議來實(shí)現(xiàn)。在數(shù)字化時(shí)代，數(shù)字設(shè)備相互獨(dú)立，無(wú)二義性是一個(gè)局部問題，且在制造廠家內(nèi)部就可得到較好的解決。在PNCS時(shí)代，無(wú)二義性的實(shí)現(xiàn)則要艱巨得多，網(wǎng)絡(luò)化使眾多設(shè)備相互集成，必須實(shí)現(xiàn)全局的無(wú)二義性和不同廠家之間的無(wú)二義性。建立各種類型的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和統(tǒng)一的公共信息模型是PNCS必須解決的問題。（4）基于網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)控制的新功能與新設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用將使以前不能實(shí)現(xiàn)的一些控制功能成為可能，如基于網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定控制系統(tǒng)、基于網(wǎng)絡(luò)的低頻振蕩抑制系統(tǒng)、基于網(wǎng)絡(luò)的二次設(shè)備動(dòng)態(tài)監(jiān)控與協(xié)調(diào)等。PNCS帶來的現(xiàn)有設(shè)備功能的結(jié)構(gòu)性調(diào)整，也會(huì)出現(xiàn)一些新的功能設(shè)備。（5）PNCS的

16、一些具體共性技術(shù)問題。如數(shù)據(jù)采集問題。在網(wǎng)絡(luò)化集成時(shí)代，必須解決數(shù)據(jù)采集的同時(shí)性、多采樣率、多精確率等問題。又如海量數(shù)據(jù)的處理、計(jì)及信息網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)特性的電力系統(tǒng)分析計(jì)算、電力信息綜合傳輸特性分析仿真平臺(tái)、電力系統(tǒng)控制專用通信網(wǎng)的物理仿真平臺(tái)等均是網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代必須解決的新問題。 5 結(jié)束語(yǔ)PNCS的研究與實(shí)現(xiàn)才剛開始，到底會(huì)如何發(fā)展，今天很難對(duì)其有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)；但將其作為一個(gè)問題提出來以引起更多人的思考，也許會(huì)使其發(fā)展的道路相對(duì)平坦一些。  參考文獻(xiàn) 1 Bhowmik S，Tomsovic K，Bose ACommunication models for third party loa

17、d frequency controlJIEEE Trans on Power Systems，2004，19 (1)：543-5482 Wu H X，Ni H，Heydt G TThe impact of time delay on robust control design in power systemsAIEEE Power Engineering Society Winter MeetingC，NewYork，USA，2002，2：1511-15163 Serizawa Y，Imamura H，Sugaya N et alExperimental examination of wid

18、e-area current differential backup protection employing broadband communications and time transfer systemsAIEEE Power Engineering Society 1999 Summer MeetingC，Edmonton，Canada，19994 Coury D V，ThorpJS，Hopkinson K M et alAn agent-based current differential relay for use with a utility intranetJIEEE Tra

19、ns on Power Delivery，2002，17(1)：47-535 Serizawa Y，Imamura H，Kiuchi MPerformance evaluation of IP-based relay communications for wide-area protection employing external time synchronizationAIEEE Power Engineering Society Summer MeetingC，Vancouver，Canada，20016 Raux G JTelecommunication of stabilizing

20、signals in power systemsDWest Virginia University，20037 Serizawa YShimizu K，F(xiàn)ujikawa F et alATM transmissions of microprocessor-based current differential teleprotection signalsJIEEE Trans on Power Delivery，1999，14(2)：335-3428 Doi H，Serizawa Y，Tode H et al Simulation study of QoS guaranteed ATM transmission for future power system communicationJIEEE Trans on Power Delivery，1999，14(2)：342-3489 Doi H，Serizawa YThe applicability of hybrid priority control for ATM network under the required QoS conditionsA