大电网全局监控内涵与关键技术

郭建成, 南贵林, 许 丹, 庄卫金, 闪 鑫, 赵 林, 杨胜春

(1. 国家电力调度控制中心, 北京市 100031； 2. 中国电力科学研究院, 北京市 100192； 3. 南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司, 江苏省南京市 211106； 4. 国电南瑞科技股份有限公司, 江苏省南京市 211106； 5. 智能电网保护和运行控制国家重点实验室, 江苏省南京市 211106)

0 引言

电网运行稳态监控指数据采集与监视控制(supervisory control and data acquisition,SCADA),是电网调度控制系统最基本的应用之一,它是集数据采集、复杂通信、大规模存储、系统安全及后续深化应用为一体的综合性应用,主要用于实现电力系统实时运行稳态信息的监视和设备控制,并为其他应用提供可靠的稳态数据基础与服务[1]。

目前,智能电网调度控制系统(简称D5000系统)已在国家电网有限公司范围内得到了全面推广应用。在以单一省份作为调度控制单元的模式下,电网实时监控已逐步发展成为一个技术相对成熟的基础应用。但是随着中国特高压交直流电网和电网智能化的快速发展、电力市场的逐步完善以及用户双向互动用电的不断推进,电力能量和信息的多元、多向流动逐步改变电网的运行形态,与此相适应,电网的调度与控制形态将会发生重大变化,现有的分省实时监控将难以满足电网调控运行的新需求[2],在数据采集、通信、数据存储及访问等方面都将面临一系列新问题。针对这些问题,前期已开展的研究包括：在数据采集方面,针对SCADA主站端直采变电站和数字化变电站的大量增加,对系统的采集量和可靠性提出了更高的要求,文献[3]提出了分布式前置采集技术,该技术具有多节点采集、分散风险、灵活部署等特点,可用于支撑大电网全信息采集；针对多源数据采集及可能存在的通信阻塞问题,文献[4]提出要构建动态SCADA系统,通过引入新型采集终端——动态远程测控终端(RTU),从硬件和软件两个层面对SCADA系统进行改造,并着力解决通信阻塞问题,以提高系统通信的可靠性。由于实时采集的数据量越来越大,海量的历史数据将给网络和信息处理造成极大的负担[5-7],文献[5]为减少数据存储量,提出了一种基于有效估算的旋转门算法(effective reckon swing door trending,ERSDT),并针对历史数据的压缩存储需求给出了一种新的数据多级存储策略,通过搜寻最远压缩点以及旋转平衡因子方式进行数据压缩,提高了数据存储效率。文献[8]提出了一种新型分布式SCADA系统,研究了分布式资源和任务管理、分布式实时数据管理、分布式数据处理等技术,突破了现有SCADA数据处理方式的瓶颈,可有效提升SCADA系统的性能。在数据的实时性和一致性方面,由于中国电网采用分级(国、分、省、地)分省调控模式,需要各级电网调控中心之间进行信息交互,目前普遍采用数据多级转发机制,在转发时效性上存在着明显缺陷,针对这一问题，文献[9]提出了一种跨调度系统的主动访问模式和基于角色控制的多区域权限管理模型,在不同责任区内分配不同权限,满足根据调管区域进行差异化权限管理的需求,但在电网调控一体化条件下这种权限访问控制过于复杂,限制了该方法的进一步应用。

总体而言,目前关于大电网的全局监控研究较多局限在数据层面,尚未形成完整的技术框架。电网实时监控作为调度控制系统的最为基础的应用,是保障电网安全可靠运行的“生命线”,必须考虑广域全景多源数据,满足大电网一体化特性需求。本文正是在这一背景下,设计了全局监控整体框架,给出了大电网一体化全局监控的内涵和目标,指出了需要进一步研究的关键技术,以期为新一代调控技术系统的全网一体化监控应用研发提供参考。

1 需求与挑战

随着特高压电网加快建设,跨区跨省电网联系更加紧密,交直流、送受端、不同电压等级之间的相互影响和制约进一步增强,局部故障影响全局化,对全局监控提出了更高要求,亟须构建全网一体化监视与控制应用。目前调控中心独立配置电网调度控制系统,无论是软硬件配置,还是信息采集、应用决策功能等均局限在单个调控中心内部,“烟囱”化特征明显,客观上限制了全网信息的综合应用、全网监视的全局视野和全网控制的统一决策等水平和能力的进一步提升,难以应对调控业务面临的新挑战。

电网运行模式呈现整体性,全局监控的基础支撑能力不足。目前电网模型和实时运行信息在各级调度控制系统间共享的时效性和一致性不高,全局态势感知效能不足；各级调度控制系统中的模型和基础信息存在不完整、不准确、不及时、不一致等问题,难以满足全局监控需求。

电网运行特性呈现复杂性,电网统一协调控制能力亟待提升。现有系统虽实现了设备故障、计划越限等及时告警,但对于复杂连锁故障,无法准确综合判断各类事件关联关系,难以高效支持各级调控中心协同处置；现有系统架构模式下,各调度控制系统独立分析决策,协同效应不足,限制了全局统一的实时控制决策和预防控制决策能力的进一步提升。

运行影响因素呈现多重性,态势分析和预控能力尚显不足。由于频发的极端恶劣天气和自然灾害造成特高压设备故障,对电网安全的影响巨大,需对特高压交直流运行关联电网及其输电设备的运行状态、外部环境等信息进行全局监视和全局分析。各级调度需要结合全网实时运行状态、设备状态和输电通道的外部环境因素,动态预判电网全局运行风险,并通过多级调度协同配合实现全局风险预控。

2 全局监控的内涵

为了应对上述需求与挑战,需要采用“采集控制分布,分析决策集中”的新模式[10],实现全局一体化的监视控制。大电网全局监控支撑能力包括具有更广阔的监视范围、更多元的监视内容、更强大的实时数据处理能力、更高的数据实时性与一致性、更大寻优空间的协调控制,以及更为友好实用的辅助决策支持。具体为以下几个方面。

1)在监视范围方面,能掌握特高压交直流输电线路、域外电网、域外重要电源及负荷中心的运行状况、风险和故障情况,进而在进行调控操作调整和事故决策时能够考虑域内外电网的相互约束和影响,能够掌控与本地电网相关的域外电网运行风险,并主动采取相应的风险预防措施,能在本地电网中出现异常时,准确识别和定位故障源是位于域内还是域外电网。

2)在监视内容方面,在掌握电网全局运行状态(包括稳态、动态)的基础上,还可了解实时和未来一段时间的外部运行环境与条件信息,包括气象条件、外部突发事件(如山火、地震)等多元信息融合,结合当前先进的人工智能与大数据挖掘技术,通过强大的搜索引擎及多源数据智能化关联分析,并借助于虚拟现实、增强现实、三维可视、全站建模等新型展示技术,可以灵活、便捷地获得更为直观丰富的电网信息,更准确、更快地进行事故处理。

3)在监控实时性与一致性方面,数据采集与处理的性能直接影响全局监控的实时性。在处理性能方面,由于监视内容的多源化,且数据量激增,对实时数据的处理能力提出了更高的要求,需摆脱过去单纯通过提升服务器配置来提高系统处理能力的束缚,从而实现弹性性能扩张,保证全局监控的实时性。在处理方式方面,由于目前实时数据通过层层转发的方式,实现从下级调度至上级调度的交换与汇集,通信延时明显偏长,造成了实时数据的时空一致性程度不高,对分析决策造成了不利影响,在全局监控中采用更为高效快速的广域实时数据交换技术,保证全局监控所需数据的实时性和一致性。同时,在网络通信延时无法避免的情况下,将电网量测数据打上准确一致的时间标识,将不仅能提升状态估计结果,也能帮助监控人员实现更为准确、细致的故障分析。

4)在自动控制方面,由于特高压直流大功率失去后对送受端电网造成较大的影响,传统相对独立的自动控制技术与方法缺乏深度协同,不能达到理想的控制效果。本文提出建立多级调度协同控制框架,以充分利用互联电网多地的自动控制资源,并且充分发挥可控负荷的控制作用,进行基于全局发电负荷的协调优化控制。而且,由于特高压直流近区电网的暂态电压稳定问题日益突出,直流系统换相失败可能造成送端电网大规模风电场脱网和受端电网电压失稳,而特高压站及近区电网中的电厂、变电站一般分属于多级调度中心调控,通过跨多电压等级的国、分、省、地自动电压控制系统的协调控制,保证特高压近区的电压始终运行在合理范围内。

5)在辅助决策支持方面,随着电网和设备监控范围的不断扩大,电网监控人员进行信号监控与处置的工作压力不断加大。目前从监视到辅助决策过程中调控系统应用支持不够连贯顺畅,全局监控应用将建立一种面向各种调控任务的辅助决策自动导引机制,最大程度简化调控人员操作,为调控人员的信号处理、方式调整、越限处理和事故处置提供更为友好、规范、智能的辅助决策支撑。

3 总体框架设计

3.1 全局监控总体架构

基于“物理分布、逻辑统一”理念,重构调控技术支撑体系,突破传统调控系统独立配置、就地使用模式的局限,强化全系统信息的综合应用,构建全局控制决策和就地实时监控的新架构,如图1所示。

全局监控由分布式监控和集中式控制决策构成。分布式监控通过升级现有各调控中心的实时监控系统实现,负责调管范围内的各类数据采集、监视和控制执行,并为控制决策提供完整可靠的信息基础；集中式控制决策通过全局分析决策中心实现,综合全局信息为各区域提供控制目标；人机交互方面,构建位置无关、权限约束、同景展示的人机云终端,支持调控人员实现本地、异地无差别监视。

3.2 全局监控功能框架

全局监控功能基于对电网运行状态及气象环境的实时采集、数据处理和信息汇集,实现对电网及设备运行状态监视、调控作业辅助决策、远方操作与自动控制,如图2所示。

图2 全局监控功能框架图Fig.2 Function framework of global monitoring

全局监控功能主要包括监视类、控制类、分析类及全局控制决策等功能。监视类主要包括电网稳态监控、动态监视、变电站集中监控及气象环境监测等功能；控制类主要包括人工操作、自动发电控制和自动电压控制,基于实时信息,结合全局控制决策指令,实现调管范围内的电网自动控制；分析类实现告警综合分析和事件处置导航；全局控制决策基于全局信息提供全网有功/无功优化策略。

3.3 典型应用场景

3.3.1全局监视

通过人机云终端浏览主网及新能源机组的实时工况、外部信息,感知电网故障及风险隐患,把控电网运行关键指标,实现对特高压送受端、联络线走廊、区域外电源及负荷中心的运行状况、外部运行环境等信息的全面掌控。正常情况下,通过逐层放大及漫游功能浏览全网信息；异常情况下,通过鹰眼导航窗口直接定位到异常区域,如图3所示。

图3 全局监视示意图Fig.3 Schematic diagram of global monitoring

3.3.2全局控制决策

全局控制决策采用国分、省地协调模式[11]。国分分析决策中心协调各省地分析决策中心进行全网有功/无功优化分析决策,由国分省各监控系统执行控制指令；省地分析决策中心在响应国分分析决策中心协调指令基础上,进行省地全局决策,由各地区监控系统执行指令,整个过程如图4所示。

图4 全局控制决策示意图Fig.4 Schematic diagram of global control decision

3.3.3协同处置

可利用人机云终端基于全局信息实现方便快捷的电网事件协同处置。以省辖线路越限的处置为例,流程如下:①监控系统将越限信息发送给云终端；②调控人员将越限信息发送给分析决策中心获取辅助决策；③若辅助决策只包含本省处置信息,则直接在本省进行处理；④若辅助决策包含多省处置信息,则通过系统平台提供的即时通信工具进行多省协同处置。处置过程如图5所示。

图5 协同处置示意图Fig.5 Schematic diagram of collaborative operation

4 关键技术

4.1 电网数据的广域高速交换汇集

当前,调控系统间通过层层转发的方式进行实时数据的交换与汇集,不仅延时较大,而且造成数据在全局范围内共享困难。广域实时数据交换技术将实时数据逐级转发变为同步处理按需使用,实时数据在调控系统“单点采集处理”后实现全网“广域多点共享”,减少了数据汇集的中间环节,提高数据的实时性和一致性[12]。

广域实时数据交换技术在下级系统中完成数据接入后,直接将原生采集数据发送给其他系统,实现各系统的实时数据同步处理,避免了多次处理造成的延时。同时,广域实时数据交换技术采用面向服务体系架构的数据交互方式,如图6所示,各系统间通过广域服务总线互联,调控系统作为服务的提供者负责服务注册,并将所接收的实时数据对外提供数据共享服务,其他系统作为服务的消费者通过服务查询并订阅所需的实时数据。

图6 广域实时数据交换架构图Fig.6 Architecture diagram of wide area real-time data exchange

在广域实时数据交换中,实时数据的收发双方采用订阅发布的服务模式进行数据传输。服务消费者只需要一次性提交服务订阅请求,服务提供者在数据变化时多次返回服务结果。为了保证广域实时数据传输的可靠性,广域实时数据交换还应该包含对广域服务访问进行实时统计、链路状态的管理,如广域消息发送和接收的实时监视、广域消息推送流量查询、节点运行状态统计等功能。

广域实时数据交换技术改变了原有数据转发方式下数据发送的决定权在发送方,而数据接收方只能被动接收的状况,将决定权交由数据接收方,数据接收方按需订阅数据,提高了数据汇集的灵活性。数据维护也由双端维护变为了单端维护,并直接传输原生采集数据,大大减少了中间处理环节,提高了实时数据的传输效率,为实时数据和各类运行数据的全局实时性和一致性提供了技术保障。

4.2 面向电网全局监视的数据服务

为满足通过人机云终端浏览主网及新能源机组的实时工况、外部信息等电网运行关键指标的全局监视需求,需提供面向电网全局监视的数据服务。该服务分布在各监控系统上,获取监控系统中的数据,并通过广域服务总线向人机云终端提供数据服务。

人机云终端需根据画面浏览内容,请求一个或多个分布在不同监控系统上的数据服务,因此需要在传统调度控制系统本地化的服务模式[13-14]上,建立基于全局服务注册与快速服务定位的服务化框架。全局服务注册功能通过广域服务总线和分级上报的注册机制,将分散在不同系统、不同位置的数据服务统一注册到全局服务管理中心,解决跨系统多中心全局服务注册问题,提升服务状态感知能力。快速服务定位功能通过广域纵向服务信息同步,完成服务信息的全局共享,通过本地缓存,完成数据服务的快速定位,实现集群组网下多实例部署的服务全局定位,满足人机同时访问广域范围内的多个数据服务实例的需求。

为实现不同用户按需关注不同的监视范围,可根据用户监控界面范围动态选择刷新数据。采用人工智能策略,记录用户角色/职责和用户行为习惯,动态分析用户需要的数据,对多源信息进行动态智能关联,根据电网实时运行状况,形成可支持用户操作的辅助决策知识库。优化广域环境中访问应用功能服务的选择问题,指定最优数据传输方案,达到按需刷新数据、减少无效数据传输,提高网络使用效率,改善全局服务效率。

4.3 基于时标量测的并行SCADA处理技术

目前基于SCADA量测数据的状态估计,没有考虑各测点时标是否一致,也无法找到协调和处理各量测量不同时延的有效方法,难以克服量测不同步对计算分析结果的不利影响。大电网全局决策中心尤其需要及时的、同一时间数据断面,才能满足计算分析应用的业务需求,全局监控模式下基于集群SCADA技术融入时标量测处理机制[15-16],采用基于IEC 104或基于服务架构通信协议的带时标稳态数据采集处理方法,将现有变化数据的传输类型改为带时标的类型标识,并扩展带时间召唤机制,实现量测数据带时标处理。综合运用内存实时数据库加时间序列数据库的方式进行时标稳态数据的存储。基于内存实时数据库采用时间回溯、曲线拟合、实时召唤等策略生成实时数据理想断面,为全局决策中心提供同一时间数据断面,提高实时计算分析的准确性和同步性。基于事件驱动的触发式电网分析流程,实现一旦电网发生扰动、系统潮流和方式快速变化时,系统可以基于时标量测的稳态数据及时进行分析计算。带时标量测数据的并行处理与状态估计关键技术研究,为全局分析决策中心建立更为精确的信息基础。

4.4 多级协同、多源协调的自动发电控制技术

针对传统分省独立控制模式下的自动发电控制难以适应特高压交直流混联电网新特性和新能源跨区跨省优先消纳这一问题[17-19],采用全网多级调度有功协同控制整体框架和统一建模技术,实现多级调度协同控制框架下全局优化、分区控制的自动发电控制。通过基于电网运行大数据挖掘的频率控制过程和控制效能预警、评估和考核等技术,达到大电网多级调度协调运行、备用和调节资源共享的协同控制和多源能源协调控制目标,保障特高压交直流电网安全稳定运行和新能源的优先消纳。

4.5 适应特高压的大电网自动电压控制技术

特高压近区网架结构薄弱,近区扰动事件极易引起系统电压的大幅变化,使得系统电压质量恶化,造成交直流外送通道功率振荡、系统失稳等后果。目前特高压近区送受两端系统内虽然已经配置了调相机、静止同步补偿器(STATCOM)、滤波器等离散与连续调节设备,但这些设备目前仍局限于单独调节,属于特高压站内独立控制模式[20-23],缺乏全局性,需针对送、受端近区不同的电压无功特性与控制需求,以及特高压系统的不同运行方式,采用基于云模型的全网多级调度无功协同优化控制整体框架和统一建模技术,实现多级调度协同控制框架下全局优化、分散控制的自动电压控制。充分利用广域多类型可控无功源、辅助可中断负荷的全网协调控制,同时结合在线电压安全域的动态无功储备评估、电压稳定风险评估等多级电网无功电压控制方法,建立特高压大电网背景下的无功电压控制模式,满足稳态及紧急模式下的不同决策控制需求,支撑特高压背景下的全局无功电压控制。

4.6 特高压大功率失去下的快速恢复技术

特高压直流输送功率大,单条直流满送功率达到10 GW,大功率失去将对送受端电网安全运行造成严重冲击,目前国内在特高压直流故障后的快速恢复方面开展了一定研究,但主要还是集中在联络线计划调整、负荷控制等单一问题上[24-28],缺乏整体的统一协调,难以得到最优控制策略,为此需要基于国分、省地两级分析决策中心分解协调的计算架构,国分分析决策中心侧重于跨区、跨省控制策略的计算,并给出各个省的总体控制目标,省地分析决策中心根据国分分析决策中心下发的总体控制目标,进行控制策略的分解计算。采用两级分析决策中心分解协调的计算模式,既降低了计算规模,满足了实时控制快速性的要求,又能够适应当前分级调度管理模式的要求。

4.7 电网告警综合分析与作业自动导航

目前调控系统告警功能只能实现本地故障告警,缺乏对跨区扰动与故障的快速定位[29],需要研究基于事件链的跨区电网故障及扰动的故障源定位及按需推送技术,帮助调控人员实现跨区和域外电网故障及扰动的即时感知,迅速定位扰动源；同时由于告警和分析决策自动关联的智能化程度不足,影响了调度告警处置效率,需要研究调控作业自动导航技术,实现告警监视、分析预警应用服务等整体联动协同,支持可视化、流程化的作业引导,提高调度人员告警处置效率。

5 结语

在特高压交直流互联大电网规模异常庞大,一体化特征凸显,运行模式呈现整体性的形势下,电网调度控制技术支撑能力面临全新挑战。大电网全局监控是实现全局分析、全网防控及全局优化决策的基础与前提。本文分析了电网实时监控面临的挑战和目前存在的不足,提出了大电网一体化全局监控的内涵和目标,从全局监控的体系架构、功能结构、典型应用场景等方面设计了全局监控的总体框架,并分析了实现全局监控还需进一步突破的各项关键技术,以期为新一代调控技术系统中的全网一体化监控应用功能研发提供参考。通过大电网的一体化全局监控,将可提升大电网一体化掌控能力,完成电网监视控制从局域向广域的转变。