构建多级调度协同控制实验系统方案的探索

彭跃辉， 葛丹丹

（华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室，北京102206）

0 引 言

目前，我国电网调度管理体系普遍存在着缺乏横向协同、纵向贯通、整体协调难、运转效率低等突出问题，而其中最为突出迫切需要解决的是多控制中心之间的一体化建模与计算问题。在实际电网中开展多控制中心之间的协同控制研究是非常不现实的，因此如何在离线的实验室环境下借助仿真［1-2］、计算机等技术构建与实际电网一致的多级调度运行场景是解决上述难题的主要途径。此外，高校作为理论研究、技术研发的重要基地，常因缺乏合适的测试环境无法开展多控制中心的协同控制研究，这些客观因素极大地限制了相关工作的研究进展以及研究成果的实际落地。

在实验室环境下重现与实际电网一致的多级调度运行场景是系统级的仿真问题，目前系统层面的仿真大多局限于独立的研究对象，其中分别以电网［3-4］、电源［5］、调度中心模拟［6-7］为研究对象的成果较多而且也较为成熟，中国电科院曾开发出电网与调度中心联合的仿真系统［8］，但不包括电源的详细仿真，无法为新能源接入的源网协调、AGC闭环控制等提供研究平台；南方电网科研院也曾以交直流大电网机电-电磁暂态混合仿真为重点，开展交直流电网与调度控制的混合仿真研究［9-11］，但不涉及多级调度控制系统平台的构建。因此在实验室环境构建多控制中心之间的运行环境，为分布式计算等的研究测试提供基础条件仍然是待解决的问题之一。

华北电力大学新能源电力系统国家重点实验室（以下简称实验室）研发的源网联合仿真平台［12-13］为在实验室环境下搭建多级控制中心运行场景提供了思路。源网联合仿真平台是一套可实现全动力过程电源仿真、大规模电网实时仿真以及调度控制中心模拟于一体的综合实验平台，初步具备了可提供调度控制中心运行所需要的模型环境和数据环境，并且该平台具有良好的移植性、可扩展性，可根据研究需要对模型进行调整，对功能架构进行完善优化。因此为了解决实验室环境下缺乏适用于多级调度协同控制的运行环境这一客观问题，进一步完善现有平台的功能架构，本文依托实验室现有的源网联合仿真平台进行功能扩展，构建出适用于多级调度协同控制研究的实验系统，并给出相关关键技术的解决方案。

1 系统框架

多级调度协同控制实验系统内部的数据通信是指EMS系统之间的互联互通。调度控制中心之间数据通信的方式是基于以太网进行数据转发，由于网络负载率高、传输距离远等原因，数据接收端总是会存在数据接收延迟或错误量测等。本文所构建的多级调度协同控制实验系统是直接在实验室内局域网来实现的，实验室环境下不具备与实际电网一致的广域网网络环境，若EMS系统之间直接进行数据通信，不能真实模拟调度中心之间存在的数据误差，进一步来说会影响新型在线控制软件测试结果及其在实际电网中的推广应用。因此需要通过在EMS系统之间构建具有广域性质的调度数据网的方式来解决上述问题。

EMS系统本身支持多种数据接口，包括以标准格式的文件，基于实时库接口函数以及基于FES子系统进行数据的导入导出。其中文件形式主要适用于离线分析环境，实时性较差，实时库接口可能会出现量测合格率偏低的现象，且调试过程繁琐，FES子系统本身的功能模块是封装的，在实际电网环境中得到了实践性的验证，可以保证长时间稳定运行。因此本文选择基于FES服务器进行数据转发的方式建立上下级调度中心的数据环境。本文构建的多级调度协同控制实验系统的功能架构如图1所示。

图1 多级调度协同控制实验系统功能框图

在实验室搭建多级调度协同控制实验系统的关键是构建虚拟的调度数据网。从图1可以看出，调度平台中专门用于实现数据收发的FES子系统直接接入虚拟的调度数据网，调度平台之间可以通过虚拟的数据网进行量测数据和模型数据的交互。

此外，若进行分布式计算的研究测试工作，并且考虑到直接在调度平台中进行分布式计算模块的嵌入，需要外单位提供大量的技术支持，在研究工作开展初期面临大量的测试调整工作，直接嵌入调度平台没有直接必要性，因此可以通过在调度端设置独立的工作站，用于调整控制中心之间同一时刻的量测断面。该工作站从控制中心获取数据的方式有两种：① 通过ftp协议将整个潮流断面取出，再根据自身需要解析出所需量测信息；② 基于FES服务器的数据转发功能，通过与FES子系统之间建立数据通道的方式，获取指定量测信息。在分布式计算系统中，分布在各地的子系统在时间上可能同时要求启动计算，这也就要求在多级调度系统中有一个控制中心作为事件发起者，其他控制中心扮演事件追随者的角色。

以图2为例，图中分布式计算工作站1作为事件发起端，向工作站2发送量测数据请求，工作站2接收到数据请求后，返回确认信息，将来自FES子系统的最新的几个数据断面取出，并通过虚拟的调度数据网传输至工作站1，同时工作站1在接收到确认信息后，从FES子系统中接收转发量测数据，工作站1将两侧系统的量测断面进行分析处理后，反馈给工作站2相应的处理信息，以便工作站2进行量测断面的调整，然后再作为实时量测通过FES写入SCADA应用，供本地PAS状态估计计算用，由此便实现了分布式计算系统同时启动计算的要求。

图2 分布式计算系统同时启动流程图

2 构建虚拟调度数据网

实际电力系统中不同级别调度由于分布在不同的地理位置，只能通过广域的调度数据网进行通信和协调。广域调度数据网具有可靠性低、便于异构系统接入的本质特征。数据网的信息通信层主要包括交换机、路由器等通信设备以及链路管理、流量调节、通信协议等通信规约，其主要功能是实现数据信息的传输。信息交互过程中会出现通信延时、中断、丢包或恶意攻击等。

结合实际调度数据网的上述特征，可直接依托实验室现有的广域网模拟器来复现调度数据网。从图3可以看出，广域网模拟器是由数量不同的交换机和路由器组成，通过普通网线和光纤等实现不同设备之间互连，然后再依托上层管理工具进行链路、流量、带宽等的管理。在实际应用中发现，广域网模拟器的使用并不具有通用性，主要表现在其允许接入的外部设备需配置固定网段的IP、网络结构更改流程复杂、现有带宽最大可扩展至100 MB等，若实验人员不具备熟练的网络管理经验，很难开展相关工作。

图3 广域网模拟器网络结构

仿真模拟在网络研究中可以节省资金、容易操作、结果可靠、接近实际。因此，可采用仿真模拟的方式复现出广域调度数据网，在众多主流的网络仿真软件上［14-15］，OPNET Modeler［16］软件具有丰富的技术、协议、设备模型库和适合各个层次的建模工具以及灵活强大的仿真分析工具，特别适合各种网络仿真研究。此外，OPNET Modeler提供了系统在环（System in the Loop，SITL）仿真接口方式，允许与多个硬件设备同时进行数据交互。因此本文从操作简便性、功能可扩展性等方面考虑，选择OPNET Modeler作为信息通信系统的实时仿真工具。

OPNET Modeler通过SITL模块可为多个真实的物理网络接口配置不同的虚拟地址，从而使多个真实网络设备能够通过以太网接口与OPNET中的仿真模型进行数据交互，实现联合仿真。根据所连接系统的性质，SITL半实物仿真包含真实网络-虚拟网络（Real-Sim）、真实网络-虚拟网络-真实网络（Real-Sim-Real）和虚拟网络-真实网络-虚拟网络（Sim-Real-Sim）3种配置模式［16］。结合图1所示的功能结构图可知，选择真实网络-虚拟网络-真实网络这种配置模式（见图4）可以与实验室已有平台进行无缝对接，即通过两个SITL模块分别与两级调度控制平台的FES子系统相连。

图4 真实网络-虚拟网络-真实网络配置模式

利用OPNET Modeler对通信系统进行仿真的具体过程为：①在OPNET软件中搭建通信系统模型，并设置相应的通信节点，包括实际节点和虚拟节点。实际节点是指电力系统中实际运行设备的通信节点，而虚拟节点是指为了模拟网络拥堵等场景，虚设的一些只考虑通讯性能而不进行电力仿真的通讯节点。② 在设置IP地址时，由于不同调度控制平台不在同一网段，因此需要在OPNET中配置交换机和路由器，并且在路由器中配置静态路由表，以实现不同网段的连接。③OPNET主机中的网卡通过以太网实时接收调度控制平台产生的数据信息，并通过SITL模块将数据送至服务器进行通信网络的仿真。总的来说，OPNET Modeler主要负责连接多级调度平台，传输其产生的数据信息，同时还可模拟通信延时、中断和网络攻击等通信异常场景。

3 分布式协同建模技术

区分上下级调度是按照覆盖管理区域的不同来实现的，如上级调度部门覆盖下级调度部门的所有管理区域，但由于与下级调度部门功能职责的分配不同，并不需要建立全网的详细电网模型，只需要针对其直接遥控和监控的部分区域进行详细建模，其他区域则只需搭建基本框架，量测信息通过下级调度主站转发的形式获得。

目前实验室用于模拟实际电网的是RTDS仿真平台，结合调度中心配置及实际电网的地理区域进行分片，并保证彼此之间有相互重叠的小区域。基于RTDS平台进行电网模型的搭建时，并不需要考虑实际地理位置，因此属于同一片区域的厂站模型可能不在同一个计算单元上，得益于RTDS的计算单元之间可以通过设置输入输出模块或者搭建DNP串行器模块，实现量测的跨计算单元的传输，因此在进行电网模型分片时，可以不用考虑量测输出和外部控制指令输入的问题。

在实验室现有的EMS系统中构建适用于分布式协同控制的电网模型，具体操作如下：在其中一套系统上搭建完整的电网模型；另一套系统上选择部分区域电网进行搭建，由于与其他未被选择的区域电网之间存在不可分割的电气联系，因此不能直接忽略实际连接关系，否则不符合潮流割集平衡的规律。

以某区域性电网为例（见图5），在实验室现有的两套EMS系统中搭建上下级调度电网模型，如在实验室现有的二期EMS系统上搭建部分区域电网，一期EMS系统上搭建全部电网模型。电网模型中A站和B站作为边界节点存在，A站包含在二期EMS系统将要搭建的区域模型中，但A站与B站之间存在重要的500 kV输电通道，若直接忽略是不合理的，但将两者之间的输电线路直接作为负荷挂接在A站节点上，从功率平衡来说是合理的，但不能直观体现A站与B站之间的电气连接关系。因此即使B站节点不在二期EMS系统的建模范围内，仍在SCADA应用的厂站信息表中新增B站，目的是在交流线段表中可以新增A站与B站之间的输电线路，并在A站的厂站接线图中进行设备元件连接，来自RTDS的量测信息也直接与该记录的相应域进行关联。使其区别于其他交流线路的方法是在交流线段表中编辑“等值标志”域值等值为发电机或负荷，具体等值为哪种形式，要视实际潮流方向而定，以流入母线为正；若为正，则编辑为等值为发电机；若负，则编辑为等值为负荷。

图5 某区域性电网分片建模

4 结 语

适用于互联电网一体化计算的分布式计算算法等多级调度协同控制技术由于缺乏合适的数据环境，一直没有得到实践验证。源网联合仿真与控制实验平台在实验室中重现了实际电网的运行环境，为提供多级调度协同控制实验系统的构建提供了必要的基础条件。多级调度协同控制实验系统的构建主要涉及两个关键问题，关于虚拟调度数据网的构建，本文选择技术已非常成熟的信息通信仿真技术实现，并选择OPNET作为实际仿真工具，结合OPNET的工作机制以及所需数据环境的本质特征，提供了具体的实现流程；关于适用于分布式协同控制的电网模型构建，考虑到本文构建的实验系统所依托的电网运行环境源自RTDS仿真器，采用将RTDS电网模型进行分片处理的方式，基于不同的模拟控制中心EMS系统分别建模。本文给出的多级调度协同控制实验系统构建方案是在实验室现有资源的基础上综合考虑多种因素给出的，不一定适用于其他实验室环境下，因此如何构架出具有普适性的多级调度协同控制实验系统是未来需要开展的研究内容。