一体化电网运行智能系统的概念及特征

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一体化电网运行智能系统的概念及特征
汪际峰
(中国南方电网电力调度控制中心,广东省广州市510623
)摘要:在总结电网运行新需求和调度自动化新技术的基础上,提出了现代一体化电网运行智能系
统的概念,指出其基础是调度自动化的全景化能量管理系统技术。

介绍了一体化电网运行智能系
统新特征的内涵,
并进一步展望了其未来的发展方向。

关键词:一体化电网运行智能系统;调度自动化;能量管理系统;智能电网
收稿日期:2011-03-01;修回日期:2011-09-18。

中国南方电网公司总部科技项目(K0812
)。

0 引言
20世纪60年代以来,
有“调度自动化之父”之称的Dy
-Liacco所发明的能量管理系统(EMS)[1-
5],在世界各国的调度中心得到广泛应用。

受当时技术条件的限制,Dy
-Liacco给出的EMS仅为调度中心服务,
强调的是单一的安全性目标。

随着社会的进步和科学技术的发展,在保证安全的前提下,电力系统各利益主体(例如发电公司、输配电公司和用户)都需要更多地参与电网运行并扩大自己对电网的影响力。

在这种新形势下,人类需要一种新的、以电力系统运行为核心的技术支持系统,实现业务及信息“纵向到底、横向到边”的全覆盖,使电力工业界的调度、规划、工程、资产、市场和财务等部门多层级、大范围地综合保障大电网安全、经济、优质、环保的运行。

国际和国内很多专家在此方面做了很多有益的
探索性工作,取得了较好的实践成果[2-
7]。

中国南方电网电力调度控制中心(以下简称“南
网总调”)自2006年起开始逐步进行一体化电网运行智能系统(operation smart sy
stem,OS2)的研究,并不断将创新性的成果应用到南方电网的实际建设和运行中。

OS2是由各级主站和厂站的运行驾驶舱系统(operation driver sy
stem,ODS)共同组成的电网运行控制和管理系统。

按照功能区分,每个ODS又分为运行监控系统(OCS)和运行管理系统(OMS
)。

与传统的、仅面向调度中心的EMS不同,OS2的业务领域包含电力系统发电、输电、配电、用电各环节的运行监控及运行管理,以实现业务及信息“纵向到底、横向到边”的全覆盖。


)在运行监控方面OS2支持从发电(
包括新能源发电)、输电(电压范围为220kV到±800kV及以上特高压电网)、配电(电压范围为10~110kV)
到用电(智能表计)各环节的电网运行工况监控,一次设备状态的在线监测,
以及电能和计费信息的采集等。


)在运行管理方面OS2全面覆盖网、省、地、县各级调度机构及厂站端(含集控中心)发电、输电、用电等运行部门,并
为各级规划、
工程、资产、市场和财务等部门及其技术支持系统提供信息支持。

1 OS2架构
OS2是智能电网的重要基础,
其整体架构如图1所示。

图1 OS2整体架构
Fig
.1 Architecture of OS2·
1·第35卷 第24期2011年12月25
日Vol.35 No.24
Dec.25,2011
由图1可以看出,OS2由各级主站和厂站的
ODS共同组成:①全网建设有统一的网级O
DS,各省、地、县级调度机构及厂站端建设有相应的ODS,各级ODS实现相互之间的协调和统一控制;②按照功能,每级ODS又可分为OCS和OMS,其中OCS主要实现电网实时运行监控及分析评价等,OMS主要实现运行管理、业务管理、计划管理及培训管理等;③系统整体遵循面向服务的架构(SOA)体系,在统一模型及数据接口标准的基础上,构建OS2支撑平台及贯穿各级调度中心的运行服务总线(OSB),各类业务功能以此为基础开展建设或改造完善;④通过横向O
SB实现OCS和OMS各业务功能模块的标准化建设和即插即用,实现各业务功能的“横向协同”;⑤通过纵向OSB,实现与上下级相关业务系统的互联,以满足信息交互需求,并实现相互之间的协调控制及流程化管理;⑥通过OSB与公司企业服务总线交互,实现与企业其他相关业务系统(
如生产管理系统、营销系统、人力资源系统等企业信息化系统)的信息共享及流程化管理;⑦OSB是系统一体化、智能化、模块化的技术支撑工具之一,在平台级起到关联性作用。

OS2的实施为智能电网发电、输电、配电、用电的进步提供了技术条件,这些环节上的很多部门将由于OS2的技术支撑而不断发生变化。

例如,对于调度中心而言,由于OS2的技术支撑,调度中心将从过去比较单一的调度指挥中心,变为全网一体化电网运行监控中心、运行数据中心、分析中心和运营管理中心。

1)一体化电网运行监控中心具备全网统一的状态感知能力,实现统一的电网运行监视和调控功能。

采用网络化快速调度发令,实现从各级电网调度到各调度对象及集控操作人员操作的无缝衔接;采用自动闭环控制手段,实现自动发电控制、自动电压控制以及在线的安全稳定控制。

在一体化电网运行监控中心的支持下,通过网、省、地、县、厂、站间的联合协调自动闭环控制,逐步实现多目标、多维度、多区域的协调控制,兼顾电网安全、经济、优质、环保的运行需要。

2)一体化电网运行数据中心通过标准化手段实现系统运行数据的集中收集、统一管理和规范使用。

电网运行数据包括电力系统的模型、图形,以及实时/历史运行数据、事件、告警等各类信息。

运行数据中心从时间、空间、对象等维度收集并整合相关信息,确保数据、模型和图形的一致性,促进信息范围的全面覆盖和各类数据在全网的共享。

3)一体化电网运行分析中心提供各种在线和离线的统计分析服务,以运行数据中心提供的各类运
行数据为基础,提供上下协同的在线分析手段,从事前、事中、事后的不同时间点为电网安全、经济、优
质、
环保运行提供全面的支撑,实现电网计划编排、安全校核、风险防范、辅助决策、运行评价等功能,并支撑智能电网的相关应用。


)一体化电网运营管理中心构建全网一体化的电网运行流程操作平台,
在全网一体化数据中心的基础上,
通过统一的流程化工具、表单和工作流引擎、流程固化模板等技术支撑,实现涵盖全网各级调
度及调度对象的统一运营管理功能,并实现与其他三大中心的服务联动及共享。

值得一提的是,“驾驶舱”的概念最早出现于飞行等运动系统,是运动系统首脑元件的代称。

中国
南方电网公司在应用和推广OS2的过程中,利用此概念来代指OS2服务于公司高层决策领导和电网运行关键岗位的首脑元件。

OS2中的ODS是反映
电网关键运行状态、
控制关键运行风险的“一站式”决策支持系统。

它采用当前最先进的图像展示技
术,以驾驶舱的形式,通过直观形象的图表展示电网运行的关键指标,提供关键异常事件的预警和智能
决策支持,
并通过信息综合挖掘技术深入分析电网运行特征,评价操控行为。

2 OS2基础———全景化EMS技术
2.1 全景化EMS技术的初步实践受技术条件所限,传统EMS只针对调度中心所直接调管的厂站进行建模和监控,主要解决的是调度员监控层面的问题,无法满足方式、保护等计算应用的需求,也无法满足自然灾害情况下的全局抢险工作,而全景化EMS技术则旨在解决原有EMS的这一不足。

全景化指对电网运行所涉及的所有数据进行统一管理和展现的逻辑形式。

自2006年起,
南网总调开始进行分布式建模的研究[8-
10],实现了现代全景化EMS的新特征。

在南
网总调EMS中,基于公共信息模型/可扩展标记语
言(CIM/XML)、可缩放矢量图形(SVG)
、实时数据转发协议(TASE.2)等技术,实现了全网220kV以上模型源端的一次维护,即能在总调侧EMS中实
现共享的分布式建模。

2010年法国电网公司(RTE)研究中心专门来中国南方电网公司进行调研,准备将此技术应用于其承建的欧洲电力控制中
心(CORESO)。

2.2 全景化技术的深入研究
在已有的全景化技术基础上,南方电网将在OS2中进一步深入推进全景化技术。

未来的全景
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) 
化技术将实现电网运行的全景视图,其架构如图2所示。

图2 电网全景信息展示架构
Fig.2 Architecture of power system full-scale
information display
由图2可以看出,电网运行全景视图由数据和逻辑这2部分构成,是一体化电网运行、监控、分析和管理的基础。

1)全景视图数据决定了视图展现的内容,包括全网电力一次和二次模型、图形、电网运行及管理数据、水情和环境等辅助信息,具体包括远程终端装置(RTU)采集的稳态数据、广域相角测量装置(PMU)采集的动态数据、保护和故障录波器采集的暂态数据,实现电网的全过程监视。

全景视图将全面展现电力系统模型、图形图纸、流域水库模型、气象模型、地理模型、静态参数、运行参数、地理信息、电网运行信息、电网控制信息、调度指挥信息、电网运行预测信息、二次设备信息、设备状态监测信息、能源信息和环保能耗信息等。

2)全景视图逻辑定义了视图组织和展现的形式,通过标准化手段实现数据的有机串联和动态管理,同时确保了数据的可扩展性。

可以具体参考IEC 61970CIM模型组织架构和OSI 7层网络架构的思路,构建分层、分区的电网运行数据逻辑视图。

全景视图通过公共模型和抽象、规范数据接口,对上述数据进行关联索引,把不同侧面描述电网对象特性的数据统一到目标对象下,为开展深度数据挖掘提供基础。

另外,全景化不等同于完全的统一建模和处理,还需要注意分散自治和协调互动。

在研究过程中,要注意通过纵向(上下级调度中心之间、调度中心与厂站之间)与横向(调度中心内部各调度控制应用功能模块之间)的数据交互,实现不同时间尺度调度控制决策的协调。

3 OS2一体化特征
3.1 一体化的初步实践
自2006年起,南网总调在新建的EMS、预决策
系统、综合防御系统中开始探索和实践一体化的开发和应用。

例如,新EMS主要实现了8个方面的一体化:全网建模一体化、交流和直流分析一体化、稳态和动态监控一体化、可视化和传统表现一体化、关系数据库和动态信息数据库一体化、计划和控制一体化、Ⅰ区和Ⅲ区网络分析功能一体化、实时和规划电网分析一体化。

上述一体化特色实现了调度数据的整合、数据和应用的标准化、相关应用系统的资源整合和数据共享,是一体化工作的初步实践。

3.2 一体化的深入研究
根据实践经验,中国南方电网公司下一步的研究要点是针对原有二次系统缺乏统一规划和协调、功能分散、信息孤岛等问题,大力推进二次一体化工作。

一体化应满足电网运行全方位覆盖、全过程管理和全面协调。

在OS2中,主要表现在3个方面:①一体化全方位覆盖,侧重于“广度”,从系统运行的角度看,是要支持全网各级调度主站及厂站的一体化运行监控和运行管理;②一体化全过程管理,侧重于“深度”,从系统运行的角度看,是要满足电网运行的安全、经济、优质、环保需要,支持电力系统发电、输电、配电、用电各环节的无缝衔接和一体化管控;
③一体化全面协调,侧重于“协同度”,从系统运行的角度看,是要支持电网各级各专业业务的横向协同和纵向贯通。

就主站端和厂站端的一体化而言,均按照“规范、灵活、开放”的总体要求构建,在统一的ODS总线基础上,按照OCS和OMS两大部分部署相应功能,各项功能的部署和建设按照模块化、集约化和“即插即用”的模式开展。

主站端和厂站端的一体化整体方案分别如图3和图4所示。

4 OS2的模块化特征
4.1 模块化的初步实践
软件只面向功能、非模块化工作且跟生产业务脱钩,是原有调度自动化系统的问题之一,造成了实用化的困境。

新一代OS2的重点是要面向生产运行工作中的业务开发,以业务为导向形成模块,模块与生产耦合成系统。

自2006年起,在南方电网安全稳定综合防御系统中开始进行模块化的探索,该系统的重要特征之一是克服了以往在线动态安全评估系统只面向功能、非模块化工作的缺点,以模块化面向业务模式,实现了与运行方式专业生产工作的高度耦合。

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·专题研讨———智能电网· 汪际峰 一体化电网运行智能系统的概念及特征
图3 主站端一体化
Fig.3 Integ
ration of master stations图4 厂站端一体化Fig.4 Integ
ration of substations4.2 模块化的深入研究
从系统运行的角度看,深度模块化的领域包含电力系统发电、输电、配电、用电各环节的运行监控
及运行管理。

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) 
OS2提供灵活开放的信息化平台和统一规范的接口方式,电网运行各类技术系统以模块化的方式“即插即用”,融入OS2并协同作业。

OS2具有良好的通用性、兼容性和可扩展性,可以全面覆盖从±800kV特高压电网到10kV配电网直至低压用户的运行工况。

OS2覆盖网、省、地、县各级调度机构及厂站端(含集控中心)发电、变电、用电运行部门,并为各级电网基本建设、生产技术、计划、市场营销和信息等部门提供必要的信息支持。

1)调度主站端的深度业务化,将集成展示各类电网运行数据,提升多目标辅助决策能力;统一电网模型,消除信息孤岛,实现业务横向协同、纵向贯通;提升网、省、地、县各级调度一体化管理和运行能力;提高信息化支撑能力、加强系统集成;整合现有资源,提升基础设施支撑能力、健全标准体系,加强信息化管控等。

2)厂站端的深度业务化,以采用IEC 61850标准为基础,整合厂站内各业务,形成厂站内统一的监控中心、分析中心和数据中心,实现统一数据采集、统一模型、统一规范与调度统一的数据交换接口,实现厂站源端维护,全网共享,以满足现代大电网安全稳定运行需求。

在此过程中,按照一体化原则进行选择性整合,减少装置重复建设,提高运行效率。

对模块化的深入研究工作包括以下几个方面。

1)需求分析和模块设计中涉及的元数据定义。

2)数据的物理模型实现:建立模型的公共映射、对象模型的公共映射,生成包含测试数据的数据库实体。

3)适配器的标准化接口开发,按照第三方系统提供的方式获取其数据;通过标准的通信协议(如HTTP等),传输给智能数据中心;通过可扩展的样式表语言转换(XSTL)技术或插件程序,将第三方原始数据格式转换成数据中心规范的数据格式;按照预订规则,将其写入智能数据中心的某个表中。

4)基于全景视图界面的实现:通过全景视图中的公共数据模型和对象模型,建立界面上数据展示控件与数据库中具体数据的关联关系;通过全景视图数据访问服务,获取具体数据。

5 OS2的智能化特征
5.1 智能化的初步实践
自2007年起,南网总调在南方电网智能广域保护系统[11]中进行了智能化的初步实践,基于同步采样的广域信息网络保护系统装置首次在国际上投入工程运行。

通过研究,使第1道防线具备了智能化
能力。

南方电网广域保护系统目前安装在田心、龙口、湖畔和凤凰这4个110kV变电站中,其中田心变电站提供了主站功能。

从网络保护系统在4个变电站的实施效果来看,集中式体系结构能满足系统要求,装置经受了故障考验,动作正确。

5.2 智能化的深入研究
从系统运行的角度看,OS2的智能化是要实现电网运行信息横向和纵向的自由流转和互动,打破专业壁垒;促进电网运行闭环控制,突出风险预警预控,保障电网的安全稳定运行;全面提升电网运行协同作业能力,提高工作效率,实现电网运行的经济效益和社会效益最大化。

从学术角度看,智能化隶属于机器人学的范畴,是人类使电力系统这个“大机器”成为“大机器人”的过程。

随着智能化的发展,OS2将在技术上进一步促进各专业、各领域的互动,主要包括以下几个方面。

1)调度中心内部各专业的互动
以调度专业与保护专业之间的互动为例,未来OS2可以在线计算继电保护定值。

OS2自动根据电网拓扑,在15min内对所有保护定值进行一次扫描计算,对明显不合理的定值进行在线更新。

控制由面向设备变成面向系统,面向系统的控制所使用的控制策略实现了设定值的在线刷新。

尽管最终控制面向设备,直接控制是局部就地进行的,动作时间小于1s,但其动作逻辑和启动定值是基于当时电网情况在线计算出来的,不确定性大大降低,可靠性提高。

这样在管理上将会变化,运行规程需要变化,新的规程将允许在线计算和更新保护定值。

各个专业之间的工作流程也会变化,这种变化表现为更高的智能,更多的互动,更全面的分析决策。

2)电网运行与规划的互动
OS2使发电、输电、配电、用电各类责任方之间进行信息交流,支持规划工作更加精细化。

例如,OS2可以自动地将运行评估情况发布给规划人员,高效智能化地支持周、月、年、中期、长期等不同周期的规划,减少规划的盲目性。

OS2还可以不断总结检修对电网运行的影响,自动地编制电网检修计划,对检修计划的执行进行滚动地观察和跟踪,大幅度减轻检修计划人员的劳动强度。

3)电网运行与设备管理的互动
OS2可以自动地对电网中所有一次、二次设备的运行情况进行追踪,对元件可靠性进行细精度的评估,准确地对电网中的每一个设备进行安全性、经济性评价。

例如,OS2将实现对变压器、互感器、耦合电容器、套管、避雷器等电气设备绝缘状态的在线
·

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·专题研讨———智能电网· 汪际峰 一体化电网运行智能系统的概念及特征
监测和诊断,实现自动化的故障诊断,并指导设备工
艺、制造技术的改进。


)电网运行与用户的互动OS2可以使用户快速、
全面地掌握购电、供电、用电信息,将需求侧管理反馈信息从大用户延伸到低压用户。

OS2可以支持用户向电网的信息反馈,实现智能家居,支持灵活接入分布式能源及储能设备,
进一步提高电能在终端能源消费中的比例,为用户提供友好、
互动的多元化用电服务。


)电网运行与电力市场的互动在电力市场环境下,电网运行更多地要靠市场主体之间的交易来实现。

OS2可以高效地实现计算校核、市场决定、调度应变、科学评估的模式,使调度中心不必为了安全性,过多地干预基于市场规则而得出的运行计划。

OS2可以进行电网运行状态
的客观评估,
这也是电力市场各类交易得以顺利进行的必要手段。

OS2可以通过实时监控,
进行自动化的分析,
给出各种可能的调度控制策略的评估结果,使所有电力市场的参与者都能了解电网情况和
各种调控策略的利弊。

在此过程中,电力市场参与者也可根据运行效果,提出改进市场规划的建议。

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60.汪际峰(1965—),男,高级工程师,主要研究方向:电力系统调度运行、继电保护、运行方式。

E-mail:wangjf@csg
.cnConcept and Features of Integrated Grid Operation Smart Sy
stemWANG Jifeng
(Power Control Centre of China Southern Power Grid,Guang
zhou 510623,China)Abstract:The concept of modern-day integrated grid operation smart system is proposed based on a summary of the newdemands of grid operation and new dispatching automation technologies.It is pointed out that the foundation is the panoramicenergy management techniques of dispatching automation.The concept of the new features of the integrated grid operationsmart sy
stem is described and its prospects are predicted.This work is supported by the Key 
Research of China Southern Power Grid Company(No.K0812).Key 
words:integrated grid operation smart system;dispatching automation;energy management system;smart grid
·
6·2011,35(24
) 。

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