智能電網(wǎng)調度自動化技術初探

摘要：結合南方電網(wǎng)特點，簡述了智能電網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀和目標，重點探討了面向服務的一體化調度智能體系、數(shù)據(jù)服務、應 用服務、節(jié)能發(fā)電調度、實時仿真平臺等關鍵技術，研究內容對南方電網(wǎng)一體化調度智能系統(tǒng)的建設具有重要的指導意義。

建設高效智能電網(wǎng)、發(fā)展節(jié)能發(fā)電調度是當前電力工業(yè)面臨的歷史性機遇。目前學術界和工業(yè)界 關于智能電網(wǎng)存在共識，即利用先進技術和智能手 段拓展電源多樣性、提高能源轉換效率、提高電網(wǎng)運 行水平、提升用戶滿意度。其最終目標是為了保障電 網(wǎng)安全運行，滿足電網(wǎng)“優(yōu)質、經濟、高效”的供電要 求。

由于電網(wǎng)發(fā)展階段和面臨的主要問題不同，世 界各國在智能電網(wǎng)的發(fā)展思路上具有不同的側重 點。美國注重電網(wǎng)基礎架構的全面升級，發(fā)展大容量輸電技術，同時最大限度地利用信息技術，實現(xiàn)計算機智能運行和管理;歐洲以發(fā)展綠色電力為核心，強 調通過可再生能源的大比例利用實現(xiàn)整個電力工業(yè)發(fā)展模式的轉變?？傮w來說，西方國家側重于配電側和用戶側的智能化和自動化。我國面臨的主要任務是繼續(xù)加強骨干輸電網(wǎng)建設，解決一次能源與負荷 分布不均勻的矛盾，提升能源轉換效率，減少溫室氣 體排放，同時兼顧配網(wǎng)側和用戶側的信息互動[1-3]。 因此，智能電網(wǎng)建設是一項系統(tǒng)工程。

“十二五”期間，南方電網(wǎng)將形成“九直八交”送 電通道，西電東送規(guī)模達到 58.6GW，“強直弱交” 特點更顯突出，電網(wǎng)運行特性更加復雜，對調度自動 化系統(tǒng)的技術支撐能力提出了更高的要求。面對智 能電網(wǎng)快速發(fā)展的機遇和挑戰(zhàn)，調度中心一方面積極參與公司智能電網(wǎng)發(fā)展的前瞻性研究，另一方面著力于一體化調度智能體系和調度運行智能化關鍵 技術的深入研究，充分利用云南和廣西調度中心新 建能量管理系統(tǒng)(Energy Management System，EMS) 以及“十二五”期間大量二次系統(tǒng)建設的契機，開展 示范工程建設，推進調度自動化系統(tǒng)的標準化和智 能化升級。

1 智能電網(wǎng)對調度自動化的新要求

作為人工建造的世界上最復雜的系統(tǒng)，電網(wǎng)本 身是一個剛性系統(tǒng)，電源的接入與退出、電能量的傳 輸?shù)榷既狈椥?，致使電網(wǎng)沒有動態(tài)柔性及可重組 性，系統(tǒng)自愈、自恢復能力完全依賴于實體冗余。自 動化系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、自動控制等技術的快速發(fā)展都 是為了提升電網(wǎng)本身的柔性和智能化運行與管控能 力。

近年來，EMS 系統(tǒng)、廣域測量系統(tǒng)(Wide Area Measurement System，WAMS)、 調度生產管理系統(tǒng)(Dispatching Management Information System， DMIS)、水調自動化系統(tǒng)、脫硫監(jiān)測系統(tǒng)、在線預決 策系統(tǒng)、信息披露平臺等系統(tǒng)的建設和發(fā)展，豐富了電網(wǎng)監(jiān)視和調控的手段，提升了一線調度人員駕馭 復雜大電網(wǎng)的能力。不過，由于架構設計上的不足， 各套系統(tǒng)在技術支撐能力上仍然具有較大的提升空 間，主要體現(xiàn)在體系設計不統(tǒng)一、功能實用性不足、標準化推廣欠缺、業(yè)務導向不明確、實時仿真能力不強，同時不能應對智能電網(wǎng)發(fā)展帶來的調度需求不確定性。

電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大要求盡快解決上述電網(wǎng)運 行和管理中遇到的難題，這也促進了“智能電網(wǎng)”建 設目標的提出，并很快就得到了各國政府和相關行業(yè)領域專家的廣泛認可與支持。

南方電網(wǎng)是國內唯一、世界少有的交直流并聯(lián)運行的超高壓、遠距離、大容量互聯(lián)電網(wǎng)。為了更好 地利用能源，提高能源轉換效率，加強電網(wǎng)網(wǎng)架結 構，提高電網(wǎng)運行水平，南方電網(wǎng)在智能化戰(zhàn)略中對調度提出了更高的要求。電網(wǎng)調度要充分利用計算機和信息技術的最新成果，加快電網(wǎng)調度信息化、自 動化和智能化建設，研究和設計面向未來的智能電 網(wǎng)，具備一體化、標準化和智能化特征的大電網(wǎng)智能調度技術支持體系，為公司的各級管理提供更加全 面、及時、準確的電網(wǎng)運行信息，全面提高電網(wǎng)運行 和管理的一體化和智能化水平。

1)構建統(tǒng)一技術支撐體系。為保證電網(wǎng)安全、穩(wěn) 定和高效地運行，調度中心存在眾多的業(yè)務需求，這 些需求的提出推動了各套獨立系統(tǒng)的建設和運行， 各項業(yè)務系統(tǒng)之間不可避免地存在數(shù)據(jù)和功能上的 交叉，然而，因為缺乏整體規(guī)劃，在架構靈活性和設 計標準化兩方面的缺陷，導致快速發(fā)展的應用系統(tǒng) 間數(shù)據(jù)共享難、相互影響大、全局安全性和集成能力 不足、缺乏可以共享的統(tǒng)一信息編碼等諸多運維難題。調度智能化要求構建全網(wǎng)一體化、標準化的技術 支撐平臺，滿足調度各專業(yè)橫向協(xié)同和多級調度縱 向貫通的需求。

2)提升調度功能實用性。電網(wǎng)調度運行必須始 終將安全運行放在首位，同時隨著行業(yè)飛速發(fā)展需要不斷吸收新技術、追求創(chuàng)新，這導致已有系統(tǒng)功能 實用性不足。智能電網(wǎng)要求進一步提升調度決策支持水平，發(fā)展柔性電網(wǎng)調控技術，開發(fā)更多滿足調度業(yè)務發(fā)展、具備更強實用性的調度新功能。

3)加強規(guī)范化和標準化。標準化建設和運維是 系統(tǒng)推廣和互動的基礎，但目前電網(wǎng)數(shù)據(jù)和模型都 出現(xiàn)了不同的版本，單一數(shù)據(jù)源和獨立模型不能單 獨滿足調度整體業(yè)務需求，相互整合存在較高技術 難度。調度智能化應用需要得到電網(wǎng)全景信息的支持，包括對數(shù)據(jù)采集的標準化整合、電網(wǎng)模型和信息 編碼體系的統(tǒng)一、多級調度主站和廠站的信息融合 與業(yè)務流轉等。

4)建立業(yè)務導向型功能規(guī)劃。專業(yè)職能的劃分，將本是相互融合的電網(wǎng)調度業(yè)務進行了人為的拆分，導致調度自動化系統(tǒng)業(yè)務導向不明確。應用系統(tǒng) 由不同專業(yè)部門分批建設，缺乏整體規(guī)劃和統(tǒng)一的 基礎技術支撐體系。有必要依托全網(wǎng)統(tǒng)一的技術支撐體系，規(guī)范各應用系統(tǒng)的接入方式和信息共享模 式，實現(xiàn)信息在應用系統(tǒng)間靈活互動，以滿足從調度 計劃、監(jiān)視預警、校正控制到調度管理的全方位技術 支持。

5)提升實時仿真能力。電網(wǎng)實時仿真和在線調 控是一個長期難題，但隨著電網(wǎng)規(guī)模的日趨復雜，經驗型的調度方式面臨嚴峻的挑戰(zhàn)，提升大電網(wǎng)在線

仿真和調控水平的研究迫在眉睫。調度中心需要整 合現(xiàn)有軟硬件資源，研究和建設先進的大規(guī)模高性 能計算平臺，提升電力系統(tǒng)暫態(tài)、動態(tài)、交直流混合 在線仿真研究、在線安全校核，以及系統(tǒng)實時調控等實時功能的實用化水平。

6)應對智能電網(wǎng)發(fā)展新需求。智能發(fā)電、輸電、 配電和用電，以及節(jié)能發(fā)電調度的推進對電網(wǎng)調度 提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。配網(wǎng)側雙向潮流管理、電動汽車 大規(guī)模應用等帶來的電網(wǎng)負荷波動特性變化，調度 部門負荷預報和實時調控的難度進一步加大。大容 量新能源電源并網(wǎng)帶來的電源輸出不穩(wěn)定性和不確 定性，以及如何利用這些新的負荷點進行削峰填谷， 都會給運行方式的安排和執(zhí)行帶來挑戰(zhàn)。南方電網(wǎng) 屬于交直流混聯(lián)大電網(wǎng)，強直弱交的格局還在不斷 強化，運行方式復雜多樣，電網(wǎng)運行和調控都對自動化系統(tǒng)在線穩(wěn)定預警、智能分析和調控、電網(wǎng)自愈等 功能提出了新的要求。

2 智能調度關鍵技術研究

智能調度的目標是適應智能電網(wǎng)的發(fā)展，保障 電網(wǎng)安全，滿足電網(wǎng)“經濟、優(yōu)質、環(huán)保”運行的要求。 為有效組合當前有限的人力和物力資源，充分利用國內外已經或即將成熟的先進技術和標準，應按照 “運行一體化、建設標準化、業(yè)務全覆蓋、流程全貫 通、信息全共享”的總體要求，深入分析和研究調度 智能化的關鍵技術，推動試點工程建設，構建全網(wǎng)一 體化運行智能系統(tǒng)。

2.1 一體化電網(wǎng)運行智能體系設計

國內主流的分層分布式 調度自動化系統(tǒng) (SCADAEMS)起步于上世紀 90 年代，系統(tǒng)架構沿 用多年，盡管隨著電網(wǎng)業(yè)務的發(fā)展進行了功能拓展， 但基礎框架并沒有改變，基礎框架的不足已經限制了新業(yè)務和新應用的發(fā)展。各級調度主站和廠站二次系統(tǒng)的獨立設計也對全網(wǎng)信息共享和一體化運行管理造成困難。

有必要調研 IT 技術發(fā)展的現(xiàn)狀和技術水平，特 別是要深入分析基于服務的體系(Service- oriented Architecture，SOA)，開展基于企業(yè)服務總線

(Enterprise Service Bus，ESB)的調度技術支撐平臺 的可行性研究，提出調度 ESB 的部署方案以及 ESB 橫向與縱向互聯(lián)方案。在調度 ESB 的基礎上，建設 滿足電網(wǎng)調度需求的應用服務與數(shù)據(jù)服務，研究應 用功能的服務封裝和接入實現(xiàn)。研究 IEC61970 和 IEC61850 標準的融合技術，提出相應的數(shù)據(jù)交換、協(xié)議轉換和通信選擇方案，實現(xiàn)主站和廠站的無縫聯(lián)接。理清各級調度機構的業(yè)務需求和智能調度發(fā) 展的具體要求，分析南方電網(wǎng)調度主站和廠站一體 化運行和管理的特征，完成南方電網(wǎng)一體化電網(wǎng)運 行智能系統(tǒng)的框架設計和功能規(guī)范設計，提出面向 全網(wǎng)推廣的一體化建設規(guī)劃。

2.2 應用服務

電力系統(tǒng)應用功能的實現(xiàn)是一個漸進式完善的過程，由于缺乏整體規(guī)劃，各項應用功能分散在不同 的系統(tǒng)，實現(xiàn)手段多樣，相互融合困難，部分功能冗 余?；?CORBA 等技術構建的中間件平臺采用緊 耦合技術，功能的升級和復用相對比較困難。

采用基于服務的松耦合方式將能夠實現(xiàn)調度功 能的靈活配置，同時，服務的易擴展性能夠滿足調度 功能階段性建設的需求。在新的 SOA 體系中，傳統(tǒng) 應用，如故障分析或阻塞管理等，都被細分為多個基本模塊，如調度員潮流、系統(tǒng)等值、最優(yōu)潮流等。根據(jù) 需求的不同，應用服務可以按照不同的“粒度”進行

分解。應用服務之間采用標準的訪問方式，實現(xiàn)服務 對服務的調用。對于很多已有功能，可以通過底層服務總線提供的接入標準進行服務封裝。

2.3 數(shù)據(jù)服務

數(shù)據(jù)是電網(wǎng)運行和管理的基礎，確保數(shù)據(jù)的完整性、準確性、及時性和一致性是調度機構長期追求的目標，也是一體化電網(wǎng)運行智能系統(tǒng)的核心之一。 目前，電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)的獲取和處理存在以下問題：① 前置采集系統(tǒng)冗余且橫向數(shù)據(jù)交換復雜、效率低;② 部分冗余數(shù)據(jù)異構，且存在數(shù)據(jù)不一致的問題，數(shù)據(jù) 融合困難;③分級調度縱向數(shù)據(jù)交換靈活性差。

基于 SOA 的數(shù)據(jù)服務，通過數(shù)據(jù)注冊中心和標 準的接口方式，能夠解決當前調度自動化系統(tǒng)運行中反映的實際問題，實現(xiàn)縱向和橫向數(shù)據(jù)一體化設計與共享，實現(xiàn)運行數(shù)據(jù)融合與全息展示，支持電網(wǎng)設備全生命周期管理。通過采用虛擬服務技術，能夠有效屏蔽數(shù)據(jù)物理存儲信息，實現(xiàn)無差別的訪問方 式。通過綜合數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)服務訂閱機制，能夠統(tǒng)一當前多套前置通信系統(tǒng)，簡化前置運維流程，實現(xiàn) 在線數(shù)據(jù)訂閱和調整。

2.4 節(jié)能發(fā)電調度

我國煤炭消耗占一次能源消耗的 70 %，高于世 界平均水平 40 個百分點，對于能夠降低化石能源消 耗、節(jié)能減排的智能電網(wǎng)的需求非常迫切。按照規(guī) 劃，我國 2020 年風電、太陽能等可再生能源發(fā)電裝 機容量將達到總裝機的 16 %，2050 年將達到 30 %。 目前，南方電網(wǎng)已經充分認識到推行節(jié)能發(fā)電調度 的必要性和緊迫性，相關技術支持系統(tǒng)陸續(xù)投入運 行，如電廠脫硫實時監(jiān)測系統(tǒng)和水調自動化系統(tǒng)等。 但各系統(tǒng)獨立建設和運行，功能分散，與核心 EMS 缺乏融合，還不能滿足節(jié)能發(fā)電調度的業(yè)務要求。

有必要全面分析南方電網(wǎng)轄區(qū)能源分布特點， 研究大規(guī)模可再生能源接入電網(wǎng)的能力和方式，從 碳排放監(jiān)測和優(yōu)化控制、水火電優(yōu)化調度和梯級水電優(yōu)化調度、新能源優(yōu)化調度、節(jié)能調度計劃編制等 多個方面，全面推進節(jié)能發(fā)電調度。

重點解決多級多維協(xié)調的節(jié)能優(yōu)化調度關鍵技術。研究適應三公調度、節(jié)能調度、電力市場等多種 調度模式，滿足“空間、時間、目標”三維統(tǒng)一協(xié)調的 節(jié)能優(yōu)化調度關鍵技術。研究多級調度一體化的安全經濟協(xié)調優(yōu)化技術和方法，提出考慮各種安全約 束的節(jié)能環(huán)保優(yōu)化調度的數(shù)學模型，實現(xiàn)多級調度 技術的安全校核。建立多時間尺度下考慮多預想故障安全穩(wěn)定約束的機組組合和經濟調度、電壓穩(wěn)定聯(lián)合協(xié)調優(yōu)化調度模型，實現(xiàn)安全穩(wěn)定和節(jié)能環(huán)保 的協(xié)調優(yōu)化。

2.5 大電網(wǎng)智能在線仿真平臺

南方電網(wǎng)屬于交直流混聯(lián)復雜大電網(wǎng)，運行方式多樣，穩(wěn)定問題突出，離線仿真計算存在模型不準 確、運行方式不全面、仿真結果可參考性不強的問 題;在線仿真、校核和預警功能實用化不足;統(tǒng)一高 性能計算平臺建設滯后。

應積極開展先進計算機和信息技術、仿真算法調研，研究并行計算、網(wǎng)格計算、云計算等關鍵高性 能計算技術的實用水平，研究實時預警、在線模型 / 參數(shù)校核、實時計劃編制和校驗等關鍵技術的應用手段，開展實時仿真和超實時仿真平臺的試點建設，不斷推進大電網(wǎng)智能在線仿真計算和輔助決策的實用化，實現(xiàn)調度部門從經驗型走向分析型和智能型 調度的重要目標。

2.6 電網(wǎng)運行智能決策

一體化電網(wǎng)運行智能系統(tǒng)的建設目標是為了服務電網(wǎng)運行，保障電網(wǎng)運行安全。智能體系的建設僅 僅是提供了底層支持與數(shù)據(jù)基礎，構建于體系之上的智能應用將能夠有效提升電網(wǎng)運行智能決策能力。

研究智能電網(wǎng)運行狀態(tài)的自我感知技術。通過 一體化電網(wǎng)運行智能系統(tǒng)總線平臺提供電網(wǎng)全景信 息，分別分析一次設備狀態(tài)、二次設備狀態(tài)、電網(wǎng)運 行狀態(tài)，構建大電網(wǎng)運行狀態(tài)專家系統(tǒng)。

研究大電網(wǎng)運行風險評估技術。運用復雜系統(tǒng) 理論及電網(wǎng)運行穩(wěn)定閾度量化分析技術，研究交直 流混聯(lián)大電網(wǎng)安全運行風險量化分析與協(xié)調控制決 策技術，實現(xiàn)電網(wǎng)運行在線綜合風險評估。研究外部 自然環(huán)境影響下大電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行風險的預警預 控技術，開發(fā)自適應外部環(huán)境的大電網(wǎng)安全運行風險評估與控制決策系統(tǒng)。以全景信息為基礎，提供事故前預警以及事故后數(shù)據(jù)挖掘，跨越專業(yè)界限，實現(xiàn) 事故后智能分析，自動形成分析報告。

研究多級協(xié)調的節(jié)能優(yōu)化調度技術支持系統(tǒng)關 鍵技術。通過統(tǒng)一全網(wǎng)節(jié)能發(fā)電計劃生成的規(guī)則和算法、建立省間優(yōu)化算法實現(xiàn)一體化節(jié)能發(fā)電調度 計劃編制，開發(fā)多級調度技術的安全校核功能。建立多時間尺度下考慮多預想故障安全穩(wěn)定約束的機組組合和經濟調度、電壓穩(wěn)定聯(lián)合協(xié)調優(yōu)化調度模型，實現(xiàn)安全穩(wěn)定和節(jié)能環(huán)保的協(xié)調優(yōu)化。

3 結語

打造低碳經濟和建設智能電網(wǎng)，為電網(wǎng)的再次 騰飛帶來動力，同時也給調度運行帶來新的機遇和 挑戰(zhàn)。本文詳細論述了一體化電網(wǎng)運行智能系統(tǒng)框 架、應用服務、數(shù)據(jù)服務、節(jié)能發(fā)電調度、大電網(wǎng)智能 在線仿真平臺等智能調度關鍵技術，對即將開展的 一體化電網(wǎng)運行智能系統(tǒng)的建設具有重要指導作 用。

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