基于信息網(wǎng)絡(luò)綜合傳輸?shù)碾娏ο到y(tǒng)運行與控制

1、         05-12-19 09:36:00     作者：佚名    編輯：studa9ngns摘要：網(wǎng)絡(luò)為電力系統(tǒng)的運行與控制提供了嶄新的空間，同時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）以后的在一個較長時間內(nèi)起主導(dǎo)作用的主題。文中針對基于網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)運行與控制系統(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)運行與控制；信息傳輸；智能二次

2、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，美國技術(shù)評論雜志已將其列為九個開拓性的新興科技領(lǐng)域之一。電力系統(tǒng)中現(xiàn)有的各種控制系統(tǒng)（如繼電保護(hù)、綜合自動化、功角穩(wěn)定控制、無功電壓控制）之間相互獨立，且大多數(shù)采用點對點式的專線通信方式。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，

3、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，不太可能為各種特定的功能建設(shè)各自獨立的網(wǎng)絡(luò)，各種控制信息及電力系統(tǒng)的其他運行信息運行于同一電力信息專用網(wǎng)絡(luò)平臺上的可能性比較大（也可能將公用網(wǎng)絡(luò)納入電力信息網(wǎng)絡(luò)中，以實現(xiàn)某些特定信息的傳輸，或作為某些運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)運行與控制系統(tǒng)（PNCS）。PNCS的實現(xiàn)可顯著簡化控制設(shè)備的連接方式，實現(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

4、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，在實際應(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，將是我們在新一代電力系統(tǒng)控制設(shè)備競爭中面臨的一大挑戰(zhàn)。在過去的一段時期內(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

5、領(lǐng)域相比，針對數(shù)字化的概念、共性問題等開展的宏觀性研究工作相對較少。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值得探討的問題?；谶@樣的認(rèn)識和對未來的評估，本文針對PNCS的一些相關(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對點的專線傳輸轉(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、簡單化、便于維護(hù)和擴(kuò)展。規(guī)范化和簡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，人們便會考慮調(diào)整一些二次設(shè)備的功能，因而影響到網(wǎng)絡(luò)

6、傳輸?shù)男畔⒌淖兓?。如：在點對點時代，可能對許多二次設(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)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，實現(xiàn)變電站數(shù)據(jù)的無二義、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，這一步的實現(xiàn)將需要較長的時間。在實現(xiàn)了變電站數(shù)據(jù)無二義后，網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢才開始真正體現(xiàn)，帶來變電

7、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)無二義的基礎(chǔ)上可以合并。經(jīng)過以上發(fā)展后，許多裝置的功能已變得非常簡單，加上計算機(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的結(jié)構(gòu)都將實現(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，具體功能由軟件來實現(xiàn)。此外，由于網(wǎng)絡(luò)提供了聯(lián)系手段，數(shù)據(jù)的無二義將使各類數(shù)字設(shè)備之間可以相互交流，一些以前不能實現(xiàn)的新功能將變?yōu)楝F(xiàn)實，如各類數(shù)字設(shè)備記錄的電力

8、系統(tǒng)故障信息的綜合分析和應(yīng)用。從系統(tǒng)級的角度來看，網(wǎng)絡(luò)化帶來的變化主要集中在后兩個階段，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)和信息均可簡單地得到，且無二義性，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)傳送到某個變電站的超級計算機(jī)，由軟件去適應(yīng)變電站的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并開

9、始發(fā)揮作用。電力系統(tǒng)的實時控制現(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，也可能由超級計算機(jī)在收集全局實時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 研究現(xiàn)狀現(xiàn)有的研究工作主要集中在網(wǎng)絡(luò)時延對電力系統(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)時延對控制系統(tǒng)的影響。文1對基于信息網(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超過兩個數(shù)據(jù)包的傳輸時間時，電力系統(tǒng)的頻率將

10、發(fā)生振蕩。文2對基于網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的動態(tài)特性進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)時延大于250ms時，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)定性表現(xiàn)出很強(qiáng)的時延依賴性。（2）對信息傳輸特性的分析。目前，這方面的研究方法主要有實驗驗證和基于統(tǒng)計模型的網(wǎng)絡(luò)仿真方法3-7。文3以實驗驗證了通過ATM網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)程保護(hù)信息的可行性，實驗結(jié)果表明，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)負(fù)載大于96%時，網(wǎng)絡(luò)的丟包率和時延會增加，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，對基于Agent的差動保護(hù)信息通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臅r延特

11、性進(jìn)行了仿真評估，認(rèn)為必須構(gòu)建企業(yè)專用通信網(wǎng)絡(luò)來滿足差動保護(hù)信息傳輸?shù)男枰?。?采用網(wǎng)絡(luò)仿真方法驗證了通過專用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)仿真方法對兩區(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)定信息傳輸時間的要求。采用基于統(tǒng)計模型的網(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

12、法進(jìn)行研究，以得到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)時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。目前主要針對網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點（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)、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提出了采用時延控制策略對同時到達(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)時間要求，因此有必要研究基于網(wǎng)絡(luò)端節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)中間節(jié)點相結(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)電力系和計算機(jī)系組成的GridStat研究組10,11從電力系統(tǒng)

13、運行狀態(tài)信息傳輸?shù)膶崟r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。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)控制理論都是針對時延確定系統(tǒng)的，需研究這些新問題對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)

14、絡(luò)為廣域控制設(shè)備的實時信息交互提供了可能，可以改變基于先驗知識的控制方法，顯著改善各種控制系統(tǒng)的性能，但也對實時協(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)是一個快速的分布式實時系統(tǒng)，對可靠性的要求很高，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PNCS的特點研究專用技術(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、電力實時數(shù)據(jù)的流量均衡方法、信息

15、分類方法、擁塞與流量識別及控制、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)境下的實時中間件技術(shù)等。（3）統(tǒng)一的電力系統(tǒng)信息模型。數(shù)字化的一個基本要求是徹底消除數(shù)據(jù)和知識的二義性，通常由公用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或協(xié)議來實現(xiàn)。在數(shù)字化時代，數(shù)字設(shè)備相互獨立，無二義性是一個局部問題，且在制造廠家內(nèi)部就可得到較好的解決。在PNCS時代，無二義性的實現(xiàn)則要艱巨得多，網(wǎng)絡(luò)化使眾多設(shè)備相互集成，必須實現(xiàn)全局的無二義性和不同廠家之間的無二義性。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