新型电网系统

新型电网系统（共7篇）

新型电网系统 篇1

摘要：MTC-DD型新一代电网调度, 电网调度自动化, 自动化监控系统是目前国内最先进的调度自动化, 自动化系统之一, 不但能满足电力调度的要求, 还能应用于自来水及供水管道的监控、大型产业过程 (石油、化工) 的监控、电气化铁路及地铁供电系统的监控等, 本文介绍了MTC-DD型电网调度'>电网调度及自动化监控系统的结构及特点, 并就如何更好的运用作了初步探讨。

关键词：新型,电网调度,自动化,系统

1、系统结构及特点

系统以Winows NT、Windows2000SERVER为操纵系统平台, 以ORACLE、SYBASE、MS SQL为数据库平台, 所有的应用程序均采用VC++开发工具进行开发, 以TCP/IP作为网络通讯协议, 采用CLIENT/SERVER软件结构, 数据库服务器可运行Windows系统或Unix系统。

监控系统可采用Windows操纵系统、Windows和Unix的混合系统, 可运行于各种P C机、工作站及服务器等不同档次的计算机上。

该系统可通过路由器与其它系统集成, 如MIS系统、上下级系统、负控系统、DCS系统等, 可以用网络方式连接, 或采用其它的连接方式。

系统配置灵活, 规模可小到单台计算机, 或大到由数台服务器和工作站组成的计算机网络系统, 系统的规模可以根据需要得到不断的扩展。

可方便地与企业信息治理 (MIS) 系统、调度治理系统 (DMIS) 、上下级调度系统、地理信息系统集成。

2、应用软件具有较好的开放性和分布性

应用软件采用TCP/IP网络通讯协议和CLIENT/SERVER结构。应用程序和数据库系统可以在一台工作站或服务器上运行, 也可以灵活分布在多个工作站和服务器上, 系统中的各个子系统的功能模块可以灵活分布在网络中, 以便网络中的资源得到充分有效的利用, 同时对重要的应用做硬件系统备份。

应用系统的关键进程会分布在不同的网络结点中, 互为备份地工作, 进步系统的可靠性。如数据采集进程会分布在2台或多台计算机上运行, 当一台计算机上的数据采集进程工作异常时, 另一台计算机上的数据采集进程就会自动承担起数据采集的任务。

数据库治理系统对数据库的访问采用标准的S Q L语句和O D B C方式, 不依靠于某一具体的商用数据库, 所以可以选用SYBASE、ORACLE、MS SQL作为历史数据库治理系统, 系统升级十分方便。

计算机网络系统对计算机网络结构无依靠性, 支持任何支持TCP/IP的网络, 结构可以为总线形、星型、树形、环网, 介质可以是组缆、细缆、光纤、双绞线等。支持10M、100M、吉网络, 为了进步网络系统的可靠性, 系统支持双网 (2个L A N) , 同时支持网络负荷平衡。

3、硬件配置灵活

MTC-DD系统支持PC机工作站及高档服务器, 支持从单机到网络的任意配置, 通过N E B服务器及S C A D A系统, 企业就能用Internet技术将有关数据提供给企业内部的计算机网络, 有关部分通过浏览器查询, 也可通过路由器远程访问, 实现数据交换、数据共享。四、系统主要功能

3.1 数据采集

数据来源:RTU, 人工置进, 通讯运行参数, 标准时钟数据及频率值, 与上下级主站系统通讯采到的数据;模拟量:有功功率 (P) , 无功功率 (Q) , 视在功率 (S) , 电流 (I) , 电压 (U) , 功率因数 (COS￠) , 直流电流和直流电压等;数字量:电网频率 (f) 、脉冲电度及水位等;状态量:开关和刀闸位置、双位置开关量、保护预告信号、保护信号、事故总信号、变压器分接头位置、装置电源停电信号、通道故障信号, 远动系统的自检信号、事件顺序记录SOE、机组运行状态信号、下行通道故障信息等;非电量:水位、发电机及主变温度、油压、气压等。

3.2 数据处理

模拟量处理;条件回零:当某些条件成立时 (如线路开断) , 数据为零;零漂处理:规定数据的零值范围, 当数据处于该范围内时, 视为零。数字滤波:规定数据的最大正当值及最小正当值, 当数据超出范围时, 视为分歧格数据被滤掉;

4、系统特点

以Windows NT/2000 SERVER为平台, 支持普通微机及高档工作站, 支持不同的数据库 (S Y B A S E、S R A C L E、S Q L S E R VER) , 支持数据库服务器运行UNIX系统;支持双网、双服务器、双通道切换, 采用冗余磁盘阵列技术确保系统和数据的可靠性;支持多种通讯方式, 可采用专线、电话线、光纤及载波, 支持广域网通讯;支持多种通讯 (CDT、Poling、u4f、1801、DNP3.0及设备供给商自定义的协议等) ;

5、应用探讨

通过对以上系统的介绍, 我们以为该系统具有良好的开放性及兼容性, 主要体现在:硬件平台、操纵系统、数据库治理系统上可提供多种选择, 系统规模配置灵活, 易于扩展、升级、维护, 可通过多种方式与其它系统集成, 对外提供标准的数据访问接口等等, 考虑到我国电力、水电系统千差万别, 现场情况、技术要求、经济实力, 差别很大, 因此, MTC-DD系统这些特点在实际应用中就有非常现实的意义, 用户可据自身实际情况组合相应配置, 力求性能价格比最优, 笔者以上拙见希看能抛砖引玉。

参考文献

[1]孙德胜, 郭志忠, 王刚军.配电自动化系统综述[J].继电器, 1999, 27 (3) .

[2]陈勇, 海涛, 叶正明.构筑配电自动化系统的三种基本模式[J].电网技术, 2002, 26 (2) .

[3]林功平.配电网馈线自动化解决方案的技术策略[J].电力系统自动化, 2001, 25 (4) .

[4]孙福杰, 王刚军, 李江林.配电网馈线自动化故障处理模式的比较及优化[J].继电器, 2001, 29 (8) .

[5]焦邵华, 焦燕莉, 程利军.馈线自动化的最优控制模式[J].电力系统自动化, 2002, 26 (21) .

[6]甘忠, 董新洲, 薄志谦.输电线路自适应无通道保护[J], 电力系统自动化, 2002, 25 (10) .

新型电网系统 篇2

关键词：分解协调策略,多目标趋优控制,调度控制系统

0 引言

中国国家电网已成为世界上规模最大的交直流互联电网,安全、稳定、经济运行面临较大压力。跨区特高压交直流输电规模快速扩大,特高压网架过渡期安全稳定问题和交直流系统相互耦合问题凸显;风电和光伏发电等新能源发电装机容量急剧增加,新能源发电消纳压力较大;单个元件故障引发电网连锁故障的风险始终存在;网络和信息安全威胁日益严峻[1]。为应对上述挑战,国内外对未来电网调度控制系统进行了前瞻性研究。文献[2]提出了“物理分布、逻辑统一”的全网集散式调度技术支持系统体系架构;文献[3-4]提出了“空间、时间、控制目标”三维协调的电网能量管理系统体系架构;文献[5]提出了基于网格计算和面向服务架构的未来电网控制中心;文献[6]研究了大电网调度智能化的若干关键问题。这些研究从不同角度对未来电网调度控制系统的结构和功能进行了有益的探索,取得了不少研究成果。

近年来,由国家电力调度控制中心牵头,中国电力科学研究院、国网电力科学研究院共同参与开发的智能电网调度控制系统已在省级以上调度中心全面投入使用。该系统采用了面向服务的体系架构, 遵循“横向集成、纵向贯通”和“源端维护、全网共享”的设计理念[7],在一体化基础平台上构建了稳态监控、综合智能告警、网络分析、在线安全分析(DSA)、调度计划、安全校核等核心应用功能。该系统的最大特点是在基础平台层面实现了各级调度之间的纵向贯通,同时基础平台之上的各个应用之间实现了信息共享。智能电网调度控制系统基础平台是调度自动化领域的一个突破性成果,极大地提升了国内调度自动化系统的技术水平和应用水平。但目前电网调度控制系统的应用架构普遍存在两个问题:一是为了实现各类全网系统级分析计算,实时数据和模型数据需逐级集中,对实时数据和模型数据的汇集、传输、存储和维护的要求较高,同时对电网分析计算程序的速度和收敛性的要求也较高;二是由于采用单目标优化框架,没有采用多目标优化框架,不能较好地平衡安全性、经济性和环保性等多种互相矛盾的控制目标。

本文旨在基于智能电网调度控制系统基础平台探讨:利用分解协调策略[8],在各级电网实时数据和模型数据不逐级集中的条件下实现系统级分析计算 (如短路电流、潮流、小干扰、机电暂态、机电—电磁 暂态混合仿真等),实现各类应用的完全分布化,降低对分析计算程序和硬件的要求,提升各类分析计算的收敛性和精细度;通过多目标趋优控制[9]的思路实现大电网安全、经济、优质多目标自动趋优 运行,提升电网调度控制系统的智能性。

1 各类应用的现状

1.1 调度机构之间的数据流向

目前,省调、网调、国调三级调度的模型数据和实时数据逐级汇集。省调将模型数据发至网调,网调负责拼接本区域内各省模型,形成本区域模型,之后发至国调,国调对各区域电网模型进行拼接形成全网模型;省调采集其调度管理范围内各厂站的实时数据,发送至网调;网调采集其调度管理范围内各厂站的实时数据并发送至国调,同时将省调的实时数据转发至国调;国调接收各网调的实时数据,形成全网实时数据。省调、网调、国调三级调度之间的模型数据和实时数据流如图1所示。

目前,模型数据和实时数据逐级汇集的主要目的是为了实现全网分析计算。这种逐级汇集的方式对实时数据和模型数据的汇集、传输、存储、维护的要求较高,对上级调度的硬件和电网分析计算软件的性能要求也越来越高,尤其是对最终汇集点处的存储容量、电网分析计算程序速度、收敛性等的要求较高,运行压力较大。

1.2 应用功能的不足

目前,智能电网调度控制系统基础平台上的在线应用主要包括网络分析、DSA、自动电压控制、安全约束经济调度(SCED)及自动发电控制等;离线应用(日前及其他时间尺度)主要包括安全约束机组组合(SCUC)、安全校核等。随着基础数据质量的提高,各类应用的实用化水平逐步提升。但距离安全、经济、环保等多目标趋优运行的要求,还有一定距离,表现在如下方面。

1)多个控制目标之间的统筹协调不够。电力系统调度以实现安全、经济、环保等多重控制目标优化为最终目标,但多个控制目标之间往往是互相冲突的。以调度计划类应用为例,目前广泛采用单目标优化框架,没有采用多目标优化框架,不能提供考虑多种相互冲突控制目标的手段,无法综合利用各种可控资源较好地平衡电网运行的安全性、经济性和环保性。SCUC和SCED将安全性作为约束条件, 将经济性作为目标函数,一定程度上体现了安全性与经济性的协调。但安全性仅作为约束条件而不是目标函数出现,实际上没有体现安全第一的原则。目前的SCUC和SCED原理上属于单目标优化,其给出的解甚至有可能不是非劣解,需要将SCUC和SCED进一步扩展至多目标优化。

2)状态估计给出的电网模型与电网真实潮流状态有一定偏差。状态估计是各类在线电网分析计算的基础,目前广泛使用的最小二乘状态估计算法实现简单,收敛性较好,但最终得到的估计结果一般不能严格满足潮流方程,某些情况下导致状态估计结果与系统真实潮流状态具有一定偏差。

3)对大电网运行性能的量化评价不够。由于没有给出多目标趋优运行的参考轨迹,无法确定大电网实际运行轨迹与多目标趋优运行参考轨迹之间的差别,因此也无 法进一步 实施多目 标趋优的 调整控制。

2 分解协调策略

2.1 分解协调策略的概念

传统观点认为,为了进行全网系统级分析(如短路电流、潮流、小干扰、机电暂态、机电—电磁暂态混合仿真等),必须将各级电网实时数据和模型数据逐级集中到最高一级调度机构,形成完整的全网模型。在电网规模很大且详细建模时,这种逐级集中的方式将造成最终汇集点的数据负担和计算负担过重, 甚至数据存储和电网分析计算程序已不能满足要求。以潮流计算为例,当电网模型达到几万个节点后,经常会发生数值问题导致不能收敛。对于小干扰、机电暂态、机电—电磁暂态混合仿真等计算量远远超过潮流的计算,因电网规模过大,发生数值问题的可能性更高。另外,随着风电、光伏发电等新能源发电和大量分布式电源接入电网,各级电网实时数据和模型数据的逐级集中将变得更加困难。

分解协调策略[8]是互联大系统分析计算的有效手段,已在化工、航天、气象等领域得到应用。下面将说明,利用分解协调策略可以在各级电网实时数据和模型数据不逐级集中的条件下实现全网系统级计算。通过分解,将互联大电网分解为多个小电网, 各个小电网分别进行分析计算;通过协调,将各个小电网的计算结果聚合在一起,得到与全网集中计算效果相同的计算结果。分解协调策略的优势在于: 各级电网能够详细建模;不显著增加上级调度机构的数据存储和计算负担;避免了发生模型规模过大导致的计算收敛性问题;降低了调度自动化系统的硬件要求。

2.2 分解协调策略的数学模型

2.2.1 潮流计算

以图2的两区域互联电网S为例,S1和S2为两个区域电网。采用节点撕裂法对系统进行切分,将边界母线分裂为两个计算母线集B和 。

以潮流计算为例(暂态稳定和小干扰也适用), S1和S2都可以独立建模,其潮流方程分别为:

式中:VB和θB分别为边界母线集B的电压幅值和相角;V1和θ1分别为子系统S1内部所有母线的电压幅值和相角; 槇VB和θB#sub分别为边界母线集 的电压幅值和相角;Vsub_id#2和θsub_id#2#sub分别为子系统Ssub_id#2#sub内部所有母线的电压幅值和相角。

当S1和S2的潮流方程满足,且式(3)边界约束也满足时,则全网的潮流方程收敛。

当给定边界母线集B的状态VB和θB以后,将B作为平衡节点,子系统S1中的潮流可以独立求解,并可以计算注入边界母线集B的功率PB和QB。同理,当给定边界母线集B的状态VB和θB 以后,子系统S2中的潮流可以独立求解,并可以计算注入边界母线集 的功率B和QB。这也意味着注入边界母线集的功率 (PB,QB, PB, QB)可以表示成边界母线集的状态的隐函数形式,即

式中:f1P 和f1Q 为包含子系统S1潮流计算逻辑的隐函数;f2P 和f2Q 为包含子系统S2潮流计算逻辑的隐函数。

可写成:

全网潮流方 程的求解 等价于式 (1)、式 (2)、式(6)的求解。以潮流计算为例,利用分解协调策略的计算过程如图3所示。

从图3可以看出,S与S1和S2之间需要交换的数据很少。S将边界母线电压幅值和相角VB,θB 下发至S1和S2;S1和S2将本区域潮流计算得到的

边界注入功率PB,QB, B, QB上传至S。S只需要关注联络线模型和数据,不需要知道S1和S2内部模型和数据的细节;同样,S1和S2只需要关注本区域的模型和数据,不需要关注联络线的模型和数据。通过分解协调策略,系统级分析计算时S,S1,S2的模型和数据之间实现了解耦,S1和S2的模型和数据不再需要全部上传至S。

2.2.2 暂态稳定及小干扰计算

对于小干扰分析和暂态稳定仿真,由于各个动态元件的动态方程本身相互解耦,耦合依然只存在于潮流方程中,因此,上述分解协调策略对于小干扰分析、机电暂态仿真、机电—电磁暂态混合仿真等仍然可以应用[10]。以暂态稳定时域仿真为例,采用隐式梯形法时电力系统微分代数模型离散化为:式中:下标k表示第k个离散时 间点;x为状态向 量,包含发电机转子角度、角速度,以及励磁系统、调速系统、直流系统和动态负荷等的状态变量;y为代数向量,包含各母线电压、电流及发电机机端d轴和q轴电压、电流;h为时域仿 真步长;f(·)和g(·)为描述暂态过程的微分代数方程。

令y= [y,VB,θB]T,z= [x,y]T,其中y为除VB 和QB外y中的分量,则式(7)实际上变为一个广义潮流方程:

即暂态稳定时域仿真微分代数模型在每个离散时间点上变为一个广义潮流模型,对于式(8)所示广义潮流方程,2.2.1节所示分解协调策略同样可以应用。上述暂态稳定时域仿真分解协调算法已经过大量实际系统的测试[10]。

3 面向多目标趋优的应用功能重构

3.1 多目标趋优的概念

对于一个受控微分代数系统,如式(9)所示,系统的运行性 能可用多 个性能指 标I1(x,y,u), I2(x,y,u),…,IN(x,y,u)表示,多个性能指标之间通常是互相冲突的,不可能使多个性能指标同时达到最优。

式中:u为控制量。

多目标趋优的数学模型可归结为一个多目标优化问题:

式中:Ω为可行域。

即通过寻找合适的控制量u,较好地平衡多个性能指标。 求解上述 多目标趋 优控制的 途径有3种。第1种途径是通过效用函数将多目标优化转为单目标优化,通常将效用函数取为常数,即将各个性能指标加权形成单目标函数:

式中:ωi为第i个性能指标的权重。

这种方法的优点是求解简单但权重不易确定。第2种途径是不等式(等式)约束法,保留一个主要指标作为目标函数,其余指标通过选择适当的常数化为等式约束或不等式约束:

式中:c2至cN为指标约束值。

这种方法的优点是求解简单,但常数不易给定。目前的SCUC/SCED实际上采用的就是这种途径, 以经济性作为主要指标,安全作为约束,最终的优化结果在安全边界上,没有体现安全第一的原则。

第3种途径是真正意义上的多目标优化方法, 即求解Pareto非劣解集。Pareto非劣解集具有这样的性质:对于非劣解集内的任何一点,偏离该点将导致至少有一个目标值变大。可行域内非劣解集之外其他点构成的集合称为劣解集,偏离劣解点将使所有目标均变小,因此这些点上没有一个目标是优化的,因此要避免运行在这些点上。Pareto解集的求解方法有NBI(normal boundary intersection)方法、离散化启发式搜索等。求出非劣解集后,在此基础上再根据实际需要进行最终决策,选择能够较好平衡多个性能指标的Pareto最优解。

3.2 多目标趋优的机组组合和在线调度

常规SCUC/SCED模型的目标函数如式(13) 所示,需满足的约束包括安全约束、旋转备用约束和爬坡约束等。

式中:C(u)为运行成本。

假定目标函数是凸的,最终得出的优化结果运行在系统安全约束边界上。因最终得到的优化解在安全边界上,实际上没有真正体现安全第一的原则。

为了较好地平衡安全性、经济性、新能源消纳等指标,构造多目标机组组合(MUC)/多目标在线调度(MOD)模型的目标函数如式(14)所示,需要满足的约束包括旋转备用约束和爬坡约束等。

式中:η(u)为稳定裕度指标,由3.4节改进的DSA给出;r(u)为新能源发电消纳比例。

SCED的在线电网模型由3.3节带潮流方程约束的状态估计给出。对于上述多目标优化问题,可采用基于NBI的方法或基于离散化搜索的多目标优化方法求出其Pareto非劣解集[11,12],并在非劣解集的基础上根据能源政策和调度规程进行最终决 策。最终得到的优化解运行在系统安全边界内,真正体现安全第一的原则,且能使安全性、经济性和新能源消纳比例得到最佳平衡。

3.3 带潮流方程约束的状态估计

状态估计是各类在线应用(如DSA,MUC和MOD等)的基础,为使状态估计结果更贴近系统真实潮流, 提出了具有潮流方程约束和离散形式目标函数的状态估计方法[13,14]。状态估计一般模型如下[15]:

式中:ei=zi-hi(x),为量测方程,其中zi为量测量,hi(x)为真实量。

ρi(ei)可取多种函数形式,不同形式的收敛性、抗差性能相差较大。若取平方加权形式,则构成最小二乘估计器(WLS);若取绝对值形式,则构成最小绝对值估计器(WLAV);若取分数次幂形式,则构成分数次估计器(FP)等等。特别是,近期研究发现当ρi(ei)取为图4(a)所示离散形式时,具有很好的抗差性且可避免设置量测权重[14,15]。将图4(a) 进一步用图4(b)所示的连续函数拟合,即可应用各种连续优化方法进行求解。

目前广泛使用的无约束WLS状态估计算法实现简单,收敛性较好,但对零注入量测的处理有一定缺陷,最终得到的估计结果一般不能严格满足潮流方程,某些情况下导致状态估计结果与系统真实潮流状态具有一定偏差。为使状态估计结果更贴近系统真实情况,可把潮流方程作为状态估计器的约束条件,并采用上述离散化目标函数形式,形成如下状态估计模型:

式中:G(x)=0为潮流方程约束;H(x)≤0为其他运行约束。

上述模型可采用现代内点法进行求解,该模型的解严格满足潮流方程,更接近系统真实潮流状态, 同时也解决了DSA中初始潮流不收敛的问题。

3.4 具有最小/最大稳定裕度计算功能的 DSA

目前,在线稳定分析及预警系统的主要功能是在给定的故障及过渡方案(即任意系统运行参数的变化方向,通常是考察负荷—发电增长方向)下,逐步恶化系统运行方式,找到系统的稳定极限,给出系统的稳定裕度。显然,这样得到的稳定裕度依赖于选取的过渡方案,以负荷—发电增长方向为例,不同的负荷—发电增长方向下得到的稳定裕度相差可能很大。为了给调度运行人员提供更为全面深入的系统稳定裕度信息,除常规稳定裕度外,新一代DSA系统将给出各种可能的过渡方案下的最小稳定裕度。最小稳定裕度是各种可能的负荷—发电增长方 向上稳定裕度的最小值,即注入空间中安全域的最短半径[16]。以暂态稳定裕度为例,某个故障下最小稳定裕度的意义是只要负荷增加量小于此负荷裕 度,则无论所增加的负荷在各负荷母线上如何分配, 系统都是暂态稳定的。以最小暂态稳定裕度的求取为例,构造如下最优化模型[17]:

式中:PL∈Rm为负荷注入向量;PG∈Rn为发电注入向量;PL,0为当前运行点负荷注入向量;PG,0为当前运行点发电注入向量;η(PL,PG)为暂态稳定量化指标;ε为暂态稳定裕度门槛值;r∈R为负荷裕度; dL= [dL,1,dL,2,…,dL,m]T为负荷增长方向向 量,

暂态稳定约束下的最小负荷裕度表示不论负荷增量在各负荷母线上如何分配,系统至少能承受总和为最小负荷裕度的负荷增量而不会暂态失稳。

4 智 能 电 网 调 度 控 制 系 统 新 应 用 架 构 及 优势

采用分解协调策略后实时数据和模型不需要逐级向上级调度汇集;采用多目标趋优控制后SCUC被日前MUC取代,SCED被MOD取代。基于分解协调策略和多目标趋优控制的智能电网调度控制系统新应用架构如图5所示。

图5中,浅蓝色背景部分为新加内容,GIS表示地理信息系统。平台增加了分解协调总线,应用增加了MOD和日前MUC,其中包含带潮流方程约束的状态估计、具有最小/最大稳定裕度计算功能的DSA(改进的DSA)。新应用架构与传统应用架构的对比如表1所示。表中:对比项1表示实时数据是否需逐级集中;对比项2表示对上级调度机构的硬件要求是否逐级升高;对比项3表示对上级调度机构的系统级分析计算程序的要求是否逐级升高; 对比项4表示是否能够较好地平衡安全性、经济性和环保性等多种相互矛盾的控制目标;对比项5表示系统级分析计算是否依赖于通信网络。

可见,新型应用架构在成本、性能等方面均具有一定优势,其缺点在于系统级分析计算需依赖通信网络,而传统应用架构的系统级分析计算基于本地实时数据和模型数据,因此不依赖通信网络。

5 结语

基于分解协调策略和多目标趋优控制的智能电网调度控制系统新应用架构具有几个突出的优势: 一是基于分解协调策略,系统级分析计算不要求各级电网实时数据逐级汇集,各级电网能够详细建模, 不显著增加上级调度机构的数据存储和计算负担, 降低了对上级调度机构调度自动化系统的硬件和分析计算程序要求,避免了出现模型规模过大导致的存储和计算收敛性问题;二是基于不同时间尺度上的多目标趋优控制,能较好地平衡安全性、经济性和环保性等多种相互矛盾的控制目标,实现电力系统安全、经济、环保等多目标趋优运行;三是同时具有潮流方程约束条件并采用离散化目标函数的状态估计方法给出的估计结果更贴近系统真实潮流状态, 能更好地支持后续应用;四是具有最小/最大稳定裕度计算功能的DSA更有助于调度运行人员掌握当前运行点距离稳定域边界的最短距离。

新型电网系统 篇3

1 概述

1.1 新型电网概述

在新型电网中, 数字化变电站的建立是最大的特点, 其不同就是分层式结构, 即站控层、间隔层和过程层三个层次的渐进模式。随着数字化CT/PT的开发, 一次设备和二次设备的智能化发展, 为数字化变电站奠定了良好的硬件基础, 但是由于智能开关 (ESW/ECB) 设备的研究还未达到运行标准, 因此目前改造和新建的是不完全数字化变电站。

数字化变电站的重要变革之一就是变电站二次侧基于IEC61850的通信系统, 在数字化变电站中二次设备在变电站的间隔层当中, 实现了设备间的信息通讯, 实现了变电站内的数据共享互动。但是如何很好地利用这些数据, 直接影响着数字化变电站的功能发挥。同时, 新型光学互感器、网络分层所带来的信号稳定与延迟等问题都要求建立一套完备的新型集成式监控系统。

1.2 数据传输

变电站一次设备主要包括变压器、断路器和容性设备等, 其主要的监测包括变压器状态监测、容性设备状态监测、断路器状态监测和避雷器状态监测等几个部分:变压器状态监测系统, 容性设备状态监测系统、断路器状态监测系统和避雷器状态监测系统等。

由于监测监控设备的生产厂家不同, 造成了各种设备间的信息通讯规约有所差别, 因此所采集到的数据都要通过一个合并单元转换为统一的IEC61850通信规约, 提高数据在站控层数据监控系统的统一管理和分析, 该过程被称为信息规约转换。数据通过通信格式转换后将通过交换机, 通过局域网的设置, 传输到间隔层保护测控设备和站控层数据仓库 (实时数据库和历史数据库) 中, 其中间隔层中的保护信息也会传输到数据仓库中。在通信映射方面采取的是IEC61850的特定通信服务映射 (SCSM) 方法, 通信堆栈的信息模型主要有SAV报文和GOOSE报文两种, 其映射情况各有优缺点。

2 ERP系统的开发设计

在组态软件的开发环境中, 建立良好的监控系统平台, 并与ERP系统协调, 实现设备的全寿命评估, 为新型电网中的自动化提供坚实的后备基础。

2.1 组态软件的二次开发

组态软件作为主要的人机互动设计软件, 从20世纪90年代开始在我国的工控行业方面兴起, 代替了复杂的语言编写过程, 降低了开发周期, 提高了利用价值, 并能很好地完成SOA系统的开发。

组态软件由数据组态、界面组态和运行环境组成。数据组态一般与关系型数据库SQL server相连接, 界面组态一般为二维图形, 运行环境可以通过OPC接口与IED设备相连, 也可以设定相关的离散数据离线模拟运行。组态软件可以很好地兼容MIS系统的报表、检索、打印和在线五防等功能, 同时也可以在VS平台中进行其他功能的一次开发。

2.2 系统的功能流程

当变电站发生保护信号或故障信号时, 除了如前所述的设备单体监控设备接收到信号外, 数据还将通过光纤传输到站控层的数据仓库中。此时, 系统将判断该信号是否为误动作信号, 如果不是则进入电气设备的分级故障寿命评估系统。首先启动的是一级评估系统, 该评估模型以识别信号来源为基础, 以RCA的概念模型为核心, 最终判断出电气设备故障的根本原因。文[1]提出了一种改进型的人工免疫分类算法识别故障的信号来源, 可以快速准确地识别故障信号的来源, 并且算法简单易实现。

当确定了故障的根本原因后, 系统将继续进行二级评估。此时通过LCC经济模型判定该电气设备是否需要维护或更换, 最终得出分级评估出的结果。

2.3 基于LCC模型的ERP系统资产寿命评估系统

随着节能环保理念的逐步深入, 资产设备的综合寿命评估、改造投资决策分析和运行安全的监测同样重要。现有的寿命评估方法大多套用国外技术, 设备与系统分离, 没有针对国内电网设备种类多型号杂的特点。文[2]介绍了LCC技术在智能电网中的应用前景, 并且在考虑了负荷变化的不确定因素下, 建立基于LCC的多目标输电网络灵活规划模型。

LCC是在产品寿命周期或其预期的有效寿命期内, 对产品本身以及间接的所有费用总和。目前, LCC技术缺乏系统与设备的统一交互信息平台。由于组态软件的模块化功能, 在VS平台下, 与数据库相结合, 得到合理的寿命评估功能平台。在判断出设备的故障情况后, 寿命评估系统将把电气设备的运行情况给予提示, 判断该设备是否需要维护或更换, LCC模型开始进行相关的成本计算, 得出具体的资产更换或维护的价格。

在LCC中周期成本指标指数C=C1+C2+C3+C4+C5, 以年为周期的各类成本指标的含义如下所示:

(1) C1设备分年度平均投资, C1=V/L, V0为设备原值, L为设备期望使用的寿命。运行期间根据技术改造投资对C1进行调整;

(2) C2为年度运维成本, 包括设备年度运行维护成本;

(3) C3为年度检修成本, 包括设备年度内检修试验成本;

(4) C4为年度故障处置成本, 包括设备年度运行期间发生的给类故障所需要的处理费用, 电量损失按照历史同期输送电量计算等;

(5) C5为报废处置成本, 包括报废处置管理费用, 报废资产残值回收收入, 以及资产未使用到期望寿命导致的提前报废价值损失。

针对资产设备寿命评估的体系目标, 以综合平衡、整体最优的原则, 建立了如下寿命评估的整体模型:

1式中SECj为分类资产设备指标, fE1为效能指标因子, 通过供电可靠性指标折算;fs为安全指标因子, 根据电网特大、重大和一般三种类别的事故数进行折算。

2式中, C为周期成本指标指数, f (E) 为通过系统等效利用时间折算的等效利用率, α为电网规模。针对变电站不同的设备, 的含义有所区别, 如表1所示介绍了变电站变压器、断路器等设备的含义。

3 结语

基于LCC的合理寿命评估模型可以较好地对设备进行良好的评估, 同时随着高级量测技术和状态监测手段的出现, 可以与故障预测等系统结合, 为真正的闭环无人工作目标打下良好的基础。

摘要：针对现有电网应用系统繁多、信息孤岛、监控画面不直观等问题, 通过组态软件建立基于全寿命周期成本 (LCC) 经济模型的设备ERP评估模型, 开发运行监控系统、故障预测系统和设备寿命评估系统, 并组成新型集成数字化变电站监控系统。最后验证出该系统可为实现变电站与智能电网新型调度系统的配合提供软件支持, 从而保证电网的安全经济可靠运行。

关键词：新型电网系统,组态,LCC模型,ERP评估系统

参考文献

[1]祝志慧, 聂建元.改进的人工免疫分类算法在故障类型识别中的应用[J].电力系统保护与控制, 2011, 10 (39)

[2]蔡亦竹, 柳璐, 程浩忠, 等.全寿命周期成本 (LCC) 技术在电力系统中的应用综述[J].电力系统保护与控制, 2011, 39 (17)

新型电网系统 篇4

智能化的电网运行依赖于大量的数据采集和信息处理，一般情况下，高级量测体系AMI的部署是电网智能化的第一步[1]。AMI除了用来测量、收集、分析和传送用户用电信息、电价和设备运行状况外还可以同其它系统模块(高级配电体系(ADO)、高级输电运行(ATO)、高级资产管理(AAM)等)配合运行以实现设备检测、故障检测、电能需求、电能质量监控、资产管理等信息管理功能[2,3,4]。

作为智能电网的重要基础技术支撑，一个可靠安全的AMI是保证电网可靠、可控的必要保障[5,6]。高级量测体系AMI的主要是由控制中心(OC)、数据集中器(DC)、智能仪表(SM)三个部分组成。OC是整个控制主体，它需要处理区域内的所有DC上传的信息;DC要完成其所监管的SM数据信息汇总和上传;智能仪表SM主要负责信息的采集及预处理[7]。

假如只有一个DC与OC或者DC同SM进行通信，单密钥管理方案完全可以实现信息加密。但伴随着电网的不断扩大，一个DC要收集几十个，甚至上百个SM的信息，一对多和多对多的通信结构必将代替一对一的通信模式。单密钥管理方案已无法满足新的信息管理结构需要，特别是无线通信(3G、WIFI、4G等)技术的使用，使得窃听、截取、伪造、重放、篡改数据等攻击发生可能性增加。这就致使DC同OC以及DC同SM之间信息通信的安全性受到威胁。如，当SM同DC、DC与OC进行通信时，攻击者可能对信息进行窃听、篡改和转发等。一旦上述情况发生，OC搜集的数据信息将失去参考价值;恶意篡改的数据甚至会影响到与AMI系统对应的智能电网操作的正确性，同时也会影响到其他信息系统对应的信息决策的正确性。因此，保障OC安全地获得SM的数据信息对于电网显得尤为重要。

在物联网中，虽然已有许多密钥管理方案(文献[8,9,10])被提出。但是这些方案由于受到了储存空间、设备信息处理能力、网络传输等限制，不能够适用于电网信息传输过程中的安全防护。本文借鉴文献[8]密钥分配方案的分层结构，通过对其密钥矩阵的构造进行改进优化，并将其应到电网高级量测体系AMI中以实现数据信息的安全传输。

1 相关工作

1.1 方案预备知识LU矩阵

K为n×n对称矩阵，即KT=K,L为n×n的下三角矩阵，U为n×n的上三角矩阵。假设K=LU，则为对称矩阵K的LU分解。(其中n≥m,m为节点个数)，即:

(1)密钥的生成及预分配分为四个步骤

第一步随机生成一个密钥池，密钥池的元素数量远大于各个节点(可以是AMI中的任一设备)进行通信时建立的密钥总数;

第二步假设有n个设备需要通信，从密钥池中随机选择个元素，构造对称矩阵K;

第三步对矩阵K进行分解，使得K=LU，得到n×n矩阵L以及n×n矩阵U，其中L为下三角矩阵，U为上三角矩阵;

第四步密钥的预置，每一个节点在被部署到具体工作位置之前，都会被随机分配一些秘密的信息，即密钥矩阵L的一行和矩阵U的一列。其中被分配的行与列在矩阵中具有相同位置，即矩阵L的第i行(记为Lr＿i)同矩阵U的第i列(记为Uc＿i)将被分配至同一个节点i。

(2)密钥的建立与认证

为方便起见，第i个节点(节点i)分配到的矩阵信息记为Lr＿i和Uc＿i，第j个节点(节点j)分配到的信息记为Lr＿j和Uc＿j。

如果节点i同节点j要建立通信，两个节点的列向量信息进行交换，即交换Uc＿i和Uc＿j(为保证密钥安全，任节点的行向量不能被传递);其次两个节点分别计算其对密钥的值:

因为K为n×n对称矩阵，即KT=K，所以Ki,j=Kj,i。Ki,j或Kj,i可以作为两个节点的共享对密钥，并用来完成通信的加密、解密和认证。

1.2 文献[8]方案分析

文献[8]方案是对WSN网络采用了分层结构的LU对称矩阵密钥预分配，该方案在一定程度上解决了文献[9]中运用LU矩阵加密方案出现的问题，即节点存储量、通信开销因节点个数增加急剧增加的问题。同时，文献[8]方案解决了文献[10]中因随机分配一组密钥可能导致相邻接点无法直接通信的问题。但文献[8]方案同样出现了LU矩阵在一个节点沦陷后，通过得到其他节点列向量信息可以计算出通信节点行向量信息的问题[11]。尽管文献[8]方案在安全性、存储、通信开销方面都有很好的表现，但由于电网AMI系统结构同物联网(WSN)存在着差异，文献[8]方案在电网中无法直接应用，所以本文将对该方案进行优化，构造出新的对称矩阵，采用不同的矩阵分解，实现新型对称矩阵密钥安全协议，保障智能电网高级量测体系(AMI)信息传输过程中的安全。

2 新型密钥管理方案

2.1 高级量测体系(AMI)三层结构数据采集系统

图1为高级量测体系AMI的三层结构数据采集系统，第一层为控制中心(OC)层、第二层为数据集中器(DC)层、第三层为智能仪表(SM)层。OC是整个控制主体，它需要处理区域内的所有DC上传的信息;DC要完成其所监管的SM数据信息的集中汇总和上传;智能仪表SM主要负责信息的采集及其预处理。

假设在高级量测体系(AMI)中，有1个OC,p个DC,q个SM，第p个DC负责的SM个数为qp个。SM的主要任务是对电网信息进行采集，对其进行初步整理，将初步整理后的信息传递给DC;DC主要是收集SM上传的信息，并对其进行分类处理，同时作为中转站将SM所传有效信息传递给OC。电网信息的实时性要求信息传输速度快，电网的安全性要求传输的信息准确性高。因此，密钥的建立要尽可能地节约时间和通信开销，基于这个目的，我们为AMI系统提出了一种新型的对称矩阵密钥管理方案。

2.2 新型对称矩阵密钥管理方案

本方案是对SM与DC层之间，DC与OC层之间在信息交换时需要用到的安全密钥进行管理。密钥建立过程中所需相关符号及意义由表1给出。本文采用分层式的密钥管理方案。

第一阶段矩阵的生成

构造两类对称矩阵，对称矩阵KD用于DC与OC层之间的对密钥分配，对称矩阵KSp用于第p个DC和其负责的qp个SM之间的对密钥分配。其中KD矩阵的阶数为p+1,KSp矩阵的阶数为qp+1。

第一步控制中心随机生成足够大的密钥池，为OC和DC从中选出构造密钥矩阵的2(p+1)个元素x1…xi…xp+1和y1…yi…yp+1，同时为第p个DC和它负责的qp个SM选择2(qp+1)个元素

第二步将2(p+1)个元素用于对称矩阵的构造，各矩阵构造形式如下:

其中:

其中:

以这样的方式，密钥矩阵可以建立完成。

第三步对各个矩阵统一采用文献[11]的对称矩阵分解方法，例如KD分解:

1)控制中心生成一个足够大的密钥池，从中随机选择个元素生成一个(p+1)×(p+1)的上三角矩阵UD;

2)利用矩阵相乘KDUD-1得到矩阵MD，如果MD为下三角矩阵，重新回到第一步，直到生成的矩阵MD为非下三角矩阵。在此采用非下三角矩阵可以增加密钥的安全性[11]。

用上述类似的方法可以对KpS进行分解。

第二阶段密钥预分配

高级量测体系AMI中设备有关的安全信息将在设备被安装到具体位置之前被预分配到设备中。

OC:为了保证OC同DC之间的安全通信，OC将被随机分配向量组MDr＿i和UDc＿i和相同ID(i的值)的xi、yi值，用于其同DC对密钥的建立和认证;

DC:为了保证DC同OC之间的安全通信，DC将被随机分配向量组MDr＿j和UDc＿j和相同ID(j的值)的xj、yj值，同时，需存储另外一组信息:随机分配的向量组MpSr＿i和UpSc＿i，具有相同ID(i的值)的ui、vi值，这组信息用于同SM的安全通信。

SM:SM需要同DC进行通信，这里只需存储由随机分配向量组MpSr＿i和UpSc＿i，具有相同ID(i的值)的ui、vi值，用于其同DC的密钥的建立。

第三阶段对密钥的建立与认证

密钥预分配之后，对应设备之间需要完成对密钥的建立和认证。完成OC和DC之间对密钥建立需要做以下事情(此时可将OC或DC看作节点):

(1)Nodei将UDc＿i和yi发送给Nodej;

(2)Nodej验证MDr＿jUDc＿i是否等于xjyi，如不相等，则Nodei的犯错信息将被Nodej发送给控制中心，记下它的错误记录，当超过一定阈值则对其进行维修检查;若相等，则KDij=MDr＿jUDc＿i作为Nodei、Nodej的对密钥，进行下一步;

(3)Nodej将UDc＿j和yj传递给Nodei，如不相等，则Nodej的犯错信息将被Nodei发送给控制中心，记下它的错误记录，当超过一定阈值则对其进行维修检查，若相等，即可以得到对密钥KDij=MDr＿iUDc＿j，完成对密钥的建立和认证。

同理可以完成DC与SM,SM同SM之间对密钥的建立，并实现设备间的加密解密操作。

2.3 方案优化

我们采用通信过程中，UDc＿i为上三角矩阵的一列，上三角矩阵有这样的特点，如下所示:

在我们传送第一列时，我们可以传送数值a11和数值1，其中0的个数为2(2=3-1)。即我们通过UDc＿i中上三角数值和ID(列的下标值)的结合可以将通信内容改为只含有上三角数据的列向量信息和相应ID值，在通信过后，通过ID值将列向量补充完整，实现降低通信开销的目的。

3 方案分析

3.1 通信开销分析

通信开销是指对密钥建立通信过程中必须产生的开销，图2、图3、图4依次展示了文献[8]、文献[12]和本文的方案在建立对密钥时的通信方式和通信内容。

图2-图4清楚地展示了三种密钥管理方案在密钥认证过程中的不同，即通信内容的数据量和通信方式存在的不同。就密钥建立所需的通信数据量来看，在此我们假设通信数据列向量中一个元素的大小为16 bit，共有n个设备参与同一层的通信，文献[8]和文献[12]采用SHA-1算法对产生的对密钥进行加密和解密，其通信大小为256 bit，根据三种方案建立对密钥所需密钥有关信息的通信开销来计算，我们列出了三种方案相同设备个数下密钥建立所需的通信开销。如表2(其中大小的单位为bit)所示。

图5给出了三种方案相同设备个数下密钥建立所需要的通信开销对比图，直观地显示出了三种方案在通信设备相同时的通信开销。

通过图5中三种方案的对比，我们可以看到，相对于文献[12]随着设备的增加，当设备个数小于160个时，本文的方案通信开销较少，随着设备的增多我们的通信开销有所增长;相对于文献[8]我们方案明显一直拥有较少通信开销的优势。由于受到变压器以及其他干扰因素的影响，通常一个数据集中器仅会收集几十个智能电表的信息，如果设备较多，则采取进一步的分层结构，因此本文的加密方案在电网中有较高的效率。

通信模式的调整，从图2、图3、图4也展示了各个方案的通信模式，文献[8]和文献[12]在密钥建立的过程中必须要进行三次通信才能完成密钥的建立，而本文方案在对密钥建立的过程中仅仅用了两步则完成了对密钥的建立，在对密钥建立的时间上明显更短，建立密钥所耗费的能量较少，复杂程度上更加低于另外两种方案，大大提高了通信效率。

3.2 安全性分析

本文将从对密钥建立过程中信息被截取后暴露对密钥的可能性以及设备沦陷设备信息丢失对于其他设备间密钥信息的影响进行安全性分析。表3给出了文献[8]、文献[12]、文献[13]、以及本文四种方案的安全性对比。

在此，我们假设两个设备正常且安全，攻击存在于通信过程中信息被截取。文献[8,12]在对密钥建立过程中有完整对密钥信息的传递，即便对密钥是通过加密传递的，如果攻击者掌握了解密方法，攻击者可以通过破解函数获得对密钥信息。一旦解密成功就意味着其他设备间的密钥全部为透明的，攻击者只需要截取通信信息既可以获得设备间的通信密钥，这是非常不安全的。同时，文献[12]仍然存在一个问题，即重放攻击的危险，攻击者若截获两个通信设备建立密钥时所发出的信息，通过解密手段破解时间戳后，攻击者可以自己生成两个私密钥，分别为通讯双方建立虚假离散对数，以这种方式可以获得传输的重要信息;文献[8]中虽然不存在重放攻击，通信过程中的信息是较为安全，但是一旦有设备沦陷，攻击者可以通过此设备同其他设备之间进行通信，计算出对方的密钥预存信息，进而可以获得各个设备通信的对密钥信息，存在安全隐患。本文中采用传输U矩阵的列向量、ID值和y(v)，即使是以明文传输，传输过程中既没有MD(MSp)矩阵的行向量的信息又没有相应的x(u)信息，也就是说攻击者无法只凭行向量信息计算出对密钥，所以攻击者无法计算出对密钥信息。

图6是沦陷设备对全部密钥的影响，横坐标指沦陷设备的个数，纵坐标为被获知对密钥占全部对密钥的百分比。

从图中可以清楚地看到，沦陷设备个数对于文献[8]和本文的影响是最小的。文献[8]和本文由于采用了上三角矩阵和下三角矩阵对对密钥进行分解，一个设备沦陷后，攻击者只获得了分解矩阵的一行和一列，不能获得对密钥对应的完整分解矩阵。文献[12]主要是存在重放攻击的安全问题，攻击者不需要知道设备间的对密钥信息，自己可以按照自己的意愿设定两个对密钥，进而获得通信中的重要信息。文献[13]是随机进行对密钥的分配，因此一个设备要预存较多的对密钥，随着沦陷设备的增多会导致对密钥信息的泄露的更多，攻击者可以用已经得到的对密钥信息去分析加密信息。虽然本文和文献[8]具有相同的表现，但是本文由于没有完全采用具有线性关系的上三角和下三角矩阵，大大增加了被计算出的难度，因此准确获得对密钥的概率大大降低。

3.3 设备连通性分析

表4给出了文献[8]、文献[12]、文献[13]、以及本文四种方案在一对一、一对多、多对多、连通概率、连通时间上等性能对比。AMI系统中两个设备进行通信时，我们采用了对称矩阵的密钥预分配方案，与文献[8,12]中方案一样可保证同一通信设备层中任意两个设备之间对密钥的100%建立。而不在同一层的两个设备只需通过一次跳转即可完成设备间的通信。如OC需要与SM进行通信，得到一个SM的信息，它只需同该SM所属的DC进行通信，由该DC向其负责的SM获取信息;SM之间的通信也是一样，它们只需要同自己所属的DC进行通信，该DC再向OC发出请求，完成SM同OC之间的数据交换。

文献[8,12]均可以保证一次通信即可建立连接，文献[12]由于是随机分配的密钥，存在一次不能找到公共密钥的可能性，因此连通概率不能保证100%，从而连通时间也无法确定，对于电网而言，通信的及时性可以减少很多不必要的损失;在连通时间上，文献[8]和本文只存在乘法和加法运算，文献[12]要进行指数运算和模运算，时间上会比较长，虽然现在的计算机能够在计算方面已经没有太大问题，但如果想要提升计算能力，无形的开销就回增加，较难满足电网AMI系统中快速通信以及经济绿色的要求。文献[14]虽然也是智能电网密钥管理方案，但它基于公钥机制，在通信和存储方面开销过大，较难符合电网实时性的要求。

4 结语

新型电网系统 篇5

但是, 新型智能电表及集抄系统的应用也带来的一些问题, 且问题难以被及时采集反馈和修复[1]。 因此, 智能电网应用新型智能电表及集抄系统后的运行维护仍具有重要的意义。 本文就新型智能电表及集抄系统在智能电网中的运维策略进行分析。

1 新型智能电表运维中的不足

1.1 运维队伍水平无法满足运维工作要求

新型智能电表及集抄系统属于智能化系统, 该系统使用了大量精密电子器件, 器件的技术含量高, 也包括许多新技术。 新型智能电表及集抄系统在智能电网中应用也对运维人员的能力提出了更高的要求, 运维人员需要具备运行维护新型智能电表及集抄系统的能力。 但是, 运行维护人员未根据新要求更新个人知识和技能, 造成运维人员的技能水平无法满足维护新型智能电表及集抄系统的要求[2]。

1.2 运维管理体制不健全

由于新型智能电表及集抄系统应用时间较短, 电力运维部门尚未根据新型智能电表及及集抄系统制定一套完善的智能管理体系, 导致运维管理工作不到位。

具体现在以下3 个方面。 一是电表及系统安装问题。 如安装SIM卡时未安装天线, 导致主站无法采集电表数据; 二是电表和系统所处地区载波问题。 智能电表及集抄系统采用载波信号传输, 以受到电网的干扰, 导致智能电网无法正常运行。 三是档案管理问题, 档案管理问题主要导致无法正常抄收电表数据。

1.3 关口表的运行故障

关口表运行过程中易出现各类问题, 如表计硬件故障、 TA断线、 工作电源试点、 电池故障、 误差超差、 电池故障等。 关口表运行故障通常较为隐蔽, 即使值班人员每天定期巡检及超标也难以发现问题, 导致关口表运行故障不断发展, 最终对管口电表剂量准确性带来严重的影响。

2 新型智能电表及集抄系统运维策略

2.1 提高运维队伍的水平

第一, 加强技能培训。 新型智能电表及集抄系统运维队伍的技能不能仅停留于定期维护, 而应全面提升运维能力。

1) 针对新型智能电表及集抄系统运维工作内容, 加强专业技能培训, 提高运维新型智能电表及集抄系统的能力, 保证电网稳定、 持久运行。

2) 加强智能电表及集抄系统相关配件调试及故障排查培训。 例如通过模拟故障情进行试训, 提高运维队伍排查故障的能力。

第二, 加大先进技术的应用。 智能电表及集抄系统的智能化水平更高, 运维设备技术也需要相应的提高, 提高运维效率。 智能电表及集抄系统主要通过数字化技术、 总线技术、 计算机控制策略实现智能化运行, 运维管理技术也需要将智能电表及集抄系统的主要技术用于运维管理。 以总线技术为例, 总线技术的计算机数字通信技术在工业自动化领域应用的基础, 因而可将计算机技术、 信息通信技术用于智能电表及集抄系统的运维管理, 通过计算机和信息技术对智能电表及集抄系统机型检测、 控制, 实现智能电表及集抄系统的优化管理[3]。

另外, 随着嵌入式计算机控制系统在智能电表及集抄系统中的应用越来越多, 运维管理应用嵌入式计算机控制技术也可以为加强智能电表及集抄系统运维管理提供帮助, 实现对智能电表及集抄系统的有效控制。

2.2 完善智能电表及集抄系统运维管理体制

根据当前运维管理体制存在的问题, 可以从以下三个方面采取措施, 纠正运维管理体制中的问题。

一是制定完善的档案管理机制。 以完善的档案管理机制为基础, 通过提高档案管理质量达到科学管理的作用, 提高新型智能电表及集抄系统在抄收数据的成功率, 减少档案参数配置错误问题, 提高档案管理在智能电表及集抄系统运维管理中的效率。

二是, 制定完善的安装流程, 将其制成工作手册, 供工作人员阅读参考。 完善的安装工作流程手册可以让安装人员明确安装工作, 减少不必要的浪费, 避免对安装工作流程不熟引起的漏装或误装行为。

三是环境管理制度。 对于智能电表所处环境存在载波问题, 通过制定完善的环境管理制度可以加强环境管理, 减少其它电网干扰。

四是建立智能装置检修制度。 智能电表及集抄系统的智能化水平较高, 运维管理也需要提高智能化和数字化水平[4]。 一是合理利用检测机械, 购买引进检测维修机械。 加强采购管理, 不购买不合格的机械设备; 智能电表及集抄系统建设过程中还可加强网络技术运用, 对智能电表及集抄系统实施智能检测, 提高维护系统维护问题, 用不自行维护电表和集抄系统小问题、 小故障。 对于无法自动修复的问题, 在及时采取人工手动维护可提高运行维护管理的效率, 保证智能电表及集抄系统的稳定性。

2.3 加强安装及调试

安装于调试的作用在于投入使用前及时发现问题, 避免投入使用过程中发生问题, 增加维修难度。 智能电表及集抄系统也容易因电量技术和集抄技术不完善而出现各种问题。

例如我国某电力企业的智能电表及集抄系统因技术不成熟而出现串表现象, 导致电表及集抄系统错误统计用户用电量, 某普通居民用户单月用电量高达300 度[5]。 因此, 基于智能电表及集抄系统技术的不完善, 需要严格把关设备安装和调试, 减少生产现场调试量, 优化工作效率。 同时, 还应完善设计, 在进入安装现场前及时发现问题, 防止智能电表及集抄系统智能化水平带来影响。

2.4 加强关口运行状态在线监视及关口电量追补

由于关口运行故障只能在造成电能剂量差错较大以及关口表定期检查阶段才会发现, 因而需要采取在线监视措施, 对关口表的运行状态进行监视, 及时发现故障并报警, 避免故障带来较大的计量差错。 当关口电能计量装置发生故障, 需要采取相应措施追补漏记、 多记的电量。

通常可采取以下措施追补电量:

一是主副表法。 如在关口计量点设置2 块同等级关口表, 计量表共用一套互感器和二次回路, 制定其中一个关口表为主表, 用于电量结算。另一关口表作为副表, 用于电量结算参考。 定期核对两块关口表的电量, 当电量误差超出范围, 则立即报警, 以便工作人员及时查找故障。

二是母线电量平衡法, 与母线进出线部位装设关口表, 当某关口路出现故障, 可依据母线电量平衡原理计算关口表电量, 根据母线线损计算追补电量。

三是线路两侧表法。 在关口线路两侧均装设电能计量装置, 以其中一套计量装置数据用于结算, 另一套装置作为备用。 定期核对两套计量装置的电量, 超出误差范围表明关口表存在故障。 线路两侧表法的使用范围广, 但对关口计量装置故障期间的线损电量的准确性有较高的要求。

3 结语

在我国大力建立智能电网的背景下, 运维管理的作用语法重要。加强智能电表及集抄系统的运维管理是我国建立智能电网系统的必然要求。 智能电表及集抄系统在智能电网中的使用在很大程度上减少了供电部门人工抄表和查表的工作量, 但其采集效率较低以及难以及时进行维修等问题也给用户带来一些不便。

除了提出以上运维策略外, 还应当加强对智能电表和系统研发的新力度。 在智能电表及集抄系统应用过程中可能出现各种问题, 运维人员需要结合实际情况, 对智能电表及集抄系统问题进行分析, 再制定完善的运维管理策略, 才能真正提升日常故障的解决速度, 确保智能电表及集抄系统稳定运行。

参考文献

[1]王青之.智能电网中新型智能电表及集抄系统的运维策略分析[J].电子制作, 2014.

[2]陈俊, 邓桂平, 戴晓华.基于无线传感网络的智能电网抄表系统研究[J].电测与仪表, 2010.

[3]许高阳, 宣筱青, 司庆华, 颜云松.云计算智能电表在电力系统的应用[J].电力信息化, 2012.

[4]李东东, 崔龙龙, 林顺富, 刘庆强, 覃子珊, 任婧玮.家庭智能用电系统研究及智能控制器开发[J].电力系统保护与控制, 2013.

新型电网系统 篇6

关键词：安全稳定控制系统,南方电网,测试,规范化

0 引言

安全稳定控制系统 (以下简称“稳控系统”) 作为保证电力系统安全稳定运行和提高电网输送能力的重要手段[1,2,3], 在电网建设中得到了广泛的应用。由于电网中稳控系统涉及地域广、厂站多, 设备型号多样, 控制策略复杂且多变, 因此, 如何对稳控系统进行有效、可靠、完整的系统测试, 尽早发现装置软、硬件缺陷, 避免给电网安全稳定运行带来隐患, 是至关重要的工作。

本文针对稳控系统特点, 从测试内容、测试手段等方面详细阐述了稳控系统的常规测试方法, 指出了当前测试工作中的不足, 阐述如何充分利用现有手段开展测试工作, 并提出更加规范的试验方法和建议, 介绍其在南方电网稳控系统中的应用, 对实现稳控系统的规范化测试和稳定运行具有积极的意义。

1 稳控系统测试现状及方法

1.1 稳控系统测试现状

由于电网运行方式的改变, 每年电网稳控系统都要进行升级改造、测试、出厂验收、现场联调。由于稳控系统的特殊性, 每个厂站控制策略及功能都不相同[1], 稳控装置随着控制策略修改需要进行相应的升级, 由于其特殊性, 需要对稳控装置进行全面完整的测试, 消除由于测试不完善带来的隐患, 保障系统的可靠性、正确性。目前, 电网稳控系统测试流程包括稳控装置生产测试、系统出厂测试、系统现场调试、定期检验等, 以验证稳控装置硬件及回路、控制策略、通信功能等是否正确、满足要求。

1.2 稳控系统传统测试方法

目前稳控系统的测试方法主要有以下几种: (1) 传统继电保护测试仪 (如博电PW40等) 或专用稳控测试仪、万用表; (2) 动模试验; (3) RTDS电力系统实时数字仿真试验, 其结构如图1所示。

第一种试验方法是目前最常用的测试方法之一, 使用继电保护测试仪或专用试验仪加入电压、电流, 按照测试大纲逐步进行, 模拟相关的故障, 检查稳控执行策略的正确性。这种传统的静态试验方法基本能验证稳控系统逻辑的正确性, 但是无法正确反映系统的动态变化结果, 对于一些特殊工况的系统故障模拟还不完善。

动模试验可以实时逼真地模拟电力系统的稳态、机电暂态和由此引发的保护和自动装置的动作过程, 对于有新判据使用的稳控系统使用动模试验具有积极的意义。但是动模试验的规模受实验室设备和场地限制, 无法模拟大型电力系统, 参数的调整和改变比较麻烦, 试验方法不够灵活, 不易实现大规模稳控系统装置间功能配合试验, 试验效率较低。

RTDS电力系统实时数字仿真试验可使电力系统的实时仿真范围几乎覆盖电力系统扰动的全过程, 可以真实地反应系统情况, 对于稳控系统可以进行全面、详细的测试。但是RTDS仿真试验系统投资巨大、建设周期长、参数间难以匹配、可模拟的电力系统规模受限制, 且建模复杂等, 正是基于以上原因, 在实际的稳控测试过程中RTDS仿真试验使用较少。对于重点的工程或新判据, 利用RTDS进行仿真试验, 具有重要的价值和意义, 比如南方电网楚穗直流稳控系统[3]。

2 一种新型稳控系统测试方法

为了确保稳控系统的可靠性, 消除任何对系统不利的缺陷, 我们需要在稳控系统的规范化试验上进行大量的工作, 使得稳控系统的测试规范、标准。规范化的试验需要规范化的试验方法及项目, 根据试验项目使用最完善的试验方法。针对目前稳控系统测试中存在的问题, 我们提出了一种新型的稳控系统测试方法及稳控系统测试的改进建议。

(1) 使用新的试验方法, 能动态反映系统波动情况, 从试验手段上消除由于传统试验方法无法测试到的环节留下的隐患。为此我们推出了基于HELP2000电力系统动态整组仿真试验平台的通用测试系统, 如图2所示。

该系统利用稳定分析计算获得的或PMU、稳控装置现场录制的非实时但时间上连续的动态过程故障波形数据在稳定控制系统中的实时回放, 模拟整个系统的动态过程, 以验证控制策略逻辑的正确性, 特别适用于大型电力系统复杂故障情形下对稳定控制装置动作行为的分析和测试。该方法将原来静态的、局部的测试发展成为动态的、系统的测试。比如, 在重潮流情况下的双回联络线路一回线故障, 另一回严重过载时功率是一个动态的摇摆过程, 传统试验方法无法验证出此时稳控装置的动作行为, 以及计算到的切机或切负荷量的正确性、动作时间。

基于HELP2000电力系统动态整组仿真试验还可以利用在线预决策系统获取电网运行的潮流断面计算数据以及相应的暂态计算数据;然后, 利用该数据对事故或扰动进行仿真分析, 借助电力系统动态整组试验平台[4], 对稳控装置的动作行为和作用效果进行研究与评估。

以HELP2000电力系统动态整组仿真试验作为稳控系统的测试手段具有其优越性:

1) 所采用的试验数据与稳控系统策略制定采用的数据源保持一致, 充分利用现有电力系统仿真计算技术的成果, 不受系统规模、故障类型的限制, 不需对目标电网进行任何简化、等值处理。

2) 试验过程简单, 试验仪携带轻便, 可应用于稳控系统的研发测试、出厂验收测试、现场调试测试、定期检修测试全过程。

3) 可验证大规模电网的复杂策略, 且试验成本较低。支持下载稳控策略, 实现闭环的稳控策略测试。

4) 可利用PMU或现场稳控装置的录波数据在稳控系统上进行故障现场模拟, 便于分析问题, 查找程序缺陷。

(2) 规范稳控系统的测试项目及试验流程, 将试验过程中可能存在问题的环节一一排除。

(3) 不断使用新的试验手段, 全面验证装置逻辑。比如直流极闭锁判别测试等电气量与开关量时序配合关系要求较高的试验项目, 宜采用RTDS进行验证测试, 检验稳控装置与极控系统接口以及直流极闭锁后系统运行情况, 确保稳控系统可靠判别极闭锁故障[3]。

(4) 测试项目增加各站采集线路 (机组) 功率方向、大小以及传送相关厂站正确性, 需增加在各种异常条件下稳控装置的闭锁条件及策略执行情况, 严格执行通道抗干扰试验。

(5) 强化稳控系统联调的组织措施:稳控系统的调试及联合调试, 时间紧迫, 任务量大, 涉及多厂站间协调配合, 涉及人员多、地域广, 实施过程中任一环节稍有疏漏, 都会给电网的安全运行带来隐患[2]。为全面、系统地校核稳控系统能否按照既定的策略表实施正确控制, 应验证稳控装置中的策略搜索匹配软件流程是否正确、逻辑是否严密, 尽可能消除装置 (系统) 存在的缺陷, 提高效率。

3 新型试验方法在南方电网稳控系统中的应用

随着±800kV云广直流的投产, 南方电网西电东送的容量进一步提升, 电网的安全稳定问题日益突出。该系统是目前国内同时也是全球规模最大、最复杂的交直流混联稳控系统。

南方电网稳控装置生产厂家多、型号多, 控制策略复杂, 涉及交流故障和直流故障的控制, 且系统结构方式变化快, 稳控系统的升级测试任务较重。在南方电网稳控系统的出厂试验、验收、现场联调等过程中, 我们使用了电力系统动态整组仿真测试方法, 此方法能真实地模拟直流闭锁后系统的各种工况, 能方便地对稳控系统进行全面测试, 为稳控系统的正确性、可靠性提供了强有力的支持。目前, 该试验方法在南方电网稳控测试中得到了广泛应用。

4 结语

稳控系统在电网安全稳定运行过程中承担着重要任务, 每年稳控系统都会因为系统运行方式的改变而进行大量的策略计算以及稳控装置的升级、改造、现场调试等工作。本文阐述了目前稳控系统中常用的试验方法、测试现状及存在问题, 提出了一种新型的稳控测试方法, 并在南方电网中得到了积极应用, 对于今后稳控系统的规范化测试及管理具有积极的意义。

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新型电网系统 篇7

智能电网顾名思义就是有智慧的电网, 与传统电网相比存在自己的优势特点以及目标, 具体是自愈性, 希望无论电网中发生任何的突发事故, 智能电网都可以解决并且保证电力系统的安全性能。智能电网也希望末端的电力的用户能够形成与电网相适应的交互形式使电网更加去满足用户对电能的需要, 以及客户的不同的需求都尽可能的满足。智能电网是能够防范网络的攻击并且能够抵御自然灾害带来的各种危害。智能电网的改进能够提供21世纪所需要的电能质量, 智能电网对电力系统进行优化目的是使资产和设备得到最好的应用。智能电网能够在发电和储能方面的选择上进行协调, 智能电网也对电力的市场化的进一步实现做出重要的贡献。对智能电网的结构的基本要求是根据它的特点以及实现的目标所形成, 需要综合考虑对终端用户进行控制以及对总体配电系统进行合理的配置以使系统的性能能够达到最佳, 这样才能够达到所希望的稳定性以及最佳的电能质量。智能电网为了提高系统的整体性工作效率以及系统的灵活性, 支持高比重的分布式电源。智能电网从目标以及特点都比传统的智能电网要有优势所以研究智能电网的实现是非常有意义的。

2 智能电网所需的主要技术以及新型电网元件的介绍

智能电网所需要灵活的拓扑结构, 为了去实现对智能电网系统中每个成员的实时监控以及信息间的交换需要开放体系并且高度集成的通讯系统。需要先进的传感以及测量技术能够去实现对比如分时电价远程监测以及用户侧管理等相关方面的更快更准的系统响应。智能电网还需要高级的电力电子设备超导和储能技术, 先进的系统监测方法是实现快速诊断和事故下的准确解决所需要的。当然高级的运行人员决策辅助系统也是必不可少的。为了去实现智能电网的这些优势以及目标, 一些新型电网元件也纷纷研究出来为了去满足不同的需求, 本文简单介绍了一些新型电网元件以及将它们应用于智能电网中能够带来的优势。而新型的电网元件包括高温超导电缆HTS (hightemperature super conductor) 、超导储能装置SMES (superconducting magnetic energy storage) 、故障电流限制器FCL (fault-current limiter) 、复合导体 (composite conductor) 、灵活交流输电系统FACTS、高压直流输电系统HVDC、先进的表计基础设施等非常多的新型技术。

3 高温超导电缆应用于智能电网的构想

首先我们先简单了解一下什么是高温超导电缆, 它是应用无电阻的、可以去传输高的电流密度的超导材料作为导电体的并且可以去传输较大的电流的一种电力设施。它的优势在于它体积小、重量轻、损耗低并且传输容量大, 可以用来去实现更低损耗的、更高效率的、更大容量的输电。使用高温超导材料的高温超导电缆所引起的损耗低, 不用使用绝缘油, 不会带来环境的污染, 这样对于电力成本方面也会相应的降低。考虑到高温超导电缆的这些优势, 我们可以将它应用于发电机到变压器、变电中心到变电站、地下变电站到城市电网端口这些相对的短距离输送电力的场所, 而应用于其他的电力场所也会相对而言减少很多损耗。不仅如此使用高温超导电缆传输电能时的传输容量也大大提高, 能够显著地节约占地面积和空间, 节省宝贵的土地资源。高温超导电缆能够显著的降低电力系统的损耗, 快速的提高电力系统的总体效率, 可以带来十分可观的经济效益。将高温超导电缆代替现有的地下电缆的趋势也是不可阻挡的, 因此我们致力于将高温超导电缆应用于智能电网的建设中, 这样就给智能电网带来十分可观的优势以及经济效益进而实现智能电网的构想。

4 超导储能装置应用于智能电网的构想

简单说明超导储能技术 (Superconducting Magnetic Energy Storage, SMES) 就是利用超导线圈中产生的电磁场把电磁能先储存起来, 等到需要的时候再把相应的电磁能返回到电网或者其它的负载中, 对于储存充放电时间很短的脉冲能量是十分有效果的。超导储能技术的储能效率是非常高的基本可以达到95%, 主要原因是超导线圈的电阻几乎为零, 线圈中储存电能基本是零损耗的。超导储能技术的核心是超导材料, 而超导储能装置的主要优点是它具有简单的结构, 没有旋转机械部件以及不存在动密封的问题, 这样一来设备的寿命比较长;由于储能的密度比较高, 基本能够达到108J/m3, 可以形成较大功率的系统;因为装置的响应速度比较 (1~100ms) , 在调节电压和频率时就相对快速并且容易;装置没有噪声的污染, 并且维护起来相对的简单。现代的电力系统由于缺少能够大规模快速存取电能的器件, 在安全稳定运行的方面存在很大的欠缺。超导储能装置不但可以调节系统的阻尼力矩还可以调节系统的同步力矩, 它作为一个可以灵活的进行调控的有功功率源, 对于系统的滑行失步以及系统振荡失步的解决是有一定作用的, 可以将系统扰动消除后暂态过渡的过程大大的缩短, 使系统稳定的状态迅速的达到。超导储能装置对于减少发电机出力变化对电网的冲击以及减少负荷波动方面也有一定的作用。它的应用可以改善供电的品质, 可应用于敏感负载和重要的设备, 对于配电网内产生异常或由于主网受到干扰而引起配电网向用户供电时产生的异常等问题起到解决作用。超导储能装置由于响应速度快, 对于不稳定电力对电网的冲击能够最大程度的解决。对于解决风电或者光伏发电系统并网的问题, 超导储能装置是十分有效的。它的高效的储能特性可作为备用容量能够储存应急的备用电力, 对于提高电网的安全稳定运行水平是十分有意义的, 这些优点正是建设智能电网所需要的, 因此将超导春能装置应用于智能电网的建设是必不可少的。

5 灵活交流输电技术应用于智能电网的构想

灵活交流输电系统总体来说是将最新发展的电力电子技术以及现代控制技术应用于高压输变电系统, 通过改变高压输电网的相位、电压以及线路阻抗这些参数还有网络的结构可以对输电线路进行直接的控制, 这样它可以代替传统的机械电子以及电磁的控制手段, 这样可以使交流输电系统的功率的可控性有高度的提高, 这样一来系统的网损以及发电的成本就会降低很多, 而系统的稳定性和可靠性也能够大幅度提高。灵活交流控制器是基于晶闸管包括移相器、先进的静止无功补偿器、可控串联电容、动态制动器、带载调压器、故障电流限制器、以及其他我们正在致力于去研发的产品的集合。由于具有控制灵活方便、响应速度快的优点, 将灵活交流输电控制器应用于智能电网带来的好处十分显著, 例如可以提高电网的传输容量, 能够按照需求合理的控制电网的潮流这样能够使潮流分布尽可能的去最大限度的实现符合客户要求的最优化指标, 不仅如此对于系统的电压稳定性、暂态稳定性、中长期稳定性的提高也起到了十分重要的作用。灵活交流输电技术的应用有效的降低了阻尼低频功率振荡以及次同步谐振, 能够限制短路电流, 有效防止连锁故障和类似大范围停电事故的发生, 有效提高电力系统的安全性和可靠性, 这些都满足智能电网的需求, 对于智能电网的发展起到了非常大的促进作用, 降低了电网中的电能损失, 节约了发电所需的成本。灵活的交流输电系统支持电网的自愈, 支持交互的电网, 能够优化电网的运行, 还可以兼容分布式发电, 通过构想灵活交流输电系统应用于智能电网建设所带来的好处, 可以了解到发展灵活交流输电技术是十分有意义以及有前景的。

6 结论

本文简单的介绍了新型电网元件技术应用于智能电网的构想, 未来的智能电网发展成为主要趋势, 它的优势也是有目共睹的, 而如何实现这些优势则需要我们不断的去研究发展, 新型的电网元件技术为智能电网的发展起到了至关重要的作用, 如果我们将这些新型电网元件技术应用于智能电网的建设, 我们可以实现智能电网更加聪明更加灵活更加健康更加友好更加负责, 可以给绿色节能环保资源最优化配置防灾减灾等各种方面提供坚强的支撑。当然现在要做的是去想到更好的办法将新型电网元件的功能研究并且最大程度的应用于智能电网的建设, 这条道路还是需要一定的时间发展空间还是很大的。

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