山东智能电网调度控制系统关键技术研究

张　强，邱夕兆，刘红军，延　峰，马晓红

（山东电力调度控制中心，济南　250001）

山东智能电网调度控制系统关键技术研究

张强，邱夕兆，刘红军，延峰，马晓红

（山东电力调度控制中心，济南250001）

随着“外电入鲁”进程加速，含特高压交直流电网的大电网调度控制对控制系统不断提出新的要求。介绍山东已投运的智能电网调度控制系统，从软硬件架构、数据平台技术、人机交互及可视化技术3个方面阐述系统平台关键技术及应用情况。结合山东电网“十三五”调控应用需求分析提出平台技术研发方向，以期为相关研究建设工作提供参考。

电力系统；智能电网；调度控制；平台

0　引言

“十二五”期间，山东智能电网调度控制系统主调、备调分别在济南、潍坊全面建成并投入使用。系统基于统一基础平台构建各类核心应用功能［1］，改变了原来十余套系统并存的局面；并具备上下级远程调阅功能，实现了调控系统业务的“横向集成、纵向贯通”，有力支撑了省调内部及多级调度联合业务的开展，是“大运行”体系建设的重要成果之一。

作为各项应用功能的支撑和基础，系统平台采用了多种先进、适用技术；随着“十三五”调控运行对智能电网调度控制系统提出的新需求，系统平台面临新的挑战。从系统软硬件架构、数据平台、人机交互及可视化等3个方面阐述系统平台关键技术，并结合应用需求分析技术发展方向，以期为相关研究和建设提供参考。

1　系统架构

计算机是实现调度自动化系统的物理载体。几十年来，计算机软硬件技术不断进行着更新换代，其每一次发展和进步都成为调度自动化系统发展的有力助推器。

自20世纪80年代以来，电网调控中心一直采用主备机模式，但现代电网的发展对高性能计算的要求越来越高，而单体计算机的速率已接近饱和，需要采用多处理机并行计算。如图1，智能电网调度控制系统的硬件架构采用服务器集群方式。基于多智能代理（MAS）的软件管理模式［2］，各服务器在统一的任务分配下并行处理相应业务。服务器间通过广播传递心跳报文，对应用状态进行管理。管理算法是分布式的，系统根据优先级和设定算法保证有且仅有一台主机。在进程管理方面，主动汇报进程周期调用汇报接口进行进程状态汇报。被动监视进程由进程管理程序定期判断是否在运行。在网络管理方面，系统的双网管理采用bonding技术，将多块网卡通过绑定虚拟成一块网卡，可以有效实现负载均衡，提高机器的网络吞吐量和可用性。

图1　基于集群机的高性能计算硬件体系结构

该平台软硬件架构已在山东智能电网调度控制系统得到应用，但在电网互联程度日益加深的情况下，新的应用需求迫切要求该体系架构得到进一步扩充和发展。

从系统建模角度，现有各级调控中心EMS系统多基于弱互联电网阶段需求建设而成，各自按调度管辖范围分别独立建模。而随着电网互联程度的逐渐加强，尤其是“十三五”期间“外电入鲁”战略的实施，山东电网将更紧密融入国家电网，大电网在线安全稳定分析应成为调度员的必备工具；另一方面，从管理角度，正在进行的“大运行”体系建设也对深入掌握各级电网运行信息提出了要求。上述需求都对扩充电网建模范围提出了客观要求，而这仅靠某一级调控中心独立建模是难以完成的，迫切需要实现模型的共享。从系统架构角度，应充分利用流行的“云计算”技术［3-4］，在现有体系架构之外搭建由若干其他服务器构成的计算云，通过平台提供的总线和代理服务，各级调度系统所构建的模型可同步上传到云中心，并根据分析需要订阅和下载自身需要的电网模型。

目前，山东省调已开始研究基于云计算技术的电网模型中心建设方案，目标是实现各级电网建模的“物理分布、逻辑统一、分布维护、实时共享、按需取用”。预期将来基于全网大模型的电网分析计算将承载于大量的广域分布式计算机上，具备前所未有的计算能力、可扩展性、廉价性。

2　数据平台技术

2.1RTU/SCADA

基于RTU的SCADA是电网调度自动化系统的基础，负责采集和处理电力系统运行中各种实时和非实时数据，是电网调控中心各种在线应用软件主要的数据来源。按调度管辖范围，目前山东省地EMS系统的SCADA采集信息涵盖山东电网从500 kV到10 kV各电压等级发电厂、变电站、风电场、光伏电站和抽水蓄能电站，并且通过直采或转发方式获取周边外网厂站、银东直流相关量测数据。SCADA及在此基础上的状态估计信息是调控运行人员监视、分析、控制电网的最重要基础信息。在调度端起到调度员“眼睛”和“耳朵”的作用，同时在厂站端又承担执行调度指令的“手”和“脚”的功能。SCADA覆盖了所在电网各电压等级，并可与联网的其他系统交换所需要的数据，数据信息比较全面；SCADA信息的采集与管理有相对规范的队伍进行维护和完善，确保其运行的可靠。

随着大电网调度控制对稳态实时数据精确度、同时性要求不断提高，下一步SCADA研究和建设重点为：

1）RTU采集数据带时标，逐步实现与PMU采集数据的融合。不同RTU数据采集的同步性可以达到20 ms以内，RTU中的模拟量采集和传输频率可以达到5 Hz，测量数据都在测控装置侧打上时标。

2）RTU、PMU和在线状态监测数据（系统输变电在线监测模块提供）融合形成广义SCADA。广义SCADA可应用于电网运行状态监视、设备健康诊断和寿命估计。基于广义SCADA数据，可以在线修正线路的热稳定极限，进行设备的健康状态、故障率预测等，并以此实现在线运行风险评估与调度计划优化决策。

另外，在厂站端，分布式智能控制模式是SCADA的一个发展方向［5］。厂站设备元件配备含操作系统的处理器和传感器，每个元件构成一个独立的智能单元，在集中控制计算机的协调下，可将采集到的设备状态信息与邻近元件交互，从而在厂站端即可构建与一次电网设备运行状态相适应的电网模型，并可将该模型和数据信息上传调度端。这是物联网思想在电网数据采集与监控中应用的一个体现，提升对厂站内设备状态感知智能化程度的同时，有望将原来在调度端构建的电网模型前移至厂站内，为智能电网调度控制系统“源端维护”提供更有利的条件。

2.2PMU/WAMS

PMU（Phasor Measurement Unit）同步相量测量单元，是以同步时钟为基准，高速通信为通道，采集、测量和发送发电厂和变电站电压、电流幅值和相角、发电机功角等电气量的一种装置。WAMS（Wide Area Measurement System）广域测量系统，是以PMU信息为基础，实现电网动态运行监视、扰动识别等功能的动态监控系统。

传统的RTU/SCADA是电网稳态数据的主要来源，可以满足电网稳态分析的需要，但RTU测量速率太慢，时标不同步，不能满足电网快速稳定控制的需要。PMU通过GPS对时，可以获取带时标的数据，以毫秒级速度采集电网发生的电量动态变化信息。因此，PMU/WAMS具有高密度数据采集、高精度时标同步的特征，相对于RTU的“X射线”级质量监测，PMU可以提供“核磁共振成像”质量等级的电力系统监测，是电网调度控制中心动态数据的主要来源，为实现电力系统广域监测、分析和决策提供基础。

目前山东PMU信息覆盖范围包括500 kV变电站（500 kV出线、500 kV母线、主变高压侧）、各统调电厂（发电机、220 kV以上母线、出线）、220 kV电压等级并网风电场（母线、出线）的电压、电流、有功、无功。现场采集精度可达到100帧/s，目前省调主站采集精度为25帧/s。在应用方面，PMU信息与RTU信息是互补关系，前者主要用于一次调频、低频振荡、电网动态运行等监视，后者则主要作为电网稳态监视和分析；同时二者共同作为综合智能告警模块的数据源，为故障判断提供依据。相比RTU/SCADA，PMU/WAMS在电力系统的应用还处于初级阶段，但就监控功能而言，PMU/WAMS的出现有效提高了在低频振荡监视、无功备用和电压稳定监视、系统频率和区域之间频率变化的监视等应用方面的速度和精度。

随着“外电入鲁”建设的加速，“十三五”期间山东电网将初步形成与国家电网紧密耦合的特高压混合大受端电网，电网调度控制对PMU信息的要求将日益提高。特高压交直流WAMS中各测点和分析中心站之间需要传输交换海量数据，主要包括监测站点的电压相量、频率、主要电气元件的潮流数据以及数据的准确时标等信息，而且数据包的传输间隔也将达到毫秒级。目前的通信手段一方面需要加快光纤通信的建设；另一方面，需要考虑分布式的应用以缓解通信压力。目前山东WAMS模块采用时间序列数据库，包括实时库和历史库。其中，时间序列实时库采用固定时间长度、数据等间隔、下标直接定位机制满足海量动态信息的存储、检索要求，事件处理性能达到每秒五百万级。时间序列历史库方面，可利用支撑平台提供的远程代理服务实现跨调控中心查询时间历史数据记录。

在主站应用方面，应加强在数据分析基础上的高级应用功能研究和建设。广域量测信息具有大数据应有的结构性和关联性特征［6］，且该信息在长时间序列（日、月、年）、空间上关联分布的各个局部电网的累积能有效体现电网运行时空关联特性，具有较大的挖掘和利用价值。目前山东省调已开展相关前期研究，利用大数据技术，挖掘特高压交直流互联大电网广域信息，实现外网模型构建，保障互联电网潮流分析等的精确性。同时挖掘该信息在时空上的相互关系，实现在相互关系分析基础上的预测，寻求影响电网稳定运行的关键因素与主导环节，根据实际场景自适应匹配电网安全防控策略，实现基于WAMS的在线动态安全评估与预警。

3　人机交互及可视化技术

人类和计算机对于数据、信息的感知方式及特点不同，需要通过人机交互软件这一中间环节来沟通。几十年来，电力系统的人机交互手段已经得到很大发展，为调度员提供了大量直观丰富的电网工况信息。图2～4为不同时期山东省调调控大厅的大屏可视化展示情况，经历了由模拟到数字、由简单到丰富、由单一到综合的过渡过程。

图2　2002年的山东电网调度室

图3　2004年启用的山东电力调度大厅

图4　2012年启用的山东电力调控大厅

尽管如此，现有的人机交互仍然存在如下问题：

1）信息表现不够充分和友好。现有EMS系统大多直接使用数据形式来表现属性，除了简单的数据可视化手段外，大多仅在厂站图、潮流图中展示系统运行实时数据，没有充分利用图形图像可视化领域最新技术。更进一步，没有深入分析系统运行和维护人员对界面的功能需求，将多媒体信息与用户需求相结合，数据表现不够充分和友好。

2）对信息的挖掘和分析功能不足。当前主要是将各种数据直接显示给运行调度人员，缺乏对这些数据的深入分析挖掘，无法将电力系统的深层次的规律展示给操作人员，既造成了大量数据信息的浪费，也给电力系统的运行控制带来了诸多困难。

3）信息表现和分析粒度与实际需求不匹配。为了更好地反映电力系统的运行状态，要求在单一的电气接线图或地理接线图上尽可能多地显示信息，但是这样做带来了两个弊端，一是对调度运行人员来说有很多数据信息是他们所不需要关心的，过多的数据信息反而会干扰他们的决策；二是大量的细节信息容易淹没关键信息，尤其在事故处理情况下，难以给调度运行人员掌握系统整体运行状态提供有效帮助。

归纳来说，当前人机交互和可视化存在的主要问题是“数据量大，但信息量少”。随着信息技术的快速发展，未来智能电网调控中心的人机交互手段需要有大的变化，采用更加智能的数据处理手段，通过更加友好的可视化方式来实现人机交互，更加快速地给人类调度员提供“数据量少、信息量大”的输出。基于地理信息系统（GIS）的可视化技术、三维可视化技术、人机工程和认知工程、视频技术等正在逐步得到重视和应用［7-12］，有望在未来的人机交互中发挥重要作用。

目前山东省调综合智能告警模块的界面展示采用多主题框架技术，在同一屏幕上采用多个窗口同时展示电网主网架、厂站图、故障简报等，无须频繁切换图形画面，实现综合信息实时监视。同时，主题窗口布局可任意设置，显示内容完全交由应用二次开发控制。系统借助标准消息通信接口，确保主题窗口之间交互响应和状态同步的一致性。利用视频技术、三维可视化技术，研发并投入使用500 kV变电站主要设备遥视功能以及变电站三维场景仿真，可实现对电网设备外观、内部构造和参数三维展现，满足变电站三维场景交互式仿真要求。

4　结语

十三五期间，随着“外电入鲁”进程的加速，山东电网将更紧密融入国家电网。特高压交直流大电网调度控制对智能电网调度控制系统提出了新的需求和挑战，作为各应用的支撑，系统平台首当其冲。在现有集群计算模式基础上，系统软硬件应向以云平台为代表的广域分布式架构扩展，满足电网统一模型和数据中心建设及应用需求；数据平台方面，应在大量信息采集的基础上着力加大对信息的挖掘和利用程度，应用大数据技术进行电力系统运行趋势分析；人机交互和可视化方面，应以调度人员思维模式为框架，以可视化功能模块为界面，以互动计算为核心，为调控运行人员提供动态、三维立体、与地理面貌相结合、虚拟实际场景的展示方式。

［1］Q/GDW 680—2011国家电网公司智能电网调度技术支持系统系列标准［S］.

［2］ZHANG B，ZHAO C，WU W.A Supporting Platform for New Generation of Ems Based on Pc Cluster［C］//2008 IEEE PES General Meeting.Pittsburgh，PA，USA，pp.160-168.

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［12］张强，张伯明，李鹏.智能电网调度控制架构和概念发展述评［J］.电力自动化设备，2010，30（12）：1-6.

Key Technology of Shandong Smart Grid Dispatching and Control System

ZHANG Qiang，QIU Xizhao，LIU Hongjun，YAN Feng，MA Xiaohong
（Shandong Electric Power Dispatching and Control Center，Jinan 250001，China）

With the process of external electric power injecting into Shandong power grid，dispatching and control of large power grid containing UHV AC and DC have to meet new requirements.Key technology and its application are discussed from three aspects，namely software and hardware architecture，data platform technology and human computer interaction and visualization.Development direction is put forward according to the application demand of Shandong electric power in the thirteenth five periods，in order to provide a reference for relevant research and construction work.

power system；smart grid；dispatching and control；platform

TM734

A

1007-9904（2016）01-0020-05

2015-09-03

张强（1980），男，高级工程师，从事电网调度自动化运行管理工作。