ICT支持下电力系统多阶段鲁棒调度的分散协同建模及应用

严嘉栋, 冯铭倩, 刘行健, 丘冠新, 张 勇, 林桂辉, 谢 虎

(1.广东电网有限责任公司 珠海供电局,广东 珠海 519000; 2.南方电网数字电网研究院有限公司,广东 广州 510663)

0 引 言

随着网络通讯技术和计算机技术的不断发展,智能电网的运用领域以及规模越来越广泛,供电系统中日益普遍地运用信息通信技术(information and communication technology,ICT)网络,且日益细化,随着运用ICT网络的情况日益普遍,深度推动智能电网自动化的发展[1-2].两者之间的渗透和互动不断深入,并逐渐融合为双电网并网系统;但同样,两者的耦合关系中产生了更复杂的交集和更多的问题,如局部故障对组合双电网系统的影响可能比单电网系统更严重等[3-4].因此,对于电力系统的稳定运行,保障power-ICT双并网系统的可靠性是当下研究领域中的一个重要问题.

在目前的双电源ICT网络结构中,信息链路和电源线并不完全重叠,拓扑结构也不匹配,因此从这一点来看,有必要去除信息以及能量耦合,构建以定向耦合方法为基础的电力-ICT双电网系统[5-6].然后对继电保护现场的相关重点后备保护功能进行考察,而且借助递归对双电源ICT网络级联的相关故障过程进行控制,以展现出真实电力系统在遭遇故障的过程中信息通信侧的相关故障收敛以及控制[7],如IEEE57节点系统借助仿真分析,对双网系统在耦合策略、信息耦合量、能量耦合各不相同的情况下的可靠性,且耦合数量不断增加.沿着能量结合梯度的边缘可以极大地改善信息.横向可靠性、能量绑定和信息耦合梯度对网侧可靠性影响不大,但中间耦合在绑定可靠性方面有几个优势.

为了提高双电力系统的稳定性和可靠性,本文中,笔者对实际电力系统的电网组成结构和应用业务流向进行了分析,借助级联失效模型以及耦合模型对现有电力系统进行针对性的优化,设计了面向电力-ICT双电网系统的一种可靠性分析方式;而且为了化解双网系统可靠性的相关网间耦合问题,设计了高度可靠的耦合策略,通过仿真得到各网间结构因素对双网系统可靠性的影响结果.研究所得结论对电力系统结构升级和可靠性及实用性的提高具有重要意义.

1 研究方法

1.1 双网耦合特性分析

电网耦合方式不同构成了不同的复杂网络.就理论层面而言,这些网络的相关节点以及网络构成同样能够形成差异化的结构尺度,然而这些结构尺度只是被当作刻画复杂网络的一种基本尺度,是基于指标的复杂网络设计依据.

建立一个合理简化并反映ICT可靠性分析属性的双网模型,首先需要考虑的就是网络间的耦合方式,网络耦合结构主要由加入方式和加入策略组成,它们直接影响耦合后双网络系统的基本属性和特征的形成[8-9].除此之外,不同的组合方式以及结构对双网络系统的可靠性也有影响,决定了耦合失效的形状和程度.因此,有必要建立在单向网络的合理网络模型基础之上的双网系统网络之间的合理连接模型,尽量减少不必要的误差和不合理的设计[10].典型的单层网络模型,可以采取图论把实际网络的相关物理站点进行抽象,变成边缘以及模型节点的实际连接线,以配置层数唯一的网络模型,而且易于忽略电力线边缘的母线、变电站、发电厂以及电网模型节点等多个电力节点[11].ICT网络直接对信息通信功能进行组合,将发电厂、变电站、母线和电力信息等单元的通信通过ICT网络模型进行组合,提高了通信效率.

传统意义上的复杂网络结构耦合方法有4种,分别为“一一对应”“部分相依”“多重相依”和“节点异质性”耦合.

一一对应耦合示意图见图1.其中,网络A和网络B中的网络节点数量相等,网络A,B节点采取了双向绑定、一一对应的耦合关系.在这种“一一对应”的耦合模式中,网络节点不存在所谓的异质性,节点的功能和属性都是相同的、一致的.一个节点的“配偶”只有一个,也就是说,在网络之间的对等网络绑定关系中,一个节点只能建立一个耦合关系.在“一一对应”的绑定模式下,耦合具有唯一性.“1到1”的绑定模式是双网耦合模型的基础,其他的耦合方法也是在此耦合模型的基础上发展得到的.

图1 一一对应电网耦合模式Fig.1 One-to-one Grid Coupling Mode

“部分对应”耦合示意图见图2.在部分相依的组合模式下,一个网络中有一个节点可以正常运行,而不依赖于分层网络的支持,这就是所谓的“独立节点”.对于“独立节点”,层与层之间连通性的存在与否不影响生存机会.“独立节点”是高冗余、高可靠性UPS(uninterruptible power supply)调度中心等实际电力系统的主要信息通信网络节点.在这种连接模式下,所有零线都可以出现在网络之间的连接矩阵中,这些线对应于ICT网络的关键独立节点.“部分对应”的耦合方法与一对一匹配方法相比,可以区分节点,很好地适应节点异质性突出的现实世界网络情况.

图2 部分对应耦合模式Fig.2 Partial Correspondence Coupling Pattern

多层对应耦合示意图见图3.在多重对应耦合中,单个网络节点可以同时为多个网络节点提供供电、监控、转发和控制等功能.在多依赖连接方式下,这种耦合具有定向性,也就是说,层次结构之间存在供电服务和信息通信服务2种关系.通常情况下,电网层级节点向ICT层级节点提供供电服务,ICT层级节点向电网层级节点提供信息通信服务.在多相依赖连接方式中,网络间的连接矩阵根据网络间边的连接特性分为2个不同矩阵,并且在多重对应的双网系统中,至少有一个信息耦合是一个网格节点.这是为了保障自治节点的ICT节点不会产生故障.

图3 多重对应耦合模式Fig.3 Multiple Correspondence Coupling Mode

节点异质性耦合示意图见图4.鉴于节点异质性的双电网系统耦合模式的形成是实际的电力系统中电网到电网组网的配电功能需求.这种耦合方式中,同时考虑了网格层和ICT层节点的异质性,将网络节点根据不同的功能进行分类,分为变电站节点和发电节点.将ICT节点根据不同的功能分为通用信息节点、调度节点和私有节点.每个信息节点至少需要一个电源来供电.各变电站节点至少都应绑定一个信息,以借助ICT节点接收规划指令以及发送状态信息.

图4 节点异质性耦合示意图Fig.4 Schematic Diagram of Node Heterogeneity Coupling

上述4种连接方式中,“一对一”连接方式和“部分依赖”连接方式都属于双向耦合.网络之间的约束包括2个服务属性,即电力和供电信息.加入关系中的2种节点只要一侧发生故障,那么两侧供电就会同时受到影响.而多重对应和节点异质性耦合方式是定向加入方式,将电力和电信业务从双向加入分离成2个独立的耦合边缘.这种合模电力系统接近电力线和信息线不完全重叠的实际情况.目前,对双电源ICT电网系统的研究大多针对双向耦合方法,对电网间耦合两端的详细分析和可靠性分析结果不足.

1.2 电力-ICT双网耦合模型失效过程及可靠性分析

在电力-ICT双网耦合模型研究中,当前网络之间主要采取双向耦合的策略.耦合节点连接的相关电网节点就是为了给通信网络中的节点供电.信息通信服务节点负责整个电网的信息接收和通信;但这种耦合模式电网的直接关联性太强,如果一对双向耦合节点中的任意节点出现问题,2个参与其中的业务节点都会受到影响,同时无法运行.然而,在实际应用中,ICT节点和电网信息通信服务节点是不可能重叠的,很多变电站在一次侧提供3C服务,电力来自市电.因此,在实际电力系统中,网络之间连接的节点对是单向链路而不是双向链路.当单向网络中的一个节点发生故障时,通常只有节点之间的连接发生故障.这2类网络服务容易出现共模错误,双向耦合方式与电力系统实际的网络耦合有很大不同.因此,在建立网对网组合模式时,需要根据实际电力系统的网络习惯将2种业务分开,分别分析2种业务对系统可靠性的影响.

一个网络系统由2类屏障组成,即能量耦合和数据信息集成.电源连接是指双对电源为ICT节点提供不间断供电服务的网络连接,数据连接是ICT节点在二维尺度上提供的网络连接节点的一种方式的信息通信服务.图5给出了2个强大的ICT网络系统的网络路径和耦合路径的比较结果.

a.双向耦合; b.有向耦合.图5 不同耦合网络路径对比Fig.5 Comparison of Different Coupling Network Paths

为了比较2种网络之间的耦合对系统可靠性的影响,构建2个网络之间的耦合结构,保持电力与信息耦合的一致性,耦合策略如表1所示.

表1 不同耦合策略Tab.1 Different Coupling Strategies

借助以定向耦合模式为基础的通用耦合策略,构建定向耦合双电力ICT网络耦合系统,建设双电力ICT背景双网络级联,以针对性地评估系统可靠性.

1.3 仿真实验设计

首先构建了以定向耦合模型为基础的电力-ICT双电网系统,同时分析了后备保护的相关功能,而且联系级联故障过程建设了能够进行递归控制的相关双电力ICT网络.采取上述模型以及方法,在仿真部分分析比较了信息耦合以及能量耦合影响双电网系统可靠性的情况.网络可靠性测度如下:

(1)

(2)

(3)

其中,Rc表示ICT节点故障率,Rp表示电网侧的网络节点故障率,R表示双网系统中节点故障的比例,f表示级联故障的总数,fc(i)表示ICT侧第i个回合的故障节点总数,fp(i)表示总数塔中的网侧故障节点数.节点故障率、网格节点故障率和双网系统中节点故障的比值越小,系统对共模攻击和故障的鲁棒性越强.

2 ICT网耦合可靠性仿真实验结果

2.1 不同耦合策略下节点故障分析

不同耦合策略下ICT网的节点故障分析结果如图6所示.从不同耦合方式的Rc值分析结果来看,能量耦合和信息耦合的Rc值随着耦合边数的增加表现出相似的趋势.就ICT侧而言,顺着能量耦合梯度提高耦合边数,能够对本侧可靠性进行改善,能量耦合采取了ICT侧的相关短板耦合.

图6 不同耦合策略,ICT网的节点故障分析结果 Fig.6 Node Failure Analysis Results of ICT Networkunder Different Coupling Strategies

不同耦合策略下电网侧的节点故障分析结果如图7所示.网络侧节点初始故障的状况下,级联故障结束后ICT侧节点的丢失更为严重.增加电网侧连接边的相应数量,加大信息连接,能够使电网侧本身的鲁棒性得以增强.耦合边缘数目增加,增加2个耦合,栅极侧可靠性间的差距也会逐步降低,信息联动也会减少相关优点.

图7 不同的耦合策略,电网侧的节点故障分析结果Fig.7 Node Fault Analysis Results on the Grid Side Under Different Coupling Strategies

2.2 不同耦合策略下双网耦合可靠性分析

不同耦合策略下双网可靠性分析结果如图8所示.双网耦合之后,随着耦合边数的增加,R值呈现一致下降的趋势.这说明,增加能量耦合边缘的数量可以更有效地提高双电源ICT网络系统的稳定性.产生这一结果的原因是ICT侧依赖于电网侧,没有备用电源,因此缺乏能量耦合,而直接耦合到ICT端节点故障的信息网络可以在节点失效时发挥支撑作用.

图8 不同的耦合策略,双网可靠性分析结果Fig.8 Results of Dual Network Reliability Analysisunder Different Coupling Strategies

综上所述,介数耦合下系统节点的故障率低,系统鲁棒性好,在能量耦合中,ICT可靠性得到体现.能量耦合和信息耦合梯度电网对网侧稳定性影响较小,而介数耦合相对于能量耦合具有一定的可靠性优势.

3 结 论

首先分析了电网的双向耦合特性,对现有研究中的常见耦合方式做了分析,在此基础上提出了独立路由集ICT网络节点的策略.根据电力系统的物理特性采用电气中介手段,构建了一种不依赖于电气中介网络之间路径方向的耦合策略,并设计实验验证所提出耦合策略对系统鲁棒性的提高效果.采用基于定向耦合模式的通用耦合策略构建定向耦合双电力-ICT网络耦合系统,构建电力ICT背景双网络级联进行系统可靠性评估.结果表明,介数耦合下系统节点的故障率低,系统鲁棒性好,耦合边数的增加有效地提高了双电源ICT网络系统的稳定性.总结如下:

1) 在设计电网耦合系统测定方案时,对于电力信息通信节点鲁棒性的测定还需要进一步优化,对电网相关通信业务的研究还比较缺乏,需要进一步拓展和优化;

2) 由于电网耦合中实际电路的继电保护过程较为繁杂,因此在实验中从理论上对其进行了简化,如果应用于实际,还需要进一步的优化和补充.