基于信息网络综合传输的电力系统运行与控制

摘要：网络为电力系统的运行与控制提供了崭新的空间，同时也带来了巨大的挑战。网络化是电力二次设备继数字化（微机化）以后的在一个较长时间内起主导作用的主题。文中针对基于网络的电力系统运行与控制系统（PNCS）的一些相关问题进行了讨论，包括发展展望、研究工作现状和有待解决的问题等。 关键词：网络化控制；电力系统运行与控制；信息传输；智能二次设备；二义性

1 引言 现代大型电网的安全控制是一个未能很好解决的复杂问题，2003年的美加大停电便是例证，美国《技术评论》杂志已将其列为九个开拓性的新兴科技领域之一。电力系统中现有的各种控制系统（如继电保护、综合自动化、功角稳定控制、无功电压控制）之间相互独立，且大多数采用点对点式的专线通信方式。如将基于网络的控制系统（Networked Control System，NCS）技术引入电力系统，可望为解决大系统的安全控制问题提供一条崭新的途径。 NCS系指在控制系统的信息传输途径中含有网络成分，有些文献也称其为网络化控制，或网络环境下的控制。NCS具有可靠性高、控制灵活、易于维护、扩展方便等众多优点，一经提出便已在众多领域中得到了广泛应用，如网络化家电、基于网络的智能制造等。 NCS的巨大优越性使其必然也会在电力系统中得到更广泛的应用。但建设专用网络的投资巨大，不太可能为各种特定的功能建设各自独立的网络，各种控制信息及电力系统的其他运行信息运行于同一电力信息专用网络平台上的可能性比较大（也可能将公用网络纳入电力信息网络中，以实现某些特定信息的传输，或作为某些运行情况下传输某些信息的备用）。本文称这样的电力信息专用网络平台及其所联的各种电力二次设备，为基于网络的电力系统运行与控制系统（PNCS）。 PNCS的实现可显著简化控制设备的连接方式，实现各种异构控制设备的网络集成和信息共享，使全局稳定控制和全局继电保护等一些崭新的控制功能成为可能，它的进一步发展可能会模糊现有电力系统控制设备之间的界限。但电力系统各种控制设备的信息差异很大，通过网络传输控制信息将存在时延不确定、路径不确定、数据包丢失、信息因果性丧失等问题，在实际应用PNCS前必须从理论上解决这些问题。目前还没有学者明确提出就该问题进行系统的研究。解决上述共性问题、掌握基于网络的电力系统控制的标准和协议，将是我们在新一代电力系统控制设备竞争中面临的一大挑战。 在过去的一段时期内，数字化是电力技术发展的标志性成果之一；信息网络技术的应用应是下一阶段的发展主题之一。在数字化发展过程中，对具体装备的数字化研究工作比较关注，与数字制造等领域相比，针对数字化的概念、共性问题等开展的宏观性研究工作相对较少。在网络化发展过程中，选择哪一种研究模式也是一个值得探讨的问题。基于这样的认识和对未来的评估，本文针对PNCS的一些相关问题进行了讨论。

2 发展展望 网络化带来的最直接变化是变电站二次设备接线形式的改变。数据采集和控制命令由点对点的专线传输转向由公共网络传输。这一转变将使二次设备的接口规范化、简单化、便于维护和扩展。规范化和简单化系指使用同样的网络通讯接口采集或输出数据，二次设备的输入输出接口在形式及数量上都将变得简单，且不同设备采用相同的技术。 在变电站网络上接入大量二次设备以后，人们便会考虑调整一些二次设备的功能，因而影响到网络传输的信息的变化。如：在点对点时代，可能对许多二次设备采集同一电流或电压量，再进行滤波处理。在网络化时代，可在采集装置中进行这些模拟量的各种公共的前期处理，再将处理结果量通过网络传给众多二次设备。因此使变电站二次设备的组成及各种设备的软件发生变化，智能的数字化采集装置将得到广泛应用。 发展的第三阶段便是基于网络的各类二次设备的数据交换和信息集成，实现变电站数据的无二义、可重用。网络为数据交换和数据集成提供了最为广阔的空间，但要完成这一步非常艰巨，考虑到二次设备制造厂家众多及变电站已有的众多数字二次设备，这一步的实现将需要较长的时间。 在实现了变电站数据无二义后，网络化的优势才开始真正体现，带来变电站数字设备的变革，即数字设备功能的结构性调整和新功能新设备的层出不穷。具体举例如下：现有各类数字设备和系统中的某些功能是相互重复的，这些重复的功能在数据无二义的基础上可以合并。经过以上发展后，许多装置的功能已变得非常简单，加上计算机技术本身的发展，许多装置作为物理硬件存在的必要性将受到质疑，许多硬件平台将被合并，变电站装置的数目将显著减少，且不同功能硬件平台的结构都将实现标准化，数字设备的硬件多样性也许将一去不返，只剩下规范化的硬件平台，具体功能由软件来实现。此外，由于网络提供了联系手段，数据的无二义将使各类数字设备之间可以相互交流，一些以前不能实现的新功能将变为现实，如各类数字设备记录的电力系统故障信息的综合分析和应用。 从系统级的角度来看，网络化带来的变化主要集中在后两个阶段，目前颇受关注的广域控制和广域保护、故障信息处理系统等均是这方面的代表。网络化的发展将使获得全局信息的成本大为降低，获取信息的速度也越来越快，系统级的新功能将越来越多。最终网络将使电力系统中的任何数据和信息均可简单地得到，且无二义性，变电站的数字设备被功能强大的标准化计算设备所替代，研究人员的主要精力将用于开发各类功能强大的软件，而变电站“新设备”的安装，也可能由某一个电力系统软件管理中心的值班人员在远距离完成，将某单位开发的新型功能软件通过网络传送到某个变电站的超级计算机，由软件去适应变电站的网络环境，并开始发挥作用。电力系统的实时控制现在大多数由就地装置完成，在网络发展到足够快速以后，也可能由超级计算机在收集全局实时信息以后作出控制决策，从根本上改变电力系统二次系统的面貌。

3 研究现状 现有的研究工作主要集中在网络时延对电力系统控制系统稳定性的影响分析、信息传输特性的分析、网络信息流控制技术、通信体系结构等方面。尽管以往没有明确提出对PNCS进行研究，但许多研究工作都可归结为以下几方面： （1）网络时延对控制系统的影响。文[1]对基于信息网络的三方负荷频率控制（LFC）进行了仿真研究，研究结果表明，在参与调频的电厂中，当超过66%的电厂收到的频率控制信息延时超过两个数据包的传输时间时，电力系统的频率将发生振荡。文[2]对基于网络的电力系统稳定器（PSS）的动态特性进行了仿真研究，结果表明，网络时延大于250ms时，发电机的有功出力将出现振荡。其他类似的研究也都表明控制系统的稳定性表现出很强的时延依赖性。 （2）对信息传输特性的分析。目前，这方面的研究方法主要有实验验证和基于统计模型的网络仿真方法[3-7]。文[3]以实验验证了通过ATM网络传输远程保护信息的可行性，实验结果表明，当网络负载大于96%时，网络的丢包率和时延会增加，为确保安全可靠地通信，应采取有效的流量控制策略限制网络流量为链路容量的95%以下。文[4]采用网络仿真方法，在不同的网络流量环境下，对基于Agent的差动保护信息通过网络传输的时延特性进行了仿真评估，认为必须构建企业专用通信网络来满足差动保护信息传输的需要。文[5]采用网络仿真方法验证了通过专用IP通信网络传输远程保护信息的可行性和有效性。文[6]采用网络仿真方法对两区域四机系统中PSS的远程稳定信息的传输时延特性进行了研究，认为速率为56kbps（56K link）、1.544Mbps（DS1）、44.736Mbps（DS3）、100Mbps（100BaseX）和594.43Mbps（OC-12）的专用通信链路都能满足远程稳定信息传输时间的要求。采用基于统计模型的网络仿真方法得到的结果只是网络的平均动态特性，用于分析保护和控制信息的传输特性可能不够，有必要采用确定性的信息建模方法进行研究，以得到系统网络时延最大值及避免一切由缓冲区溢出带来的包丢失。 （3）网络信息流控制。目前主要针对网络中间节点（如交换机或路由器）进行研究。为满足综合信息传输中保护、视频、管理等信息的不同服务质量需求，文[8]提出了在ATM交换机中采用混合优先级控制策略，研究结果表明，这些策略在保证各种信息服务质量的基础上提高了网络链路的利用率。文[9]提出了采用时延控制策略对同时到达交换机的保护信息流进行控制。这些方法并不能确保端到端的响应时间要求，因此有必要研究基于网络端节点和网络中间节点相结合的信息流控制机制。 （4）通信体系结构。华盛顿大学电力系和计算机系组成的GridStat研究组[10，11]从电力系统运行状态信息传输的实时性出发，提出采用网状通信结构连接厂站和控制中心。文[12]从网络的容错性和可靠性角度出发，提出了分层次的通信体系结构，该结构分为：厂站层、区域层和系统层三层。构建合适的通信体系结构还有许多问题有待解决。

4 有待解决的问题 （1）适用于网络环境的电力系统控制方法。基于网络综合传输电力系统的各类数字设备的信息，将使控制设备面临时延不确定、路径不确定、数据包丢失、信息因果性丧失等问题，尤其是数据包丢失可能影响系统的可观性和可控性。现有的电力系统控制理论都是针对时延确定系统的，需研究这些新问题对于已有控制方法的稳定性的影响，并借鉴NCS的研究成果，构建新的网络化控制理论与方法。此外，网络为广域控制设备的实时信息交互提供了可能，可以改变基于先验知识的控制方法，显著改善各种控制系统的性能，但也对实时协同控制策略提出了挑战。应研究网络环境下多源、异构信息的感知和自主适应原理与方法，异构系统的协同决策支持理论，控制系统面向网络协作的行为模型，海量散乱测量数据的稳定、高效处理方法。 （2）电力系统综合传输的专用网络技术。电力系统是一个快速的分布式实时系统，对可靠性的要求很高，与网络化制造、网络化家电不同，现有的成熟的网络技术难以满足需要，可能必须针对PNCS的特点研究专用技术。包括典型的变电站控制网络结构和站间网络结构标准、电力高速专用网络的应用层协议、电力实时数据的流量均衡方法、信息分类方法、拥塞与流量识别及控制、电力系统故障等紧急情况下的信息调度方法、电力系统分布式环境下的实时中间件技术等。 （3）统一的电力系统信息模型。数字化的一个基本要求是彻底消除数据和知识的二义性，通常由公用的数据结构或协议来实现。在数字化时代，数字设备相互独立，无二义性是一个局部问题，且在制造厂家内部就可得到较好的解决。在PNCS时代，无二义性的实现则要艰巨得多，网络化使众多设备相互集成，必须实现全局的无二义性和不同厂家之间的无二义性。建立各种类型的标准数据和统一的公共信息模型是PNCS必须解决的问题。 （4）基于网络的电力系统控制的新功能与新设备。网络的应用将使以前不能实现的一些控制功能成为可能，如基于网络的稳定控制系统、基于网络的低频振荡抑制系统、基于网络的二次设备动态监控与协调等。PNCS带来的现有设备功能的结构性调整，也会出现一些新的功能设备。 （5）PNCS的一些具体共性技术问题。如数据采集问题。在网络化集成时代，必须解决数据采集的同时性、多采样率、多精确率等问题。又如海量数据的处理、计及信息网络动态特性的电力系统分析计算、电力信息综合传输特性分析仿真平台、电力系统控制专用通信网的物理仿真平台等均是网络化时代必须解决的新问题。

5 结束语 PNCS的研究与实现才刚开始，到底会如何发展，今天很难对其有一个清晰的认识；但将其作为一个问题提出来以引起更多人的思考，也许会使其发展的道路相对平坦一些。

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