智能輸電網的智能控制中心

內蒙古大唐國際克旗煤制氣項目籌備處 梁云江

一、什么是智能控制中心

隨著電網的發展，電網控制中心裝備的系統種類不斷增多，從調度自動化系統(SCADA／EMS)到電能計量系統(TMR)各類系統的有機配合，使得控制中心成為電網運行不可或缺的“大腦”。然而面對日益復雜的電網和不斷新增的系統，傳統的電網控制中心已無法滿足監控電網、維護電網安全的需要，發展智能電網已經是當務之急。

智能控制中心(scc)是智能電網的控制中樞，是現有的EMS、DMS、SCADA、虛擬電廠(virtual power plant)等技術的再升級和結合。中國智能輸電網的SCC的概念，必須具備可靠、彈性、協調、綠色、高效和智能等特征，其特征分析如下：

①可靠(Reliability)：指信息基礎的高可靠性和控制中心自身的強自愈能力，是控制中心決策可靠性和正確性的基礎保證；

②彈性(Resilience)：提高防御嚴重事故、自然災害和人為打擊的能力，提高電網和控制中心自身的風險防范意識和風險決策能力；

③協調(Coordination)：解決國家、區域、省等多級控制中心的協調控制問題，支持未來全國跨區特高壓骨干網的可靠高效運行；

④綠色(Green)：支持接入風能和太陽能等綠色能源，解決中國大規模風電基地接人后的電網調度和控制問題，節約能源，降低CO和污染物排放；

⑤高效(Efficiency)：支持分布、自治的控制決策，支持綜合PMU信息和RTU信息的協調控制決策，提高對電網事故擾動的快速反應和決策能力；

⑥智能(Intelligence)：具備機器自學習和自適應能力，降低快速發展中的巨型復雜輸電網的運行調度對人工經驗的依賴。

二、智能控制中心的系統架構

智能電網控制中心SCC以預防控制為主，通過自治愈在發生故障時實現電網快速恢復；從傳統的以考慮電網安全性為主向安全性和經濟性并重過渡。系統包括五大應用功能，如圖1所示。

正常狀態下，通過動態實時/預測態安全分析，降低電網故障發生的概率；報警狀態下，通過智能報警，使電網快速回歸正常；故障狀態下，通過智能故障診斷，使電網故障得以迅速定位和排除，恢復正常；在保證電網安全，穩定運行前提下，實現電網的經濟、節能運行。系統架構如下：

1.架構的可擴展性

SOA(Service-Oriented Architecture)架構保證系統具備良好的可擴展性。服務是通過可變編程接口能方便訪問的特定應用。SOA架構包括，service broker(服務中介)，service porvider(服務提供對象)，service consume(服務使用對象)3個部分組成，service provider向service broker進行注冊，根據Service borker，service consume的請求，將service和chent進行綁定，如圖2所示。

2.面向應用的架構

智能電網控制中心SCC的智能調度功能基于SOA架構，整個系統框架由系統級支撐平臺、應用支撐集合、應用集合組成，系統框架如圖3所示。

系統級支撐平臺為應用支撐平臺提供系統級的功能，包括網絡平臺、數據資源中心、數據引擎、智能引擎、可視化引擎。

網絡平臺包括控制中心內和不同控制中心間，對控制中心內采用中間件屏蔽硬件和操作系統間差異性，對控制中心間采用web service結構，保證跨區域互聯電網不同控制中心以及控制中心內部的高效通訊。

數據資源中心為應用支撐平臺提供統一編碼的、跨多應用系統(SCADA，WAMS，繼電保護、檢修計劃、AVC、設備狀態評估等)的數據資源訪問，保證PGICC系統數據資源的質量。

數據資源中心包括實時數據和非實時數據2類，實現對調度綜合應用的支撐，國內各大電力公司的綜合數據平臺建設和數據互聯工程為數據資源中心建設奠定了良好基礎。數據引擎平臺包括主動信息驅動(information push)、被動型信息檢索等，為應用(從數據資源中心獲取精確數據)提供保證。

不同人員可以根據關注重點的不同向數據引擎訂閱不同類別數據，實現數據的動態儀表盤(dynamic dashboard)顯示，實時獲取當前操作需要的有效信息。

智能支撐平臺包括知識庫生成、知識庫、推理機，為應用支撐平臺提供智能引擎，改變電力系統運行與控制過程中目前大量依賴人工經驗的局面，減輕調度人員負擔。

知識庫的生成采用離線學習和在線學習相結合的方式。離線學習從電網已有的仿真案例以及歷史數據中，通過機器學習的方式生成電網靜態安全分析、動態安全分析、電壓穩定、故障診斷等各類知識庫。通過在線學習的方式，跟蹤電網最新變化，保證知識庫的不斷升級。根據當前電網運行的狀態，觸發不同的推理機，使得控制中心具備初步的智能化分析水平。可視化引擎保證各應用功能分析結果的易讀、易理解性。傳統的按表格格式向調度人員顯示各應用結果的方式不夠直觀、易懂，用能容納大信息量的圖形圖像資源來展示SCC智能調度各應用功能的分析結果和數據，能輔助系統運行人員及時掌握系統的運行狀況并做出正確的決策。

應用支撐集合，提供完成應用集合內的各功能所需要的電力系統高級應用服務，包括實時狀態估計不良數據辨識、網絡拓撲與動態著色、預想故障分析、潮流計算、電壓調節能力充裕度校核、短路電流計算與保護定值校核、理論線損計算、超短期負荷預測、母線負荷預測、網絡重構。

系統級支撐平臺和應用支撐平臺構成調度應用支撐平臺。應用集合包括動態實時安全分析、預測態安全分析、節能經濟調度、智能報警、智能故障診斷以及其他新的應用功能等，應用集合的全體構成智能電網控制中心SCC的智能調度功能。

三、智能調度控制系統的信息分層與協調

1.智能電網調度控制系統的信息分層

(1)控制中心之間的信息分層

在中國電網的5級調度機構中，電網運行涉及的大部分重要功能是在省、地兩級調度機構實現的，大區級控制中心主要負責省間協調，國家級控制中心負責大區電網之間的協調。近些年，這兩級協調機構的作用不斷加強，協調力度不斷加大，體現了對電網進行全局調控的作用。

智能電網要實現全局優化運行，各級控制中心之間需要協調互動、粗細有別地進行調控，這需要靠控制中心之間的信息分層實現。各級控制中心(上下級)之間，需要信息的縱向分層:

a.下級控制中心向上級控制中心匯報自己電網模型和自己電網的實時信息，上級控制中心匯總這些模型和實時信息，形成完整匹配的全局電網潮流模型；

b.上級控制中心跟蹤電網變化，自動為下級生成外網等值模型，并下發到下級控制中心。

智能電網的上下兩級控制中心之間雙向傳送信息，實現雙向互動。一方發生的變化，立即會被對方感知和接受，指揮對方的下一步動作，以保證各級控制中心都是在全局電網模型上進行分析計算。各方之間傳送信息的種類、數量、頻度將根據各級控制中心的功能需求決定，不是越多越快越好，而是及時傳送必要的信息。各同級控制中心之間也需要信息的橫向交換。同級之間主要交換邊界功率信息，而不是電網模型信息，而且目前交換的數據量較少。

(2)控制中心與廠站之間的信息分層傳統能量管理系統(EMS)中，廠站拓撲分析和系統拓撲分析全部在控制中心完成。其缺點是:

a.廠站沒有拓撲分析功能，廠站內大量與辨識開關錯誤有關的信息沒有被利用，控制中心由于缺少旁證信息，拓撲錯誤辨識能力受限；

b.很多廠站的刀閘信息并不實時傳送，默認的刀閘位置與實際情況有時并不吻合，導致由刀閘錯位引發的拓撲錯誤；

c.大量開關信息送達控制中心由控制中心處理，導致通信壓力增大，控制中心數據處理工作量很大。

實際上，廠站和控制中心兩者功能的特點很不相同，采用統一的方法處理并不合理。需要進行信息分層，各自進行數據的封裝、抽取和對外交換。智能電網應增加廠站的高級應用功能，獨立完成廠站拓撲分析。采用智能代理的思想，由廠站和控制中心共同建立網絡模型:

a.在廠站內部完成站級拓撲分析，將No de模型轉換成Bus模型，并傳送到控制中心；

b.在控制中心完成系統的拓撲分析，將廠站Bus模型轉換成系統拓撲島；

c.廠站內開關變位引發站級拓撲變化，廠站內立即生成新的Bus模型，傳送到控制中心，啟動控制中心的系統拓撲修正程序。

圖4給出這種信息分層示意圖。其優點是:廠站內有大量其他旁證信息，便于進行開關錯誤辨識可大大提高廠站拓撲分析結果的正確性；減少了傳送給控制中心的數據量，減輕了控制中心數據處理的工作量；也可以實現信息的雙向互動。廠站將控制中心下達的控制命令轉換成控制指令序列，實現對廠站設備的自動控制。

2.智能電網控制中心與廠站之間的互動

按照控制中心與廠站之間的信息分層分別將兩者看成相互獨立的智能體，智能體內部完成復雜的功能，智能體之間只交換必要的、相對較少的協調信息，大量的數據處理和分析計算任務被封裝在智能體內部，像一個黑匣子，外部感知不到。通過智能體之間的雙向互動，實現調控全局電網的復雜功能。在廠站級，實現全數字化和網絡化。過去不同源的數據被同源化，過去分別獨立的功能被集成、被融合，全部由當地的智能處理器和計算機完成；接收外部少量協調信息，廠站獨立完成自身功能。廠站作為一個獨立的系統，實現站內狀態估計等高級應用功能，實現智能事件處理和智能報警，完成站內的分析決策，構成了站級管理系統，即SMS。SMS與站級數據采集系統之間的關系，類似于控制中心的EMS與數據采集與監控(SCADA)系統之間的關系。

在控制中心級，接受廠站上傳的經SMS處理的信息，進行復雜的全局電網分析和優化決策計算，最后將決策和控制信息下達廠站，實現全局電網的優化運行。控制中心對廠站，也可以看成一個黑匣子，內部復雜的分析決策計算，對外部(廠站)是感知不到的。

控制中心下達的控制命令包括:機組有功、無功調控指令；變壓器分接頭調控指令；電容器、電抗器投退指令；負荷側的調控指令；保護定值在線修改指令，使變電站的保護定值能自動適應電網的變化；不同變電站繼電保護之間配合的協調指令，實現廣域保護方案；經系統級在線計算分析形成的決策表，指導安全自動裝置的協調動作，實現系統級的動態緊急控制等等。

控制中心與廠站之間是雙向互動的，各自獨立完成自己復雜的數據處理和分析計算功能，兩者之間交換的是各自處理后的信息。該信息是精煉的、對全局有協調作用的，既保證了控制中心和廠站兩者各自獨立發揮功能，又保證系統全局的協調。不管發生的是廠站級還是系統級的擾動，通過這種雙向互動保證電網安全穩定運行，保證電網在擾動下具有足夠的彈性和韌性。

3.時間尺度不同信息之間的協調

除了空間分布廣域，信息在時間尺度上也有很大差異，需要協調。根據信息響應快慢的時間尺度有如下分類:

1)毫秒級信息:例如元件保護信息，局部就地設備級；相量測量單元(PMU)信息，全局廣域，系統級；

2)秒級信息:遠方終端單元(R TU)信息，自動發電控制(AGC)信息，廣域，系統級；自動電壓調節(AV R)控制信息，局域，發電廠級；

3)分鐘級信息:有功實時調度控制信息、二次電壓控制信息，廣域，系統級；

4)小時級信息:運行計劃信息，廣域，系統級；

5)日級及更長時間尺度信息:運行規劃信息。按照時間尺度的不同，信息處理任務之間的關系如圖5所示。圖中，時間尺度大的信息處理功能主要保證經濟性，時間尺度小的信息處理功能主要保證安全性。

智能電網要達到安全經濟的運行目標，需要從時間尺度大的運行規劃、運行計劃做起，進行側重經濟目標的優化；實時運行中，進行超短期負荷預測，由運行調度功能來協調運行計劃與運行控制之間的偏差，進行瞻前顧后的滾動修正，既保證不要偏離運行計劃太遠而喪失經濟性，又保證為運行控制留有足夠的裕度，以便應對系統運行中隨時可能出現的功率不平衡。各種不同時間尺度應用功能的協調配合，實現了智能電網安全與經濟目標之間的協調，使電網在應對變化時的自適應調整能力大大提高，其運行更平穩。

四、SCC的信息技術基礎

狀態估計是控制中心應用的基礎，拓撲錯誤、非線性迭代發散、大誤差、網絡模型維護不及時或不正確等導致的狀態估計不可用，并已成為世界范圍內控制中心高級應用中的一個主要問題。由于當前控制中心信息的先天不足，通過傳統狀態估計模型和算法的改進，已無法從根本上解決控制中心信息基礎可靠性問題，為此，需要采用“分布、自治”的技術思路，將“集中式的控制中心狀態估計”變革為“分布式的變電站狀態估計”，利用變電站內實時信息高度冗余的先天優勢，將信息錯誤解決在變電站內，從而找到控制中心信息基礎可靠性問題的根本解決之道，發展出未來SCC的信息基礎設施．需要發展的核心技術：

1.變電站和控制中心兩級分布式網絡建模(圖6)技術

在變電站級，需要發展基于單線圖的網絡建模技術，實現變電站級圖、模、庫一體化技術，生成各變電站的網絡模型(含單線圖、拓撲結構和靜態參數)通過電力調度數據網(PDnet)以IEC標準傳輸到控制中心。在控制中心級，基于系統接線圖將變電站網絡模型自動拼接成全局電網模型。與傳統的控制中心集中式電網建模方式相比，其突出特點是：在變電站內，建模規模小，通常只需要在新建或改建變電站時建模一次，不再變化；在控制中心，只需維護一張系統網架圖和站間輸電線路模型，無需維護站內圖、模、庫，維護簡單，不易出錯。

2.變電站和控制中心兩級分布式狀態估計技術

在變電站級，發展出基于KCL定律的變電站無阻抗三相開關電路狀態估計技術，同步辨識變電站內拓撲錯誤(數字量)和壞數據(模擬量)，將拓撲錯誤和壞數據解決在變電站內，獲得高可靠的拓撲結構、高精度的母線復電壓和支路復電流熟數據，帶上GPS時標，通過高速的SPDnet以IEC標準實時傳輸到控制中心。在控制中心級，基于各變電站遠程傳輸來的帶時標的復電壓、復電流和母線結構，發展出復線性狀態估計技術。與傳統的控制中心集中式的狀態估計相比，其突出特點是：在變電站級，由于站內量測冗余度極高(包括：RTU、PMU、繼電保護、計量等不同來源的量測)，變電所狀態估計可靠性高、精度高，尤其是變電站內開關上量測豐富，拓撲檢錯能力極強，可保證輸出結果幾乎無拓撲錯誤和壞數據，另外由于站內網絡規模小，計算時間可忽略不計；在控制中心級，幾乎無拓撲錯誤和壞數據，線性估計無收斂性問題，具備同步、高可靠、高精度和快速的特征。

3.基于PMU的高級應用軟件

引入帶時標的同步相量信息改變了人們感知物理電網的手段，以便快速掌握全局電網動態變化過程，這是一項重要變革。我們需要利用這一變革改善對電網全面快速調控水平。

過去幾十年，人類利用RTU測量正弦交流基波分量的有效值，然后利用SCADA系統對實時采集的RTU數據進行管理，利用EMS高級應用軟件在線進行電網穩態分析，實現了Dy-Liacco于40多年前構建的電網自適應安全控制構架并一直沿用至今。Dy-Liacco提出構架的主要特點是一個“預”字，即強調預測、預防、預控。實時監視、分析、評估的主要是穩態量，所涉及的緊急控制也只是靜態緊急控制，任何涉及動態的分析基本上都依靠離線進行。這是RTU時代技術條件的必然結果。

20世紀80年代中期提出、近些年迅速發展的PMU可以在數毫秒的時間間隔快速感知電力系統動態過程，然后利用廣域測量系統(WAMS)實時對PMU數據進行管理，發展了電網動態監視系統，并得到廣泛應用。但是，能不能像RTU-SCADA-EMS一樣，利用已經發展的PMU-WAMS搭建電網動態自適應安全穩定控制構架，這個問題仍在研究中。設想如果可以獲取時間尺度小于10 ms的任何地點的PMU數據，就能實現即時完成的線性狀態估計。

PMU是基于電網的物理響應。它快速感知的物理電網的變化是真實的、及時的，這對動態監控有利，但這只達到人類觸覺快速反射的水平，反應速度足夠快，但是缺少大腦的思維，無法做到按照人類意識來動作。因此，需要給PMU配瞬態管理系統(transient management system，TMS)“大腦”。基于PMU的TMS，是給基于PMU的局域控制配置的“大腦”，以便實現系統級控制，就要利用TMS的快速分析決策能力為基于PMU的局域控制器在線發送設定值。這相當于在局域控制之外設置一個外部控制環。決策表的在線刷新是一種成功的應用。

為PMU配置的“大腦”是基于數學模型的。利用PMU數據改善數學模型的正確性，改善數字仿真結果的真實性，需要利用PMU的同步測量數據進行電網模型和參數的辨識，使得模型和參數逐漸逼近物理實際。

4.實時閉環控制

智能電網的實時閉環控制將人類調度員從繁瑣的下達調度命令的工作中解脫出來。通過閉環控制，使電力系統運行更經濟、更安全。按照Dy-Liacco的構架，在控制中心根據系統處于的不同運行狀態實施相應的安全控制。

電網正常安全運行狀態下的優化控制電網大多數情況處于這一運行狀態。此時進行多空間區域、多時間尺度、多目標種類協調的全局優化閉環控制，通過運行計劃、實時調度和實時控制之間的無縫銜接，連貫過渡、滾動消差，實現智能電網的優化控制目標。這些過程全部通過閉環控制自動完成。

電網正常不安全運行狀態下的預防控制這時進行的自動故障篩選、多側面綜合安全穩定分析和評估、預防控制策略的形成都可以自動完成，其結果或者通過修改優化控制的約束條件體現在優化控制之中，或者經過調度員確認直接下達到控制設備，在滿足電網負荷需求情況下提高電網的安全運行水平。通過風險評估再決定是采取預防控制措施，還是留給后續靜態緊急控制來解決。

電網緊急運行狀態下的校正控制電網靜態緊急控制可在控制中心決策并通過校正控制來實現，例如線路過負荷控制。這是由時間尺度較大(數秒到分鐘級)的系統級閉環控制。電網動態緊急控制還是需要依靠局域閉環控制。例如早期基于離線計算決策表的就地實施的區域穩定控制，新近在線刷新決策表的系統穩定控制，基本都是在局域實現的閉環控制。決策表的在線刷新體現了系統級的協調。基于PMU進行系統級協調，實現全局電網阻尼控制和系統級協調的廣域保護。

5.智能電網的新型人機交互和可視化

智能電網控制中心自動化系統的人機交互將是全新的。它不只是外表全新，而是有豐富的內涵，充分體現認知科學原理和人機工程技術的結合。利用地理信息系統(GIS)進行可視化表達，形象直觀；充分利用3維可視化表達(餅、柱、棒、流等，立體等高、輪廓、調控靈敏度、趨勢等)；充分利用聲光和視頻技術，充分調動人類的各種感覺器官。智能技術更多地體現在人機交互中。系統是否脆弱以及脆弱程度，由不同的顏色劃分等級預警；系統已經發生的事件，根據重要性和嚴重性由智能告警功能自動推出并展示出來。

智能電網控制中心自動化系統更像一個具有超級功能的機器調度員，它承擔起大量繁瑣的分析和數據處理任務，輔助調度員應對電網可能出現的任何擾動，維持電網平穩運行。

6.控制中心的自愈和備用技術

由于實現了變電站分布式建模和分布式狀態估計，圖、模、庫分布存儲于各站中為控制中心EMS模型異地快速拼接提供了可能，未來SCC可隨時快速建立多個異地備用控制中心，保證SCC自身的自愈能力。通過上述技術最終實現高可靠、高效、少維護、強自愈的SCC的信息基礎。此外，隨著上述變電站級的網絡建模和狀態估計功能的發展，可推動數字變電站發展為智能變電站。

[1]B EL HOMM E R，DEASU A R C R，VAL TOR TA G.ADDR ESS:active demand for t he smart grids of t he f ut ure//Proceedings of CIRED Seminar 2008:Smart Grids forDist ribution，J une 23224，2008，Frankfurt，Germany.

[2]孫宏斌，張伯明，吳文傳，等.面向中國智能輸電網的智能控制中心(SCC)//2009年特高壓國際會議論文集，2009年5月20-22日，北京.

[3]張伯明，孫宏斌，吳文傳.3維協調的新一代電網能量管理系統.電力系統自動化，2007，31(13):1-6.