調配一體化電網調度控制系統建設模式及方案研究

嵇文路, 徐春雷, 余 璟,吳海偉, 徐青山

(1. 國網南京供電公司,江蘇 南京 210019; 2. 國網江蘇省電力有限公司,江蘇 南京210024; 3. 東南大學電氣工程學院，江蘇 南京 210096)

0 引言

智能電網和“大運行”體系建設的深入發展,對電網一體化協調運行控制提出了新的更高要求。國調中心組織研發新一代調度自動化系統“D5000智能電網調度控制系統”并實現大規模推廣和應用,為各級調控中心協同指揮電網調度運行提供了堅強的技術支撐,促進了調控一體化、地縣一體化等各項新業務的廣泛開展[1-5]。配電自動化主站系統通常由運檢部門主導獨立建設、獨立運行、獨立維護,主配網系統之間數據融合程度不深、軟硬件資源利用率不高,阻礙了主配網一體化協同運行控制、一體化模型校核、一體化聯合分析與計算技術等應用的深入開展。

作為面向不同電壓等級的電網實時監控系統,智能電網調度控制系統和配電自動化主站系統[6]所用的計算機硬件設備、網絡配置、軟件構成及其架構等基本相同,主站軟件功能也均由平臺層和應用層構成,這將使兩套系統在物理上或者邏輯上整合為一套包括計算機、通信、電源等硬件設備以及軟件的自動化系統成為可能[7]。調配一體化電網調度控制系統(調配一體化系統)具有統一電網模型維護、共享全網支撐信息、增強電網計算精度、調配一體電網運行方式優化、節約主站建設和運維成本等特點,對供電企業來說是一種很好的選擇。

本文提出了“采用分布式調度自動化系統(supervisory control and data acquisition,SCADA)和模型中心的調配一體化電網調度控制系統”技術方案,探討了調配一體化系統支撐平臺、分布式SCADA、調配一體化分析計算與決策支持以及調配一體化電網模型中心等關鍵技術,對調配一體化系統建設模式和方案的適應性進行了分析。

1 調配一體化系統建設模式

電網調度控制系統架構[8-10]及技術方案的設計需考慮多種因素,其中軟件體系架構設計中的分層式結構是架構設計最常見的參考結構,區分層次的目的即為了“高內聚低耦合”的思想。通常意義上分層式結構分為界面層(U)、業務邏輯層(B)、數據訪問層(D)三層架構。根據各技術要點選擇的方案不同,電網調度控制系統建設模式和架構也不同。本文分析了集中式一體化、分布式一體化、離散式一體化三種可行的調配一體化系統建設模式。

1.1 集中式一體化模式

集中式架構中,“調度”和“配網”兩個系統,從模型、存儲、處理等各個方面被緊密的“集中”在一起,共用平臺和應用,共享同一個電網模型。軟件平臺層提供統一的消息總線、服務總線、數據庫管理、人機展示、權限管理、進程管理等功能;軟件應用層采用一個SCADA應用存儲完整電網的采集數據,完成對整個主網和配網的監視、分析和控制;數據訪問層主配網設備共用一個實時庫,歷史庫存儲完整電網模型(主網模型+配網模型)。

集中式調配一體化模式實現了調度與配網控制系統設計界面層、業務邏輯層、數據訪問層統一。所以該模式也可表示為“強UBD統一”模式。

1.2 分布式一體化模式

分布式一體化模式中,主網SCADA應用和配網SCADA應用獨立采集主網和配網的數據并分別完成對整個主網和配網的監視、分析和控制。電網模型的存儲在物理上可以是獨立、分散的,通過模型拼接技術完成電網全模型的建立,存儲在同一關系數據庫(歷史庫)中,由聯合分析程序完成輸配協同處理和分析。

調度SCADA應用遵照IEC 61970標準在實時數據庫存儲包括發電機、主變、傳輸線路、開關等設備在內的主網模型;配網SCADA應用參考IEC 61968標準對IEC 61970進行擴展[11],對應的實時數據庫存儲包括饋線段、配變、開關等設備在內的配網模型;主配網邊界設備在兩個實時庫中均有存儲。

分布式調配一體化模式實現了調度與配網控制系統設計界面層、數據訪問層統一,業務邏輯層獨立,也可表示為“UD統一,B獨立”模式。

1.3 離散式一體化模式

離散式一體化模式中,電網與配網調度控制系統是兩套獨立運行的自動化系統,擁有獨立的軟件平臺和硬件,兩套系統可完全獨立運行,互不影響。調配一體化既可通過圖形模型轉發、前置轉發以及模型拼接技術來實現,也可通過遠程調閱技術來實現。在操作時,電網與配網調度控制兩套物理上獨立的系統被調度員感知成一套邏輯上一體化的系統。

該模式的不足是:存在前置轉發通道維護、主網圖模及遙信遙測信息轉發、配網遙控信息轉發等較復雜的日常維護工作;調配一體化的應用開發起來較為復雜。

離散式調配一體化模式實現了設計界面層統一,業務邏輯層與數據訪問層獨立。所以該模式也可表示為“U統一,BD獨立”模式。

2 基于分布式SCADA及模型中心的調配一體化技術方案

目前,江蘇省內大型或超大型的地區調度在實施地縣一體化建設后,遙測、遙信數量已突破百萬級別規模,加上未來配電自動化以及智能配電網建設的覆蓋面越來越大,現有電網調度控制系統SCADA應用實時數據處理能力面臨著越來越嚴峻的挑戰。分布式SCADA技術可解決大型地調調配一體化系統吞吐能力不足、實時性能低、可擴展性差等問題。本文在分布式一體化模式的基礎上進行系統架構拓展,提出基于分布式SCADA及電網模型中心的調配一體化系統建設方案,以適應江蘇超大型地調的調配一體化系統建設需求。

2.1 系統架構

如圖1所示，基于分布式SCADA和電網模型中心的調配一體化系統是分布式一體化模式的一種特殊技術實現方案。該技術方案的關鍵技術包括[12]:調配一體化系統支撐平臺、分布式SCADA技術、調配一體化分析計算與決策支持以及調配一體化電網模型中心。

2.2 調配一體化系統支撐平臺

調配一體系統支撐平臺對傳統的電網調度控制系統支撐平臺進行改造,采用多網段的網絡架構方式實現多網段管理、多網段資源定位及多網段資源監視功能。多網段應用管理負責應用的分布配置、應用的啟停、應用的切換、應用狀態的維護管理,可以支持一部分應用主配網一體化運行,另一部分應用隔離運行。多網段資源定位功能是在智能電網調度控制系統中定位某個應用或者某個服務所在的主機節點的基礎服務。多網段資源監視分別運行主配網各自的資源監視模塊,負責監視系統各個節點的CPU、內存、磁盤、網絡等硬件資源的狀態,在資源占用越限時或故障時發出告警。

對于高速數據總線,主配網各個應用劃分到不同的子網中以減少應用之間的報文相互干擾,普通的應用報文在各自的子網進行處理,需要交互的報文通過定義報文轉發規則,利用廣域消息總線技術實現消息主網與配網的數據傳送。通用服務總線采用面向服務的架構(service-oriented architecture,SOA),屏蔽實現數據交換所需的底層通信技術和應用處理的具體方法,從傳輸上支持應用請求信息和響應結果信息的傳輸。

2.3 分布式SCADA

分布式SCADA的核心技術是分布式實時數據庫系統,它是實時數據庫技術與網絡技術兩者相互滲透和有機結合的結果[13]。分布式實時數據庫系統在體系結構上與集中式實時數據庫系統有很大的不同,具有數據分布性、邏輯整體性等特點。分布式SCADA實現的關鍵技術包括:實時數據分布式存儲、定位、索引、冗余備份、同步以及安全訪問技術[14]。

主配網分區調度運行及主配網高級應用相對獨立的特點使調配一體化系統非常適合采用基于分布式SCADA的系統架構,主配網數據處理程序可通過不同的啟動參數形成N個獨立運行的主網SCADA和M個獨立的配網DSCADA實例,分別完成主網、不同分區配網數據處理功能。這些SCADA應用運行于不同的實時庫,SCADA實時庫動態數據由主網應用更新,DSCADA實時庫動態數據由不同分區的配網應用更新。這樣主配網應用間操作互不影響,應用按照權限可以自行選擇并實現對主配網實時數據的存取。采用分布式SCADA或者SCADA集群技術實現調配一體化,可提升SCADA硬件利用率,有效解決電網圖模校驗、圖模導入、紅轉黑效率低的現實問題。

圖1 基于分布式SCADA及模型中心的調配一體化系統架構Fig.1 Integrated power grid dispatching control system(IPGDCS) architecture based on distributed SCADA and model center

商用庫存儲包括模型數據庫和歷史數據庫,主配網應用共享一套商用數據庫。創建模型庫時主配網公用模型部分合并存儲,應用獨有模型分表存儲。對于公共模型的表域通過表域特殊屬性來限制維護權限,對于應用獨有模型表則通過表級特殊屬性來限制維護權限。

2.4 調配一體化分析計算與決策支持

在電網調度控制系統和配網調度控制系統中,除了存在各自相對獨立的應用功能以外,還有一部分主配網協同分析計算和決策支持功能需要通過復雜的系統交互和接口調用來實現,計算效率低、性能差。

而調配一體化電網調度控制系統可從全局角度方便的實現主配網一體化網絡分析、主配網一體化智能分析與輔助決策甚至主配網一體化聯合仿真培訓等功能。主配網一體化網絡分析功能包括:主配網一體化網絡拓撲分析、一體化狀態估計以及一體化潮流計算。主配網一體化智能分析與輔助決策應用是對現有的調度控制分析功能的擴展,利用電網運行信息幫助調度相關人員進行分析和決策,主要功能包括:主配網一體化停電范圍分析、一體化合環操作風險分析、一體化負荷轉供輔助決策、一體化停電風險分析與預警以及大面積停電恢復與控制等功能。

2.5 調配一體化電網模型中心

電網模型中心[15-16]是獨立于電網調度控制系統的模型系統?；陔娏ο到y公共信息模型建設標準化的電網模型中心,強化數據交互與數據質量管控,高度融合高中壓電網電氣拓撲、設備參數、電氣量測模型三個維度數據,為調配一體電網調度控制系統提供模型和數據支撐。調配一體電網模型中心關鍵技術包括:模型和圖形的維護、拼接、驗證、同步、發布以及版本管理等[17-18]。

目前江蘇省調已完成省級輸電網模型中心的建設[19],調配一體化的模型中心可以在現有模型中心基礎上進行功能拓展并省地兩級部署,實現主配網物理模型分布維護、一致性存儲和全網即時共享,電網調度控制系統僅需根據管轄范圍同步所需的電網模型。

從系統架構角度來看,電網模型統一建設、維護、存儲,使得作為數據訪問層組成部分的模型中心與界面層與業務邏輯層解耦度降低。電網模型中心的生命周期不再與具體業務流程和應用系統功能的生命周期緊密綁定,電網模型、圖形及數據等重要知識和信息資產的利用效率大大提高。

3 調配一體化系統建設模式和方案的適應性分析

3.1 調配一體化系統建設需考慮的技術經濟因素

隨著計算機技術、網絡技術、安全技術的發展,調配一體化電網調度控制系統建設除了需考慮前述系統架構因素以外,還需要考慮以下的技術經濟因素,主要包括:

(1) 集成難度:若設計合理,一體化的系統通常會減少系統間的接口,降低系統的業務流集成、應用功能集成、信息(模型)集成難度。(2) 可擴展性:主要可慮系統軟硬件改造或者升級換代新系統的難度。(3) 魯棒性:對于自動化系統可指在應用死機、磁盤故障、網絡中斷等情況下,維持正常運行的能力。(4) 系統性能:調配一體化對系統實時數據庫設計、數據處理、消息總線實時性、系統平臺支撐能力有較高的要求,系統性能表現與硬件配置和架構設計相關。(5) 用戶體驗:調配一體化系統減少了系統間調用的接口并使用較為一致的使用界面,可以某種程度上提高了用戶體驗。系統性能也會影響用戶體驗。(6) 安全性風險:配電自動化終端設備大多安裝在室外,由于主配網調度對系統的安全性要求存在差異,如果調配一體化系統方案設計不合理,可能加大主網調度運行的安全性風險。(7) 建設運維成本:同等條件下,一體化系統在全生命周期建設、運維成本方面會具有一定的優勢。(8) 適用地調規模:主要需考慮電網設備規?；蛑髋渚W三遙信息的數量,可將系統生命周期內三遙測點少于10萬可看作小型地調、10萬到50萬看作中型地調、50萬以上為大型地調[20],部分三遙信息過百萬的可看作超大型地調。

3.2 調配一體化系統建設模式和方案的適應性分析

國網系統目前存在310多個地調,電網規模差距大,采用不同的調配一體化建設模式或者實施方案才能實現系統全生命周期的技術經濟性最優化。集中式一體化、分布式一體化、離散式一體化建設模式以及基于分布式SCADA及電網模型中心的調配一體化方案的技術經濟性對比詳見表1與表2。

表2 調配一體化系統建設模式和方案的性能和經濟性對比Tab.2 Performance and economic comparison of IPGDCS’s construction model and scheme

(1) 集中式調配一體化模式只需在現有電網調度控制系統支撐平臺擴展支持配網圖形維護和模型建設,技術實現簡單、硬件投資最小,適用于小型地調改造或新建調配一體化系統。

(2) 分布式調配一體化模式主配網SCADA應用適度解耦、利于擴展,主配網模型分別維護、相互影響小,但底層支撐平臺需有一定改造工作以支撐主配網消息和數據分流,實現主配網數據同步,有一定的技術實現難度,適用于大中型地調改造或新建調配一體化系統。

(3) 離散式一體化模式模式僅對原有系統進行接口改造來實現主配網實時數據及時同步、圖模信息準實時共享以實現最低階的調配一體化,而調配一體化高級應用的實現有較大難度。該模式不增加新的硬件投資,可作為原有主、配網調度控制系統利用系統集成方式來實現調配一體化的過渡或替代方案。

(4) 基于分布式SCADA及電網模型中心的調配一體化設計方案對于現有電網調度控制系統底層支撐平臺需重新設計,不僅需實現SCADA集群技術,還需實現基于模型中心的主配網圖形、模型等靜態數據的維護、拼接、驗證、同步、發布以及版本管理等,技術實現難度高。

在性能指標上,該技術方案魯棒性強、可擴展性好、數據吞吐能力和實時性強,適用于超大型地調新建調配一體化系統。

4 結語

本文在分析電網調度控制系統建設集中式一體化、分布式一體化、離散式一體化三種建設模式的基礎上,提出了基于分布式SCADA及模型中心的調配一體化技術方案,對其進行技術經濟性對比及適應性分析后得出:由于國內地區電網規模差距很大,采用不同的調配一體化建設模式或者技術方案可實現系統全生命周期的技術經濟性最優化。對于超大型地調,基于分布式SCADA及電網模型中心的調配一體化是一種合適的技術方案。

參考文獻：

[1] 孫世明,任 遠,徐春雷,等. 地縣一體化調度自動化系統中的數據緩存和同步方法[J]. 電力系統自動化, 2011,35(16): 76-78.

SUN Shiming, REN Yuan, XU Chunlei, et al. Data cache and synchronization method in prefecture-county integrated dispatching automation system [J]. Automation of Electric Power Systems, 2011, 35(16):76-78.

[2] 彭 暉,葛以踴,吳慶曦,等. 地縣調控一體化系統分區解并列機制的設計與實現[J]. 電力系統自動化,2014 38(6):75-79.

PENG Hui, GE Yiyong, WU Qingxi, et al. Multi-region communication network division/recovery mechanism for prefecture-county integrated dispatching automation system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(6):75-79.

[3] 米為民,荊 銘,尚學偉,等. 智能調度分布式一體化建模方案[J]. 電網技術,2010,34(10):6-9.

MI Weimin, JING Ming, SHANG Xuewei, et al. Distributed and integrated modeling of intelligent dispatch[J]. Power System Technology, 2010, 34(10): 6-9.

[4] 蔡新雷，何祥針，盧 恩，等. 廣東電網調度操作模式調整策略分析與實踐[J]. 廣東電力，2016，29(3)：77-80，92.

CAI Xinlei, HE Xiangzhen, LU En, et al. Analysis and practice of adjustment strategy for dispatching and operating mode of Guangdong power grid[J]. Guangdong Electric Power，2016，29(3)：77-80，92.

[5] 蔡新雷. 廣東南澳多端柔性直流輸電系統調度運行策略探討[J]. 廣東電力，2016，29(7)：93-96,110.

CAI Xinlei. Discussion on dispatching operation strategy for Guangdong Nan’ao VSC-MTDC transmission system[J]. Guangdong Electric Power，2016，29(7)：93-96,110.

[6] 郭建成,錢 靜,陳 光,等. 智能配電網調度控制系統技術方案[J]. 電力系統自動化,2015,39(1):206-212.

GUO Jiancheng, QIAN Jing, CHEN Guang, et al. Technical scheme of smart distribution grid dispatching and control systems [J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(1):206-212.

[7] 殷自力,錢 靜,陳宇星,等. 基于D5000平臺的調配一體技術方案[J]. 電力系統自動化,2016,40(18):162-167.

YIN Zili, QIAN Jing, CHEN Yuxing, et al. Dispatching/distribution integration technology scheme based on D5000 platform [J]. Automation of Electric Power Systems, 2016, 40(18):162-167.

[8] 辛耀中,石俊杰,周京陽,等. 智能電網調度控制系統現狀與技術展望[J]. 電力系統自動化,2015, 39(1):2-8.

XIN Yaozhong, SHI Junjie, ZHOU Jingyang, et al. Technology development trends of smart grid dispatching and control systems [J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(1):2-8.

[9] 姚建國,楊勝春,單茂華. 面向未來互聯電網的調度技術支持系統架構思考[J]. 電力系統自動化,2013,37(21):52-59.

YAO Jianguo, YANG Shengchun, SHAN Maohua. Reflections on operation supporting system architecture for future interconnected power grid [J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(21):52-59.

[10] 畢艷冰,蔣 林,王新軍,等. 面向服務的智能電網調度控制系統架構方案[J]. 電力系統自動化,2015,39(2):92-99.

BI Yanbing, JIANG Lin, WANG Xinjun, et al. Design and investigation on service-oriented architecture-based smart grid dispatching and control system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(2): 92-99.

[11] 楚成彪,郝思鵬,吳 善. 基于IEC 61970/61868的配電網通信系統信息建模[J]. 電力工程技術,2017,36(1):60-64.

CHU Chengbiao, HAO Sipeng, WU Shan. Information modeling of distribution network communication system based on IEC 61970/61968[J]. Electric Power Engineering Technology, 2017, 36(1):60-64.

[12] ZHANG L, ZHAO J, FAN S, et al. Research on several key technologies of power grid integrated dispatching and control system [J]. Advanced Materials Research, 2013, 805-806:1097-1102.

[13] 陳建榮,嚴雋永,葉天榮. 分布式數據庫設計導論[M]. 北京:清華大學出版社,1992.

CHEN Jianrong, YAN Junyong, YE Tianrong. Introduction to distributed database design [M]. Beijing: Tsinghua University Press, 1992.

[14] 翟明玉,王 瑾,吳慶曦,等. 電網調度廣域分布式實時數據庫系統體系架構和關鍵技術[J]. 電力系統自動化,2013,37(2):67-71.

ZHAI Mingyu,WANG Jin,WU Qingxi, et al. Architecture and key technologies of wide-area distributed real-time database system for power dispatching automation system [J]. Automation of Electric Power Systems, 2013, 37(2):67-71.

[15] 劉 濤,米為民,陳鄭平,等. 適用于大運行體系的電網模型一體化共享方案[J]. 電力系統自動化,2015,39(1):36-41.

LIU Tao, MI Weimin, CHEN Zhengping, et al. Integrated sharing scheme for grid model and graphics applicable to grand operation system [J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(1):36-41.

[16] 閆 湖,李立新,袁榮昌,等. 多維度電網模型一體化存儲與管理技術[J]. 電力系統自動化,2014,38(16):94-99.

YAN Hu, LI Lixin, YUAN Rongchang, et al. Integrated storage and management technology for multi-dimensional grid model [J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(16):94-99.

[17] 錢 靜,徐丹丹,蔣國棟,等. 智能調度離線模型管理技術的深化研究[J]. 電網技術, 2012, 36(12):76-81.

QIAN Jing, XU Dandan, JIANG Guodong, et al. In-depth study of offline model management technologies for intelligent power dispatching system [J]. Power System Technology, 2012, 36(12):76-81.

[18] 陳根軍,顧 全. 應用模型拼接建立的全電網模型[J]. 電網技術,2010,34(12):94-98.

CHEN Genjun, GU Quan. Creation of complete power network model by splicing power network model for EMS with external network model built by BPA [J]. Power System Technology, 2010, 34(12):94-98.

[19] 徐春雷,余 璟. 基于云技術的區域調控技術支撐系統 [J]. 江蘇電機工程,2015,34(3):5-9.

XU Chunlei, YU Jing. Technology support system of regional regulation and control based on cloud technology[J]. Jiangsu Electrical Engineering, 2015, 34(3):5-9.

[20] Q/GDW 11184—2014 配電自動化規劃設計技術導則[S].國家電網公司,2014.

Q/GDW 11184—2014. Technical guidelines for distribution automation planning and design [S]. State Grid Company, 2014.