浅谈对智能电网控制技术的认识本文分析了电力系统中电力流、信息流、资金流的变化规律和相互之间的制约关系。

通过对信息流的调控, 改善电力流和资金流, 实现智能电网。

以信息流为基础, 从信息分层、上下层信息互动、不同时间尺度信息之间的协调几个方面研究了智能电网调度控制系统构架。

从空间、时间、控制目标等3维协调发展, 以及基于相量测量单元的动态管理系统、系统级的闭环控制等方面探讨智能电网控制中心应用软件可能发生的变革。

目前国内通常将“Smart Grid”称为智能电网。

智能电网是指利用现代测量、通信、计算机、自动化等技术, 使得电网运行更加可靠、灵活与经济, 能为用户提供更优质的服务。

这与电网运行的安全、经济、电能质量等三大目标一致, 还强调了电网的可扩展性、电源与用户的双向互动、适应接入可再生能源等。

西方国家的能源结构、电网状况、管理体制等与我国有很大不同, 他们的“Smart Grid”概念主要侧重于配电网的智能化和自动化[ 1] , 新近也提到智能输电网[ 2]。

我国智能电网的提法更侧重智能输电网。

1 进一步理解“Smart Grid”电力系统是目前所知最大最复杂的人造物理系统。

实现电力流的合理分布是智能电网的最终目标。

要实现这一目标, 需要一个对物理电网运行进行调控的神经中枢系统和大脑。

神经中枢系统传递的是信息, 涉及的是信息的流动, 包括了信息的采集、传输、处理、挖掘、分配和展示等各个环节。

智能电网传输的电力流是为人类的生产和生活服务的。

发电侧的电力市场、输电侧的输电权交易、用电侧的需求侧管理, 这些都体现了人类参与电力服务的各个环节中的利益平衡。

因此, 资金流也是智能电网需要面对的重要问题。

电力流从发电侧流向配用电侧, 资金流从配用电侧流向发电侧, 而信息流是双向的, 包括了信息的感知和控制[ 3] 。

在电力流方面, 智能电网对传统电力流基础设施的要求增加了许多新的内容:①中国正在发展的特高压输电,大大改善了电力流基础设施, 使电网更坚强;②高压直流输电和灵活交流输电系统(FACTS)设备提供了灵活改变电力流的手段, 增加了电力流的可控性和电网运行的弹性;③发电侧的大规模风电等可再生能源的接入, 配用电侧的分布式电源接入, 使电力流向更加多变,电力流的方向可能改变, 这对电力流基础设施提出了更高的要求;等等。

这些都是实现智能电网在电力流方面需要面对的新问题。

这一双向的互动, 需要通过信息流传递信息, 通过信息分配环节传递控制信息, 强制发电方或用电方改变行为;也传递电价信息, 由发电方或用电方自己主动地改变自己的行为,这种双向互动成为国际上智能电网的核心特征[ 4] 。

2 智能电网未来调度控制系统构架电网运行的调度控制, 需要满足2项制约因素:①调度管理体制约束;②电网运行的物理规律约束。

2.1 以信息流主导的系统总体构架智能电网需要通过调控信息流实现对物理电网的更全面、更细致的调度和控制。

物理电网主要涉及由输配电线路连接的电网和以变电设备为特征的厂站。

控制中心统揽影响全局的信息, 厂站负责局域信息, 在信息层面对控制中心和厂站进行封装, 构筑智能电网的分层分布式调度控制系统框架。

2.2 智能电网调度控制系统的信息分层2.2.1 控制中心之间的信息分层在中国电网的5 级调度机构中, 电网运行涉及的大部分重要功能是在省、地两级调度机构实现的,大区级控制中心主要负责省间协调, 国家级控制中心负责大区电网之间的协调。

近些年, 这两级协调机构的作用不断加强, 协调力度不断加大, 体现了对电网进行全局调控的作用。

智能电网要实现全局优化运行, 各级控制中心之间需要协调互动, 粗细有别地进行调控, 这需要靠控制中心之间的信息分层实现[ 5] 。

各级控制中心(上下级)之间, 需要信息的纵向分层:1)下级控制中心向上级控制中心汇报自己电网模型和自己电网的实时信息, 上级控制中心汇总这些模型和实时信息, 形成完整匹配的全局电网潮流模型;2)上级控制中心跟踪电网变化, 自动为下级生成外网等值模型, 并下发到下级控制中心。

智能电网的上下两级控制中心之间双向传送信息, 实现双向互动。

2.2.2 控制中心与厂站之间的信息分层传统能量管理系统(EMS)中, 厂站拓扑分析和系统拓扑分析全部在控制中心完成。

其缺点是:1)厂站没有拓扑分析功能,,拓扑错误辨识能力受限;2)很多厂站的刀闸信息并不实时传送, 导致由刀闸错位引发的拓扑错误;3)大量开关信息送达控制中心由控制中心处理, 导致通信压力增大, 控制中心数据处理工作量很大。

实际上, 厂站和控制中心两者功能的特点很不相同, 采用统一的方法处理并不合理。

需要进行信息分层, 各自进行数据的封装、抽取和对外交换。

智能电网应增加厂站的高级应用功能, 独立完成厂站拓扑分析[ 6] 。

采用智能代理的思想, 由厂站和控制中心共同建立网络模型:1)在厂站内部完成站级拓扑分析, 将Node 模型转换成Bus 模型, 并传送到控制中心;2)在控制中心完成系统的拓扑分析, 将厂站Bus模型转换成系统拓扑岛;3)厂站内开关变位引发站级拓扑变化, 厂站内立即生成新的Bus模型, 传送到控制中心, 启动控制中心的系统拓扑修正程序。

2.3 智能电网控制中心与厂站之间的互动按照控制中心与厂站之间的信息分层, 分别将两者看成相互独立的智能体, 智能体内部完成复杂的功能, 智能体之间只交换必要的、相对较少的协调信息, 大量的数据处理和分析计算任务被封装在智能体内部, 像一个黑匣子, 外部感知不到。

通过智能体之间的双向互动, 实现调控全局电网的复杂功能。

在厂站级, 实现全数字化和网络化。

过去不同源的数据被同源化, 过去分别独立的功能被集成、被融合, 全部由当地的智能处理器和计算机完成;接收外部少量协调信息, 厂站独立完成自身功能。

控制中心下达的控制命令包括:机组有功、无功调控指令;保护定值在线修改指令;不同变电站继电保护之间配合的协调指令, 实现广域保护方案;经系统级在线计算分析形成的决策表, 指导安全自动装置的协调动作, 实现系统级的动态紧急控制;等等。

控制中心与厂站之间是双向互动的, 各自独立完成自己复杂的数据处理和分析计算功能, 两者之间交换的是各自处理后的信息。

2.4 时间尺度不同信息之间的协调除了空间分布广域, 信息在时间尺度上也有很大差异, 需要协调。

根据信息响应快慢的时间尺度有如下分类:1)毫秒级信息:例如元件保护信息, 局部就地,设备级;相量测量单元(PMU)信息, 全局广域,系统级;2)秒级信息:远方终端单元(RTU)信息, 自动发电控制(AGC)信息, 广域, 系统级;自动电压调节(AVR)控制信息, 局域, 发电厂级;3)分钟级信息:有功实时调度控制信息、二次电压控制信息, 广域, 系统级;4)小时级信息:运行计划信息, 广域, 系统级;5)日级及更长时间尺度信息:运行规划信息。

3 智能电网控制中心的变革3.1 智能电网控制中心三维协调系统设计由于电网在空间、时间、控制目标等3 方面表现出复杂性, 因此, 作为大脑的高级应用软件就应该按照3 维协调来设计[ 7-8] 。

空间维上, 管辖范围不同的上下级电网控制中心通过信息双向交互和分解协调计算, 实现EMS网络分析在全局电网基础上的协调。

时间维上, 进行不同时间尺度运行计划、运行调度与实时控制之间的协调;智能电网EMS 采用的是一种实时、跟踪、递归、滚动的运行模式;纵观历史、预测未来, 瞻前顾后, 弹性松弛地制定调度控制决策;考虑来龙去脉, 考虑因、果, 抑止相继开断, 完成时间过程的协调。

时间维的协调解决了电网应对随机扰动的适应性问题, 保证电网运行更具弹性和韧性。

目标维上, 综合考虑电网运行的多个目标, 经过全面分析后才做出决策。

目标维的协调解决电网运行调度控制的全面可靠性问题, 保证万无一失。

3 维协调思想在系统级的无功电压控制中得到很好的应用[ 9] 。

3.2 基于PMU 的高级应用软件引入带时标的同步相量信息, 改变了人们感知物理电网的手段,以便快速掌握全局电网动态变化过程, 这是一项重要变革。

过去几十年, 人类利用RTU测量正弦交流基波分量的有效值,然后利用SCADA系统对实时采集的RTU 数据进行管理, 利用EMS 高级应用软件在线进行电网稳态分析, 实现了Dy-Liacco 于40 多年前构建的电网自适应安全控制构架[ 10] , 并一直沿用至今。

20 世纪80 年代中期提出、近些年迅速发展的PMU , 可以数毫秒的时间间隔快速感知电力系统动态过程, 然后利用广域测量系统(WAMS)实时对PMU 数据进行管理, 发展了电网动态监视系统, 并得到广泛应用[ 11] 。

设想如果可以获取时间尺度小于10 ms 的任何地点的PMU 数据,可以实现即时完成的线性状态估计, 可以实现小于秒级的快速安全稳定分析和决策, 那个时代的EMS 会是什么样子?PMU 是基于电网的物理响应。

它快速感知的物理电网的变化是真实的、及时的, 这对动态监控有利, 但这只达到人类触觉快速反射的水平, 反应速度足够快, 但是缺少大脑的思维, 无法做到按照人类意识来动作。

因此, 需要给PMU 配瞬态管理系统(t ransient management sy stem , TMS)“大脑”。

基于PMU 的TMS , 是给基于PMU 的局域控制配置的“大脑” , 以便实现系统级控制, 就要利用TMS 的快速分析决策能力,为基于PMU 的局域控制器在线发送设定值。

这相当于在局域控制之外设置一个外部控制环[ 7] 。

决策表的在线刷新, 是一种成功的应用[ 12] 。

为PMU 配置的“大脑”是基于数学模型的。

3.3 智能电网的实时闭环控制智能电网的重要特点之一就是更多地实现闭环控制, 计算机更多地将人类调度员从繁琐的下达调度命令的工作中解脱出来。

1)电网正常安全运行状态下的优化控制电网大多数情况处于这一运行状态。

此时进行多空间区域、多时间尺度、多目标种类协调的全局优化闭环控制, 通过运行计划、实时调度和实时控制之间的无缝衔接, 连贯过渡、滚动消差, 实现智能电网的优化控制目标。

这些过程全部通过闭环控制自动完成[ 9 , 13] 。

2)电网紧急运行状态下的校正控制电网静态紧急控制可在控制中心决策并通过校正控制来实现, 例如线路过负荷控制。

这是时间尺度较大(数秒到分钟级)的系统级闭环控制。

电网动态紧急控制还是需要依靠局域闭环控制。

基于PMU 进行系统级协调, 实现全局电网阻尼控制[ 14] 和系统级协调的广域保护[ 15] 。

3.4 智能电网的新型人机交互和可视化智能技术更多地体现在人机交互中。

系统是否脆弱以及脆弱程度, 由不同的颜色划分等级预警;系统已经发生的事件, 根据重要性和严重性由智能告警功能自动推出并展示出来。