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。

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　　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。
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