隨著特高壓交直流互聯電網的建設、新能源的發展,以及電力市場改革的深化,中國電網運行特性發生了深刻的變化,進而對電網調度控制能力提出了更高的要求.根據電網調度控制運行的業務特點,未來調度控制系統應采取分布和集中相結合的應用功能部署模式.概述了未來電網調度控制系統應用功能的三大新特征,即全局、快速、準確,分析了實現上述應用功能新特征的技術要素,并指出了在模型、數據和管理等方面亟需開展的基礎工作。

0 引言

特高壓交直流互聯大電網的建設,提升了大范圍資源優化配置的能力,也使得各級電網間耦合更加緊密,局部故障可能會影響到全局,電網安全管控面臨巨大挑戰,需要對大電網進行統一的實時監視和風險控制[1].中國新能源發展迅速,“十三五”末將達到320GW 以上[2],而新能源富集區棄風棄光嚴重,需要在線優化全網運行方式,實現在全網更大范圍內消納新能源[3-4].直流輸電和新能源發電引入了大量電力電子設備,電網電力電子化特征凸顯,穩定形態更加復雜,需要進一步提升大電網實時運行在線分析和風險防范能力,提供全網一體化的輔助決策,保障大電網的安全穩定運行.電力市場化的推進和監管的強化,電網調度運行的標準化和規范化運作將十分重要,調度機構將面臨保障電網安全運行和市場有序運作的雙重壓力,電網調度控制(簡稱調控)系統迫切需要強化對市場交易系統的功能支撐,保證市場化運作情況下的公平公正和電網的安全穩定.

目前電網調控系統都是按調度機構獨立建設和運行,雖然電網是互聯的,但調控系統之間卻是煙囪型的,難以及時獲取管轄區域外的電網信息,電網態勢分析和安全防控大部分局限在所管轄電網.這種一個調控機構建設一套調控系統的技術體系已經難以支撐大型交直流混聯電網調度運行的需求,必須針對變化了的電網特性,按照“一個互聯大電網,邏輯上一套大系統”的理念,建設面向全網一體化運行的電網調控系統,全面提升大電網運行的技術支撐水平和能力.

全網一體化運行的未來調控系統具有鮮明的新內涵,它將當前實時信息的局部監控和信息共享方式提升到全局監控和需則可用模式,將電網運行特性的局部分析和多級協調方式提升到全局分析模式,將電網運行風險的局部防控和區域協調方式提升到全局防控模式,將發電計劃多級協調方式提升到市場化調度模式,以適應互聯大電網安全運行和市場化運作的迫切需求.

未來調控系統需要在架構上有重大變化,但其支撐能力的最終體現還存在于系統的應用功能實現.應用功能除針對所轄電網外,更需要從全局角度處理全網面臨的問題,可以適應故障預判、故障處置、控制措施、新能源消納、備用支援等全局性要求,應用功能的效果是全局的,所得到的結果不再局限于本網.只有在全網模型基礎上及時利用全網數據進行分析決策,才能實現應用功能全局化的目標.模型的擴大增加了計算量,給系統的處理速度帶來了挑戰,需要應用功能在數據獲取、計算分析和電網響應等方面足夠快速,以適應實時運行的需要.新增的功能和數據加大了計算的復雜性,給系統的準確性帶來了挑戰,需要應用功能保證信息、決策和控制等方面足夠準確,實現電網安全穩定運行.未來電網調控系統應用功能的最主要特征可以概括為:“全局、快速、準確(簡稱全、快、準)”.快速和準確是以往調控系統一直追求的目標,全局則是未來調控系統必須具備的新特征,由此也對快速和準確提出了更高要求.

電網從單個小電網、小范圍互聯、弱互聯電網逐步發展成當今的強耦合互聯電網,廣大學者在此進程中對調控系統進行了深入研究[5G10].以往電網聯系相對松散,不同電網相互之間的影響較小,按照網省平衡開展調度業務,調控系統面向調度機構獨立建設和運行的模式基本滿足了電網運行的需求,調控系統相對比較簡單,應用功能沒有全局化需求,快速和準確是主要要求.另外,受當時計算機信息通信技術的限制,技術上亦難以建設全網一體化調控系統.

未來電網調控系統需要按照“物理分布、邏輯統一”的總原則[8],構建監視控制分布、分析決策集中的新型調控技術體系,在全網統一的模型基礎上,由全網分析決策中心實現面向全網的應用功能.本文總結了未來調控系統應用功能全局、快速、準確的新特征,分析了支撐應用功能實現的技術要素,并指出了在模型、數據和管理等方面亟需開展的基礎工作.

1 應用功能的全、快、準特征

應用功能是調控系統最重要的組成部分,為各項調控業務提供最直接的支撐.應用功能只有具備了全局、快速和準確的特征,才能滿足一體化電網在線調控的要求,實現調控系統支撐能力的本質提升.

1.1 應用功能的全局性

應用功能的全局性是未來電網調控系統區別于以往調控系統最鮮明的特征,需要夯實全網模型和全網數據等全局化基礎,對應用功能以全局視野進行升級改造,從而實現調控系統由應對局部到管控全局的跨越.

1.1.1 模型全

傳統調控系統只對所管轄的電網設備進行建模,建模內容集中在電網一次設備的物理屬性范疇,二次設備缺乏規范的建模方法.目前盡管國/分調對省調模型進行拼接可以得到相對完整的模型,但省調在處理外部網絡時還經常采用網絡等值.網絡等值相對比較簡單,對電網分析計算結果的影響較大,模型拼接則有設備重復建模、過程復雜和實時性差等不足.

全面完整的電力系統模型是調控系統應用功能的基礎,需要根據全網一體化調控的需要,將電網模型由以往各個調度機構各自構建過渡到統一建模,摒棄網絡等值做法,省略模型拼接環節,簡化建模流程,克服網絡等值和模型拼接的弊病,并從一次到二次、從電網到環境等全方位建模,實現“一個電網、一套模型”的建設目標.電力系統二次設備對電網的安全運行發揮著越來越重要的作用,與調控業務密切相關的繼電保護、安全自動裝置和系統保護等二次設備需要規范建模,并自動實現與一次設備的相互關聯.

特高壓線路遠距離輸送大功率,對電網的安全運行至關重要,而線路可能跨越多個氣候區,運行環境復雜多變,需要將線路桿塔、電站等設備的地理屬性納入建模范圍,方便將輸電通道沿線的局部氣象環境與線路有效關聯,提升精細化運行水平.電網建設過程中有新設備投役,也有老設備的退役或者改接等,設備模型需要反映其時間特性,實現對設備的全生命周期管理,以便精準地反演電網以往的運行過程,提前模擬電網未來的運行特性.

設備模型的物理屬性主要用于電網的安全分析,發電機、負荷等設備的經濟屬性則是市場交易不可或缺的內容,兩者需要統一建模,以解決市場化調度的模型需求,適應中國不斷推進的電力市場改革需要.柔性負荷具備參與電網調節的能力,其模型需要體現需求響應特性,并進一步將大量零散負荷構建成負荷聚合模型,適應售電側開放的市場化改革進程.

1.1.2 數據全

目前調控系統處理的數據以電網一次設備的運行數據為主,包括點多面廣的穩態數據、電網樞紐變電站和發電廠的相量測量單元(PMU)動態數據,以及故障錄波器記錄的暫態數據.未來調控系統需要額外處理諸如設備的整定值、運行狀態、環境數據、操作流程甚至調度電話記錄等,因為這些都是電網分析決策寶貴的數據源.繼電保護、安全自動裝置等二次設備有效保障了電網的穩定運行,需要準確采集這些二次設備的運行狀態和定值設置等實時運行參數,提高在線穩定分析計算結果的準確性.

變壓器、輸電線路等設備狀態監測數據也需要納入調控系統統一管理范圍之內,通過對這類數據的挖掘分析,可為在線穩定分析提供大概率的預想故障集.在確保信息安全的前提下,調控系統需要從其他系統自動獲取天氣、雷電、地理、微氣象等外部環境數據,以幫助調控運行人員隨時把握可能的安全風險；從交易系統獲取交易電量和交易功率等出清結果,實現現貨市場與調控系統的有效銜接.目前調控系統還沒有充分重視調控人員的日常操作行為,未來調控系統需要對這類非結構化的行為模式數據進行記錄保存,并通過大數據挖掘技術,將調度人員的經驗轉化為知識,為調控操作提供輔助決策.

調控系統的所有數據都包括實時、歷史和未來三個維度.實時數據主要用于在線調度運行,通過對歷史數據的充分積累,能夠提高大數據挖掘分析結果的準確性,預測準確的未來數據可更好地把控電網運行趨勢.

1.1.3 功能全

當前調控系統基本使用本地模型和數據進行分析計算,應用功能的分析結果勢必是局部的,不能滿足電網一體化調控運行的需要.未來調控系統的功能全主要包含兩方面含義:一方面需要對已有功能以全局視野進行升級改造；另一方面需要研發新的功能以滿足不斷發展的一體化調控需求.

未來調控系統需要在模型全、數據全的基礎上,從全局角度設計開發應用功能,做到全局監視實時信息,全局