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1、书书书基础信息的标准化和规范化在智能电网建设中的作用与意义江道灼?申屠刚?李海翔?吴志力?杨贵玉?浙江大学电气工程学院?浙江省杭州市?浙江省电力公司?浙江省杭州市?浙江省电力设计院?浙江省杭州市?摘要?电力系统的发展面临着许多挑战?智能电网被认为是有效的解决方案?开放的信息系统和共享的信息模式是智能电网的基础?分析了电网信息系统的现状和存在的问题?提出了智能电网信息系统的框架?强调了基础信息的数字化?标准化?规范化的重要性?基于变电站的特殊地位?以其为例设计了基础信息平台框架?该平台能够实现信息协议标准化?格式规范化?时标同步化?管理一体化?并可通过级联扩展成全网信息系统而基本结构不变?关键词
2、?智能电网?信息系统?标准化?变电站?基础信息平台?测控装置中图分类号?收稿日期?修回日期?引言电力系统在不断发展壮大的同时?面临着许多问题和矛盾?例如?经济发展与电力建设之间的矛盾?能源分布与负荷分布之间的矛盾?电网复杂度增加与控制技术之间的矛盾?电能质量与用户要求之间的矛盾?电力发展与环境恶化之间的矛盾?建设投资大与已有资源利用不充分之间的矛盾?等等?这些矛盾在全球范围内具有普遍性?有的问题?如能源和负荷的不平衡分布等?在中国尤其突出?国家电网公司制定的发展特高压电网的战略?正是出于大范围大容量转移电能的考虑?但从近年来国内外大停电事故来看?现有的技术手段和应对策略不足以解决所有问题?电力
3、工业亟须一种突破?于是智能电网的概念被提出?并被确定为电力工业下一阶段的建设目标?智能电网以安全可靠?经济高效?节能环保为运行目标?有自愈?兼容?坚强?开放?以及支持电力市场和互动化等特征?能够有效地解决当前电力工业发展遇到的问题?电网的智能化体现为全面?及时地掌握电网运行的信息?综合各自动化功能系统对信息分析的结果?做出最优的反应?因此?精确?快速?开放?共享的信息系统是智能电网的基础?也是智能电网与传统电网的最大区别?有必要对基础信息的标准化和规范化进行研究和分析?电网信息系统现状电网的信息主要基于各变电站监控系统?但目前并没有明确?独立的信息系统实体存在?所谓的信息系统依附于各调度自动化
4、或变电站自动化监控系统存在?是对各自动化功能系统中信息采集?传输?存储等环节的抽象概括?是一个纵向结构?见图?并不构成严格意义上的信息系统?各自动化系统的信息采集和应用相对分离?独立并缺乏联系?只有在跨自动化系统信息应用前?才会有间接联系?最根本的原因是各自动化系统的数据采集和信息处理缺乏统一的标准和规范?不同厂家的自动化测控装置不但在硬件功能上有差异?软件上采用的数字算法?信息模型和通信协议也不尽相同?图?纵向结构的信息系统?从应用的角度看?目前信息系统的局限性主要体现在?信息格式和通信协议不统一?如图?所示?自动化设备?装置?的互操作和跨自动化系统的信息综合利用必须经过?协议转换?环节?间
5、接实现?增加了实现的难度和不可靠性?信息分散重复?各自动化系统配备的测控装置可能对同一物理量重复采集?精度不同又以不同的格式存储?造成资源的浪费并引起信息应用时难?第?卷?第?期?年?月?日?以取舍的问题?信息时标不同步?首先?变电站内没有普遍配置全网同步的统一时钟?其次?除了相量测量装置?等少量装置外?现有大部分现场测控装置在硬件上都不具备时钟同步模块?于是信息没有在被采集时打上统一时间标签?而是以到达后台监控中心数据库的时间为标记被提取应用?受不同步采集?网络延时等影响?信息的时间关联性变差?在分析应用时必然带来一系列问题?如潮流不收敛?状态估计不准等?信息传输接口类型多?接线复杂?可靠性
6、降低?管理难度增大?采集数据的精度受电压互感器?电流互感器磁饱和或剩磁的影响?这些问题严重影响了信息的质量?并限制了电网自动化水平的进一步提高?智能电网的信息系统智能电网的信息系统是一个纵横交错的结构?如图?所示?图?纵横交错的信息系统?与现有信息系统的纵向结构相比?智能电网的信息系统有?个特点?纵横结构中的?纵?指信息分别以被其描述的变量参数的类型为依据进行采集和存储?各功能系统在此基础上对信息进行不同应用?而纵向结构的信息系统中?各种高级应用环节则是按功能系统划分而彼此独立?如图?中采集装置?可分别采集电流量?电压量和开关状态?信息应用?则分别指监控与数据采集?系统?继电保护系统?配电网管
7、理系统?等?纵横结构中的?横?指数字化?标准化?规范化处理过的信息?通过光纤以太网传输?加强了信息系统的横向联系?以提高信息系统的可靠性?使得每一个功能系统都能在统一的信息平台上完成不同的分析和控制功能?如图?中的?个信息应用?而纵向结构信息系统的横向联系只能被动地采用协议转换实现?智能电网的信息采集对象主要是用户端?输配电线路和变电站等的各种变量参数?用户端的信息采集包括电能计量?电能质量监测?电费计量以及用电预计等?为潮流调度和电力市场提供支持?用户端信息可以较长的时间间隔?例如?或更长?向数据库更新?除了电能质量信息外?其他的也可由历史数据估计得到?对输配电线路测量?以架空线路为例?主要
8、包括机械荷载?温度?外部环境的微气象参数等?这在架空线路发生覆冰现象时尤为重要?但在线路正常运行时?一般可认为这些参数在允许范围内?变电站内的信息参数类型众多也最重要?如电流值?电压值?开关状态?设备运行状态等?支撑着诸多自动化功能系统对电网运行的安全稳定分析和控制?同时?变电站内的信息是动态的?有些如?测量信息甚至是实时的?不能由历史数据替代或估计?智能电网中的信息应用有?个方面?用户根据电价等信息合理安排用电设备运行?变电站根据本地测量信息完成站内监控?控制中心综合全网信息?实现电网的智能管理?从电网监控的角度看?主要是后?个方面的应用?需要指出的是?在智能电网中所有信息的传输和交互都通过
9、高可靠性高速光纤网实现?每一个现场测控装置和数据库都是以太网的节点?有固定的?地址?所有的信息流都在光纤网络中流通?如图?所示?图?信息系统光纤通信?电网信息的数字化?标准化和规范化智能电网中?信息的数量和种类更多?更新速度更快?在不同节点间的交互更加频繁?各功能系统的综合应用和设备装置间的互操作需求?对信息的质量要求更高?因此?信息系统必须是精确?快速?开放?共享的?这就要求基础信息在实现数字化的基础上?必须进一步实现标准化和规范化?信息的数字化信息的数字化是标准化和规范化的基础?在信息采集环节?尤其是在变电站和输配电线路的量测?中?依靠新型的数字化量测装置?实现信息的数字化量测?并经光纤数
10、字化传输?可从信息流的源头保证信息的品质?尽管数字化量测装置比模拟设备复杂?但数字通信具有的优点使其成为智能电网的必然选择?数字量测装置没有磁饱和及剩磁问题?不会影响测量结果?数字信息在传输过程中不易受到干扰?传输差错可控?传输质量高?便于使用现代数字信号处理技术处理加工?也易于加密?一个通信通道可综合传递多个信息?通信系统利用率高?信息的标准化与规范化智能电网需要大量不同型号和功能的现场测控装置在全网范围内广泛配置?若在设计?生产时没有统一的接口和标准化?规范化的信息要求?则不同厂家的现场测控装置可能采取不同的信息格式和通信协议?所采集的信息只能满足局部的子网或部分功能系统的应用需求?而不能
11、在全网范围内被所有的功能系统应用?形成所谓的?信息孤岛?这正是当前阻碍电力系统自动化水平进一步提高的关键因素?因此?信息的标准化和规范化已刻不容缓?标准化指信息传输过程中的通信协议与接口标准化?规范化指电网中各种数字化信息具有统一时标并实现存储格式规范化?电网信息在数字化基础上进一步实现标准化和规范化?能够保证各种信息在智能电网各个节点间的无缝流通?并被不同功能系统无差别地识别和使用?无需通过转换等中间环节?从而在真正意义上实现信息的全网共享?统一时标是指电网中的各种量测装置特别是电量量测装置?能够实现基于同步时钟?一般由全球定位系统?模块和高精度晶振构成?的同步测量?并为信息打上时刻?含同步
12、方式?一致?时间间隔?最高分辨率为同步采样间隔?相同的同步时标?它是信息格式?模型?规范化的重要内容之一?只有实现对全网运行信息的同步测量并打上统一时标?集控调度中心等后台功能系统才能根据统一时标获取同一时间断面上的全网运行状态精确信息?避免在实时分析?等应用中出现潮流不收敛等问题?并有效提高暂稳态分析?动态分析?参数辨识?状态估计?区域保护等功能的精度或准确度?现已发布的标准如?和?等在一定程度上促进了电网信息标准化?规范化的进程?根据未来智能电网发展的技术需求?在美国国家标准技术研究院?的组织下?美国电气和电子工程师学会?国际电工委员会?和其他许多组织正在谋求制定更多有助于电网信息标准化?
13、规范化并可在全球范围内推广应用的技术标准?基于变电站的标准化和规范化基础信息平台变电站是电力系统能量传递的枢纽?是各种操作控制业务的执行地?也是系统运行信息最主要的来源?在智能电网中?变电站汇集有大量的电力流信息和业务流信息?是电网全景信息的重要组成部分?因此?变电站信息系统的数字化?标准化?规范化建设在智能化电网信息系统建设中占有重要地位和作用?当前被热烈讨论并开展试点应用研究的数字化变电站?的先进性?在很大程度上就体现为对信息系统功能的提高?因此?本文提出一种基于变电站的标准化?规范化基础信息平台体系结构?简称基础信息平台?能够实现变电站内信息的协议标准化?格式规范化?时标同步化?管理一体
14、化?对内作为变电站等基层厂站中各种自动化监控系统及相关高级应用的统一信息来源?对外则通过标准化?规范化接口与上一级监控系统建立通信联系?进行各种信息的无缝交互?还可方便地通过级联?进一步构成基本结构一致的智能电网的信息系统?基础信息平台主要由智能化现场测控装置?同步时钟模块?一体化数据管理器以及站内光纤以太网等?部分组成?如图?所示?图?标准化?规范化变电站基础信息平台构成框架?智能化现场测控装置完成对相关运行信息的数字化采集和标准化?规范化处理?同步时钟模块提供全网统一的高稳定度?高精度同步时钟信息?并经信号放大处理后通过专用高速通道送往站内各智能化现场测控装置为它们提供同步时钟信息?站内一
15、体化数据管理器实现对站内各智能化测控设备数字化信息的标准化?规范化统一管理?为站内各种监控系?专题研讨?智能电网?江道灼?等?基础信息的标准化和规范化在智能电网建设中的作用与意义统?如?继电保护等?及高级应用提供统一的高可靠基础信息?同时可通过远程通信服务器与上级调度中心等站外监控系统实现标准化?规范化信息的无缝交互?所有二次设备及运行管理服务都通过标准化数字接口与站内标准化光纤以太网接口?智能化现场测控装置智能化现场测控装置?原理见图?是基础信息平台的关键设备?由信号调理电路?同步采样控制电路?转换器?微处理器?以及标准化以太网接口等硬件组成?信号调理部分采用新型光电电压?电流变换器实现一?
16、二次的有效隔离?同步采样控制电路接收同步时钟模块提供的统一时钟信号?秒脉冲?和?脉冲信号?发出同步触发脉冲?控制?转换器实现现场信息数字化同步采样?对采样数据进行规范化处理?并按一定的时间分辨率?如根据?标准对变电站内时间同步的?级分法?最高分辨率为?为信息打上 同 步 采 样 时 标?然 后 按 统 一 标 准?如?组帧后经标准化以太网接口上传至光纤以太网?同时可接收来自变电站或调度中心的指令?通过控制断路器等装置实现对现场的操控?图?智能化现场测控装置原理框图?智能化现场测控装置可以与现场一次设备紧密集成在一起?也可以安装在现场一次设备附近?前者应是电网智能化发展的主流方向?能够对现场各种
17、静态?动态?暂态数据?实现同步采集和时标处理?因此可全面提高电力系统信息的质量?提高信息来源一致性?变电站和控制中心的所有自动化系统不再独立配置现场信息采集装置获取信息?而是从数据库调用统一采集?存储的信息?避免了信息的分散和重复?实现信息格式规范化?保证了信息系统的开放?共享?有效?实现信息时标同步化?智能化现场测控装置同步采样?信息带有统一时标?加强了电网信息之间的关联?在实时分析或事后分析中?可根据时标提取同一时间断面上的数据?精确反映系统在某一时刻的状态?实现通信协议和接口标准化?数据接口标准化?接线简洁?站内?外?的所有装置?设备?和监控系统?含高级应用?统一经标准化以太网接口和光纤
18、网实现信息交互?数据精度高?采用新型数字化量测设备?不存在传统电压互感器?电流互感器所固有的磁饱和及剩磁问题?且直接数字化?抗干扰能力强?以太网和数据管理器根据?标准?分层分布式的变电站内由间隔层总线和站控层总线完成信息的传输交换?目前?采用带宽?的以太网已能确保将?层总线合二为一?且基本不影响信息传输的实时性?必要时还可采用千兆以太网进行信息传输?数据管理器采用双机热互备?自动切换工作模式?其主要功能是收集?存储来自智能化现场测控装置的基础数据并进行标准化?规范化管理和备份?以供站内?外?各种监控系统调用?站内?外?各种监控系统还可根据需要从数据管理器中提取相应基础信息?并按属性轴?时间轴?
19、对象轴等主线进行加工?得到各种高级应用?服务?所需的再生数据?同步时钟模块时钟同步涉及全网数据采集时刻的同步和信息时标的统一?是直接影响全网信息关联性?有效性的重要环节?时钟同步问题包括同步时钟的设计和时间同步的实现?个方面?后者又可分为采样时钟同步和同步时标处理?授时精度高?信号接收范围广?配合高性能的晶振构成高可靠性同步时钟单元?守时钟单元?以减小?卫星失锁的影响?是目前主流的电力系统同步时钟设计方案?图?和图?中的基于?的站内同步时钟模块?其核心器件即包含?接收器和高精度晶振?能够输出高稳定度?高精度的?和?脉冲信号以及与之对应的串行时间码信息?并经隔离驱动后送往现场各智能测控装置?实
20、现 全 网 数 据 采 集 的 同 步 和 信 息 时 标 的 统一?基础信息平台的级联本文提出的基础信息平台体系结构?还具有扩展性和级联性?即每一个下级基础信息平台都是构成上级基础信息平台的单元?并与上级的本地现场智能测控装置平行甚至等效?从而可保持每一级基础信息平台的结构不变?并最终形成纵横交错的智能电网信息系统?图?为?级?低压变电站?高压变电站?控制中心?信息平台的级联结构示意图?图?基础信息平台的级联结构?低压变电站的数据管理器汇集用户端量测信息和该变电站本地的量测信息?供变电站功能系统使用?并接受上级变电站或控制中心的直接调用?高压变电站的数据管理器可对本地量测信息和所有下级低压变
21、电站的信息综合利用?并可按照属性轴?时间轴?对象轴等主线对信息进行加工?得到再生数据?为控制中心服务?电网控制中心数据管理器除了调用?接收变电站的信息外?还汇集输配电线路参数等信息?各级数据库信息除了能进行上下级之间的纵向无缝交互?还能进行同级之间的横向无缝交互?控制中心或变电站内的自动化功能系统根据需求?统一从数据管理器调用相关数据?进行分析处理?并以此为决策依据对电网实现智能管理?协调变电站内信息处理与控制中心数据处理的原则是?能够在变电站完成的处理?则不应由控制中心处理?信息平台的级联结构具有?个特点?每一级信息平台处理的信息只有?部分?来自本地测控单元的信息和来自下级信息平台的信息?这
22、些信息在格式和通信协议上都是一致的?且都带有统一时标?信息可以实现逐级向上的汇总与处理?而不必全部积压到调度中心?大大减轻了调度中心的数据处理压力?全网范围内的信息平台彼此开放?共享?又具有统一的结构?便于管理?扩展?也便于各种新技术在全网范围的推广应用?电网基础信息标准化和规范化的意义电网从现状到智能化?需要一个较为长期的建设过程?例如?华东电网于?年?月启动智能电网可行性研究项目?预期到?年才能真正建成具有自愈能力的智能电网?在智能电网建设过程中?开展电网基础信息的标准化?规范化建设有利于促进相关工作的开展?引导自动化设备和装置的研制?生产和应用?避免某些装置因硬件功能不全?如缺少时钟同步
23、模块等?和采用的通信协议不被智能电网认可而遭淘汰?造成社会资源浪费?促进信息采集装置的功能细分和质量提升?智能电网需要采集的基础信息数量和种类很多?基础信息的标准化?规范化?可使不同厂家的自动测控装置实现无缝组合?集成?厂家将致力于提高一种装置对一种信息的采集处理质量?而不是单纯地增加一种装置可以处理的不同信息的种类?促进信息系统结构的转变?电网基础信息的标准化?规范化建设?将促进并逐步实现全网信息采集?处理?传输和存储的统一?完成信息系统从单纯纵向结构向纵横交错结构的转变?促进各种自动化功能系统综合应用技术的发展?在标准化?规范化基础信息平台上?各功能系统之间的交流?配合更加可靠便捷?可以据
24、此开发出综合程度更高?功能更强的分析决策工具?为电网的高级控制提供支撑?指导数字化?智能化?变电站技术和调度自动化技术的发展?数字化变电站技术和调度自动化技术是智能电网的一部分或智能电网形成前的一个阶段?其信息的标准化?规范化应与智能电网统一?以减少智能电网发展过程中不必要的中间环节?避免在类似?协议转换器?等技术上的过度投入?从电网的现状看?利用协议转换技术实现不同系统和装置间的互通是电网自动化发展的需要?但这一过程应是阶段性的?随着基于统一标准化?规范化设计的智能测控装置逐步替代旧的设备?协议转换器必将成为历史?资金和技术的投入不应致力于扩大其在电网中的作用?而应以满足电网向智能化发展的需
25、求作为自动化技术发展的主要方向?结语信息系统是电网控制中心监测电网状态的耳目?是电网智能化的基础?智能电网中?由大量的信息采集装置提供的各种信息?在光纤以太网中高速流动?在不同节点间频繁交互?只有数字化?标准化?规范化的高品质基础信息?才能快速?可靠地传输?并被不同的功能系统无差别地应用?使各功能系统真正地实现无缝集成?在电网由现状向智能化转变的发展过程中?加强其基础信息的数字化?标准化?规范化建设?有利于引导新装置和新技术的发展方向?缩短电网智能化的过程?本文提出的智能电网信息系统的框架对智能电网的建设有很好的参考价值?专题研讨?智能电网?江道灼?等?基础信息的标准化和规范化在智能电网建设中
26、的作用与意义参 考 文 献?刘振亚?特高压电网?北京?中国经济出版社?张金江?郭创新?曹一家?等?基于?的变电站信息一体化嵌入式平台设计?电力系统自动化?曾庆禹?李国龙?变电站集成技术的发展?现代紧凑型变电站?电网技术?赵金荣?王海峰?基于嵌入式以太网的变电站自动化系统的实现?电力系统自动化?林峰?胡牧?蒋元晨?等?电力调度综合数据平台体系结构及相关技术?电力系统自动化?谢黎?黄国方?沈健?数字化变电站中高精度同步采样时钟的设计?电力系统自动化?吴宁?潘小龙?虞皆侠?高精度?同步时钟的研究与实现?电力系统自动化?肖世杰?构建中国智能电网技术思考?电力系统自动化?高翔?数字化变电站应用技术?北京?中国电力出版社?孙一民?李延新?黎强?分阶段实现数字化变电站系统的工程方案?电力系统自动化?高宗和?戴则 梅?翟 明 玉?等?基 于 统 一 支 撑 平 台 的?与?集成方案?电力系统自动化?申屠刚?钱钢?杨贵玉?等?基于时间同步技术的新型远方终端单元设计?电力系统自动化?江道灼?男?通信作者?教授?主要研究方向?交直流电力系统运行与控制技术?电力电子及柔性交流输电应用技术?电 力 系 统 现 场 智 能 测 控 技 术?申屠刚?男?硕士研究生?主要研究方向?广域电网测控技术?电能质量监测技术?李海翔?男?教授级高级工程师?主要研究方向?电力系统运行调度?生产安全与管理?