未来电网调度控制系统应用功能的新特征

随着特高压交直流互联电网的建设、新能源的发展,以及电力市场改革的深化,中国电网运行特性发生了深刻的变化,进而对电网调度控制能力提出了更高的要求.根据电网调度控制运行的业务特点,未来调度控制系统应采取分布和集中相结合的应用功能部署模式.概述了未来电网调度控制系统应用功能的三大新特征,即全局、快速、准确,分析了实现上述应用功能新特征的技术要素,并指出了在模型、数据和管理等方面亟需开展的基础工作.

0引言

特高压交直流互联大电网的建设,提升了大范围资源优化配置的能力,也使得各级电网间耦合更加紧密,局部故障可能会影响到全局,电网安全管控面临巨大挑战,需要对大电网进行统一的实时监视和风险控制[1].中国新能源发展迅速,“十三五”末将达到320GW 以上[2],而新能源富集区弃风弃光严重,需要在线优化全网运行方式,实现在全网更大范围内消纳新能源[3-4].直流输电和新能源发电引入了大量电力电子设备,电网电力电子化特征凸显,稳定形态更加复杂,需要进一步提升大电网实时运行在线分析和风险防范能力,提供全网一体化的辅助决策,保障大电网的安全稳定运行.电力市场化的推进和监管的强化,电网调度运行的标准化和规范化运作将十分重要,调度机构将面临保障电网安全运行和市场有序运作的双重压力,电网调度控制(简称调控)系统迫切需要强化对市场交易系统的功能支撑,保证市场化运作情况下的公平公正和电网的安全稳定.

目前电网调控系统都是按调度机构独立建设和运行,虽然电网是互联的,但调控系统之间却是烟囱型的,难以及时获取管辖区域外的电网信息,电网态势分析和安全防控大部分局限在所管辖电网.这种一个调控机构建设一套调控系统的技术体系已经难以支撑大型交直流混联电网调度运行的需求,必须针对变化了的电网特性,按照“一个互联大电网,逻辑上一套大系统”的理念,建设面向全网一体化运行的电网调控系统,全面提升大电网运行的技术支撑水平和能力.

全网一体化运行的未来调控系统具有鲜明的新内涵,它将当前实时信息的局部监控和信息共享方式提升到全局监控和需则可用模式,将电网运行特性的局部分析和多级协调方式提升到全局分析模式,将电网运行风险的局部防控和区域协调方式提升到全局防控模式,将发电计划多级协调方式提升到市场化调度模式,以适应互联大电网安全运行和市场化运作的迫切需求.

未来调控系统需要在架构上有重大变化,但其支撑能力的最终体现还存在于系统的应用功能实现.应用功能除针对所辖电网外,更需要从全局角度处理全网面临的问题,可以适应故障预判、故障处置、控制措施、新能源消纳、备用支援等全局性要求,应用功能的效果是全局的,所得到的结果不再局限于本网.只有在全网模型基础上及时利用全网数据进行分析决策,才能实现应用功能全局化的目标.模型的扩大增加了计算量,给系统的处理速度带来了挑战,需要应用功能在数据获取、计算分析和电网响应等方面足够快速,以适应实时运行的需要.新增的功能和数据加大了计算的复杂性,给系统的准确性带来了挑战,需要应用功能保证信息、决策和控制等方面足够准确,实现电网安全稳定运行.未来电网调控系统应用功能的最主要特征可以概括为:“全局、快速、准确(简称全、快、准)”.快速和准确是以往调控系统一直追求的目标,全局则是未来调控系统必须具备的新特征,由此也对快速和准确提出了更高要求.

电网从单个小电网、小范围互联、弱互联电网逐步发展成当今的强耦合互联电网,广大学者在此进程中对调控系统进行了深入研究[5G10].以往电网联系相对松散,不同电网相互之间的影响较小,按照网省平衡开展调度业务,调控系统面向调度机构独立建设和运行的模式基本满足了电网运行的需求,调控系统相对比较简单,应用功能没有全局化需求,快速和准确是主要要求.另外,受当时计算机信息通信技术的限制,技术上亦难以建设全网一体化调控系统.

未来电网调控系统需要按照“物理分布、逻辑统一”的总原则[8],构建监视控制分布、分析决策集中的新型调控技术体系,在全网统一的模型基础上,由全网分析决策中心实现面向全网的应用功能.本文总结了未来调控系统应用功能全局、快速、准确的新特征,分析了支撑应用功能实现的技术要素,并指出了在模型、数据和管理等方面亟需开展的基础工作.

1应用功能的全、快、准特征

应用功能是调控系统最重要的组成部分,为各项调控业务提供最直接的支撑.应用功能只有具备了全局、快速和准确的特征,才能满足一体化电网在线调控的要求,实现调控系统支撑能力的本质提升.

1.1应用功能的全局性

应用功能的全局性是未来电网调控系统区别于以往调控系统最鲜明的特征,需要夯实全网模型和全网数据等全局化基础,对应用功能以全局视野进行升级改造,从而实现调控系统由应对局部到管控全局的跨越.

1.1.1模型全

传统调控系统只对所管辖的电网设备进行建模,建模内容集中在电网一次设备的物理属性范畴,二次设备缺乏规范的建模方法.目前尽管国/分调对省调模型进行拼接可以得到相对完整的模型,但省调在处理外部网络时还经常采用网络等值.网络等值相对比较简单,对电网分析计算结果的影响较大,模型拼接则有设备重复建模、过程复杂和实时性差等不足.

全面完整的电力系统模型是调控系统应用功能的基础,需要根据全网一体化调控的需要,将电网模型由以往各个调度机构各自构建过渡到统一建模,摒弃网络等值做法,省略模型拼接环节,简化建模流程,克服网络等值和模型拼接的弊病,并从一次到二次、从电网到环境等全方位建模,实现“一个电网、一套模型”的建设目标.电力系统二次设备对电网的安全运行发挥着越来越重要的作用,与调控业务密切相关的继电保护、安全自动装置和系统保护等二次设备需要规范建模,并自动实现与一次设备的相互关联.

特高压线路远距离输送大功率,对电网的安全运行至关重要,而线路可能跨越多个气候区,运行环境复杂多变,需要将线路杆塔、电站等设备的地理属性纳入建模范围,方便将输电通道沿线的局部气象环境与线路有效关联,提升精细化运行水平.电网建设过程中有新设备投役,也有老设备的退役或者改接等,设备模型需要反映其时间特性,实现对设备的全生命周期管理,以便精准地反演电网以往的运行过程,提前模拟电网未来的运行特性.

设备模型的物理属性主要用于电网的安全分析,发电机、负荷等设备的经济属性则是市场交易不可或缺的内容,两者需要统一建模,以解决市场化调度的模型需求,适应中国不断推进的电力市场改革需要.柔性负荷具备参与电网调节的能力,其模型需要体现需求响应特性,并进一步将大量零散负荷构建成负荷聚合模型,适应售电侧开放的市场化改革进程.

1.1.2数据全

目前调控系统处理的数据以电网一次设备的运行数据为主,包括点多面广的稳态数据、电网枢纽变电站和发电厂的相量测量单元(PMU)动态数据,以及故障录波器记录的暂态数据.未来调控系统需要额外处理诸如设备的整定值、运行状态、环境数据、操作流程甚至调度电话记录等,因为这些都是电网分析决策宝贵的数据源.继电保护、安全自动装置等二次设备有效保障了电网的稳定运行,需要准确采集这些二次设备的运行状态和定值设置等实时运行参数,提高在线稳定分析计算结果的准确性.

变压器、输电线路等设备状态监测数据也需要纳入调控系统统一管理范围之内,通过对这类数据的挖掘分析,可为在线稳定分析提供大概率的预想故障集.在确保信息安全的前提下,调控系统需要从其他系统自动获取天气、雷电、地理、微气象等外部环境数据,以帮助调控运行人员随时把握可能的安全风险;从交易系统获取交易电量和交易功率等出清结果,实现现货市场与调控系统的有效衔接.目前调控系统还没有充分重视调控人员的日常操作行为,未来调控系统需要对这类非结构化的行为模式数据进行记录保存,并通过大数据挖掘技术,将调度人员的经验转化为知识,为调控操作提供辅助决策.

调控系统的所有数据都包括实时、历史和未来三个维度.实时数据主要用于在线调度运行,通过对历史数据的充分积累,能够提高大数据挖掘分析结果的准确性,预测准确的未来数据可更好地把控电网运行趋势.

1.1.3功能全

当前调控系统基本使用本地模型和数据进行分析计算,应用功能的分析结果势必是局部的,不能满足电网一体化调控运行的需要.未来调控系统的功能全主要包含两方面含义:一方面需要对已有功能以全局视野进行升级改造;另一方面需要研发新的功能以满足不断发展的一体化调控需求.

未来调控系统需要在模型全、数据全的基础上,从全局角度设计开发应用功能,做到全局监视实时信息,全局分析运行特性,全局防控运行风险.应用功能的着眼点不再局限于本地电网,外部电网的任何变动只要对本地电网有影响都能捕捉到,从而实现大电网的一体化调控运行.在新能源广泛接入、大电网互联和市场放开环境下,电网运行特征呈现更多的开放性、不确定性和普遍关联性,以大数据为基础的人工智能将作为现有应用功能的重要补充,在调控系统中发挥重要的支撑作用.

调控系统需要对不同时间尺度的交易结果进行安全校核,保证市场化运作情况下电网的安全稳定运行.现货市场的交易结果对电网调度的影响非常大,未来调控系统需要完善现货市场技术支撑功能,并实现与多级调度计划联动协同.