大電網安全控制對通信技術需求分析范文

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摘要：

我國未來電網發展形態具有高比例間歇式清潔能源大范圍消納，與周邊國家聯網構建全球能源互聯網以及會大量應用VSC電壓源換相直流輸電等特征，交直流電網相互影響的動態響應速度加快。要滿足大電網安全穩定需求，重要的基礎是建設發展控制保護專用信息通信網（ControlandProtectionDedicatedNetwork，CPDN）（簡稱控制保護專網），實現大范圍多類型電網信息交互、融合。D-5000的WAMS系統因時滯長難以承擔控制的任務。控制保護專網信息中心級別按照信息中轉兩層架構，實現二次設備接入安全識別、信息流量控制、信息優先級調度等功能。控制保護專網原型系統已經在華中電網建成投運，新一代控制保護專網建成后，能夠實現控制與保護系統之間的信息交換，有利于相互之間協調；安控系統將具有感知電網運行趨勢的能力，有助于安全與效率之間的平衡；調度自動化業務遷移至控制保護專網后，性能指標將得到提升。控制保護專網的建設將是電網運行控制水平大幅提升的重要基礎。

關鍵詞：

全球能源互聯網；控制保護專網；信息轉運及控制；架構

引言

目前，我國電網已經到了非常特殊的發展時期，電網的特點和特征比較突出。同步電網裝機容量規模已經位居世界前列，最高電壓等級、最大輸電容量的特高壓交直流工程和電網已經建成投運多年，并初步形成特高壓交直流電網，同一送端電網、同一受端電網接入超/特高壓直流工程數量和容量規模在全球是獨一無二的[1]。不遠的將來，我國將首先推動“一帶一路”周邊國家電網互聯互通，進而實質性推動構建全球能源互聯網，因此需要更大范圍傳輸清潔綠色能源[2]。此外，我國電力行業工程師駕馭大電網安全穩定可靠運行能力面臨著新的考驗，需要面對有挑戰性的新需求。

1電網發展控制特點及其對信息通信技術的需求分析

1.1高比例間歇式清潔能源發電是未來電網發展的主要形態，需要發展結合多源信息的新型運行控制技術

根據我國能源發展戰略行動計劃（2014年—2020年），風電重點規劃建設酒泉、蒙西、蒙東、冀北、吉林、黑龍江、山東、哈密、江蘇等9個大型現代風電基地，到2020年，風電裝機達到2億kW。風電裝機規模接近華北或華中或華東2016年電網裝機水平，華北、華中、華東、西北及東北電網消納風電比例約20%~30%。隨著中國經濟的持續增長，無論是從國內還是國外的視角來看，中國應對全球氣候變化責任壓力都在持續加大，高比例（10%~50%）風電、光伏等清潔能源消納是未來電網發展的主要形態[2]。風電、光伏等清潔能源發電具有間歇性、隨機性特點，風電發電負荷較大區間一般在后半夜，電網負荷處于低谷，在北方供暖期間熱電聯產機組以供熱定電模式為主，電網調峰調頻壓力巨大。電網調峰主要依據調度發電計劃曲線及依靠調度自動化AGC系統協調，調整常規發電機機組、抽蓄機組等出力，調整響應時間一般在分鐘級。電網調頻也是依靠常規發電機包括抽蓄機組，根據頻率偏差自動實現調速器及原動機系統的功率調整。依據儲能情況（如火電原動機壓力包、水電水頭）調整響應時間一般在秒級至數秒級甚至到分鐘級范圍。電網應對更高比例間歇式清潔能源發電的策略，一方面需要建設堅強的交直流混聯電網，包括發展配套的抽水蓄能及電化學儲能等大規模電量型儲能系統，為大規模、高比例間歇式清潔能源發電消納提供必要的物質基礎；另一方面，風電和光伏發電短期功率預測已基本實現大范圍應用，對于提高電網更高精度的發電調峰和調頻控制具有工程應用價值，結合大范圍采集電網實時運行狀態、物聯設備等多源信息的系統運行控制薄弱環節分析、調峰/調頻能力分析等技術，實現大規模風電、光伏發電場主動功率調整，提升整個電網的運行控制水平。

1.2特高壓直流送端同方向、受端同方向并以捆狀

輸電，需要發展利用多源信息的新型交直流混聯電網協調控制技術±800kV天山—中州特高壓工程額定輸送容量達800萬kW、輸電距離2191.5km，于2014年1月13日完成全部系統調試試驗并正式投運，是我國首個送端風電與火電以打捆配套建設電源方式并大規模遠距離送出工程[3]。2017—2018年，還將陸續投運以風電與火電以打捆配套建設電源方式的±800kV、800萬kW酒泉—湖南、1000萬kW錫盟—江蘇2條特高壓工程。預計到2020年，送端西北、華北、東北“三北”并且受端在華北~華中~華東方向的直流工程將達到20多回[4-5]。當前我國電網建設發展存在“強直弱交”現象，特高壓直流的建設投運速度遠遠超過特高壓交流，交流電網可能難以承受故障轉移功率沖擊或者難以為多回特高壓或超高壓常規直流電網換相換流器（LineCommutatedConverter，LCC）提供有效的電壓支撐，交流系統存在薄弱環節，還可能反過來限制特高壓直流輸送能力[6]。如2015年9月19日，錦蘇特高壓直流帶負荷540萬kW發生雙極閉鎖，造成華東電網頻率跌落至49.563Hz、越限持續207s，對電網安全穩定造成嚴重影響[7]。為解決“強直弱交”問題并保障電網的安全可靠運行，一方面需要按照“強直強交”原則構建交直流協調發展交直流混聯特高壓電網；另一方面，客觀上電網已經形成送端同方向、受端同方向、直流落點密集多條直流捆狀群，可能影響的范圍更加嚴重，客觀上需要考慮利用多源信息，加強直流捆狀群與交流電網的協調控制能力，更好地應對大規模、高比例間歇式清潔能源大范圍消納。

1.3電力系統一次設備“電力電子化”特征發展趨勢明顯，需要發展與此相適應的快速安全穩定控制技術

隨著大功率絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）、脈寬調制（PulseWidthModulation，PWM）和多電平控制等技術的成熟，國內自換相的電壓源換流器（VoltageSourceConverter，VSC）直流實現了示范工程應用[8]。上海南匯、廣東南澳、浙江舟山等以電纜線路輸電形式的多端柔直工程已經建成投運，即將規劃建設渝鄂±500kV背靠背柔直工程，以及以架空線路輸電形式的±500kV張北柔直電網科技示范工程，工程計劃于2018年前后建成投運。張北柔直電網工程將重點示范的安全穩定控制關鍵技術主要有：純風電和光伏發電系統并且無常規同步電源電網運行控制技術，直流電網與落點交流電網有功功率和頻率類、無功功率和電壓類的協調控制技術，以及直流電網與風電、光伏、抽水蓄能等多能源發電協調控制技術等。LCC常規直流采用晶閘管只能控制導通而不能控制關斷，通過控制觸發角實現直流電壓一個維度調整控制；VSC直流采用基于IGBT和與之反并聯二極管組成基本模塊的核心部分，可控制導通和關斷，進行2個有功類和無功類維度調整控制[9]。因此VSC柔直的動態響應比常規直流響應更快，柔直電網可控制的目標也隨著節點規模的增加而增加。為充分利用柔直電網“電力電子化”特征明顯的快速響應性能，需要依靠控制信號傳輸時滯小、容量大、覆蓋范圍廣的信息通信處理技術，利用風電和光伏發電短期功率預測、D-5000調度自動化、交直流電網實時運行狀態數據等多源信息，滿足柔直電網與交流系統間多元化控制的需求和多目標控制可能需要協調的需求，也可以適應未來電網高比例間歇式清潔能源發電大范圍消納的需求[10]。

2與安全穩定分析控制業務相關的信息通信技術發展現狀

從大電網安全穩定計算分析和控制的角度來看，信息通信技術涉及安全穩定控制專用通道、調度自動化D-5000平臺SCADA/EMS系統和WAMS系統，以及智能變電站網絡系統。

2.1電網安全穩定控制信息通信專用通道

采用專用信息傳輸時滯小，數據傳輸可靠性較高。即使在信息通信通道檢修情況下通道也能夠實現“一主一備”模式運行，能夠在300ms內實現從信號觸發、處理到安全穩定控制裝置動作完畢全過程[11]。安控系統對于電網的安全穩定運行發揮了重要作用，目前已經投運的安控系統相互間并沒有信息交互，處于信息孤島狀態，適應未來電網多目標、多約束條件下安全穩定控制的壓力較大。

2.2調度自動化網

SCADA系統承擔EMS調度自動化系統重要數據采集等任務，基本理念是假設系統運行狀態在分鐘級范圍內變化不大。調度自動化系統的安全穩定計算分析功能是EMS高級應用系統中近幾年逐步接近于成熟的業務，是調度運行人員了解和掌握電網安全穩定特性的重要手段之一。面向安全穩定分析業務的優點及不足分別表現在以下幾方面。優點：計算分析所需數據量豐富，潮流計算所需的電源開機、電網一次設備投運狀態及變電站負荷等電網結構和電網運行狀態等主網信息均能夠提供，基本可以滿足計算分析業務需要。不足：難以實現安控裝置動作邏輯模擬功能，原因是廠家多、裝置量大而廣，接口很難接入在線安全分析系統，較難實現實時校核安控策略對當前狀態適應性的功能。WAMS系統包括PMU裝置已經廣泛應用于電力系統，應用最多的是系統運行狀態監測和記錄、故障錄波；其次是用于基于實時量測數據的電網運行軌跡分析，如小干擾穩定分析和擾動源定位等功能。基于WAMS系統的穩定控制理論上研究的較多，用于安全穩定實際控制的成功案例幾乎沒有，究其原因首先是用于控制的信息傳輸機制欠缺，在建設設計階段沒有提出應用于控制的需求以及欠缺大量控制信息傳輸時如何處理的方法，WAMS系統只是定位于錄波和數據存儲，其正常運行時時滯可能很小，但通信鏈路檢修狀態下時滯可能長達數秒級，難以滿足安全穩定控制信息對時滯、通道可靠性等方面的要求；其次是采用IP尋址技術，大量信息時存在網絡阻塞問題。

2.3智能變電站

智能變電站發展的驅動力之一來自設備層面，節約人力和物力資源以及環境資源，提升變電站運行效率。與以模擬量量測信號為特征的常規變電站相比較，智能變電站信息化、網絡化程度較高，變電器、開關等一次設備和電力系統自動控制裝置二次設備狀態參數和運行數據可采集、匯總的信息倍增，變電站包括自動控制、運維效率等業務在內的運行水平顯著提升。從大電網安全穩定控制的角度來看，雖然智能變電站可以利用的信息容易獲得、控制輸出也更易實現，智能變電站的控制對象為變壓器抽頭調整等站內慢速過程的調整、低頻/低壓減載等電網安全穩定第三道防線設備的控制對信息通信時間響應性能要求不高。但電網安全穩定第一和第二道防線，對信息通信時間響應性能要求較高。智能變電站如果緊急控制期間出現網絡阻塞或丟包等問題，將增加信息通信時延，對穩定控制效果不利[12]。

2.4控制保護專網原型系統建設經驗教訓和分析

國家863計劃“提升電網安全穩定和運行效率的柔性控制技術”課題研究了大電網智能柔性控制系統，在華中電網成功進行了示范應用以及長期運行，華中跨區交直流協調控制系統工程具備9回直流和交流系統共70個信號的協調處理能力，除具備直流緊急功率控制功能外，還具備直流功率調制和直流阻尼調制等功能，驗證了基于多源信息中轉調度模式的跨區協調控制工程實施可行性，提升了電網運行效率和安全穩定水平[11]。圖1為示范工程控制保護專網原型系統，站間流向為信息通道。在示范工程實施過程中的經驗教訓為：WAMS系統信息傳輸時滯長，難以滿足廣域控制對信息高速、可靠傳輸的要求；控制用信息通信系統多采用點對點形式，未實現信息聯網，信息難以實現共享、利用率低；控制信息與調度數據網彼此孤立，難以實現聯動。信息化是智能電網發展的重要特征之一，在配用電側尤為重要，主網具備多源數據融合、滿足多業務實時數據傳輸需求的信息通信系統是實現大電網智能分析與廣域協調控制的基礎。隨著國家能源戰略對特高壓交直流發展計劃中“四交、四直”的落實，大規模新能源基地及其送出工程的投入建成，以“三華”電網為中心的特高壓交直流混聯電網的“強直弱交”特征更為突出，大電網的安全、高效運行需要以更為靈活、可靠、高速的信息通信體系為基礎的安全穩定分析及控制系統作為必要的保障。必須研究基于廣域多源數據實時中轉處理的穩定控制信息通信體系架構及具有可操作性的構建方案和運行控制措施，滿足安全穩定控制實時性和可靠性的要求，解決不同安控系統信息的“孤島”問題、原有WAMS系統時延至少數秒和難以承載海量實時信息傳輸問題以及連鎖故障防御仍處于被動防御狀態等難題。安控、WAMS、智能變電站及控制保護專網穩定控制性能和功能拓展性能比較如表1所示。

2.5控制保護專網實現思路及核心功能要點

從以上分析可以看出，與安全穩定分析控制相關的信息通信業務雖然能夠滿足當前電網的需要，但難以滿足未來電網的需要，有必要建成面向電網安全穩定業務需要的控制保護專網。控制保護專網的建設要點是：實現信息通信流可管、可控，并可以管理安全穩定控制類設備的自動接入身份識別。從帶寬及利用率、業務承載能力等方面來看，SDH/MSTP業務小范圍用于安全穩定分析控制已是成熟技術，但用于應對大范圍、大容量安全穩定控制信息交換其承載能力壓力較大。需要考慮采用PTN技術，設備帶寬達到1000M和10G，業務承載性能更好，實際成熟時應考慮優先采用[12]。此外，對于輸電距離達到數千km或者對于通信時滯敏感場景，可以考慮載波通信技術，類似于股票信息交換技術也可利用，大量信息同時觸發，可靠性也較高。

3控制保護專網關鍵支撐技術及應用前景

3.1關鍵技術

從未來適應高比例清潔能源消納的電網發展形態以及電網安全穩定協調控制的需求分析，未來電網需要發展滿足安全控制大范圍信息交換、捆狀多換流站間協調控制等方面的技術，發展基于控制保護專網的跨區大容量輸電交直流電網協調控制技術，核心是實現原有安全穩定控制專網、調度自動化網、站域網等信通網的安全穩定控制保護業務數據融合，特征是具備信息傳輸通道和信息流的“調度”管控能力、管控多廠家信通和安控以及監測設備的標準化接入，適應我國電力市場化復雜運行條件、大范圍和高比例間歇式清潔能源消納等背景下的安全穩定分析與控制業務發展需要。主要關鍵支撐技術體現在以下幾方面。

1）控制保護專網信息通信通道架構和信息管控及設備研制。主要研究建設控制保護專網組網技術路線及技術經濟比較，制定控制保護專網安全防護、信息交換標準，研發信息通信硬件管控平臺（核心芯片）、軟件管控平臺，研制適應控制保護業務數據轉發模式的信通設備。

2）基于控制保護專網的交直流協調控制技術研究。研發適應更多直流信息交互、具備連續換相失敗防御的交直流協調控制方法；借鑒運行方式計算數據安排的思路，研究結合實時信息等多源信息的跨區輸電穩定特性、安控策略校核方法；研究基于多源信息的連鎖故障主動防御技術，包括聯絡線振蕩中心廣域快解和振蕩軌跡預測解列技術。

3）基于控制保護專網的安全穩定控制關鍵設備研制。研制監測與控制一體化設備，監測設備支持控制信號、支持物聯設備信息處理、支持電磁暫態記錄、支持控制設備自適應模塊化接入，解決在役PMU錄波性能不一致、對控制支撐薄弱問題；研制能夠遠程維護、支持多源信息接入的安控裝置；研究與直流、安控設備信息交互的接入技術標準。

4）研發支撐全球能源互聯網格局的信息通信架構及設備研制。研發支撐多業務并且信息安全符合防護要求的大容量、高性能信息通信技術，研制自適應安全身份識別和辨識等關鍵設備，突破PTN技術瓶頸。

3.2應用前景

控制保護專網建成后，能夠實現控制與保護系統之間的信息交換，有利于相互之間協調；安控系統將具有感知電網運行趨勢的能力，有助于安全與效率之間的平衡；調度自動化業務遷移至控制保護專網后，在線安全分析等高級應用數據質量等性能指標將得到提升；安控裝置動作邏輯實現聯網后將能夠實現安控策略實時分析校核；交直流協調控制系統將具備更廣域的控制能力，能夠實現直流送端與受端聯合多回直流相繼長時間換相失敗的交直流系統主動防御，控制保護專網應用前景廣闊。

4結語

基于國家863計劃項目配套跨區交直流協調控制示范工程成功經驗，為適應我國未來電網發展形態以及全球能源互聯網建設發展需求，提出了發展廣域交直流協調控制技術的思路，重點建設控制保護專網，重點研發接入控制保護專網的新型安控裝備和信通管控平臺和設備，同時也需要實現針對跨區輸電結合多源信息分析和控制技術上的突破。實現故障跨區影響傳導的預防性協調控制，是一種適應于大電網發展趨勢的跨換代技術，對于安全穩定控制保護技術的發展具有重大影響和示范作用。

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作者：卜廣全 趙兵 胡濤 于之虹 單位：中國電力科學研究院