摘 要：網(wǎng)絡(luò)為電力系統(tǒng)的運行與控制提供了嶄新的空間，同時也帶來了巨大的挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)化是電力二次設(shè)備繼數(shù)字化(微機化)以后的在一個較長時間內(nèi)起主導(dǎo)作用的主題。文中針對基于網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)運行與控制系統(tǒng)(PNCS)的一些相關(guān)問題進行了討論，包括發(fā)展展望、研究工作現(xiàn)狀和有待解決的問題等。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)化控制;電力系統(tǒng)運行與控制;信息傳輸;智能二次設(shè)備;二義性
現(xiàn)代大型電網(wǎng)的安全控制是一個未能很好解決的復(fù)雜問題，2003年的美加大停電便是例證，美國《技術(shù)評論》雜志已將其列為九個開拓性的新興科技領(lǐng)域之一。電力系統(tǒng)中現(xiàn)有的各種控制系統(tǒng)(如繼電保護、綜合自動化、功角穩(wěn)定控制、無功電壓控制)之間相互獨立，且大多數(shù)采用點對點式的專線通信方式。如將基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)(Networked Control System，NCS)技術(shù)引入電力系統(tǒng)，可望為解決大系統(tǒng)的安全控制問題提供一條嶄新的途徑。
NCS的巨大優(yōu)越性使其必然也會在電力系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。但建設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)的投資巨大，不太可能為各種特定的功能建設(shè)各自獨立的網(wǎng)絡(luò)，各種控制信息及電力系統(tǒng)的其他運行信息運行于同一電力信息專用網(wǎng)絡(luò)平臺上的可能性比較大(也可能將公用網(wǎng)絡(luò)納入電力信息網(wǎng)絡(luò)中，以實現(xiàn)某些特定信息的傳輸，或作為某些運行情況下傳輸某些信息的備用)。本文稱這樣的電力信息專用網(wǎng)絡(luò)平臺及其所聯(lián)的各種電力二次設(shè)備，為基于網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)運行與控制系統(tǒng)(PNCS)。
PNCS的實現(xiàn)可顯著簡化控制設(shè)備的連接方式，實現(xiàn)各種異構(gòu)控制設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)集成和信息共享，使全局穩(wěn)定控制和全局繼電保護等一些嶄新的控制功能成為可能，它的進一步發(fā)展可能會模糊現(xiàn)有電力系統(tǒng)控制設(shè)備之間的界限。但電力系統(tǒng)各種控制設(shè)備的信息差異很大，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸控制信息將存在時延不確定、路徑不確定、數(shù)據(jù)包丟失、信息因果性喪失等問題，在實際應(yīng)用PNCS前必須從理論上解決這些問題。目前還沒有學(xué)者明確提出就該問題進行系統(tǒng)的研究。解決上述共性問題、掌握基于網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)控制的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，將是我們在新一代電力系統(tǒng)控制設(shè)備競爭中面臨的一大挑戰(zhàn)。
在過去的一段時期內(nèi)，數(shù)字化是電力技術(shù)發(fā)展的標(biāo)志性成果之一;信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)是下一階段的發(fā)展主題之一。在數(shù)字化發(fā)展過程中，對具體裝備的數(shù)字化研究工作比較關(guān)注，與數(shù)字制造等領(lǐng)域相比，針對數(shù)字化的概念、共性問題等開展的宏觀性研究工作相對較少。在網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展過程中，選擇哪一種研究模式也是一個值得探討的問題。基于這樣的認(rèn)識和對未來的評估，本文針對PNCS的一些相關(guān)問題進行了討論。
2 發(fā)展展望
網(wǎng)絡(luò)化帶來的最直接變化是變電站二次設(shè)備接線形式的改變。數(shù)據(jù)采集和控制命令由點對點的專線傳輸轉(zhuǎn)向由公共網(wǎng)絡(luò)傳輸。這一轉(zhuǎn)變將使二次設(shè)備的接口規(guī)范化、簡單化、便于維護和擴展。規(guī)范化和簡單化系指使用同樣的網(wǎng)絡(luò)通訊接口采集或輸出數(shù)據(jù)，二次設(shè)備的輸入輸出接口在形式及數(shù)量上都將變得簡單，且不同設(shè)備采用相同的技術(shù)。
在變電站網(wǎng)絡(luò)上接入大量二次設(shè)備以后，人們便會考慮調(diào)整一些二次設(shè)備的功能，因而影響到網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⒌淖兓Ｈ纾涸邳c對點時代，可能對許多二次設(shè)備采集同一電流或電壓量，再進行濾波處理。在網(wǎng)絡(luò)化時代，可在采集裝置中進行這些模擬量的各種公共的前期處理，再將處理結(jié)果量通過網(wǎng)絡(luò)傳給眾多二次設(shè)備。因此使變電站二次設(shè)備的組成及各種設(shè)備的軟件發(fā)生變化，智能的數(shù)字化采集裝置將得到廣泛應(yīng)用。
發(fā)展的第三階段便是基于網(wǎng)絡(luò)的各類二次設(shè)備的數(shù)據(jù)交換和信息集成，實現(xiàn)變電站數(shù)據(jù)的無二義、可重用。網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)集成提供了最為廣闊的空間，但要完成這一步非常艱巨，考慮到二次設(shè)備制造廠家眾多及變電站已有的眾多數(shù)字二次設(shè)備，這一步的實現(xiàn)將需要較長的時間。
在實現(xiàn)了變電站數(shù)據(jù)無二義后，網(wǎng)絡(luò)化的優(yōu)勢才開始真正體現(xiàn)，帶來變電站數(shù)字設(shè)備的變革，即數(shù)字設(shè)備功能的結(jié)構(gòu)性調(diào)整和新功能新設(shè)備的層出不窮。具體舉例如下：現(xiàn)有各類數(shù)字設(shè)備和系統(tǒng)中的某些功能是相互重復(fù)的，這些重復(fù)的功能在數(shù)據(jù)無二義的基礎(chǔ)上可以合并。經(jīng)過以上發(fā)展后，許多裝置的功能已變得非常簡單，加上計算機技術(shù)本身的發(fā)展，許多裝置作為物理硬件存在的必要性將受到質(zhì)疑，許多硬件平臺將被合并，變電站裝置的數(shù)目將顯著減少，且不同功能硬件平臺的結(jié)構(gòu)都將實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，數(shù)字設(shè)備的硬件多樣性也許將一去不返，只剩下規(guī)范化的硬件平臺，具體功能由軟件來實現(xiàn)。此外，由于網(wǎng)絡(luò)提供了聯(lián)系手段，數(shù)據(jù)的無二義將使各類數(shù)字設(shè)備之間可以相互交流，一些以前不能實現(xiàn)的新功能將變?yōu)楝F(xiàn)實，如各類數(shù)字設(shè)備記錄的電力系統(tǒng)故障信息的綜合分析和應(yīng)用。
從系統(tǒng)級的角度來看，網(wǎng)絡(luò)化帶來的變化主要集中在后兩個階段，目前頗受關(guān)注的廣域控制和廣域保護、故障信息處理系統(tǒng)等均是這方面的代表。網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展將使獲得全局信息的成本大為降低，獲取信息的速度也越來越快，系統(tǒng)級的新功能將越來越多。最終網(wǎng)絡(luò)將使電力系統(tǒng)中的任何數(shù)據(jù)和信息均可簡單地得到，且無二義性，變電站的數(shù)字設(shè)備被功能強大的標(biāo)準(zhǔn)化計算設(shè)備所替代，研究人員的主要精力將用于開發(fā)各類功能強大的軟件，而變電站“新設(shè)備”的安裝，也可能由某一個電力系統(tǒng)軟件管理中心的值班人員在遠距離完成，將某單位開發(fā)的新型功能軟件通過網(wǎng)絡(luò)傳送到某個變電站的超級計算機，由軟件去適應(yīng)變電站的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，并開始發(fā)揮作用。電力系統(tǒng)的實時控制現(xiàn)在大多數(shù)由就地裝置完成，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)展到足夠快速以后，也可能由超級計算機在收集全局實時信息以后作出控制決策，從根本上改變電力系統(tǒng)二次系統(tǒng)的面貌。
現(xiàn)有的研究工作主要集中在網(wǎng)絡(luò)時延對電力系統(tǒng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響分析、信息傳輸特性的分析、網(wǎng)絡(luò)信息流控制技術(shù)、通信體系結(jié)構(gòu)等方面。盡管以往沒有明確提出對PNCS進行研究，但許多研究工作都可歸結(jié)為以下幾方面：
(1)網(wǎng)絡(luò)時延對控制系統(tǒng)的影響。文[1]對基于信息網(wǎng)絡(luò)的三方負(fù)荷頻率控制(LFC)進行了仿真研究，研究結(jié)果表明，在參與調(diào)頻的電廠中，當(dāng)超過66%的電廠收到的頻率控制信息延時超過兩個數(shù)據(jù)包的傳輸時間時，電力系統(tǒng)的頻率將發(fā)生振蕩。文[2]對基于網(wǎng)絡(luò)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)的動態(tài)特性進行了仿真研究，結(jié)果表明，網(wǎng)絡(luò)時延大于250ms時，發(fā)電機的有功出力將出現(xiàn)振蕩。其他類似的研究也都表明控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性表現(xiàn)出很強的時延依賴性。
