構建多級調度協同控制實驗系統方案的探索

彭躍輝， 葛丹丹

（華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室，北京102206）

0 引 言

目前，我國電網調度管理體系普遍存在著缺乏橫向協同、縱向貫通、整體協調難、運轉效率低等突出問題，而其中最為突出迫切需要解決的是多控制中心之間的一體化建模與計算問題。在實際電網中開展多控制中心之間的協同控制研究是非常不現實的，因此如何在離線的實驗室環境下借助仿真［1-2］、計算機等技術構建與實際電網一致的多級調度運行場景是解決上述難題的主要途徑。此外，高校作為理論研究、技術研發的重要基地，常因缺乏合適的測試環境無法開展多控制中心的協同控制研究，這些客觀因素極大地限制了相關工作的研究進展以及研究成果的實際落地。

在實驗室環境下重現與實際電網一致的多級調度運行場景是系統級的仿真問題，目前系統層面的仿真大多局限于獨立的研究對象，其中分別以電網［3-4］、電源［5］、調度中心模擬［6-7］為研究對象的成果較多而且也較為成熟，中國電科院曾開發出電網與調度中心聯合的仿真系統［8］，但不包括電源的詳細仿真，無法為新能源接入的源網協調、AGC閉環控制等提供研究平臺；南方電網科研院也曾以交直流大電網機電-電磁暫態混合仿真為重點，開展交直流電網與調度控制的混合仿真研究［9-11］，但不涉及多級調度控制系統平臺的構建。因此在實驗室環境構建多控制中心之間的運行環境，為分布式計算等的研究測試提供基礎條件仍然是待解決的問題之一。

華北電力大學新能源電力系統國家重點實驗室（以下簡稱實驗室）研發的源網聯合仿真平臺［12-13］為在實驗室環境下搭建多級控制中心運行場景提供了思路。源網聯合仿真平臺是一套可實現全動力過程電源仿真、大規模電網實時仿真以及調度控制中心模擬于一體的綜合實驗平臺，初步具備了可提供調度控制中心運行所需要的模型環境和數據環境，并且該平臺具有良好的移植性、可擴展性，可根據研究需要對模型進行調整，對功能架構進行完善優化。因此為了解決實驗室環境下缺乏適用于多級調度協同控制的運行環境這一客觀問題，進一步完善現有平臺的功能架構，本文依托實驗室現有的源網聯合仿真平臺進行功能擴展，構建出適用于多級調度協同控制研究的實驗系統，并給出相關關鍵技術的解決方案。

1 系統框架

多級調度協同控制實驗系統內部的數據通信是指EMS系統之間的互聯互通。調度控制中心之間數據通信的方式是基于以太網進行數據轉發，由于網絡負載率高、傳輸距離遠等原因，數據接收端總是會存在數據接收延遲或錯誤量測等。本文所構建的多級調度協同控制實驗系統是直接在實驗室內局域網來實現的，實驗室環境下不具備與實際電網一致的廣域網網絡環境，若EMS系統之間直接進行數據通信，不能真實模擬調度中心之間存在的數據誤差，進一步來說會影響新型在線控制軟件測試結果及其在實際電網中的推廣應用。因此需要通過在EMS系統之間構建具有廣域性質的調度數據網的方式來解決上述問題。

EMS系統本身支持多種數據接口，包括以標準格式的文件，基于實時庫接口函數以及基于FES子系統進行數據的導入導出。其中文件形式主要適用于離線分析環境，實時性較差，實時庫接口可能會出現量測合格率偏低的現象，且調試過程繁瑣，FES子系統本身的功能模塊是封裝的，在實際電網環境中得到了實踐性的驗證，可以保證長時間穩定運行。因此本文選擇基于FES服務器進行數據轉發的方式建立上下級調度中心的數據環境。本文構建的多級調度協同控制實驗系統的功能架構如圖1所示。

圖1 多級調度協同控制實驗系統功能框圖

在實驗室搭建多級調度協同控制實驗系統的關鍵是構建虛擬的調度數據網。從圖1可以看出，調度平臺中專門用于實現數據收發的FES子系統直接接入虛擬的調度數據網，調度平臺之間可以通過虛擬的數據網進行量測數據和模型數據的交互。

此外，若進行分布式計算的研究測試工作，并且考慮到直接在調度平臺中進行分布式計算模塊的嵌入，需要外單位提供大量的技術支持，在研究工作開展初期面臨大量的測試調整工作，直接嵌入調度平臺沒有直接必要性，因此可以通過在調度端設置獨立的工作站，用于調整控制中心之間同一時刻的量測斷面。該工作站從控制中心獲取數據的方式有兩種：① 通過ftp協議將整個潮流斷面取出，再根據自身需要解析出所需量測信息；② 基于FES服務器的數據轉發功能，通過與FES子系統之間建立數據通道的方式，獲取指定量測信息。在分布式計算系統中，分布在各地的子系統在時間上可能同時要求啟動計算，這也就要求在多級調度系統中有一個控制中心作為事件發起者，其他控制中心扮演事件追隨者的角色。

以圖2為例，圖中分布式計算工作站1作為事件發起端，向工作站2發送量測數據請求，工作站2接收到數據請求后，返回確認信息，將來自FES子系統的最新的幾個數據斷面取出，并通過虛擬的調度數據網傳輸至工作站1，同時工作站1在接收到確認信息后，從FES子系統中接收轉發量測數據，工作站1將兩側系統的量測斷面進行分析處理后，反饋給工作站2相應的處理信息，以便工作站2進行量測斷面的調整，然后再作為實時量測通過FES寫入SCADA應用，供本地PAS狀態估計計算用，由此便實現了分布式計算系統同時啟動計算的要求。

圖2 分布式計算系統同時啟動流程圖

2 構建虛擬調度數據網

實際電力系統中不同級別調度由于分布在不同的地理位置，只能通過廣域的調度數據網進行通信和協調。廣域調度數據網具有可靠性低、便于異構系統接入的本質特征。數據網的信息通信層主要包括交換機、路由器等通信設備以及鏈路管理、流量調節、通信協議等通信規約，其主要功能是實現數據信息的傳輸。信息交互過程中會出現通信延時、中斷、丟包或惡意攻擊等。

結合實際調度數據網的上述特征，可直接依托實驗室現有的廣域網模擬器來復現調度數據網。從圖3可以看出，廣域網模擬器是由數量不同的交換機和路由器組成，通過普通網線和光纖等實現不同設備之間互連，然后再依托上層管理工具進行鏈路、流量、帶寬等的管理。在實際應用中發現，廣域網模擬器的使用并不具有通用性，主要表現在其允許接入的外部設備需配置固定網段的IP、網絡結構更改流程復雜、現有帶寬最大可擴展至100 MB等，若實驗人員不具備熟練的網絡管理經驗，很難開展相關工作。

圖3 廣域網模擬器網絡結構

仿真模擬在網絡研究中可以節省資金、容易操作、結果可靠、接近實際。因此，可采用仿真模擬的方式復現出廣域調度數據網，在眾多主流的網絡仿真軟件上［14-15］，OPNET Modeler［16］軟件具有豐富的技術、協議、設備模型庫和適合各個層次的建模工具以及靈活強大的仿真分析工具，特別適合各種網絡仿真研究。此外，OPNET Modeler提供了系統在環（System in the Loop，SITL）仿真接口方式，允許與多個硬件設備同時進行數據交互。因此本文從操作簡便性、功能可擴展性等方面考慮，選擇OPNET Modeler作為信息通信系統的實時仿真工具。

OPNET Modeler通過SITL模塊可為多個真實的物理網絡接口配置不同的虛擬地址，從而使多個真實網絡設備能夠通過以太網接口與OPNET中的仿真模型進行數據交互，實現聯合仿真。根據所連接系統的性質，SITL半實物仿真包含真實網絡-虛擬網絡（Real-Sim）、真實網絡-虛擬網絡-真實網絡（Real-Sim-Real）和虛擬網絡-真實網絡-虛擬網絡（Sim-Real-Sim）3種配置模式［16］。結合圖1所示的功能結構圖可知，選擇真實網絡-虛擬網絡-真實網絡這種配置模式（見圖4）可以與實驗室已有平臺進行無縫對接，即通過兩個SITL模塊分別與兩級調度控制平臺的FES子系統相連。

圖4 真實網絡-虛擬網絡-真實網絡配置模式

利用OPNET Modeler對通信系統進行仿真的具體過程為：①在OPNET軟件中搭建通信系統模型，并設置相應的通信節點，包括實際節點和虛擬節點。實際節點是指電力系統中實際運行設備的通信節點，而虛擬節點是指為了模擬網絡擁堵等場景，虛設的一些只考慮通訊性能而不進行電力仿真的通訊節點。② 在設置IP地址時，由于不同調度控制平臺不在同一網段，因此需要在OPNET中配置交換機和路由器，并且在路由器中配置靜態路由表，以實現不同網段的連接。③OPNET主機中的網卡通過以太網實時接收調度控制平臺產生的數據信息，并通過SITL模塊將數據送至服務器進行通信網絡的仿真?？偟膩碚f，OPNET Modeler主要負責連接多級調度平臺，傳輸其產生的數據信息，同時還可模擬通信延時、中斷和網絡攻擊等通信異常場景。

3 分布式協同建模技術

區分上下級調度是按照覆蓋管理區域的不同來實現的，如上級調度部門覆蓋下級調度部門的所有管理區域，但由于與下級調度部門功能職責的分配不同，并不需要建立全網的詳細電網模型，只需要針對其直接遙控和監控的部分區域進行詳細建模，其他區域則只需搭建基本框架，量測信息通過下級調度主站轉發的形式獲得。

目前實驗室用于模擬實際電網的是RTDS仿真平臺，結合調度中心配置及實際電網的地理區域進行分片，并保證彼此之間有相互重疊的小區域?；赗TDS平臺進行電網模型的搭建時，并不需要考慮實際地理位置，因此屬于同一片區域的廠站模型可能不在同一個計算單元上，得益于RTDS的計算單元之間可以通過設置輸入輸出模塊或者搭建DNP串行器模塊，實現量測的跨計算單元的傳輸，因此在進行電網模型分片時，可以不用考慮量測輸出和外部控制指令輸入的問題。

在實驗室現有的EMS系統中構建適用于分布式協同控制的電網模型，具體操作如下：在其中一套系統上搭建完整的電網模型；另一套系統上選擇部分區域電網進行搭建，由于與其他未被選擇的區域電網之間存在不可分割的電氣聯系，因此不能直接忽略實際連接關系，否則不符合潮流割集平衡的規律。

以某區域性電網為例（見圖5），在實驗室現有的兩套EMS系統中搭建上下級調度電網模型，如在實驗室現有的二期EMS系統上搭建部分區域電網，一期EMS系統上搭建全部電網模型。電網模型中A站和B站作為邊界節點存在，A站包含在二期EMS系統將要搭建的區域模型中，但A站與B站之間存在重要的500 kV輸電通道，若直接忽略是不合理的，但將兩者之間的輸電線路直接作為負荷掛接在A站節點上，從功率平衡來說是合理的，但不能直觀體現A站與B站之間的電氣連接關系。因此即使B站節點不在二期EMS系統的建模范圍內，仍在SCADA應用的廠站信息表中新增B站，目的是在交流線段表中可以新增A站與B站之間的輸電線路，并在A站的廠站接線圖中進行設備元件連接，來自RTDS的量測信息也直接與該記錄的相應域進行關聯。使其區別于其他交流線路的方法是在交流線段表中編輯“等值標志”域值等值為發電機或負荷，具體等值為哪種形式，要視實際潮流方向而定，以流入母線為正；若為正，則編輯為等值為發電機；若負，則編輯為等值為負荷。

圖5 某區域性電網分片建模

4 結 語

適用于互聯電網一體化計算的分布式計算算法等多級調度協同控制技術由于缺乏合適的數據環境，一直沒有得到實踐驗證。源網聯合仿真與控制實驗平臺在實驗室中重現了實際電網的運行環境，為提供多級調度協同控制實驗系統的構建提供了必要的基礎條件。多級調度協同控制實驗系統的構建主要涉及兩個關鍵問題，關于虛擬調度數據網的構建，本文選擇技術已非常成熟的信息通信仿真技術實現，并選擇OPNET作為實際仿真工具，結合OPNET的工作機制以及所需數據環境的本質特征，提供了具體的實現流程；關于適用于分布式協同控制的電網模型構建，考慮到本文構建的實驗系統所依托的電網運行環境源自RTDS仿真器，采用將RTDS電網模型進行分片處理的方式，基于不同的模擬控制中心EMS系統分別建模。本文給出的多級調度協同控制實驗系統構建方案是在實驗室現有資源的基礎上綜合考慮多種因素給出的，不一定適用于其他實驗室環境下，因此如何構架出具有普適性的多級調度協同控制實驗系統是未來需要開展的研究內容。