智能电网中基于网格的可视化调度系统

朱子坤1,梁俊斌2

(1 广东电网公司茂名供电局,广东茂名525000;2 中南大学信息学院,湖南长沙410082)

摘要:针对传统可视化调度系统无法提供数据共享、协作决策功能,难以适应当前规模大、结构复杂、调度难度大的电网发展需要的问题,提出将基于网格的可视化调度系统应用到智能电网中。为此,分析和介绍了基于网格的可视化调度系统的优势,实现途径及其功能。该系统可以充分发挥网格计算能力强、数据共享程度高、可扩展性强的特点,为智能电网提供了高标准的调度功能。

关键词:智能电网;网格;可视化;调度系统

中图分类号:T M734;T P18 文献标志码:B 文章编号:1007-290X(2011)03-0083-04

Grid-based Visual Dispatch S ystem in Smart Grid

Z HU Z-i kun1,L IA N G Jun-bin2

(1 M ao min Pow er Supply Bure au o f G P GC,M ao min,G ua ngdong525000,China;2.Scho o l of I nfo rma tio n Science and Eng ineer ing,Centr al So uth U nive rsity,Changsha,H unan410082,China)

Abstract:A iming a t fa ilur e o f the co nvent io nal visual dispa tch system to pro v ide such func tio ns as da ta shar ing and colla bo r ativ e decisio n,mee t the needs o f de velopme nt of cur rent po wer gr id char acter ized by larg e scale,co mple x str uct ure and diff icult dispatch,it is pro posed to a pply the gr id-ba sed visual dispatch sy stem in sm art gr id.T her ef or e,the paper analyzes a nd intro duces a dv antag es o f gr id-ba sed v isual dispatch system as w ell as appr o aches fir re alization and f unctions. T he system can g iv e full play to advanta ges such as high g rid computing capacit y,intensified da ta shar ing and exce llent exte nsibilit y,pr ov iding hig h-standard dispa tch funct io ns fo r smar t gird.

Key words:sma rt g rid;gr id;visua liz atio n;dispatch system

随着电网规模不断增大,结构日益复杂,电网调度员面对海量信息做出正确决策的难度越来越大,耗时也相应延长,因此迫切需要有新的方法、手段和工具对电网进行实时监视和控制,确保电网安全经济运行。可视化调度系统作为智能电网和智能调度发展的重要步骤,迅速引起广大科研工作者的关注与研究。研究者和高层决策者试图将可视化调度系统应用于实际的电网调度中,这个观点得到了电力主管部门的高度重视[1]。

传统的可视化调度系统往往针对单一的任务,无法提供可共享、具有高度扩展性和动态适应的服务,因此无法真正应用到复杂的智能电网中。真正的智能化可视化调度系统必须具备强大的计算能力、高度数据共享、可扩展性强的平台,网格[2]的出现,正好提供了这些功能。网格是在20世纪90年代初被正式提出来的,经过10多年的研究和发展,已经成为继Inter net和Web之后的第三次浪潮。网格是一个集成的计算和资源环境,或者说是一个计算资源池,它能充分吸纳各种计算资源,并将它们转化成一种随处可得、可靠、标准和经济的计算能力,具有跨平台、数据完全共享、计算能力强、集成有效性高等特点,目前正在逐步被全世界的大型商业机构和研究组织所采用。

在网格的平台上设计一个高效的可视化调度平台,并应用于智能电网,可加强智能电网的安全生产保障能力和决策能力,提高智能电网的调度资源共享和优化配置能力,从而提高智能电网的调度规范化、标准化、精益化和智能化运行及管理能力,

第24卷第3期广东电力V ol 24N o 3 2011年3月GUANGDONG ELEC TRIC POWER M a r 2011

收稿日期:2010-12-14为电网的安全、优质、经济运行提供良好的支持和保障的技术体系。

1 可视化技术在智能电网调度系统中的应用

电网智能调度系统是以电网调度系统为对象,通过不断研发和应用新型的电网控制技术、信息技术和管理技术,实现电网调度各环节信息的智能交流[1]。可视化技术融合了计算机技术中的图形学、图像处理、数据管理、网络技术和人机界面等诸多分支,利用计算机图形学和图像处理技术,将数据转换成图形或图像在屏幕上显示,从而有利于正确理解数据或过程的含义。

目前能量管理系统-电网调度员培训仿真系统(energy management system-dispatcher training simu-lator system,EMS/DTS)中只有少量数据可视化外,更多的是在潮流图上实时显示电力系统运行数据。尽管数字信息显示非常准确,然而要实时监视整个大电网的所有信息,只靠数字显示无疑单调、繁杂,缺乏直观性以及高层次抽象信息,如全局集中表现等,而且数据之间的相互关系表现得不明确,数据表现方式滞后。

目前,以数据文本显示等简单的方式对电网进行监视和分析已不能满足电网发展的需求,迫切需要一些方法和工具能够全面、直观地监视电网的实时运行情况,突出显示对电网运行有关键意义的数据,并通过分析计算找出系统的薄弱环节,能够进行有效的管理和处理电力系统中各种各样的信息。可视化技术的出现为现代电网运行的要求提供了解决办法。

2 基于网格的可视化调度系统的优势

基于网格的可视化调度系统具有以下优势[3]:

a)随着智能电网的发展,可视化调度中产生的数据集的存储量和计算量不断增大,一些数据集的存储量已达到太字节。网格技术能够通过动态的资源组织满足数据存储和计算的要求,提供自治和动态的资源管理,实现数据采集、存储和计算的分布,增强调度员理解和使用电网数据的认知能力,扩大调度员决策的范围。

b)可视化调度具有较高的数据要求和计算要求,一般只能在较高端的平台上运行,往往需要远程的网络来进行调用。随着互联网的普及,远程可视化的空间进一步扩大,与基于Web的远程可视化相比,网格提供了一个更为统一的资源共享和使用的平台。

c)面向网格的可视化应用不仅支持用户的远程访问,还支持用户间的协调工作,协调也是网格的一项重要特征,网格能将所有调度单位组织为一种虚拟组织,多个部门和调度员可以在一个虚拟社区中进行高效协作。

d)电网调度系统中的计算和可视化都是网格的主要应用对象,可视化通常是调度中相关计算的后续处理步骤。为了更好地对调度结果进行可视化操作,需要在可视化流程和调度过程之间进行协调和集成。通过网格集成可以更好地获得反馈并进行控制,提高资源的利用效率,有利于智能电网中调度环境的构建。

3 基于网格的可视化调度系统的实现

3 1 设计总体思路

目前,国内外普遍采用分层递阶控制思想来实现电网调度的决策系统[4],即采用分层递阶,从顶向下的控制结构。但是,在规模巨大、动态性高的电网运行中,这种分层递阶控制思想尽管逻辑上是比较清楚的,然而结果却不甚理想,如电网的可控性、能控性和智能性差。

为了改进分层递阶控制的缺点,系统的设计思路采用近来提出的 调度员思维模式 以人为主,将人与计算机共同组成一个调度系统,各自执行最擅长的工作,从而突破传统的 智能系统 的概念,形成甚至超过人的能力甚至智力的 超智能系统 ,其核心内容是强调人在调度系统中的重要性,以人为中心构成新的调度系统,突破现有系统将人排除在外的旧格局。

3 2 系统的总体结构

借鉴并扩展文献[1]和文献[3]中的可视化结构和调度结构,以此来建立基于网格的智能电网可视化调度系统。该系统主要由网格支撑环境、网格门户、可视化框架和调度中心4个部分组成,其结构如图1所示。

3 2 1 网格支撑环境

网格支撑环境由大规模个人计算机集群组成的网格平台构成,它为并行、远程和协同可视化提供所需的资源管理、任务管理、用户管理、安全机制

84广东电力第24卷图1 基于网格的智能电网可视化调度系统框架

和数据传输功能,这些功能建立在3 0版网格系统架构[5](Glo bus To olkit,G T3)所提供的资源管理、数据管理、信息服务和网格安全架构解决方案(gr id security inf rastructure,GSI)上。

其中,资源管理负责收集可用的计算节点信息,以支持并行体绘制中绘制节点和合成节点的动态分配和迁移,这是通过服务注册中心和资源管理中心完成的,它们使用了GT3提供的信息服务。各个计算节点在启动时向网格服务注册中心登记其所提供的计算服务,如绘制、合成等,而动态的资源监测是通过资源管理中心完成的。运行在各个计算节点的信息检测服务定时向网格资源管理中心更新资源的状态信息。在启动新任务或者需要对任务进行迁移时,网格将根据服务注册中心和资源管理中心的信息分配可用节点。

网格用户代理服务的目的是支持多用户环境和用户间协作,它负责存取用户设置、记录用户的操作、维护用户启动的任务列表,对用户使用的资源进行统计。当用户从网格门户中启动新任务时,网格门户将根据应用程序的特点和用户的指定将可视化任务的资源需求以可扩展置标语言(extensible mar kup language,XM L)任务资源描述文件的形式提供给网格用户代理,由用户代理根据任务描述文件启动任务[3]。

3 2 2 网格门户

网格门户(grid po rtal,GP)是用户与网格系统之间的界面,通过它用户可以使用网格资源(网格服务)完成特定的任务。网格门户的概念来自于网络门户(W eb po rtal,WP),它通过Web界面提供对网格资源的使用,在客户端主要使用动态的超文本置标语言和Jav a Applet,服务器端则使用Por tlet和GridShpere等支撑技术[3]。3 2 3 可视化框架

可视化系统按照电网运行状态分3层显示[1]:

第一层显示电网整体运行状态,这是调度员最关心的。正常情况下,可视化系统的可视化界面上只显示很少的信息,一旦可视化系统进入预警状态,立即通过非常直观的图形界面进行报警,并通过多种手段来表示不同的告警等级,如通过颜色的变化来表示(浅颜色表示低等级告警,而深颜色表示高等级告警),或通过百分数饼图的颜色和大小的变化来表示。告警等级可以通过可视化系统的配置属性进行设置。

第二层显示存在问题或调度员所关心的各方面宏观数据分析结果。正常情况下,可视化系统可以用三维柱图监视特定的一个或多个断面的潮流,如电网处于正常安全状态,则用图形方式显示电网离不安全状态的距离;如处于不正常运行状态,则给出解除不安全状态的建议对策,每5min实时扫描分析系统 N-1 开断事故,以图形方式给出每种故障严重程度的指标。

第三层显示所关心的各个指标的具体数值。

3 2

4 调度中心

调度中心主要根据网格可视化系统反馈的数据来实时调度智能电网的运行,其功能包括以下几点[4]:

a)在一定的运行方式下,提取进行电网态势估计要考虑的各要素,为状态发展趋势推理做好准备;

b)分析并确定事件发生的深层次原因,给出对所监控电网当前态势的理解或综合评价;

c)通过指标分析电网的控制能力;

d)已知某时刻电网的状态,预测t+l,t+2, , t+N时刻可能发生的事件,进而确定电网状态的发展趋势。

3 3 系统功能

通过对文献[1]的传统可视化调度系统进行借鉴和扩展,基于网格的智能电网可视化调度系统可以实现以下功能:

a)实现电网实时数据的收集。利用动态显示及二维图像对电网线路、节点电压及发电机有功、无功功率的实时信息进行形象表达,主要包括节点电压的等高线、线路的负载饼图、线路负载的等高线、动态发电机、动态潮流等。

85

第3期朱子坤,等:智能电网中基于网格的可视化调度系统

b)利用动态三维图像对有功、无功功率备用的实时信息进行形象表达,如无功备用、变压器温度监控、变压器备用、三维旋转功能等。

c)实现电网线路对发电机、负荷及节点电压对无功设备的灵敏度计算及三维排序显示。

d)可视化图形的W eb发布。对可视显示功能进行集成,通过专用隔离装置进行数据传输,在网络中进行Web发布,实现跨平台的数据共享。

e)对历史数据进行可视化回放、重演、评估。可视化系统具有事故追忆能力,能对历史数据进行回放、重演,与一般的数据采集和监控-能量管理系统(supervisory control and data acquisition-energy manage ment sy stem,SC AD A/EMS)不同的是,可视化系统重演是在历史的网络拓扑上,图形与数据同时重演。运用历史数据追踪电网网损统计,并按周期进行对照分析,提供优化策略,以可视化方式显示实时和历史指标。

f)对依赖灵敏度方式的预控制方案进行可视化显示。灵敏度实际上是用于描述潮流方程变量之间的线性关系的量,可分析某些变量发生变化时,将引起其他变量发生变化的结果。

g)对关键线路低频振荡模式动态阈值进行可视化监视。根据同步相量测量单元的数据,实时检测系统的低频振荡,计算出所检测线路的振荡频率和幅值,并在单线图和地理接线图上动态地进行展示。如果检测到低频振荡,则单线图和地理接线图上相应线路就以振荡曲线的形式显示并采用闪烁、变色、声音等进行违限预警;在无低频振荡的正常情况下,单线图和地理接线图上都以正常显示方式显示。当要关心某一线路低频振荡的细节时,可局部追踪和放大线路振荡细节,为防范这类故障的发生而提供及时和形象的警示。

h)任意断面潮流功率总加预警可视化。系统提供显示线路任意断面组合的功率总和,并将结果用柱状图表示。该功能大大减轻了调度人员的工作强度,为调度人员迅速、准确地评估系统的运行状态提供了强大的技术支持。

i)实时态下电网运行的指标体系及电网静态脆弱性的虚拟仪表可视化表达。利用SCADA/ EM S传递的实时数据对发电系统、输电系统,负荷及无功装置等的运行工况进行分类处理,然后,根据其属性决定安全、临界状态、不安全等权重,应用模糊聚类的方法,客观评估整个系统的安全运行状态,并用模拟现实的虚拟仪表展示。

j)电网的 N-1 故障预警评估可视化。利用电网 N-1 评估带来的电网运行态势变化评估,进行快速的电网 N-1 故障排序,制定排序指标。利用分类规则分别对不收敛情况、可控情况等用三维立体表达。在线的 N-1 分析为调度员提供对可能出现故障做出提前的分析,有助于在真正发生故障时进行判断和决策。

k)利用网格平台可扩展性强的优点,在并行可视化、远程可视化、协同可视化以及其他网络技术(如网络存储技术)等研究的基础上,吸收目前已有研究成果的优点,为智能电网提供良好的支持。

l)提供高层次的数据共享和协作机制,有利于提高智能电网中调度水平并有效防范故障发生。同时,网格强大的计算能力也为快速处理可视化数据提供了方便,能有效提供调度决策支持。

4 结束语

本文探讨了如何利用网格可视化平台来设计高效的智能电网调度系统问题。传统的可视化调度系统往往针对单一的任务,无法提供可共享、具有高扩展性和动态适应的服务,因此无法真正应用到复杂的智能电网中来。通过网格平台,可以实现真正的智能化可视化调度系统,这个系统具有强大的决策和协调能力、高度的数据共享能力以及很好的可扩展性,可有效地支持了智能电网的运行。

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(下转第102页)显示4号DPU故障报警,经查为4号DPU的副控处于等待状态,DPU状态灯 RUN 不亮。重启DPU后故障未能消除,判断DPU本身故障。经返厂维修,检查为主板上编号C45的钽电容(470 F/10V)损坏,同时内存条损坏。DPU修复安装后,下载最新组态至副控,副控处于跟踪状态, DPU工作正常,故障报警消除。

c)在HPC S3000的维护过程中发现,在将主控DPU文件下载至副控DPU的过程中,经常出现不能下载成功、无法应用的情况,需反复多次对副控DPU的进行组态下载,影响脱硫D CS的正常运行。厂家建议更换交换机并查看交换机设置是否为全双工数据交换模式,根据厂家建议更换交换机后该问题仍然存在,需厂家进一步确定问题所在。

d)对2号锅炉旁路挡板信号进行强制时增压风机入口导叶自动关到0。经检查,2号旁路挡板已开1信号并与2号增压风机运行信号在同一块端子板上;在对2号旁路挡板已开1信号并进行强制和释放时,均引起2号增压风机运行信号极短时间的跳变,增压风机运行信号消失联锁增压风机入口导叶指令置0。将增压风机运行信号与旁路挡板信号分别配置在不同的板卡上后,再次进行旁路挡板信号的强制和释放试验,未出现增压风机运行信号跳变问题。

5 3 温度慢信号保护

为保证一些重要设备如增压风机、吸收塔循环泵等的安全运行,在DCS中均有温度保护逻辑的组态。为避免温度信号跳变及断线引起设备跳闸,减少误动可能性,对温度保护测点应采用慢信号保护。但由于H PCS3000中无慢信号保护模块,只能利用速率模块自行搭建慢信号保护逻辑,大大增加了组态工作量以及CPU负荷率。

5 4 GGH吹灰监控

GGH吹灰采用就地PLC控制,与HPCS3000简单的启、停、运行等信号硬接线连接,无法实现对GG H吹灰过程的全程监控,当吹灰过程故障时查找故障源较为困难。

6 结论

上海华文H PCS3000系统采用全中文组态与显示界面,支持在线和离线组态,组态方便灵活,能够实现DCS所要求的各种功能。该工程DCS投运以来,DAS、SC S、MCS各系统运行基本正常,所有联锁保护和自动调节均正常投入。相对于主机系统来说,H PCS3000仍是一个较新的系统,软硬件都还存在一定的不稳定性,热控人员仍需不断提高对该系统的认知,优化既有控制逻辑,进一步提高脱硫系统的自动控制水平。

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作者简介:朱子坤(1977 ),男,广西灵山人。高级工程师,工程硕士,从事电网调度运行管理工作。