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1、电力系统及其自动化新技术,智能电网新技术成员：任毅、孙晨辰、杜昕 槐海、叶鑫PPT制作：任毅、孙晨辰,受全球气候变化加剧、生态环境恶化以及化石能源快速消耗等问题的影响，当今世界能源格局正在发生重大而深刻的变革。近年来，欧美发达国家提出了智能电网发展理念，赋予其承载保障能源安全、促进能源高效清洁利用和提振经济发展等重要使命。智能电网已经成为当今世界电网发展的新趋势、新方向。,一、智能电网定义和特征,1、智能电网的定义,美国能源部现代电网委员会的说法：“智能电网是将先进的传感技术、控制理论、通信等先进技术集成现行的电力系统的输配电领域的一项综合技术”。中国国家电网公司给出的智能电网的定义：“以特高
2、压电网为骨干网架、各级电网协调发展的坚强电网为基础，利用先进的通信、信息和控制技术，构建以信息化、自动化、互动化为特征的统一坚强智能化电网”。实际上智能电网是把信息技术、通讯技术、计算机技术和原有的输、配电基础设施高度集成而形成的新型电网。,中国特色坚强智能电网的基本内涵,中国特色坚强智能电网具有坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动五个基本内涵，如图1所示。,2、智能电网的特征,（1）自愈（2）安全（3）兼容（4）交互,（5）协调（6）高效（7）优质（8）集成,二、智能电网涉及的关键技术,图2 智能电网目标的实现,七个技术领域,通信信息平台 调度环节 用电环节 配电环节 变电环节
3、输电环节 发电环节,三、智能电网调度环节,智能调度以电网调度系统为对象通过不断研发、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。智能调度是提高电网调度安全生产保障能力和决策能力，提高调度资源共享和优化配置能力。提高电网调度规范化、标准化、精益化和智能化运行和管理能力。为电网安全、优质、经济运行提供支持和保障的技术体系。,1、“调度员思维模式”的智能调度系统的构架,1.1、基本思想和原理1.2、“调度员思维模式”的综合电网 态势感知体系模型1.3、“调度员思维模式”的可视化界面展示1.4、“调度员思维模式”的互动计算的设计路线,1.1、基本思想,“调度员思维模式
4、”就是采用以人为主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”的概念形成达到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研究新型的调度模式研制新一代的调度系统智能调度系统。,目前的电网调度系统的决策系统更多的是强调逻辑思维而对形象思维重视不够。人的功能特点一方面是具有高智能，另一方面则是速度慢、易疲劳、易出错。而且人的生理和心理系统虽然具有很强的适应性但也有很大的脆弱性。所以。建设智能调度系统要充分发挥调度员的作用利用调度员独特的智能配合机器的高效执行两者在调度过程中
5、相互取长补短。,图3 智能调度系统构成框架,1.2“调度员思维模式”的综合电网态势感知体系模型,态势感知包括：当前态势元素提取、态势评估、电网的能力态、可控态、未来发展态势预测几个部分。主要涵盖以下几个方面：,a在一定的运行方式下提取进行态势估计要考虑的各要素，为态势推理做好准备；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+1，T+2T+N时刻可能发生的事件进而确定电网态势的发展趋势。,指标体系：当前态、发展态、能力态、可控态、评估态 态势感知的结果是形成态势分析报告和综合电网态势图。以不同可视化图形表示
6、不同电网态 使调度员能直观了解电网安全状况。提供辅助决策信息。根据不同的阈值区间，对应不同的安全等级，可以利用可视化图形中红、橙、黄、蓝、绿、等不同色彩，代表不同安全等级。,1.3“调度员思维模式”的可视化界面展示,“可视化”是指通过图形的方法把电网数据展示给调度员。人相对于计算机系统而言其优势在于无可比拟的逻辑对比分析能力计算机处理安全事件的速度远比人快，但人们的直觉却要强得多。通过计算机数据处理能力，再采用不同的算法把电网数据图形化称之为“电网可视化”。电网态势感知本身是一个系统工程。原始数据经过许多流程最终通过视觉在人脑中形成对全网安全状态的宏观认识。作为信息融合的过程，电网态势感知的可
7、视化是一个从底层数据到抽象信息，到获取高层知识的过程。电网态势感知的可视化巧妙地把底层的数据转变为调度员可以感知的信息。电网可视化最大的技术优势在于多维度特性与透视特性：“多维度”指不同的数据平面可以在同一个空间中同时展示出来调度员可以发现不同数据之间的关联，“透视”特性则可以减少图形的视觉冲突，因为调度员可以从上、下、前、后、左、有任意角度观察图形。,为了展现电网态势的结果需要定义可视化的目标：,a能够展现各种设备属性，包括发电机、变压器、线路、无功装置、各种保护设备、安控装置等的各项属性。如基本参数、重要程度、地理位置和网络拓扑；b能够展现各种态势关系，态势之间的依赖关系。功能对某项态势的
8、必要关系，功能与子功能的关系以及功能之间的时间联系：c能够展现安全告警。告警的分类、告警的级别、告警的多少、告警所针对的态势进而关联到告警所威胁的态势：d能够展现系统故障故障的分类、故障的风险等级、故障所涉及的态势进而关联到故障给电网运行带来的风险,1.4“调度员思维模式”的互动计算的设计路线,互动是智能电网的目的和本质要求。基于以上的总体设计思路和原则在设计路线上以调度员思维为核心，将电网运行的顺序、调度员的思维、电力系统分析的功能有机地结合起来。可视化界面提供数据展示、功能表达、互动计算的平台，有机地将调度员的作用加入到这样一个闭环控制的系统中。这种互动计算融入了调度员的感知、经验，并能将
9、他们的这些感知通过互动计算窗口进行实时计算，做出相应验证。,2、关键技术,2.1、人机一体化协同决策模型2.2、数据融合2.3、态势可视化2.4、快速仿真和建模2.5、智能告警2.6、智能调度及备调系统及 应急指挥中心一体化2.7、调度员行为后评估,2.1、人机一体化协同决策模型,人机一体化协同决策方法是以人为主人和机器共同合作决策这时计算机智能辅助决策程序完全设计成开放式的计算机和人都可以根据对方提供的信息对自己的决策作相应修正最终达成共识得到决策结果。在人机共商决策过程中重要的是人和机器两者之间的决策既有分工又有协作一方面通过人机决策任务分配将适合于机器做决策的任务交给机器去做将适合于人做
10、决策的任务交给人去做两者在共同决策过程中相互取长补短，共同进行协商决策另一方面人和机器对有些问题同时作出决策最后通过综合评价得到比较合理的结果 通过这样的人机共同决策将人的智慧和机器的智能融合在一起将能进一步提高决策的可靠性。,此类决策问题可以表示成以下模糊结构形式：,2.2、数据融合,智能调度系统不仅要对省级电网一、二次设备的运行状况进行在线监视预警，同时对非电网但影响到电网运行的实时信息也要进行监视和预警包括气象预报和实时气象卫星云图信息、雷电监测等功能同时要对这些信息对电网的影响范围和程度进行评估。传统调度系统内部存在多个信息孤岛，缺乏信息共享。虽然局部的自动化程度在不断提高但由于信息的
11、不完善和共享能力的薄弱使得系统中多个自动化系统是割裂的、局部的孤立的。不能构成一个实时的有机统一整体所以整个电网的智能化程度较低。智能调度的发展迫切需要加强监控和分析的统一性。在时间尺度上需要静态、动态、暂态相结合；在空间尺度上需要各级调度的统一协调：从对象维上讲既要考虑输电网与配电网相结合又要考虑经济稳定性(电力市场的影响)与物理稳定性的交织作用。对来自电网中的具有相似或不同特征模式的多源信息进行互补集成从而获得对当前网络状态的准确判断。同时，在数据融合过程中能对不精确和不确定性问题进行建模、推理。,2.3、态势可视化,态势生成是依据大量数据的分析结果来显示当前状态和未来趋势而通过传统的文本
12、形式无法直观地将结果呈现给用户。可视化技术正是通过将大量的、抽象的数据以图形的方式表现，实现并行的图形信息搜索，提高可视化系统信息处理的速度和效率。但随着网络规模的不断扩大对可视化技术又提出了许多新的要求。如何将基于不同数据源数据显示方法进行有机的结合确定态势显示的统一规范提高显示的实时性。增大系统可显示的规模。增强人机交互的可操作性等都是可视化技术需要进一步解决的问题。,2.4、快速仿真和建模,智能电网的实时运行需要新的理论支撑需要突破传统的理论框架和运行工具。某些传统电力系统理论研究及实现工具涉及到复杂的模型和计算在速度上已不能适应智能调度系统快速的数据传递要求。智能调度系统应有针对性地开
13、发和应用快速仿真模型，市场一体化、政策、风险分析等因素都应被纳入系统模型并量化系统的安全性和可靠性提供快于实时的超前仿真。该功能首先利用高性能量测和通信系统到得拓扑、潮流、频率、电压、设备实时模型等信息；然后据此进行状态估计和在线分析：最后确定当前系统的安全性、稳定性和经济性。快速仿真和建模被认为是一个自愈系统的必备条件。该项研究开发一个开放式软件平台为未来输、配电系统运行、规划和管理提供一整套仿真和建模工具。,图4、电网静态安全的超实时计算,图5、超实时短路电流辨识,2.5智能告警,图6 智能告警的多维分类,在实际电网调度运行中有异常或故障的情况下。大量监控与数据采集报警信息涌入调度控制中心
14、。调度员被大量数据淹没很难决策，错失处理事故的良机。智能告警利用一次、二次、静态、动态等的各种信息按图6所示流程对告警信息快速进行分类、筛选和排序使调度员对故障的类型、程度和等级一目了然得到当前最关心的关键告警信息告警内容“少”而“精”这样就使运行监控人员能够快速地抓住事故重点，及时有效地采取处理方案，提高事故异常处理的准确性和快速性，保障电网安全运行。,图7 智能告警信息筛选,2.6智能调度及备调系统、应急指挥中心一体化,目前电力系统运行管理的功能越来越多。不同的功能往往需要不同的数据库、不同的操作界面，虽然对系统本身来讲只是功能的扩展，对维护使用者来说却增加了大量的重复工作量。如何将数据库
15、、图形、界面等资源进行整合达到功能之间的共享，实现功能一体化也成为系统开发重点。在智能调度系统基础上加入备调和应急指挥的元素，通过调度数据网的扩展，将系统的功能延伸到备调和应急指挥中心。调度、备调和应急指挥一体化的优势在于电网信息的完全统一使用和维护。有利于调度、备调和应急指挥运行的集约化。更加适应复杂化程度越来越高的电网结构。调度、备调和应急指挥一体化并非简单的数量上增加，而是电网监控职能与管理体系元素的增加。,2.7调度员行为后评估,所谓调度员行为后评估是指电力系统的调度部门在业务处理中积累了大量数据可以利用评估技术将这些数据中蕴藏着的许多潜在的重要因素、事实和关联等有价值的信息提炼出来构
16、成调度行为评价指标体系来评估不同调度行为的质量。调度后评估时所涉及的因素多有的指标可以量化但也有不少影响系统整体评估结果的因素量化困难依据电力系统的本身特点础提出一个综合评价指标体系。,该指标由调度操作、可靠性、安全性、经济性、电能质量和交接班6项构成，如图8所示每个指标下面由若干子指标构成。,图8调度员评估指标体系,随着我国智能电网的建设电力市场化的深化电力系统面临着新的挑战因而对它的理论研究及实现工具的探讨和实践是目前必须要解决的问题它需要新的理论支撑需要突破传统的理论框架和运行工具基于调度员思维模式的智能调度系统在这方面做了有益的尝试和探索。将人(调度员)-机互动计算的设计思想与可视化界
17、面有机结合利用人工智能技术从海量数据中挖掘出表征电网运行特性的关键数据建立了表达电网充裕度、安全性和脆弱性的指标并应用三维旋转视图进行形象直观的表达使调度人员实时掌握电网运行的整体态势。,四、智能电网的组织架构,图9 智能电网组织结构图-自律分散式,自律分散式,图10 智能电网组织结构图-分层式,分层式,五、建设智能电网需要解决的 技术难题,1、先进的智能化元件和测量装置,智能化元件的使用是电网实现智能化的物理基础，这些智能化元件必须能够在各种干扰下，根据反映所控制的元件的属性信息和控制中心发来的命令准确快速地执行有效地智能操作；先进测量装置要求能够准确灵敏地测量反映电网元件的属性、状态等物理
18、量，然后，通过自身的接口装置发送到通信网，最后由通信网传输给各级控制中心。近年来，信息技术、电力电子技术、自动控制理论、现代传感器技术等学科的发展，以及现代制造工艺水平的提升，为先进的智能化元件和测量装置的规模化生产奠定了技术和理论基础。一般来说，先进的仪表测晕装置应该包含四部分：仪表、网络接口、数据收集和数据处理等装置构成。,2、选择合理的通信方式,如前所述，网络化是智能电网的突出特征之一，要实现网络化必然涉及到通信方式的选择。电能传输以光速传播，电网事故往往在几秒甚至几个周波的时间内就能波及到周围区域甚至到整个电网，大电网互联，一方面电网规模变大，另一方面，横跨广袤的区域，容易遭受自然和人
19、为灾害。联系前面SG组织架构的描述，智能电网为广域网，其拓扑方式应该采用混合拓扑(主要包含网状拓扑和总线拓扑)，通信协议宜采用分级形式，再考虑到智能电网运行分析的实时性，这无疑对网络传输容量、传输的准确性和快速性有了更高要求，所以采用分散式自律体系架构的通信方式更安全、更高效。,3、对电网运行规律认识的进一步提高,自从智能电网的概念提出以来，新技术新装置的应用成为热点话题，实际上，智能电网并没有改变电网的本质规律，只是运行方式的升级，各级控制中心是通过计算机应用程序来决定电网的运行变化的，而应用程序本质上是对电网运行规律本质认识的数学描述，换言之，从某种程度上来说，对电网的研究就是以数学、控制
20、学等学科为上具来反映、再现、量化电网在正常和故障条件卜的运行过程，比如：对电嘲的动态失稳机理的认识，电网元件特别是新型元件的数学建模等等，目前尚没有统一的认识，所以建设智能电网的核心任务是对电网运行准确而全面的数学描述。,以上只是列举了智能电网面临的主要技术难题，除此之外，还有其他一些技术问题有待解决。比如：发展超导输电技术、间歇性能源的分布式发电的接入和退出技术、储能技术、电力光纤复合型电缆的使用技术等等。,参考文献,第1,2章参考文献：1胡晨,旺曾祥,君王阳.智能电网及其发展趋势.智 能电网技术.2010(1)2李兴源,魏巍,王渝红,穆子龙,顾威.坚强智能电网 发展技术的研究.电力系统保护
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22、化，2002，26(18)：45493邢金峰,常鲜戎,张洁多级模糊综合评价在电网调度员培训评估中应用J电力自动化设备，2005，25(10)：78814 Pravin P.Varaiya.Smart Operation of Smart Grid:Risk-Limiting Dispatch.IEEE.2011,1(99),第3章参考文献：,第4，5章参考文献：1牛朋超，康积涛，李爱武，李林.智能电网开启电网运行新形式.电力系统保护与控制.2010,38(19)2 Pipattanasomporn M;Feroze H;Rahman S Multi-agent systems in a dis
23、tributed smart grid:design and implementation.PSCE.2009,10(1109).3 Massoud Amin.Challenges in reliability,security,efficiency,and resilience of energy infrastructure:toward smart self-healing electric power grid.IEEE.20084Grob G.RFmure transportation with smart grids&sustainable energyCSSD096th International MultiConference on Systems，Signals and Devices2009,结束语,在此仅代表我们五人对在座各位同学和老师表达谢意，由于本组成员研究尚浅，欢迎各位同学及老师的批评指正。谢谢,
