新一代電網調度系統國際標準化及發展趨勢

國網河北省電力有限公司博野縣供電分公司 魏雅哲 國網河北省電力有限公司行唐縣供電分公司 魏亞楠

電網運行依賴系統和人員的互相配合將各個分支系統有機結合起來，但現在世界全球化浪潮的席卷、國際垂直分工的存在，產品互相交融，就必須在世界范圍內統一標準。電網調度是電網的中心部門，控制業務高度依賴計算機、通信和自動控制技術，涉及發電廠、變電站、輸電線路等，覆蓋范圍廣，它的安全運行影響深遠，以及未來的發展也是是與每個人生活息息相關的。

智能電網控制系統（Smart Grid Dispatching Control System）亦即俗稱的D5000系統。OPEN-3000和CC-2000這兩個系統就是我國開發制造、并榮獲國家科學技術獎，但傳統調度系統中的數據、模型、圖畫、通信、服務等存在諸多問題，比如在數據方面，SCADA（電網數據采集與監控系統）、AGC（自動發電控制）、AVC（自動電壓控制）、EMS（能量管理系統）都有自己的穩態實時數據庫，這兩個系統有的面向關系型、有的面向對象，在數據共享及管理上出現問題。而這并非我們一個國家的問題，隨著問題的暴露，IEC（國際電工標準）和ISO（國際標準化組織）開始統一標準，但一個事物發展過程總是充滿曲折，在國際化標準設立之初有些標準之間互相矛盾，這些無疑對智能電網的統一發展起到了阻礙。

1 調控中心的現狀

D5000系統將曾經10余套獨立系統整合成一個基礎平臺和四個大類的應用，發展變化如圖1所示，將國、網、省三級系統連接起來統一，大大提高應對風險能力，為電網的安全運行提供技術支撐。同時D5000系統將曾經的CIM/XML改變為CIM/E，極大優化系統結構，數據的導出文件大小約為曾經的1/10、且效率問題也大大增加，從最開始的SCADA系統（電網數據采集與監控系統）逐步發展成完整的EMS（能量管理系統）。

圖1 調度系統控制系統構架

由于現在社會的快速發展，迫切需要統一標準，建立更為強大的堅強智能電網，以應對全球化交融和電器設備制造垂直分工的國際現狀。經過幾十年的標準化研究，國際上的標準化研究有了極大的發展。由于我國電力發展起步較晚，從改革開放以后我國經濟快速發展，帶動電力事業蓬勃發展，我國大量新建設的發電廠、變電站和調控中心都滿足IEC標準[1]。

2 調度系統的國際標準化研究

因為國際電工委員會制定標準的原則是“只負責定義接口技術標準但不包括具體的功能和實現的方式”，下面從這五個方面完成論述。

2.1 通用模型描述

從前，在電力事業剛剛發展、調度事業也剛剛起步，調度系統及其子系統從一個廠商處購買，這樣做的優點是方便維護，對系統互聯互通做了最小化。同時缺點也暴露出來，在隨著新需求的出現、需要引進不同廠商的系統時，發現兩個系統并不能實現兼容，幾乎沒有一個廠商在任何領域都有杰出的系統，這就限制了在市場中選擇最好的方案。

對于電氣行業來說，組件與組件之間需要相互交流，如圖2所示，需要完成CIM（公共信息模型）和CIS(組件接口規范)的規范，因此系統中電網通用模型采用IEC 61970系列標準，這在電力調度中無需改變系統軟件中現有的軟件，只要在外部有相同的GIS封裝技術即可完成[2]。如圖2所示，CIM通過CIS這個媒介與各個系統聯系起來，只要符合其中的接口體系，任何改變都可以在整體系統內完成。該標準的定義使得調度系統中擺脫對內部信息的依賴，使得系統可以直接相互聯系起來。IEC61970-555定義CIM/E的基礎上，實現多級調度中心的源端維護、一體化共享和在線使用技術。

圖2 CIM和各系統的關系

不過這些標準中還有需要改進的地方，因為IEC（國際電工委員會）下有21個工作組，每個工作組出一個系列標準，這些標準紙質版足有幾寸厚，各個標準之間難免會出現重疊內容，比如IEC61970定義的CIM和接下來講到的IEC61850的變電站之間的標準，內容標準上存在不統一的現象，這也說明標準化的研究任重而道遠。

2.2 通用通信協議

DAS主要是由主站、子站和大量的配電自動化終端組成，如圖3所示。主站主要是要實現數據采集、人機交互、監控檢測等各種功能的核心，要實現主站和終端的聯系需要通過通信解決，IEC61850系列標準主要針對變電站通信協議有關的內容，但IEC61970和IEC61850的標準中間有重疊的地方，這也是上文提到的內容，調度端的模型為三相合相的網絡模型、由IEC61970定義，變電站模型為三相分相的設備模型、由IEC61850定義，這也是其中矛盾的地方。

圖3 主站和終端的關系

主站是控制中心、是整個系統的核心，完成SCADA和饋線自動化的內容，子站的位置位于變電站，在整體中承上啟下將主站和終端設備FTU（現場終端）、TTU（變壓器終端）、DTU（開閉所終端）聯系起來。以前配電網主站和終端需要人工進行數據核對，終端IED（智能電子設備）的大量接入讓配網的維護量、工作量大大增加，這就迫切出現一種新的標準，IEC61850為解決問題而誕生，實現了IED設備無縫接入。

2.3 通用安全架構

我國的電力調度網絡經歷了三個階段：早期的中國電力數據網絡CEDnet；國家電力調度數據網絡SPDnet/SGDnet；雙平面架構的國家電網調度數據網SGDnet。隨著科學技術的發展、網絡的迅速普及，國網調度也在趨向網絡化的過程，調度網絡的廣泛應用也給調度的安全運行帶來了隱患。我國專家向國際電工委員會介紹以后引起高度重視，制定了IEC62351系列標準。

因為電網調度的重要性，電網的調度網絡系統和電力企業管理系統網絡之間采用了物理隔離，通過基于SDH/PDH上的不同通道、不同光波長、不同纖芯的方式進行隔離，避免電網調控系統受到網絡上的威脅。我國的變電站的網絡大多采用“三層兩網”結構，如圖4所示。三層分別是站控層、間隔層和過程層，兩網指的還是貫穿全站的以太網。站控層網絡主要聯系站控層和間隔層，采用基于層制造報文規范協議（MMS），支持60種通信服務。過程層網絡將間隔層和過程層實現隔離，僅支持SV（采樣值）和GOOSE（公用事件）兩類通信。

圖4 智能變電站的通信構架

2.4 通用服務接口

電網調度中每天都會出現大量的實時數據和歷史數據，系統中大多數據來源于SCADA系統，而MIS（管理信息系統）就需要兩個系統的互聯實現數據交換。兩個系統主要分為兩種互聯方式，分為物理層的互聯和網絡層的互聯。在數據的傳輸過程中有歷史數據和實時數據，歷史數據總量大、訪問頻率低，實時數據不可間斷、訪問頻率高，這就形成了兩種不同的傳輸方式。IEC 60870-6-503為控制中心之間實時數據交換一種機制，為應用MMS服務規定了一套標準化的方法，以便數據交換。

實時數據：主要采用串口方式，根據不同數據側應用不同類型的計算機進行數據傳輸和存儲。實時數據庫的訪問接口通過動態庫的方式，實時數據庫的接口支持按應用名（號）、表名（號）形式訪問接口和提供SQL形式的查詢接口，這些訪問接口具有本地和網絡訪問兩種方式，兩者提供一致的訪問函數；歷史數據：在支撐平臺中，系統會存儲周期在秒級以上的各種歷史數據，歷史采樣分為分鐘級和秒級，其中分鐘級的固定采樣周期是1分鐘，自動采樣、無需進行定義。秒級的采樣周期為1秒和5秒，根據具體的應用進行定義，歷史數據提供統一的訪問接口，客戶端無需了解底層的數據原理[3]。

2.5 通用服務界面

以前系統中各個應用由不同的廠商開發，應用中圖形各部相同，這就導致調度員在工作時造成對應用操作復雜，人機交互困難、人工維護圖形的工作量大，造成效率低的問題，這需要在交換圖形方面提供相應的技術標準。目前電網調度內部的人機界面基于CIM/G規范標準，并形成IEC61970-556國際標準。在本地調控中心、其他調控中心、發電廠、變電站之間聯系起來，形成一個整體，完成圖形到模型、模型到圖形的轉變[4]。

3 未來發展趨勢

調度未來的發展一定是向數字化、網絡化、智能化的方向發展，目前不斷惡化的網絡安全問題、新能源的開發、分布式電源的接入、優化運營商環境、能源的有效消納等，都對調度業務的發展不斷提出新的問題。

首先是安全性進一步提升：保證網絡操作系統不受破壞。將電網調度系統與其他系統實現隔離化運行，目前全國有2萬多套計算及分布在調度系統，通過專門的調度數據網絡聯系在一起，形成調度安全專用云。從安全性、保密性、實時性、可靠性完成電網調度的安全化保護措施，在保證人機交互同時，對身份驗證完成進一步細化，確保非系統專業人員不可操作；保證數據安全。對重要數據完成冷備份和熱備份兩種方式，采用安全的操作系統，對軟件定期進行檢查，規范系統運行；發電站保證安全。在實際安全中保證“安全第一，預防為主”。

其次是對電網的可控性、可操作性進一步提升：目前的系統遵循IEC61970、IEC61968、IEC61850等多種國際標準，建立起全球最大的電網監控平臺，有效對電網的可控性進一步提升。電網調度內部技術標準的統一使操作上越來越簡便，人機交互、可視化的程度進一步加強，運行的界面越來越簡便，根據當地的歷史、地理等各種因素的考量，電網調度建設越來越貼近人的需求；最后，隨著新技術的開發應用，5G網絡、大數據分析、云計算技術、人工智能、物聯網技術等會隨著時代的發展進一步應用于電網調度中，在海量數據的采集分析及報警、電網的監測、電網的負荷預測、與變電站的聯系等方面都會進一步加強[5]。

綜上，現代科技的進步正在引發新一輪的技術革命，本文就新一代電網調度的國際標準化研究及未來的發展趨勢做了簡單的研究。未來發展瞬息萬變，標準也會隨著出現的問題慢慢修正，要始終保持一顆學習的心，緊跟時代步伐，未來的調度系統的前景會更加光明。