摘　要：網絡為電力系統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。網絡化是電力二次設備繼數字化（微機化）以后的在一個較長時間內起主導作用的主題。文中針對基于網絡的電力系統運行與控制系統（PNCS）的一些相關問題進行了討論，包括發展展望、研究工作現狀和有待解決的問題等。

　　關鍵詞：網絡化控制；電力系統運行與控制；信息傳輸；智能二次設備；二義性

1 引言
　　現代大型電網的安全控制是一個未能很好解決的復雜問題，2003年的美加大停電便是例證，美國《技術評論》雜志已將其列為九個開拓性的新興科技領域之一。電力系統中現有的各種控制系統（如繼電保護、綜合自動化、功角穩定控制、無功電壓控制）之間相互獨立，且大多數采用點對點式的專線通信方式。如將基于網絡的控制系統（Networked Control System，NCS）技術引入電力系統，可望為解決大系統的安全控制問題提供一條嶄新的途徑。

　　NCS系指在控制系統的信息傳輸途徑中含有網絡成分，有些文獻也稱其為網絡化控制，或網絡環境下的控制。NCS具有可靠性高、控制靈活、易于維護、擴展方便等眾多優點，一經提出便已在眾多領域中得到了廣泛應用，如網絡化家電、基于網絡的智能制造等。

　　NCS的巨大優越性使其必然也會在電力系統中得到更廣泛的應用。但建設專用網絡的投資巨大，不太可能為各種特定的功能建設各自獨立的網絡，各種控制信息及電力系統的其他運行信息運行于同一電力信息專用網絡平臺上的可能性比較大（也可能將公用網絡納入電力信息網絡中，以實現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絡平臺及其所聯的各種電力二次設備，為基于網絡的電力系統運行與控制系統（PNCS）。

　　PNCS的實現可顯著簡化控制設備的連接方式，實現各種異構控制設備的網絡集成和信息共享，使全局穩定控制和全局繼電保護等一些嶄新的控制功能成為可能，它的進一步發展可能會模糊現有電力系統控制設備之間的界限。但電力系統各種控制設備的信息差異很大，通過網絡傳輸控制信息將存在時延不確定、路徑不確定、數據包丟失、信息因果性喪失等問題，在實際應用PNCS前必須從理論上解決這些問題。目前還沒有學者明確提出就該問題進行系統的研究。解決上述共性問題、掌握基于網絡的電力系統控制的標準和協議，將是我們在新一代電力系統控制設備競爭中面臨的一大挑戰。

　　在過去的一段時期內，數字化是電力技術發展的標志性成果之一；信息網絡技術的應用應是下一階段的發展主題之一。在數字化發展過程中，對具體裝備的數字化研究工作比較關注，與數字制造等領域相比，針對數字化的概念、共性問題等開展的宏觀性研究工作相對較少。在網絡化發展過程中，選擇哪一種研究模式也是一個值得探討的問題。基于這樣的認識和對未來的評估，本文針對PNCS的一些相關問題進行了討論。

2 發展展望
　　網絡化帶來的最直接變化是變電站二次設備接線形式的改變。數據采集和控制命令由點對點的專線傳輸轉向由公共網絡傳輸。這一轉變將使二次設備的接口規范化、簡單化、便于維護和擴展。規范化和簡單化系指使用同樣的網絡通訊接口采集或輸出數據，二次設備的輸入輸出接口在形式及數量上都將變得簡單，且不同設備采用相同的技術。
　　在變電站網絡上接入大量二次設備以后，人們便會考慮調整一些二次設備的功能，因而影響到網絡傳輸的信息的變化。如：在點對點時代，可能對許多二次設備采集同一電流或電壓量，再進行濾波處理。在網絡化時代，可在采集裝置中進行這些模擬量的各種公共的前期處理，再將處理結果量通過網絡傳給眾多二次設備。因此使變電站二次設備的組成及各種設備的軟件發生變化，智能的數字化采集裝置將得到廣泛應用。

　　發展的第三階段便是基于網絡的各類二次設備的數據交換和信息集成，實現變電站數據的無二義、可重用。網絡為數據交換和數據集成提供了最為廣闊的空間，但要完成這一步非常艱巨，考慮到二次設備制造廠家眾多及變電站已有的眾多數字二次設備，這一步的實現將需要較長的時間。

　　在實現了變電站數據無二義后，網絡化的優勢才開始真正體現，帶來變電站數字設備的變革，即數字設備功能的結構性調整和新功能新設備的層出不窮。具體舉例如下：現有各類數字設備和系統中的某些功能是相互重復的，這些重復的功能在數據無二義的基礎上可以合并。經過以上發展后，許多裝置的功能已變得非常簡單，加上計算機技術本身的發展，許多裝置作為物理硬件存在的必要性將受到質疑，許多硬件平臺將被合并，變電站裝置的數目將顯著減少，且不同功能硬件平臺的結構都將實現標準化，數字設備的硬件多樣性也許將一去不返，只剩下規范化的硬件平臺，具體功能由軟件來實現。此外，由于網絡提供了聯系手段，數據的無二義將使各類數字設備之間可以相互交流，一些以前不能實現的新功能將變為現實，如各類數字設備記錄的電力系統故障信息的綜合分析和應用。

　　從系統級的角度來看，網絡化帶來的變化主要集中在后兩個階段，目前頗受關注的廣域控制和廣域保護、故障信息處理系統等均是這方面的代表。網絡化的發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，系統級的新功能將越來越多。最終網絡將使電力系統中的任何數據和信息均可簡單地得到，且無二義性，變電站的數字設備被功能強大的標準化計算設備所替代，研究人員的主要精力將用于開發各類功能強大的軟件，而變電站“新設備”的安裝，也可能由某一個電力系統軟件管理中心的值班人員在遠距離完成，將某單位開發的新型功能軟件通過網絡傳送到某個變電站的超級計算機，由軟件去適應變電站的網絡環境，并開始發揮作用。電力系統的實時控制現在大多數由就地裝置完成，在網絡發展到足夠快速以后，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二次系統的面貌。

3 研究現狀
　　現有的研究工作主要集中在網絡時延對電力系統控制系統穩定性的影響分析、信息傳輸特性的分析、網絡信息流控制技術、通信體系結構等方面。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為以下幾方面：
　　（1）網絡時延對控制系統的影響。文[1]對基于信息網絡的三方負荷頻率控制（LFC）進行了仿真研究，研究結果表明，在參與調頻的電廠中，當超過66%的電廠收到的頻率控制信息延時超過兩個數據包的傳輸時間時，電力系統的頻率將發生振蕩。文[2]對基于網絡的電力系統穩定器（PSS）的動態特性進行了仿真研究，結果表明，網絡時延大于250ms時，發電機的有功出力將出現振蕩。其他類似的研究也都表明控制系統的穩定性表現出很強的時延依賴性。

　　（2）對信息傳輸特性的分析。目前，這方面的研究方法主要有實驗驗證和基于統計模型的網絡仿真方法[3-7]。文[3]以實驗驗證了通過ATM網絡傳輸遠程保護信息的可行性，實驗結果表明，當網絡負載大于96%時，網絡的丟包率和時延會增加，為確保安全可靠地通信，應采取有效的流量控制策略限制網絡流量為鏈路容量的95%以下。文[4]采用網絡仿真方法，在不同的網絡流量環境下，對基于Agent的差動保護信息通過網絡傳輸的時延特性進行了仿真評估，認為必須構建企業專用通信網絡來滿足差動保護信息傳輸的需要。文[5]采用網絡仿真方法驗證了通過專用IP通信網絡傳輸遠程保護信息的可行性和有效性。文[6]采用網絡仿真方法對兩區域四機系統中PSS的遠程穩定信息的傳輸時延特性進行了研究，認為速率為56kbps（56K link）、1.544Mbps（DS1）、44.736Mbps（DS3）、100Mbps（100BaseX）和594.43Mbps（OC-12）的專用通信鏈路都能滿足遠程穩定信息傳輸時間的要求。采用基于統計模型的網絡仿真方法得到的結果只是網絡的平均動態特性，用于分析保護和控制信息的傳輸特性可能不夠，有必要采用確定性的信息建模方法進行研究，以得到系統網絡時延最大值及避免一切由緩沖區溢出帶來的包丟失。

　　（3）網絡信息流控制。目前主要針對網絡中間節點（如交換機或路由器）進行研究。為滿足綜合信息傳輸中保護、視頻、管理等信息的不同服務質量需求，文[8]提出了在ATM交換機中采用混合優先級控制策略，研究結果表明，這些策略在保證各種信息服務質量的基礎上提高了網絡鏈路的利用率。文[9]提出了采用時延控制策略對同時到達交換機的保護信息流進行控制。這些方法并不能確保端到端的響應時間要求，因此有必要研究基于網絡端節點和網絡中間節點相結合的信息流控制機制。

　　（4）通信體系結構。華盛頓大學電力系和計算機系組成的GridStat研究組[10，11]從電力系統運行狀態信息傳輸的實時性出發，提出采用網狀通信結構連接廠站和控制中心。文[12]從網絡的容錯性和可靠性角度出發，提出了分層次的通信體系結構，該結構分為：廠站層、區域層和系統層三層。構建合適的通信體系結構還有許多問題有待解決。

4 有待解決的問題
　　（1）適用于網絡環境的電力系統控制方法。基于網絡綜合傳輸電力系統的各類數字設備的信息，將使控制設備面臨時延不確定、路徑不確定、數據包丟失、信息因果性喪失等問題，尤其是數據包丟失可能影響系統的可觀性和可控性。現有的電力系統控制理論都是針對時延確定系統的，需研究這些新問題對于已有控制方法的穩定性的影響，并借鑒NCS的研究成果，構建新的網絡化控制理論與方法。此外，網絡為廣域控制設備的實時信息交互提供了可能，可以改變基于先驗知識的控制方法，顯著改善各種控制系統的性能，但也對實時協同控制策略提出了挑戰。應研究網絡環境下多源、異構信息的感知和自主適應原理與方法，異構系統的協同決策支持理論，控制系統面向網絡協作的行為模型，海量散亂測量數據的穩定、高效處理方法。

　　（2）電力系統綜合傳輸的專用網絡技術。電力系統是一個快速的分布式實時系統，對可靠性的要求很高，與網絡化制造、網絡化家電不同，現有的成熟的網絡技術難以滿足需要，可能必須針對PNCS的特點研究專用技術。包括典型的變電站控制網絡結構和站間網絡結構標準、電力高速專用網絡的應用層協議、電力實時數據的流量均衡方法、信息分類方法、擁塞與流量識別及控制、電力系統故障等緊急情況下的信息調度方法、電力系統分布式環境下的實時中間件技術等。

　　（3）統一的電力系統信息模型。數字化的一個基本要求是徹底消除數據和知識的二義性，通常由公用的數據結構或協議來實現。在數字化時代，數字設備相互獨立，無二義性是一個局部問題，且在制造廠家內部就可得到較好的解決。在PNCS時代，無二義性的實現則要艱巨得多，網絡化使眾多設備相互集成，必須實現全局的無二義性和不同廠家之間的無二義性。建立各種類型的標準數據和統一的公共信息模型是PNCS必須解決的問題。

　　（4）基于網絡的電力系統控制的新功能與新設備。網絡的應用將使以前不能實現的一些控制功能成為可能，如基于網絡的穩定控制系統、基于網絡的低頻振蕩抑制系統、基于網絡的二次設備動態監控與協調等。PNCS帶來的現有設備功能的結構性調整，也會出現一些新的功能設備。

　　（5）PNCS的一些具體共性技術問題。如數據采集問題。在網絡化集成時代，必須解決數據采集的同時性、多采樣率、多精確率等問題。又如海量數據的處理、計及信息網絡動態特性的電力系統分析計算、電力信息綜合傳輸特性分析仿真平臺、電力系統控制專用通信網的物理仿真平臺等均是網絡化時代必須解決的新問題。

5 結束語
　　PNCS的研究與實現才剛開始，到底會如何發展，今天很難對其有一個清晰的認識；但將其作為一個問題提出來以引起更多人的思考，也許會使其發展的道路相對平坦一些。

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