电网态势感知技术国内外发展情况综述.docx
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电网态势感知技术国内外发展情况综述
电网态势感知技术国内外发展情况综述
摘要：
电网态势感知技术是一项新兴的技术理念，在广域数据采集、电力调度、输配电运行管理等领域具有广泛应用前景，可有效提升电力系统的可见性，及时发现系统的薄弱环节和存在的威胁，并借由强大的数据分析和决策支持能力，提高电力系统运行决策的及时性和准确性。
物联网技术和大数据技术分别为态势感知系统提供广域数据采集和高级数据分析手段，是态势感知系统发挥作用的基础保证。
本文介绍了态势感知概念的起源及在多个领域的应用现状，归纳分析国内外电力系统基于该技术的研究与实践，重点提出了态势感知技术中的可视化、预警和决策支持理念对于智能电网建设、电网安全稳定运行的重要作用。
关键词：
智能电网态势感知物联网
态势感知技术是在大规模系统环境中，对能够引起系统态势发生变化的要素进行获取、理解、显示、预测未来发展趋势等活动的一种技术，提供了对复杂系统决策和操作的基础，强调基于数据的对系统内外环境的宏观认识和综合分析，接近生物的智能认知过程。
态势感知技术应用于电力系统，可促进电网自动化各系统应用功能的融合，显著提升电力系统的智能化水平，有效提高电网运行效率，为电网安全稳定运行提供有力保障，其“预测能力”和“决策支持能力”，是实现真正智能电网所不可或缺的重要组成部分。
针对这一在电力系统运行决策中具有广泛应用前景的先进技术，科技情报室开展了广泛的国内外情况调研，汇总形成调研报告，就态势感知技术的起源、国内外发展现状、在电力系统中的应用，以及实现态势感知的物质基础——物联网技术，进行简要介绍，供各位领导决策参考。
一、“态势感知”概念的起源与发展
态势感知（SituationAwareness）这一概念源于航天飞机的人因研究，美国德州理工大学的MicaR.Endsley教授在1988年发表的《SituationAwarenessinformationrequirementsforcommercialairlinepilots》一文中首次明确提出这一概念，并定义为：
在特定的时间和空间下，对环境中各元素或对象的觉察、理解以及对未来状态的预测。
同时提出了适用于自动化及人机接口系统的态势感知过程，并将态势感知的信息处理过程分为三个阶段，概念化模型如图1所示。
觉察（Preception）：
检测和获取环境中的重要线索或元素，这是态势感知的基础的一步；
理解（Comprehension）：
整合觉察到的数据和信息，分析其相关性；
预测（Projection）：
基于对环境信息的感知和理解，预测未来的发展趋势，这是态势感知中最高层次的要求。
图1Endsley最初的态势感知三级模型
1994年，美国学者Dominguez引入可视化理念，把态势感知的基本定义扩展为4个阶段：
感知、理解、展示、预测。
态势感知的概念基本定型。
2000年，随着该技术理论研究的不断发展，Endsley在其态势感知三级模型的基础上，又明确地提出人对环境中有关成分的感知是形成态势感知的基础，决策、动作、执行被看成是与态势感知不同的阶段。
人们态势感知的活动不是一成不变的，这可能与内在能力、经验和练习程度有关；另外，人们的某种目的与计划也可能使对环境的感知和分析受到影响；任务系统与环境中的其它因素（如工作负荷、压力、系统复杂性等）对态势感知也产生重要的影响。
并据此提出动态决策态势感知模型（图2）。
图2动态决策态势感知模型
态势感知之所以越来越成为一项热门研究课题，是因为态势感知提供了对复杂系统决策和操作的基础，只有正确地感知环境状态，才能对操作对象提供下一正确的决策依据，与单一物理量的测量科技相比较，态势感知强调对系统内外环境的宏观认识，它的概念更加接近生物的智能认识过程。
二、态势感知技术的发展现状
态势感知最早运用于太空、军事等领域，目前在智能交通、计算机网络等方面的应用也逐渐成熟。
2.1太空及军事领域
实现“态势感知”，是西方科技强国在太空和军事领域的重要发展方向，近年来投入大量资源进行该技术的研发。
欧美国家研发的态势感知系统主要是以光电监测为主的战术信息系统、导弹预警系统（反导态势感知系统）和太空飞行物监测系统。
美国高度重视太空态势感知技术的军事应用，有明确清晰的太空政策、战略、概念、机制、方法、技术和设施，是当前世界上空间态势感知技术能力最强的国家。
90年代中期以来，太空（空间）态势感知能力要求不断提高，2002年美国国家战略中更是将其定位为美国必须拥有的三大能力之一。
美国空军太空司令部（AFSPC）提出了太空态势感知的四大支柱为：
信息描述、数据综合与利用、威胁预警和攻击报告。
目前，美国已建成一个由31部雷达和光学探测器组成，遍布全球16个地点的地基空间监视网，计划或新建中的空间监视系统包括“空间监视望远镜”计划、“深空观察雷达”计划等地基空间监视系统，以及天基空间监视系统和轨道深空成像系统、天基红外预警系统等，整体目标均是为了增强高轨道目标的探测跟踪能力，提供更小的成像能力并实现早期预警。
欧盟太空态势感知系统的目标是提供及时、高质量的太空环境、威胁和外层空间探测信息，保证空间系统的可用性，代表性的太空态势感知系统的是侦察卫星星座、导弹预警卫星：
2008年欧洲雷达成像侦察卫星星座“合成孔径雷达-放大镜”（SAR-LUPE）完成组网，实现了全天候、全天时成像，并且拥有更高的分辨率、更快的图像获取与分发能力；法国、德国、比利时、西班牙和希腊共同研发的“多国天基成像系统”（MUSIS）将用于监视、侦察和观测；欧空局计划启动“太空态势感知”将使用欧洲现有的地面雷达和光学仪器，更有效地监控欧洲上空的轨道动向，并研究太空气候环境对卫星的影响。
2.2智能交通领域
智能交通建设是目前世界各国城市建设面临的重要课题，虽然各地具体采用的技术手段可能有所不同，但目标基本相同，即实现道路的信息获取、画面实时监控并进行一定的预判、引导，其基本思想与“态势感知”理念相同。
1）澳大利亚
澳大利亚是世界上较早从事智能交通控制技术研究的国家之一，目前已拥有多套先进的智能交通运输、控制系统。
最优自动适应交通控制系统（SCATS）：
具有自动适应交通条件变化的能力，通过大量设在路上的传感器以及视频摄像机随时获取道路车流信息。
通过车载的ANTTS电子标签与设在约200个交叉路口处的询问器通话，能够计算旅行时间并对交通网的运行情况进行判断。
远程信号控制系统（VicRoads）：
交通控制与通信中心不仅使用SCATS系统进行交通信号灯控制，而且还采用交通拨号系统进行事故检测和信息的收集发布工作，该系统通过普通的电话线能够连接到偏远的受控交通灯，监测这些信号灯的状态改变它们的参数，为偏远路口的信号控制提供了便利。
视频数据获取系统运用视频摄像机监测、识别和计算交通量，通过自动辩识车牌号码来对重型车辆监测、分类、识别，数据可被送到重型车辆监测站进行对照，能监测到超速车辆、强制停运的车辆。
驾驶时间预测系统通过使用交通拥挤与事故检测系统估计车辆到达下一个出口的时间，从而判断出交通拥挤程度，并在道路入口处显示即将到来的驾驶员。
2）新加坡
新加坡的高速公路监控和交通信息发布采用了EMAS（ExpresswayMonitoring&AdvisorySystem）对其进行管理。
EMAS系统由交通管理系统、车辆检测系统、自动事故检测系统、交通信息诱导系统组成，目标是提供实时的交通信息和对交通事故的快速响应。
EMAS系统通过实时监控高速公路上的交通情况，对汽车驾驶员提供秒级的交通信息，达到以下目标：
提高道路安全，减少交通事故，缩短由于交通事故（包括车辆故障）所引起的延误；提高高速公路的通行能力，优化交通流量，提供一个更有效的交通道路系统。
整个系统全面展现了态势感知技术的获取、理解、显示、预测过程。
2.3网络与信息安全领域
1999年，美国空军通信和信息中心的TimBass首次提出了网络态势感知（CyberspaceSituationAwareness）这个概念，包含了两层含义：
a）实时地根据网络安全设备的告警信息及其他信息，进行关联归并、数据融合等操作，实时反映网络实际的运行状况；b）根据历史数据进行一定的离线分析，采用一定手段对潜在可能的威胁进行预测。
该领域研究比较有代表性的有：
Bass提出应用多传感器数据融合建立网络空间态势感知的框架，通过推理识别入侵者身份、速度、威胁性和入侵目标，进而评估网络空间的安全状态；JasonShifflet采用本体论对网络安全态势感知相关概念进行了分析比较研究，并提出基于模块化的技术无关框架结构。
同时，国外很多研究机构也已开始着手研制网络安全态势感知系统和工具。
美国国家能源研究科学计算中心（NERSC）所领导的劳伦斯伯克利国家实验室于2003年开发了“Thespinningcubeofpotentialdoom”系统，在三维空间中用点来表示网络流量信息，极大地提高了网络安全态势感知能力；2005年，CMU/SEI领导的CERT/NetSA开发了SILK，旨在对大规模网络安全态势状况进行实时监控，在潜在的、恶意的网络行为变得无法控制之前进行识别、防御、响应以及预警，给出相应的应对策略，该系统通过多种策略对大规模网络进行安全分析，并能在保持较高性能的前提下提供整个网络的安全态势感知能力；NCSA/SIFT欲通过开发一个安全事件融合工具的集成框架，为Internet提供安全可视化。
通过系统状态可视化或连接分析可视化来获取Internet的安全态势感知。
三、物联网在智能电网领域的发展与应用
物联网是实现“态势感知能力”的重要物质基础。
2009年8月7日，温家宝总理在无锡提出“感知中国”的理念，国务院将物联网列入战略性新兴产业之一。
2009年11月，国务院正式批复无锡建设“国家传感网创新示范区（国家传感信息中心）”。
2012年8月5日，国务院批复的《无锡国家传感网创新示范区发展规划纲要（2012—2020年）》确立了无锡传感网（即物联网）八大重点应用示范工程，其中，智能电力应用示范工程的主要内容为：
以电力设施状态监测、高空塔架应急抢险、电表数据采集和需求侧管理等应用为切入点，在输电、变电、配电、用电以及资产管理等环节中推进物联网应用示范建设；加强电力基础设施检测、预警、集中监测和管理，建设安全、稳定、可靠的智能电力网络；建立具有深度和广度的自动化智能电力平台，提升智能电网互动性服务能力，实现全电子化的智能电力服务。
近日，江苏省政府出台《无锡国家传感网创新示范区建设三年（2013-2015年）行动计划》，更是明确要求以电力设施状态监测、智能巡检、信息采集为切入点，加强物联网技术在输、变、配、用电等环节的综合应用，实现电网态势感知，提高电网管理能力。
3.1物联网基本概念
物联网的一般定义为当下几乎所有技术与计算机、互联网技术的结合，实现物体与物体之间、环境以及状态信息实时的实时共享以及智能化的收集、传递、处理和执行（图3）。
一个完整的物联网系统一般包括感知层、接入层、网络层和应用层四个层级（图4）。
图3物联网基本概念示意图
图4物联网体系结构示意图
物联网最基本的功能特征是提供“无处不在的连接和在线服务”，在智能电力等诸多领域有广泛应用前景。
一般认为其具备十大基本功能：
在线监测、定位追溯、报警联动、指挥调度、预案管理、安全隐私、远程维保、在线升级、集中展示、统计决策。
可归纳为信息获取、信息传输、信息处理和信息施效四个关键过程（图5）。
图5物联网功能模型示意图
3.2物联网在智能电网领域的应用
物联网技术应用于智能电网，就是运用各种“感知”方法，获取电力系统中各个重要环节的运行参数和信息等，并通过有效的传输方式将这些信息传输给服务器进行计算和处理，从而实现对电力系统运行的状态监测，保证电力系统的稳定、可靠运行。
物联网技术在电力系统的各个环节都有广泛应用前景。
在发电环节，物联网技术可应用于发电机组监控、厂区监控、污染物及气体排放监控、能耗监控、抽水蓄能监控、风电厂监控、功率预测、光伏发电站监控、生物质发电、储能监控、电源接入等方面；在输配电环节，物联网技术可应用于输电线路监控、杆塔防护、智能变电站、配电自动化、状态监测、作业与设备管理等方面；在用电环节，物联网技术可应用于智能表计及高级量测、智能用电、多网融合、电动汽车及充电、能效监测与管理、电力需求侧管理等方面。
物联网技术的广泛应用可以全面提高智能电网各环节的信息感知深度、广度和密度，提高电力系统的智能化程度，促进“信息流、业务流、电力流的高度融合”的实现。
图6面向智能电网的物联网应用框架
1）电力设备状态监测
输电线路状态在线监测是物联网的重要应用，它可以提高对输电线路运行状况的感知能力，包括气象条件、覆冰、导地线微风振动、导线温度与弧垂、输电线路风偏、杆塔倾斜等内容的监测。
输电线路状态在线监测系统示意图7所示。
图7输电线路在线监测物联网结构示意图
根据物联网对电力设备的环境状态信息、机械状态信息、运行状态信息进行的实时监测和预警诊断，提前做好相应的故障预判、设备检修等工作，可有效提高设备检修、自动诊断和安全运行水平。
2）智能巡检
基于物联网技术的电网设备智能巡检系统可实现设备标识定位、设备生产厂家和供应商的追溯、为资产绩效管理和资产风险管理提供决策参考、巡检作业和安全标准化指导、巡检人员的到位监督，以及智能告警等功能。
基于物联网体系架构，遵循电力物联网整体规划，国网公司智能巡检系统的体系架构如下图所示，由感知层、解析层、数据层和应用层组成（图8）。
图8基于物联网的智能巡检系统体系架构
感知层：
数据采集与感知主要用于采集电力物资、设备、资产发生的事件和数据。
在电力物联网中将电网公司物资、设备、资产等信息资源标准主数据标识到共用的一个RFID标签中，如物资分类码、设备分类码、功能位置码、固定资产卡片号。
利用短距离数据传输将RFID存储的数据采集后进行协同信息过程处理。
解析层：
利用PDA统一中间件技术实现把感知到的信息无障碍、高可靠性、高安全性地进行解析和传送，采取多元化应用模块接口，能够满足“三集五大”数据分析的要求，达到更加广泛的互联功能。
应用层：
主要包含应用支撑平台子层和应用服务子层。
其中，支持平台主要为SG-ERP平台，应用服务主要包括电力物资采购管理、设备巡视检修管理、固定资产管理以及在此基础上的资产全寿命周期管理。
数据层：
准确的说，数据层不属于物联网技术的某个特定层面，而是利用PDA安全技术将数据解析到SG-ERP数据中心，或是应用层将修订的标识更新SG-ERP数据中心某一特定属性，并通过PDA加密验证后写入RFID标签中。
图9变电设备智能巡检系统结构
南方电网公司也已构建智能巡检系统，并在所辖变电站试点实施。
该系统由主站系统、PDA、CFRFID读写卡和贴在设备上的RFID电子标签四部分组成（图10）。
图10南网公司智能巡检系统示意
南方电网依靠该系统实现了对巡视人员工作状态的监控，标准化的巡检项目和规范化的缺陷输入，指导及监控了巡视人员的巡检工作内容，避免了错巡、漏巡的发生，有效地保证了巡检质量。
作为企业管理人员，可以方便清楚的了解每一次巡检的各个环节，具体到巡检中的每一个工作地点的作业时间，每一台设备的检查项目等等。
实现了“无纸化巡检”模式，有效提高了变电站设备的巡检管理水平
3）智能用电
物联网技术有利于智能用电双向交互服务、用电信息采集、家居智能化、家庭能效管理、分布式电源接入以及电动汽车充放电的实现，同时也是实现用户与电网的双向互动、提高供电可靠性与用电效率以及节能减排的技术保障。
在电动汽车、电池、充电设施中安装传感器和射频识别装置，实时感知电动汽车运行状态、电池使用状态、充电设施状态以及当前网内能源供给状态，实现电动汽车及充电设施的综合监测与分析，并保证电动汽车运行在稳定、经济、高效运行。
物联网技术也方便于家居智能化的实现（图11）。
借助于在各种家用电器中内嵌的智能采集模块和通信模块，可以实现家用电器的智能化和网络化，完成对家用电器运行状态的监测、分析以及控制；借助于在家中安装门窗磁报警、红外报警、可燃气体泄漏监测、有害气体监测等传感器，可以实现家庭安全防护；借助于应用无线、电力线载波技术，可以实现水、电、气表自动抄收；借助于光纤复合低压电缆、电力线载波以及智能交互终端，可以实现用户与电网的交互，以及相关的通信服务、视频点播和娱乐信息等服务。
图11物联网在智能家居中的应用
4）从“物联网”到“态势感知”
从目前的应用情况来看，物联网注重传感设备部署，以及基础数据的获取、传输和查询，而态势感知更强调监测范围的宏观性、数据获取的多样性与实时性，以及系统的综合分析能力和决策支持能力。
可以说，物联网是态势感知系统获取各类信息的物质基础，而在物联网技术的基础上，基于大数据技术的发现问题、分析问题和解决问题的能力才是“态势感知”真正的价值所在，也是与当前物联网应用最大的区别。
四、国内外电力系统态势感知技术应用情况
电力系统有关“态势感知”相关技术研究目前还处于起步阶段，主要应用于调度领域和配电自动化领域。
随着电力市场管理系统（MMS）、能量管理系统（EMS）和配电管理系统（DMS）在电网中的运用，对多数据源、大数据量及复杂系统状况的掌控成为智能电网自动化系统的新课题。
国外采用了在军事和网络安全等领域成功应用的态势感知技术（图12），结合可视化技术和电网自动化系统的高级应用功能，实现了从感知、理解到预测的全面智能决策支持系统。
态势感知技术在电网运行中的应用，极大地促进了电网自动化各系统应用功能的融合，有效地提高了电网运行的效率，为电网的安全稳定运行提供了有力的保障。
图12态势感知技术体系结构
结合适当的态势感知技术体系，电力系统EMS的高级应用功能得到了充分的发挥。
这些高级应用功能构成了态势感知系统“理解”和“预测”的重要基础，成为运行管理人员“决策”的重要工具和手段（图13）。
图13态势感知技术与电网自动化的结合
4.1国外发展状况
美国态势感知技术研究起步较早，美国电科院和部分科研机构已于多年前即开始研究态势感知技术在电力系统中的应用，取得了一定的成果。
借助联邦智能电网部署计划，纽约州相关电力公司已在其电力系统中着手实施态势感知，以提升电网运行管理水平，提高电力系统的可见性、可靠性和设备利用效率。
1）美国电科院（EPRI）态势感知研究
EPRI智能电网标准研究小组认为智能电网应有六项主要功能：
广域态势感知、需求响应、电能存储、电力传输、高级量测和配电网管理。
EPRI研究人员认为态势感知在电力系统中的作用基于以下问题：
●什么是电力系统组件的状态？
这是情况认识！
●电力系统的组件的能力和行为是什么？
每个组件如何与整个电力系统状态相协调以便构成一个整体？
你是怎样管理每个组件的？
这是分析理解情况！
●不同的情况和控制命令将如何影响整个系统？
有效地管理系统、纠正系统的不平衡或恢复供电中断的最佳解决方案是什么？
这是情况的预测和预案准备。
基于上述作用与定位，EPRI列举了态势感知在电力系统的典型应用：
a.意外事故分析
意外事故分析是能源管理系统（EMS）的一个应用，用于分析电力系统的安全（例如：
承受电力系统中的关键基础设施停运的能力）。
态势感知系统可计算、识别和定义优先级：
当未来发生意外事故（即设备故障或停运）的时候，发生设备过电流和潮流越限，母线的过电压以及系统失稳问题的可能性和影响程度。
b.跨区域阻尼振荡
低频区域间振荡不利于达到最大功率传输和最优潮流的目标。
一个可用的解决方案，是在发电机自动电压调节器上增加电力系统稳定器，但该措施只是减少了局部阻尼振荡，并没有有效地阻止区域间阻尼振荡。
而区域间振荡可以通过位于系统各处的相量测量单元（PMU）分析检测。
在一个典型的应用中，系统的一个或多个发电机被选为远程反馈控制器（RFC）。
远程反馈控制器（RFC）接受一个或多个远程相源。
如果一个跨区域振荡存在，远程反馈控制器（RFC）从多个位置分析相位角并加以确定，控制信号发送到发电机的电压调节器，及时做出控制阻尼振荡的动作。
c.广域控制系统自愈网络的应用
态势感知在广域控制方面应用的目的是实时评估电力系统的状态，帮助电力系统准备抵御可信的意外事故的发生，防止大面积停电，使电力系统从不良状态快速恢复到正常状态。
实现该目的包括一系列行动：
信息收集、建模分析，以及决策和控制行动。
d.监测配电运行
作为广域态势感知的一部分，该功能的目标是实时监测和预测配电运行，收集分析配电网运行和外部环境数据，在正常和紧急操作条件下，制定配电运行方案建议。
e.电压、无功和功率控制
态势感知相关应用程序能够分析计算出电压控制器、电压调节器、分布式电源、电力电子器件、电容器的状态优化设置方案，使得以优化操作为目的的需求响应成为可能。
2）美国纽约州：
实施态势感知，提高电网可见性
美国纽约州在电力系统中加装更多、更广、更精确的传感器，大幅提升电网的可见性，改变电力运营商过多依赖现场运维人员和客户电话了解电网状态的状况。
其态势感知系统主要包括以下几个方面：
a.相量测量单元（PMU）
新安装的PMU每秒测量电网电流、电压30次，测量频率远高于目前安装的同类设备。
纽约独立系统营运商（NYISO）正在实施一项7400万美元的联邦资助项目，在全州战略要点安装39个PMU，新的PMU网络将于2013年6月建成。
今后，纽约PMU网络将与新英格兰、大西洋沿岸中部地区、中西部地区，以及加拿大安大略省的PMU网络联接，在美国和加拿大东部地区形成更广范围的态势感知网络，让运营商更清楚地看到电力系统的薄弱点和存在的威胁，并提高现有输电线路的利用率。
b.远程监控传感器（RemoteMonitoringSensors）
作为2.8亿美元联邦资助智能电网部署项目的一部分，纽约联合爱迪生公司（ConEd）正在为其电网的26000台变压器安装远程监控传感器，可实时获取变压器的负载、温度、压力和油位等参数。
一旦某一参数超出设定限值，运维人员将迅速前往处理，如果有必要，系统还可以远程关停异常变压器。
此项远程监控系统可有效提升系统可靠性和资产管理水平。
c.以模型为中心（Model-centricApproach）
OrangeandRockland（O&R）电力公司正在使用一种称为“以模型为中心”的方法进行其配电系统的更新换代。
O&R公司根据其配电系统开发了一套分析预测模型，包含365000项资产信息（输电线、变压器、开关、重合闸装置、断路器等）。
该模型与数据采集与监视控制系统（SCADA）相联，形成虚拟SCADA系统，并从SCADA获取数据进行持续优化，不断提升自身的态势感知能力。
O&R正在与布鲁克海文国家实验室（BrookhavenNationalLab）和中央哈德森天然气和电力公司（CentralHudsonGasandElectric）合作，就输配电系统进行统一建模，这将使O&R的配网分析预测模型扩展为输、配电范围。
上述虚拟SCADA系统不但可以显著提升配电系统的可视化程度，而且还提供可为运营计划提供分析平台。
d.基于高级计量的双向通信
纽约长岛电力部门和联合爱迪生公司已在当地2500居民和商业客户中安装了高级计量装置。
该装置具有双向通信功能，电力运营商可以实时了解客户的服务状态。
除提高电力系统可视化程度外，该装置还可实现分析数据、预测未来和提出运行建议等功能。
在模型建设方面，纽约公共事业部门和独立系统营运商（NYISO）共同开发了一系列决策支持分析工具：
a.新型能量管理系统（NewEnergyManagementSystem）
纽约独立系统营运商（NYISO）正在尝
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