电网态势感知技术国内外发展情况综述

1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2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一3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4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5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。63.1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7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