（电力系统及其自动化专业论文）dts全过程动态仿真研究.pdf

浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o ni sc o n c e n t r a t e do nt h es t u d yo fd y n a m i cs i m u l a t i o nd i s p a t c h e r t r a i n i n gs i m u l a t o r ( d t s ) b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ed t sd y n a m i cs i m u l a t i o n p r o g r a ma l g o r i t h m ，ad e e pr e s e a r c ho nd t sd y n a m i cs i m u l a t i o np r o g r a mi sm a d e s u c ha s ： 1 r e s e a r c h i n go nb p aa n dd t sc a l c u l a t i o nm o d e l ：s u c ha sg e n e r a t o rm o d e l ， l o a dm o d e l ，e x c i t et u r b i n ea n dg o v e r n o rm o d e l 2 r e s e a r c h i n go nb p a c a l c u l a t i o nf i l et y p ea n dd t sn e tm o d e l f i n i s h i n gd t s t ob p ad a t ac o n v e r s i o np r o g r a m 3 t r a c i n gd t sd y n a m i cs i m u l a t i o np r o g r a m ，r e s e a r c h i n go ne v e r ys t e p 4 c a l c u l a t i o no nr e a lp o w e rs y s t e m a l lt h ec a l c u l a t i o np r o v et h a tt h ed y n a m i cs i m u l a t i o np r o g r a mp e r f o r mw e l l i tc a l l n o to n l yb eu s e d0 1 1d t sb u ta l s ob eu s e df o rp o w e rs y s t e ms t a b i l i t ya n a l y s i s k e yw o r d s ： d t s ，t r a n s i e n ts t a b i l i t ys i m u l a t i o n , a c c u r a c y h 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1d t s 的重要作用 随着我国西电东送，大区联网的推进，电力系统的规模和复杂度不断增加， 在事后事故分析中，人们发现，事故的起因往往是很小的，但是由于调度员不能 及时地识别与处理故障，造成了故障的扩大化。有经验的调度员会在系统刚刚出 现不稳定的情况下采取必要的应急措施，但是一个调度员只有在经历了若干次紧 急情况后才能逐步具备这种处理紧急事故的能力。实际电力系统中，培养一个有 经验的调度员，所花的时间和代价是巨大的。培训调度人员是防止此类事件发生 的重要方法之一 南瑞的电力系统仿真器是调度员培训系统的一部分。随着电网规模的不断扩 大，新技术的不断涌现，现代电力系统的运行已变得越来越复杂，对调度员的要 求也越来越高，以传统的方式对调度员培训已经不能满足要求，这就促进了各类 仿真器的研制。 调度员培训系统首先要解决的问题就是如何使调度员获得系统的正常安全 状态，正常不安全状态，紧急状态，恢复状态下系统的运行和操作经验。在实际 的系统中要提供这样的机会几乎是不可能的。 而调度员培训系统就提供了这样的一个逼真的仿真功能，起到与实际系统中 培训相同的效果。又不影响电力系统的正常运行。d t s 正成为培训调度员的重 要工具，在电力系统中发挥着重要的作用。 在调度员培训系统中，仿真器准确度的重要性非常大。长期以来，仿真的准 确度都没有得到足够的重视。电力系统仿真计算开始与2 0 世纪6 0 年代，但直到 1 9 9 9 年8 月才发表了一篇关于仿真验证的文章。 该文用w s c c 的系统动态数据库重现了1 9 9 6 8 1 2 日故障，并与系统的数据 曲线比较，结论是否定的。即现有的模型和参数不能不能正确地仿真出电力系统 发生故障时的动态行为1 9 】。 该文是划时代的文章，它标志着准确仿真时代的到来。该文只提到模型的有 效性问题，实际上仿真更应该考虑有效性问题1 9 1 。 本课题的目地就是为了提高调度员培训系统仿真结果的可靠性，提高其在实 际应用中的价值。 国外研究d t s 已有二十年余的历史。功能上日趋完善，实现的手段也随着 计算机的发展日趋成熟。目前美国日本香港等国家和地区的电力公司己先后装配 了d t s ，我国的部分电力公司也已装配。事实证明，这些d t s 的确提供了一种 有效的手段。我国的d t s 研究从8 0 年代末期开始。南瑞集团的d t s 系统就是 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 在这样的背景下诞生的。随着它的不断升级和完善，实用性也必将提高到一个新 的水平。 基于上述背景，采用可视化技术，对调度员培训仿真器的仿真的精度进行研 究，使之达到误差要求，是本课题的重点。 1 2 对d t s 的基本要求 d t s 的主要用途是对运行人员进行培训。因此，它必须满足以下四个基本要 求： 真实性 d t s 应能逼真地再现受培训学员所在的电网的静态或者动态过程，应能模拟 实际系统中的所有发电机、线路、变压器、电抗器、开关等发输变电设备，应能 选择不同的运行方式进行研究分析，真实地再现各种运行情况下的潮流分布和系 统的动态过程，同时对操作或者扰动应能有快速的实时响应【。 一致性 d t s 应能逼真地再现学员所在控制中心s c a d a e m s 系统环境，产生一个 数据采集和处理手段与调度中心相似的培训环境，即与调度中心有相同或者相近 的显示器、操作台、监控内容和通讯设备的培训环境。学员在培训室受训就会有 一种身l i 缶其境的感觉，可以收到很好的培训效果，可以使他们尽快地熟悉所负责 的工作，在培训中获得系统故障时的快速反应能力，从而取得比较好的培训效果 【1 1 。 灵活性 d t s 要有灵活的培训支持功能。教员可很方便地执行学员下达的各种调度指 令或任意的设置故障，操作应灵活方便，使系统能尽快地进入新的运行状态，有 足够的教案进行演示，并可进行必要的培训控制和评估，以满足对各种运行方式 的研究和培训需要以及提高效率【l 】o 开放性 开放性的显著特点是：可移植性好、可扩充。在计算机硬件不断更新的今天， 必须遵循上述开放的原则，其中最关键的是可移植性好【”。 1 3 电力系统发展对d t s 动态全过程仿真的要求 近十几年来，世界各国的电力系统都有了迅速的发展。一方面，电力系统向 大机组、高电压和远距离发展，另一方面，大量新型电力系统元件不断地投入使 用，尤其是灵活交流输电技术( f a c t s ) 的发展应用，由于它对现在电力系统快 速灵活的控制，使电力系统的特性发生了巨大的变化，现在电力系统的上述变化 2 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 使得动态问题变得复杂化，这就对调度人员提出了更高的要求，而作为培训调度 人员的d t s ，则需要不断地加强其功能，正确地反应系统的特性，尤其是系统 的动态特性，使调度人员不仅能学会进行正常情况下的调度操作，而且能对各种 紧急情况做出快速、正确的反应，从而使系统尽快地恢复到正常状态。调度员培 训仿真由于考虑动态潮流向考虑动态全过程发展，这是其发展趋势，也是电力系 统飞速发展以及计算机技术不断提高的结果1 2 3 1 。 1 3 1 系统规模的扩大 现代电力系统的规模日益扩大，系统间的互联已经成为必然趋势。有的已经 形成全国联合系统，也有的已经成为跨国、跨地区的联合系统。电力系统的互联 对于合理利用能源以及保护环境都有着重要的作用，并将取得错峰、互为备用、 互送廉价电力等巨大的经济效益。 美国在七十年代中期实现了地区电网的联合运行，前苏联在七十年代末期建 成了全国统一的电网。加拿大有着丰富的水力资源，为了向美国输送廉价的水电， 美加之间建有直流背靠背的直流站，几乎加拿大和美国的电力系统都联合成一个 整体；英吉利海峡之间的直流海底输电电缆，可以为英法两国的电力系统互相提 供2 0 0 万k w 的备用电源；西欧各国的电力系统几乎都已经联网；东西欧之间 也有背靠背的直流站，以输电代替输煤，图1 - 1 给出了北美联合电力系统的示意 图。 j 。一，。一 l ：中部电力 ；一系统 m a r c a + 西部电：l _ _ - 力系统：一 东北部电力系统n p c c 一翻诺茸t 扩7 可茸滞 中部电心地区j中部地 力系统电力系1区电力 ；w s c c - 南部电力| i a i n 统 系统l ； 系统 = 些些 ；! s p pl 东南部电力系统s e l l c ! ji 一i + 图i - i 北美联合电力系统的示意图 1 3 2 电力元件的发展 随着电力系统的迅速发展，现代电力系统正面临着一系列的新矛盾和困难， 面临着前所未有的挑战。一方面电力系统负荷持续增长，而另一方面由于受稳定 性条件制约，使线路输送功率收到限制。某些重载线路上出现了“瓶颈”现象， 经常出现电压和频率的波动。另外，电网中的潮流大小和方向很难按需要实现实 时控制。 面对电力系统发展中的矛盾和困难，在8 0 年代末提出了灵活交流输电系统 ( f a c t s ) 的概念。f a c t s 就是在输电线路的主要部位采取专门功能的电力电 子器件，以及其控制装置，对输电系统的运行参数如电压、相位差、电抗等进行 快速而灵活的控制提高输电线路的传输功率极限。控制着输电线路功率及流向， 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 使运行更加灵活可靠，使系统适应不断扩张的需求。 另外，计算机技术的发展使电力系统的自动化水平越来越高，各种新型调节 装置和自动装置不断投入使用，使系统的特性发生了变化。 1 3 3 负荷特性的变化 随着国民经济的快速发展，各类负荷比重发生了重大变化。一方面，工业负 荷( 主要是感应电机负荷) 急剧增加，另一方面，由于人民生活水平的提高，各 种家用电器急剧增加，尤其是带有恒温控制的空调器和冰箱等适应性负荷的大量 使用，使负荷特性发生了很大的变化，而负荷特性变化对系统动态行为将有较大 影响。尤其对系统的电压稳定有着重大影响。 电力系统的上述最新发展增加了系统的复杂性，使系统的特性发生了很大的 变化，这不仅体现在系统正常的运行和控制方式上面的变化，更体现在系统的动 态特性也发生着变化，从而对调度人员提出了新的要求。相应地也就对d t s 提 出了更高的要求。面对日益复杂的大型电力系统，使调度人员全面了解系统的动 态过程，掌握其动态特性有着非常重要的意义。 1 3 4d t s 动态全过程仿真的必要性 电力系统互联的目的是使电能的转换和输送更为经济和可靠。现代电力系统 中的检修和事故备用容量，已经由几十年前占系统容量的2 5 以上，大幅度地 降低到少得多的比例。由于在互联系统内能够顺利地把电能从一个地区传输到另 一个地区，便于地区问发电出力的相互支援，提高了互联系统的可靠性。但是， 大规模联合电力系统的出现，又增加了发生系统事故和导致大规模停电的可能 性，这不仅因为多地区互联的复杂性，系统结构和运行方式的复杂性以及远距离 大功率输电线路和系统间弱联系的出现，而且因为大机组的投运，各地区的旋转 备用都将大量减少。在系统中的任何一点发生故障都将不同程度地影响整个电力 系统的正常运行。开始往往是系统中的某个元件受到一个干扰，引起其正常运行 状态的破坏，但如果不能及时地正确处理，随着时间的推移有可能使事故连锁性 地扩大，导致大面积停电。 我国在电力系统发展的过程中，由于网络结构比较薄弱，系统无功功率不足 以及没有足够的备用容量，电力系统稳定问题比较突出。因此，在d t s 中完整 地计及操作和事故引起的暂态过程，以及随后延续下去的中长期过程，使调度人 员对系统正常状态和故障行为都有一个完整而清晰的认识，提高调度人员对系统 各种紧急状态的快速应变能力，就显得特别重要。 1 3 5d t s 全过程仿真的特点 电力系统动态仿真的主要目的是确定系统受大扰动后，发电机能否保持同步 运行，就第一摇摆稳定而言，仿真时间约在2 3 s 左右；对于多摆稳定问题， 4 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 仿真时间一般在3 1 0 s ；对于区域间联网的大电力系统，由于区域间转子相对 摇摆周期较长，仿真时间要更长一些【3 1 。所以对动态仿真而言，仿真启动的条件 是系统发生大的扰动，如短路故障和大机组切机等等；仿真结束的标准则为系 统失稳或积分时间已到；对于在d t s 中使用的动态仿真程序，应允许在动态过 程中进行操作或继续发生故障卦。图l - 2 给出了本文动态仿真程序的主框图。 图1 - 2 动态仿真总框图 1 3 6 实现动态全过程仿真的难点 d t s 动态全过程仿真所要考虑的因素较多，要求也较高，在具体事实上，面 临着许多困难，概括起来包括下面几点： 1 真实性和实时性的统一 真实性和实时性是d t s 动态全过程仿真最主要的性能指标之一。一方面， 要使仿真计算有足够的精度，必须选择精确的模型；另一方面，为了达到实时， 又希望模型尽量简化。这就造成了真实性和实时性的对立，如何实现二者的有机 统一是一个主要难点。 2 仿真模型的选择和自动组装 d t s 要能够模拟电力系统中不同的动态行为，使用统一的模型是难以做到 的。这就要求d t s 能提供不同的模型供用户选择，而且各发电厂的模型不能加 任何限制，应该使模型可以自动组装。这就提出了d t s 的自定义建模功能，在 实现d t s 动态仿真的过程中，要预留自定义建模的接口。 3 仿真速度的提高 由于系统的规模较大，所要考虑的模型种类比较多，需要求解的方程维数很 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 高；而要模拟系统的暂态行为，计算步长又必须较小，以至于计算量很大。怎样 提高仿真速度满足实时性要求是有待解决的最主要问题。 4 功角稳定与电压稳定的统一 电压稳定和功角稳定分析的侧重点和出发点不同，所要考虑的模型也有很大 区别，但系统功角稳定和电压稳定往往又密不可分的，如何实现二者的有机统一 也是难点之一。 5 继电保护和自动装置动作的体现与仿真实时性要求的统一 为增强和完善d t s 的功能，希望继电保护和自动装置完整按整定参数动作。 但这势必极大地增加计算量，影响仿真的速度，如何完整地满足还有待解决。 1 4 经典电力系统分析软件b p a 简介 b p a 程序是美国联邦政府能源部下属邦纳维尔电力局计算方法开发组自二 十世纪6 0 年代初期开发的大型电力系统离线分析程序。该程序采用稀疏矩阵技 巧的牛顿一拉夫逊法，并将梯形积分法运用于暂态稳定的计算，形成较为稳定的 数值解。目前电力系统多数单位所用的b p a 程序是中国电科院在美国b p a 程序 1 9 8 3 年9 月版本的基础之上，经过消化吸收开发而成的中国版程序，且已经在 我国电力系统规划设计，调度运行和试验研究等部门得到了广泛的应用，成为我 国电力系统分析计算的重要工具之_ _ 1 2 8 1 。 1 4 1b p a 潮流程序的结构和功能特点 中国版b p a 2 0 程序采用的基本解法是：微分方程用梯形积分法线性化，网 络方程应用导纳矩阵三角分解后与微分方程迭代求解。该程序分为潮流程序和稳 定程序两个部分： 1 ) 潮流程序 该程序主要用来计算电力系统潮流。该程序中的负荷模型包括恒定功率负荷、 恒定电流负荷、恒定阻抗负荷模型。可以根据某节点上p 和q 的扰动量、计算 系统中各节点灵敏度、线路灵敏度和网损灵敏度值。程序的输出具有内容详细和 灵活的特点，既可以有选择地列表输出原始数据、计算结果和潮流分析报告，也 可以应用单线图格式潮流图型程序及地理接线图格式潮流图程序输出。1 2 8 l 2 ) 稳定程序 该程序含有9 种传统励磁模型和1 1 种1 9 8 1 年i e e e 提出的新励磁模型，可 模拟多种类型的直流型励磁机交流励磁机以及静态励磁机，可以进行多端直流系 统的模拟。程序可以在屏幕上输出最大摇摆角，还可以给出对应的两台发电机名。 1 4 2b p a 的应用 b p a 程序主要用来计算潮流和暂态稳定，并在上世纪末应用较广，后来随着 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 其他各种仿真软件的开发、完善和推广，应用b p a 进行电力系统分析的科研人 员相对减少。 1 5 本文的主要工作 本文是在与南瑞科技股份有限公司电网分公司合作研究南瑞 e m s o p e n 3 0 0 0 d t s 动态仿真程序仿真精度与准确性的基础之上完成的。重点 探讨了d t s 动态程序仿真的故障处理和迭代求解的内部实现，同时研究了d t s 常见故障的与b p a 计较的仿真精度，探讨了提高d t s 仿真精度的方法。 其中，与经典稳定分析软件的结果一致性，是是本项目的重点，由于南瑞 e m s o p e n 2 0 0 0 ，d t s 动态仿真程序没有经过在实际系统上的严格校验，在本项 目中首先全面地研究南瑞d t s 仿真程序的实现，然后在掌握其计算的每个实现 细节的基础之上，通过算例的计算，比对d t s 仿真程序与b p a 的结果差异分析 原因，找出问题，再重新比对，提高程序的结果可靠性。 浙江大学硕士学位论文 第二章调度员培训系统 第二章调度员培训系统 2 1 能量管理系统e m s 概述 2 1 1e m s 的总体结构 在研究d t s ( d i s p a t c h e r t r a i n i n g s i m u l a t o r ) 系统之前，首先把目光投入到能 量管理系统e m s 上，力图从总体上把握自动发电控制系统。“一个典型的电力系 统是由发电、输电、变电、配电和用电五个环节所组成。对于分级管理的电网来 说，能量管理系统e m s ( e n e r g y m a n a g e m e n t s y s t e m ) 主要是管理电力系统中的 发电、输电和变电三个部分。配电和用电部分则属于配电管理系统d m s ( d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ) 的范畴1 6 1 。” 能量管理系统是一个复杂的计 算机应用系统，其结构可用图2 - 1 表示。 调度员 o o 电力系统 图2 - i 能量管理系统结构 可见，能量管理系统涉及计算机硬软件的各个方面。它最终是通过e m s 应 用软件来实现对电力系统的监视、控制和管理。 2 1 2e m s 应用软件 e m s 应用软件一般分为三级：s c a d a 、a g c ( 自动发电控制) 和p a s ( 网 络分析) 、d t s 。e m s 主要的应用软件如图2 2 所示。 监视控制和数据采集s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ) 系 统是电网调度自动化的基础，是能量管理系统应用软件实时数据的来源和控制操 作的执行机构。能量管理级软件的特点是利用电力系统总体信息( 频率、机组功 率、联络线功率) 进行调度决策，目标在于提高控制质量和改善运行的经济性。 网络分析级软件特点是利用电力系统总体信息( 母线电压和功角) 进行分析与决 策，目标在于提高运行的安全性。 8 浙江大学硕士学位论文第二章调度员培训系统 图2 - 2 e m s 主要应用软件 在当前国外3 0 0 多个电力系统中，已安装和运行的e m s 应用软件约有4 0 几 种。其中常见的有： ( 1 ) 自动发电控制a g c ( a u t o m a t i c g e n e r a t i o n c o n t r 0 1 ) a g c 闭环控制电力系统发电机组的出力，其目的是使系统频率和( 或) 新 的交换功率按计划保持在预定值。a g c 根据所期望的发电基点( b a s e dp o i n t s ) ， 在各机组之间协调分配发电控制需求。这些发电基点是由经济调度e d 或诸如紧 急约束调度e c d 的约束调度方式所决定的，或由调度员人工输入。 ( 2 ) 经济调度e d ( e c o n o m i cd i s p a t c h ) 一般的经济调度e d ，其目的在于根据输电网络模型的等式约束条件( 出力 负荷相等) 和发电机组的不等式约束条件( 小于运行极限) ，使总的运行费用最 少。由于没有线损和其它不等式约束，因此e d 只是表征一个无约束的经济调度 软件。 ( 3 ) 网络拓扑n t ( n e t w o r k t o p o l o g y ) n t 又称为网络状态处理器n s p ( n e t w o r ks t a t u sp r o c e s s o r ) ，用以辨识电力 系统中所有元件的连接情况。根据网络中现有电源和开关的开合状况，网络状态 处理器辨识该网络元件是否带电、无电或接地。 ( 4 ) 状态估计s e ( s t a t ee s t i m a t i o n ) 状态估计从实时网络的冗余测量值中获取电力系统的母线电压幅值和相角 的最佳估计值。s e 包括下面一些必不可少的功能：网络模型生成器n m b ( n e t w o r km o d e lb u i l d e r ) 、可观测性程序o r ( o b s e r v a b i l i t yr o u t i n e ) 、状态估 计和坏数据检出和辨识等。 9 浙江大学硕士学位论文第二章调度员培训系统 ( 5 ) 调度员潮流d l f ( d i s p a t c h e r l o a df l o w ) d l f 又称为在线潮流o l f ( o n 1 i n el o a df l o w ) ，可在实时或模拟状态下分 析电力系统的运行工况，用于与调度员会话或供规划工程师研究用。此潮流程序 还用于建立事故预想c e 的基本案例，以及在优化潮流o p f 中作为子程序使用。 ( 6 ) 短期负荷预报s t l f ( s h o n t e r ml o a df o r e c a s t ) s t l f 预报电力系统下一个2 4 h 直到一周内的每小时负荷。 ( 7 ) 安全分析s a ( s e c u r i t y a n a l y s i s ) 安全分析有时又称为事故预想c e ( c o m i n g e n c ye v a l u a t i o n ) ，它根据可能导 致网络中线路过负荷和( 或) 电压不正常的事故表，来评估电力系统的静态安全 状况。由于在任一给定时间只有某些可能导致过负荷和( 或) 电压不正常的事故 发生，有时甚至没有，因此，c e 的计算工作量，可以通过过程扫描或事故选择 程序来予以减少。c e 的基本案例，即其初始状态，可以是状态估计所给出的当 前状态，或是来自优化潮流o p f 的几分钟后的状态。 ( 8 ) 在线短路电流计算o s c ( o n 1 i n es h o r tc i r c u i t ) o s c 通常是一个三相短路程序，在母线频繁例行操作的子输电或配电系统 中，用来确定当出现可能的断路器失灵时的短路电流。 ( 9 ) 优化潮流o p f ( o p t i m a lp o w e r f l o w ) o p f 是一个通用的优化程序或是一组程序，它根据电力系统的网络状况和任 何一组简单的不等式约束条件，来使某个给定的目标函数为最小。视优化问题的 性质而定，优化潮流可能采用线性规划或非线性规划技术。o p f 是一个用于事故 约束调度c c d 、紧急约束调度e c d 、无功电压计划v v s 和无功电压调度w d 的通用工具。 ( 1 0 ) 开停机计划u c ( u n i tc o m m i t m e n t ) 开停机计划确定为各发电机组的启动和停机时问顺序，使之至少在2 4 h 或长 达一周的时间内，包括启动和停机费用在内的总生产费用为最低。在此期间内， 还要计及负荷预报、水电计划、联络线计划、检修计划、发电储备要求以及电力 系统的安全。 ( 1 1 ) 水火电计划h t s ( h y d r o - t h e r m a ls c h e d u l i n g ) 町s 协调水火电机组在2 4 h 或长达一周期内的发电计划。在此期间内，还要 计及一周的负荷和水文预报、联络线交易、检修计划、发电储备要求、用水约束 以及电力系统的安全。 ( 1 2 ) 交换计划i s ( i n t e r c h a n g es c h e d u l i n g ) l s 将本公司的发电与合同和剩余发电综合考虑，在满足系统总的要求下，向 系统外售电，以使整个系统得到优化。 1 0 浙江大学硕士学位论文第二章调度员培训系统 2 2 调度员培训系统( d t s ) d t s 是一个由电力系统模型和电力系统控制中心模型所组成的培训系统。电 力系统模型提供一个电力系统的实时动态模型，可以模拟电力系统的各种运行方 式，并从r t u 获取各种远动信息。控制中心模拟的设备，应尽可能地做到与实 际的控制中心一致，并具有成套的监视、控制、人机界面和应用软件功能。调度 员培训模拟应按一对一培训和自学习两种模式来进行设计。 2 2 1d t s 的分类与构成 d t s 主要分为两类：独立型的d t s 和与能量管理系统e m s 结合的d t s ，独 立型d t s 采用了独立于调度中心的计算机系统、控制台、s c a d a 和应用软件。 而与e m s 相结合的d t s 则使用了调度中心的备用机系统。这两类d t s 各有其 优缺点：前者的优点在于可以提供多种培训功能而且对培训时间没有任何限制， 但它不能得到电力系统的实时数据；相反，后者具有为培训提供实时数据的能力， 而且数据库的维护也比较方便，但由于使用的实时系统中的设备，它的使用时间 和培训人数都受到限制。本文主要讨论后者。 和e m s 相结合型的d t s 一般包括三个子系统：控制中心子系统( c c m ) ， 电网仿真子系统和s c a d a e m s 子系统。这三个子系统通过数据库管理、图形 管理、网络通讯管理和任务管理等的支持，形成一个有机的整体，构成一个完整 的d t s 系统i 】9 】。下面就与e m s 相结合的d t s ，概叙各子系统的主要功能。 2 2 1 1 控制中心模型c c m ( c o n t r o lc e n t e rm o d d ) 它模拟实际控制中心的软件模块。该子系统用于建立培训的教案、控制培训 进程及记录培训过程。教员在此设定电网的方式、发电机出力、负荷情况及联络 线潮流、设置故障的种类、地点及时间，通过仿真处理，为受训调度员提供一个 逼真的环境，可以设定故障时间以及在故障设备上显示故障现象。 如带地线合闸、线路单相接地、变压器过负荷) 、潮流变化情况及保护动作过 程。同时，教员可充当下级调度和厂站值班员，按受训调度员下达的调度令，逐 步地操作。学员席上将显示每一步操作的状态变化、仿真出电网潮流的变化。它 和其他子系统的关系如图2 3 所示。 _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ ：一 i 圃一，囱雹鎏墅圆 圈 逐墓卜圄 图2 - 3 d t s 各子系统关系 浙江大学硕士学位论文第二章调度员培训系统 2 2 1 2 电网仿真子系统( p s m ) 模拟学员所在电力系统的主要物理过程：该系统一般由下列模块构成： 1 网络拓扑模块 2 动态潮流计算模块 3 中长期动态仿真模块 4 准实时暂态仿真模块 5 继电保护仿真模块 6 自动装置仿真模块 d t s 应能模拟电网在正常和紧急状态下的静态和动态过程，尤其是逼真地实 时地模拟电力系统的静态和中长期动态行为。模型应具有良好的适应性，在可能 的电压、频率变化范围内保证足够的精度；适应各种电网运行状态；保护计算速 度快，实现实时仿真。 无论是电网的静态仿真还是动态仿真都应能详细地模拟系统内的继电保护 和自动装置。对于快速动作的主保护和部分后备保护，为保证仿真的实时性，一 般可采用逻辑判断进行仿真。对于反应系统不正常运行方式的后备保护和自动装 置，则按其动作原理进行仿真。此外还可以模拟继电保护和自动装置的拒动和误 动，以及开关的拒动。 2 2 1 3s c a d a e m s 子系统 该子系统基本模拟调度中心的s c a d a e m s 系统( 与调度值班的实际操作环 境一致) ，在值班操作环境能看到的图形、报表，学员在这个子系统上同样看到 的。 学员在受训时，他所面对的s c a d a e m s 子系统的功能与实际系统一样，他 可以通过s c a d a e m s 系统监视仿真电网，即可以通过遥控遥调控制电网( 需要 在数据库中设置遥控遥调设备) ，也可以通过电话给下级厂站值班员发布调度命 令，也可以通过电话向下级厂站值班员询问电网的情况，培训时的下级厂站值班 员是由教员充当的。 培训时，教员将完成以下工作： 1 、建立培训场景，也就是设置电网的运行方式，包括设置负荷、发电机出 力、联络线潮流等。 2 、监视学员的行为。 3 、针对培训目的和学员的水平以及电网的情况，给学员设置各种故障。 4 、模拟下级厂站值班员完成调度员下达的调度命令，回答调度员对电网情 况的问询。 在电网仿真中，所有教员所设置的事件将由继电保护仿真软件根据电网的结 1 2 浙江大学硕士学位论文第二章调度员培训系统 线和事件的性质以及保护的配置，仿真出保护的动作和跳闸的开关。开关的继电 保护动作( 跳闸及自投) 、学员的遥控遥调操作和教员代替下级厂站值班员所作的 操作，都由电网仿真软件即时计算出结果，并反映在教员机和学员的 s c a d e m s 子系统上。 2 2 2d t s 的使用 d t s 的使用有如下四种方式： 自学：使用教员机。 培训：使用教员机和学员机，背对背。 反事故演习：使用教员机、学员机和通讯系统。 联合反事故演习：使用教员机、学员机、通讯系统、远程终端。 在每一种培训方式中，d t s 使受训人员所面对的环境与实际调度值班的环境 相似。不同的是，在实际调度值班内，调度员面对的是实际电网，电网状态的变 化是实测的、真实的；而在培训室内，面对的是仿真的电网，电网状态的变化是 通过模拟操作、电网相关计算及继电保护及自动装置等仿真处理而模拟的。 学员在受训时，所面对的s c a d a e m s 监控子系统与实际值班系统一样，他 可以通过该子系统监视电网，可以通过遥控遥调模拟控制仿真电网，也可以通过 电话给下级厂站值班员发布调度命令，也可以通过电话向下级厂站值班员询问电 网异常情况( 培训时的下级厂站值班员由教员充f i ) 。 教员在培训时，将完成以下工作： a ) 建立培训场景，也就是设置电网的运行方式( 包括设置负荷、发电机出力、 联络线潮流) ，或选择已有的电网的运行方式等。 b ) 针对培训目的和学员的水平以及电网的情况，给学员设置各种故障，或 l 临时增改预想事故。 c ) 模拟下级厂站值班员完成调度员下达的调度命令，回答调度员对电网情 况的问询。 d ) 观察学员的事故处理全过程( 如：先查哪些资料、是否核对过当前运行方 式、主副值之间配合情况及情绪紧张状况等) 。 在仿真电网中，教员所设置的事件将由继电保护仿真软件根据电网的接线和 事件的性质以及保护的配置，通过定值计算或逻辑判别仿真出保护的动作和跳闸 的开关。 d t s 结构示意图如图2 - 4 ： 浙江大学硕士学位论文 第二章调度员培训系统 图2 - 4 d t s 结构示意图 图2 - 5 d i s 培训室布置图 2 2 3d t s 的现状 调度员培训仿真的概念是w i s s c o s i n 公司于1 9 7 3 在e m s 软件设计中形成的。 1 9 7 7 年美国连续发生了多次大面积停电事故，引起了人们对d t s 系统的重视。 1 9 7 8 年美国电力科学研究院( e p r j ) 组织了第一次d t s 研讨会，随后d t s 技术得 到了飞速地发展。 技术的发展经历了以下几个阶段： 7 0 年代采用c d c 一1 7 为硬件平台，电力系统模拟子系统主要应用潮流解法。 8 0 年代以小型机为硬件平台，逐步以中长期动态过程为基础仿真电力系统。 9 0 年代硬件平台主要采用分布式工作站组成的开放系统，对电力系统的模拟 己逐步向考虑暂态过程的d t s 系统发展。 表2 1 为近年来开发的几种典型的调度员培训仿真器实例i l 】： 表2 - 1 国外d t s 仿真实例 投运日 用户 研制单文计算机配置系统规模电力系统模型 期 3 + m e l c o m节点5 1 0 东京电力t e p c o & 三菱动态潮流1 9 8 5 3 5 0 - 5 0 s , a p - 1 2 0 b线路7 6 8 g o u l ds e l节点2 1 0 动态潮流暂态 法国e d ft h o m s o n e d f3 2 8 1 | ug o u l d发电机1 9 8 7 s d3 2 ，2 71 0 0 过程( e q 恒定1 1 4 浙江大学硕士学位论文第二章调度员培训系统 美国 动态潮流暂态 a r i z o n a懒1 1 7 8 5过程为e p r i 标1 9 8 8 a r i z o n a 准暂态程序 瑞士电力 瑞士电力局 v a x 3 1 0 0节点1 0 0 动态潮流 暂态用矢量机 1 9 8 9 局 m l c r ov a x i i发电机5 0 可达到实时 m i t s u b i s h i &h y p e r c u b e 阵列节点2 6 1 发电机四阶模 东京电力型暂态达到实1 9 9 0 8 t o k y o 计算机 发电机5 4 时 n y p p&n a s8 0 6 3v a x 节点动态潮流暂态 纽约电力1 0 0 0 发过程用1 5 分钟 1 9 9 0 e c s a8 5 5 0 懈3 1 0 0 电机6 0 0完成2 s 模拟 节点1 0 0 0 线路 宾州电力 2台9 6 0 1 11 5 0 0 s i e m e n s动态潮流1 9 9 4 公司c y b e r发电机 5 0 0 负 荷1 0 0 0 总体看来d t s 硬件技术的发展与计算机技术的发展紧密相关，硬件配置由 单机向多机系统发展。而p s m 软件技术随硬件水平的提高也有了很大进步，由 最初的动态潮流程序，发展到包括中长期动态甚至机电暂态过程的仿真研究。硬 件技术的研究是为实现相应的仿真软件算法服务的，而p s m 模块是d t s 的核心， 因此本文将着重讨论p s m 软件技术的发展现状。 用于长期动态分析的数学模型是由r p s e h u l z 等提出的，具有以下特点： 全网统一频率，用一个运动方程描述。 忽略时间常数小的环节。 计及电压、频率变化。 在此基础上r d d u n l o p 首先用长期动态仿真程序进行分析。随后美国 e p r i 将稀疏技术用于长期动态仿真研究，扩大了计算规模，关于发电厂长期动 态模型的研究也取得了一定进展，使仿真模型实用化。 中期稳定仿真与长期动态仿真的区别在于中期稳定需要同时计及暂态模型 和长期模型，文献【l l 】首先研究了中期稳定仿真的具体方法。有时在d t s 中将中 期稳定过程忽略，直接实现暂态稳定和长期动态的模型转换。 暂态稳定程序研究电力系统在扰动下的稳定问题，由于计算量大在早期的 浙江大学硕士学位论文第二章调度员培训系统 d t s 系统中被忽略了。但是由于发生了大量的电网电压崩溃问题，暂态稳定计 算逐渐受到人们的重视。文献 1 3 1 讨论了时问常数很大的元件模型间的接口问 题；文献 1 2 l t g 对暂态一中长期动态的过渡进行了研究。但是由于暂态稳定计算 量很大，过渡接口复杂，尚须作进一步研究。 2 2 4d t s 的发展趋势 2 2 4 1 模块化 随着软件技术的不断发展，面向对象技术( o o p ) 被广泛应用于电力系统的各 个领域。面向对象建模具有模块性、可扩充性和重用性的特点。由于电力系统元 件类型复杂，经常增加新设备( 尤其是控制系统) ，因此为易于更新和扩展，现 代d i s 软件逐渐采用面向对象的方法。 目前，在d t s 中往往包括机电暂态仿真部分，与中长期动态接口成为重要 问题。应用面向对象技术建立元件在不同动态阶段的模型，可以很好地实现系统 不同阶段的转化，这将是d t s 研究的重要方向同时，为便于新元件模型的形成， 应建立便于用户掌握的自定义模块接口，提高仿真的灵活性。 2 2 4 2 可视化 现代电力系统的发展不仅要求调度员掌握保证电能质量和系统安全技术，防 止系统向不安全状态转化，而且要使系统处于经济运行状态，以适应电力市场的 要求因此有必要在d t s 中加入重要的分析和研究功能，使调度员建立电力系统 的基本概念，提高系统安全性、可靠性、经济性方面的理解。为了使学员得到更 多的信息，考虑到人对图形和色调的感觉比对数字敏感，培训环境可用图象、动 画等表现这样的新型培训仿真成为可视化调度员培训仿真v d t s ( v i s u a l i z i n g d t s ) 。 采用v d 技术可以通过图形系统表现更丰富的系统运行状态信息，包括参数 大小、相互关系、分布、越界情况、不安全度、流向等。例如在系统单线图上， 以活动箭头表示潮流方向和大小，母线和线路颜色表示电压等级，饼图显示正常、 警告和超限状态等。通过可视化技术直观地反映系统潮流优化、稳定运行等问 题将抽象的概念简明地表现出来，这是可视化仿真独特的优点。 2 2 4 3 自适应化 在分析电力系统动态过程时，把动态过程分成暂态和中长期动态已被人们广 为接受，但模型之间的转换始终设有得到很好地解决研究暂态稳定的模型比较 复杂，且计算步长不能过大，因此计算量很大，通常的仿真方法很难满足实时仿 真的要求因此需要提出根据元件状态自适应地变换模型，这样就可以合理解决 计算精度和时问复杂度之间的矛盾。 1 6 浙江大学硕士学位论文 第二章调度员培训系统 在整个动态过程中，元件的状态是在不断变化的。随着暂态分量的衰减和仿 真步距的加大，时间常数小的部分( 如励磁控制系统等) 将被忽略，而时间常数大 的部分( 如锅炉等) 将被详细考虑，这样元件就自适应地变换为新的模型。同时 当系统确定可以保持稳定后，还可以采用加速的方法( 如人工阻尼法) 使系统快速 过渡。 2 2 4 4 硬件通用化 在计算机硬件飞速发展的今天，硬件技术的提高推动了d t s 水平的发展。 但是快速的硬件系统更新在提高仿真效率的同时，也带来了兼容性的问题因此 开发时应保证硬件不相同时，画面、警报等与现场基本一致。目前的d t s 多与 s c a d a 系统相连，而s c a d a 硬件往往远远落后于当前计算机水平，s c a d a 系统改造势在必行，这样就不必要与现场强求一致。但是要保证硬件的通用性， 以便于系统的接口。此外应采用工作站和网络技术以提高d t s 的开放性。 2 2 4 5d t s 的应用要向电力市场拓展 在电力市场的运营环境中，原来的发电厂、供电局等将转变成具有各自的经 济利益的并相互竞争的发电商、供电商等。每一个发电商和供电商将配备报价员 负责市场报价，因此出现了一个集中进行电力商品交易的交易中心以及交易员。 可见，电力市场的每一个参与者都将面临一个截然不同的运营环境。他们必然需 要一个电力市场的仿真系统，从而可以培训人员，熟悉规则并制定相应的市场战 略等。因此d t s 的应用要向电力市场拓展，给调度员、交易员提供培训的仿真 环境，使调度员和交易员能力的提高与电力系统的发展相适应。 系统应该提供电力市场数据申报、交易、辅助服务控制等功能的仿真，作为 电网运行人员和决策人员的研究工具，培训系统交易员分析、交易的能力，进行 电力交易各方利益的分析、优化交易计划、培训电力市场经纪人。 电力市场环境下的预调度计划与传统的发电计划存在本质区别。对于给出的 交易计划，需要对该计划实际运行的可行性进行分析。主要考虑的是在正常运行 或某些特定的事故发生后，系统不至于出现线路过载、发电机无功越限、母线电 压越限等不安全情况。如果有问题，调度员要以最小牺牲系统的经济性为原则， 改变调度计划。同样，在调频、调峰、调无功，甚至“黑启动”时，也都要在最 经济的情况下，保证电力系统安全稳定运行。因此，d t s 要建立相应的闭环控 制模型，对经济优化的方案进行安全校验【2 0 l 。 2 3 小结 本章首先简要地介绍了e m s 系统的功能、构成，然后介绍了d t s 系统要求、 分类、结构，发展和现状，最后提出了模块化、可视化、自适应化、硬件通用化 和与电力市场结合的发展方向。 1 7 浙江大学硕士学位论文第三章由b p