（电气工程专业论文）衡水电网能量管理系统实用化的研究.pdf

华北电力= ：= 学工程硕士专业学位论文 摘要 本论文从电网调度自动化系统的发展历程开篇。以衡水电网能量管理系统实用 化立题，系统论述了衡水电网能量管理系统四个基本功能( 网络拓扑、状态估计、 调度员潮流、负荷预测) 的目的、意义、实用化的要求，及实用化各模块的内容和 使用效果。以工程的角度对实用化过程中出现的实际问题进行探讨并给出了相应的 对策，并在此基础上总结了实用化的诸多经验，同时根据能量管理系统体系结构的 发展。对能量管理系统体系结构必然向符合i e c 标准的开放化结构发展的趋势作了 分析。 关键词：能量管理系统，实用化，w i n d o w sn t a b s t r a c t k e yw o r d s ：e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m p r a c t i c a l i t y ，w i n d o w sn t 蜘一螂一刹龇一 删：詈 一一一一一 一一一 一 一咖蛳一一一一!耋 一 泐呲删们岫油 叫引虮m 油 哪 一一一一一一一一 m|詈懒一；墨|一唧脚脚 腓町 一一一一一 一一 呲-一_墨|刑仆 舔剐乩m 耽耋 一一一一一一一一一 耽耋 一一一一一一 一一一一一一一哪 华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 本论文从电网调度自动化系统的发展历程开篇，以衡水电网能量管理系统实用 化立题，系统论述了衡水电网能量管理系统四个基本功能( 网络拓扑、状态估计、 调度员潮流、负荷预测) 的目的、意义、实用化的要求，及实用化各模块的内容和 使用效果。以工程的角度对实用化过程中出现的实际问题进行探讨并给出了相应的 对策，并在此基础上总结了实用化的诸多经验，同时根据能量管理系统体系结构的 发展。对能量管理系统体系结构必然向符合i e c 标准的开放化结构发展的趋势作了 分析。 关键词；能量管理系统，实用化，w i n d o w sn t a b s t r a c t k e yw o r d s ：e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，p r a c t i c a li t y ，w i n d o w sn t 盯酊 眦：茎咖 涨 峨 专i m 一咖一一一一一一 一 一一一一一 一一 =酊嚣=一篓 一一一一一 一 c昌恤；r霎 呲瞄 州 吣叭 呲- 一恤刑l 三 髂刚乩m 坩 耋 一一一一一一一 一一一一一一一 一一一一一一一一姗 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文衡水电网能量管理系统实用化 的研究，是本人在华北电力大学玫读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知。除了文中特别加以标注和致谢之处外，。论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：立扯日期：2 掣 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅： 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同 方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：曼逄 日期：! ! ：2 导师签名 日期：翌：! ：2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第一章序言 1 1 电网调度自动化系统的发展 一从数据采集和监视控制系统的出现到向能量管理系统的发展 在上世纪3 0 年代开始建立了电网调度中心，用固定模拟盘和电话凭经验进行 调度，速度慢，同时性差；4 0 年代开始将电网上各厂站数据集中到模拟盘显示开关 状态及报警，增强了感知力：到了5 0 年代，为解决电网的工况监视和频率调整， 电网远动技术和自动调频技术开始发展起来。当时人们主要将注意力集中在通过电 网自动调频装置维持电网频率恒定和实现电网经济运行上，但远动水平还不高，多 为模拟远动，数量也不多。除信息收集外，对信息的分析、决策、发令都是靠人完 成。上世纪6 0 年代中期，在美国东北部和加拿大部分地区发生大停电事故后，各 国电力公司总结了这一事故教训，认为一次大停电事故带来的损失可能会超过多年 的电网经济运行效益，于是纷纷将注意力转到保证电网安全上。人们开始重视调度 自动化问题，6 0 年代末和7 0 年代初将计算机技术引入调度中心与远动技术相结合， 出现了电网调度数据采集和监视控制( s c a d a ) 系统。第一套s c a d a 系统出现在温 哥华的迪特茂控制中心。它是远动和计算机的结合，远动本身计算机化并增加了信 息处理和分析功能。中国第一套国产调度自动化系统s d 1 7 6 于1 9 7 8 年在华北京 津唐电网投运。这是电网调度自动化技术的飞跃。 s c a d a 系统虽然为电网调度人员掌握电网实时运行工况及事故处理提供了极大 的帮助，但事先不能告知电网发生扰动( 开关操作、事故跳闸) 时的后果。为保证 电网的安全运行，又提出将电网调度自动化系统从单纯的安全监视功能提高到对电 网运行作安全预测的要求。 要实现对电网运行安全预测，需对运行的电网不断进行潮流计算、功角及电压 稳定性计算，分析电网在发生故障时稳定性被破坏的可能性。但要做到这一点并不 象从远动系统到s c a d a a g c 的发展那样简单。其一是由于电网实测数据因各种原因 造成的误差，导致潮流计算不收敛；其二是功角和电压稳定计算还有快速算法未解 决的问题。为解决这两个问题，各国电力系统的学者经历了长期的努力，开发了称 为实时网络分析( n a ) 的高级应用软件( p a s ) ，完成了从网络拓扑到状态估计等一 系列基础算法。加上适用于不同类型电网的潮流计算及电网n l 的静态安全分析等 相关算法，解决了实时潮流计算的难题，使电网因正常操作及事故跳闸所产生的后 果可通过实时网络分析预测出来，调度员可据此来调整运行方式，以保证电网的安 全运行。电网实时网络分析功能集成至电网调度自动化系统中，使电网调度自动化 系统由监视系统s c a d a a g c 发展到能量管理系统( e m s ) ，电网调度也由单纯依靠调 度人员的经验来保证电网安全运行的经验型调度提高到对电网进行分析计算，以保 证电网安全运行的分析型调度，这是电网调度自动化技术发展中的第二次飞跃。这 一过程国外在7 0 年代大约花了1 0 年的时间。我国则在8 0 年代中期至9 0 年代完成 l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 了这方面的开发并开始工程实践。尤其对第二个问题花去了很长的时间进行探索。 出现了快速计算功角稳定分析的暂态能量函数法( 美国) 、势能边界面法( 日本) 等各种学派，但从理论到实践均尚未完全解决这一难题。8 0 年代后期，我国学者薛 禹胜院士提出了扩展等面积法( e e a c ) ，将电网大扰动时多机系统的发电机功角摆 动关系归结为同调的两机群关系，从而将复杂的多机功角摇摆的微分方程简化成代 数方程，并提出了在电网事故跳闸后电网结构变化时自动搜索两机群的动态e e a c 等一系列算法。经过工程实用中的不断完善，9 0 年代初，基于e e a c 的暂态功角安 全分析软件包在我国东北电网投入实用。9 0 年代末，快速动态电压稳定计算及安全 调度分析计算方法问世，相应的离线应用软件包首先在山东省电网中应用。将其在 线化后，可综合到能量管理系统中，构成在线动态电压安全分析。用以预测电网中 各节点在不同运行方式下的电压稳定裕度，并可指出调整电网中无功电源出力的措 施。功角稳定及电压稳定的安全预测功能的开发，使能量管理系统的实时安全分析 功能完整化。 二能量管理系统的构成从集中式到分布式的发展 9 0 年代以前，e m s 的应用功能不断发展和综合。但其系统体系结构本身一直停 留在以专用计算机及操作系统为基础的集中式体系结构上。随着电网规模不断扩大 和调度自动化系统相应发展，集中式体系结构已无法满足实际需要，主要存在以下 严重不足：一是扩充数据量和新应用增加时，主计算机负担越来越重，响应速度不 断降低：二是各种应用必须在一个机房中进行，限制了更多人员的应用：三是计算 机改型时e m s 的软件资源及历史数据很难得到有效保护。为解决这些问题，随着8 0 年代后期国际开放式计算机技术的出现，9 0 年代开始，各国e m s 的开发商都转向基 于国际开放式计算机操作系统、图形系统及网络系统的分布式结构，这是电网调度 自动化体系结构的重大发展。 由于应用功能的不断集成和新功能不断开发，e m s 所用的操作系统、支持系统、 网络通信系统的日益复杂，要求开发人员在精通计算机技术、网络通信技术和e m s 技术之后再去开发应用功能是不现实的。为保证应用开发入员能方便得将所开发的 应用软件集成到e m s 中，将e m s 的软件结构设计成多层次软件结构，即在应用层与 计算机操作系统内核层之间增加一个支持软件层，这是开放式系统的重要标志。其 主要组成分为数据库管理系统、图形管理系统和网络通信管理系统三部分。采用该 结构可使应用功能开发人员集中力量研究和开发应用软件，从而减少了开发人员的 工作量。 在开放式e m s 的开发中，除了全系统的可靠性设计外，有两个重要问题是用户 关注的，即系统的可扩展性和系统的可维护性。国内外的e m s 开发商都在改善管理 软件和降低局域负载上做工作，以实现系统的可扩展性。系统的易维护性方面国内 的开发已走在国外的前面，突出的例子是国内称为“图模库同步生成”，国外公司 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 称为“图像数据登录( g r a p h i cd a t ae n t r y ) ”的维护工具软件。a b b 在1 9 9 9 年的 香港c l p 工程中完成了这一工具的工程应用，而国内电力自动化研究院在1 9 9 6 年 就已投入实用。 目前国内较成熟的能量管理系统突出的特点之一就是，输出信息更加丰富，智 能化程度大幅度提高，实用性更强。有用的信息合理组织，以各种形象的方式显示 给调度员。许多应用功能中都能给出最优的调度决策建议方案，供调度员参考；采 用智能处理方法指出系统最薄b 日环节，引起调度员注意：显示方式直观，例如在画 面上通过变色、变暗、闪烁等形象直观的方式显示。操作简单，人机界面友好，使 用方便。 1 2 衡水电网现状 一衡水电网情况简介 衡水地处冀东南，是一个以农业负荷为主的地区，近年来，衡水电网发生了巨 大的变化，在冀南电网中已处于重要的枢纽地位主网架现有2 2 0 k v 变电站6 座， 2 2 0 k v 降压变压器1 l 台，总容量1 6 2 0 m v a 。2 2 0 k v 线路1 6 条，总长度5 2 4 7 7 3 k m ，l l o k v 变电站3 0 座其中用户站2 座变压器4 8 台总容量1 4 2 4m v a ，1 l o k v 线路4 8 条，总长度7 3 9 4 1 i k m 。省辖衡水电厂1 座，装机总容量2 * 3 0 0 m w ，市辖冀州热电 厂，装机容量1 9 m w 。电容器组共计5 2 台，总容量3 3 7 m v a r 。衡水供电公司担负着 衡水市1 1 个县、市( 区) 供电以及向周边部分地区转供电的任务，最高负荷达9 3 8 m w 。 电网结构见图卜l 。 随着衡水电网规模的不断扩大，电网调度自动化水平的不断提高，笔者清醒 地意识到电网能量管理系统的实用化应用水平也需不断提高，应该从传统的 s c a d a a g c 实用化提高到电网能量管理系统的负荷预测、网络拓扑、状态估计、调 度员潮流等电力应用软件的实用化。特别是近年来，随着电力企业由集中”管制”走 向”取消管sr j 的电力市场化进程的不断加快，电力企业越来越面临着这些的问题， 原有的电网能量管理系统是否能够适应电力市场交易计划编制以及安全调度的需 要，如何改造才能适应电力市场化进程的需求? 新上的电网能量管理系统怎样才能 以最小的投资跟上迅速发展的计算机软硬件水平更新换代的步伐，适应企业自动化 系统建设的需要，同时能够满足不同时期建设、不同厂商开发的各个应用系统之间 的系统互连、信息共享、软件互操作的要求? 而以上问题的解决都是以e m s 实用化 为基础的。 s s j l , i i j j 人学1 1 雅碳t ：一0 业学代泛文 * j “， 西f 跚卜l 晰水电网联络腰 二衡水电网调度自动化系统的建设 衡水供il 【公i dr 1 幼化j ：作，始二j 二l 蝴l 印，第台w y 7 一fc 远动堤仪和y i c ；系 列变送器安装在衡水2 2 0 k v 变 u 鲥i ，十9 3 , , i - 2gj ji ：i | | 率先加河北晰网通过了地训 系统实川化验收( 全排名第4 3 位) 。 1 9 9 5 年在对衢水1 u 网诩度向动化系统进 j 二胤如设计州，耙s c a b a 、i ；m s 、i ) t s ， , i t s 等系统的榭可：关系统考虑到规划和没汁f - 。结含街水i u 网和“钏儿q 内自动化 发联的实际情况，确定了先完蛑s _ ! a d a 系统 1 强f 琏础t 作。住s c a d a 系统不断笈 眨及维士r - 人员豢质4 i 断提商的。础 ：逐步0 f 入- 留级j 川j ：f f 能。9 6f i ：“i 钳测通中心的 大力支持f ，谯学爿、i | f 8 研了蝗地隅系统的傻 j 情况衍，选 j 了深蛳1 斯凯达公司 的p ( ；c 3 v t s 系统。j f ：j ：2 0 0 年升级为p ；c 2 0 0 0 系统h q - ： _ j 份j 消o f ；大学合作 丌发的 洲s “1 1 2 l ( 1 0 系统) 也i i 式进入试运 i 。 街水f u 网旧度j ，jz 力化系统j j i 接入j 。站端远功犍抖： 6 衍( 公) ，j 0 - j l2 2 0 k v 史 华北电力大学工程硕士专业学位论文 电站6 座；l l o k v 变电站3 0 座。系统结构见图卜2 。实用化的基础明显优于其它地 调，具体分析如下： i 系统实际运行经验丰富：衡水电网调度自动化系统基础较好，各项运行指标 一直名列前茅，具备e m s 实用化验收的基本条件。在e m s 系统投入试运行后， 在运方及调度人员和自动化人员的精心维护和使用下，系统始终运行正常。 2 r t u 精度高：目前，衡水电网调度自动化系统的r t u 除个别站( 衡水2 2 0 k v 站) 外，其他均统一为交流采样，确保了遥测( 尤其是无功) 的精度。 3 s c a d a 系统的支持：s c a d a 与e m s 的操作平台将统一使用w i n d o w sn t 操作 系统，系统之间的传输速度更快。精度更高，兼容性更好，将会给斟s 系统的 稳定运行提供更有力的支持。 4 通道质量高：衡水电网通信主网架目前以光纡和微波为主，部分厂站采用载 波，通道质量较好，同时，半数以上的厂站具备双通道，从根本上满足了s c a d a 系统和e m s 系统稳定运行的需要。 墨1 - 2 宫鳓能幕崭言抽墨 5 开发人员素质檑对较高：参加e m s 系统开发的人员全部具有本科以上学历， 具备丰富的电网运行和自动化系统维护经验。人员配备合理，满足e m s 实用化 验收细则的管理要求。 1 3 地区电网e m s 的特点( 相对于省网调而言) 及本科题的意义 一地区电网e m s 的特点 i 地区电网网架分散t 且网络相对较小，有结构不复杂的2 2 0 k v 的环网，大多 华北电力大学工程硕士专业学位论文 数是终端线路，且一般不环网运行。对外网的处理一般采用等值，而已有的 实际系统中，大都采用了对边界支路作负荷处理的方法，潮流计算尤其是合 环潮流精度不易保证。 2 地区电网呈辐射状供电，传统n l 算法有待改进完善。 3 地区电网的可观测范围与管理范围相差较大，e m s 的高级应用软件，尤其是无 功优化软件需做特殊处理。 4 对电源点的控制与省调不同，因为一般地调电网内没有大型电厂( 即使有调 度权也归省、网调) ，所能控制的小型发电厂的发电量也是按网上给定的负荷 曲线发电，因此对电源点的控制权相对很弱。 5 由于国内s c a d a 系统尚存在种种缺陷e m s 中需加强量测维护功能。 6 网供负荷预测受地区小电厂出力及气象因素影响很大，没有较好的算法与之 适应。 7 地区电网除计算实时故障电流外，还希望知道大、小方式下的短路情况，在 模型上应充分考虑地区电网的特点。 电网的调度内容和网络结构的不同，直接影响应用功能的选用。因此，在选择 应用功能时，一定要从本地区电网的实际出发，讲求实用，根据笔者的经验具 体应注意以下几点： a ) 网络拓扑、状态估计、调度员潮流是应用功能中最基本的功能，也是其 它应用功能的基础。因此，在进行地区电网调度自动化系统应用功能选 用时，应把上述三个功能作为基本功能。 b ) 若地区电网具有2 2 0 k v 环网且闭环运行。网内又有一定数量的发电机( 即 有较多的有功功率调节设备) ，可以选用静态安全分析和安全约束调度 功能。否则，若电网以开环运行为主，有功功率调节设备较少或没有， 那么这两个功能可以暂时不选用。 c ) 如果地区电网中有相当数量的无功功率调节设备和有载调压变压器，并 且可以进行自动调节，贝l j 可以选用无功电压优化功能。 d ) 如果地区电网受外部电网影响较大，则有必要选用外部网络等值功能。 e ) 其它应用功能可根据本地区电网的实际和运行的需要进行选择。 因此衡水电网在选择p a s 应用功能时，不贪大求全，而是根据自身电网的 特点和应用的实际需求，有目的、有步骤地选用功能，具体选取了( 网络拓扑、 状态估计、调度员潮流、负荷预测、短路电流分析、无功电压优化、网损计算) 等七项应用功能，其中又将国调要求的四项基本功能作为重点并尽快投入实际 使用。 二本课题的意义 早在6 0 年代，我国就开始了离线潮流和经济调度程序的研制。1 9 8 5 年。科研 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 部门和高等院校为我国电网开发的负荷预测、交换计划、火电分配及水火电分配、 状态估计、调度员潮流、安全分析、故障分析等一系列e m s 软件包已在少数网、省 调系统投入应用。但由于受支撑软件的制约，构成系统时显示出其固有缺陷，应用 效果不理想，不能达到实用水平。“八五”期间，部分电网与科研部门或高等院校 合作开发了调度员培训系统( d t s ) 、最优潮流等应用软件。由于d t s 未与实时系统 实现理想的结合，存在维护工作量过大的弊病：最优潮流由于入口数据不准确、网 络基础参数不准确、计算结果可信度差，即使算出了最佳策略也不敢就此在电网中 实施，使用效果不够理想。而后续开发的静态安全分析软件在技术上可直接采用 s c a d a 实时数据库断面。实用效果就理想得多。 从“四大网”引进开始，我国科研和生产单位才真正较为系统和全面地掌握了 e m s 网络分析功能应用技术，而我国电网由于自身的特点( 例如量测不足、错误数 据多、潮流断环过载等) ，因而对e m s 高级应用软件有特殊的要求，其要求绝非外 国标准软件可满足。况且国外一套e m s 高级应用软件仅使用权就上百万美元。为 了开发出具有中国特色的高难度应用软件，我国科研技术人员采用系统设计思想， “自上而下”地设计了各个软件模块并投入应用。由于计算机技术( 包括硬、软件) 和计算方法的进步，电力系统动态安全分析的在线应用已经开始。随着其进一步完 善和推广，必将对电力系统的安全运行发挥愈来愈大的作用。 e m s 高级应用功能的实用化是s c a d a 系统实用化验收后，电网调度自动化系统 的必然发展。是电网商业化运行的重要辅助工具，可以使电弼调度由经验型调度上 升至科学的分析型调度，进而大大提高电网的安全、优质、经济和商业化运行水平， 具有重大的社会效益和经济效益。国调中心在1 9 9 9 年底和2 0 0 0 年初相继发布了 e m s 应用软件基本功能实用要求及验收细则( 试行) 和地区电网调度自动化系 统应用软件基本功能实用要求及验收细则( 试行) 两个文件，对网络拓扑、状态 估计、调度员潮流、负荷预测等应用软件的功能要求、考核指标及验收办法作了明 确规定。这标志着我国调度自动化工作的重点已从s c a d a a g c 的实用化迈进了e m s 应用软件的实用化阶段。而正是在此基础上，河北省电力公司加快了e m s 实用化的 进程，2 0 0 1 年的省公司工作会上，省公司领导明确指出，2 0 0 4 年底南网六个地区 供电公司调度自动化系统应用软件基本功能必须达到实用化要求。衡水供电公司结 合自己的实际情况，确定了2 0 0 3 年通过实用化验收这一目标。本论文从工程实践 的角度阐述e m s 实用化过程中所遇到的问题及解决方案。对研究厂商和兄弟单位提 供宝贵的实践经验。因为e m s 实用化是一个庞大的系统工程，需要多专业、多部门 协同工作。统一指挥，e m s 实用化的成败很大程度上取决于承担单位的技术水平。 1 4 本课题的工作 本次课题的重点是实用化 1 针对衡水地调的e m s 需求分析地调e m s 与省调e m s 有不同之处，从功 华北电力大学工程硕士专业学位论文 能、人机交互方式、地调相关人员如何利用e m s 更好的完成本职工作上 对e l d s 进行分析是e m s 实用化开发与使用的第一步也是非常重要的一步 2 研究解决衡水电网网络建模中的外网等值的实用化方法。网络建模之前 必须考虑好外网如何处理这一问题，但有一个概念应强调，不建模外网 等值网，状态估计照样计算并收敛，外网建不建对状态估计无影响，对 基态潮流也无影响，这是因为基态潮流是从状态估计结果得来的。但对 潮流的开断计算影响很大，尤其是边界向外网看去构成环时，如果不建 立这个环的等值支路，内网上做支路歼断计算时其结果误差会很大。所 以外网等值主要是从外网对内网操作产生的影响角度来考虑的。主要方 法有三种：1 离线等值法：2 在线等值：3 离线等值，在线边界匹配。 3 研究解决扩大状态估计可观测范围的方法。因为衡水电网具有特殊性 其安平小区在电网结构上属于於网，只有通过某薜扩大状态估计可观测 范围的方法，才能满足实用化的要求。另外扩大状态估计可观测范围可 以提高数据的冗余度。 4 研究解决提高状态估计遥测合格率的方法。因为状态估计遥测合格率的 高低直接影响后续模块的精度。因此它也是实用化的重点考核指标之一。 5 研究解决工程实践中解合环操作时采样周期过长的闯题。在笔者调研的 诸多地调当中都没有很好的方法解决这一问题而这一问题在实用化验 收过程中又是难点之一，因此笔者想通过努力在衡水地调解决这一难题。 6 编写s c a d a ( 深圳斯凯达) 与e m s ( 清华大学) 之间通信软件包。将要求 提高到实用化为目的。 8 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章电力网络计算机建模的实用化研究 2 。l 网络拓扑的意义与作用 一网络拓扑意义与作用 i 网络拓扑的意义：网络拓扑是所有电网高级分析软件运行的基础，其将电网 的物理模型转化成数学模型为后续功能做好准备，并正确划分网络的计算用节点， 因此，在进行地区电网调度自动化系统应用功能选用时，应把此功能作为首选基本 功能。 2 ，网络拓扑的作用：网络拓扑功能的基本原理就是根据电网中断路器、隔离开 关等设备的状态及各电气元件的连接关系生成电网分析用的母线和网络模型。 因 为电力系统分析计算是面向电气接点( b u s ) 的，一个b u s 有时含有多个物理节点 ( n o d e ) 。在电网操作中，如开合母联断路器时，n o d e 与b u s 的对应关系会发生变 化。霹络拓拎的任务就是通过对所有元件连接情况的检查，把面向n o d e 的网络模 型转化为面向b u s 的模型。形成n o d e 与b u s 的对照表。它是一个基本的软件模块， 一般不单独运行，而被其他网络分析软件所调用。大部分采用稀疏矩阵技术以提高 求解效率。其中的重点就是如何建模。 二网络建模的目的 网络建模的目的：网络建模用于建立和修改网络数据库，为其它应用功能定义 电力系统的网络结构。这些应用包括状态估计、潮流、预想故障分析、安全约束调 度和最优潮流。网络建模的目的是定义、维护网络数据库。用户只能在网络建模 中插入或删除与网络数据相关的记录，其它的应用可以修改各种设备的状态和参 数但不能改变整个网络的设备结构。这些结构包括： 接线结构：描述弼络的组成，设备之问的连接关系以及设备的有关参数 电压等级：定义系统内常见的电压等级 负荷类型：定义负荷的特性 负荷分区：定义负荷分配系数 预报计划：定义预报计划 分接头类型：定义变压器的分接头类型 线路类型：定义线路的类型 电压限值：定义电压限值 2 2 网络拓扑功能实用化的需求分析 一网络拓扑功能实用化要求 i 能处理任何结线方式，如单母线、双母线、双母线带旁路、环形结线、倍半 断路器结线、旁路隔离开关等； 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 以分析处理电气岛情况，并确定死岛、活岛状态： 3 每个活的电气岛指定参考( 或平衡) 发电机： 4 能处理单端开断的支路( 线路或变压器) ： 5 能处理人工设置和遥信信息： 6 拓扑结果应能在画面上直观明了的显示 二对应用软件的要求 由实用化要求可以看出网络建模是关键工作，且工作量是十分巨大的，因此如 何建模必须针对衡水地调的实际情况，从功能、人机交互方式等多方面进行分析研 究，具体要求如下： 1 对建模工具的要求：必须是智能化所见即所得的网络建模工具，软件平台采 用图形数据一体化技术。因为e m s 实施过程中工作量最大的是网络建模，传 统的方法是把画单线图和网络建模分开进行，工作量大，而且容易出错，对 建模人员素质要求高。所见即所得的动态图形数据一体化系统，直接在画好 的厂站单线图上定义系统元件网络拓扑由程序自动形成( 根据厂站主接线 图的连接关系自动搜索生成电力系统网络的拓扑结构) ，避免了大量的人工 输入拓扑信息，避免复杂繁琐的人工编号，减少出错的可能性，使复杂的网 络建模工作轻松完成。 2 对电网建模数据、图形文件和在线维护操作的要求：所有电网建模数据通过 s q ls e r v e r 库的方式，以c 1 i e n t s e r v e r 模式达到各节点的数据共享。在线 维护操作通过广播报文保证全网的即时一致性，同时存入s o ls e r v e r 关系 表中，以保证后启动的系统获得原在线维护操作的记录数据以达到可延续的 一致性。图形文件版本通过在s o ls e r v e r 中建立图形文件版本管理索引表 的方式，指明存储最新版本的图形文件所在的主机名，任何工作站打开任一 厂站图时均授权存取，并将对应最新版本的图形文件备份至本机，从而提高 了图形文件的安全性。 3 操作界面的要求：提供一个具有w i n d o w s 9 5 n t 风格的功能强大的全图形画 面编辑器，图形编辑器尽量选择用户使用自然、方便的操作方式，交互方式 以当今流行的鼠标操作为主。图形系统还应提供“把柄”( h a n d l e ) 、物体捕 捉( s n a p ) 、网格定位( g r i d ) 、撤消恢复操作( u n d o r e d o ) 、用户自定义 线型、以及图元的分层存储和管理等功能，这些辅助功能大大提高了绘图操 作的效率。此外，图形系统最好引入动态引擎的概念，电力设备实体动态属 性包括动态数据项和动态图元，动态数据项包括动态数据文本和动态数据条 件引擎，是一个动态显示数据库中对应数据或状态的图形对象。动态数据文 本包括以下动态属性：动态文本、显示与否、闪烁与否、动态后缀、动态颜 色、动态系数等；动态图元包括动态图元属性和动态图元条件引擎，动态图 1 0 华北电力大学工程硕士专业学位论文 元属性包括：动态线型、动态线宽、动态线条颜色、动态填充颜色、闪烁与 否、显示与否、旋转角等，迸一步的动态图元属性可以包括按比例填充、缩 小、放大或移动等动态图形变换。动态数据条件引擎和动态图元条件引擎统 称为动态引擎，它由逻辑表达式、实时数据库访问接口和相应驱动机制组成， 根据实时库中对应字段数据的状态来动态地显示电力设备实体的动态数据 项和动态图元。还可以选择任意图形对象，定义为触发点，每一个触发点对 应一个可执行的命令，如调用一幅画面等。 2 3 网络拓扑功能实用化所需要的数据 一图形资料 1 辖范围内( 内部电网) 的所有1 i o k v 以上厂站的主接线图。 2 内部电网有直接联系的外部电网( 非管辖电网) 厂站的主接线图。 3 电网的系统图。在系统图中，各厂站应按实际地理位置合理布局。厂站可以 用一条或几条重要母线来代表。图中应包括所有内部电网l i o k v 电压等级以 上的线路以及所有联络变压器还应包括网间联络线以及联络线外端厂站( 厂 站以母线表示即可) 。 4 外部电网的等值网络图。等值网中只保留与内部电网直接联络的外部厂站， 其它厂站在等值中被消去。等值网最终只包括外网等值支路，等值发电机， 或等值负荷三种元件。 二网络层次关系描述 内部电网的层次关系( 如：省调管辖哪些地调、地调管辖哪些厂站等) 。 三电网元件的标识与中文名称 1 所有下属区域电网标识及中文名称。 2 所有下属厂站标识及中文名称。 3 电力元件( 包括所有线路、变压器及其绕组、发电机、调相机、电抗器、电 容器、静止无功补偿元件、联络线、外部电网等值支路、等值发电机或等值 负荷、开关、刀闸、母线) 的标识及中文名称。 四电网参数 1 开关刀闸元件参数。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 并联电容器( 或并联电抗器) 参数 3 负荷( 包括静止无功补偿元件、外部电网等值负荷) 参数 4 负荷类型参数 5 线路参数( 包括外部电网等值支路、联络线、串联电容器及串联电抗器) 6 线路类型参数 7 变压器参数 8 发电机参数( 包括外部电网等值机以及调相机) 9 联络线参数 2 4 在建模过程中遇到的问题和解决方案 一。外网的处理 1 外部等值的必要性 在线静态安全分析，对计算速度有极高的要求，需要借助等值方法减小计算 规模。对于得不到实时信息的外网部分的状态是不可观察的，必须作为外部等值 来处理。外部等值不只是为了对基态下的网络进行分析，它主要用于对感兴趣的 网络部分进行特殊运行方式的分析。在此有一个概念应强调，不建模外网等值网， 状态估计照样计算并收敛，外网是否建模对状态估计无影响，对基态潮流也无影 响，这是因为基态潮流是从状态估计结果得来的。但对潮流的开断计算影响很大， 尤其是边界向外网看去构成环时，如果不建立这个环的等值支路，内网上做支路 开断计算时其结果误差会很大。所以外网等值主要是从外网对内网操作产生的影 响角度来考虑的。 外部等值可分为静态等值和动态等值两方面内容，动态等值涉及对微分方程的 简化处理，用于研究系统的动态行为：静态等值涉及对代数方程的简化处理。用于 研究系统的稳态行为。实时安全分析目前只能做到静态安全分析，所以我们这里主 要研究静态等值。 2 静态等值的基本思想 一般说来，一个互联电力系统可以划分为三部分，一部分是最感兴趣的区域， 这部分区域通常装有较多的量测，其运行状态是可以知道的，这部分系统称为可 观察系统，在要进行静态安全分析的意义上，是内部系统。另外一部分系统没有 足够的量测，其实时运行状态往往是不可知的，称为不可观测系统，这部分系统 我们并不希望了解其细节，也叫做外部系统。内部系统和外部系统的交界外称为 边界系统，其中内部系统用i 表示。外部系统用e 表示，边界系统用b 表示。见图2 - 1 。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 _ 警 葺 i 昧化简网 ”1 b b 图2 1 ( a ) 等值前电力系统图2 - i ( b )等值后电力系统 静态等值问题给定的已知条件是： a ) 全网的结构和参数，对于已建成投入运行的电网，这个信息不难给出。同 时给出内部系统i 和边界系统b 的划分。 b ) 内部系统i 和边界系统b 的实时潮流解这可由状态估计器给出。 要求解的是： 找一个新的等值网络，它能很好地代表外部系统e ，而其规模比e 小得多。等 值后的电力系统p e = f + 尺目，r e 是外部等值网和边界阿的总和。p g 比p s ( p s ： ，1 + e 1 ) 小得多。要求是在等值电力系统的内部网络中的条件发生变化 时。用p e 求得的分析结果应当与p s 求得的分析结果接近。 因此，用什么方法确定外部系统的等值，使得这种等值对内部系统中所做的分 析计算结果影响较小也就是外部等值要解决的问题。主要方法有三种。 1 ) 离线等值法：用离线等值支路建外网模型；主要有w a r d 等值，r e i 等值等计算机 等值方法。 2 ) 在线等值：建外网结构模型，用转发的实时量测计算，外网参与状态估计； 3 ) 离线等值，在线边界匹配：建外网结构模型，用程序作网络等值，边男功率乎 衡用内网状态估计结果来匹配。 二内网建模深度的闯题 内网各变电站的建模深度掌握的好坏对状态估计和潮流计算的收敛性影响很 大，笔者对次进行了认真研究。 对衡水地区电网而言，主要建2 2 0 k v 和1 1 0 k v 电网，对少数3 5 k v 特别关心的 线路有时也可建模。不建模的变电站作为等值负荷。 建模的原则是： 1 属自己管辖区的电气设备； 2 自己关心的，f ；i | 常调度要做操作的设备； 3 有测点的设备，测点包括遥信遥测； 有时几条原则有矛盾。例如t 接线处通常没有量测，但t 接线不建模的话，计 华北电力火学工程硕士专业学位论文 算会有很大误差，这时应特别处理；有时，其中一小块电网不归自己管，无量测信 息，这块网又在自己管辖区之内，不建这块网会使内网无法做状态估计。这时通常 请上级( 省调) 转发部分信息来补充使自己的网可观测。 建模通常掌握的原则是，尽量简化，以满足需要为原则。对地调个别3 5 k v 线 路无法采集量测，这时若将该3 5 k v 线路在母线出口处等值成一个负荷可能较好。 1 0 k v 线路通常建成一个等值负荷。 三衡水电网实际建模情况 采用第二种方法( 在线等值：建外网结构模型，用转发的实时量测计算，外网 参与状态估计) ，即在衡水内部电网基础上往外推1 层，把外网重要厂站也建进来， 建立外网的主要网架，这也是衡水电网目前唯一可行的方法。因为安平2 2 0 k v 变电 站的两条2 2 0 k v 进线分别来自外网的东寺站和束鹿站。即安平小区与衡水主网在 2 2 0 k v 等级没有任何电气连接。在状态估计时由于现场运行系统只估计最大的可观 测岛，所以安平小区就成为死岛。直接导致状态估计覆盖率和遥测合格率低于实用 化要求指标，所以必须引入外网实时数据扩大可观测岛范围。这种方法虽好，但要 求有外网数据，除了内网数据要与s c a d a 映射外，还要有省调转发来数据的映射点。 这种方法的缺点是，外网数据无法维护，当出现问题时，内网人员无法观测到造 成内网状态估计发散。处理方法是把外网的环打断，由于外网解环，消除了对内网 状态估计产生的影响。实际上，这样处理不够准确，但由于安平小区的问题，衡水 电网目前只能采用这种方法，外网数据包括5 0 0 k v 变电站3 座；2 2 0 k v 变电站1 4 座： 系统电厂2 座。现系统共有遥测量1 5 8 3 ，遥信量1 5 9 6 计算量3 1 6 个。非实测的 开关、刀闸信号1 6 7 4 个，外网接线图见图2 2 ： 2 5 实施效果 一实施效果 经过笔者的反复实践和摸索，使衡水电网e m s 的网络建模功能日趋完善，体现 在以下几个方面： 1 很好地解决了t 接站建模的问题。 2 解决了三卷变压器模型的问题。 3 丰富和完善了更多的建模工具。 4 大大简化了网络建模的工作量。 5 解决了在同一画面中不能建两个以上厂站的问题。 6 作图时间较以前大为减少。 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 图2 - 2 衡水外网接线图 二衡水电网e m s 的建模过程简述 l - 建立系统层次关系：省调一地调一厂站其它。 2 定制系统电压等级及不同电压等级的作图颜色。 3 定制系统元件作图大小及标准。即定制标准图元库，可将标准图元存放在 标准图元库中也可画在一张厂站图上，相互拷贝。 4 各种字体的标准、各种设备名称标准化后丌始画厂站单线图。 5 设备定义及建模：系统各设备名称全网唯一，丌关与刀闸不重名，每个设备 定义后需要建立设备模型，即在设备属性中点击设备建模，输入设备参数， 确定后保存到s q l 库中，作为系统初始参数。 6 单站拓扑： 当厂站图上所有设备定义完后，可点击菜单“网络建模”中的“生成网络拓 扑”，生成单厂站拓扑。若拓扑有错，选择错误单端元件或错误连接点， 可查看闪烁的图形错误修改后重新拓扑。一旦拓扑成功，将弹出一窗口 选择电压等级，f 确选择即可。 7 。 参数校核； 当所有厂站拓扑及设备参数输入完毕后，输入变压器分接头型号参数然后 进行参数校核，查看设备参数是否输入证确。 1 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 8 全网拓扑： 初始化系统：运行m a i i b u l 】e x e ，以便查看装载中是否存在错误，如有则 返回厂站定义及建模处修改。直到没有错误即可。 9 进行量测映射，将s c a d a 系统的数据与e m s 上的测量数据一一对应。 1 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第三章状态估计实用化的研究 3 1 状态估计( s e ) 的意义与作用 一。状态估计( s e ) 的意义 1 状态估计的目的：由于随机噪声及随机测量误差的介入，无论是理想的运动方 程或测量方程均不能求出精确的状态向量。为此，只有通过统计学的方法加以处理 以求出对状态向量的估计值。这种方法称为状态估计。其分为动态估计和静态估计 两种，按运动方程与以某一时刻的量测值作为初值进行下一个时刻状态量的估计， 叫动态估计：仅仅根据某一时刻的量测值，确定该时刻的状态量的估计，叫静态估 计。 2 电力系统的状态指什么：要对电力系统的运行状态进行分析，首先要确定电网 的运行状态。电力系统的运行状态可用各母线的电压幅值和相角来表示。知道母线 的电压幅值和相角后，其它量，如线路潮流，母线的注入功率等，都容易求解。 3 。电力系统的状态由谁决定：1 ) 组成电力网的各元件的参数；2 ) 各元件之间的 联结情况；3 ) 决定电网运行情况的边界条件，即各发电机和负荷的运行状况。 电力网的各元件的参数在系统建立之后就已确定，可以从设计值或投运前的实测值 给出。各元件之间可能的联结情况系统建立之后也已确定，主要由各开关和刀闸的 状态决定。而在一确定的接线方式下，系统中运行各元件的运行工况可能不同，发 电机的出力和负荷的大小也是变化的，这些变化决定了系统状态量的变化。 4 状态估计的意义：由s c a d a 系统直接采集的“生数据”有以下缺点： a 限于条件直接通过硬件方法测取所有关心的景是不经济的有时是做不到 的。 b 有些量，象节点电压相角等，是不容易直接测量的。虽然g p s 技术使相角测 量成为可能，但普遍应用还是未来的事。 c 由于各种误差，这些直接采集的量是不甚可靠的其精度有待提高。 因此在硬件量测的基础上，利用软件采用数学方法计算出所关心的量。这 样做可以充分发挥已有硬件的潜力，提高数据精度，补充量测的不足。排除不 良数据的影响，提高实时数据的可靠性和质量。状态估计就是这样一种数学滤 波方法，它用量测信息的冗余度来提高数据精度，自动排除随机干扰所引起的 错误信息，估计出系统的状态。 因此状态估计也被称为滤波，它是利用实时量测系统的冗余度来提高数据 精度，自动排除随机干扰所引起的错误信息，估计或预报系统的运行状态。状 态估计作为近代计算机实时数据处理的手段，首先应用于宇宙飞船、卫星、导 弹和飞机的追踪、导航和控制中。它主要使用了六十年代初期由卡尔曼、布西 等人提出的一种递推式数字滤波方法，既节约内存，又大大降低了每次佶计的 计算量。电力系统状态估计的研究也是由卡尔曼滤波开始，但根据电力系统的 l ， 华北电力大学工程珂i 士专业学位论文 特点，即状态估计主要处理对象是某一时间断面上的高维空间( 网络) 问题， 而且对量测误差的统计知识又不够清楚，因此目前很多电力系统实际采用的状 态估计计算方法是最小二乘法，它是一种非统计学方法。最早的最小二乘法是 高斯解决天体运动轨迹问题时提出的。这种方法的优点之一是不需要随机变量 的任何统计特性，它是以量测值和量测估计值之差的平方和最小为目标准则的 估计算法。 二电力系统状态估计的主要作用是： 1 根据量测量的精度和基尔霍夫定律按最佳估计准则对生数据进行计算，得 到最接近于系统真实状态的最佳估计值。所以通过状态估计可以提高数据 精度。 2 对生数据进行不良数据的检测与辨识，删除或改正不良数据，提高数据系 统的可靠性。 3 推算出完整而精确的电力系统的各种电气量。例如根据周围相邻的变电站 的量测量推算出某一没有装远动装置的变电站的各种电气量。或者根据现 有类型的量测量推算其它类型的量测量，例如根据有功功率量测值推算各 结点电压的相角。 4 根据遥测量估计电网的实际开关状态，纠正偶然出现的错误的开关状态信 息，以保证数据库中电网结线方式的正确性。状态估计的这种功能称之为 网络结线辨识或开关状态辨识。 5 可以应用状态估计算法以现有的数据量测预测未来的趋势和可能出现的 状态( 电力系统负荷预测) 。这些预测的数据丰富了数据库的内容，为安 全分析与运行计划等程序提供必要的计算条件。 6 如果把某些可疑或未知的参数作为状态量处理时，也可以用状态估计的方 法估计出这些参数的值。例如带负荷自动改变分接头位置的变压器，如果 分接头位置信号