（电力系统及其自动化专业论文）广东中调ems高级应用的分析和实用化研究.pdf

华南理工太学1 i = 程硕士论文 论文提出的方案和建议已基本上在高级应用软件中实现并投入到同常运行，取得了 明显的效果，极大地提高了高级应用软件的实用化水平，增强了高级应用软件对电网运 行调度的指导意义。 关键词：状态估计：调度员潮流；调度员培训仿真 i i a b s t r a c t p o w e rs y s t e ma n a l y s i ss o f f w a r e ( p a s ) a r et h eh i 曲一l e v e lf u n c t i o n a ls o f f w a r e si ne m s ， t h e y a r er e a l t i m ea n ds t u d yo r i e n t e dn e t w o r k a n a l y s i st o o l s b a s e do n p o w e r n e t w o r km o d e l p a so f f e rt e c h n i c a li n s t r u m e n t sf o rs c a d ad a t ae x a m i n a t i o na n dc o r r e c t i o n ，a c c i d e n t i m a g i n a t i o n ，o p e r a t i o ns i m u l a t i o n ，s e c u r i t ya n a l y s i s ，n e t w o r ks u p e r v i s i o n ，d i s p a t c h e rt r a i n i n g a n da n t i a c c i d e n tm a n e u v e ri np o w e rs y s t e mo p e r a t i o na n dd i s p a t c h i n g w i t h o u tt h eh e l po f p a s ，s e c u r i t yl e v e lo f t h e p o w e r n e t w o r ko p e r a t i o nw o u l db ed e g r a d e dg r e a t l y t h ep u r p o s e o ft h i st h e s i si st op r o m o t et h ep r a c t i c a l i t yl e v e lo fp a s ，w h i c hm a ye l e v a t ep o w e rn e t w o r k d i s p a t c h i n gf r o me x p e r i e n c e - b a s e dt y p e t oa n a l y s i s - b a s e d t y p e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h em o s tc o m m o n l yu s e dp a sf u n c t i o n si nt h eg u a n g d o n gp o w e r d i s p a t c hc e n t e r ，i n c l u d i n g s t a t u s e s t i m a t i o n ，d i s p a t c h e r p o w e rf l o wa n dd i s p a t c h e r t r a i n i n gs i m u l a t i o n ( d t s ) ，i n t r o d u c e st h e i rp r i n c i p l e ，r e a l i z a t i o n ，k e yt e c h n i q u e sa n di s s u e s e x i s t e d b a s e do na b o v ea n a l y s i s ，s o m ei m p r o v i n gm e a s u r e sa r ep r o p o s e dt o e n h a n c et h e c a l c u l a t i n gp r e c i s i o n ，m n h i n gr e l i a b i l i t ya n d s i m u l a t i o nc r e d i b i l i t yo ft h ec u r r e n tu s e dp a si n g u a n g d o n g p o w e r d i s p a t c hc e n t e r t h em o s to u t s t a n d i n gp r o b l e mi ns t a t u se s t i m a t i o ni st h a tt h eo u t p u t so f t h ea p p l i c a t i o n u s u a l l yb i a sg r e a t l yf r o m t h er e a l t i m ed a t a ，a n dc r e a t e sl o t so fs u s p e c t i n gd a t aw h i c hm a y c o n f u s et h ed i s p a t c h e r i n a c c u r a t eb r e a k e r sa n ds w i t c h e r sm e a s u r e sa r ef o u n d t ob eo n eo ft h e m a i nr e a s o n sf o ru n d e s i r a b l es t a t u se s t i m a t i o no u t c o m e s s o f t w a r ef o rb u s l i n k e db r e a k e r a n ds w i t c h e rs t a t ee x a m i n a t i o na n dc o r r e c t i o ni sp r o p o s e di nt h et h e s i s i nt h em e a nt i m e ， d i s c u s s i o n sa n ds u g g e s t i o n s o nt h ee n h a n c e m e n to fr e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o n ，m e a s u r e s c o n t r o la n dp a r a m e t e ra d j u s t m e n t ，i sa l s op r e s e n t e d a no u t s t a n d i n gp r o b l e mi nd i s p a t c h e rp o w e rf l o wa p p l i c a t i o ni s t h ec o n v e r g e n c eo f l o a df l o wc a l c u l a t i o n i n s t e a do ft h ea l g o r i t h mi t s e l gu n r e a s o n a b l ep v n o d ed i s t r i b u t i o na n d s l a c kg e n e r a t o rl o c a t i o n ，t o g e t h e rw i t h t h eu n d e s i r a b l ep vn o d ev o l t a g ea c q u i r e df r o ms t a t u s e s t i m a t i o n a r et h em a i nf a c t o r s f o rn o n - c o n v e r g e n c e a na p p l i c a t i o np a t c hp a c k a g ei s d e v e l o p e dt o s h i e l dt h ep vn o d ec o n f i g u r a t i o na n dl o w l e v e lp v n o d ev o l t a g e a n dt h ep v n o d ei n f o r m a t i o n sc a nb es a v e da u t o m a t i c a l l y i na d d i t i o n ，p r i n c i p l e si nt h es e t t i n go fp o w e r 1 1 i 兰里堡三奎耋三堡塑圭兰蚤。； f l o wi n i t i a ld a t aa n dm e a s u r e so fm a n u a li n t e r f e r e n c ek l ea l s od i s c u s s e dt oa s s i s tt h e c o n v e r g e n c e i nl o a df l o wc a l c u l a t i o n ， d r a w b a c k se x i s t e di nd a t as y n c h r o n i z a t i o na n d p o w e r - f r e q u e n c y c a l c u l a t i o na l g o r i t h ma r e t h em a i n p r o b l e m s i nt h ed t ss y s t e m i nt h i s t h e s i s ，s o m ei m p r o v e m e n t s o nd a t a s y n c h r o n i z a t i o np r o c e s si sr e a l i z e ds ot h a ts o m ec m c i a ld a t ac a l lb es u c c e s s f u l l yt r a n s f e r e d t o s c a d ae n v i r o n m e n tt or e a l i z em a n yi m p o r t a n tf u n c t i o n si nd t st r a i n i n gm o d e t h e a l g o r i t h mo fp o w e r - f r e q u e n c yc a l c u l a t i o ni s a l s or e v i s e dt oe n a b l em o r er e a l i s t i cl o a df l o w a n df r e q u e n c yo u t c o m e sw h i c ha r ea c c o r d a n tt o a c t u a l p o w e rs y s t e m a n d d i s p a t c h i n g e x p e r i e n c e s m o s to ft h em e a s u r e sa n ds u g g e s t i o n sp r e s e n t e di nt h et h e s i sh a v eb e e na p p l i e dt op a s d a i l yo p e r a t i o n so fo u a n g d o n gp o w e rd i s p a t c hc e n t e ra n ds h o wv e r yg o o dp e r f o r m a n c e w i t ht h ep r a c t i c a l i t yl e v e li m p o v e dg r e a t l y , p a sm a yp l a yam o r ei m p o r t a n tr o l ei np o w e r n e t w o r ko p e r a t i o na n d d i s p a t c h i n g k e y w o r d s ：s t a t u se s t i m a t i o n ；d i s p a t c h e rp o w e rf l o w ；d i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t i o n i v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：量( 南 日期：。年年，月日日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密e o ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：管 凸 剔谧轹荡锤 日期：一年年，月，日 日期：口弘年f 月q 日 1 1 论文研究的目的和意义 第一章绪论弟一早瑁下匕 能量管理系统( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，简称e m s ) 是以计算机为基础的现代 电力系统的综合自动化系统，主要针对发电和输电系统，用于大区级电网和省级电网的 调度中心。e m s 软件按功能可分为数据收集、能量管理和网络分析三大部分。 数据收集是e m s 与电力系统联系的总接口，它实时采集电力系统数据并对其进行监 视报警控制( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n ，简称s c a d a ) ，s c a d a 向能量 管理和网络分析级软件提供实时数据。 能量管理级软件利用从s c a d a 获取的频率、时差、机组功率和联络线功率等实时 数据进行调度决策，主要目标是提高控制质量和改善运行的经济性。它向s c a d a 送机 组的控制信息，向网络分析送负荷和发电计划作为初始数据。 网络分析软件又称为高级应用软件，其特点是利用电力系统全面信息进行分析和决 策，主要目标是提高运行的安全性，高级应用软件使e m s 的决策能做到安全性与经济 性的统一。高级应用从s c a d a 取实时量测值和开关状态信息，返送量测及其质量信息。 调度自动化系统高级应用软件是近3 0 年来才慢慢发展起来的新兴技术，属于e m s 中的上层建筑。如果将整个e m s 比作一枚导弹，那么计算机、操作系统和支持系统就 好比是导弹的运载动力部分；数据收集、能量管理和网络分析好比是弹头，仅有数据收 集功能的e m s 是常规导弹，而包括了能量管理和网络分析功能的e m s 则是核导弹。 随着电网结构的日益复杂和网供负荷的不断飚升，高级应用软件在电力系统中扮演 着越来越重要的角色，它为调度、计划和电网运行分析工程师提供了电网监视、控制、 预报、计划、分析和培训功能：为电网的安全、稳定、优质、经济运行提供技术手段和 工具，使过去的经验型调度逐步上升为具有预见性的分析型调度。在9 0 年代的e m s 中， 高级应用软件已代表了先进的成熟的系统功能，用于解决经济效益和安全运行之阳j 的矛 盾，是未来e m s 的发展重点。 本论文选择e m s 高级应用软件的应用研究为题，结合广东电力调度中心s d 一6 0 0 0 调度自动化系统的高级应用软件的实用化开发项目，围绕状态估计、调度员潮流、调度 华南理工大学工程硕士论文 员培训仿真等核一t l , 功能模块的应用展开研究，针对软件的运行可靠性和结果可用性等方 面存在的问题进行了全面分析，并研究了改进方法并通过- j n 试。研究成果及其在广东 中调e m s 系统的应用具有较大的工程应用价值，具体表现在： 1 通过本课题的研究在一定程度上提高了状态估计计算的准确性，降低了状态估计 计算结果与系统实际状态的偏差，有效消除了错误量测对调度员的干扰。由于状 态估计是众多高级应用的基础，为其提供初始数据，因此提高状态估计计算结果 的准确性能为其他高级应用软件的优质运行打下良好的基础。 2 课题研究有助于提高调度员潮流运行的可靠性，避免频繁出现的计算不收敛现 象，增强软件实用性。由于调度员潮流用于帮助运行调度人员对电网可能发生的 操作或事故进行定量分析，为他们的决策提供数字依据。因此研究成果能进一步 降低操作的盲目性，提高事故预想准确性。 3 为调度员培训提供良好软件平台。调度员培训i 仿真是大型调度中心应该配备的功 能，通过d t s 能形象模拟电力系统事故，为调度员营造真实的氛围，使他们无 论从技术上还是心理上对能感受到事故的存在。本文对广东中调新投运的调度员 培训仿真系统进行的实用化研究找出了系统存在的问题，使调度员培训或反事故 演习系统的运行具备了连续性和真实性。 1 2e m $ 高级应用软件简介 高级应用软件与其他e m s 应用软件不同，它们取决于电力系统网络模型，可以运行 于实时环境( 实时态) 和研究环境( 研究态) 中，还可以运行于调度员培训模拟装置( d t s ) 中。实时态网络分析软件包括网络拓扑、状态估计、母线负荷预计和外网等值等，在实 时态中，应用软件无须操作人员干预而周期运行，有时也可由事件启动；研究态网络分 析软件包括调度员潮流、最优化潮流、灵敏度分析和安全分析等，在研究态中，为方便 调度运行人员分析过去、现在和将来电力系统不同条件下的运行情况，可根据调度员的 请求来运行网络应用软件。 本论文的研究对象是状态估计、调度员潮流和调度员培训仿真，在此先对它们的原 理作简单的介绍。 状态估计由s c a d a 量测数据确定实时网络结线及运行状态，其功能包括：结线分 2 第一章绪论 析、状态估计、不良数据检测与辩识、变压器抽头估计和网络状态监视等。状态估计是 高维非线性方程的加权最小二乘解问题，正交化算法具有最好的数值稳定性，基于残差 灵敏度矩阵可以解决多个不良数据的辩识问题。状态估计从s c a d a 取实时量测数据， 从发电计划和系统负荷预测取伪量测数据；状态估计向s c a d a 送量测质量信息，向故 障分析、安全约束调度和调度员潮流提供实时运行方式数据。 调度员潮流是网络分析最基本的应用软件，主要功能模块是电力系统潮流计算，设 计目标是可靠和方便，使操作人员能在单线图上像交流计算台一样调整运行方式，使专 家能灵活地分析系统的潮流计算特点。调度员潮流可以从保存方式中取得历史数据，或 从实时网络状态估计取实时方式数据，或从发电计划和负荷预测取计划方式数据，其主 要功能有：结线分析、潮流计算、网络状态监视和灵敏度计算等。调度员潮流向安全分 析、短路电流计算、调度员培训仿真等应用软件提供假象运行方式。 调度员培训仿真通过建立实际电力系统的数学模型，再现各种调度操作和故障后的 系统工况，并将这些信息反送控制中心模型中，为调度员提供逼真的培训环境。调度员 培训仿真的功能包括：电力系统操作或故障模拟、低周减载和高频切机模拟、计及频率 的潮流计算、网络监视、继保动作模拟、数据同步、多元数据处理等等。 本文所做的工作建立在广东中调电网调度自动化系统平台上，该系统是南京自动化 研究院开发的第三代能量管理系统s d 一6 0 0 0 。系统基于分布式原理设计，操作系统采用 u n i x ，应用软件面向数据库和电力系统对象，体系结构面向网络，整个系统是建立在 统一的系统支持平台s u p a c k 上，能够保持数据库的分布性和一致性，软件编程采用符 合p o s i x1 0 0 3 规定的a n s ic 、f o r t r a n 7 7 、c + + 和r a 、硝，具有很强的移植性。 s d 6 0 0 0 集成了众多的第三代e m s 应有的系统功能模块，应用软件主要包括数据采 集、监视及远程通信，自动发电控制、经济运行及发电计划，高级应用软件及调度员培 训仿真器等，所有这些应用软件都建立在分布式的支持软件平台s u p a c k 上。 1 3 高级应用软件技术的发展 状态估计算法最早于7 0 年代在国外提出，而我国对状态估计不良数据识别方法的 研究则一直处于国际领先地位。1 9 8 1 年，马志强提出了基于残差灵敏度矩阵的识别法”， 该方法对不良数据的数值及位置无限制，识别性能稳定，特别适宜处理实时系统中多个 华南理工大学工程硕士论文 相关的不良数据；1 9 8 3 年清华大学相年德等提出了不良数据的估计辨识理论和算法 ”， 阐明了量测估计误差和量测残差间的关系，给出了利用可疑量测残差估计可疑量测误差 的公式，为不良数据的辨识奠定了理论基础；近年来，清华大学张伯明提出了递归量测 误差估计辨识法，确定了可疑数据集是算法成功的关键，使用递归方法大大减小了计算 量和存储量；1 9 9 5 年，哈尔滨工业大学高中文等提出了一种基于电力系统运行模式的状 态估计不良数据检测的前置滤波方法和伪量测数据的运行模式提供方法1 3 ，该方法简单、 实用、速度快，在实际应用中取得了良好效果；1 9 9 9 年，东南大学郭伟等结合w l a v 状态估计问题的特点，提出了罚参数修正及迭代限制方法 4 1 ，并利用稀疏矩阵技术进行 计算，该算法的数值稳定性好、迭代次数少、计算速度较快，性能优于传统方法：浙江 大学李碧君等提出了在快速分解正交变换状态估计算法中检测与辨识坏数据的方法 5 】， 该方法用基于对增广的量测雅可比矩阵进行g i v e n s 行变换的方法计算和更新残差协方 差矩阵，检测与辨识坏数据的能力较强：2 0 0 1 年，华中科技大学倪小平等提出了一种新 的带等式约束的状态估计算法 6 1 ，利用等式约束条件来修正加权最小二乘所得的状态量， 在增加很少计算量的情况下，达到提高状态估计结果精度的目的；2 0 0 3 年，清华大学李 建等提出一种基于等效功率变换的配电网状态估计算法【”，将配电网中的功率量测、电 压幅值量测、电流幅值量测统一变换为支路首端等效功率量测，采用修正量测雅可比矩 阵的迭代方法求解，有较高的运算效率和数值稳定性，对量测配置也无特殊要求。 随着监控电力系统规模的不断扩大和各种新理论、新技术的不断涌现，无论从理论 还是实际应用方面，状态估计领域仍有许多问题需要深入研究，在以下方面有重要的研 究价值【8 】： 1 面向大系统开发速度快和数值稳定性好的算法，缩短状态估计的执行周期。 2 基于g p s 相位角量测技术的实时状态估计。 3 多种类型和多个相关坏数据的检测与辨识问题，各类坏数据的特征抽取等问题， 为正确检测辨识坏数据奠定基础。 4 量测误差相关情况下的状态估计问题。 5 抗差估计理论应用于电力系统状态估计的进一步研究。 调度员潮流的核心是潮流计算，6 0 年代提出的牛顿法至今仍是主流算法，b s t o t t 于7 4 年提出p q 解耦和雅可比矩阵相结合的算法节约了大量计算时间p 1 ，而迭代次数增 加得不多，该算法在我国的应用非常普遍。a m s a s s o n 等将潮流方程的残差平方和作为 目标函数用非线性规划求解，可以有效防止计算发散；8 0 年代岩本伸一等在牛顿法的修 4 第一苹绪论 正方向上选择最优步长，改善了s a s s o n 方法收敛速度慢的问题，计算的收敛问题得到解 决；1 9 9 6 年，郑州大学汪芳宗将人工神经网络中的正交背传算法应用于电力系统潮流计 算，提出了一种电力系统潮流的神经计算方法 10 1 ，这种方法具有内在的高度并行特性； 1 9 9 8 年，汪芳宗将矩阵求逆运算的松弛方法应用于电力系统潮流计算，提出了一种新的 电力系统潮流的并行松弛牛顿计算方法【“】，这种并行算法具有较好的收敛性和并行程 度，可以获得较高的加速比和并行效率；2 0 0 1 年，清华大学蔡大用提出了一种易于并行 化的重叠分块牛顿法【12 1 ，用它可对潮流方程进行快速求解，算法的关键是将雅可比矩阵 划分为一系列带部分重叠的对角块，该算法速度快，收敛性好。 在调度员培训仿真方面，美国电力科学研究院( e p r i ) 在8 4 年提出了电力系统调 度员培训模拟器的设计规范和要求：美国电力系统计算机应用公司( e s c a ) 研究开发 的调度员培训模拟器 13 】已基本实现了所有预想功能，为培训调度员完成系统证常和非f 常操作提供了实时环境；另外，美国控制数据公司( c d c ) 和日本的东京电力公司也先 后在8 0 年代中期推出了调度员培训模拟器【1 4 】，使其成为提高电网运行水平，防止发生 事故的有力工具；1 9 9 2 年，南京自动化研究所钟卫丽等提出了一种用于d t s 暂态 准中期稳定仿真的高度简化的数学模型【”】，通过优化方法，找出了简化模型中的等效系 数及等效时间常数，使简化模型得到了实用化；1 9 9 8 年，南京自动化研究所扬胜春等提 出并建立了用定值判断法实现的继电保护仿真的数学模型及其实现方法 1 ”，并与逻辑判 断法结合使用，取长补短，使得d t s 保护仿真更加贴近实际保护装置：1 9 9 9 年，南京 自动化研究所李成等提出了直流系统的动态模型和直流调节控制系统的动态模型 i ”，解 决了交直流系统的接口问题，对交直流系统进行了动态全过程仿真。 随着电力系统的发展和大量先进的控制装置的应用，对电力系统仿真技术提出了新 的要求，仿真技术的发展有以下3 点趋势【l 8 】： 1 电磁暂态与机电暂态混合仿真 随着直流输电和f a c t s 等电力电子装置和其他非线形元件广泛应用于电力系统，这 些元件引起的波形畸变及其快速暂态过程对系统计算暂态过程的影响越来越大，相互独 立的电磁暂态仿真和机电仿真程序已很难适应现代电力系统对仿真的要求，很有必要开 发能进行仿真电磁暂态过程和机电暂态过程混合仿真的软件。 2 全过程动态仿真 早期的电力系统长过程仿真一般都忽略了扰动开始阶段的机电暂态过程，假设全网 的机电震荡已平息，系统频率一致。然而，电力系统的动态过程是连续的，并不是截然 华雨理工大学工程硕士论文 分开的。机电暂态过程对中长期过程有影响，中长期过程对后续新的暂态过程也有作用， 因此，在长期仿真中，必然要对机电暂态过程进行仿真。 3 大规模实时仿真 目前的实时仿真装置的仿真规模都不大，在大电网仿真实验时都要进行大规模等值 简化，使实时仿真装置的应用，特别是大电网机电暂态和动态特性仿真研究方面受到了 很大的限制，因此，需要发展大规模电力系统实时仿真装置。 我国于6 0 年代初期开始了离线潮流和经济调度软件的研制，7 0 年代后期开始在线 应用软件的研究，到8 0 年代中期曾把负荷预计、发电计划、经济调度、状态估计和在 线潮流等应用软件全部装到湖北电网自动化系统上运行，当时每一个单项都进行过成功 的试验，但却因总体无法正常工作而不能使用。 8 0 年代后期研究人员从我国四大电网调度自动化引进中认识到了“自上而下”的 e m s 设计原则，理解了支持软件的重要性，明白了商品化应用软件的开发过程。 我国电网对e m s 高级应用软件有特殊的要求，例如量测不足、错误数据多、潮流断 环过载、经济负荷分配在垂直特性和水平特性上变动范围大等，其要求决非国外标准软 件可以满足。为了开发出具有中国特色的高难度应用软件，电科院电网所于8 7 年开始 “自上而下”设计e m s 高级应用软件，后与华中电网进行合作设计开发了我国第一套 完整的e m s 应用软件，获得了极大的成功。 目前，高级应用软件已成为我国技术成熟的第三代和呼之欲出的第四代电网调度自 动化系统不可或缺的系统软件，除前面提到的一些软件外，比较常见的高级应用软件还 包括母线负荷预测、网损修正计算、安全约束调度、故障计算和电网稳定分析等等。在 当前计算机水平条件下，电力系统静态分析技术己趋于成熟，丽最优化潮流、暂态分析 和人工智能等则需要更快的计算机，并有待于人们对电力系统本身规律更深刻的认识a 1 4 论文的主要研究内容 广东中调的s d 一6 0 0 0 调度自动化系统中具备的独立运行的高级应用软件包括有状态 估计、调度员潮流、调度员培训仿真、安全分析、短期负荷预报、超短期负荷预报和短 路电流计算，而网络拓扑、网络监视和灵敏度分析则作为被状态估计和调度员潮流等应 用调用的功能模块挂在各应用上。目前调度运行人员对高级应用软件的使用主要集中在 第一章绪论 状态估计、调度员潮流和调度员培训仿真。本论文的研究工作主要集中于这三个应用软 件，围绕着软件工作原理、存在的问题分析和运行可靠性和结果可用性等实用化指标的 提高展开研究工作，主要研究内容包括： 1 状态估计存在的问题和计算精度的提高 目前状态估计收敛率能达到比较高的水平( 9 5 以上) ，但计算结果往往与实际量测 有比较大的区别。本来，状态估计应用存在的其中一个意义就是查找s c a d a 的错误， 但是，在量测精度已经大大提高的情况下，仍有大量数据被判可疑则是不正常的；另一 方面，由于状态估计计算结果是众多高级应用的数据来源，保证状态估计计算结果的合 理性将为其他高级应用软件提供良好的数据基础。本文以状态估计算法理论为依据，从 量测控制、数据采集和参数调整等方面提出了提高状态估计计算精度的建议和措施，此 外，由于开关量测的准确性直接影响系统节点导纳矩阵的正确性，而且错误的开关刀闸 量测信息在状态估计核心算法中无法修正，为此，本文设计了判断并纠正母联开关设备 状态的软件，加强了状态估计计算前的开关辨识工作，以确保状态估计计算基于正确的 母线模型。 2 调度员潮流存在的问题和收敛性改善 调度员潮流应用的核心是电力系统潮流计算，经典的牛顿法和p q 分解法具有良好 的收敛性，因此算法本身不影晌潮流计算的收敛性。但调度员潮流应用不是简单的数学 计算，应用会对计算结果进行判断，例如额定电压2 2 0 k v 的母线如果计算电压只有 1 5 0 k v ，即使潮流计算在数学理论上收敛，调度员潮流应用会限制不合理结果的输出， 计算结果不被认可，相当于计算不收敛。在日常运行中这种情况并不少见，如果不采取 措施加以控制，使用者会对计算总是不收敛的调度员潮流失去信心和兴趣。导致电压水 平低的原因主要是潮流计算的p v 节点配置不合理，而且取自状态估计计算结果的p v 节点电压偏低，引起电网中远离p v 节点的电气部分的电压水平过低。本文给出了一些 提高潮流计算收敛性的人工干预手段，并为现有的调度员潮流应用开发了“补丁”软件， 屏蔽了数据库白定的p v 节点配置和节点电压，实现了p v 节点属性的动态保存，改善 了潮流计算收敛性，从而提高了应用的运行可靠性。 3 调度员培训仿真系统的实用化中存在的问题及改进方法研究 目前调度员培训仿真系统存在的主要问题是数据同步问题和算法问题。数据同步不 f 确影响培训态下s c a d a 功能的实现，算法不正确影响潮流频率结果，两个问题都会 对教员和学员对系统运行情况的判断产生影响。本文对数据的同步方法进行了改进，实 华南理工大学工程硕士论文 现了一些重要数据点的成功同步，保证了培训状态下s c a d a 环境中一些重要功能的实 现；另外，原设计的频率和潮流算法存在比较大的漏洞，影响了计算的合理性和准确性， 本文在软件实现上对算法作了修正，以保证电网仿真程序的计算结果符合电力系统规律 和调度运行经验。另外，论文还挑选了e m s 实用化中存在的一些具有普遍意义的问题 进行了讨论，供从事调度员培训仿真系统维护的技术人员参考。 董三茎垦耋譬，窒：坚丝塞堡堡里堡坌 第二章网络库与网络建模应用简介 网络建模是整个高级应用的基础模块，用于建立和维护描述电力系统的网络数据库。 而网络数据库是众多e m s 应用的数据基础，如状态估计、调度员潮流、最优化分析等， 都是面向网络数据库的，因此正确的网络模型( 电网结构及元件参数) 是保证各种应用 软件正确运行的基本条件。网络建模的基本功能包括网络库建立和验证、与s c a d a 实 时库建立映射关系和建立稳定数据库等。 2 1 网络数据库 网络数据库是电网模型的载体，存放电网元件参数和电网原始物理结构等电网信息 建立网络库是网络建模应用的目标，网络建模的功能主要是围绕生成网络库而配置的。 2 1 1 网络库的数据结构 电力系统网络是由多种元件通过一定的连接关系组成的，网络数据库要准确描述电 力系统的结构数据和元件参数，应该涵盖以下的描述信息： 1 厂站内元件，如母线、开关、刀闸、发电机、变压器、调相机、负荷、并联 电容器、并联电抗器、线路电抗器、零阻抗支路等 2 元件之间的连接点 3 支路元件，如线路、联络变压器等 4 支路参数，如以标幺值表达的阻抗、运行限值、变压器档位类型等 5 负荷类型及负荷区域 s d 6 0 0 0 采用了层次型数据结构来组织以上的信息，因为这种表达方法清晰直观， 符合电力系统特点。当然，并非电网中的所有数据都有明确的层次关系，例如电网中的 电压等级类型和逻辑母线列表等，都是带“全局性”的对象。 在网络库中，大多数数据都以二维表的形式在逻辑上联系在一起，每个二维表描述 一种对象，例如在网络库中的s t 表描述的是每个厂站的相关信息。每个二维表由若干 的域组成，每个域描述了这种对象的某一属性，例如厂站名称用“d ”这个域描述。线 9 路的电抗用“x ”描述。网络建模的一个任务就是将这些静态数据输入并建立起来。图 2 - i 给出了表达网络库中部分以层次关系组织的对象的树形结构。 电力公司( c 0 ) l 一地区( d v ) 厂站( s t ) 线路( l i n e ) l 一变压器守载损耗( ) ( f ) 线路段( l n ) 1 l 一线路类型( l e n ) 零阻抗支路( z b r ) 图2 一l 网络数据库结构( 部分) 2 1 2 电网结构数据和元件参数 网络库结构数据是指图2 - i 树形结构中各种表中的每一个元件的名称，如厂站名称、 开关刀闸名称、线路名称等。s d 一6 0 0 0 采用了绘图与填库一体化的技术，使维护人员在 绘图时自动生成各种结构数据，而不必以数据库作为界面手工输入。 元件参数大多采用标幺值，要在数据库界面上人工输入和维护。元件参数包括： l o 第二章网络库与网络建模应用简介 1 ) 线路的阻抗、安全电流 2 ) 变压器阻抗、容量、档位类型 3 ) 发电机额定容量、额定电压、出力上下限 4 ) 负荷点的标称负荷、负荷类型及所属地区 5 ) 电容电抗器的标称容量 输入的网络库结构数据和元件参数要遵循一定的原则，例如对结构数据而言，不能 有同名的厂站、同名的线路，在统一厂站内不能有同名的同类元件；对元件参数而言， 发电机变压器额定容量不能为0 ，发电机的发电上限必须大于下限等。数据的验证由网 络建模专门的程序执行并发出错误告警。 2 1 3 网络物理结构的建立 电网的物理结构用以描述元件之间的连接关系，这种连接关系是不依赖于电网中具 体开关刀闸的分合状态而存在并改变的。物理结构信息蕴含在网络库中，它给出了电网 的节点模型，如一个元件与哪些元件相邻、某一线路的两端分别是哪两个厂站等等。物 理结构的建立并不能形成其他高级应用计算用的系统计算模型，计算模型的建立还有赖 于对开关刀闸实际状态的分析，这一工作要由各高级应用中的结线分析功能自行完成， 但网络建模形成的节点是形成系统计算模型的基础。 物理结构的建立不必进行人工干预，在采用了图库模一体化技术的网络建模应用中， 只须通过绘制厂站图的过程即可在网络库中自动生成节点模型。 2 1 4 网络库交付使用 网络建模建立网络库的目的是为其他高级应用提供网络模型。由于状态估计应用是 高级应用软件的基础，因此每次网络建模在建立或维护网络数据库之后，立即交付给状 态估计使用。 状态估计拥有自己的网络库，其库结构与网络建模的网络库完全一样。在拷贝了网 络建模所建立的网络库后，状态估计的网络库就与网络建模网络庠在数据内容上都是完 全一致的了。但只要状态估计进行了任何一次计算后，其网络库中存放计算结果和统计 结果的域的内容就与网络建模不同了。 其他高级应用如调度员潮流和灵敏度分析等也有自己专用的网络库，且库结构与网 华南理工大学工程硕士论文 络建模的也是完全一样，但这些应用并不直接从网络建模拷贝网络库到本应用下，而是 直接或间接地拷贝状态估计的网络库，将其中的电网物理模型、计算模型和状态估计计 算结果作为本应用计算的初始条件。 2 2 网络建模的其他功能 2 2 1 建立与s c a d a 实时库的映射 状态估计必须从s c a d a 实时库取得实时数据，如开关刀闸的状态，各元件的遥测 数据等，存放在网络建模应用下的网络库中，作为启动计算的初始条件，并与计算结果 作对比。为此，网络建模要建立和维护网络库与s c a d a 实时库的对应关系。 当网络结构验证成功后，网络建模应用将启动网络库与实时库的映射进程，该进程 按元件名称搜索网络库和实时库，建立起同一元件在两个库中的相对位置的联系。 映射进程的运行结果是形成了网络库中的表s t a t 和表m e a s 。s t a t 表保存了网络 库中开关刀闸与实时库中遥信之间的映射关系，网络库中定义的每一个开关刀闸形成一 条独立的记录，每条记录有多个域分别描述了该开关在实时库中的相应记录的下标、 s c a d a 遥信状态质量等；m e a s 表保存了网络库中各元件与实时库中遥测之间的关系， 同一设备的有功、无功和电流构成一个m e a s 记录。 在映射进程结束后，网络建模生成信息文件，该文件将网络库中没有与实时库对应上 的量测一一列出。没有映射成功的原因有两种：一是测点在实时库中不存在，二是测点 在两个库中的名称不一致。对前者的解决办法是在实时库中插入相应应测点；对后者的 解决办法是统一两者的名称。 2 2 2 稳定断面定义 稳定断面数据库是网络建模为稳定断面监视软件专门建立的对象数据库，用于在线 监视电网稳定断面。稳定库描述了各个断面的各种性质，如断面是由哪些设备( 线路) 组成、断面的功率限值是多少、断面的组成条件是什么等等。稳定断面监视软件根据电 网不同的运行方式，自动选择相应的控制断面及其限值，并用状态估计或调度员潮流计 1 2 第二章网络库与网络建模应用简介 算结果计算断面功率。如果满足运行方式的稳定断面重载或越限，可及时发送报警信息， 使调度员能及时了解断面的运行状况，并采取相应措施确保电网的安全稳定运行。 网络建模负责建立与维护与稳定断面相关的数据，这些数据的作用仅仅是对稳定断 面作必要的定义，与参加实际判断用的状态估计或调度员潮流结果数据没有任何关系， 就如同节点模型丝毫不依赖于实时遥信一样。只有在网络建模中作了定义的断面爿能成 为监视的对象。 稳定库采用了层次型结构，其树形结构如图2 2 。 组成设备( d z r e l e ) 简荦条件( s i m c o n ) 复杂条件( c o m c o n ) 运行方式( o p m o d ) 潮流方向( d i r c o ) d i r d e v 方式条件( l o g c o ) 稳定断面( s t a c a ) e 靛s t a e 帅l e 斛( e l e c 0 n ) 图2 - 2 稳定数据库结构 稳定库的数据必须在数据库界面上进行输入和修改，数据输入或修改后，要人工启 动验证程序对数据的合理性进行检查，以保证稳定断面监视应用软件在无错误的数据库 对象上运行。 2 3 本章小结 网络建模建立和维护的网络数据库是电力系统模型的载体，它定义了电力系统设备 元件，蕴涵了拓扑关系，每个高级应用都直接或间接地由网络建模应用获得网络库。网 络建模应用还负责建立并维护网络库与实时库的映射关系，状惫估计应用使用此映射关 系获取s c a d a 实时数据。网络监视软件使用的稳定数据库也是在网络建模中建立的。 ， 兰童矍三查兰三堡堡当篁兰 第三章提高状态估计精度的工程应用方法研究和实现 电力系统调度员必须随时能观察系统的任意部分的运行情况，系统数据必须是连贯 相容的。s c a d a 实测数据往往难以达到这样的要求，一些量测可能误差很大，一些量 测可能因为硬件或通信原因丢失，使调度员对系统的运行状况难以把握。状态估计的引 入克服了s c a d a 的缺陷，它根据s c a d a 量测估计出系统完整一致的运行状态，去除 不良数据，计算出难以量测的电气量，为其他网络分析应用提供实时运行方式数据。 3 1 状态估计的数学描述 状态估计的已知量主要来自于s c a d a 实时数据，在量测不足之处可以使用预测及 计划型数据作伪量测。量测z 是m 维向量 z = kq f 只qk ( 3 1 ) 式中岛为支路i j 有功量测：岛为支路i jn z j j i - n ：只为母线i 有功注入量测；q 为母 线i 无功注入量测；”为母线i 的电压幅值量测。支路既可以是线路也可以是变压器， 支路的始端与终端应分开考虑。 待求量是各母线的状态，设母线有n 条，除去状态已知的参考母线，则状态量x 为 2 n 。2 维向量 x = 睁一r ( 3 2 ) 式中，0 i 为母线i 的电压相角；为母线i 的电压幅值。 量测方程是用状态量表达的量测量 h ( x ) = 岛( 0 9 , ) 岛( 岛，) 只( 巳，) q f ( 铅，) k ( _ ) 1 2 9 + l ( - g c o s o o b s i n 0 , j ) 一k 2 6 + 一_ ( 一g s i n o o + b c o s 0 , j ) v y j ( c oc o s 0 # + 岛s i n o g ) 巧巧( 岛s i n o