（电力系统及其自动化专业论文）电网限制负荷自动控制系统.pdf

a b s t r a 烈 a b s tr a c t e 1 e c t i c1 0 a dp l a y sa ni m p o n a n tr o l ei np o w e rs y s t e m 7 r h e1 0 a dc o n 廿o ls y s t e mi sm ev i t a lp a ni n p o w e r 脚n a g e r u s e db y 吐1 ee l e c 砸c a lp o w e rc o m p a n y ；t h r o u g he c o n o 矗c a lt e c h i l i c a la n da d i n i n i s 廿a t i v e m e a s u r e ，c a ni m p e lc o i l s u m e r sc h a n 萨m e i re l e c t r i cu s ea n dm o d e c u 】t e n t l yp u l l i n g1 i n ei s 血e r e p r e s e m a t i v ei n e a 弧t h ed i s p a t c h e rm u s tm a k et h ed e c i s i o na n ds e n dm er e m o t ec o n t r o lm e s s a i m i n e d i a t e l y d e c i s i o nm a d e b yi n d i v i d u a le x p e r i e n c ea j l da b s e n c eo ft t l es u p p o r to fa u t o m a t i c s y s t e m c a u s ep o o rp e r f b m a n c e t bm ep r o b l e m sa b o v e ，t 1 1 i st h e s i s d e s i g i l sm ea u t o c o n t r o ls y s t e m ，w t l i c hi sb a s e do na n f i s ( a d a p c i v en e t w o r k b a s e df u z z yi n f e r e l l c es y s t e m ) t m sc h e s i sa n a l y s e 山es y s t e mc o 时i g u r a t i o no fh a r d w a r ea n ds o 仃w a r eo ft h es y s t e m t h e nc a r r vo u t t h ew h o l ep r o j e c t ，b yt h ed a t e b a s ei n t e 西a c e ，w m c hi sb a s eo ft h es c a d ao fd f 8 0 0 2 t ot h e1 a c k n e s so fd e c i s i o n m 描n g ，a n f i si ss u g 萨s t e d ，w 1 1 i c hc o m b i n e dt h ea b i u t yo fs e l f _ s t u d vo f a n n ( a n i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) a 1 1 du n e x a c t i t u d e i r 血r e n c eo ff i s ( f u z z yi n f e r e n c es y s t e m ) a 卜刀口s c o n l b i n e s 伽、丁na n df i so r g a l l i c a l l y ，t a l e st h e i ra d v a n t a g e sa i l dm a k eu pt h e i rs h o r t c o i i l i n g s b ys i 咖l a t i o ni nm a t l a b ，t 1 1 i sm e s i sr e a c h e sm ec o n c l u s i o nt 1 1 a ta n f i sc a ns u p p o r tm ed e c i s i o nw el1 m o r em a nt l l a t ，t l l i st h e s i sd o e sr e s e a r c ho nt 1 1 e s y s t e mr e a n z a t i o n b yd e s j g no fd a t e b a ( 1 e m a n a 嚣i n e mm o d u l e 、d e c i s i o n m a k i n gm o d u l e 、a u t o c o n t r o lm o d u l ea n dm m i ( m a n m a c h i n ei m e r f a c e l m o d u l e ，m ep r o 孕a mi sd o n e t h er e s u l ti np i z h o ua r e as h o w st 1 a tt 1 1 es y s t e mw e l ls a t i s 丘e s 山ed e m a n do fo p e r a t i o no fr e s t r j c t i o n o f 】o a d k e y w o r d ： l o a d1 1 1 a n a g e r ；d a c a b a s e ；a n f i s ；a u t or e s t r i c t i o no fe l e c t i cl o a d 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它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。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 导师签名：盔仝墨缸 日期：匕竺! ：坠 屯产量 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 第一章绪论 随着我国经济的快速发展，在每年迎峰度夏的用电高峰期间，电网负荷极速增长，若不能得到 及时合理的控制，将形成电网安全运行隐患，甚至发生主变跳闸等事故，引起较大范围的停电，影 响电网的正常运行。 江苏电网负荷增长迅速，尤其是县市级负荷在夏、冬季高峰时缺口较大，在负荷达一定限值时 需要快速拉闸限电；此刻，根据上级调度机构要求，需在短时间内，拉闸限制一定的负荷。但调度 运行人员拉限时往往根据个人经验，决策依据不足；同时，拉限的手工操作工作量大，快速性差， 还易发生误操作事故。因此需要可以实现快速、多路同时拉闸限电的一套系统来支持电网限负荷操 作，提高电网安全运行水平。 在拉闸限电时，如果可以减轻调度人员进行遥控操作的工作量，可以及时将停电信息通知电力 大用户，减少客户损失，提高优质服务水平，为企业带来不可估量的无形效益。 负荷管理系统是综合现代电子、计算机、通信网络技术的综合信息自动化系统，系统通过对负 荷用电信息进行远程采集和统计分析，能够有效实现对用电负荷的监测和控制，并快速、全面地反映 负荷电量购销及损耗情况，为加强负荷侧远程自动化管理和电力营销提供可靠技术保证。 论文所设计的电网限负荷自动控制系统隶属于负荷管理系统，是其重要组成部分。 1 1 1 选题依据 邳州市电网2 0 0 4 年最高负荷达到1 4 6 m w ，由于夏季用电高峰期间电力紧缺( “电荒现象”) ，经常 需要限电2 0 3 0 m w ，每天限电2 次以上。操作频繁，人工拉闸限电需要8 分钟之久，远远达不到电 网运行的要求。徐州地区其他市县都存在此情况，急需解决。 近年来，电网的调度自动化水平不断提升。在2 0 0 2 年，我们使用了d f 8 0 0 2 系统，此系统集 s c a d a 和电量采集功能于一体，具有系统容量大、接入方式灵活、网络结构先进等优点，是一个开 放的平台，可以进行各种功能的扩展，为开发“电网限负荷自动控制系统”提供了可能。 1 1 2 课题研究目标 d f 8 0 0 2 系统，是建立在s c a d a 系统基础上的高级应用软件。在实时型和研究型模式下，d f 8 0 0 2 利用电力系统的各种信息，对电力系统的运行状态进行分析，帮助调度员了解和掌握电力系统的运行 状态，并提供分析决策，保证电网运行的安全性。 基于d f 8 0 0 2 的s c a d a 功能，设计一套电网限负荷自动控制系统，对系统主要功能要求如下： 在需要限负荷时，根据需要的限负荷值，系统按照决策模块推荐的拉限优先顺序，确定需要 拉限的负荷数量。决策模块应在电网可限负荷点的范围内推荐所需拉限的负荷点，同时模块应充分 考虑专家经验和各负荷点的综合特性，保证拉闸限电的合理化和最优化。 ( d 在用户界面中，调度人员可以依据各自的权限，对决策模块推荐的拉限负荷点的优先顺序进 行二次调整( d f 8 0 0 2 系统具有所有线路的遥控数据库) 。 ( d 系统在调度人员确认无误情况下，发出指令。通过接口，利用d f 8 0 0 2 系统的s c a d a 功能， 在完备的安全措施保证下，执行遥控操作，实现拉闸限电功能。 举例说明：如某日，邳州地区目前负荷达到1 3 0 m w ，根据徐州调度要求将负荷限制在1 1 8 m w 之内，那么调度员就启动“电网限负荷自动控制系统”，在对话界面中输入1 2 m w ( 需要限负荷的数 1 东南大学工程硕士论文 值) ，此系统就自动确定需要拉限的负荷的优先顺序及个数( 系统计算这几个负荷大小之和，等于或 略大于1 2 m w 即可) 。调度人员二次调整确认无误后，发出指令给d f 8 0 0 2 系统，后者对这几个负荷 自动进行遥控操作。 1 1 3 工程应用价值 目前，徐州地区各县市都采用了d f 8 0 0 2 的调度自动化系统。国内电力紧张的形势将持续到2 0 1 0 年才能得到缓解，这些都为“电网限负荷自动控制系统”的开放及推广应用提供了广阔的前景。 “电网限负荷自动控制系统”创造的经济效益是难以直接计算的。一部分效益系电力部门获得部 分，体现在减轻调度运行人员工作量，降低供电事故，保证电网安全；另一部分效益是体现在提高 供电可靠性、方便人民生活诸多方面。 1 2 本文的主要内容 电力负荷是电网的重要组成部分。 负荷管理是电力公司通过经济、技术和行政管理等手段，促使用户改变其电力与电量消耗的模 式。管理的目的是提高电网安全水平、提高供电质量、降低线损节约能耗、提高供电的可靠性。 负荷控制是负荷管理中的关键部分，其控制的水平直接关系到管理的成效。 当前的负荷控制是从供方市场的单一利益来考虑的，最有代表性的措施是拉线限电。在实施负 荷远程通信与远方控制以后，利用电网限负荷自动控制系统，解决供需平衡问题的方法可以改进为 限电不拉线，亦即拉电到户，做到较为合理的限制超计划的用户。在限负荷时，限负荷系统利用现 有s c a d a 系统，减轻了调度员进行遥控操作的工作量，可以及时将停电信息通知电力大用户，减少 客户损失，提高优质服务水平，为企业带来不可估量的无形效益。 限负荷系统的核心是决策。一般来讲，决策是通过系统的模型来实现的。限负荷系统所要决策 的对象是大量无规律的电网负荷点。系统决策的依据既要考虑各负荷点的综合特性，又要考虑现有 的专家经验。 人工神经网络自学习和处理系统内在的难以解析表达的规律性的能力可用于表达负荷的综合特 性，模糊推理系统擅长于处理人类语言表达的专家经验。 论文结合二者优点，提出将a n f i s 用于限负荷系统。a n h s 可将二者有机地结合起来，既能发 挥二者的优点，又可弥补各自的不足。a n f i s 的优异之处在于：可以用a n n 的自学习补偿f i s 的 模糊规则库建立的学习机制。理论和实践的结果证明了这种融合是有效的。a n r s 在m a t l a b 仿 真环境下，对限负荷系统提供了合理的决策依据。 论文进一步对该系统的实现进行了研究，通过数据库管理模块、决策模块、拉限自动控制模块、 人机交互模块的实现，完成了整个系统的功能。 采用a n f i s ，结合现有s c a d a 的实时数据采集功能，设计出的基于专家经验和网络自学习功能 的电网限负荷自动控制系统，通过在邳州地区运行的实际运行表明，满足了本地区拉限负荷的操作 要求，减少了调度员的工作负担，合理地限制了超计划用户，保证了地区电网的安全、经济运行。 以下本论文各章节的主要内容： 1 第一章绪论：在课题的研究背景中，根据选题依据，制订了课题研究目标，展望了限负荷 系统在工程中的应用价值。并对论文的主要内容进行了概括。 2 第二章系统总体方案：讨论了电网限负荷自动控制系统的总体方案。该方案分为系统总体 结构和决策算法的研究。前者给出了限负荷系统的硬件和软件结构。后者针对负荷的综合特性考虑 了。6 州n ，针对现有的专家经验考虑了f n n 。为了充分利用两者的优点，同时弥补各自的缺点，论文 重点讨论了结合了这两种网络的优点的f i s ，并选取了其中具有代表性的a n f i s 进行了分析，确定 以a n f i s 作为限负荷系统的决策网络。 3 第三章系统模块详细设计：详细地分析了系统软件结构中的四个模块( 数据库管理模块、拉 2 第一章绪论 限决策模块、拉限自动控制模块、人机交互模块) 的功能。 数据库管理模块中，简单介绍了d f 8 0 0 2 对限负荷系统中所需的数据的获取和处理过程；重点 分析了限负荷系统中的数据流程，其中系统与s c a d a 的接口是实现限负荷系统的关键之一。 拉限决策模块中，对决定采用的胴s 进行了详细的分析。其中分析的重点是工程上应用最多 的基于一阶做a 西一s u g e n 0 型自适应网络的模糊推理系统( 限负荷系统所采用的决策网络) 。 拉限自动控制模块中，分析了在完备的安全措施保证下实施所有的遥控操作功能的可能性。 人机交互模块中，充分考虑到电网运行的复杂因素，对推荐的负荷名单允许运行调度员进行二 次编辑。模块同时也为调度员运行限负荷系统提供友好的界面。 4 第四章软件实现及应用：进一步对该系统的实现进行了研究。分析了软件实现过程中的关 键部分( 数据库和a n h s 的设计实现) 。软件在邳州地区运行的实际效果表明了设计出的限负荷系统 成功解决了地区电网限负荷操作的要求，保证了电网的安全运行。 5 第五章结论与展望：总结了限负荷系统中涉及的各模块的功能。通过工程应用效果验证了 各模块的合理性和有效性。对于模块中存在的问题，提出了进一步改进的方向和途径。 3 东南大学工程硕士学位论文 2 1 引言 第二章系统总体方案 近几年随着经济的快速发展，人民生活水平的提高，用电负荷急剧上升，使全国绝大部分地区 出现了电力短缺现象。为保证重要电力用户和居民的用电，各地电力部门配合政府制订了有序用电 的措施，加强了需求侧管理，电力负荷管理成为需求侧管理和电力营销的重要技术手段。 电力负荷管理是指电业部门或独立发电单位所进行的抑制负荷增长和改善负荷曲线形状( 包括 削峰、填谷和错峰) 等活动。具体实施方案有： 一一设置谷峰分时电价、季节电价和可停电电价； 一一直接控制负荷： 一一间接控制负荷( 打折扣、低息融资、建立能量管理系统或配电管理系统等) 。 一一其他应急措施，如在用电高峰期间或发生故障时强制甩负荷。 电网限负荷自动控制系统即是上述方案中的其他应急措施。限负荷自动控制系统是指：在用电 高峰期间，根据上级调度的信息，对本级电网进行负荷控制，限制负荷容量到允许值范围内。限负 荷系统虽然不是长久之计，但是在电力负荷管理中扮演着重要角色。在应急情况下，限负荷系统运 行的成败直接关系到电网运行的安全。正所谓“养兵千日，用兵一时”，限负荷系统所扮演的角色决 定了：软件在设计前应进行详细的需求分析，在设计过程中对各模块功能的划分，在调试验收中对 测试和核对数据的选取。这些都将在系统总体方案中进行分析讨论。系统总体方案分为两部分：系 统的总体结构和决策算法研究。 2 2 系统总体结构 结合调度运行经验，考虑现场使用的s c a d a 系统，给出了限负荷系统框架图( 如图2 1 所示) 。 电网限负荷自动控制系统框架说明： 数据库管理模块与s c a d a 的d b s 服务器、实时数据库服务器、历史数据库服务器建立通 讯，分别获得可拉限负荷名单、各负荷的实时数据( 实时功率、实时电流) 、各负荷的历史数据( 近七 日拉限次数、上次拉限时间) 。 决策模块从数据库管理模块获取决策所需数据，同时决策出的推荐拉限负荷数据送进数据库 管理模块。 数据库管理模块向高级数据库服务器发出请求，将决策出的推荐拉限负荷数据送进高级数据 库服务器，以方便后续控制或其他程序调用。 ( d 拉限自动控制模块向高级数据库服务器发出请求，获取决策模块推荐的拉限负荷名单。 拉限自动控制模块向人机交互模块发出确认请求。人机交互模块可以对拉限名单进行二次编 ， 辑。在完备的安全措施下，人机交互模块向拉限自动控制模块下达拉限命令。 拉限自动控制模块向自动控制服务器发出操作请求，等待响应。 拉限自动控制模块向w 曲服务器提交本次拉限负荷点名单，请求w r e b 服务器及时通知各负 4 第二章系统总体方案 荷用户，保证安全有效限电。 w 曲服务器在接到拉限自动控制模块发出的请求后，向各负荷点用户发出限电通知。 s c 其他应用程序服务器 图2 1 限负荷系统框架图 从硬件和软件两方面，对电网限负荷自动控制系统总体结构做详细介绍。 2 2 1 系统硬件结构 电网限负荷自动控制系统是在电网调度工作站上运行的程序。从这种意义上讲，限负荷系统与 电网调度自动化主站共享硬件。 邳州地区电网调度自动化主站系统选用的是基于s c a d e m s d t s 一体化设计思想的开放分布 体系结构( 如图2 2 所示) 。 ( 1 ) 发电厂变电站中通过电压互感器和电流互感器采集电网限负荷自动控制系统所需电气量( 主 要是实时电压，实时电流) 。 ( 2 ) 利用变送器将互感器采集到的电气量( 实时数据) 转化为微小的直流电压信号。 ( 3 ) 在远方终端( r 1 r u ) 中经过多路采样、模数转换、抗干扰编码形成待传送的数字信号，然后将 5 东南大学工程硕士学位论文 其调制在信息载体上，调制方式一般为调幅、调频和调相等。 ( 4 ) 传输信道完成信号处理、发送与接受。 ( 5 ) 在电网调度自动化主站中，调制解调器对信息进行处理。解调后的信息经智能接口进行串并 转换和译码处理；前置机对信息进行刻度转换及初检测；调度自动化主站确认其可用性后送入相应 的数据库。 ( 6 ) 电网调度工作站中，通过模拟盘和监视器将现场量测量和状态量提供给调度员，以实现调度 员对电网的监视与控制。在需要限负荷时，调度员启动电网限负荷自动控制系统，实现对电网负荷 的应急控制。其他应用程序也在电网调度工作站运行。 图2 2 限负荷系统硬件结构图 上述系统是以以太网为信息传输通道的。网上挂有2 台信息交换工作站( 信息交换工作站也称为 前置机。2 台前置机互为热备用，对应于前置机a 和前置机b ) ，接收各个厂站的r t u 传送来的信息， 同时把实时信息广播到地区电网上；网上挂有2 台电网调度自动化主站，其中调度自动化主站a 作为 主机，调度自动化主站b 作为热备用主机，当主机发生故障时，备用主机会立即升为主机，代替原主 机工作。平时2 台调度自动化主站的数据保持一致。其它挂在网上的工程工作站作为专业工作站，如 6 第二覃系统总体方案 电网调度工作站( 电网限负荷自动控制系统在此站运行) ，保护工作站，远方工作站等，当然1 台机器 也可具备多种功能。另外网上还挂一些微机作为图形显示工作站。 计算机硬件采用符合工业标准的、性能价格比也较高的c o m p a q a l p h 服务器和工作站。 p a s ( 高级应用软件) 服务器1 台，p a s 客户端可选a 1 p h a s u n 工作站、p c 机；电网限负荷自动控制系统 硬件采用d e l lg x l l op e n t i v i 微机；网络设备采用c i s c 0 交换机和路由器。网络采用全分布 式分流冗余的局域网机制，交换速率为1 0 m 1 0 0 m b p s 自适应，主节点为1 0 0 0m b p s ，协议为t c m p 2 2 2 系统软件结构 电网限负荷自动控制系统是建立在d f 8 0 0 2 系统平台上的应用程序。 d f 8 0 0 2 系统采用目前先进的开放分布式应用环境的网络管理技术、数据库中间件和通讯中间件 技术、面向对象技术、玳t e r n e t 技术、j a 、，a 技术、软件标准化技术，为开发电网限负荷自动控制 系统提供了通用的、遵循i e c 国际标准的、统一的、开放分布式支撑平台。 d f 8 0 0 2 软件系统配有商用s v b a s e 数据库管理系统、w i n d o w sn t 操作系统、标准c + + 语言编译 系统。软件设计标准遵循处理图形用户界面( g u i ) 的x w i n d o w s 协议i 处理网络通讯的0 s i ( 开放系统 互联) 和t c p ，妒协议。电网限负荷系统采用d f 8 0 0 2 系统支持的v c + + 开发工具。 电网限负荷系统的开发平台d f 8 0 0 2 应用软件分为3 级：s c a d a 、能量管理和网络分析。限 负荷系统隶属于能量管理级系统。s c a d a 是限负荷系统与电力系统联系的总接口，它向限负荷系统 提供实时数据：限负荷系统通过s c a d a 向电力系统发送控制信号。 根据结构化设计思想，电网限负荷自动控制系统分为4 个系统( 如图2 3 所示) 。 d一 s c a d a 系统 电一数据库管理系统 网 f 限 8 负 一 拉限决策系统 0 0一 能量管理级 荷 2 e 软 动 件 控一拉限自动控制系统 系 一 网络分析级 制 统 系 统 一 人机交互系统 图2 3 限负荷系统软件结构图 数据库管理系统 电网限负荷自动控制软件的运行必须依赖大量有关电网状态的数据，为了提高软件运行的可靠 性和节约开发成本，需要借助于s c a d a 现有实时数据库和历史数据库。数据库管理系统负责建立 通讯通道，实现限负荷系统与s c a d a 系统的通讯，共享数据。同时，d f 8 0 0 2 的数据采集与监控 系统s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n 乜0 1a n dd a t aa c q u i s i 6 0 n ) 不仅可以用来采集电能系统运行的实时数据， 而且可以对系统的运行情况进行监视，对系统中的电气设备进行远方操作和调节( 断路器的分合、变 压器分头调节、静电电容器投切等) 。限负荷系统中的拉限自动控制系统实质上是借助了s c a d a 系 统的此项功能，实现了对负荷的控制。从软件结构图上，可以看出数据库管理系统是限负荷系统的 基石。只有从系统角度仔细设计数据库管理系统，才能使限负荷系统成为“有源之水”。 拉限决策系统 决策是现代各种系统的核心。决策系统经历了：管理信息系统( m a n a 萨m e n ti n f o 咖a t i o ns y s t e l n ， 7 东南大学工程硕士学位论文 m i s ) 、决策支持系统( d e c i s i o ns u p p 6 r ts y s t e m ，d s s ) 、专家系统( e x p e r ts y s t e m ，e s ) 和智能决策支持系 统( i n t e l l i g e n td e c i s i o ns u p p o r ts v s t e l n ，d s s ) 四个阶段。 电网限负荷系统面临的是：大量无规律的电网负荷综合特征量和现有的专家经验。决策支持系 统可以通过模型构造和模型操作来解决负荷特征量的提取分析；专家系统可以通过知识库和推理机 来充分利用现有的专家经验。限负荷系统面临的问题决定了拉限决策系统应该采用结合了d s s 和 e s 的s s 。m s s 即发挥了d s s 以模型计算为核心的解决定量分析问题的特点，又发挥了e s 以知 识推理形式解决定性分析问题的特点，充分做到了定量分析和定性分析的有机结合。限负荷系统采 用了d s s 中比较成熟的基于网络的自适应模糊推理系统a n f i s ( a d a p t i v en e t 、o r k _ b a s e df u z z y i n f e r e n c es y s t e m ) 。 ( d 拉限自动控制系统 拉限自动控制系统根据拉限决策系统推荐的负荷名单，请求调度运行人员的确认。在接到确认 信号后( 调度运行人员可以对名单二次调整) ，向s c a d a 系统请求操作要求。同时向w 曲服务器发 出限电要求，请求服务器及时通知相关用户。这样，在完备的安全措施保证下，拉限自动控制系统 完成所有的遥控操作功能。在拉限遥控开始过程中，进行告警以提醒调度运行人员注意。 人机交互系统 人机交互系统提供完善的人机接口( 自然语言接口或会话接口) ，通过提问应答方式，辅助调度运 行人员确定限负荷的边界条件和环境，有效地解决限负荷过程中出现的较为复杂的情况。交互系统 允许运行调度员对推荐拉限名单进行二次编辑，可以对自动控制过程进行人工干预和指导。同时， 交互系统也为自动控制软件在电网安全运行提供友好界面，使自动控制软件在电力系统的安全、优 质和经济运行中起到更重大的作用。人机交互系统是衡量限负荷系统的可用性和实用性的标准之一。 根据上述分析，基于s c a d a 系统的电网限负荷系统的软件流程( 如图2 4 所示) 。 流程图主要步骤说明如下： 第一步：在d b s 服务器上获取可拉限负荷名单。 第二步：数据库管理系统建立与s c a d a 系统的通道。获取相关负荷的实时数据和历史数据。 第三步：拉限决策系统，应用基于网络的自适应模糊推理系统a n f i s ( a d a p t i v en e t w o r k b a s e d f u z z vi i 疵r e n c es y s t e m ) ，依据数据建模，自动分析调度运行人员的决策策略，提取决策经验知识和 启发式规则，完善案例库，并自动辅助决策( 推荐在本次拉限的负荷) 。 第四步：通过数据库管理系统，将决策的数据存入高级应用数据库，以便系统对相应负荷进行 操作。 第五步：自动控制系统请求调度运行人员的拉限确认。调度运行人员进行二次调整，下达拉限 命令。自动控制系统与s c a d a 会话，请求控制相关负荷。 8 第二章系统总体方案 图2 4 限负荷系统软件流程图 其中，通过s c a d a 实时数据库读取的实时数据据存入内存。电网限负荷中所用到的历史数据 通过o p e nd a t a b a s ec o 衄e c t i v i t y ( o d b c ) 数据库接口，查询历史数据库获得。 电网限负荷中用到的数据由s c a d a 采集、处理和管理： 1 由装设在发电厂变电所内的远方终端r t u ( r e r n o t et e r i i l i n a l u m t ) 采集数据，通过调度主站与 r t u 之间的远动通道传送信息。信息可以由r t u 主动循环传送到主站，也可以主站为主动，用问答 方式将信息召唤到主站。r 1 r u 与主站间由上行信息也有下行信息。它们均有数码查错与纠错的能力。 2 调度主站的c p u 可对数据进行简单计算和处理。 3 s c a d a 系统的数据管理系统负责电网限负荷中各种参数的统计。s c a d a 系统可以与已配 置的管理信息系统m i s ( m a n a g e m e n ti n f o n n 撕o ns y s t e m ) 交换数据，从而建立实时数据库与历史数据 库。实时数据库：自动量测的数据，分为遥信一一反映开关开合或设备使用状态，也称状态量；遥 测一一反映电力系统及设备的运行状态，如有功功率、无功功率、电压、电流及频率等，也称为模 拟量；电量一一这是功率对时问的积分量，主要用于统计与记帐。历史性数据库：分为正常运行方 式和非常运行方式的保存( 事故) ，可以按周期和规定的条件自动进行记录，也可以人工启动记录。 2 3 决策算法研究 人们常说“决策是一个过程”。所谓决策算法是人们为了实现一定目标而制订行动方案，并实施 的方法。 目前学术界对决策问题的分类普遍接受的观点是：依据对问题结构化程度的不同描述，把决策 问题分为结构化、半结构化和非结构化三种。这里，结构化程度是指对某一过程的环境和规律，能 否用明确的语言( 数学的或逻辑的，形式的或非形式的，定量的或定性的) 给予清晰的说明或描述。如 果能描述清楚的，称为结构化问题；不能描述清楚而只能凭直觉或经验做出判断的，称为非结构化 问题；介于这两者之间的，则称为半结构化问题。电网限负荷自动控制程序所面临的正是这种处于 中间状态的半结构化问题。 半结构化问题可以通过编制程序进行定量分析和计算，或者运用相对明确的决策规则和方法来 9 东南大学工程硕士学位论文 解决；而且还要依靠人的知识、经验和直觉来判断和选择。在解决此类问题是，要经过多次人机交 互对话才能完成。 对于电网限负荷这种半结构化问题，采用了i d s s 中比较成熟的基于网络的自适应模糊推理系统 a n f i s ( a d a p t i v en e t w o r k - b a s e df u z z yi n f e r e n c es y s t e m ) 。a n f i s 是最具代表性的模糊神经网络。 而模糊神经网络是人工神经网络和模糊推理系统相结合的产物。下面简单介绍an 】口s 的基石：人工 神经网络和模糊推理系统。 2 3 1 人工神经网络( a r t i f i d a ln e u r a ln e t w o r k ，龇州) 人工神经网络是在现代神经科学的基础上提出和发展起来的，旨在反映人脑结构及功能的一种 抽象数学模型。一个人工神经网络是大量神经元结点经广泛互连而组成的复杂网络拓扑，用于模拟 人类进行知识和信息的表示、存储和计算行为。 一个人工神经网络的工作由学习和使用两个非线性的过程组成。从本质上讲，人工神经网络学 习是一种归纳学习，它通过对大量实例的反复运行，经过内部白适应过程不断修改权值分布，将网 络稳定在一定的状态下。在神经网络中，大量神经元的互连结构及各连接权值的分布就表示了学习 所得到的特定概念和知识。在网络使用过程中，对于特定的输入模式，神经网络通过前向计算，产 生一个输出模式，并得到节点代表的逻辑概念，通过对输出信号的比较与分析可以得到特定解。神 经元之间具有一定的冗余性，且允许输入模式偏离学习样本，因此神经网络的计算行为具有良好的 并行分布、容错和抗噪能力。 b p 网络是一种最常用的人工神经网络，b p 算法采用非线性优化中的梯度下降法来寻找网络的 稳定点。b p 网络由输入层结点、输出层结点及隐含层结点构成，其中隐含层可以是一层或多层，相 邻层采用全互连结构。对于输入信号，要首先向前传播到隐结点，经过结点函数的作用，进一步将 隐结点的输出信号传播到输出结点，得到输出结果。信号的传播是逐层递进的。b p 网络的学习过程 由正向传播与反向传播两部分组成。在正向传播过程中，输入信号经过逐层处理，最后得到输出信 号。若实际输出与样本中的输出不一致，则将误差信号反向传播，通过权的调整，使得输出信号的 误差最小。 2 3 2 模糊推理系统( f 吆z yi n f e r e n c es y s t e m ，f i s ) 模糊推理本质上就是将一个给定输入空间通过模糊逻辑的方法映射到一个特定的输出空问的计 算过程。模糊推理系统包括模糊规则库、模糊推理机、模糊产生器和模糊消除器。 模糊规则库是由如下形式的若干模糊“i f t h e n ”规则的总和组成，它是模糊系统的核心部分， 系统其他部分的功能在于解释和利用这些模糊规则来解决具体问题。关于模糊规则的获得，需要一 些相关的专业和实践知识。一般模糊规则可以由如下两种途径获得：请教专家或采用基于测量数据 的学习算法。 模糊推理机主要包括将模糊规则库中的模糊“i f t h e n ”规则转换为某种映射，即将输入空间上 的模糊集合映射到输出空问的模糊集合。 模糊产生器的作用是将一个确定的点映射为输入空间的一个模糊集合，也称模糊化。 模糊消除器的目的是将输出空间的一个模糊集合映射为一个确定的点，以达到实际运用的目的， 又称解模糊化、去模糊化、逆模糊化或清晰化。 模糊推理系统在推理时都要经过一系列的映射过程。在讨论这些过程的时候，我们只考虑了一 些给定的( 专家经验) 或是任意选取的( 直觉经验) 隶属度函数，因此我们所建立的模糊推理系统模型的 模糊规则本质上是在用户按照已有知识和经验对问题模型的特征进行解释的基础上预先获得的。 2 3 3 模糊神经网络( f u z z yn e i l r a ln e t w o r k ，f n n ) 人工神经网络和模糊推理系统存在互补性。二者均属于无模型的估计器和非线性动力学系统， 但二者之间的特性却存在很大的差异，如：人工神经网络可从样本中进行有效的学习，而模糊系统 l o 第二章系统总体方案 中知识的抽取和表达比较方便。正如j b s z k a 指出的那样：人工神经网络适合于处理非结构化信 息，而模糊推理系统对处理专家知识更为有效。 结合人工神经网络与模糊推理系统，构成的模糊神经网络融合了二者的优点，既有人工神经网 络具有的很强的学习和非线性表达能力，又能像模糊推理系统那样表达定性知识。同时，模糊神经 网络中的结构和权值都有一定的物理含义。 在设计f n n 网络结构时，可以根据问题的复杂程度及精度要求，结合人的先验知识来构造相应 的f n n 网络模型。同时，卧n 网络中权值的初始化可根据先验知识人为地加以选择。这样，网络 地学习速度大大加快，并在一定程度上回避了梯度优化算法带来的局部极小值问题。 模糊神经网络的控制大致可分为3 类： 第1 类是直接利用神经网络的学习功能及映射能力，去等效模糊系统中的各个模糊功能块； 第2 类是在神经网络模型中引入模糊逻辑推理方法，使其具有直接处理模糊信息的能力； 第3 类是把模糊系统和神经网络集成在个系统中，发挥各自的优势。 由于神经网络的自学习特点，在模糊系统规则建立过程中，采用神经网络可以得到一类基于神 经网络的自适应模糊系统。当难以获得足够的知识模型( i f _ t 1 1 e n 规则) 时，可通过神经网络训练样本学 习、产生、修改、高度概括输入输出之间的关系，形成模糊规则。这样，便可根据输入模糊集合的 几何分布及过去经验产生的原始模糊规则，进行推理得出结论。 在实际应用中模糊神经网络的实现却并不那么容易，而需要考虑诸多方面。因为为在确定了辨 识所需的输入输出数据后，模糊建模必须完成两个主要任务：一个是系统模型的结构辨识；一个是 模型的参数调整。 系统模型的结构辨识包括： 1 ) 确定被辨识系统的阶次，即模型输入变量的选择，目的是获取最优输入变量组合； 2 ) 确定i o 空间的划分、规则的前件和后件的变量、_ t h e n 规则的个数以及隶属函数的个数与 隶属函数的初始位置，目的是获得系统的初始模型。 模型的参数调整包括： 在确定结构下的二组参数的辨识，并对模型中的各个参数迸行调整，目的是获取系统的优化模 型参数。 2 3 3 1 推理合成方法 f n n 推理合成规则的基本思想是利用神经网络结构实现模糊推理过程，采用神经网络的连接权 重来表示模糊推理参数。在f n n 中，利用反向传播算法来修正网络的连接权重，进而自动地辨识模 糊模型和调整其隶属函数。按照模糊推理过程，可将f n n 划分为前提和结论两部分。利用反向传播 算法，可将前提部分和结论部分串联在一起。 2 3 3 2 学习算法 f n n 通过修改连接权重来辨识模糊模型和隶属函数。本程序的学习算法采用误差反向传播算法 ( b p 算法) 。b p 算法的本质上是以网络误差之平方和为目标函数，按梯度法求其目标函数达到最小值 的算法。推导此算法的困难在于，各隐含层的误差难以表达，因为隐含层的理想值预先是不知道的。 b p 算法的功绩就在于它巧妙地解决了这个问题。 电网限负荷系统面临的是：大量无规律的电网负荷综合特征量和现有的专家经验。针对负荷的 综合特性考虑了a n n ，针对现有的专家经验考虑了f i s 。为了充分利用两者的优点，同时弥补各自 的缺点，限负荷系统选取了f n n 网络中具有代表性的a n f i s 网络。 2 4 本章小结 本章讨论了电网限负荷自动控制系统的总体方案。该方案分为系统总体结构和决策算法的研究。 在系统总体结构中，给出了限负荷自动控制系统的硬件和软件结构。硬件结构上，限负荷系统与电 网调度自动化主站共享硬件；软件结构上，根据结构化设计思想，限负荷系统分为4 个系统( 数据库 东南大学工程硕士学位论文 管理系统、拉限决策系统、拉限自动控制系统和人机交互系统) 。在决策算法研究中，针对负荷的综 合特性考虑了人工神经网络，针对现有的专家经验考虑了模糊推理系统。为了充分利用两者的优点， 同时弥补各自的缺点，论文重点讨论了结合了这两种网络的优点的模糊神经网络，并选取了其中具 有代表性的a n f i s 网络进行了分析，确定以a n f i s 网络作为限负荷自动控制系统的决策【网络。 1 2 第三章系统模块详细设计 3 1 引言 第三章系统模块详细设计 负荷管理的直观目标是通过削峰填谷使负荷曲线尽可能变得平坦。如果要通过负荷管理来达到 合理使用资源，做到整体节能，这就要涉及到国家经济政策、需方用电管理和供方负荷控制等方面。 电网限负荷自动控制系统主要解决运行环境下负荷管理中的相关技术措施和手段。但因电网供求关 系和自动化水平不同，s c a d a 的开展进程也不一样，故应因地制宜地选择使用。论文中的电网限负 荷自动控制系统是基于s c a d a 系统的，应用于徐州邳县地区调度。 当前，对负荷的控制不外乎有三种方式： ( 1 ) 降压减载( v r ) t t ， 由于电压与功率之间存在着平方比的关系，即p = u 厶。因此，电压的变化对负载影响较大。 上、 而电网正常运行状态的不等式约束条件，允许电压在额定值的一定范围内( 如1 0 ) 变化，这就为在 系统高峰负荷期问，通过暂时降低相关线路电压来减轻系统的总负载提供了可能。这种方式不涉及 用户负荷的拉闸限电问题，但供方投资较多。 ( 2 ) 用户可控负荷周期控制( l m ) 这是对用户可控负荷( 如空调、热水器、储热系统、冷藏库等) 最灵活而又有效的一种负荷控制 方式。实现此控制的基础，是一种称为可寻址的智能电表，或称为具有特殊功能的现场r t u 。它除 具有三个分时电度( t o u ) 和一个总电度累加寄存器外，还有两套三分时的电度累加寄存器，分别记 录峰、平、谷不同时段内被控和未控的电度数，以供负荷控制用。这种可以双向通信的现场r t u ， 寻址范围高达2 0 0 0 0 0 0 点以上，可按址进行远方读表。 控制是按组进行的。当负载超过预定的过载值时启动。至于每隔多久发出一次控制命令，则由 执行周期的百分数来决定。如电表的减载间隔选为5 m i n ，执行周期为2 0 ，则控制周期为 n 掰= 2 5 诚n 。也就是说，每隔2 5 m i n 发一次控制命令。当用户侧接到命令后，事先设定好的可 二u 阳 控负荷即行跳闸，减载间隔5 m i n 到了以后自动恢复供电，过2 5 m i n 又将收到一次控制命令。如在控 制过程期间减载间隔和执行周期均不改变，上述过程将周而复始，按2 5 1 1 1 i n 内断电5 i n i n 的方式一直 进行下去，直到系统负荷降至预定的复归值为止。 实际执行时，还可根据需要进步细化，以使负载尽可能均衡。假如上例的负荷组系5 个可控 点组成，即可每隔5 i i l i n 向每个可控点发出控制命令，而不是每隔2 5 r n i n 才同时向5 个可控点发出控 制命令。 ( 3 ) 切除用户可控负荷( l s ) 这是最简单的一种减载措施，单向通信的负荷管理终端即可完成。这种现场r t u 一般具有几个 ( 3 个) 可单独寻址的继电器和组地址，并可通过现场更换地址插销的办法来实现各种地址的组合。 此外，这种终端还可以带有由命令按址设定的减载间隔计时器，以便满足不同负荷管理方案的需要。 切除用户的可控负荷，既可用简单的“跳闸”、“合闸”命令来控制，也可用采用负荷周期控制 的方式来实现。采用后者来实现时，可把切除负荷看成是用户负荷控制方式的一种极端情况，即选 择最大的减载间隔( 一般为6 0 i i l i n ) ，并设定执行周期为1 0 0 。此时，每接近6 0 1 1 1 i n 时即发一次控制 命令，保持减载状态不变，直到系统负荷降至预定的复归值时为止。 根据电网的实际情况，将上述三种负荷控制方式有机地结合起来，实现最佳地负荷控制。这就 是电网限负荷自动控制系统的任务( 如图3 1 所示) 。 首先将可控负荷进行编组。负荷组是由用户定义的若干个可控负荷点的集合。这些负荷点具有 相同的控制方式( 如降压减载或切除负荷) ，并通过不同的现场r t u 同时进行控制。 1 3 东南大学工程硕士学位论文 其次，制定一个或多个负荷管理方案。即指定参加控制的负荷组和控制方式