（水利水电工程专业论文）河南dts数据一体化与状态估计应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要t 。嘲 舸南s c a d a e m s 系统采用加拿大c a e 公司的产品，d t s 的开发中用户提 出了d t s 与s c a d a e m s 一体化的要求，其内容包括图形数据一体化、让塞耋l 据一体化和离线数据一体化。) 本文的工作包括了图形和计算数据的一体化。 图形数据一体化即实现e m s 系统中的厂站图、潮流图、分区图等图形在d t s 系统中完整再现，且要求零维护，同时保持两系统图上的操作功能一致。本文利 用面向对象的思想组织图形元件库，在xw m d o w m o t i f 环境下实现了图形支持 平台的显示、更新、操作等功能，得到了用户的认可和好评。 ( 状态估计是e m s 等电力系统高级应用软件的重要组成部分，其功能是将实 时s c a d a 量测数据转化为一组更完整、误差更小的数据以供计算使用。主要任 务是在确定了电网接线方式和运行状态后，利用s c a d a 系统的遥测等信息估计 出系统各母线上的电压幅值和相角，从而计算出所有的线路潮流值和节点功率注 入量，同时检测、辨识量测中的不良数据，补充不足的量测点，加强全网的可观 测性，为其他软件模块提供一个完整可靠的实吐圈络数据库衫 理想的d t s 系统利用e m s 状态估计后的数据做培训初始条件，由于种种原 因河南d t s 无法利用e m s 的状态估计结果，因而状态估计是河南d t s 计算数据 一体化的要求o ) 本文介绍了工程中应用广泛的快速分解状态估计算法，讨论了河 南d t s 应用中厂站全网分层估计、正交化保证计算的数值稳定性、网络可观测 性判断等方面的问题和处理方法。并以河南某子网为例，说明了状态估计和不良 数据检测与辨识的方法，并给出了试验系统的估计结果。 关键字：调度员培训仿真系统，呻母币酊名向对象，状态估计， 正交变换，网络可观测性，不良数据检测与辨识，厂7 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 1 1 es c a d a e m ss y s t e mi nh e n a ni s p r o d u c to fc a ec o i nc a n a d a i ti s n e c e s s a r y t o i m p l e m e n t t h e i n t e g r a t i o n o fd t sa n ds c a d a e m s d u r i n g t h e d e v e l o p m e n to fd t sw h i c h i n c l u d e s g r a p h i c d a t a i n t e g r a t i o n , c o m p u t i n gd a t a i n t e g r a t i o na n do f f - l i n ed a t ai n t e g r a t i o n i nt h i sp a p e rt h eg r a p h i ca n dc o m p u t i n gd a t a i n t e g r a t i o na r em a i n l y i n _ 乜o d u c e d g r a p h i cd a t ai n t e g r a t i o np r i m a _ a l l yi m p l e m e n t st h ea c c o r d a n c eo fp i c t u r es u c ha s s t a t i o ng r a p h ，f l o wg r a p ha n ds u b a r e a g r a p hb e t w e e ne m s a n dd t s s y s t e m ，w i t ht h e a d d i t i o n a lr e q u e s to f e a s y - m a i n t e n a n c ea n di d e n t i c a lo p e r a t i o nm e t h o d s n 地f u n c t i o n s o fd i s p l a y , u p d a t ea n do p e r a t i o no ft h e g r a p h i cp l a t f o r mu n d e rxw i n d o w m o t i f e n v i r o n m e n ti sr e a l i z e db y o r g a n i z e dg r a p hi t e ml i b r a r yw i t ht h eo b j e c to r i e n t e di d e a w h i c hh a v eb e e nr e c o g n i z e da n d p r a i s e db y t h eu s e r so f d t s s t a t ee s t i m a t i o n ( s e ) i st h ei m p o r t a n t p a r to f a d v a n c ea p p l i c a t i o ns o f t w a r es u c ha s e m s ，w h i c hr e a l i z e st h et r a n s l a t o nf r o mm e a s u r ed a t ao fs c a d ai n t od a t aw i t h h i g h e ri n t e g n t ya n dp r e c i s i o nf o rf u r t h e rc o m p u t i n g i t sm a i nd u t yi s t o s u p p l ya i n t e g r a t ea n dr e l i a b l er e a l - t i m en e t w o r kd a t a b a s et oo t h e rs o r w a r em o d u l e t h ef i r s t s t e pi st oc a l c u l a t ev o l t a g ea n da n g l eo f e a c hb u sb y m a k i n g u s eo fm e a s u r ed a t af r o m s c a d aa f i c rc o n f m n i n gc o n n e c t i o na n dr u n n i n gs t a t eo fe l e c t r i c a ln e t w o r k a n dt h e n t ow o r ko u tf l o wv a l u e so fe a c hl i n ea n dp o w e ri n j c c t i o no fe a c hn o d e f i n a l l yt o s u p p l yt h el a c k i n gm e a s u r ep o i n t sa n de n h a n c et h eo b s e r v a t i o no fw h o l en e t w o r k t h r o u g hd e t e c t i n ga n di d e n t i f i n gt h eb a d d a t ai nm e a s u r ed a t a p e r f e c td t s s y s t e mu s e sd a t ae s t i m a t e db ye m s a st r a i n i n gi n i t i a lc o n d i t i o n d u c t ok i n d so fr e a s o n ，h e n a nd t sc a nn o tm a k eu s eo ft h e m t h u st h es e m o d u l ei st h e r e q u i r eo fc o m p u t i n gd a t ai n t e g r a t i o n n l ef a s td e c o u p l e dm e t h o df o rs t a t ee s t i m a t i o n c o m m o n l yu s e di n a c t u a le n g i n e e r i n gi s d e t a i l e d l yd e s c r i b e da n dt h ep r o b l e m sa n d d i s p o s a lm e t h o d sf o rs t a t i o no rn e t w o r ke s t i m a t i o n ，o r t h o g o n a lt i b i a s f o r m a t i o na n d n e t w o r ko b s e r v a t i o nj u d g e m e n ta r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r t a k i n gs u b - n e t w o r ko f h e n a na sa ni n s t a n c e ，t h et e c h n i q u ef o rs t a t ee s t i m a t i o n ，d e t e c t i o na n di d e n t i f i c a t i o n f o rb a dd a t ai se x p l i c a t e di nt h ep a p e ra n dr e s u l t so f t e s t i n gs y s t e ma r ea l s o p r o v i d e d k e yw o r d s ：d 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 ns y s t e m ，i n t e g r a t i o n ，o b j e c t = o r i e n t e d ， s t a t ee s t i m a t i o n ，o r t h o g o n a lt r a n s f o r m a t i o n ，n e t w o r ko b s e r v a t i o n ， d e t e c t i o na n di d e n t i f i c a t i o nf o rb a dd a t a 华中科技大学硕士学位论文 1绪论 1 1 电力调度仿真培训系统( d t s ) 简介 1 1 1 调度员培训仿真系统( d t s ) 的定义 随着电力工业的飞速发展，电力系统已经进入了大电网、大机组、超高压输 电的时代，电网结构和运行方式越来越复杂，用户对电能质量的要求也越来越高， 而e m s 等高级软件的投入使用使电力系统调度自动化水平大大提高同时故障率 大大降低。但电力系统的现代化并不能根除各种人为、气候、设备等原因造成的 故障发生的可能性。除了网架结构、电网分析工具、安全稳定控制系统、现代通 信手段等方面外，一支经验丰富、训练有素的调度运行队伍对于确保电力系统安 全稳定运行是至关重要的。 传统的调度员培训方法如跟班学习、反事故演习、事故处理经验总结等的普 遍缺点是效率低、周期长、效果差。调度员积累经验的关键是在电网真实异常和 事故中磨练，但实际电网故障率很小，又不允许人为制造事故，因而客观上要求 开发一种能提供真实调度环境又能让调度员进行操作的平台。随着计算机和仿真 技术的进步，仿真培训器应运而生。如今，通过仿真培训来提高运行人员的专业 水平，杜绝将一般事故演变成灾难性的大面积事故，已被公认为是最积极的反事 故措施之一。 调度员培训仿真系统【“( d i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t o r ，简称d t s ) 是套数 字仿真系统，它运用计算机技术，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，并将这些信息送到电力系统控制中心的模型内，为 调度员提供一个逼真的培训环境，以达到既不影响实际电力系统的运行又使调度 员得到身临其境地实战演练的目的。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 2d t s 总体结构和组成1 2 i d t s 的基本组成包括以下模块： 控制中心模型( c c m ) ：c c m 与实际控制中心环境一致，并具有e m s 的 各种功能，包括网络分析( n a ) 、数据采集( s c a d a ) 等。 电力系统模型( p s m ) ：p s m 用于模拟电力系统网络及各种设备的静态和动 态响应，包括网络模型、负荷模型、变压器模型、发电机模型和继电器模型等。 教员系统( i s ) ：i s 提供监视和控制培训过程的功能，包括初始化、调整控 制参数、设置事件序列、与学员通信和干预培训进程等。 图1 1 显示了d t s 系统的总体结构。 1 1 3d t s 的发展趋势 图1 - 1d t s 总体结构 自1 9 7 7 年j l a t i m e r 和r m a s i e l l o 首次在电力工业中提出d t s 的概念以来， d t s 逐渐引起世界各国电力工业界的注意，并逐步在各国电力系统中取得了广泛 的应用，已成为各主要e m s 公司的重要产品之一。大量文献 1 】 3 】 4 】总结了国内 外d t s 的研究状况和使用经验。d t s 的发展趋势主要在于以下几个方面： 2 华中科技大学硕士学位论文 功能由原来单一的操作人员培i t i n 综合性应用和研究性仿真。早期的培训 仿真器的目的是为了电力系统操作人员培训，随着硬件和软件功能的不断改进， 兼有运行方式计算、日计划安排、事故分析和控制系统特性测试等功能的培训仿 真器正在研制和使用。 仿真的扰动类型由小扰动向大扰动发展。8 0 年代中期以前，d t s 仿真一般 以长期动态为主，由于当时硬件过于昂贵，对暂态和中期动态过程的模拟并不实 用。如今的d t s 系统均衡考虑暂态和中长期动态过程，成为功能更强的仿真系统 硬件配置上由单机向多机系统发展，计算方式向分布式并行处理发展，将 有效的解决大电网的实时性计算问题。 可以预见，随着电力工业的不断发展和计算机软硬件、通信等技术的不断进 步，d t s 系统结构和功能必将进一步完善和发展。 1 2 课置的背景与意义 1 _ 2 1 河南d t s 系统的总体设计要求 真实性：要求d t s 系统能够逼真地演示电网的稳态与动态过程，虚拟电力 系统应具有与实际电力系统相同的电网拓扑结构和参数，实际系统中的发、输、 变、用电设备如发电机、调速系统、励磁装置、变压器、母线、输电线路、电抗 器、电容器、母线、开关、刀闸、负荷等以及继电保护、安全装置等二次设备均 应反映在d t s 系统中，并能够选择各种不同的运行方式进行研究分析。当发生负 荷变化、发电机出力及电压变化、变压器分接头的调节、刀闸及开关投切、联络 线潮流变化以及各种事故时，要求d t s 能够描述各种运行方式下的潮流分布，同 时对操作或扰动有快速的响应。 一致性：要求d t s 系统能够提供一个与实际控制中心相同或相近的培训监 视操作环境，具有相同或相似的显示器、操作控制台和通信设备，相同的人机界 华中科技大学硕士学位论文 面和监控内容等，使学员在培训室有身临其境的感觉，取得良好的培训效果。 灵活性：灵活性反映在d t s 系统有灵活的培训支持功能。教员台操作方便 灵活，有友好的人机界面，在承担学员的下级调度员( 各厂站值班员或外部电力 公司调度员) 工作时，能够方便地执行学员下达的各种调度命令，可以根据需要 任意设置故障，能很快进入新的运行状态；教案制作灵活方便，可设置足够的教 案进行演示，并可进行必要的培训控制与评估，满足各种运行方式的研究和培训 的要求。 实用性：培训的准备工作( 初始潮流的调试、教案的制作) 应简单，系统 的维护方便。当实际电网设备发展扩充时，各种数据的录入应方便灵活。要有较 长的生命期，软件设计中对电力系统的发展有充分考虑，能适应电网在较长时间 内的变化，要求数据规模设置为现有规模的2 倍。 开放性：软件的移植性好，硬件的扩充性好。 1 2 2 河南d t s 系统功能i s ( i ) 运行操作仿真培训 正常操作模拟培训：用于培训学员正确进行实际操作的能力。 事故仿真及处理培训：设置和模拟一些故障，对学员进行事故、故障处理 培训。 操作过程监视培训：配合学员的操作，显示运行参数、状态信息和设备的 动作情况和动态变化过程。 ( 2 ) 故障的设置。模拟各种故障时间的输入，教员可以根据需要选择下列故障 要素：故障起始时间、故障点、故障的持续时间、故障类型、故障点接地阻抗。 ( 3 ) 误操作的模拟。对于带负荷拉合刀闸、用刀闸充空载线路或变压器、带 空载线路或变压器拉刀闸、带电压合地刀、带地刀合开关等基本操作均可自动生 成相应的故障事件。 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 继电保护和自动装置动作的模拟。故障时继电保护及自动装置模型将自动 显示其动作情况，同时通过跳开相应的元件开关去影响p s m 。 ( 5 ) 开关或保护误、拒动模拟。可模拟任一开关或保护的拒动、误动。其中开 关的拒动，可以模拟一级或多级的拒动行为。 ( 6 ) 查询、监视功能。可查询河南电网全网、地区、厂站、线路、发电机、负 荷、开关等元件中的有关信息；具备s c a d a 所具有的各种监视画面，可监视相 关的各电气量及越限信息。 ( 7 ) 培训过程控制。可进行暂停、恢复、快照、恢复初态、恢复事故前的状态、 重放等。 ( 8 ) 教案制作。可把具有教育或培训价值的连续事件过程( 包括初始状态的建 立、故障事件的设置、复原操作或一些典型的标准操作等) 存作教案以供反复调用。 ( 9 ) 培训评估。可根据学员操作行为给出评估，同时对误操作、继电保护、自 动装置的动作信息、学员搡作行为造成越限的情况给出相应的信息，并打印出评 估报表。 1 2 3 河南d t s 的一体化 由于河南s c a d a e m s 采用国外产品，为保证系统的真实性、一致性和实用 性等要求，d t s 用户提出数据一体化的要求，包括：图形数据、计算数据和离线 数据的一体化。经过多方努力，河南d t s 系统的数据一体化基本达到了要求： s c a d a e m s 系统的各种图形经过转换都可以在d t s 中重现，且不失真，在这一 点上，河南d i s 系统达到了国内先进水平；实时断面数据经过状态估计后计算效 果良好。河南d t s 的一体化工作受到了用户的好评，得到了专家的肯定。 1 3 国内外状态估计的应用和研究现状 状态估计器( s t a t ee s t i m a t o r ，简称s e ) 是e m s 等高级应用软件的重要组成部 华中科技大学硕士学位论文 分，尤其在电力市场环境中发挥着更重要的作用。自7 0 年代以来状态估计问题吸 引了国内外众多学者的注意力，无论在理论计算还是工程应用方面都取得了长足 进步。以下从状态估计算法、不良数据检测与辨识和网络可观测性分析、工程应 用等方面简单总结了状态估计问题的应用和研究现状。 状态估计算法 静态状态估计的算法研究重点是加权最d , - - 乘法( w l s ：w e i g h t e dl e a s t s q u a r e s ) ，国内外学者讨论比较集中的是提高计算数值稳定性的方法，如正交 g i v e n s 分解法1 6 】、h o u s e h o l d e r 正交变换【7 1 等。在计算速度方面，内点法【1 1 】也很受 重视。文献【8 】根据实际量测量电压和功率的不同误差情况，提出了将一级误差量 测量( 电压量测) 和二级误差量测量( 有功和无功量测) 分开处理的方法，适用 于电压量测占总量测量1 1 4 1 1 3 的特殊系统。文献 9 1 t 0 1 介绍了带有等式约束的 状态估计算法，处理了实际系统中的零注入节点问题，在增加少量计算的情况下， 有效利用了虚拟的量测点信息，保证了估计的精度。 不良数据的检测与辨识、网络可观测性分析 文献【1 2 】介绍了广东e m s 中状态估计的可观测性分析方法，将节点的注入量 测转化为支路的量测，利用逻辑的方法避免了大量的矩阵运算。文献 1 3 】【1 4 】分别 介绍了图论、模糊数学等在不良数据检测与辨识中的应用情况。 工程应用 文献【1 5 】【1 6 】【1 7 】总结了国内上海、哈尔滨、华中电网状态估计器的设计特点 和工程应用经验；文献【1 8 】提出了厂站全网双层状态估计思想，并分析了其实际 应用，为大电网的状态估计器设计提供了一种新思路。其他文献介绍了状态估计 用于变压器抽头的估计“9 j 、网络拓扑错误口0 1 的判别等。文献 2 1 1 1 2 2 1 介绍了基于 加权最小绝对值准则的状态估计算法。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 4 本文的章节安排 本文的章节安排如下： 第1 章，绪论。介绍d t s 的定义、原理和发展，河南d t s 的结构功能与一 体化要求，概括国内外状态估计的应用与研究现状。 第2 章，d t s 数据一体化和xw m d o w 系统简介。介绍河南d t s 数据一体化 的必要性，图形一体化的开发平台xw m d o w 系统的组成和运行原理及图形一体 化的主要工作。 第3 章，电力系统状态估计算法。介绍最 b - - 乘原理，状态估计与常规潮流 的比较，应用广泛的w l s 和快速分解算法，以及基于w l a v ( w e i g h t 茂ll e 日s t a b s o l u t ew a u c ) 准则的权函数法。 第4 章，不良数据的检测与辨识。介绍实用的不良数据检测方法一预检测、 标准残差检测、量测突变检测、检测，o ) 等方法，以及不良数据辨识的方法一零 残差辨识法。 第5 章，d t s 状态估计软件的设计与开发。讨论d t s 状态估计软件开发中 的问题，包括正交化处理以保证计算的数值稳定性、电力系统网络可观测性的逻 辑分析法、量测量的权值选取等。以河南某子网为例，详细示例状态估计和不良 数据检测与辨识的方法，并对计算结果进行了分析。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 d t s 图形一体化和xw i n d o w 系统简介 2 1 河南d t s 数据一体化的需求 d t s 与e m s 一体化可以共享信息资源，减少系统的维护量。设计要求河南 d t s 共享e m s 的断面量测数据和网络参数，使d t s 数据库可与在线数据库同步 维护：共享s c a d a e m s 的厂站图、系统图，实现数据文件与图形格式的转换： 取s c a d a e m s 在线系统的数据作为培训的初始条件，可以使d t s 的培训更具 现实意义，同时也可大大减少教员建立初始条件的工作量。 圈2 - 1 河南d t s 动态数据交换示意 河南d t s 的数据一体化要求包括以下方面： 离线数据一体化 通过网络直接读取e m s 的描述网络拓扑的数据文件( n a s ) 和描述网络参数的 数据文件，按一定规则导入d t s 的o r a c l e 离线数据库，以保证d t s 仿真系统与 在线系统在电网结构和元件参数等静态信息上的一致性。 图形数据一体化 华中科技大学硕士学位论文 将描述s c a d a e m s 系统的厂站图和系统图的图形数据文件经过数据分析转 换处理，d t s 系统的图形平台可直接调用显示，以保证d t s 仿真系统与在线系 统在显示内容与画面风格上的一致性。 计算数据( 实时数据) 一体化 实时数据指来自s c a d a 的断面数据，包括某个断面全网所有遥测、遥信的 值。d t s 取e m s 在线系统的实时断面数据时，由于遥测点不足和数据通道不良 等原因，不可避免会有一些坏数据和缺少的数据。因此d t s 的计算数据应是对实 时断面进行处理后的数据，以保证尽可能地与实际系统相符，这就在数据一体化 中提出了状态估计的问题。 2 2x w i n d o w 系统简介 2 2 1x w i n d o w 系统的特点网 x w i n d o w 窗口系统是用于各种位图显示器( b i t m a p p e d d i s p l a y s ) 的窗1 3 系统， 由美国麻省理工学院( m r r ) 于1 9 8 4 年开发成功。该系统具有设备无关性：任何 设备只要支持xw i n d o w 协议，便可以执行应用程序，显示包含图文的窗口而无 需重新编译和链接源程序。这种特性使得只要是根据xw m d o w 标准开发的应用 程序可在不同环境下( 如大型计算机、图形工作站、个人电脑) 执行，因而奠定 了x w m d o w 工业标准的地位。目前运行u n i x 的计算机均支持该标准，如d e c 、 m m 、l i p 、s u n 、s g i 等主流u n i x 系统，另外w m d o w s 9 8 、w m d o w s n t 、f r e e b s d 、 l i n u x 等系统也支持该标准。xw i n d o w 系统自出现以来，随着研究工作的深入新 版本不断推出，目前的版本是第l l 版第6 次发行，即x 1 1 r 6 。x w i n d o w 在不同 硬件平台上的版本名称不同，如在i n t e l8 0 x 8 6 系列c p u 的p c 机上使用的版本称 为x f r e e 8 6 。 x w i n d o w 系统取得巨大成功是因为其具有以下特点： 9 华中科技大学硕士学位论文 网络透明性( n e t w o r kt r a n s p a r e n t ) ：即应用程序的结果显示在网络其他计 算机显示器上和显示在本地计算机上样容易，与网络另一端计算机的硬件和操 作系统无关。采用c l i e n t s e r v e r 的网络结构，程序间通过网络来通信和共享资源。 对程序设计人员而言，只要设计一个程序就可以在单机和网络环境下执行；对用 户而言不需要知道程序执行时已用到了远端主机的资源。 支持多种不同风格的用户界面，不内嵌于操作系统：xw m d o w 系统是由 于需要一个在u n i x 系统平台上强大图形界面系统而开发的，但这不意味着x w i n d o w 系统是u n i x 上专用的窗口系统。xw i n d o w 是一个系统协议，所以在各 种遵守该协议的操作系统上均可运行。管理窗口的功能如窗口的摆放、大小及显 示顺序等并不包含在xw m d o w 系统中，而是由应用程序控制。因此容易实现不 同的界面风格。不内嵌于操作系统是xw m d o w 系统的典型特点之一，它具有以 下好处： a 改版容易：当操作系统或xw i n d o w 系统有错误或需要增加新功能时，只 要替换各自的部分； b 降低操作系统设计复杂度，增加其稳定性：xw m d o w 系统的执行错误不 会造成操作系统的死机，不会破坏操作系统的核心部分，这一点比m i c r o s o f t w i n d o w s 系统具有优势。 窗口程序设计简便：提供大量的可调用程序供应用程序使用，程序员不需 从头设计窗口，有效降低了工作负荷。 2 2 。2xw i n d o w 的组成i 圳 xw i n d o w 由服务程序、客户程序和通信通道三个相关部分组成。 服务程序( xs e r v e r ) 服务程序是控制显示输出和输入设备( 如键盘和鼠标) 的程序，它根据需要 完成建立窗口、在窗口中绘制图形和文本、响应客户程序的请求等任务。服务程 1 0 华中科技大学硕士学位论文 序只有在客户程序向它提出请求后才进行相应的动作。对操作系统而言，服务程 序和其他用户进程并无区别，因而简单替换服务程序就可完成版本的更新。 客户程序( xc l i e n t ) 客户程序即xw i n d o w 下的应用程序，它无法直接影响输出和显示。如：客 户程序需要在某窗口用某颜色从一点到另外一点画一条直线，那么直线的绘制由 服务程序完成。 通信通道( c o m m u n i c a t i o nc h a n n e l ) 通信通道即服务程序和客户程序之间通信的渠道，x 系统中所有和通信有关 的函数均内置与x l i b 函数库中，用于支持系统本地或网络的通信。 x w i n d o w 的客户程序和服务程序可以共存于同一计算机，也可以在不同的计 算机上运行。后者是xw i n d o w 独一无二的特性，也正是其设计思想的先进性之 一。利用这种特性，只要提供x - t e r m i n a l 图形终端就可以有效利用某些大型服务 器的处理能力。 i n p u th a n d l i n g 图2 - 2xw i n d o w 系统客户程序和服务程序的通信 客户程序和服务程序之间的通信由消息完成。客户程序发送到服务程序的消 息称为输出旬柄( o u t p u th a n d l i n g ) 。它是一个封装的包( p a c k a g e ) 其中包含指 示何种操作的操作码和关于请求的细节参数。例如完成清除一个窗口内某个矩形 区域的操作，客户程序会向服务程序发送一个1 6 字节的请求来指定哪个窗口及欲 清除区域的左上角坐标和区域的宽和高。服务程序发送给客户程序的信息为输入 旬柄( i n p u th a n d l i n g ) ，其中包含响应客户程序请求是否成功和客户程序需要了 解的特殊事件，如“在某个窗口中鼠标左键按下”或“某窗口大小己被改变”等。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 图形系统的一体化 图形系统的一体化工作包括以下内容： 详细了解e m s 图形系统图元的种类、数据定义、操作方式及e m s 系统 图形文件的格式； 根据需要定义d t s 系统相应的图元数据类型和图形文件格式； 实现图形从e m s 到d t s 的转换，做到转换后的显示和操作完全一致，尽 可能减少人工维护量； 建立d t s 系统的图形平台以支持培训功能。 本文以下详细讨论上述、的内容。 2 3 1d t s 系统图元的面向对象设计阑 o o ( 面向对象) 技术自出现以来受到广泛关注。面向对象的开发强调从问题域 的橛念到软件程序和界面的直接映射，心理学的研究也表明，把客观世界看成是 许多对象更接近人类的自然思维方式，而且对象比函数更稳定。面向对象的开发 也支持软件工程实践中的信息隐藏、数据抽象和封装，并且面向对象开发的软件 更易于修改、扩充和维护。面向对象的开发鼓励重用，包括软件的重用和分析、 设计、建模的重用，借鉴成熟的开发模式可以减小复杂系统所面临的风险。 电力仿真系统中的图形可分为背景和前景两大部分。背景以静态图符为主， 由点、线、圆、折线、文本等基本图符组成。背景图不具备电力系统的任何特点， 因而可用于绘制省网中的行区、地理图等图形。前景是随系统状况改变而变化的 图符或动态数据，例如隔离开关随分合应显示不同状态。前景又可以称为元件层， 是由表示实际设备的抽象图符组成，并且被定义了相应的动态属性。图形编辑器 最终生成的是待驱动的静态画面，将该画面与实时数据绑定才可获得反映实际状 况的动态画面。图2 3 显示了系统中国元的面向对象设计。 华中科技大学硕士学位论文 应用雇 田j 管对t 层 2 3 2 系统中的数据组织 图2 - 3 圈元的类结构示意圈 显然图元类是系统中最基本的类，其它如静态图符或动态图元均是它的子类。 将各类图元( 包括静态图符) 的公共属性和方法进行封装来定义图元类c o b j e c t ， 可以充分体现面向对象开发的继承性和封装性的优点，提高开发效率。下面简要 列出c o b j e c t 类的部分属性和方法。 c l a s sc o b j e c t p r o t e c t e d ： s h o r t 铆p c ；图元类别号 s h o r t l a y e r 图元所属图层号 c h a r +c o l o r ：颜色 f l o a t s c a i e ；，显示比例 s h o r t i s s e l e e t e d ；，标记是否选中 i n ts t a r tx ，s t a r t _ y ；，图元范围矩形起点 i n t w i d t h , h e i g h t ：图元范围矩形的宽和高 华中科技大学硕士学位论文 p u b l i c ： v o i dd i s p l a y o ；图元的显示 b o o l e a ni s h i t o ，是否选中 v o i dm o v e o ；，图元的移动 v o i dd y n a m i c o ；，图元的动态定义 系统利用分层机制支持绘制复杂的图形并可以有选择的查看，一般将图上不 同类型的数据放在不同的图层中。图形数据在内存中以链表的形式保存，图元以 所在的图层来分类，同一层的图元形成一个链，这样便于图元的增加和删除后的 恢复。显示有大量图元组成的复杂图形时。不可见的圈层不参与显示，可以显著 提高显示函数的执行速度。链表结构如图2 - 4 示。 图2 - 4 数据的组织 e m s 系统图形文件以二进制形式存放，d t s 中为便于纠错，图形文件采用 文本形式存放。 2 3 - 3 图形支持平台的实现拍1 支持实时应用是电网仿真软件的基本要求，图形的显示和更新是图形支持平 台的核心。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 潮流方向箭头。当培训系统连接实时数据库时，画面按照s c a d a e m s 的实时断 面数据传送频率来更新；当培训系统连接计算库时，画面接受到电力系统模型计 算完成的信号后更新。动态数据的显示还包括以下一些内容： a 遥信量报警时闪烁、遥测量越各种限值时显示非正常颜色以提示用户进行 处理： b 遥测量数据为无效数据时显示星号等特殊符号。 图形画面的切换 一般电网系统中包含潮流图、地理图、总加图、厂站图等多种图形。系统仿 真过程中用户需要频繁查看各个厂站的接线图和其它图形，因此调图及图形切换 效果直接影响人机界面的可操作性。d t s 中提供以下的调图及图形的切换策略： a 各个厂站接线图中表示线路名称的文字可调用对端画面显示； b 系统初启时进入厂站总控画面，点击厂站名文字即可进入该厂站，每幅图 中都有用矢量图绘制的工具条和按钮，用这些按钮可以方便的切换到厂站总控画 面、系统潮流图、地理图等。 图形的缩放 原始图形的大小设为1 0 ( 显示比例) ，即显示为文件中定义的大小。每个图 元的显示效果由显示比例和显示偏移量共同决定。图形的放大为无极放大，即用 户选择需要放大的部分，按照用户的选择框与窗口大小计算出显示比例和新的偏 移量，然后显示出用户选中的部分图形；图形的缩小为固定倍率缩小，每次缩小 操作后全图缩小5 。图形缩小时以坐标原点为基准。 图上的操作 允许用户进行图上的操作是仿真培训系统的主要任务之一。系统中可操作的 元件主要是遥信量和遥测量。遥信量的操作内容有改变当前状态、确认报警、输 入报警限值等；遥测量的操作内容有改变当前值、输入各种越限限值、是否进行 越限判断等。图元的拾取是图上操作的基础，其精度和效率对整个系统影响很大。 华中科技大学硕士学位论文 系统实现中提供点拾取和框拾取两种方法。点拾取是用户在绘图区单击鼠标 时进行的，拾取成功则高亮显示被选中的图元，若用户在绘图区拖动一个矩形框 则进行框拾取。一组图元中的任意一个被选中则全组图元均被选中。以点拾取为 例，拾取算法为了提高效率，图2 - 4 所示链表中若某一层图元不可见则该图层上 的所有图元均不参加比较判断。判断某个图元是否被选中时首先进行初选，方法 是判断鼠标位置是否位于( s t a r t _ x ，s t a r t _ y ) 为左上点，w i d t h 为宽度高度到达绘图 区下端的矩形内，对通过初选的图元进行进一步的比较。一旦图元选取成功则终 止比较以避免无谓的计算。 矢量汉字的使用 图形系统中使用单线矢量汉字。字库包含一级汉字3 7 2 8 个，按照区位码标准 存储，其中包括字母、数字和其他常用符号，字库以二进制文件形式存储。扩充 的字库包括字库文件和检索文件，均以二进制形式存储。 2 3 4 图形实例 图2 - 5 给出了河南d t s 系统中的图形实例，图中显示的郑州变电站接线图与 e m s 系统中的完全一致。图中的虚线框表示正在进行的放大操作的选择范围。 图2 - 5 河南d t $ 图形系统实例 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 1 概述 3 1 1 最j , - 乘原理 3电力系统状态估计算法 电力系统状态估计的基本方法有两种：基于高斯型的最小二乘法和基于卡尔 曼滤波的逐次型法。后者主要用于动态的估计。最小二乘理论是高斯在解决天体 运动轨道时提出的，在一定条件下估计具有最佳的统计特性，即估计结果的无偏 性、一致性和有效性【2 7 l 。 电力系统中的量测方程的矢量表示为： z = 尼r + v ( 3 1 ) 式中z 为m 维量测向量：x 为n 维状态向量：h 为m x n 维量测矩阵，v 为m 维量测误差。按照误差平方准则，建立一个极小的二次型： ，( y ) = ( z h x ) 。( z i - i x )( 3 2 ) 用矩阵微分运算求得 x = ( 日7 h ) 一1 h z ( 3 3 ) 上述的过程中，如能使误差大的分量权重小，误差小的分量权重大些，可以使目 标函数j ( x ) 进一步减小，因而求得的估计值更趋精确。基于这一设想，引入加权 最小二乘准则，加权后的目标函数d ( x ) 为： j ( x ) = ( z h x ) 2w ( z h x ) ( 3 - 4 ) 其中w 为对称的正定阵，各元素根据量测误差选取。 式3 一l 中，设v 是一个均值为0 的平稳随机矢量，且与z 、x 无关，即e 【明= 0 。 华中科技大学硕士学位论文 定义量测误差v 的协方差阵为r = e 【w 7 】，文献【2 7 】证明了当式3 - 4 中= r 1 时 的估计是所有加权最小二乘估计中的最优估计，其方差阵最小，误差的各分量离 散度最小。这种估计方法称为马尔可夫估计。其目标函数为： ，( z ) = ( z 一x ) 1r “( z 一脚)( 3 - 5 ) 3 1 2 电力系统状态估计流程矧 电力系统的信息是通过远动装置传送到调度中心的，由于远动装置的误差及 在传送过程中各个环节所造成的误差，使这些数据存在不同程度的不可靠性。此 外，由于测量装置在数量或种类上的限制，往往不能得到完整的、足够的电力系 统计算分析所需的数据。为解决上述问题，除了不断改善测量和传输系统外，还 可采用数学处理的方法来提高测量数据的可靠性和完整性。电力系统状态估计就 是为适应这一需要而提出的。 电力系统中能够表征系统特性所需最小数目的变量为电力系统的状态变量中 通常取节点的电压向量( 幅值、相角) 。为了满足状态估计计算的需要，对电力系 统测量量在数量上有一定的冗余度要求，即独立测量量的数目m 大于状态量数目 1 3 ，称k = m n 为冗余度，一般认为1 8 k n 及测量误差的存在， 不可能找到一组状态量叠，使，( 量) = 0 。按照最d 、- - - 乘准则，得到： ( 3 - 8 ) c p 3 。q 3 】 【p 4 口4 】 图3 4 状态估计计算示意图 ，( x ) 2 z 一向( x ) 】7 r “【z 一 ( x ) 】= 善 ，( 0 8 ( 0 2 + m j n ( 3 。9 ) 华中科技大学硕士学位论文 其中，r 是以6 i 2 为对角元素的m x m 阶量测误差方差阵。式3 - 9 是加权最小 二乘估计准则( w l s ) 下状态估计的基本式。w l s 估计方法假设量测量服从正态 分布，模型简单，计算量小但没有抗差能力，应用较为广泛。本文以下主要讨论 w l s 估计的计算方法及工程应用。 ( 3 ) 状态估计与常规潮流的关系 由以上的分析对比可知，状态估计扩展了常规潮流算法，其具体表现在： 量测类型的扩展：状态估计中的量测量除了常规潮流中已有的节点电压和 注入功率外，增加了支路功率的量测量； 增加了量测的数目：状态估计中方程式的个数大于未知数的个数，由于量 测误差的存在，方程组是矛盾的。状态估计利用多余的量测资源获得数据精度的 提高和不良数据的检验； 加权以提高状态量的估计精度：常规潮流计算中各个量测量权重相同，状 态估计中对各量测量按精度加权，即精度高的量测值有较大的权重，使估计值靠 近精度高的量测值。 3 3 电力系统静态状态估计基本算法 加权最小二乘算法( 类似潮流计算中的牛顿法) 最早于1 9 7 0 年由e c s c h w e p p e 等人提出，其特点是收敛性能好，估计质量高。由于计算重大且占用内 存多，难以在大型电力系统的实时计算中应用，但可以做为各种算法的比较基准。 吸取潮流计算经验而建立的快速分解状态估计算法，兼顾了计算速度、收敛性、 内存消耗等方面，可以认为是基本加权最小二乘算法的实用形式。 3 3 1w l s 状态估计的基本解法 目标函数如式3 - 9 ，为了求给定量测矢量z 下使目标函数，( 工) 达到最小的状态 华中科技大学硕士学位论文 矢量x ，令j ( x ) 对向量x 的导数为0 ，即 坐l 兰2 ：0 出 根据矩阵微分运算公式【2 9 1 ( 3 - 1 0 、 哿= - 2 ( 戋 ) 7 一卜m 。 o 。1 d 设 ( x ) = 【h lh 2 b 3 h i 酬7 ，则 h = a 厅la