（电工理论与新技术专业论文）地区电网无功优化闭环控制系统的设计与实现.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t t h eb a s i ca i mo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n de l e c t r i cp o w e rc o r p o r a t i o ni ss a f ea n de c o n o m i c a l l y p r o v i d i n ge l e c t r i c i t yt oc o n s u l n e r sw i t hh i g hg r a d e t h eq u a l i t yo fv o l t a g ei so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt a r g e t st os c a l et h ee l e c 砸c i t yq u a i l t y , w h i c hh a si m m e d i a t ei n f e c t i o nt ot h ee l e c t r i c p o w e rs y s t e ms t a b i l i z a t i o nc i r c u l a t e ，r e d u c i n gt h ec o n n e c t i o nw a s t e ，i m p r o v i n gt h ep r o d u c t i o n q u a l i t ya n dd e p r e s s i n gt h ee l e c t r o - l o s s t om a k es u r et h ev o l t a g eq u a l i t y , t r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n s a d j u s tt h ev o l t a g ea n dr e a c t i v ep a r a m e t e r sv e r yf f e q u e n f l y t h i sn 扯a 翻j r ew i l le f f e c tt h es t a b i l i z a t i o n a n de c o n o m i cc i r c l l l a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m so nt h ec o n t r a r y t h e r e f o r e t of m dt h eb a l a n c e d p 0 吐b e t w e e nt h ev o l t a g eq u a l i t ya n de c o n o m i cc i r c u l a t i o no ft h ep o w e rs y s t e m s ，t h ec o n t r o lo f v o l t a g ea n dr e a c t i v ew i l lb en e c e s s a r y i f t h em e a s u r ea b o u tv o l t a g ea n dr e a c t i v ec o n t r o lo n l yd e p e n do nm a n k i n d , t h em mo nd u t yw i l l i n c r e a s ew o r l d o a da n dt h o s ea d j u s t i v em e f l n si sd i m c u l tt oe n s u r et h er a t i o n a l i t y t h e 雠f o r n l e r s u b s t a t i o n sv q ce q u i p m e n t sw h i c ha rb a s e do nt h ej i u q u e t op r i n c i p j a ma b r o a da p p l i e da t p r e s e n ta l t h o u g hc a l l e n s u r et h es t a t i o nv o l t a g ea n dp o w e r - f a c t o re l i g i b i l i t yi t s e l f , t h e yc a n n o t e f f i c i e a f l yd i s p o s et h er e a c t i v eo p t i m i z ep r o b l e m si nt h ew h o l ep o w e rs y s t e m s w i t ht h es c a l eo f p o w e rs y s t e m si se n l a r g i n ga n dt h eb u r t h e ni si n c r e a s i n g , t h er e a c t i v eo p t i m i z ep r o b l e m sj nt h e w h o l en e t w o r ka m o 砰a n dm o r er e c o g n i z e d t h ei m p l e m e n to ft h ew h o l en e t w o r kr e a c t i v e o p t i m i z ep r o b l e m sb e c o m e sn a c e s s a r y a t 血es a l 砒t i m e t h ea u t o m a t i cl e v e lo f o u rc o u n t r ya r e a p o w e rs y s t e m sh a sa d v a n c e dl a r g e l y , t h es c a d a e m se q u i p m e n t sd i s s e m i n a t ea b r o a d , t h e c o m p u t e rt e c h n i q u ed e v e l o p sf a s t a l lt h i n g sa b o v es e t t l eab a s a lt e c h n i q u ec o n d i t i o nt 0t h e v o l t a g ea n dr e a c t i v eo p t i m i z ea u t o - c o n t r o ls y s t e mw h i c h b a s e do nt h ec o m p u t e rs o f t w a r em o d u l e s w i t ht h eh e l po f c o m p u t e r sp o w e r f u ld a t as t o r a g ea n da n a l y s i sf u n c t i o n , i nv i t a eo f t h ea u t o m a t i c s y s t e m s b a s i cc o n d i t i o n , a c h i e v i n gt h ev o l t a g ea n dr e a c t i v eo p t i m i z ec l o s e dl o o pa u t o - c o n t r o l a b o u tp o w e rs y s t e m st h o u g hs o f t w a r ei st h ed i s q u i s i t i o nh o t s p o ta tp r e s e n t t h ev o l t a g ea n dr e a o j v eo p t i m i z ec l o s e dl o o pa u t o - c o n t r o ls y s t e mw h i c hi sm a n u f a c t u r a di nt h i s p a p e ri sae x p l o r i n ga t t e m p ta b o u ta r e ap o w e rs y s t e m s r e a c t i v eo p t i m i z ec l o s e dl o o pc o n t r 0 1 i t s a i mi si n s u r et h ev o l t a g ea n dp o w e r - f a c t o re l i g i b i l i t ya n dr e d u c i n gt h el i n e - l o s eb ya n yp o s s i b i l i t y t h i ss y s t e mi sb a s e d0 1 1 f a r r a g oc o n t r o la n a m u e s i s i tc a nm a k es u ”t h er e a c t i v ep o w e r o p t i m i z e - b a l a n c ea m o n gd e l a m i n a t i o a sa n ds u b a r e a e si nt h eh i g hv o l t a g el e v e l 晰t hm u l t i - c o n t r o l p a t t e r n s ，t h es y s t e mc a nr e a l i z et h ea n t i c i p a t ec o n h o la i m b a s e d0 1 1t h eo p e n - 2 0 0 0 ，t h i ss y s t e m c a t c h e st h es c a d a sr e a lt i m ed a t aa n dp a sn e t w o r kt o p o l o g yi m m e d i a t e l y , a f t e rt h ea n a l y s i sa n d c a l c u l a t i o n , i td e l i v e rt h ec o n t r o ld i c t a t e st ot h ef e sa u t o m a t i c a l l yt oc a r r yo u tt h ec l n s e dl o o p c o n t r o lv e r i t a b l y n i i ss y s t e mc a nn l a k es u r et h ea u t o - c o n t r o lo nt h es a f es i d e i td e v e l o p st h e s c a d a sf u n c t i o n s w i t ht h el o c a l et e s t , t h i ss y s t e mi ss t e a d ya n ds a f e , w h i c hh a sl a r g ee c o n o m i c b e n e f i t s i tc a l la l l e v i a t et h ea d m i n i s t r a t o r s w o r k i n gi n t e n s i o ne f f i c i e n t l y k e y w o r d sa r e ap o w e rs y s t e m s r e a c t i v eo p t i m i z a t i o n c l o s a d - l u e pc o n t r o l 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：慈盏 日期；! ! z ! ：，f 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。 一躲一名：缉一吵厂石 第一章绪论 第一章绪论 1 1 、课题的研究背景、目的和意义 电力系统及电力企业管理运行的基本目标是安全、优质、经济地向用户提供电能，电能 最重要的质量指标是电压，最重要的经济指标是网损“1 。电压质量对电力系统稳定运行、降 低线路损耗、保证工业和农业生产安全、提高产品质量、降低用电单耗等都有直接影响，而 降低电网损耗具有十分重大的经济意义。电力系统的无功补偿和调压手段，是保证电压质量 的基本条件“。改善、提高电压质量，必须紧紧抓住无功平衡和无功补偿这项基础工作。电 压优化调度与无功优化调度是一致的，网络各节点尽可能接近电压上限运行时网损自然降到 最低。由此可见，有效她控制和合理的无功补偿，不仅能保证电压质量，而且能提高电力系 统运行的稳定性和安全性，降低电网损耗，实现良好的经济效益。 电网无功优化控制是一个离散控制量( 电容器和变压器分接头) 、多约束的非线性优化 问题“”，大多数工作都是单独使用有载变压器分接头或电容器来分别控制主变压器和母线， 使得流经主变压器的无功潮流尽可能小以及母线二次测电压尽量维持在期望电压值的附近， 控制效果不理想，不能满足实时要求。 随着电网规模的日益扩大和负荷需求的增加，调度集控中心或变电站随着负荷波动对其 电压及无功的调节需求往往很频繁。如果运行值班人员单凭其运行经验和简单逻辑判断，人 工对变电站电压无功进行判断操作和干预，既增加值班员负担。又难以保证调节合理性。目 前在地区电网中己广泛使用的变电站无功电压控制装置v o c 叫，由于仅仅采集一个变电所的 运行参数，只能保证本站电压和功率合格，不能实现对全网范围内各变电所的电容器和有载 变压器分接挡位的协调控制，不能有效处理全网范围内的无功优化问题。同时，要在每一变 电所都安装v o c 装置，增加了设备的投资。随着变电站综合自动化能力提高及变电站无人值 班改造，大规模采用电压无功自动控制装置及软件已成为变电站改善电压质量和减轻运行人 员负担不可缺少的手段。1 。电网的发展迫切需要一种基于新型控制原理和实现方式的电压无 功优化自动控制系统的出现。 与此同时，我国地区电网运行的自动化水平近年来已得到很大的提高，调度自动化系统 s c l d a e m s 也己得到普及在现场运行中具有较高的可靠性和稳定性，s c a d a 的“四遥”功 能日趋完善。计算机技术迅速发展，利用计算机强大的数据存储和分析计算功能，借助调度 东南大学硕士学位论文 自动化系统的基础条件，通过软件实现电网的电压无功集中式实时闭环控制，是当前地区电 同电压无功优化控制问题的研究热点。本文拟开发这样一套针对于地区电网无功优化闭环控 制的系统，作为对无功优化问题在闭环控制方面的一个探索性的尝试。 1 2 、国内外无功优化的研究现状和发展 1 2 1 、无功优化的研究现状 无功优化是通过调整无功潮流分布来改善电网电压质量和减少网损的一种调控措施。它 一般以控制可投切电容器、有载调压变压器分接头和发电机机端电压作为调节手段，其中地 调和县调主要考虑控制可投切电容器和有载调压变压器分接头，省调以及网调增加考虑发电 机机端电压调解。无功优化应同时满足潮流方程的等式约束，控制变量的上、下限约束，母 线电压的上、下限约束，线路、变压器的容量约束等。 无功优化是最优潮流o p f “”。“1 的一个子问题，关于该问题的研究始于对最优潮 流的研究，已有几十年历史，相关文献甚多。相对于有功优化而言，无功优化更为复杂，电 压和无功之间具有非线性的耦合关系，二者的平衡状态必须用非线性方程描述，并且比较难 以用线性方程近似逼近。因此无功优化是一个多目标、高度非线性混合整数规划问题，在理 论算法上的研究一直就是一个难点。 现在对文献中有关无功优化控制的各种算法和研究进展进行分类综述如下： l 、按确定控制变量修正量方法的不同进行分类 根据确定控制变量修正量的方向和步长方法的不同，文献中的算法可以分为确定型算法 和非确定型算法两大类，前者要求目标函数和约束函数均有确定的数学表达式，并且具有一 定的光滑性，而后者则没有可微性要求。具体来说，有关算法可分为以下四类： ( 1 ) 、解析类算法 解析类算法的求解过程主要利用目标函数的阶、二阶导数的解析性质。早期文献借助 传统的非线性优化方法，比如用n e 叽o n 法”“1 、共轭梯度法“、变尺度法1 、二次规划” 等。该类算法根据特定方向如最陡或较陡的方向找到一个局部最优点，从而求解问题。有些 算法还在假设的基础上把原问题划分成几个子问题，对部分子问题采用线性规划的方法，对 另一部分子问题采用二次规划的方法来求解。总的来说，这类算法总是采用传统的线性规划 或非线性规划以及两者的结合，利用罚函数或拉格朗日函数处理约束，最终求得问题的最优 2 第一章绪论 解。 耳前，这类方法由于计算的快速性仍获得了人们的青睐，但是也存在着一些明显的缺点 “：简化梯度法不能保证收敛性，搜索步长难确定；牛顿法对不等式约束处理复杂；算 法求解的方程规模会随维数的增加迅速增大，很容易破坏矩阵的稀疏性，需要大量的分析工 作。最大的缺陷是解析类方法一般需要变量的连续性假设，不能满足控制变量为离散量的地 区电网控制的研究需要。在有些文献中对迭代过程或最后结果中的控制方案进行了归整处 理，这样就能满足整数约束，但容易产生误差，收敛性差，容易陷入局部最优解。 ( 2 ) 、启发式算法 启发式算法。“”是根据一定的知识和经验来决定搜索方向，从而获取较优控制方案的 一种方法。目前，在地区电网的调度中，往往采用些经验性的规则来调度或控制无功问题， 虽然没有太强的算法的支持，但也可以算是启发式方法的一种。还有一种利用灵敏度来给出 控制方案，建立相应的优化模型，采用线性规划等方法来求解无功优化问题的模式。 这类方法可以算作求解无功优化的一个合理方法。它们根据系统情况给出一个可操作的 优化结果及其依据，计算速度快。这种方法的主要缺陷是在求解过程中做了很多近似，计算 结果不能保证是否未为最优解。 ( 3 ) 、随机类算法 近年来一些基于人工智能的随机类算法，如人工神经网络、模拟退火“，t a b u 搜索 、模糊理论。“和遗传算法乜6 ”4 “等都被相继的引入到电力系统优化问题的研究中。 与解析法的确定性搜索方法不同，它们根据一种随机性的搜索原则，寻找最优解，按照一定 的概率收敛到优化问题的全局最优解。 这些算法的优点是可以更加有效的求解整数约束问题，并善于跳出局部最优的陷阱，求 出全局最优解或接近最优解。但是它们普遍的计算速度较慢，人工神经网络还需要大量的历 史数据进行训练。 ( 4 ) 、混合类算法 由于各种算法都只是对自然现象的一种粗略的近似，因而存在各种缺陷。现在越来越多 的实验表明，通过分析各种算法的自身特点，将不同算法进行合理的整合，弥补相互的不足， 发挥各自的优势，往往能取得更好的效果。混合类算法既能提高优化效果，又能节约搜索时 间，是今后无功优化算法的发展趋势。 这样的算法既利用了随机搜索的全局寻优能力，又利用了解析法的快速计算能力，可以 说是一种比较好的折中。由于涉及到多种算法，编程和调试较困难。 3 东南大学硕士学位论文 2 、按状态变量与控制变量解耦方式的不同进行分类 1 9 6 8 年，日本k y u s h u 电力公司首先在a g c 系统上增加了系统电压自动控制功能，这 可以看作是从全局的观点出发进行无功电压控制的第一步。在1 9 7 2 年国际大电网会议 ( c i g r e ) 上，b e r t i g n y 等人提出了在系统范围内实现协调性电压控制的必要性，详细介绍 了法国e d f “1 以。中枢母线”、“控制区域”为基础的分级协调的无功电压控制模式的电压控 制方案的结构，体现了这种解耦降维的思想。 e d f 分级协调的无功电压控制模式将控制分为三个级别：( 1 ) 一级电压控制：对瞬时的、 幅度较大的电压变化由发电机等无功电源的自动调控装置瞬时响应控制；( 2 ) - - 级电压控制： 当子区域中枢节点的电压偏离设定优化值一定程度时，对该子区域无功电源进行调整，使其 恢复到优化设定值，这个过程比较缓慢，大约需要3 分钟；( 3 ) 三级电压控制：对全系统 进行电压水平优化，在全局最优的条件下为各个子区域中枢节点设定电压优化值，优化周期 约半小时左右。这种时间和空间上的分布控制模式，已在法国、意大利、比利时等国家电力 系统得以实施，并取得了满意的控制效果和丰富的运行经验。 而目前在我国电力系统中，这种分级协调的体系没有完全建立。与e d f 一级电压控制相 对应的、基于厂站内部协调的控制模式( 变电站v q c 装置) 已经得到较为普遍的应用。这种 装置需要的所有信息来自本厂站，运行可靠，但在控制策略、处理运行方式变化和闭锁等方 面存在问题。与e d f 二级电压控制相对应的，基于厂站间协调的区域控制模式是当前的研究 热点，并已经取得了成功的应用实例。而与e d f 三级电压控制相对应的、基于全网优化的 全局控制模式，基本限于离线规划应用，实时控制基本没有实例。 3 ，按闭环控制系统实现方式的不同进行分类 闭环控制系统的实现方式就是控制系统形成控制策略后与目标控制设备的通信方式。按 实现方式的不同，可将闭环控制系统分为就地控制和集中控制以及两种模式之间的协调方式 三种模式“”。 ( 1 ) 、厂站v q c 就地控制式系统的实现方式 目前，厂站v o c 主要有三种实现方式： 1 ) ，变电站后台监控计算机软件v q c 。v q c 软件安装在变电站后台监控计算机中，是后 台监控系统的子模块，本身没有专用的i 0 单元，需借助于变电站综自系统进行数据采集与 控制。此种方式v q c 的参数设置简单，人机界面友好，调试方便。因为省去了专用的硬件设 备而降低了成本。v q c 的可靠性取决于阿络通信、i 0 单元和后台监控计算机的运行状况， 尤其是对后台监控计算机的可靠性要求特别高。 4 第一章绪论 2 ) 、变电站自动化系统网络v q c 装置。不带输入输出系统的独立工控机v q c 装置，利 用变电站自动化系统的网络与i o 单元实现数据的采集与控制。此种方式v q c 的参数设置简 单，人机界面友好，毋需单独敷设电缆，调试方便，调节与闭锁速度快。v q c 的可靠性取决 于网络通信、i o 单元和独立工控机哪装置的运行状况。 3 ) 、自带输入输出系统的独立v q c 装置。v q c 装置集i o 单元与分析判断于一身，有 关闭锁信号由相应装置的硬接点输入、所需测量量由自带的i o 单元采集。这种方式v q c 的调节速度快、可靠性高。但敷设电缆多、安装调试麻烦，变电站运行方式改变时不易扩充。 ( 2 ) 、集中式控制系统的实现方式 这种模式的系统以调度自动化系统s c a d a e m s 为基础，利用用户在e m s 中建立的电网模 型和s c a d a 采样的实时数据，进行无功电压优化分析计算，形成控制策略，最后通过s c a d a 的遥控遥调通道，实现对设备的闭环控制。 随着调度自动化系统在电网中的应用普及，以及其运行技术水平的不断提高，基于 s c a d a e 蟠的集中式控制系统已经具备了进行实时闭环控制的条件。此种方式几乎不需要增 加任何硬件投资。仅利用现有的软硬件资源，即可实现，系统投入运行后的运行维护方便， 配置灵活。但是易受远动通道的影响。 ( 3 ) 、分级协调式控制系统的实现方式 集中式的全局控制系统通过给厂站v q c 下发根据实时运行状态计算得到的整定值，来实 现两种方式的分级协调。由于目前厂站v q c 的网络通信功能尚不完善，且不同生产厂家的产 品也没有统一的标准接口，因此，在实际应用中此种方式存在较大困难。 1 2 2 、无功优化控制系统的发展概况 目前找国大部分地区电网的无功优化控制系统都处于开环控制水平，主要有基于变电站 v q c 装置的无功优化控制系统、基于s c a d a 主站系统的无功优化控制系统以及基于集控中心 的无功优化控制系统。 近年来用的最多的是安装于变电站端的当地v q c 软件或装置。它在变电站内部，依据九 区图原理，利用硬件或者软件来实现本站内的无功资源和电压调节设备的动作，比如并联电 容器的投切或者有载调压变压器分接头的调节。这种办法简单易行，可以保证一定的电压合 格率和功率因数。但是难以完全实现全网范围的无功电压最优控制。就单个厂站而言，提高 了电压合格率和电容利用率，但是在二级有载调压电网，会出现电压频繁调整，容易造成电 5 东南大学硕士学位论文 压调节不合理现象。而且如果新添变电站，还要同时增加相应的硬件或软件，投资较大。 基于s c a d a 主站系统的无功优化控制系统利用九区图原理和s c a d a 的数据采集系统将单 一厂站母线处的无功和电压数据采集到主站，依据软件给出相应的动作方案，然后利用 s c a d a 的遥控遥调接口将动作方案通过下行命令通道执行。该系统充分利用了s c a d a 的现有 功能，即使新增变电站也不需要增加新的无功电压控制设备，节省了开支。由于针对单一 厂站进行处理，不能实现全范围的无功电压协调控制。 以上二种无功控制系统存在着明显的缺陷和不足； 不能针对用电高峰时段和低谷时段的工况采用不同的控制策略。 不能在系统事故时及时更改控制方案，可能会加重事故的后果。 配电控制中心不能对各变电站的无功电压自控装置进行协调，有关运行工况不能 直接反映到配电控制中心。 各变电站都各装一套无功电压自控装置，总的投资以及日常的运行维护工作量都 会比较大。 无功电压装置只是在进线功率因数或二次侧电压越限时才动作。 控制设备频繁动作影响寿命，也增加了值班人员的劳动强度。 由于上述缺陷，近年来出现了基于集控中心的无功优化控制系统，该系统根据专家系统 基本思想，借助于集控中心的调度自动化系统的四遥功能，对区域电压无功进行调节。每个 控制器需要整个区域的电压无功动态信息，监控全区域的电压分布，根据控制策略发出改变 整个区域的电压无功控制指令。这种集中控制模式对调度自动化系统可靠性要求十分苛刻， 需要考虑足够的安全措施。 对地区电网实施无功优化闭环控制是地区电网无功调度发展的最高阶段。根据电力系统 无功分层分区平衡原则及调度特点，本文计划研究开发一套全网无功优化闭环控制软件a v c 系统，以适应电力系统运行的稳定性，安全性和经济性的需要。该系统依托于o p e n - 2 0 0 0 平台，将采集现有调度自动化s c a d a 系统的各节点电压、无功功率、有功功率等全网实时数 据，以地区电网网损最小、有载变压器分接开关档位调节次数最小为目标，以各节点电压合 格为约束条件，综合考虑负荷随时间变化的趋势进行优化处理。形成有载变压器分接开关档 位调节、无功补偿设备投切集中控制指令，借助于现有调度自动化系统的“四遥”功能，自 动控制地区电网内各厂站的无功电压，综合优化全网无功参数，达到无功分层就地平衡的目 的，全面改善和提高电压质量，降低线损，提高设备出力。a v c 将采用混合控制模式，采用 多种算法进行综合分析计算，保证系统的安全性和可靠性，摆脱控制系统对单一算法的依赖 6 第一章绪论 性和控制局限。 1 3 、系统支撑平台o p e n 一2 0 0 0 简介 无功优化闭环控制系统a v c 依托于国电南瑞公司自行研制的o p e n - 2 0 0 0 平台，是e 搬 高级应用软件p a s 的一个分支。有了0 p e n - 2 0 0 0 平台的支持特别是圈模库一体化技术的使用， a v c 系统可以方便的共享s c a d a e 惦的实时数据信息和p a s 网络拓扑结构，对全网的电压无 功进行综合分析计算，根据相应的控制策略得出调压控制方案，再将控制指令通过s c a d a 传递给f e s 前置机下发执行，实现真正闭环控制。因此o p e n - 2 0 0 0 平台是a v c 的根本支柱， 在系统论述之前，需要先了解一下0 p e n - 2 0 0 0 平台的基本知识。 i 3 1 、体系结构 平台与应用的层次划分 早期的调度自动化系统实际上都是s c a d a 系统，o p e n - 2 0 0 0 系统率先在国产系统中提出 了支撑平台的概念，在此平台上即可集成e 惦系统的s c a d a 、a g c 、p a s 、d t s 等应用，又可 以支撑d k s 、张姒p 等实时系统。支撑平台与应用之间有着清晰的层次划分，s c a d a 作为一 个应用功能模块不再是系统的核心，支撑平台始终以所有应用的需求为重点，实现对各应用 的全面公平服务。 从系统运行的体系结构看，o p e n - 2 0 0 0 平台由硬件层，操作系统层、支撑平台层和应用 层共四个层次。硬件层包括a l p h a 、i b m 、s u n 、l i p 和p c 等硬件设备；操作系统包括u n i x 、 i b ma i x 、s u ns o l a r i s 、职一i 】) 【、l i n u x 和各种w i n d o w s 操作系统；支撑平台是整个体系结 构的核心，包括集成总线层、数据总线层和公共服务层。 瘦客户机辟服务器体系结构机制 逻辑上的分布对象结构允许软件模块在机器设备上任意部署，在物理结构上有两种典型 的软件部署方法：( 1 ) 在服务器上运行数据库和各种应用软件，在工作站上运行人机接口软 件，为了加快数据传输效率，在工作站上再运行数据库父本和应用软件，这种方式为胖客户 端。( 2 ) 在服务器上运行数据库和各种应用软件，在工作站上只运行人机接口软件，不运行 数据库和应用，这种方式为瘦客户端。胖客户端方式网络负荷较轻，系统灵活性差，一般采 用瘦客户端的方式增加系统灵活性，充分利用设备资源。 o p e n - 2 0 0 0 系统由数据库服务器、各应用服务器以及工作站组成多服务器、多层次的c s 7 东南大学硕士学位论文 结构，严格区分服务器与工作站的地位和功能，做到瘦客户机胖服务器。只有应用服务器 上有相关应用的实时数据库，而工作站上不再有相关应用的实时数据库，只是运行一些界面 程序，所需的都是根据具体的应用决定访问相应的应用服务器。o p e n - 2 0 0 0 的c s 结构还拓 展了传统的c s 概念，不仅做到了各客户端共享服务器上的数据信息，还做到了各客户端可 以互不干扰地进行独立研究。这种c s 结构给用户带来了投资上的便利，工作站配置要求不 高，可以轻易的扩大系统的部署范围。 基于c o r b a 的分布式组件结构 在电网调度中心，为了保证电网的安全优质经济运行，需要同时运行多个应用系统，每 个系统同时包括可多个应用，这些系统或应用之间都存在着信息共享和功能交互方面的需 求，需要一套定义良好的标准化接口方式来保证各应用之间的正确、高效交互以及第三方软 件即插即用。 i e c 6 1 9 7 0 正是在这样的背景下制定的控制中心各应用系统的接口标准，它将组件技术 作为调度自动化系统集成、异构和互操作的基础，使得控制中心软件能够即插即用，彻底解 决各系统或应用之间的接口问题，最大限度地降低成本。该标准使得各游离状态的系统或应 用能集成到一个相对统一紧密的集成系统中，用户原有系统继续运行，新的应用软件即插即 用，第三方软件方便的接入，最大程度的保护用户资源。 i e c 6 1 9 7 0 标准没有对使用何种组件技术做出规定，它所支持的组件技术包括o m g 的 c o r b a 、s u n 的e b ( e n t e r p r i s el a v a b e a n s ) 以及m i c r o s o f t 的d c o m 等，由于c o r b a 比e b 有着明显的多种编程语言支持优势而且比d c o m 有着明显的跨平台优势，支持异构系统，可 利用遗留系统资源，所以o p e n - 2 0 0 0 采用c o r b a 组件技术构件系统集成框架。 o p e n - 2 0 0 0 将所有应用模块与平台服务均设计为组件，组件的接口符合i e c 6 1 9 7 0 标准 规范，挂接在集成总线之上。通过符合i e c 6 1 9 7 0 标准接口的方式，集成总线既可以支持与 第三方独立系统的集成，也支持第三方应用集成到本系统，同时作用于系统各内部组件的集 成，从而将各种组件有机地集成到一起构成整个系统。这种基于组件技术的方法支持对象组 件重用，合理利用资源，便于修改，维护和移植。系统的集成度高。 1 3 2 、技术重点 c i m 标准模型 i e c 6 1 9 7 0 系列标准是国内外调度自动化技术长期经验的总结和理论提升，分为导则、 8 第一章绪论 基本要求、术语、c i m 和两种级别的c i s 五个部分。导则和基本要求部分提出了一个用来描 绘控制中心b m sa p i 问题的参考模型；术语部分列出标准中用到的术语和定义：c i m 分为三 个部分，3 0 1 是c i m 的基本部分，3 0 2 是c i m 用于能量计划、检修和财务的部分，3 0 3 是c i m 用于s c a d a 的部分；c i s 部分为两个级别，第四部分是对c i s 接口的详细描述，第五部分是 c i s 接口映射到c o r b a 、d c o i ( 、j a v a 、c + + 、c 和) 眦。等具体计算机技术后的描述。目前c i s 的内容还在不断完善当中。 i e c 6 1 9 7 0c i m 的3 0 1 部分作为国家标准向全国电力系统推行，对于c i i ( 的遵循方式由 内标准方式和外标准方式两种。o p e n - 2 0 0 0 的数据库模型是遵循i e c 6 1 9 7 0c i m 的内标准方 式，避免了内部表示与标准不同而导致的系统接口上的信息转换工作，对于系统程序的标准 化、和第三方软件的兼容性或互通性是一个本质的飞跃。o p e n - 2 0 0 0 提供直接的c i m 捌l 接 口，如果第三方软件能够基于i e c 6 1 9 7 0 标准实现，通过c i m x m l 的方式，既可以交换电网 模型的描述信息，也可以用于传送遥信、遥测数据断面。 跨平台技术 o p e n - 2 0 0 0 平台在国内率先支持s u n 、a l p h a 、i b m 等主流u n i x 操作系统，并支持u n i x 服务器与p c 机的混合使用，是真正的跨平台、混合平台系统。在前台界面、后台进程等的 实现上也都考虑了跨平台特性。这种跨平台功能给用户带来的好处是显而易见的：既可以按 照自己的资金情况对服务器和工作站进行优化选型，又可以方便的扩容升级，不需要将所有 服务器同时更换平台，节约改造成本。 多上下文技术与c a s e 管理 o p e n - 2 0 0 0 的支撑平台从设计上保证了对多态、多应用的多上下文支持。系统运行同时 支持实时态、培训态和研究态等多个状态，不同状态下的相同应用使用相同的进程，不同状 态下用户看到的都是统一一致的功能逻辑与界面。 为了使多上下文支持下的“回顾过去”功能真正达到方便、实用，o p e n - 2 0 0 0 的支撑平 台提供了完善的c a s e 管理功能，包括c a s e 保存的自动与手动触发、存储管理、检索、一致 性与完整性检验等各个方面。c a s e 保存的内容包括多种类型，系统模型的c a s e 包括系统的 电阿模型、参数以及图形文件等，达到完整反映某一时刻电网模型的目的；运行方式的c a s e 则包括运行方式的所有数据；动态事件的c a s e 则保存了某一段时间内发生的所有事件。各 个应用根据具体要求，实现c a s e 的保存和调用，存什么数据、装载到什么态，装载到什么 应用、装载到那个c a s e 、装载全部或部分数据等等，完全由应用决定。 图模库一体化技术 o 东南大学硕士学位论文 o p e n - 2 0 0 0 的一个重要特色就是独创的图模库一体化技术，推出了按照面向对象的方法 设计的基于c i m 的图库一体化技术，提供了一套先进的图形制导工具，图形和数据库录入一 体化，作图的同时可以在图形上录入数据库，使作图和录入数据一次完成，自动建立图形上 的设备和数据库中的数据对应关系，便于快速生成系统。图模库一体化技术可以根据连接图 上的连接关系自动建立整个电网的网络拓扑关系，大大简化了e 峪系统的工程化工作和维护 工作，而且保证了维护工作的正确性，避免人为错误，保证图形、模型、数据库的一致性， 减少建模和建库时间。 高可靠的冗余技术 高可靠、高性能的冗余技术是o p e n 一2 0 0 0 的一个重要特征，它将基本的双机热备技术扩 展到多机热备技术及冷各自启技术，大大提高系统的可靠性指标，在配制适当的情况下，只 要系统还有一台服务器能正常运转，系统就能正常运转。不仅是系统配置上的对于多系统的 周密考虑，在实时运行过程中，o p e n - 2 0 0 0 对于数据库中的电网模型、图形，实时数据、历 史数据等都设计了健全的数据同步机制，从而保证主系统到后备系统的自动同步，后备系统 随时都能接替主系统投入生产运行。 1 3 3 、实时数据库 实时数据库管理在内存缓冲区中电力系统运行的实时数据，以提高系统的响应速度和处 理能力。原始的数据模型存于商用库，各应用服务器( 逻辑上) 实时库中的数据从商用库中 下装，下装后即可为其他客户端提供数据访问服务。实时数据库实体仅在逻辑应用服务端分 布，逻辑客户端没有实时库；实时库采用磁盘文件映射的内存管理机制实现，并支持多应用， 多上下文( 多态) 。实时数据库提供各种访问接口，包括本地接口与网络接口。同时实时数 据库的功能还包括模型数据的同步和全网实时数据的同步。 i 3 4 、人机界面 o p e n - 2 0 0 0 系统基于图模库一体化技术，使得人机界面简单易懂，信息交互方便易行。 采用专门的图形编辑器进行制图，图形联库和节点入库是该图形编辑器最重要的功能之一。 图形联库使图元与数据库相联，作图的同时在图形上录入数据库，实现图模库一体化；保证 图形上所有图元都联库以后，通过节点入库操作自动建立图形上的设备和数据库中的数据对 应关系，快速生成电力网络的电气连接关系，是高级应用软件中拓扑分析的基础。 1 0 第一章绪论 1 3 5 、s c a d a 简介 实时监控子系统s c a d a 是构架在o p e n - 2 0 0 0 统一支撑平台上的最基本应用，接受前置子 系统f e s 送来的实时数据，实现完整地、高性能的实时数据监控与处理，为e i l s 其它应用提 供可靠的数据服务。由s c a d a 提供的开关信息和量测数据是网络分析数据的总来源，是整个 网络分析应用软件的基础。 传统的s c a d a 是完全面向测点的，系统里所有功能也是围绕测点的，没有设备的概念， 对于测点间的关系难以高效地处理，加载高级应用模块式需要建立设备与测点问的对应关 系，工作非常繁琐，容易出错。o p e n - 2 0 0 0 对于s c a d a 的概念升级为面向设备，所有的定义 都以设备( 如开关、刀闸、母线、线路等) 为基础，测点只是设备的属性。所有应用都是面 向设备的，操作方便易行。 s c a d a 以实时数据库为中心，将实时数据、计算统计数据和操作数据保存至实时库，通 过数据采样和数据下装于商用库进行数据联系。s c a d a 与f e s 通过支撑平台的消息总线交互 数据，按照功能及类型划分为四类数据通道； 上行实时数据通道，输送遥测、遥信及遥脉数据： 上行控制数据通道，输送遥控、遥调返回信息； 下行实时数据通道，提出实时数据召唤请求： 下行控制数据通道，输送遥控、遥调请求数据。 客户机与s c a d a 子系统主要通过c o r b a 中间件及消息总线交互数据。其中消息总线方式 划分为操作数据通道和变化数据通道两类。 1 3 6 、网络建模 网络建模是p a s 的基础模块。通过网络建模，将电网各元件的电气连接关系填入p a s 网络数据库。电网元件的电气连接关系是应用软件进行网络分析计算的基础，必须使所建的 模型和实际的运行方式相一致，才能保证应用软件结果的正确性。 在网络建模前，需要整理s c a d a 遥测数据的极性，保证全网统一，不同站之问不应有不 用的定义。网络建模工作分两部分进行： 网络参数的录库电网中任意一种元件( 厂站、发电机、变压器、线路，负荷、 开关刀闸、母线等) 都要将其设备信息录入商用数据库中，并规定该设备的所属 东南大学硕士学位论文 应用。 网络设备连接关系的填库就是平时所说的节点入库。新增加一厂站或改动一厂 站( 网络结构有变化) ，都要将这些厂站的接线图在作图软件包中按s c a d a 、p a s 、 d t s 三个应用分别填库。在库中形成电气连接。 1 3 7 、与e m s 的一体化设计 a y c 作为e m s 系统的一个应用，与e 晒平台一体化设计，数据漉无缝衔接并共享人机界 面，维护方便，操作简单，大大减轻维护工作量。它从p a s 网络建模获取控制模型、从s c a d a 获取实时采集数据并进行在线分析和计算，对电网内各变电所的有载调压装置和无功补偿设 备进行集中监视、统一管理和在线控制，实现全网无功电压优化控制闭环运行a v c 一体化 设计具有以下优点； 1 ) 网络建模及参数验证自动完成，共享s c a d m e g s 数据库，无需另外进行大量数据录 入、编辑工作，只需维护一套数据库，并且数据录入、编辑接口即e 惦系统数据库工具，无 需重新