（机械工程专业论文）本钢电网调度自动化系统改造的可行性研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 电网调度自动化系统是确保电网经济、安全、优质发电、供电，提高电网调度管理 水平的重要手段之一。它是现代电网调度管理的重要组成部分，是电力系统管理现代化 的基础。电网调度自动化是一门涉及系统工程、运筹学、计算机、数据通信、以及电网 一、二次设备等多学科的综合技术。 本文阐述了电网调度自动化系统在电力系统管理工作中的地位、作用及构成，回顾 了其产生与发展的历史，展望了电网调度自动化系统未来的发展方向。通过详细分析了 冶金企业与国家电力企业在电网调度管理上的异同点，针对本钢即将实施的电网调度自 动化改造进行了可行性研究，在对现有技术文献进行大量分析和对现有技术进行充分研 究后，提出了在冶金企业中实现电网调度自动化系统改造的具体方案，并对拟采用的方 案的技术路线的可行性进行了科学论证。文中着重根据本钢电网的实际情况，通过分析 现有电网调度自动化系统的特点及当前电网调度自动化系统的缺陷，提出了利用 s c a d a p a s 一体化模型构建本钢电网调度自动化系统全网互联的整体设计方案并重点设 计了主站系统，同时还提出了本钢电网调度自动化系统的安全防护措施。 关键词：电网调度自动化；主站；网络化；安全防护 本钢电网调度自动化系统改造的可行性研究 f e a s i b i l i t ys t u d yo nr e t r o f i to fd i s p a t c h i n ga u t o m a t i o ns y s t e mo f p o w e rn e t w o r ki nb e n - s t e e l a b s t r a c t d i s p a t c h i n ga u t o m a t i o ns y s t e mo f p o w e rn e t w o r ki so n eo f t h ei m p o r t a n tw a y st oa s s u r e t h es a f e t yo fp o w e rn e t w o r k , t og e n e r a t ea n d _ s u p p l yi nh i g hq u a l i t ya n de c o n o m y , a n d i m p r o v et h em a n a g e m e n tl e v e lo ft h ed i s p a t c h i n gs y s t e mo fp o w e rn e t w o r k d i s p a t c h i n g a u t o m a t i o no f p o w e rn e t w o r ki sav i t a lc o m p o s i t ep a r to f d i s p a t c h i n ga u t o m a t i o nm a n a g e m e n t o f p o w e rn e t w o r k , a n di ti sa l s ot h eb a s eo f m o d e m a u t o m a t i o nm a n a g e m e ms y s t e mo f p o w e r n e t w o r k d i s p a t c h i n ga u t o m a t i o no fp o w e rn e t w o r ki sac o m p r e h e n s i v et e c h n o l o g y , w h i c h r e f e r st os y s t e me n g i n e e r i n g , o p e r a t i o n a lr e s e a r c h , c o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o ns y s t e m , a n d o n c eo rt w i c ef a c i l i t i e si ne l e c t r i cp o w e rn e t w o r k , e t c i nt h i sp a p e r , t h e 剐a t i l s f u n c t i o na n dt h ec o m p o s i t i o no f d i s p a t c h i n ga u t o m a t i o ns y s t e m o fp o w e rn e t w o r ki nm a n a g e m e mo fe l e c t r i cs y s t e ma e x p o u n d e d , a n di 忸d e v e l o p m e n t h i s t o r yi s 砌b a c ko v e r , t h ed e v e l o p m e n tp r o s p e c to fi ti sa l s of o r e c a s t e d t h ef e a s i b i l i t y s t u d yo nt h er e t r o f i to fd i s p a t c h i n ga u t o m a t i o ns y s t e mo fp o w e rn e t w o r ki nb e n - s t e e li s c a r r i e do nt h r o u g ha n a l y z i n gt h es i m i l a r i t i e sa n dd i 岱e r c n c e sb e t w e o nt h e m e t a l l m g y e n t e r p r i s e a n dt h en a t i o n a le l e c t r i cp o w e re s t a b l i s h m e n t t h es p e c i f i os c h e m eo f r e c o n s t r u c t i n gd i s p a t c h i n ga u t o m a t i o ns y s t e mo fp o w e rn e t w o r ki nm e t a l l u r g ye n t e r p r i s ei s a d v a n c e d ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo f t e c h n i c a lr o u t ea d o p t e di nt h es c h e m ei sd e m o u s 舰t e d , w h i c h m - eb a s e do na n a l y z i n gt h er e f e r e n c ea n ds t u d y i n gt h et e c h n o l o g yi np o s s e s s i o ni nd e t a i l t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dl i m i t a t i o no f p r e s e n td i s p a t c h i n ga u t o m a t i o ns y s t e m o fp o w e rn e t w o r k , t h ew h o l ed e s i g ns c h e m eo l lm a k i n gt h ew h o l ed i s p a t c h i n ga u t o m a t i o n s y s t e mo fp o w e rn e t w o r ki nb e n - s t c e ln e t w o r ki s s e tu pb ym a k i n gu s eo fam o d e lo f i n t e g r a t e ds c a d a p a ss y s t e m a n dt h ep r i m a r yd e s i g ni sf o c u so nt h em a s t e rs t a t i o ns y s t e m , a n dt h es a f e t y p r o t e c t i o nm e a s u r e sa l ep u tf o r w a r di nt h ew h o l es c h e m e k e yw o r d s ：p o w e rd i s p a t c h i n ga u t o m a t i o n ；m a s t e rs t a t i o n ；n e t w o r k e d ；s a f e t y p r o t e c t i o n h 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均邑在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期：立型口a 本钢电网调度自动化系统改造的可行性研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连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，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名 导师签名 乏丝年丝月2 日 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 绪论 1 1 我国的电网现行调度管理体制 1 1 1 五级调度分工 根据我国电力系统的实际情况和电力工业体制，电网调度指挥系统分为国家级总调 度( 简称国调) 、大区级调度( 简称网调) 、省级调度( 简称省调) 和地区级调度( 简称地调) 四级“1 。近年来，随着乡镇企业和农村经济的蓬勃发展，广大农村地区用电负荷急剧增 长，己有数百个由大电网延伸供电的县级电力网，主变总容量达到或接近5 0 2 0 0 m w 。 现在国家已经明确规定增加县级调度，形成了五级调度分工协调进行指挥控制的电力 系统运行体制，如图1 1 所示： a 4 4 * 自m m - - _ m m 图1 1 我国电力系统分层调度控制图 f i g 1 1c h a r t o f e l e c t r i c p o w e rs y s t e m 埘e r i n s c o n t r o l s i n o u r c o t u m y 1 1 2 分级( 调度) 控制的特点 电力系统调度控制可分为集中调度控制和分层调度控制。集中调度控制就是电力系 统内所有发电厂和变电站的信息都集中到一个中央调度控制中心，由中央调度控制中心 本钢电网调度自动化系统改造的可行性研究 统一来完成整个电力系统调度控制的任务。在电力工业发展的初期阶段，集中调度控制 曾经发挥了它的重要作用。但是随着电力系统规模的不断扩大，集中调度控制暴露出了 许多不足，如运行不经济、技术难度大及可靠性不高等，这种调度机制已不能满足现代 电力系统的发展需要。 为了解决集中调度控制的缺点和不足，现代大型电力系统普遍采用了分层调度控 制。国际电工委员会标准( m c 6 0 8 7 0 1 - 1 ) 提出了典型分层结构，将电力系统调度中心 分为主调度中心( m c c ) 、区域调度中心( r c c ) ，地区调度中心( d c c ) 。分层调 度控制将整个电力系统的监控任务分配给属于不同层次的调度中心，较低级别的调度中 心负责采集实时数据并控制当地设备，只有涉及到全网性的信息才向上一级调度中心传 送，上级调度中心作出的决策以控制命令的形式下发给下级调度中心。与集中调度控制 相比，主要有以下几方面的特点啪： 便于协调调度控制。 提高系统可靠性。 改善系统响应。 1 2 国内外技术现状及发展趋势 电力系统自动化技术沿着元件一局部子系统( 岛) 一管理系统的道路发展。理论 发展可以分为3 个阶段：6 0 年代以前处于经典理论阶段；七八十年代注入了控制论，形 成了以计算机为基础的现代理论阶段；9 0 年代以后注入经济理论，而到达电力市场理论 阶段旧。 电力系统自动化主要技术进步表现在：4 0 年代将数据展现在模拟盘上，增强了调度 员对实际系统运行变化的感知能力；5 0 年代自动发电控制( a g c ) 将调度员从频繁的 操作中解脱出来，并在5 0 年代中期提出了电网调度自动化系统概念，标志着现代电网 调度自动化的开始；6 0 年代初，有些电力公司利用数字计算机实现电力系统经济调度， 开始了计算机在电力调度中的应用。在1 9 6 5 年美国东北部大停电后，多数电力公司意 识到依靠远动装置在模拟盘上显示信息的方式已远不能满足复杂电网安全运行的要求， 开始考虑把计算机系统的应用从以经济为主转移至以安全为主。出现了所谓电网 $ c a d a 系统。这是电网调度自动化形成系统的一个台阶，具有代表性的系统是美国b p a 的迪特茂调度中心阍，这一阶段延续至7 0 年代。电网自动调频和有功功率经济分配的装 置和自动调节系统不再独立存在，而是以a o c e d c 软件包的形式和s c a d a 系统结合， 成为s c a d a a g c - - e d c 系统，这是s c a d a 系统出现后的电网调度自动化系统中第一 次功能综合。电力公司在6 0 年代末提出了用s c a d a 采集的实时信息对电力系统的扰 2 大连理工大学专业学位硕士学位论文 动( 开关操作、事故跳闸) 进行在线快速分析计算，用以解决电网运行方式的在线研究 和事故跳闸后果的预测。从7 0 年代初开始，为了解决由于电网不可观察( s c a d a 采集 的数据存在误差、通道可能中断、r t u 可能停运等) 带来的潮流计算不收敛( 在离线电 力系统计算时不会遇到) 。，发展了各种基础算法，开发了网络拓扑、外部网络等值、超 短期母线负荷预计、状态估计等一系列软件，建立可计算的所谓可观察区，将s c a d a 系统采集到的有误差的“生数据”转变成潮流计算收敛的“熟数据”，建立了熟数据库。 在这一基础上开发了调度员在线潮流、开断仿真和校正控制等所谓电网高级应用软件 ( p a s ) 。p a s 投运后，电网运行方式的改变以及当前运行方式下遇到大扰动时的后果 就可以通过p a s 自动预报。网络熟数据库的建立，为各种电力系统的优化软件，如线 损修正、无功优化、最优潮流等的开发提供了条件。自从p a s 综合到电网调度自动化 系统，形成了s c a d a ，a g d _ e d c i a s 系统后，电网调度自动化系统就从s c a d a 系统 升级为能量管理系统( e m s ) 。p a s 工程化后，在线调度员培训方针器( d t s ) 得到了 发展，再综合到e m s 中，根据d 也队c o 的统计，1 9 8 5 年后各国投运的e m s 中有4 0 包含了d t s 。随着计算机技术、控制技术、通信技术和电力电子技术的不断发展，“电 力系统自动化”无论其内涵或外延都发生了巨大的变化。如今电力系统已经成为一个 o c c p e 的统一体，即计算机( c o m p u t e r ) 、控制( c o n t r o l ) 、通信 ( c o m m r n i c a m o n ) 和电力电子( p o w e r e l e c 的n i c s ) 的产生、输送、分配装 置以及电力电子装置。根据等强度的概念，自动化设备所占的投资比例虽然不大，但其 重要性与主设备同等嗍。而且先进的自动装置不仅可以改善一次主设备的运行状况，提 高其运行效率，甚至可以推迟或避免新建一些主设备，节省数额可观的一次设备投资。 1 3 问题的提出及选题意义 随着我国经济的高速发展，电网的电压等级和复杂程度也大大提高，对电网调度自 动化系统的可靠性、安全性、经济性和可用性提出了越来越高的要求。近年来，国家电 网各级调度己逐步完成了电网调度自动化的改造，而作为用电大户的钢铁企业，其内部 电网的电网调度自动化改造却相对滞后，与钢铁行业这几年的快速发展不相适应，己不 能满足企业进一步发展的需要。所以，对钢铁企业内部电网进行电网调度自动化改造势 在必行。 本钢是拥有百年历史的国有特大型钢铁企业，2 0 0 5 年生铁产量6 5 3 5 万吨，钢产量 6 5 0 7 万吨，钢材产量5 5 4 5 万吨。生产总用电量为3 9 8 x 1 0 9k w h ，其中工源厂区用电 量为3 3 4 x 1 0 9k w h ，自备电厂发电量为1 5 4 x 1 0 9k w h ，全年需外购电量为2 4 9 x i 0 9 k w h 。在本钢的“十一五”规划完成后，本钢将发展成为年产生铁1 2 3 0 万吨、钢1 3 6 0 3 本钢电网调度自动化系统改造的可行性研究 万吨、商品材1 2 7 5 万吨的特大型钢铁企业，自发电供电能力为2 8 0 m w ，由电力系统供 给的有功计算负荷为8 5 0 m w 。近几年来本钢将主要技改资金投向了钢铁主业，提升了 炼铁、炼钢、连轧、冷轧等主线单位的设备水平和管理水平，为本钢建成精品板材基地 打下了良好的基础。相比之下，本钢电网无论从设备水平和管理水平来看都远远落后于 钢铁主业的发展，各级电网调度的管理水平处于原始落后状态，只能凭借一块离线运行 的模拟屏和电话来了解电网运行情况。由于下情不能及时上达，经常会出现延误事故处 理、扩大事故面的情况，对电网运行进行经济调度则更难以实现。为此，本钢决定对内 部电网实施电网调度自动化的改造，一期预算投资1 6 0 0 万元，预计投产时间为2 0 0 7 年 1 2 月，现正处于调研及可行性论证阶段。若能对本钢电网进行深入系统的调查研究，在 参考国内外电网调度自动化发展方向的基础上，从本钢电网的实际出发，认真考虑本钢 的发展需要，对本钢即将实施的电网调度自动化改造项目进行规划设计，则可为该项目 的实施提供参考依据，对本钢的加速发展具有重要的现实意义，同时也能为尚未实施电 网调度自动化改造的其他冶金企业提供借鉴。 由于本钢电网调度自动化改造将主要围绕作者所在的本钢生产部动力调度室和供 电厂调度室进行，所以此项目实施后，将能极大地改善本钢各级电网调度指挥的原始落 后局面，预期可达到： 调度人员对电网中的设备进行实时监控，制定合理的检修计划保证安全、优质供电。 对用电负荷进行正确预测，合理安排发电计划，实现电网经济调度。 当事故发生时，能够及时确定事故原因及事故点，及时切断故障点，保证电网安全 稳定运行。 1 4 本文的主要工作 本文分析了在冶金企业与国家电力部门中实施电网调度自动化的异同点并参考了 国内外电网调度自动化的发展方向，在此基础上，根据本钢电网的实际情况，从工程实 际出发对本钢将要实施的电网调度自动化改造进行了规划设计，提出了网络化的整体设 计方案并进行了可行性研究。研究的主要内容包括： 利用国际上正在推行的i e c 6 1 8 5 0 标准对厂站端进行设计。 电力调度数据网的数据传输采用i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 4 规约，并为将来过渡到i e c 6 1 8 5 0 标 准做好准备。 主站端采用公司动力调度供电厂调度集成化的设计方案。 提出了本钢电网调度自动化系统安全防护的设计方案。 4 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 电网调度自动化概论 2 1 电网调度自动化技术的发展现状的分析 电网调度自动化大致经历了三个发展阶段：在发展初期，电力系统的运行大都是依 靠运行人员的直接监视和手工操作来进行，调度中心不能及时了解和掌握厂站及线路的 运行状态，也不能对厂站进行直接控制，只能通过电话来收集相关数据并进行调度控制。 发生事故时，也是通过电话进行处理。显然，这种方式远远不能达到电网运行实时性的 要求。 第二个阶段是远动技术的采用。为了提高供电的可靠性和运行的经济性，电力系统 逐步由孤立的区域性电力系统发展成跨地区的电力系统网。这样，就需要一个统一管理 和指挥整个电力系统的机构，称作电力系统调度中心。通信技术的发展促进了远动装置 的广泛应用，使得调度中心和发电厂、变电站之间可以通过“四遥”( 即遥测、遥信、 遥控、遥调) 采集各种运行参数以及开关状态，通过远动通道传给调度中心，增加了对 电网的实时了解。通过遥调和遥控，调度中心对某些开关进行投入和切除操作。 第三个阶段是计算机技术在电力系统调度工作中的应用，这使得调度自动化跃上一 个新的台阶。在计算机参与调度的初始阶段，计算机与相应的远动及通信设备组成了调 度系统，主要用来完成电力系统运行状态的监视、远距离开关操作、自动发电控制及经 济运行等功能，一般把这样的系统称为数据采集和监视控制系统( s c a d a ) m 。 从6 0 年代开始，数字计算机开始用于电力系统的经济调度( e d c ) ，电力系统自动 监视和控制问题得到了更多的研究，并取得了显著的经济效益。电力系统自动控制系统 如图2 1 所示： 电力系统 调度计算机 图2 。1 电力系统自动控制系统示意图 f i g 2 1d i a g r a m m a t i cs k e t c ho f t h ea u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mi np o w e rs y s t e m 5 本钢电网调度自动化系统改造的可行性研究 在s c a d a 功能基础上增加了安全分析和安全控制功能以及其他调度管理和计划管理 功能，称为能量管理系统( e m s ) 。利用这样功能齐全，性能先进的调度系统，调度人 员可以进行分析判断和调度决策脚。 现在，随着电力系统装机容量和供电地域的不断扩大，电力系统的结构和运行方式 越来越复杂多交，同时对电能质量、供电可靠性和运行经济性的要求也越来越高。电力 系统调度的任务越来越繁重，这就出现了电网调度综合自动化阶段。 2 2 我国电网调度自动化的应用现状的分析 5 0 年代，远动技术由苏联传入我国，许多供电局的3 5 1 1 0 k v 变电站撤了人，由调度 所或基地站进行远方监视或控制。后因种种原因，除郑州电业局等极少数企业在技术条 件很差的情况下，部分变电站仍坚持无人值班外，大都停止了这种尝试“”。 我国电网调度自动化正式起步于7 0 年代中期。经过努力，第一套计算机监控的电网 在线监控与调度自动化系统于1 9 7 8 年8 月在华北京津唐电网投入运行。到8 0 年代初，全 国已有2 5 个网、省、地调实现了具有信息采集、屏幕显示、故障告警、制表打印功能的 国产计算机电网监控系统。 从8 0 年代中期到9 0 年代初，国内的科研院所相继开发了许多适合我国国情的调度 自动化产品。全国3 1 个网、省调全部配备了电网调度自动化系统。我国电网调度自动 化系统的开发和应用逐步赶上国际8 0 年代初、中期的水平1 1 。 9 0 年代，国际上出现了开放式、分布式e m s 系统。在设计上采用分布式系统结构， 遵循通用的标准，结构灵活，扩充方便，可以集成多家产品，打破了传统集中式系统受 硬件厂商垄断和制约的缺点蚴。我国电科院、南自所等单位也开发出具有自主版权的开 放式、分布式s c a d a e m s 系统( c c - 2 0 0 0 、r d - 8 0 0 、s d 6 0 0 0 、o p e n - 2 0 0 0 等) ，标 志着我国s c a d a e m s 的开发应用已经步入了国际水平的行列。 2 3 电网调度自动化的地位和作用 电网调度自动化是为了保证电力系统安全、优质、经济地运行和向用户提供可靠性 高、质量好、价格合理的电能。可以说，电网调度自动化是现代电力系统的一个显著的 特点，要控制和管理一个现代大型电力系统，使之安全、优质和经济地运行，没有电网 调度自动化是很困难的。 首先，被控对象复杂而庞大。任何地方的故障都有可能影响和涉及到整个电力系统 的稳定和安全，造成大面积的停电事故。 其次，电力系统的控制参数很多，而且整个电力系统用户用电是随机的，用电量也 是变化的“”。所以，要提高供电质量，就需要随时监控许多参数来不断控制和调整电力 6 大连理工大学专业学位硕士学位论文 系统发电机组和无功补偿设备发出的有功和无功功率，来满足整个电网的有功、无功平 衡。 最后，干扰严重也是电力系统难以稳定运行的主要原因。扰动的同时会伴随被控对 象结构的变化，从而大大增加了控制的复杂程度。 总之，为了保证电力系统安全、优质、经济地运行，依靠人工监视和操作已不能达 到要求，必须借助于先进的自动控制理论和设备才能实现。可以说，没有电网调度自动 化，电力系统基本运行要求也就无法实现。 2 4 电网调度自动化的特性的研究 随着调度自动化系统应用的不断深入，并结合以新的计算机技术所能提供的巨大潜 能，使得用户已不再满足一般的控制应用，而是对系统有了更高的要求，这些要求集中 表现在： 开放性：系统遵循公认的开放性标准，方便系统维护、扩充和升级。 安全性：系统结构科学合理，能满足长时间连续稳定可靠运行的要求，保证数据的 完整性和一致性，防止来自系统自身的意外或人为的误操作。 先进性；采用先进的硬件设备和成熟的软件方案。 * 功能完备性：系统功能全面，除包括基本的s c a d a 功能外，还应包括部分或全部的 能量管理配电管理( e m s d m s ) 功能。 实时性；满足调度对实时性的要求。 实用性：详细了解用户需求，有效提高工作效率。 易用性：用户界面标准化，简捷直观，使用户易学、易维护“”。 2 5 电网调度自动化的任务和功能的研究 电力系统调度的任务是控制整个电力系统的运行方式，使电力系统在正常状态下能 满足安全、优质和经济运行的基本要求，即在缺电状态下能做好负荷管理，合理分配电 能；在事故状态下能迅速定位、清除障碍和尽快恢复正常供电“”。 电网调度自动化的任务是利用计算机技术、远动技术和通信技术，实现电力系统调 度管理自动化，帮助调度人员完成复杂的调度任务o ”电网调度自动化的功能包括；数 据采集；数据处理；采用数字式微机保护与自控装置；安全监控与操作闭锁；事件记录 处理；报警处理；事故报告；人机联系；r t u 功能。 7 本钢电网调度自动化系统改造的可行性研究 2 6 电网调度自动化的总体结构 电网调度自动化系统可分为以下四个子系统：信息采集及控制命令子系统；信息传 输子系统；信息管理子系统；人机联系子系统。而信息采集子系统和信息传输子系统是 保证各项功能实现的基础，是基础自动化部分“”调度自动化系统的主要设备有远方终 端装置( i 删) 、通信设备及调度主机( 微机系统) 等。电网调度自动化系统结构图如 下图2 2 所示： 图2 2 电网调度自动化系统结构图 f i g 2 2s t r u c t u r a ld i a g r a mo f d i s p a t c h i n ga u t o m a t i o ns y s t e mo f e l e c t r i cp o w e r 2 6 1 调度自动化系统体系结构的发展 电网调度自动化系统的发展已经经历三代，可以归纳为主机终端结构、客户服务 器结构、功能分布式网络化结构“日。 ( 1 ) 主机终端结构 早期的调度自动化系统体系结构由于受计算机技术发展的限制，只是由一台计算机 主机和远端的多个计算机终端在低速通信信道上进行数据通信；用远程终端收集站端的 实时数据，并通过简单的通信协议传送到主机；由于通信信道和系统设备的不可靠性， 极少使用遥控和遥调功能，只是完成简单的数据采集和监视控制任务。 ( 2 ) 客户服务器结构 随着计算机技术、通信技术和电力电子技术的发展，电力调度自动化系统体系结构 也产生了根本的变化，发展成为客户服务器结构，典型结构如图2 3 所示： s 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图2 3 客户服务器结构图 f i g 2 3c h a r t o f t h ec l i e n t s e i v e ra r c h i t e c t u r e 目前，大部分电网调度自动化系统仍在使用这样的结构。前置机主要负责与远端r t u 的通信，将r t u 送来的实时数据广播到调度端网络，为调度自动化系统实时应用程序及 时提供原始数据；接收调度命令，并传送到r t u 。数据服务器主要按一定算法保存实时 数据，形成历史数据库，为调度自动化系统应用程序提供原始数据，便于日后分析。各 类工作站完成电网调度自动化系统正常运行的维护工作。 通信信道是电网调度自动化系统数据通信的物理媒体，该阶段的通信通道主要以话 路载波、电力线载波、微波通信为主，数据信号通过调制解调在话音线路上传输。数据 传输速率多为6 0 0 b p s 。有些具有s d h 通道的厂站，可以通过s d h 的2 m h z 接口通过光纤 传输数据，但其数据通信仍保持端设备的瓶颈速率。 站端子系统是以r t u 为核心的数据采集与控制系统。r t u 以微处理器作为处理核心， 经历了从集中式到分散式的发展过程。早期的r t u 为集中式r t u ，仅有一个含c p u 的智 能模块，统一对遥测、遥信、遥控、遥调等模块进行控制。随着电力调度自动化的发展， 现代的r t u 是一个以微处理器为核心的具有多输入多输出通道，功能齐全的计算机系 统，使得r t u 有更大的容量和更丰富的功能。使用现场总线作为厂站内部r t u 与数据采 集与控制系统之间的数据通信通路构成分散式测控系统，是这一时期比较优秀的解决方 案。我国变电站内应用较多的有c a n 、p r o f i b u s 、l o n w o r k s 以及传统的r s 4 8 5 等。 ( 3 ) 功能分布式网络化结构 “功能分布”强调的是各测控设备( 以及各种保护设备) 的功能相对独立，是 i e c 6 0 8 7 0 1 中提出的智能电子设备l e d 的概念。i e d 设备可以独立地完成各自的任务， 也可以作为服务器和客户与系统中的其他资源实现共享。 9 本钢电网调度自动化系统改造的可行性研究 “网络化”强调系统整体结构的网络化，不仅是在调度中心，调度中心到发电厂、 变电站或发电厂、变电站内部，而且是将调度中心、发电厂、变电站整体形成一个统一 的网络化结构，在整个电网调度自动化系统内实现信息交换和资源的共享。“网络化” 有两个概念：一是不同层次的调度中心主站间的连接；另一方面是主站与直属电厂和变 电站群控中心间的远程通信。第二种概念指出了未来电网调度自动化系统的发展目标一 网络化。本钢电网调度自动化系统改造拟选用功能分布式网络化的体系结构。 2 6 2 系统硬件结构的研究 系统硬件的组成如图2 4 所示： 龅j 拌站ll 髓殷髓1 怍站ii s c d a 擞务器il s c d a 服务嚣fi 维护r 作站fl 培珊i 埘站 筒一 卜匝受酬 葫南 取以走坶 s c d a 薯 路出器 广域i q 图2 4 系统硬件拓扑分布结构图 f i g 2 4c o n f i g u r a t i o nd i a g r a mo f t o p o l o g yd i s t r i b u t i o ni nh a r d w a r es y s t e m 2 6 3 系统软件结构的研究 调度自动化的核心s c a d a 系统的软件结构如图2 5 所示“”，其中s c a d a 的核心 是实时数据库，要实现数据采集与监控，要求数据库系统具有实时高效性。 1 0 大连理工大学专业学位硕士学位论文 图2 5 系统软件结构图 f i g 2 5c o 曲g u r a t i o nd i a g r a mo f t h es o r w a r e i ns y s t e m 当前电网调度自动化系统的缺点是监控系统( s c a d a ) 和高级应用软件( p a s ) 作 为两个独立系统出现，不符合物理实际。这种模式的缺陷在发展过程中越来越突出，即 p a s 不能充分利用s c a d a 系统中的数据，两个系统的接口也不是很好，很难实现资源 共享。针对目前电网调度自动化的缺点，s c a d a p a s 一体化系统作为一个完整的 e m s 是一个很好的解决方案，但关键问题是需建立一套统一系统建模方法，而面向设 备的建模则是一种很好的解决方案。传统的s c a d a 系统一般面向r t u 和测点建模， 简单、容易接受，但数据的组织不符合物理实际，开放性差，很难被进一步开发利用。”。 一体化系统提出了面向设备的建模方式，即s c a d a 中的遥测、遥信等参数与p a s 设备 的电气参数都作为设备参数在建立设备模型时同时建立。基于设备建模的另一优越性是 在建立设备库的同时由程序自动生成量测库，并且以设备为单元进行存储。数据的存储 结构更趋合理，并且因为s c a d a 实时数据作为设备的一种属性存在，所以使得p a s 与s c a d a 之间不存在数据接口，实现s c a d a p a s 无缝集成。另外，外部系统也可通 过设备来获取实时系统的所有数据，数据开放性大大提高。 2 7 能量管理系统( e m s ) 的研究 能量管理系统( e m s ) 是现代电网调度自动化系统的总称，是s c a d a 系统的扩充， 其基础部分包括：s c a d a 、自动发电控制与计划( a g c ) 、网络分析、调度员培训模 拟( d t s ) 、配电自动化( d a ) 等几个部分。e m s 主要针对发电和输电系统，配电管理 系统( d m s ) 主要针对配电和用电系统，用于1 0 k v 以下的电网嘲。 本钢电网调度自动化系统改造的可行性研究 2 7 1e m s 总体结构的研究 e m $ 总体结构主要由六个部分组成：计算机、操作系统、支持系统、数据收集、 能量管理( 发电控制和发电计划) 和网络分析。前三部分是实现e m s 的基础，后三部 分称为e m s 应用软件。 ( 1 ) 数据收集 数据收集的任务是实时收集电力系统数据并监视其状态。数据收集是e m s 与电力 系统联系的总接口，为能量管理和网络分析提供实时数据；e m s 通过它向电力系统发 送控制信号；网络分析可以向它返回量测质量信息。 ( 2 ) 能量管理 能量管理的特点是利用电力系统总体信息( 频率、时差、机组功率、联络线功率等) 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。能量管理的实时型应用 软件是实时发电控制r t g e n ( r e a lt i m eg e n e r a t i o nc o n t r 0 1 ) ，主要实现a g c 功能。 能量管理包括从s c a d a 取频率、时差、机组功率和联络线功率等实时数据，向s c a d a 输送机组的控制信息；向网络分析输送系统负荷和发电计划，取回机组和联络线交接功 率点的网损修正系数及机组考虑线路功率约束的安全限制值。 ( 3 ) 网络分析 网络分析的特点是利用电力系统全面信息( 母线电压和角度) 进行分析与决策，主 要目标是提高运行的安全性，这一应用软件使e m s 的决策能做到安全性与经济性的统一。 网络分析包括从s c a d a 取实时量测值和开关状态信息，向s c a d a 送量测质量信息； 从能量管理取负荷预测值和发电计划值，向能量管理输送网络修正系数和机组安全限制 值。调度员培训模拟也属网络分析研究型高级应用软件，它以研究方式或实时数据为出 发点，按照规定的教案( 事件序列) 培训调度员。它是在已有的数据收集、发电控制和 潮流应用软件基础上增加动态模拟和教案系统而形成的，除培 j i l # y ，还可作为分析工具 使用。 2 7 2e m s 体系结构的发展 e m s 对计算机的需求主要表现在三个方面：( 1 ) 人机交互能力；( 2 ) 复杂运算能力( 高 级应用软件) ；( 3 ) 通信能力( 内部和外部) 。 人机交互负载最重的情况出现在电力系统扰动期间，3 0 6 0 s 内就可能收到几百条 告警信息，紧接着频繁地调用画面以处理故障应用软件对计算机的需求列入表2 1 。 随着分布式系统和开放式系统的出现，计算机的内部和外部通信量急剧上升卿。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 e m s 对计算机的要求是可靠性、速度、容量和可扩充性，e m s 的硬件体系结构即 指所用计算机的体系结构，它是沿着集中式一分布式一开放式的道路发展。 ( 1 ) 集中式计算机体系结构 集中式硬件体系结构的特点是所有处理任务由2 台( 或多台) 计算机纵向分担，实 施方案分为双主机配置、前置机配置、多机配置。 ( 2 ) 分布式计算机体系结构 采用前置机或多机配置将不同的任务分配给不同的处理机去执行，导致分布式计算 机系统的出现。分布式结构采用通信系统将多处理机连接在一起，各处理机分担e m s 不同的功能，并共享输入输出处理器及外部设备。分布式结构的操作系统是针对整个计 算机系统设计的。 ( 3 ) 开放式计算机体系结构 开放式计算机体系结构是在分布式计算机结构的基础上发展起来的，其差别在于逐 步实现软件上的独立，是e m s 技术当前发展的方向。 本钢电网调度自动化系统改造的可行性研究 3s c a d a 系统的研究 3 1s c a d a 系统的特点 s c a d a 系统，即数据采集与监视控制系统，是电网调度自动化的核心。在电力系统 中又称远动系统。s c a d a 系统是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，它 可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量，参数调节 以及各类信号报警等各项功能。它作为能量管理系统( e m s ) 的一个最主要的子系统， 已经成为电网调度管理不可缺少的工具。它对提高电网运行的可靠性、安全性与经济效 益，减轻调度员的负担，实现电网调度自动化与现代化，提高调度管理的效率和水平方 面有着不可替代的作用。s c a d a 应用是整个e m s 系统的基础和重要组成部分，而数据处 理和控制部分能否稳定运行直接决定整个系统的性能。 s c a d a 系统处理部分包括： s c a d a 数据处理； s c a d a 数据计算； 数据存储； s o e 处理： 报警事项处理； 事故追忆处理； s c 仰a 复制数据库更新； 通知服务； s c a d a 数据库访问服务； 快照保存加载。 s c a d a 系统应用控制部分包括： 控制服务器：控制服务器处理所有的控制请求、完成调度员指令； s c a d a 命令语言：执行s c a d a 命令脚本，向控制服务器发送指令。 s c a d a 系统应用功能包括： 数据采集及处理； 事件处理及报警； 统一时钟与对时； 事件顺序记录( s o e ) ； 事故追忆和追忆再现( p d r ) ； 统计和计算； 1 4 大连理工大学专业学位硕士学位论文 遥控遥调； a c - c 功能( 网省调功能) ； 拓扑着色： 历史数据存档保存及查询； 报表生成及打印； 打印管理； 电量采集与计费； 调度自动化系统运行监视及在线维护； 调度管理子系统； 远程诊断与维护； 系统测试； 大屏幕投影模拟盘驱动接口； w e b 发布系统： 与m i s 接口； 3 2s c a d a 硬件系统功能的研究 数据收集的硬件组成主要包括；现场远程量测终端、传输信道和主站计算机三大部 分。 3 2 1 远程量测终端 我国当前使用的是布线式数字远动装置和微机远动装置两种，其主要功能如下皿帕： 收集现场( 发电厂和变电站) 的量测量( 遥测) 和状态量( 遥信) ，接收主站( 调 度中心) 命令对现场设备进行控制。 采集数据进行简单处理，如：量测量死区比较、状态量变位比较、数字滤波、越限 报告等。 与主站通信，进行通信规约处理，将数据传送到主站，接收主站下达的数据。 数据传送分为两种方式：一是应主站要求的直接报告方式；二是在量测量变化( 超 过死区) 或状态量变位时的例外报告方式。当前数据收集按两种形式进行；一是循环式， 即现场发送端循环不断地将数据送给主站的接收端，需独占信道；二是应答式，由主站 依次查询远程终端有无信息发送，几台远程终端可共用信道。 本钢电网调度自动化系统改造的可行性研究 3 2 2 传输信道 传输信道是指信号传送时所经过的通道，有狭义与广义之别。狭义信道也称传输媒 体，分为有线和无线两类。架空线、同轴电缆等属前者，磁自传输空间属后者。广义信 道包括调制信道和编码信道，当前常用的载波属调制信道，微波属编码信道。信道中存 在着噪声和干扰，通常以信噪比和误码率反映其质量。另外信道的可靠性十分重要，主 要信道应考虑备用，并实现监视与切换。 3 2 3 主站计算机 主站计算机分为集中式系统配置和分布式系统配置两种。 集中式系统配置如图3 1 所示： 至匦 _ _ 至亟遁口 图3 1 集中式系统配置图 f i 9 3 1c o n f i g u r a t i o nd i a g r a mo f t h ec e n t r a ls y s t e m 主机和前置机均为双机系统主备配置，通过软硬件实现自动和人工切换，通过双机 通信实现主机与备用机的信息同步。远程通信，普通外部设备和彩色显示器等则通过切 换装置与主机相连。 连接前置机总线的智能接口与远程终端通信，并可以通过当地终端装置( r t u ) 驱 动模拟盘，系统标准时间信息也可通过此接口传送到主机。主机与前置机通过局域网互 联，集中式系统弱点也随着电力系统规模的进一步扩大而暴露出来，主要是主机负担重， 处理速度慢和不便于扩充，因此被随后出现的分布式系统结构所取代。 分布式系统配置如图3 2 所示：