（电力系统及其自动化专业论文）基于prony算法scada系统动态信息的压缩传输.pdf

a b s t r a c t t h es t a b i l i t ya n ds e c u r eo p e r a t i o no fe l e c t r i cp o w e ra r ep a r a m o u n ti nt h e n a t i o n a le c o n o m ya n ds o c i a ll i f e p o w e rg r i dd i s p a t c ha u t o m a t i o ns y s t e mi s a n i m p o r t a n tt o o lt oe n s u r es t a b l ea n ds e c u r eo p e r a t i o no fe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m a s a ni m p o r t a n tc o m p o n e n 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 m ，p o w e rg r i dd i s p a t c h a u t o m a t i o ns y s t e ma sae s s e n t i a ls y s t e mf o rn e t w o r kc o n t r o lc e n t e ra u t o m a t i o n s y s t e mi sa l r e a d yp l a y i n gt h e i n f l u e n t i a lr o l ei nm a c r o e c o n o m i cr e g u l a t i o na n d p r o t e c t i o no ft h en o r m a lo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m t h es c a d as y s t e ma sp a r to f d i s p a t c ha u t o m a t i o ns y s t e mi si n d e l i b l yf u n c t i o n i n gi nt h ee n t i r ee l e c t r i c a ln e t w o r k s i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n dt h ec o n t r o lc e n t e ri s s u i n go r d e rt r a n s m i s s i o n t h e r e f o r e ， t h es t u d yo fs c a d as y s t e mi nt h et r a n s m i s s i o no fd y n a m i ci n f o r m a t i o nh a so b v i o u s v a l u ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h ep r o je c t i tf i r s t l yi n t r o d u c e st h ef u n c t i o no ft h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e md i s p a t c h ，t h e s c a d a s y s t e m sd e v e l o p m e n ta n dc h a r a c t e r i s t i c ，t h ec o r r e l a t i o nt e c h n i q u ea n dt h e d o m a i na p p l i c a t i o nw i t ht h ep r e s e n tp o w e rg r i dc o m m u n i c a t i o ni na r t i c l e s e c o n d l y ，i nt h es c a d as y s t e m sd y n a m i c i n f o r m a t i o n st r a n s m i s s i o n ，i t i n t r o d u c e st h ep r o n ya l g o r i t h mc o m p r e s s i o nt r a n s m i s s i o n ，w h i c he l a b o r a t e st h e p r o n ya l g o r i t h mb a s i cp r i n c i p l ea n dt h ea p p l i c a t i o nm e t h o di nd e t a i l ，e x p l a i n st h e m e t h o do ft h a tu s e st h ep r o n ya l g o r i t h mt of i t t i n gf a u l ts i g n a l i ts e p a r a t e l ys h o w s t h es i g n a ls a m p l i n gf r e q u e n c y ，m o d e lo r d e r ，d a t al e n g t ho ft h em a i np a r a m e t e r ss u c h a st h ec h o i c eo fs t r a t e g y ，a n dc a r r i e so nt h ea n a l y s i st ot h e s ep a r a m e t e rc h o i c e s s r a t i o n a l i t y t h e n ，o nc o n t r a s to ft h ef o u r i e rt r a n s f o r m a t i o na n dt h ew a v e l e ta n a l y s i s ， i ts u m m a r i z e st h a tt h ep r o n ya l g o r i t h mi st os u i tt h ee l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mo n l i n e a n a l y s i s t h ep r o n ya l g o r i t h mi si m p r o v e do nn o i s ei n t e r f e r e n c e t h eo m i s s i o no f r e l e v a n te r r o rc o e f f i c i e n ti se n h a n c e d ，w h e nt h ee r r o ri sc o n s i d e ri nt h ea l g o r i t h m a n dt h eu s eo fi t e r a t i v ea l g o r i t h m st or e d u c et h ec a l c u l a t i o no ft h ed a t a t h e s i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ei m p r o v e dm e t h o dh a sad e n o i s i n gc a p a b i l i t y ，i m p r o v e st h e s i g n a ln o i s er a t i oa n dr e d u c e st h en o i s ei m p a c to nt h ep r o n ya n a l y s i s f i n a l l y ，t h r o u g h t h eu s eo ft r a d i t i o n a l p r o n y m e t h o da n di n s t a n t a n e o u s f r e q u e n c ye x t r a c t i o n ，u s i n gm a t l a ba n dp o w e rs y s t e ma n a l y s i ss o f t w a r ep a c k a g e ( p s a s p ) t oc a r r yo u ts i m u l a t e da n a l y s i si nr e a l i t ys c e n e b yt h ec o n t r a s ta p p r a i s i n g e v a l u a t i n gi n d i c a t o ra f t e r t h es c a d as y s t e m sd y n a m i ci n f o r m a t i o ns i m u l a t i o n i i c o n f i r m e d ，i th a st h en o i s es t r o n g l yr e s t r a i n e d ，t h ee r r o ri ss m a l la n dt h ec o u n t i n g r a t es p e e d i l y ，w h i c hi sa b l et os a t i s f yo n l i n ei d e n t i f i c a t i o no fe l e c t r i cs y s t e mn e e d t h i sc u r v ef i t t i n gm e t h o dc a nf i tt h ee l e c t r i c a ln e t w o r kd y n a m i cd a t aa c c u r a t e l yt h a t d is p a t c h e sc a nq u i c k l yju d g et h ee l e c t r i c a ln e t w o r kr u n n i n gs t a t u sa c c o r d i n gt ot h e r e s t r u c t u r i n gd a t a k e yw o r d s ：p o w e rg r i dd i s p a t c ha u t o m a t i o n ；s c a d as y s t e m ；p o w e rg r i d c o m m u n i c a t i o n ；p r o n ya l g o r i t h m ；d e n o i s i n g ； e v a l u a t i n g i n d i c a t o r i i i 长沙理工大学 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。 作者张虱蕊弋 魄年5 月乎日 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。本人授权长沙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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密幽， ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名：2 蔺蔚众 e 1 期：曲i 口年。月p 日 日期：勿，o 年 j ，月夕日 1 1 背景和意义 第一章引言 近年来，网络通信技术的飞速发展使得电力系统的调度自动化和变电站自动 化等多个领域对其越来越依赖，这在带来一系列好处的同时也带来了一些新的问 题。如在调度自动化系统中，虽然目前调度数据网已大量采用光纤通信，通信网 络的性能较以前有了质的飞跃，但数据采集与监视控制系统( s c a d a ： s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n ) 还是不能显示电网的动态情况。调度人 员既无法在线快捷地发现电网的低频振荡现象，也不能根据扰动后电网动态判断 系统是在失去稳定还是过渡到新的稳定运行状态；在数字变电站中，由电子式 互感器测量的电流、电压等数据经过电网通信网络传输给继电保护和变电站自动 化装置【2 】，一方面使得继电保护和变电站自动化装置中的数据采集模块成为共享 数据，这样既可以降低成本，又减少模拟信号传输引入的干扰；但另一方面，数 据测量和传输环节变得更加复杂，各类异常都可能使得继电保护因接收到错误的 电流、电压等信息而产生误动。 随着劳动生产率的发展，电力系统运行可靠性不断提高，减人增效不断扩大， 电力系统在全国范围内加快了变电站无人值班化建设，而且取得了很大成效。但 通过无人值班改造和建设也面临一些困难和挑战，比如：s c a d a 系统采集的变 电站信息大量增加，误发信息出现比原来更加频繁，给正常运行监控带来很大麻 烦【3 】；在变电站无人值守后，对电网的调度安全性和可靠性要求更高，对异常信 号处理要求更准确及时，因此特别需要强大的告警功能和完善的监视功能【4 j ；此 外，无人值守变电站新的管理模式，对调度自动化s c a d a 系统功能提出了新的 要求。 本文利用现有s c a d a 系统传输电网动态过程的方法，使其能够提高数据传 输的准确性，避免继电保护因为接受到虚假测量数据而误动；帮助电网调度运行 人员准确及时掌握系统动态信息；在保证能量管理系统( e m s ：e n e r g y m a n a g e m e n ts y s t e m ) 系统稳定运行的基础上，对s c a d a 功能做一些可行性的扩 展和研究，从而实现新的应用；通过对s c a d a 系统应用扩展，并不断满足运行 管理的需求，将对保证电网的安全稳定有积极的作用。在网络通信技术已广泛用 于电力系统的今天，本课题研究对保障电网安全稳定运行具有重要的实现意义与 价值。 1 2 国内外进展现状 上世纪5 0 年代，在电网调度自动化技术的初期，为解决电网的工况监视和 电网频率调整等情况，电网远动技术和自动调频技术才开始发展和应用 5 1 。当时 主要的注意力集中在通过电网自动调频装置维持电网频率恒定和实现电网经济 运行优化上。而s c a d a 系统在6 0 年代美国纽约大停电以后开始得到发展和普 及，它通过安装在厂站侧的远程终端单元( r t u ：r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 将反应电 网运行状态的遥信和遥测量反馈到s c a d a 基站，对不正常状态报警，帮助调度 运行人员正确掌握和及时跟踪、调整电网运行状态【6 】。目f j 我国在国调、网调和 省调调度系统均已配备了电网调度自动化系统，并实现一次主接系统全联。此时 的调度自动化水平比以前有了更明显提高和增长，尤其是各个厂站的基础设施的 跟新和管理优化。s c a d a 系统在为电网调度自动化系统提供的准确实时信息方 面起到重大作用。 在s c a d a 系统出现后，发电机组及传输线的电压波动、有功功率和无功功 率等遥信、遥脉、遥测均可信号已由s c a d a 系统采集。调度中心向各电厂发电 机组、二次保护装置等发调节命令的功能也已由s c a d a 系统的遥控、遥调功能 覆盖【7j 。目前，s c a d a 系统己成为电网调度运行必不可少的工具，得到广泛普 及应用。 为满足社会经济发展和人民生活的需要，现代电网结构日趋复杂，容量不断 扩大，实时信息传送量成倍增多，对电网调度自动化系统的数据通信提出了更高 的要求。随着计算机技术、网络技术和通讯技术的发展，在数据通信上的应用将 成为s c a d a 系统内部以及控制中心的主要内容。 随着光电技术在传感器应用领域的突破，国际标准通信协议i e c6 18 5 0 的统 一制定哺j 和以太网通信技术的应用，以及智能综合自动化的发展，使得电网调度 自动化系统面临一个崭新的舞台，s c a d a 系统也得到突飞猛进的发展。 最近几年来，由于光纤通信和数字综合自动化得到大量的使用，通信条件得 到极大地改善，它的信道承载能力也明显提高，使得s c a d a 系统状态刷新时间 间隔逐渐减低 9 1 。但s c a d a 系统发送数据还是以现阶段的每个数据刷新周期发 送前一周期断面上的电网运行状态信息【l0 | ，这样使得数据传输不准确。因此采 用新的算法研究s c a d a 系统数据通信具有较大的实际意义。 1 3 相关问题研究 随着s c a d a 系统在电力系统越来越广泛地运用，系统动态数据信息的采 集、传输等已成各个层面日益关心的问题。相应的技术也不断地发展，文献 1 1 ，1 2 】 中结合了短程无线通信技术、g p r s 无线通信技术和电地理信息系统，以及应用 2 组件技术，使遥视系统中的视频数据直观显示，实现了s c a d a 系统全部采用无 线通信方式，使得系统应用更加灵活，成本降低。在软件应用中，文献【1 3 15 】 根据调度自动化系统的特点，选择合适的软件可靠性参数，运用不同模型及参数 估计方法分析了对s c a d a 系统的失效数据，找出适合s c a d a 系统软件可靠性 评估的模型及方法。通过这些技术和软件开发，实现组件技术进行封装功能，改 进了s c a d a 系统监视模式、数据存储和处理方式处理动态监视的相关问题。 s c a d a 系统在其它领域也已得到普及应用。在国内能源领域中，文献 16 】 说明了虚拟仪器控制在能源控制领域旱的应用前景，对工业中起到良好的推进和 引用作用；在电力系统中，文献【17 19 根据电网的实际情况，结合通信系统方案 和配电网s c a d a 系统所需的各项功能，确定了配电自动化系统模式和馈线自动 化方案。检测电网出现的振荡所产生波动，对系统的动态行为从不同的角度进 行监视和控制 2 0 , 2 1 】，确保电力系统的安全运行。 p r o n y 算法用于s c a d a 系统信息的压缩，它作为一种数值计算方法，至 今以来开始在电力系统中得到一些应用。该算法能够很好的提取系统振荡的 主导特征根，来判断系统的稳定情况，但也存在对噪声要求的缺陷。根据文 献f 2 2 2 4 采用模式的不同，针对噪声和非平稳信号对算法的影响，进行数据预 处理。在矩阵运算中的可靠性分析下，对分析低频振荡信号的选择和病态方程求 解，然后对模型有效阶数确定和相应参数的估计进行改进。而文献【2 5 基于实测 数据，提出通过迭代算法以提高基于p r o n y 分析的互联系统振荡幅度的精度。这 些改进方法通过算例仿真验证了该算法具有噪声抑制能力强、系统定阶性能好等 特点，能有效提高电网暂态响应的模式识别和电网降阶线性模型的精度。 p r o n y 算法改进也常常出现。文献【2 6 ，2 7 利用一个稳态工频分量和若干按 指数规律衰减的非周期分量和高频分量拟合故障信号，准确地提取基频稳态分量 与暂态分量，改变幅频特性对低频信号的识别。而文献【2 8 】则论述线性代数方 程组的一种端口逆矩阵并行解法，分析该方法的并行效率和特点，并在对小干扰 线性化增广雅可比矩阵结构进行详细分析的基础上，将端口逆矩阵法运用到各种 特征值并行算法中，解决仿真中的并行实现问题。通过这些方法的改进，使得在 电力系统中可根据信号的强弱能力，拟合后采用特殊方法判断故障位置【2 引。 因而使继电保护动作速度大为提高为准确分析快速继电保护的暂态动作行为、 开发新型超高速保护装置。而且在多个振荡频率中，文献【3 0 3 1 】其振荡频率约为 这两个振荡频率的差值，因而p r o n y 分析在电力系统低频振荡具有可行性。 p r o n y 算法应用于电力系统表现在：文献【3 2 3 3 】对接地短路进行模拟，采 用p r o n y 算法仿真，提取特征值判断稳定情况，优化典型故障保护系统。对 于闪电冲击信号，文献【3 4 通过算法拟合，判断信号的特性，对去除高频信 号和显示衰减能力有良好的应用能力。通过p r o n y 算法辨识，文献 3 5 3 7 采 用电气阻尼分析各发电机组的振荡模式，得出对抑制发电机组次同步振荡的作用 效果明显，解决弱互联系统中的区域联络线的低频振荡问题。 1 4 本文主要工作 长期以来人们一直为抑制系统区域间振荡时的相对频率的测量而困扰。调度 人员常采用判断信号特征矢量的方法，可以方便地抑制域内机组间振荡或区域间 振荡，也有利于他们进行故障后过程的干预处理，增强调度员防止事故扩大或连 锁发展的能力。但是信道传输出来的信号常常受到各种电磁干扰，使得数据常常 失真，靠主观判断振荡的动态情况是行不通，因此需要一种有效的方法运用于 s c a d a 系统信道传输中。 近年来，数据压缩技术在电力系统故障录波、电能质量和光谱测量等传输和 储存中得到了大量应用。数据压缩技术可分为无损压缩和有损压缩两大类。由于 要求不丢失信息，无损压缩的压缩比一般只有5 倍左右，如对s c a d a 系统数据 4 秒的刷新周期，每10 毫秒一个数据点而言，采用无损压缩需要传输8 0 个数据， 故不能满足要求。有损压缩中，基于小波分析的数据压缩在电力系统应用最多 1 3 8 1 ，但是由于电网动态过程经常是以斜坡的形式缓慢变化，其特征信号不确定， 而进行小波变换会产生许多附加的幅值诸多系数，无法达到数据压缩的效果 3 9 1 ， 故不能应用于s c a d a 的动态数据压缩。 本文采用基于p r o n y 算法的有损压缩用于数据压缩的方法，在r t u 侧从电 网动态过程等间隔地提取测量数据特征以降低对信息通道的要求，在调度中心利 用p r o n y 算法根据接收到的抽样测量数据重构系统动态。根据典型算例四机两区 域系统与w e p r i3 6 节点进行的仿真表明，在电网发生短路故障情况下，采用 p r o n y 拟合、重构动态数据，r t u 侧电压、有功功率、电流等真实数据相关性好， 误差低，能基本满足调度运行的要求。 主要的工作有：利用电力系统仿真程序( p s a s p ：p o w e rs y s t e ma n a l y s i s s o f t w a r ep a c k a g e ) 进行实际电网的暂态仿真，建立模型；再对不同s c a d a 数据 压缩方法进行仿真分析，确定可用的s c a d a 动态数据压缩传输方法体系；然后 利用短路故障进行仿真，收集仿真后的数据，记录并记录电网各处电压、有功功 率、电流等数据及故障特征分量分布。最后根据压缩技术效果评价指标，采用不 同模式下的生成的曲线与原曲线相比，可得出比较满意的模式。 4 第二章s c a d a 系统 随着电力系统向大机组、大电网和超高压、远距离的方向发展，电力系统的 规模日益扩大，这必然对电网运行的经济性和安全性提出更高的要求。保证电力 系统运行的安全性和经济性需要对电网进行有效的监视和控制，以及能量管理系 统满足电网稳态监视、控制的需求。但是电网动态过程的有效监视控制的手段上， 仍然需要通过通信系统传输信息也是调度自动化系统的核心部分【40 1 。在调度自 动化系统中，各个领域随着技术的发展取得了重大的突破。通信技术、g p s 技 术以及电力系统动态电量测量和在线参数辨识等相关技术的发展已经给实现电 力系统动态监视和控制创造了必要的条件，并且相应的进入到实用阶段。 2 1 电网调度自动化系统 当前系统会有越来越多的异地监控和分责任区监控的需求，如远程操作组、 远程监控中心等，如何使这样的系统搭建得灵活、可靠，又能更好地满足业务应 用需求，取决于系统平台的优劣。电网调度自动化系统是以计算机技术为基础的 现代电力综合自动化系统，主要用于大区级电网和省、市级电网调度中心【4 ， 主要为电网调度管理人员提供电网各种实时的信息( 包括频率、发电机功率、线 路功率、母线电压等) ，并对电网进行调度决策管理和控制，保证电网安全运行， 提高电网质量和改善电网运行的经济性。 随着电力自动化系统产品实用化的推进，生产监控、调度、指挥、管理类的 自动化应用需求日益实用化。应用的复杂化使数据源头要求多样化，数据源的种 类多样化、与各地区系统的互联复杂化，在中间往往还夹带着中国特色的管理性 质的内容。 控制中心间的信息交互已经从以往单纯的转发，向分布式的网络传播进行转 化。信息的流向不再是单点单向的，而转变为多点多向的。对分布式的网络多级 控制中心间互连依赖大大加强，新一代的系统必须具备良好的接入能力。 各个子系统功能( s c a d a e m s 、配电管理系统( d m s ：d i s t r i b u t i o n m a n a g e m e n ts y s t e m ) 、电能计量系统( t m r ：t e l em e t e rr e a d i n gs y s t e m ) 等) 的 扩展和增加【4 2 1 ，而且它们之间的信息耦合越来越紧密，信息交换和共享越来越 通用化，交互方式日趋网络化，交互信息同趋标准化，交互内容实时性越来越高。 2 1 1 电网调度自动化系统的组成 一般电网调度自动化系统由硬件平台、操作系统平台、e m s d m s 支撑平台、 电力系统基本应用和电力高级应用软件等组成。电网调度自动化系统其基本结 构包括控制中心、主站系统、厂站端( r t u ) 和信息通道三大部分。根据所完成功 能的不同，可以将此系统划分为信息采集和命令执行子系统、信息传输予系统、 信息的收集、处理和控制子系统以及人机联系子系统【4 ”。 电网调度自动化系统主要包括：数据采集和控制( s c a d a ) 、自动发电控制 ( a g c ：a u t o m a t i cg e n e r a t i o n ) 、经济调度运行( e d c ：e c o n o r n i ed i s p a t c hc o n t r 0 1 ) 、 电网静态安全分析( s a ：s e c u r i t y a n a l y s i s ) 及调度员培训模拟( d t s ：d i s p a t c h e r t r a i n i n g ) 在内的能量管理系统如图21 。 口 匿 誉il 一堕鲤坠、一兰蜜塾、 一一 二童鱼亘、j 堕量塑、 一。- r 4 譬 ， 2 9 = “ 0 s 1 5 i j j o - 鼬 ：乏 赫 一。二 国2l 电阿调度自动化系统s c a d a e m s 2 1 2 电网调度自动化系统的特性 调度自动化系统应用的不断深入并结合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： ( 1 ) 开放性：整个电网为一个开放的网络系统，各个站除了保证增加内部互 联、便于扩展外，还服从电力调度自动化的总体设计，选用国际标准，进行系统 集成，便于与大电网之间和其它外界互联。 ( 2 ) 可靠性：电力生产连续性和重要性决定了了它的可靠性相当重要，应该 避免系统设备容错、技术繁杂。 ( 3 ) 先进性：如今系统通过一定的冗余结构提高系统的可靠性。然而过多的 则影响系统的先进性。因此系统结构需灵活选择，在坚持稳定性的前提下尽量采 用国际先进成熟的技术和生产设备，适合未来的发展和社会需求。 ( 4 ) 可扩展性：一要对同样的系统、装置、软件可以适用于不同的场合，通 常可方便地增加或减少应用功能；二要能适应信息技术不断发展的要求，能及时 有效的跟新。 ( 5 ) 安全性：安全性包括网络用户和数据传输两个方面。整个系统通信基于 i e c6 18 0 标准建立来的，因此通信网络体系结构在上层协议上是一致的，这大 大提高变电站内的互操作性和互换性。 2 1 3 电网调度自动化系统的作用 由于计算机技术和网络通信技术的迅猛发展，电力系统对调度自动化系统的 要求也越来越高，各种新兴技术和标准层出不穷，调度自动化系统的发展趋势应 具备的作用： ( 1 ) 支撑体系结构功能化 系统将各技术密集，多种专业技术相互交叉、配合实现网络分析、负荷预测、 经济调度、短路电流计算、电能计量等功能。综合了故障录波、故障测距、无功 电压调节和中性点非直接接地的微机保护和监控系统。 ( 2 ) 系统分层分布式 系统内各个子系统和各个功能模块由不同配置的单片机或微型计算机组成， 采用分布式中的可扩充分布式体系结构来取代传统的集中式系统。这样可把微机 保护、数字采集、控制等子系统连接起来，构成一个分层分布式系统，实现各种 功能。 ( 3 ) 数据共享 数据共享可分为实时数据共享和静态数据共享，数据由主站端远动设备采集 组成的。它将逐渐实现调度系统各应用系统在数据流向、命名和交换等方面标准 化和规范化，建设安全、可靠的基础数据平台，实现系统资源、数据资源的最大 优化和共享。 ( 4 ) 测量实现数字化 用c r t 显示器上的数字代替了常规指针式仪表，比以往更加直观和说明； 通过打印报表代替人工抄表，减轻值班人员的劳动强度，提高了管理的科学性和 测量准确性。 ( 5 ) 操作监视图形化 取代了先前的模拟屏、控制屏等，通过计算机的显示器，可以监视全网的实 时运行情况和对各个装置设备进行操作控制。画面的内部结构可分为若干级，每 级下面可分为多层，即可运行在分布式环境的单屏或多屏工作站上。 ( 6 ) 管理智能化 随着多媒体技术、智能控制、地理信息技术将迅速进入电力系统自动化领域， 电网自动化发展由调度自动化向全局的自动化方向发展。这样可实现故障分析和 7 故障恢复操作智能化，实现自动化系统本身的故障诊断、自闭锁和自恢复等功能， 推动电网调度自动化向更加实用、完善、高水平发展。 2 2s c a d a 系统结构和功能 调度中心采集到的电网信息必须经过应用软件的处理，才能最终以各种方式 服务于调度生产。在应用软件的支持下，调度员可能监视到电网的运行状况，迅 速有效地分析电网运行的安全与经济水平，迅速完成事故情况下的判断、决策， 实现对远方厂、站实施有效的遥控和遥调。 因此在如今的电力系统中，s c a d a 系统应用最为广泛，技术发展目前 也最为成熟。它作为能量管理系统的一个最主要的子系统，有着信息完整、 提高效率、正确掌握系统运行状态、加快决策、能帮助快速诊断出系统故障 状态等优势，现已经成为电力调度不可缺少的工具。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，实现电力调度自动化与现代 化，提高调度的效率和水平中方面有着不可替代的作用。 2 2 1s c a d 系统的发展 2 0 世纪3 0 年代，电力系统虽已建立了调度中心，但对调度员面对的是一个 固定的系统模拟模型，仅仅依靠电话和发电厂、变电站联系，调度员无法及时掌 握电网全局变化，在事故发生时只能依靠以往的经验处理，大大的造成了整个电 网的不稳定运行【4 4 1 。 2 0 世纪4 0 年代出现了数据采集与监视控制系统，将电网上各个发电厂和变 电所的数据集中显示到电力模拟系统里，使整个电力系统运行很清楚地展现在调 度员面前，及时报告给调度员信息变化，很大程度的减轻了运行负担，提高了电 网可靠性运作。 从s c a d a 系统自运用之同起到今天已经发展了四代。 第一代是基于专用计算机和专用操作系统的s c a d a 系统。上个世纪7 0 年代，主要是利用计算机开始使用到s c a d a 系统中。国内与国外出现的有 由日本日立公司为我国铁道电气化远动系统所设计的h 8 0 m 系统和由我国 电力自动化研究院为华北电网所开发的s d l7 6 系统。 第二代是基于通用计算机的s c a d a 系统。从8 0 年代开始，广泛采用 v a x 系统等其它计算机以及相关的通用工作站。在这一阶段的操作系统一 般采用的是u n i x 操作系统，而且出现了电网调度自动化中与经济运行分析 结合产生的具有网络分析和优化控制的e m s 系统。这一代的s c a d a 系统 与第一代相比的共同特点都是基于集中式计算机系统。但是由于此系统不具 8 有开放性和灵活性，因而系统维护，各个基站的联合困难重重，不利于电网 的管理和控制。 第三代是基于分布式计算机网络以及关联数据库技术的能够实现大范 围联网的s c a d a e m s 系统，这一代是从9 0 年代开始。这一阶段是我国 s c a d a e m s 系统发展最快时期，这期间出现了汇集于s c a d a e m s 系统中 各种最新的计算机技术和芯片集成。在这一阶段，我国对电力系统自动化以 及电网建设和改造投入了大量的资金，高度重视程度电力系统自动和城乡电 网改造。由于新型方法的改进，相应的离线应用软件包的出现，在我国山东省 电网中得到首次应用。其功能在能量管理系统中，构成在线动态电压安全分析， 用于预测电网中各节点在不同运行方式下的电压稳定裕度，提高无功优化措施。 第四代s c a d a e m s 系统主要是以采用i n t e r n e t 技术、面向对象技术、 神经网络技术以及j a v a 等技术的基础进行改造诞生的。在2 1 世纪初，该 系统综合安全经济运行和商业化运营继续扩大等其它系统的集成。典型的是 s c a d a 系统在电气化铁道远动系统中技术上的应用。成熟的产品有由 h y 2 0 0 微机远动系统、西南交通大学开发的d w y 微机远动系统等。综合产 品有：r c s 9 7 0 0 型分布式变电所综合自动化系统是南瑞继保电气有限公司 为适应变电站综合自动化的要求，运用新一代计算机技术、网络通信技术、 最新国际标准具有集保护、测控功能一体的新型变电站综合自动化系统；有 由烟台东方电子生产的d f 3 0 0 0 系列综合自动化系统，它具有变电所层的监 控和管理系统、站内通信网、间隔层的分布式保护和监控自动装置；还有典 型的c s c 2 0 0 0 综合自动化系统，这由北京哈德威四方公司开发的基于l o n 总线通信方式的系统，具有数据采集及处理、监视及控制、通信人机接口、 五防系统及仿真培训等功能。这些系统功能强大、性能可靠性高，在保证电 网供电安全，提高供电质量，稳定运行上起到了重要的作用，其s c a d a 系 统的应用功不可没。 2 2 2s c a d a 硬件结构和数据流程 s c a d a 硬件组成主要包括现场远程量测终端r t u 、传输信道和主站计算机 三大部分。通常s c a d a 系统分为两个层面【45 1 ，即为客户服务器体系结构。服 务器与硬件设备通信，它们的作用是用于进行数据处理几何运算。而客户是用于 人机交互，如用文字、动画显示现场的状态，还可以对现场的开关、阀门等进行 操作。近年来又出现一个层面，即可通过w e b 发布在i n t e r n e t 上进行监控，这种 方法可以认为这是一种“超远程客户 。 硬件设备一般既可以通过点到点方式连接，还可以以总线的方式连接到服务 器上。点到点连接一般通过通信串口r s 2 3 2 ，而总线方式可以是通信串口r s 4 8 5 。 9 这些串口通信最为常见的是以太网方式连接方式。总线方式与点到点方式之间的 区别主要在于：点到点是一对一，而总线方式是一对多，或者多对多的方式。 遥测测最终端 ： 乜j 父i 巳所父达器 电眶互感器i 1 i 1 ，! 址赤r q i 传输信道 - - - b 多模 抗调 干制 发 乜流互感器l i i j 七! v - 赤n 口i路 - - - - - - b 拟 扰解 l 一 信 l u i l j x 币哥i 呻 采转 编调 机 样换 器码 功率送变器卜 _ _ 么 主站计算机 监 控 l 数据库 一 “ 智 调 妾 ，、 主 日盯 能 制 调府中矿， k 1 。 卜一一端卜 接 4 p - -解 (1义 1 1 机 口 调 机 、- 一 机 器 一次系统 二次系统 图2 2s c a d a 系统数据沉程 s c a d a 系统数据流程如图2 2 说明：发电厂与变电站通过电压互感器和电 流互感器采集电气量，在远程终端r t u 中，经转换传送的数字信号调制在信息 载体上，通过传输信道完成信号处理、发送和接受，再在主站中进行解调、串并 口转换和译码处理，最终将转换信息核对后进入数据库，通过计算机显示信息给 调度员，实现对系统的监视和控制【4 扣4 引。 2 2 3s c a d a 系统主要特点 s c a d a 系统主要有实时与商用数据结合的数据管理系统和强大的图形系 统。一般主站系统的实时数据库管理系统具有极快的响应时间，能很好的满足电 力系统的要求，同时也可以管理整个电网中各个节点的分布式数据库。s c a d a 系统数据库储存量相当大，采用不同的策略方式，用户可自由指定数据的周期储 存。系统还提供一些比较强大、操作方便的图形编辑功能，具有制作地理图形的 功效，各个系统的对象也可用相应的图形元件来表示。 s c a d a 系统作为电力系统自动化的实时数据源，为电网调度自动化系统提 供大量的实时数据的同时，在其它相关系统中都提供了相应的辅助。在这几十年 的发展中，s c a d a 系统已经与电能量计量系统，调度生产自动化系统，地理接 l o 线信息系统、水调度自动化系统、以及办公自动化系统等进行集成智能化。 2 2 4s c a d a 系统功能 s c a d a 系统由很多任务组成，且每个任务能完成特定的功能。通过位于一 个或多个机器上的服务器负责形成数据采集、数据处理、计算功能、电网控制、 实时数据库和商用数据库、人机界面、先进的前端机系统、报表系统和告警子系 统等功能【4 1 1 。 ( 1 ) 数据采集 s c a d a 系统实时采集各个厂站r t u 遥测、遥脉、遥信等数据，同时向各 r t u 厂站发送控制命令和数据信息。采集的模拟量主要包括变压器及输电线路 的有功功率、无功功率、输电电流、电压和频率等，其主要方式为阀值方式和扫 描方式。 ( 2 ) 数据处理 s c a d a 系统采集数据后，及时进行数据处理，即为模拟量数据处理、状态 量处理、脉冲量处理。将完成相应的功能如：描叙电网运行状态、监视电网断路 器状态及其主变电压器分接头、标牌设置、事故反演等功能。 ( 3 ) 计算功能 在s c a d a e m s 系统中除了大量的实时测试点，还有大量的计算点，将按 照数据变化、规定的数据周期、时段进行不停地数据计算处理。其中包括对数字 量、模拟量以及状态量的计算，以及对所有系统中虚点的计算与实际点一致和各 类计算机的通用完成。 ( 4 ) 电网控制 包括开关量的输出( 遥控) 、模拟量输出( 遥调) 。其操作过程如下：通过人 机界面由操作人员召唤显示现有的遥测量，及时进行修改遥调并发送，接下来 r t u 校核遥调值并返送校核结果，最后操作人员确定执行。 ( 5 ) 实时数据库和商用数据库 主要用来进行数据库建模、历史数据存储、设备信息的储存、告警信息的登 录管理信息和g i s 地理系统信息的保存，以及数据检查等功能。数据库的储存 数据按照电力系统中的设备作为对象进行组织管理的，放弃原始的、简单地按四 级关键字安排方式，这样描述更加清晰明了。 ( 6 ) 人机界面 人机界面可归结为：全图形显示、高分辨率显示和多窗口技术可用同时显示 多个窗口的图形；其中包括快速直接鼠标控制和多屏技术，采用国际图形标准产 品设计；具有极好的显示响应时间和完整统一的图形规范。所有人机界面的操作 和菜单系统风格统一，用户操作步骤统一。 ( 7 ) 先进的前端机系统 具有可靠性高，直接可接在网络上，也可完全脱离主机，没有任何制约；前 置机软件可灵活配置，可单独使用单台机器处理数据，也可驻留在其它主机上； 不依赖操作系统，通过网络通信方式发送信息；速度快，可扩展性好。 ( 8 ) 报表系统 包括制表、打印和召唤打印等功能。通过操作人员定义和制定表格数据，定 时打印或事件驱动打印。 ( 9 ) 告警子系统 当系统发生需要引起注意的情况时，会产生一系列的报警信息。在告警子系 统中包括报警方式、报警类型和各种报警信息发生后，各信息被数据库明确分类、 归档，可按发生时时间及类型分别逐类地检索和处理。 2 3 电网通信 电网调度自动化系统实际上由多台微机组成的分级分布式的控制，包括微机 保护、微机控制、电能质量管理等多个子系统。在这些子系统中，往往又由多个 智能控制模块组成。因此在系统内部中，必须通过内部数据通信，实现各个子系 统和它们之间的信息交换和共享数据，减少变电所某些设备的重置和简化系统之 间的链接，提高了整体的安全性。因此，电力系统的数据通信包括两个方面：系 统内部各个子系统的信息交换和子系统与控制中心间的通信。 由于数据通信在系统中的重要性，经济、可靠的数据通信成为系统的技术核 心，因此使得电网数据在通信需满足一下的特点和要求： ( 1 ) 快速的实时响应能力。在电力工业标准中，对系统的数据传输由严格的 实时要求，运行信息和控制命令必须及时传递和应用。 ( 2 ) 很高的可靠性。在整个电网处于连续运行中，通信数据网也必须处于连 续运行状态中，通信的故障和非正常工作可能将影响整个电网的动荡，造成设备 损害，严重时出现人身事故、电网瘫痪等重大情况，因此通信系统必须保证很高 的可靠性。 ( 3 ) 优良的电磁兼容性能。电网应该有很强的抗电磁干扰能力，而存在发电 厂、储备电源、雷击、跳闸等强电干扰和大电流冲击，因此输电网中信号通道需 有良好的消电磁能力。 ( 4 ) 分层式结构。通过系统分层结构，使得各层次之间具有特殊的应用能力， 适用于电网调度的管理。 目前数据通信的传输方式有：并行数据通信方式、串口数据通信、局域网通 信、区域网通信、广域网通信、互联网通信和现场总线。因此，为使信息可在传 输介质上传播和接收传来的信息，它们之间必须有转换设备和转换设备连接部分 1 2 的通