（水利工程专业论文）电网调度员培训模拟系统二次设备仿真模型研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 电网调度员培训仿真系统通过建立实际电力系统的数学模型，通过电网分析计算 软件仿真电力系统在正常运行和事故状态下电网元件的运行数据。通过培训仿真系 统，调度员可以很容易地在仿真模型上进行各种操作、运行方式调整和事故恢复操作 的培训。 对电网模型的仿真计算中，除了一次系统的潮流分析外，对系统的二次设备的动 作特性仿真是非常重要的。如果没有二次设备的仿真模型，设置电网故障后的运行状 态会加重教员的负担从而减小d t s 系统的实用性。 本文研究了继电保护装置和安全自动装置的仿真模型。继电保护模型采用逻辑仿 真的策略，以调度员和保护专家经验为基础，剖析了各种母线、线路、变压器、发电 机的各类常见故障，总结出保护动作特性规则和故障处理规则，分别形成元件和开关 保护属性知识库和推理机制，基于保护间的相互配合关系形成故障扩展设计方案，保 证了故障处理的准确和快速。误操作模块提出了基于通电路径搜索的判断策略，能有 效地识别各种接线方式下常见误操作并自动产：生故障事件。安全自动装置采用分层和 单元分解模型实现了通用的仿真算法，该算法能有效地对各种电网安全自动装置进行 建模和动作特性仿真。 最后，本文通过实例验证了文中算法的正确性、有效性并给出了进一步改进的没 想。 关键词：电网调度员培训仿真系统；继电保护动作特性仿真；误操作处理；安全自动 装置 华中科技大学硕士学位论文 k e y w o r d s ：d i s p a l c h e rt r a i n i n gs y s t 锄；h g j cs j m u l a t i o no fr c l a y ； m j s s0 p e m i i o n a u t o m a t i cd e v i c e 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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 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结果由本人承担。 学位论文作者签名 日期：廿o f 年 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，即：学校有 权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。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密瓯 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：起i 啐 日期：。撕0 6 年卜月 i 。日 指导教师签名： ，、鼋 1 切等 日期：椰年f 月f 日 华中科技大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 d t s 简介 电力调度员培训仿真系统( d i s p a t c h e rt r a i n i gs i m u l a t o r 简称d t s ) 通过建立实际 电力系统的数学模型，通过电网分析计算软件仿真电力系统在正常运行和事故状态下 电网元件的运行数据。通过培训仿真系统，调度员可以很容易地在仿真模型上进行各 种操作、运行方式调整和事故恢复操作的培训l 。 电力工业是国民经济的重要基础工业，是国家经济发展战略中的重点和先行产 业，它的发展是社会进步和人民生活水平不断提高的需要。现代电力系统有几个特点： 规模越来越大、单机容量越来越大、输电距离越来越大、供电范围越来越大、自动化 程度越来越高，系统供电可靠性的要求也越来越高【1 【2 1 。由于各种人为因素，设备和 自然的原因，电力系统中经常发生各种故障，如果调度员处理不当会演变成大面积、 睦时间的灾难性后果，例如1 9 7 7 年纽约大停电和佛罗里达大停电的灾难性后果。如 何确保电力系统的安全稳定运行是电力运行的首要问题。除了从网架结构、电源分布、 电网分析工具和手段、有效的安全稳定控制系统、现代化的通信手段等方面着手外， 有一支训练有素、经验丰富的调度运行队伍是至关重要的。运行人员的经验来自实际 生产和操作，是在生产过程中不断地总结出来的。对于刚参加工作的调度员来说，其 经验和运行知识只能来自培训和指导。即使对于老调度人员，由于电网不断扩大、设 备增多、运行方式发生变化也要不断地积累经验。 常规的培训方式包括跟班学习、课堂式的反事故演习、事故处理经验总结能够有 一定的效果，但是处理事故的知识和经验必须在电劂实际的异常运行和事故处理中磨 练和积累。由于电网的事故概率很小，组织联合反事故演习的难度又比较大，所以电 网调度员培训的工作难以日常化和规范化。在这种情况下，调度员培训仿真系统就体 现出它的优势。调度员培训仿真系统通过数学模型仿真实际的电网元件，并提供和电 网调度自动化系统类似的操作环境，调度员既可以通过在d t s 巾进行各种运行操作、 运行方式调整迅速熟悉电网，也可以通过设置各种故障提高事故处理的能力与技巧。 华中科技大学硕士学位论文 由十与电网生产系统小发生直接关联，所以在d t s 中进行培训i 安全、方便，从而可 以形成规范化佝培训制度。 电网渊度员培训l 仿真系统的概念早在1 9 7 2 、1 9 7 3 年美国威思康星( w i s s c o s 岫电 力公司能量管理系统f e m s ) 的设计巾就形成了。这时，屯力系统电子模拟计算机、 数字计算机及电力系统实时监控系统已有了坚实的基础。以美国控制资料公司( c d c ) 为代表的一派致力j 一以数字模拟计算机为基础的d t s 研究，而以普渡大学、密苏里 大学罗拉分校及哥伦比弧分校、e a i 公司为代表的另一派则致力于以电子模拟计算机 和数字训算机混合系统为基础的d t s 研究。1 9 7 6 年j l a t i m c r 和rm a s i e l l o 在美国 明尼苏达电力系统会上发表了名为调度员培训仿真系统的文章，1 9 7 7 年他们叉在 加拿大多伦多举行的电力工业计算机应月j f p i c a ) 会议上发表了名为调度员培训仿 真系统设计的文章，首次在电力工业中提出了“调度员培训仿真”的概念。 1 9 7 7 年纽约人停电和佛罗里达大停电的灾难性后果引起了人们对反事故措施研 究及调度员培训的高度重视。各公司希望能够有一种装置，用于发现系统存在的歃陷， 培训调度人员，使他们有足够的经验，在系统事故的紧急关头能f 确判断、处理事故， 挽救系统。1 9 7 8 年春，美围电力科学院( e p r i ) 组织了第一次电力系统调度员培训 仿真研讨会。自从d t s 概念提m 以来，国外d t s 的发展经历了几个阶段【3 j ： 1 、7 0 年代以c d c 一1 7 为硬件平台的c d c 系统。电力系统模拟基于潮流解法。 2 、8 0 年代以小型机为硬件平台的系统。电力系统模拟以长过稗为基础。在这个 时期，小型机相继问世，价格大幅下降，而性能有所提高。同时电力系统分析技术上 亦有两个突破性的进展： f 1 ) g e 公司长时问研究的l o t d y s 程序于1 9 7 4 年问世； ( 2 ) p q 分解法潮流技术的成熟。 这些都使得纯数学模拟在d t s 中得到更进一步的发展。在8 0 年代初出现了以美 蚓能源控制公司( e s c a ) 和波凼能源控制公司( b o j n g ) 为代表的第二代d t s 。其硬件平 台为x 1 1 7 舳( e s c a ) 和s e l 3 2 7 7 ( b o j “g ) 超级小型机。其软仆技术的核心是长过 程模拟( l 0 gt e md y n a l i l i cs i m u l a t j o n ) 。 8 0 年代是d t s 在世界范围内逐步得到采用的大发展年代。纽约大停电后，日奉 华中科技大学硕士学位论文 加紧了对d t s 的研究，并在1 9 8 1 年成立了总部在名古屋的巾部电力公司的模拟培训 器，它以实时控制系统s c a d a 备用机、t o s b a c 7 7 0 为硬件平台建立了d t s 系统。 香港中华电力公司于1 9 8 5 年成立了新调度中心及安装了调度员培训模拟器装置，这 是美国佛罗里达h a r r i s 公司的m 9 5 0 0 系统。韩国汉城的朝鲜电力公司自8 0 年代中期 以来就采用美国系统控制公司( s c l l 的模拟器。自从法国于1 9 8 1 年发生了电网电压的 崩溃事故后，法国国家电力局也建立了一个调度员培训中心。d t s 在8 0 年代的发展 到了第二代的水平。 3 、9 0 年代以来，计算机系统大多以分布式工作站组成开发系统。在软件上美国 等国都致力于把电力系统暂态过程的考虑加入到d t s 系统中去。 我国调度员培训模拟工作起步较晚。1 9 8 7 年，东北电管局总调度所与清华大学签 订了合作开发东北电网仿真系统的协议。自投入运行以来，在组织东北各省调度员进 行联合反事故演习等方面起到了良好的作用。该系统的特点是用s c a d a 后备机作为 人机交换，与主控制室保持了相同的操作环境( 硬件、支持软件、数据库和厕面) ， 并且把离线计算引入到d t s 工作平台，与数据库、图形显示结合起来，方便了离线 研究。1 9 9 1 年能源部主持了由电力科学研究院与华北电力联合公司合作研制的华北电 网调度员培训模拟系统鉴定会。华北d t s 是我国第二套d t s 系统，华北d t s 在系统 设计中第一次把开发系统、精简指令集计算机( r i s c ) ，u n i x 操作系统引入d t s 系统， 形成复杂指令f c i s c l 与精简指令混合系统，实现了暂态、中期与长过程的实时全过程 快速模拟，实现了倒闸操作训练功能，己在培训调度员、制定与研究运行方式等方面 起到了应有的作用。1 9 9 4 年由电科院与浙江电力职工大学联合开发的浙江电网调度员 培训模拟系统投入运行。浙江d t s 采用4 台s u n 工作站组成分布式系统，全部支持 系统是由我国自行开发的，采用了全图形技术。同时，华东、广东d t s 系统也将投 入运行，这些都标志着我国的电网仿真技术已经基本上赶上了国际先进水平。 1 2d t s 的基本设计要求 现代电网调度员培训仿真系统是一套运用先进计算机技术模拟电网运行的数字 仿真系统。它通过培训支持模块( _ r r a i n i n gs u p p o nf u n c t i o n ，简称t s f ) 或教员台模块 华中科技大学硕士学位论文 ( i n s t m c t o rp o s i t i o n ，简称i p ) 给出实时或模拟教案、培训过程中操作控制及培训后评 估等功能，利用实际电力系统的数学模型( p o w e rs y s t e mm o d e l ，简称p s m ) ，再现各种电 力系统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f c o n t r o l c e n t e r m o d e l ，简称c c m ) 或学员台( t r a i n e ep o s i t i o n ，简称t p ) 的模型内，为调度员提供 一个逼真的培训l 环境，以达到既不影响实际电力系统的运行而又使调度员得到身临其 境的实战演练的目的。 现在调度员培训仿真系统一般要满足以下设计原则2 ： 1 、真实性。要求d t s 应能逼真地再现学员( 受训的调度员) 所在的电网的静态 或动态过程，d t s 应与实际系统有一样多的发电机( 对外部网的发电机及网络或多个 小机组，允许作等值处理) 、调速器、励磁机、线路、变压器、电抗器、电容器、母 线、丌关、刀闸、负荷等发、输、变、用电设备，继电保护、安全自动装置等二次设 备，应能选择各种不同的运行方式进行研究分析。在发生负荷变化、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， d t s 应能忠实地再现各种运行方式下的潮流分布和系统的动态过程，同时对操作或扰 动应能有快速的实时响应。 2 、一致性。要求d t s 能逼真地再现学员所在电网控制中心s c a d a e m s 环境， 产生一个数据采集和处理手段与调度相近似的培训环境，即与调度有相同或相近的显 示器、操作台、监控内容和通信设备的培训环境。学员在培训室受训时就有一种身临 其境的感觉，从而取得比较好的培训效果。这样，学员可以受到使用同样的调度工具 的培训，尽快熟悉他所负责的工作，在培训中获得系统故障时的快速反应能力。受训 时的调度工作对他将来的实际工作是大有好处的。 3 、灵活性。d t s 要有灵活的培训支持功能，教员( 主演调度员或其助手) 可很 方便地模拟各厂站值班员或外部电力公司的调度员执行学员( 被演调度员) 下达的各 种调度命令，也可根据培训需要任意设置故障，操作应灵活方便，使系统能尽快进入 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 训控制和培训评估，以满足各种要求的运行方式研究和培训的需要以提高效率。 4 、实用性。为使d t s 更富有z b 爷力，系统总体功能和各模块的具体功能都应按 4 华中科技大学硕士学位论文 照用户的要求设计，操作接口和操作方式均应由最终用，调度员裁决。主要体现 在：要能满足调度和运方进行培训及在线分析的需要，应可以重复演示、分析：实际 电网设备发展扩充时，各种资料的录入应方便灵活、简便易行；要有较长的生命周期， 能适应将来电网发展。 5 、开放性。要使d t s 能适应计算机技术的飞速发展、仿真系统的软件有更长的 生命周期，d t s 应有良好的开放性。在计算机硬件不断更新的今天，d t s 必须遵循开 放式标准，它的操作系统、网络通信协议、人机接口、数据库、开发工具等。应具有 下列开放式特点：与硬件无关：可移植性好；可扩展性好( 指硬件的扩充) ；连续可 升级性好( 指性能的改进和扩充) 。其中最为关键的是可移植性好，应能做到d t s 在 s c a d a e m s 更新时，维持d t s 其它硬件不变，以保护d t s 的投资。 6 、先进性。在实用性和丌放性的前提厂采用新的计算机技术和先进的电力系统 仿真技术。 1 3 南阳电网简介 南阳电网地处豫西南部，与鄂、陕两省毗邻。5 0 0 k v 双白线、斗白线分别与湖北 省双河变、斗等变连接；2 2 0 k vi 、i i 丹邓线与湖北省丹江口水电厂连接；1 1 0 k v 湘 淅线与陕西省湘河变电站连接；外围还分别与河南省电网三门峡、驻马店、平顶由电 网连接。肩负着南阳电网及周边地区十四个县市区的供电任务，是河南省电网供电面 积最大的地区级电网，供电面积达2 7 万平方公里，供电人口达一千多万。南阳电网 分别有5 5 0 k v 、2 2 0 k v 、1 1 0 k v 、3 5 k v 、1 0 k v 、6 k v 六个电压等级，按供电区域可分 为：青台供电区、南阳供电区、宛北供电区、唐河供电区、邓州供电区、郦城供电区、 淅川供电区等七个供电区。2 0 0 2 年南阳电网全口径最大负荷为1 0 5 万千瓦，全年供电 。 。 量达5 3 亿千瓦时。 5 0 0 k v 白河变电站一座，毛变容量7 5 万干伏安，5 0 0 k v 输电线路4 条。该输变 电工程2 0 0 1 年底建成投运，标志着河南电网形成了双回5 0 0 k v 线路组成的主网架， 是三峡水电厂主要电力走廊之一，从而大大加强了南阳电网( 豫西南) 的电网网架结 构，使南阳电网又多了一个大电源支撑点，减轻了姚联变的压力，提高了河南电网吸 华中科技大学硕士学位论文 收湖北水电的能力，而且也提高了河南电网及南阳电网稳定运行水平。 2 2 0 k v 变电站六座，主变压器九台，主变容量1 1 1 万千伏安。2 2 0 k v 输电线路1 9 条，线路总长8 5 0 余公里。2 2 0 k v 郦城输变电工程2 0 0 2 年初建成投产，郦城变电站 主变容量1 5 万千伏安，基本上解决了( 丹江口水电厂枯水) 枯水季节淅川县用电问 题。 局属1 1 0 k v 变电站2 0 座，主变压器3 7 台，主变容量1 2 2 2 力- 千伏安。1 1 0 k v 输 电线路4 2 条，线路总长7 8 0 余公里。局属3 5 k v 变电站1 3 座，主变容量8 万千伏安。 市区开闭所6 座，市区配网1 0 k v 线路8 0 余条。 南阳电网内有鸭河口电厂、蒲由电厂两座省调管辖电厂，总装机容量9 5 万千伏 安：以及在建的回龙抽水蓄能电站。此外，南阳电网内部还有地调管辖的南阳电厂， 总装机容量3 7 万千伏安；镇平热电厂，总装机容量2 5 万千伏安；鸦河口水电站， 总装机容量1 2 万千伏安，以及地方水电站( 西峡大石门水电站) 和部分厂矿余气发 电( 云钢电厂) 和综合用热发电( 安棚碱矿电厂) 等。 2 0 0 3 年华中科技大学水电与数字化学院仿真中心与河南省电力公司南阳供电公 司调度通信中心开始合作，着手研发南阳电网d t s 。本文对南阳d t s 中用于电网仿 真计算模型中的二次设备的仿真模型进行了深入的研究，实现了有效的仿真模型。 1 4 本文主要研究内容 本文主要研究在d t s 系统中电力系统继电保护动作仿真、误操作判断和安全自 动装置动作仿真。所做的工作主要是针对南阳电网的运行特点，具体实现了南阳电网 的模拟仿真，实现了保护模型。实现了一体化过程。实现了零维护。详细剖析了南阳 电网的结构特点，实现了符合南阳电网的运行方式、运行特点。通过建立实际电力 系统的数学模型，通过电网分析计算软件仿真电力系统在正常运行和事故状态下电网 元件的运行数据。通过培训仿真系统，调度员可以很容易地在仿真模型上进行各种操 作、运行方式调整和事故恢复操作的培训。 本文共分五章。 篼章介绍了电力调度员培训仿真系统的发展背景，发展历程，国内外发展情况 华中科技大学硕士学位论文 以及d t s 系统基本要求和本系统开发、研究背景。 第二章主要阐述电网模型数据的数字化描述方法和设计原则，以及在本系统中的 实现方案和数据结构。 第三章介绍了图搜索的基本原理。详尽阐述了仿真模型中所涉及的图形拓扑描述 和图的搜索算法。 第四章结合南阳电力系统的特点详尽介绍了继电保护逻辑模型的实现、误操作判 断算法和安全自动装置的仿真方法。 第五章对本文涉及的工作做了总结，提出了进一步改进的设想。 华中科技大学硕士学位论文 2电网模型数据的数字化表达方法 2 1 引言 d t s 是通过实际的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，为调度员提供一个逼真的培训环境。电力系统的数学模型的建立是基于实际电 力系统的物理结构的基础上，采用合适的数据描述和组织形式仿真真实电力系统的 结构和运行工况，提供调度培训的基础数据平台。 2 2 电网模型 2 2 1 电网对象模型 运行的电网可以看作许多对象的集合，例如一个对象可能是：某一开关、某一 测量参数、某一标志。每一对象可以具有确定的状态，例如“闭合”、“断开”、“2 2 0 k v ” 等等。一个对象也可能同时具有多个状态，例如一个开关可以同时具有”2 2 0 k v ”、“闭 合”、“拒动”和“拔操作保险”等状态。对象的定义以及由此产生的所属状态都是 按实用原则定义的。在电网中都可以在不同的位置发现功能及状态特征相同的同类 对象。每一对象属于一个类型，一个对象可能具有的全部状态也是一个类型所具有 的潜在状态。 电网中每一对象都要按其所处的位置和所属的类型来命名，位置名和类型名构 成对象描述符。如果把电网中存在的全部对象的描述符都罗列出来，便得到电网的 对象组成描述。电力系统是由这些对象按照一定的物理规律联系在一起，电网描述 必须包括这些对象之间一切可能的联系即“潜在拓扑”【4 1 。通常把潜在拓扑也称为电 网元件物理连接关系。 对象组成描述和物理连接关系总称为电网模型。电网模型是电网控制中心管理 电网的基础。电网模型必须随时跟随电网扩展，例如新增发电站、变电站、输电线 路、运行装置而做相应的变化。只有这样才能保证可靠的运行管理。每一对象在不 华中科技大学硕士学位论文 同的时间呵能具有彳i 同的状态。在电网运行管理中必须要记录对象的当前状态以及 某些状态转化的关系。 电网模型和对象状态记录一起构成电网动态模型。在现代计算机调度软件中， 电网模型以适当的形式存储于计算机中。计算机不断接受和处理远动装置给出的状 态信号，将它们补充到电网动态模型上。这样在计算机中便形成一个完全反映电网 系统的电网数字化模型。数字化模型是实际电网的在计算机中的映射，它包括整个 电网和辅助装置及其状态。如果数据模型中出现状态变化，则这一变化的发生过程 和时问也要相应地以事件记录的形式记录下来。 计算机中数据模型必须具有约定的形式以表达对象及其状态。不同的电力系统 应用软件对数据模型的组织形式和存储有不同的要求。 2 2 2 电网对象命名 在电网运行管理中，调度指令必须严格明确的说明，什么地方、要完成什么任 务或发生了什么事件。误解会导致停电、甚至危害人身和没备安全。为了这种表达 而形成了运行术语。其中首先清楚地描述网络中的一个对象，接着指明与此相关发 生了什么或应该发生什么。例如：“宛北变2 2 0 k vi 鸭宛线甲刀闸合操作”。 运行术语需要选择短小精干的表达方式来代替，并目这一表达方式同样必须是 准确无误的。通过下列方式可以清楚地描述个对象：首先指明对象所在的位置( 发 电站、变电站) ，然后再限制、缩小范围( 某开关系统、某电压等级、某区域) 。最 后指明这一限定位置上对象的类型。有时在这限定位置上会出现同类型的两个或多 个对象，这时必须设法补充类型名或用不同的命名法清楚地区分不同的对象。 处于电网的不同位置，但具有共同特点的对象应当具有共同的类型名。一个典 型的电力系统所包含的类型为1 0 0 到3 0 0 个，比如它们可以命名为： “线路出线开关” “线路甲刀闸” “母联开关” “旁母丌关” 华中科技大学硕士学位论文 “发电机出口开关” “母差保护” “失灵保护” 整个电网中的数据，要在意义上和命名上都要统一。 2 2 3 电网运行调度术语 为了在电网调度过程中，调度指令可以准确无误的传达和执行，提高电网调度 运行管理水平，电力系统调度有规定的统一的调度运行术语i 引。例如： 1 、冠语： 南阳地调x x x x x 电厂x x x x x 变电站x x x 2 、设备名称术语 x x 机汽轮、水轮及燃气轮机发电机组的统称。 x x 变变压器 x x 主变发电厂、变电站的主变压器 x x 线x x 线路 x x 母x x 母线 3 、调度术语 操作指令值班调度员对所管辖设备进行调度，给值班人员发布的有关操作 的指令。 调度同意上级值班调度员对值班人员提出的申请、要求予以认可。 许可操作在改变电气设备状态和方式前，根据有关规定由有关人员提出操 作项目，值班调度员同意其操作。 4 、操作术语 发电机非全相运行 发电机在解、并列操作或事故跳闸时，没有完仝 将发电机二相开关断丌或合上。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 合上x x 开关 断开x x 开关 开关非全相跳闸 联络线 馈线 投入x x 设备x x 保护 x x 母线保护改投非选择方式 x x 设备x x 保护改跳开关 合环 解环 远切负荷装置 2 3 电网数据模型 使x x 开关由分闸位置转为合闸位置。 使x x 开关由合闸位置转为分闸位置。 非运行人员操作，开关三相一相或两相自动跳闸。 线路两端都要电源 又叫单电源负荷线路 将x x 设备x x 保护电源送上，跳闸压板投入 母线保护选择元件退出 由跳本身开关改跳x x 开关 且能合环运行、解除开关同期闭锁进行合闸 将环状电网，解开为非环状电网 为了消除设备过载，防止系统失去稳定而装设的 某设备跳闸联锁切负荷装置 2 3 1 数据模型的概念 数据模型是在组成和状态上严格唯一映射电网、将电网模型化的一个数据库。 计算机中有一部分程序收集运行信息和人工输入信息，并记入数据模型，使这个模 型总是处于最新的状态。另外一些程序就不再关心实际的电网及其信号，而只依靠 数据模型工作。当电网结构发生变化时，只须相应地改变数据模型就可以了。 2 3 2 建立电网数据模型的基本原则 数据模型要包括对象组成描述和当前状态记录。 德国电网联盟总结了所属2 0 个电力公司的经验，提出了下列基本原则 5 】： 1 、基本构成原则 f 1 ) 程序和数据严格分开。 ( 2 ) 数据模型必须包括所有必要的数据，以反映电网实际情况。 ( 3 ) 每一数据单元、每一数据单元组必须是可命名的 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 1 数据名必须具有多级结构。 ( 5 1 数据的特征和类型也属于数据。 ( 6 ) 电网结构的典型化( 如分支系统) 不应用于数据组织。 ( 7 ) 外部装置( 如远动装置、屏幕显示装置) 接口不允许用来确定数据结构。 ( 8 ) 过程运行数据、存取线路数据和处理数据必须分开保存。 2 、可应用性方面的要求 f 9 1 人机对话必须毫无例外地采用运行术语。 f 1 0 1 存取组织必须满足，在1 3 s 之内向人提供完全的回答。 f 1 1 1 为完成不同的任务，必须随时有相应的按时间优化的存取路线可供使用。 f 1 2 ) 为存取优化必须有测量功能和观察功能。 3 、数据模型方面的要求 f 1 3 ) 运行管理的现有结构和将来结构都必须是可描述的。 f 1 4 ) 数据模型的结构数据( 长度、格式) 必须简单，并且能无变化地适应新 的要求。 ( 1 5 ) 储备容量范围应集中保留。有时可允许按数据种类细致划分范围。 n 6 1 构成数据模型必须应用严格清晰的运行术语。 ( 1 7 1 数据收集和输入时，每一数据只允许一次记入。 f 1 8 1 构成数据模型和更新模型必须分阶段进行，并且能够对运行无实质影响地 实现。 f 1 9 ) 每当数据模型变化时，到目前为止的人工输入和数据内容必须是可继续提 供使用的。 ( 2 0 1 构成数据模型必须要有现成的装置和工作方式可供使用，以有效地支持模 型构成的过程，包括制定文件和控制质量。 2 3 3 数据模型的构成 1 、数据的识别 数据模型是由一些数据构成的整体，这些数据通过其位模的组织顺序和位模内 华中科技大学硕士学位论文 容反映电网的对象和状态。一个这样的数据必须是可解释和可识别的，即在所有数 据中是可发现的。 一般有两种方法识别数据：地址识别法：对每数据约定一个确定、有限的存 储位置。在此位置只存储该数据；描述码识别法：对每一数据约定一个确定的描述 码，此码与数据一起存储，它只与该数据有关。 上述两种方法各有其优缺点： 地址识别法节约存储容量。如果位置( 地址) 是己知的，则可直接查找那里的 数据。可以按一定的规则来确定数据存储的位置。若这一规则表达为一个算法，则 每一数据的位置可通过计算很快确定。地址识别法的缺点是，它对数据组成出现的 变化缺乏灵活性：每一数据必须要分配一个固定的位置。若按固定的规则进行位置 分配，则有时会有许多位置是空的，原因是与这一规则位置对应的数据并不存在。 如果后来出现了新的数据或新增加数据，有时则必须要改变原来的规则。这样就导 致存储结构的改变，必须重新对所有数据分配新的位置。 描述码识别法需要大量存储容量，因为每一数据的描述码必须同数据一起存储。 但在存储器中，数据不需要固定的位置，故数据可以无空位地紧密排列。若有新数 据出现，则它们可以存储到数据表始端或终端地预留位置上。只有当预留容量太小 时，才会出现适应数据组成变化的困难。若已知数据的描述码，要找出数据，则只 有当相应的描述码被查出时，该数据才可能找到。 由此可见，描述码识别法具有适应数据组成变化的灵活性，但都需要冗长的存 取( 查找) 规则。地址识别法提供了快速的存取可能性( 地址计算) ，但适应变化的 可能性不佳。 南阳d t s 系统数据模型采取描述码识别法和地址识别法相结合的组织方式。 描述一个对象和它的状态的名称序列： 位置名，类型名，性质 所具有的形式可以看成是用描述码识别个数据。位置名和种类名构成了一个 描述码，根据这一描述码可以找到自身的数据即在运行上变化的性质。因此可以约 定一个固定的模位，埘位置名、类型名构成唯和可逆的编码，进而约定一个变化 华中科技大学硕士学位论文 的模位，该模位反映出对象的状态。便形成了每一对象具有的数据单元。数据单元 包含描述码和数据两部分。由这样的数据单元可以构成描述码数据模型。 另一方面，名称序列当然也可以变换为一个地址顺序。这就是说，由电网和开 关系统的结构组成和命名可以引出计算机中数据存储的位置分配规则。这时，数据 单元只需要保留变化的模位以反映状态，数据单元大大缩短。存储位置标明了位模 所属的对象。 2 、数据的排列 状态记录是数据模型的一部分。它要求表达出对象及其当前的性质。有两种基 本的列表方法： 图2 1 所示的方法按对象排列数据，对每一对象附上它所涉及的性质。 图2 2 所示方法按有关性质排列数据，在每一性质之后附上它所涉及的对象。 图2 1 所示的方法应用在描述电网物理结构的数据模型中，图2 2 所示的方法应 用在仿真故障、保护信息等监控信息上。 对象1当前性质 对象1当前性质 对象l当前性质 对象1当前性质 性质1 当前所涉 及对象 性质1 当前所涉 及对象 3 、数据的分类 电网数据模型中所出现的各种类型各典型情况下约为5 0 到3 0 0 个，这些类型名 按开关位置信息、功能监视信息、标志信息、测量值信息、变压器档位信息和少量 其他较小的信息组分为若干类型。 管理、存储和应用数据的程序大多数情况下只与其中的一个类型，或者甚至只 与一个类型的一部分有关。也有一部分程序同时分别与一些类别或各类别的一部分 有关。反之也有这样的情况。即同一个对象的不同的性质要由不同的程序来处理。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 后两种情况便是导致程序多样化的原因。 为获得快速的程序运行，当然希望每一程序所需要的输入和输出数据一块一块 地集中存放在一起，并尽可能对以程序出来最为有利的方式加以识别。但如果过于 偏重按程序要求来构成数据模型，则按运行概念的识别不再存在，亦使对象所属的 数据单元发生分裂，甚至同一数据( 性质) 为了不同的程序要多次存储。 在电网信息系统中常常将数据模型的数据进行分类，使各类数据的主处理线路 相反独立。数据可以按如下的类别分类：开关位置监视信息、标记信息、变压器分 级信息；功能监视信息；计数值信息：测量值信息等。 事实上电网仿真程序中所出现的鞋系也反映在不同的数据类别之间存在着密切 的逻辑联系。例如：故障处理就是将开关位置监控信息和功能监视信息联系在一起。 4 、数据的组织 南阳电网调度员培训仿真系统中数据模型的结构设计是采用描述码识别法和地 址识别法相结合的形式组织的。按不同等级对象将数据进行排列，再附上对象的性 质。电网级数据记录电网的整体结构，即有那些厂站组成，厂站内元件种类和数目 做为对象的性质一同存储。对于不同种类的元件，按照其所属的类型分别加以存储， 整个电网结构就一目了然。而元件对象描述码表示为一个固定结构的字符串，其潜 在性质可用相应结构来反映，该结构至少对每一类型来讲具有统一的长度。 d t s 数据采用两级的组织形式。第一级即电网级，描述电网的结构。电网结构 包含厂站对象描述码，厂站对象描述码存放在一个单独的数据图2 3 中，它同时也表 示厂站对象的组成描述。每一厂站对象描述码对应各个厂站各种元件数，以各个厂 站每种元件数目，按一定算式，很容易在按元件分类的元件对象描述码图2 4 中找到 各个元件，由此完成读取元件性质或者修改元件性质的操作 5 、电网拓扑描述 电网拓扑描述分为潜在拓扑和当前拓扑。潜在拓扑包括电网各装置之间存在的 固定连接支路和l u 进行丌关操作的所有非固定连接支路。当前拓扑包括的是某一时 刻下描述电网物理特征所要求的结点和含阻抗支路。当所有可进行丌关操作的对象 的开关状态为已知时，当前拓扑可由潜在拓扑引导出来。 华中科技大学硕士学位论文 4 缔自l 开关刀闸数f = = | 变压器数目支路数目节点数 黼2开关刀闸数目变压器数目 支路数目 节点数 牙站3开关刀闸数日变压器数目支路数目节点数 p ， 一 阿站n 开关刀闸数目变压器数目支路数目节点数 图2 3 厂站对象描述码袭 厂站1 元件描述码及其属性 厂站2 元件描述码及其属性 厂站3 元件描述码及其属性 厂站n 元件描述码及其属性 图2 4 元件对象描述码表 对于电网，潜在拓扑包括各个元件的连接关系和相应参数。对于开关、刀闸类 元件，采用元件名，首端节点，末端节点的描述方法，如图2 5 所示。对于线路、变 压器元件，不仅用元件名，首端节点，末端节点的描述方法，而且要包括相应物理 参数，如图2 6 所示。 元件l首端节点末端节点 状态 元件2首端节点末端节点状态 元什3首端节点末端节点状态 ：元件4首端节点末端节点状态 元件n首端节点末端弘点状态 元件1首端节点 末端仃点参数 元件2首端节点末端节点参数 元件3首端节点末端节点参数 元件4首端节点末端节点参数 元件n首端节点末端节点 参数 图2 5 开关刀闸类元件拓扑描述 图2 6 线路，变压器类元件拓扑描述 电网潜在拓扑描述在厂站没有增减和物理结构没有发牛变化的情况下，是保持 碜变的。但是随着厂站运行方式的不同，当前拓扑会随之发生变化。河南d t s 系统 霹；以通过网络通信的方式从河南调度通信中心的e m s s c a d a 系统得到某时刻全 聪歼关、刀闸的状态，即电网的当前拓扑。d t s 系统就可以在此当前拓扑的基础上 舞始运行。 华中科技大学硕士学位论文 3 拓扑图论与图搜索原理 3 1 引言 数据模型是实际电网的映射，它记录了电网元件设备参数和物理连接关系。通 常电网元件的物理连接关系称为节点一开关( n o d e - b r e a k e r ) 模型。但是电力系统的 分析汁算需要计算模型，即母线一支路模型( b u s - b m n c h ) 模型。实现由节点一开关 模型到母线一支路模型的处理过程称为网络拓扑。网络拓扑是d t s 进行分析计算的 基础，也是继电保护动作仿真的基础。 网络拓扑以电网的物理连接关系和电网中开关刀闸的状态作为输入，将电网看 作一个连通图，通过某种图搜索算法，将通过闭合开关刀闸连接到一起的节点收缩 为1 个母线。在拓扑分析的基础上。继电保护仿真模块搜索电网元件间的相邻关系 并构造保护间的配合逻辑。 网络拓扑程序的基本功能如下【1 】 3 】： 1 、能处理任何结线形式，如单母线、双母线、双母线带旁路母线、环形开关结 线、倍半开关结线等。 2 、完善的逻辑分析功能，对开关的任意状态能形成正确的母线模型。 3 、可以分析处理电气岛( 子系统) 情况并确定死岛、活岛状态。 4 、确定单个开断的支路( 线路或变压器) 。 5 、确定网络中各元件带电、停电、接地及属于那一电气岛等状态。 6 、丌关、刀闸的状态及各没备的状态可以在单线图上改变。 7 、分析每一母线所连元件的运行状态( 如带电、停电、接地等) 及系统是否分 裂成多个子系统机以便在图形界面上实现拓扑着色功能。 因为d t s 系统要处理的调度员操作和故障处理等会对网络结构产生影响，所以 电网模型和拓扑程序在设计卜- 要考虑d t s 实时性要求。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 3 2 拓扑图论简述 电网图的模型和网络拓扑程序是图论在电力系统分析中的应用。 网络拓扑程序的理论基础是图论。图是有一个顶点集合v 和一个边的集合e 构 成的偶对，记做( v ，e ) 。集合e 表示v 中顶点的连接关系吼 厂站的主接线图由( v p ，e p ) 来表示。其中v p = ( 厂站内断路器、刀闸、发电及 输变电设备的母线) 、e p = ( 厂站内断路器、刀闸、输变电设备) 。e p 中的每一条边 都有两个状态：闭合或断开。这由厂站的实时运行方式决定。 电力网络的图形由( v n ，e n ) 来表示。其中v n = ( 各厂站间联络线的母线) 、e n = ( 各厂站间的联络线) 。 如图3 1 所示的厂站典型接线图中，v p = ( a b c d e f g h i j k ) 、e p = ( 1234 56789 1 01 11 2 ) 。元件集合e p 中1 、2 、3 ，4 ，5 ，6 ，7 ，8 是隔离刀闸，9 ，1 0 是断路器、1 1 是 变压器、1 2 是发电机。顶点集合v p 中的元素分别是这些设备的端点。 图3 2 所示的电网模拟图中，v n = ( a b c ) 、e n = ( 1 i n e l l i n e 2l i n e 3 ) 。顶点集合v n 中的元素为厂站间联络线的母线。e n 中的发素为厂站间的联络线。 3 2 1 图的存储结构 一个图是由一些顶点和连接两个顶点之间的连线所组成，至于连线的长度及顶 点位置是无关紧要的。一个图可记为g = ( v ，e ) ，其中v 是非空顶点集，e 是连接顶 点的边集。如果e 中元素与顶点无序偶( u ，v ) 相关联，则称该边为无向边。若e 中 元素与顶点有序偶 u ，v ) 相关联，则称该边为有向边。在本系统中所有的图均为无 向图。 在计算机上实现图的操作先要实现对图的存储。常用的方法有邻接表、邻接多 重表和十字链表。本d t s 系统采用邻接表的存储方法。 华中科技大学硕士学位论文 旁母 上母 下母 线路l 图3 1 厂站典型图 d 图3 2 电网模拟陶 邻接表是图的一种链式存储结构。在邻接表中，对图中每个顶点建立一个单链 表，第i 个单链表中的顶点表示依附于顶点v 的边。每个结点由三个域组成，其中 邻接点域指示与顶点v 邻接的点在图中的位置，链域指示下一条边或弧的结点；数 据域存储和边或弧相关的信息，如权值等。每个链表上附设一个表头结点。在表头 结点中除了设置链域指向链表中第个结点之外还设有存储顶点v 或其他有关信息 的数据域。如图3 3 所示。 a d j v e x n e x i a r ci n f o 表节点 图3 3 邻接表示意图 一个图的邻接表存储结构可形式的表示如下 图的邻接表存储表示 群d e f jn em a x v e r t e x n u m2 0 头节点 华中科技大学硕士学位论文 t y p e d e fs t r u c ta r c n o d e 1n ta d j v e x ； s t r u c ta r c n o d e 。n e x t a r c 1 n f o t y p e 。j n f o ： a r c n o d e ： t y p e d e fs t r u c tv n o d e v er t e x t y p ed a t a ； a r c n o d e 。f 1r s t a r c ： ) v n o d e ，a d jl s t m a v e r t ) l n u m t y p e d e fs t r u c t a d jl 1s tv e r t lc e s ； 1n tv e x n u m ，a r c n u m ： i n tk jn d ： ) a l g r a p h ： 该弧所指向的顶点的位置 指向f 一条弧的指针 该弧有关信息的指针 7 顶点信息 指向第一条依附该顶点的弧的指针 图的当前顶点数和弧数 幽的种类标志 3 2 2 图的搜索算法 图搜索控制策略可以看成一种在图中寻找路径的方法。电网厂站图的中，每个 顶点列应于厂站中电气元件的一个端点，每条连线对应厂站中一个电气元件。 1 、图搜索的一般过程如下： ( 1 ) 建立一个只含有起始顶点s 的搜索图g ，把s 放到一个叫做o p e n 的未扩展 顶点表中。 f 2 ) 建立一个叫做c l o s e d 的己扩展顶点表，其初始为空表。 f 3 ) l o o p ，：若o p e n 表是空表，则失败退出。 ( 4 ) 选择o p e n 表上的第一顶点，把它从o p e n 表移出并放进c l o s e d 表中。称 此顶点为顶点n 。 ( 5 ) 若n 为目标顶点，则有解并成功退出。此解是追踪图g 中沿着指针从n 到 s 这条路径后得到的( 指针将在第7 步中设置) 。 华中科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 扩展顶点n ，同时生成出是n 的祖先的那些后续顶点的集合m 。把m 的这些 成员作为n 的后继顶点添入g 中。 f 7 1 对那些未曾在g 中出现过的( 即未曾在o p e n 表卜- 或c l o s e d 表上出现过 的) m 成员设置一个通向n 的指针。把m 的这些成员加进o p e n 表。对己经在o p e n 或c l o s e d 表上的每一个m 成员，确定是否需要更改通向n 的指针方向。对已在 c l o s e d 表上的每个m 成员，确定是否需要更改图g 中通向它的每个后裔顶点的指 针方向。 ( 8 1 按某一任意方式或某个试探值重排0 p e n 表。 ( 9 ) g ol o o p 。 以e 艘索过程可用图3 5 表示。 图3 4 圈的示例 华中科技大学硕士学位论文 图3 5 搜索过程 图搜索薹鎏藿羹羹羹羹薹票：薹季恽竖霉美耄幕鲻 醣鲢。髯型非叻释舷婴誊题笔二滏辎蟛圳踹鬈萋务， 黟噬基嘴趟羹葫孺草羹薹；萎篓羹赛熊稼杜蜊嚣蔷二酽羹瑟省涛懂攥稀稀獭喇 埔惺蕊游j 幕j g 擘莹蒸篓纠刭丝婪鎏萋蚕雀前； ! ；垒i 墓j 蚕i 毳i 霎；季j j 主；i 蠢；妻。g 薹 ，钢描携菥栉彭些 要求，例如对于调度操作、故障处理的实时性。为了 满足这种需要，d t s 系统数据模型具有以下特点： 1 、共享s c a d a e m s 系统数据源。如图2 7 所示。s d 6 0 0 0 系统提供导出功能 华中科技大学硕士学位论文 答) 。 ( 2 ) 如果o p e n 是个空表，则没有解，失败退出；否则继续。 ( 3 ) 把第一个节点( 节点n ) 从o p e n 表移出，并把它放入c l o s e d 的扩展节点 表中。 ( 4 ) 扩展节点n 。如果没有后继节点，则转向上述