（电气工程专业论文）上海市城乡配电网数据采集与故障诊断系统研究与设计.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 a b st r a c t t r a d i t i o n a lr e s e a r c h e so np o w e rs y s t e mf a i l u r ea r eb a s e do nt h es w i t c ha n d p r o t e c t i o ni n f o r m t i o n f r o ms c d a s y s t e m s u c hi n f o r m a t i o n ，h o w e v e r ， is c o n si d e r a b l yi n c o m p l e t e ，a n df a u ltr e c o r d e r ，a na dh o ca u t o m a ti cd a t ap r o c e s s o r w h i c ho f f e r sr e f e r e n c ei n f o r m a t i o nt op o s t - a c e i d e n ta n a l y s i s ，c a n n o ta c ta sa r e a l t i m ef a u l td i a g n o si sd e v i c e t h e r e f o r e ，t h ed a t ac o l l e c t i o na n df a u l t d i a g n o s i s s y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h er e b u il d i n go fu r b a na n dr u r a l n e t w o r k si nc h i n a b a s e do nt h er e n o v a t i o no fa1 0 k vp o w e r s y s t e mi nac e r t a i n p a r to fs h a n g h ai ，t h isp a p e rm a k e sd e t ail e dd e si g no nd a t ac o ll e c ti o na n d c o m m u n i c a t i o no fs c a d as y s t e m ，a n dp e r f o r m sp r o f o u n dr e s e a r c h e so nf a u l td i a g n o s i s s y s t e m f i r s tl y ，t h is p a p e rc o n d u c t sd e t a i l e da n a l y s is o nt h ec o n f i g u r a t i o na n d f u n c t i o no fd s c a d as y s t e mo nt h eb a s iso fs c d as t r u c t u r ef o ra1 0 k vn e t w o r ki n ac e r t a i np a r to fs h a n g h a i s e c o n d l y ，i ts t a r t sr e s e a r c h i n go nt h ei n f r a s t r u c t u r e o ft h ea u t o m a t i cn e t w o r kd a t ac o l l e c t i o ns y s t e ma n de x p l i c a t e sa 1 1t h ec o l l e c t i o n m o d u l e s t h i sp a p e ra 1s od e f i n e si n f o r m a t i o ne x c h a n g er e g u l a t i o n sf o rv a r i o u s 1 a y e r so f t h i sp o w e rs y s t e ma c c o r d i n gt o it sc o m m u n i c a t i o na n d s t r u e t u r a l c h a r a c t e r is t i c s w e v ea d o p t e db i c h a n n e ls c d as y s t e ma n df a u l ti n f o r m a t i o n s y s t e mi nt e r m so fs o f t w a r ed e s i g n w i t he x p e r ts y s t e mt e c h n o l o g ya n dl a y e r e d d e si g n ，t h e s es y st e m sp e r f o r mi n t e g r a t e df o r w a r da n db a c k w a r di n f e r e n c es o a st o m a k et h eb e s to fa 1 1t h ef a u l ti n f o r m t i o n f o r w a r dd a t ad r i v ei sl a u n c h e db ys w i t c h a n dp r o t e c t i o ni n f o r m a t i o n ，a n db a c k w a r di n f e r e n c eisc o n d u c t e da c c o r d i n gt o e x p e r ts y s t e mr e g u l a t i o n s a tt h es a m et i m e ，w et a k ear e f e r e n c et ot h ed a t af r o m 浙江大学硕士学位论文摘要 f a u l tr e c o r d e rs o a st os u b m i td e t a il e da n dd is t i n c ta n a l y s i sa n da p p ll a n c e a s s e ss m e n t s c a d a ，t h er e a l t i m ef a u l td i a g n o s iss y s t e m ，s e e m sm o r ef l e x i b l e ， i n t e l1i g e n t ，a n dr e li a b l ev e r s u sit st r a d iti o n a lp e e r k e yw o r d s ：s c a d as y s t e r n ，d a t ac o ll e c t i o n ，f a u l td i a g n o s is ，e x p e r ts y s t e m ， t r a n s m is si o nn e t w o r k m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，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，也不包含为获得浙婆太堂或其他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 示谢意。 学位论文作者签名： 唧签字隰 川年3 其6 b 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解浙堑太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堂 江太堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者繇旃唧 签字日期：2 卯夕年弓月日 嚣差兹燃甓觞工作单位：上鹿维兜麂熬气奄髓 通讯地址上凌缰并中：殆房劳秽团膨 导师签名： 签字日期：年月日 蜮：| 卯6 哆d 吲1 、 邮编：2 锣吃j 浙江大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 课题的研究背景 现代电网结构越来越复杂，而且逐步向区域联网，全国联网的方向发展。而大电网 的运行越来越依赖于对各种信息的有效分析和处理。在电力系统发生故障时，尤其是发生 大面积复杂故障时，仅仅依靠传统的s c a d a 系统提供的保护信息和开关变位信息，调度运 行人员难以做出准确的判断。而来自继电保护和故障录波装置的信息越来越成为事故分析 和系统恢复的重要依据。因此，急需建立集继电保护，故障录波装置，自动装置的信息采 集、分析、故障诊断于一体的系统。 随着上海电网的不断发展，l o k v 配电站的建设不断扩大。为及时诊断故障快速隔离 及缩短抢修时间提供保障，因此开发和发展各种类型配电站的自动化应用是非常重要的。 同时为使配电站自动化技术在上海电网的建设中得到规范、合理的推广与使用，有必要在 目前1 0 k v 配电站的一、二次设备配置的基础上，以现有i o k v 基本配置保护、故障诊断自 动化装置和配变信息采集终端为基础，充分利用现有装置在信息采集输出上的优势及电力 电缆屏蔽层载波通信及其他通信技术的成熟，寻求一种技术先进、高效、灵活且经济实用 的方式，以实现1 0 k v 配电站的信息采集并传输至控制中心，从而改变目前配电站信息盲 区的现状；并以此为依托，深入解决其它各类配电网数据的采集传输问题，使配电网数据 成为各供电分公司生产管理系统的主要支撑数据平台。 本课题以上海城乡电网1 0 k v 配电自动化技术原则为依据，以应用于3 5 k v 及以 上电压等级的d - s c a d a 系统为基础，对10 k v 电压等级的各类型变电站的配电自动化中的 数据采集及故障诊断。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 数据采集国内外研究现状 大电网的协调安全运行和电力市场实施都需要有高水平的调度自动化系统。2 0 0 3 年 8 月美加州发生的大停电事故，其中最主要的原因是缺乏统一调度，不能及时采取有效措 1 浙江大学硕士学位论文绪论 施分析处理事故。从目前电网运行来看，电力系统自动化的高层应用软件( e m s ) 已得到了 广泛的应用，但由于只停留在分布式独立在线计算分析阶段，还需要调度人员进行被动调 用进行计算分析，然后再进行综合决策，使调度自动化应用软件为调度员提供辅助决策受 到了一定的限制。 由于采用的信息不同，实现故障诊断的方法也各异。国外电力系统自动化程度较高， 在调度端能够获得相对比较完备的开关、保护信息，所以用得最多的主要基于保护信息的 故障诊断方法，采用保护范围取交集的策略，确定故障元件。 国内现有的大部分电力监控与数据采集( s c a d a ) 系统只能采集完整的开关信息以及 少量的保护信息，传统的电网故障诊断系统主要依靠调度端s c a d a 系统得到的开关状态以 及少量的保护信息或人工查询保护的方式来进行，一般这种系统可以给出粗略的故障区 域，但其信息冗余度低、容错能力差，而且实时性达不到要求，往往不能得出唯一解。随 着电力系统逐步数字化、信息化，系统对安全性、可靠性、可预测性的要求不断增强，继 电保护及故障录波联网的步伐也不断加快。在调度端可以获得相对完整的开关变位信息、 保护动作信息以及安全自动装置和电气量的信息，这些为建造新一代智能化、信息化、自 动化的电网在线故障诊断系统创造了充分条件。现代化的电网故障诊断系统，应能够充分 利用整个电力系统时间上和空间上分布的广域信息，不仅能在电网发生故障时快速准确判 断故障，给出可靠的故障原因以及二次设备和各种自动装置的动作评价结果，而且还能对 电网的异常情况进行识别，从而为故障恢复处理创造了更有利的条件。 1 2 2 配电网故障诊断国内外研究现状 电力系统输配电网络的故障诊断是一个不良结构的问题，通常是一个逐步求精的过 程，它不但受控制设备的开关影响，而且还与保护设备的设置等有关。故障诊断过程主要 是对各级各类保护装置产生的报警信息、断路器的状态变化信息以及电压、电流等电气量 测量的特征进行分析，根据保护动作的逻辑和运行人员的经验来推断可能的故障位置和故 障类型。由于这一过程基本上是一个以符号逻辑和推理为主的判断过程，难以建立精确的 2 浙江大学硕士学位论文绪论 数学模型，而人工智能方法则由于其善于模拟人类处理问题的过程，容易计及人的经验以 及具有一定的学习能力等特点在这一领域得到了广泛的应用。经过多年的研究，用于故障 诊断的相关人工智能的方法有专家系统、人工神经网络、模糊诊断、专家系统与人工神经 网络相结合、专家系统与模糊诊断相结合等。由于专家系统方法能够给出确切的诊断过程 和因果解释，比较易于接受，其结果的正确性也有理论上的保证，所以在实际中应用最多、 应用最成功。 由于采用的信息不同，实现故障诊断的方法也各异。国外电力系统自动化程度较高， 在调度端能够获得相对比较完备的开关，保护信息，所以用得最多的主要基于保护信息的 故障诊断方法，采用保护范围取交集的策略，确定故障元件。 国内现有的大部分电力监控与数据采集( s c a d a ) 系统只能采集完整的开关信息以及 少量的保护信息，传统的电网故障诊断系统主要依靠调度端s c a d a 系统得到的开关状态以 及少量的保护信息或人工查询保护的方式来进行，一般这种系统可以给出粗略的故障区 域，但其信息冗余度低、容错能力差，而且实时性达不到要求，往往不能得出唯一解。随 着电力系统逐步数字化、信息化，系统对安全性、可靠性、可预测性的要求不断增强，继 电保护及故障录波联网的步伐也不断加快，在调度端可以获得相对完整的开关变位信息、 保护动作信息以及安全自动装置和电气量的信息，这些为建造新一代智能化、信息化、自 动化的电网在线故障诊断系统创造了充分条件。现代化的电网故障诊断系统，应能够充分 利用整个电力系统时间上和空间上分布的广域信息，不仅能在电网发生故障时快速准确判 断故障，给出可靠的故障原因以及二次设备和各种自动装置的动作评价结果，而且还能对 电网的异常情况进行识别，从而为故障恢复处理创造了更有利的条件。 1 3 课题的研究意义 目前，我国配电网网架普遍比较薄弱，缺乏整体规划。绝大多数都是树状网，配电 网主干线界面较小，且多为架空线路，供电半径大( 尤其是农网) ，导致损耗严重，电能质 量差。配电设备普遍陈旧，大多是不可遥控的，配电网运行监控设备少，信息搜集量少， 3 浙江大学硕士学位论文 绪论 导致了故障处理自动化水平低，故障恢复供电速度慢。配电网普遍都是单电源，而且线路 分段少，导致停电面积扩大，故障检测速度慢，供电恢复时间长件。 虽然，近年来，全国各地纷纷对城网和农网进行了改造，许多配电自动化系统投入 了使用，大大提高了供电可靠性、供电质量和服务质量。但是，由于各地在配电网结构、 自动化水平、经济实力和用户需求等方面存在差异，对于如何建设配电自动化系统一直都 没有一个同一的标准。如何选择适合本地情况的配电自动化系统并付诸实施，一直是各地 供电部门关心的问题。 d - s c a d a 系统对于电力系统配电自动化，乃至整个电力系统实现自动化有着至关重要 的意义，而目前为止，d - s c a d a 系统只实现了在3 5 k v 及以上电压等级电网中的应用，要 想真正的实现整个电力系统的配电自动化就必须解决d - s c a d a 系统在1 0 k v 电网中应用时 的相关技术问题，从而实现d - s c a d a 系统在l o k v 电网中的推广，因此此次技术改造具有 非常重要的工程价值。 1 4 本文主要研究内容 本课题以上海电网10 k v 配电自动化技术原则为依据，以应用于3 5 k v 及以上电 压等级的d - s c a d a 系统为基础，对1 0 k v 电压等级的各类型变电站的配电自动化中的数据 采集及故障诊断。主要的研究内容有下面几个方面：结合上海市东供电公司的实际情况， 对1 0 k v 电网s c a d a 系统进行设计，并对1o k v 电网d - s c a d a 系统配置及功能要求进行了详 细的分析。研究了配电自动化网络数据采集系统的组成结构，对各个采集模块进行详细的 分析，同时按照配网通信的特点和结构层次，进行了各层通信规范的选择和设计，最后进 行通信软件的设计。研究专家系统和人工神经网络等人工智能技术与方法在输电网络故障 诊断中的应用，建造了一个基于s c a d a 系统的输电网络故障诊断专家系统。系统能在电网 发生故障时，根据故障数据信息和专家领域知识，判别发生故障的线路、母线，线路的故 障类型以及断路器、保护的动作性能，并给出维修建议。这对调度员处理故障是一个有力 的辅助工具，可起到缩短故障处理时间，阻止故障扩大的作用，保证电力系统的稳定运行。 4 浙江大学硕士学位论文1 0 k v 配电网系统设计 2 配电网数据采集与故障诊断概述 2 1 电网调度自动化系统的发展概况 电网调度自动化系统概念的提出是在5 0 年代中期，这标志着现代电网自动化的开始。 以前只有远动装置及机电式的调频装置，不成为系统。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，开始把计算机系统的应用从以考虑经济为主转移至以安全为主， 就出现了所谓电网s c a d a 系统。 s c a d a ( s u p e r v is o r yc o n t r o la n dd a t aa c q u is i t i o n ) 系统，即数据采集与监视控制 系统。s c a d a 系统是以计算机为基础的d c s 与电力自动化监控系统；它应用领域很广，可 以应用于电力、冶金、石油、化工等领域的数据采集与监视控制以及过程控制等诸多领 域。在电力系统中，s c a d a 系统应用最为广泛，技术发展也最为成熟。它在远动系统中 占重要地位，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，即我们所知的”四遥”功能。r t u ( 远程终端单 元) ，f t u ( 馈线终端单元) 是它的重要组成部分在现今的变电站综合自动化建设中起了相 当重要的作用。 s c a d a 系统发展到今天已经经历了三代，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。第二代是8 0 年代基于通用计算机的s c a d a 系统，在第二代中，操作系统一 般是通用的u n i x 操作系统，s c a d a 系统在电网调度自动化中与经济运行分析、自动发电 控制( a g c ) 以及网络分析结合到一起构成了e m s 系统( 能量管理系统) 。第一代与第二代 s c a d a 系统的都是基于集中式计算机系统，并且系统不具有开放性，因而系统维护，升级 以及与其它联网存在很大困难。9 0 年代按照开放的原则，基于分布式计算机网络以及关 系数据库技术的能够实现大范围联网的e m s s c a d a 系统称为第三代。这一阶段是我国 s c a d a e m s 系统发展最快的阶段，各种最新的计算机技术都汇集进s c a d a e m s 系统中。 s 浙江大学硕士学位论文1 0 k v 配电网系统设计 2 2 电网调度自动化系统的主要作用 电网调度自动化已成为调度现代电网的重要手段，其作用主要有以下三个方面： 1 、对电网安全运行状态实现监控 电网正常运行时，通过调度人员监视和控制电网的周波、电压、潮流、负荷与出力； 主设备的位置状况及水、热能等方面的工况指标，使之符合规定，保证电能质量和用户计 划用电、用水和用汽的要求。 2 、对电网运行实现经济调度 在对电网实现安全监控的基础上，通过调度自动化的手段实现电网的经济调度，以 达到降低损耗、节省能源，多发电、多供电的目的。 3 、对电网运行实现安全分析和事故处理 导致电网发生故障或异常运行的因素非常复杂，且过程十分迅速，如不能及时预测、 判断或处理不当，不但可能危及人身和设备安全，甚至会使电网瓦解崩溃，造成大面积停 电，给国民经济带来严重损失。为此，必须增强调度自动化手段，实现电网运行的安全分 析，提供事故处理对策和相应的监控手段，防止事故发生以便及时处理事故，避免或减少 事故造成的重大损失。 2 3 当前s c a d a 的基本功能模块 不同的电网调度中心，因其所处的地域不同，调度电网范围和规模不同，发展阶段 不同，所采用的调度自动化系统的应用软件配置有很大差异，数据采集与监视控制即 s c a d a 系统，是各种档次电网调度自动化都应具备的基本功能，其功能可以分为以下几个 子功能模块( 如图2 - 1 ) ： 6 淅江大学硕士学位论文 o k v 配电网系统设计 i皿 1 一1 一：釜献 一 乏黉毫支 i 蕈鲤翠_ ， 一 二舅亘囊、 二童墓 o _ - 一：二 蒜f 瞒再i 酶鬲 捕? 湍，乏 毋2 一ls c a d a 系统功能模块 2 3 1 数据采集与传输 数据采集功能是由位于电网调度控制中心的主站计算机系统和位于远方电厂，变电 站的r t u 及相关的信息传输通道共同完成的r t u 负责采集现场由p t ，c t 、电度袁等测 到的生数据，并进行必要的处理，以适应数据通道的需要。数据信息经通道传到王站，主 站计算机系统将数据转换成工程量，再提供给人机联系子系统，输出给调度运行人员 由s c a d a 采集到的远方数据大体包括三粪：模拟量。数字量脉冲量，印所谓的遥 测量、遥信量电度量模拟量包括有功功牢无功功率电流、电压等。在通常的s c a d a 系统中，厂站端r t u 以很短的周期扫描模拟量量剥系统的输出，如果某个量的检测值 匕前 一次的值的差超过了一定的范围( 死区) ，那幺，这个新的量测值就被发往主站。断路墨 隔离开关、保护等的状态信息，属于遥信量，当r t u 捡剥到遥信量的变化时，新的值就被 发往主站。脉冲量退常是由脉冲电度袁量剥到的电度量，量剥到的脉冲累加量要连续的发 往主站，才能保证主站收到可用的电度量。另外，每个一定的时间厂站端设备也会发一次 全数据，将所有的遥测，遥信电度，发给主站端 另外，系统还可对允许遥控的开关刀闸进行遥拉操作，对主变分接头进行升降操 浙江大学硕士学位论文 io k v 配电网系统设计 作，并自动生成操作过程的全部记录等。 2 3 2 事故追忆功能 此项功能是调度员能够在电网发生事故后，及时了解事故前后发生的电网事件序列。 能将电网事故发生的前一段时间和发生事故后一段时间电网中指定模拟量值和计算量值 列表显示。启动信号可以是时实采集的模拟量或状态量，也可是计算模拟量或计算状态量。 2 3 3 历史数据存储 实时数据库中的任何数据都可以被保存到系统的历史数据库中。数据类型主要是遥测 量、电度量。通过m m i ( 人机对话) 环境中的历史数据检索功能对历史数据库进行操作和管 理。历史数据可以复制在磁带和磁盘上。事件数据可以按名称、时间等来检索。 2 3 4 报表功能 报表对于日常统计应用来讲是非常重要的，所以一般s c a d a 系统都具有较强的报表功 能，能方便的提取历史数据库数据。系统除了应提供报表中经常要使用的计算公式( 最大、 最小、平均和带条件计算等) 外，维护员还可以自己制作计算公式。报表数据维护，包括 制作、修改有权限规定。方便用户自己定义各种统计分析报表，如供电可靠性、设备可靠 性统计分析报表等。 2 3 5 特殊运算功能 有些时实数据不是直接量测到的，比如联络线潮流总加、全网发电总功率，实际上， 这类数据是s c a d a 利用特殊运算功能得到的。特殊运送功能就是对某些直接采集到的数据 进行某种数学运算，得到一些不能直接采集到和由于某种原因没有采集到的数据，以弥补 量测系统的不足，满足电网调度的需要。主要包括实时数据( 遥信、遥测、常数及其组合) 的计算功能，历史数据( 遥信、遥测、常数及其组合) 的计算功能。启动计算功能的速率应 可调整。提供成套完整的计算公式，算法包括四则运算、逻辑判断等。该功能扩大了s c a d a 提供的时实数据规模，更适应电力系统调度运行的需要。 目前各厂家生产的调度自动化s c a d a 主站设备虽然都各有特点，但都具有以上基本功 r 浙江大学硕士学位论文 1 0 k v 配电网系统设计 能。 2 4 输电网络故障分类 输电网络是电力系统中的一个中间环节，负责将电能从各发电中心送到各负荷中心。 本文所说的输电网络包括输电线路、母线以及监控装置( 如断路器、保护、通讯装置等等) 。 电力系统运行中，输电网络的异常与事故主要可以划分为输电线路故障、母线故障、系统 振荡、系统瓦解等，一方面就这几类事故的现象作简单归纳： 1 ) 输电线路故障 电力系统的运行经验表明，输电网络故障中，大多数都是输电线路的故障，且这些故 障又大都是“瞬时性”的故障，例如，由雷电引起的绝缘子表面闪烙，大风引起的短时碰 线，通过鸟类或树枝等物掉落在导线上引起的短路等等。在线路被继电保护迅速动作控制 断路器跳闸后，故障点的绝缘平衡可自行恢复，故障随即消失。此时，如果把跳闸的线路 断路器重新合上，就能够恢复正常的供电。另外也有“永久性故障”，例如，由于线路倒 杆、断线、绝缘子击穿或损坏等引起的故障，在线路被断开之后，它们依然是存在的。在 输电线路故障中，常见的几种故障类型包括： a ，单相接地短路，单相接地短路是最常见的故障，约占全部故障的8 0 以上。对于 中性点直接接地系统，发生单相接地时，要求迅速切除故障点。对于中性点不接地或中性 点经消弧线圈接地的系统，发生单相接地时，允许短时间带电运行，但要求尽快寻找接地 点，将接地部分退出运行并进行处理。 b ，两相接地短路，两相接地短路一般不会超过全部故障机率的1 0 。在中性点直接 接地系统中，这种故障多在同一地点发生；在中性点非直接接地系统中，常见情况是先发 生一点接地，而后其他两相对地电压升高，在绝缘微弱处形成第二接地点，此两点多数不 在同一点。 c ，两相短路及三相短路，两相短路及三相短路相对较少，一般不超过全部故障机率 的5 ，但这种故障比较严重，故障发生后要求更迅速的切除。 o 浙江大学硕士学位论文1o k v 配电网系统设计 d ，断相，断相的故障机率更少，约为1 。这种故障造成系统非全相运行，一般不允 许长期存在，应由继电保护装置自动切除，或由工作人员手动断开其他非故障相。 e ，转换性故障、重叠故障当发生以上几种故障后，往往由于故障的演变和扩大，可 能由一种故障转换为另一种故障，或发生两种或两种以上的重叠性故障( 或称复故障) ，这 种故障约占全部故障机率的5 以下。 2 ) 母线故障 电力系统中枢纽变电所的母线上发生故障时，可能会使系统用户停电，使相关的联络 线过载，严重的还可能引起系统稳定的破坏，造成严重后果。发生母线故障的原因主要有： 母线短路或母线保护拒动、误动作；送出线故障引起的越级跳闸等等。 3 ) 系统振荡 系统振荡对系统的影响比起以上单个元件的故障，对输电网络的打击要更大，严重的 可能使系统瓦解。系统振荡时，各发电机和电源联络线上的功率、电流、以及某些节点的 电压将有不同程度的周期性的变化。同步振荡时，规程规定还有较多的时间允许来消除振 荡源，当异步振荡时，规定在系统振荡超过三分钟仍未消除时，就应迅速按规定的解列点 解列。产生系统振荡的主要原因有：1 系统中发生事故特别是临近重负荷长输电线路的地 方发生短路事故时，易引起稳定破坏而失去同步；2 大容量机组跳闸或失磁，使系统联络 线负荷增大或使系统电压严重下降，造成联络线稳定极限降低，易引起稳定破坏，等等。 4 ) 系统瓦解 系统瓦解是指由于电力系统稳定破坏、频率崩溃、电压崩溃、连锁反应或自然灾害等 原因造成的大面积的停电事故状态，对电力系统和用户危害最大，损失也最大。一般这种 系统瓦解事故起源于一条输电线路( 或一组变压器) 的过负荷或事故跳闸造成的连锁反应。 所以对单个元件的事故处理务必要迅速、及时，防止事故的扩大、对输电网络产生毁灭性 的影响。 l o 浙江大学硕士学位论文1 0 k v 配电网系统设计 2 5 状态监测、故障诊断的基本概念与方法 状态监测是利用各种传感器对反映设备和系统的运行状态的物理、化学量进行检测， 从而判断设备与系统是否处于正常状态。所谓故障，广义的讲，可以理解为任何系统的异 常现象，使系统表现出所不期望的特性。这里所说的故障诊断是指根据状态监测所得到的 反映设备与系统状态的各测量值及其运算处理结果所提供的信息，找出系统的故障部位、 原因及严重程度，并提出处理意见。严格来说，故障诊断与状态监测是相互联系而含义又 有所不同的，状态监测是对被监测对象的健康检查，而故障诊断是对被诊断对象的确诊， 不过通常所说的故障诊断包含了状态监测的内容。故障诊断的基本内容一般包含以下几个 方面： 1 ) 故障检测：通过各种检测手段、测定运行设备的各项数据，用作判断故障的依据； 2 ) 故障分析：根据检测到的故障信息进行分析，以寻找故障原因，确定故障的性质和 程度： 3 ) 故障评价：根据故障的位置、性质、程度，对整个系统的影响作出判断，确定故障 的等级： 4 ) 故障决策：根据故障评价的结果，对系统作出报警、停机等决定。 从本质上讲，故障诊断技术是一个模式分类与识别问题，即把系统的运行状态分为正 常和异常两类，而异常的信号样本究竟属于哪个故障，这又是一个模式识别问题。近几十 年来，故障诊断技术得到了深入广泛的研究，提出了众多可行的方法，概括起来可分为三 大类： 1 ) 基于解析模型的方法，指在明了诊断对象数学模型的基础上，按一定的数学方法对 被测信息进行处理判断，它可分为状态估计法、等价空间法和参数估计法等。基于解析模 型的故障诊断方法是最早发展起来的，其主要思想是通过构造观测器估计出系统输出，然 后将它与输出的测量值作比较，从中获得故障信息。由于建模的困难与模型本身的误差以 及各种不可预见的因素( 如系统发生故障时，不仅可能引起模型参数的变化，还可能引起 1 1 浙江大学硕士学位论文 1 0 k v 配电网系统设计 模型结构的变化，而且这种变化是不确定的) ，大大地影响了其诊断的准确性。 2 ) 基于信号处理的方法，利用信号模型，如相关函数、频谱、自回归滑动平均、小波 变换等，直接分析可测信号，提取诸如方差、幅值、拯率等特征值，从而检测出故障。这 种方法由于不需要建立对象的解析数学模型，实现简单，在工程上具有广泛的应用，但这 种方法只有当故障发展到相当程度并影响到外部特征时才有效，而且只能对故障范围作出 粗略的判断，大多数情况下不能直接定位故障。 3 ) 基于知识的诊断方法，主要包括专家系统故障诊断方法、神经网络故障诊断方法、 模糊故障诊断方法等等。这类方法的主要优点是不依赖于具体的数学模型，而且克服了基 于信号处理故障诊断方法的缺点，引入了诊断对象的许多信息，具有较为丰富的、灵活的 知识表达和问题求解能力，它可以充分发挥人类专家在诊断中根据感觉、知识、经验所进 行的推理判断的能力，并可适合于各种场合的故障判别。 2 6 本章小结 本章对电网调度自动化系统的发展概况进行了基本的叙述后对s c a d a 系统的主要作 用和功能模块进行了研究，之后阐述了输电网络基本异常与事故类别以及故障诊断的基本 概念与方法。 1 2 浙江大学硕士学位论文配电网数据采集方式设计 310 k v 配电网系统设计 3 11 0 k v 配电网系统结构 上海菜地段电网完整的1 0 k v 配电网监控系统结构图见3 - 1 ，由于d - s c a d a 主站系统 与各类配电站杆变所采用的通信方式的不同，考虑到二次安全防护对安全分区的划分， 所以上海电网d - s c a d a 主站系统由两部分组成：实时监控子系统和准实时监测子系统。 ( 1 ) 实时监控子系统 实时监控针对10 k v 的k 型和纯电缆进线的p 型、w 型配电站，通过专用的通道( 光 纤、音频电缆、电缆屏蔽层载波等) 接入安全一区网络( 即调度网络) ，同时在一区构建 实时监控子系统。这部分的数据采集和控制是全实时的，即数据采集和控制都是即时传送。 控制部分目前只针对k 型站。d - s c a d a 主站系统通过物理隔离装置连接位于三区的接口服 务器，以满足安全性的要求。接口服务器完成对外数据接口，根据定义的接口标准实现对 实时数据平台的数据传送。 另外，原d a 系统通过与d - s c a d a 系统的数据交换接入实时数据平台。 ( 2 ) 准实时监测子系统 准实时监测针对非纯电缆进线的1 0 k v 的p 型、w 型和杆变，通过公共无线网络( 如 g p r s 或c d m a ) 接入安全三区网络( 即m i s 网络) ，同时在三区构建准实时监测子系统，进 行数据的呆集汇总。该主站系统只负责数据采集不进行遥控，且数据采集是准实时的。采 集系统通过接口服务器完成对外数据接口，根据定义的接口标准实现对实时数据平台的数 据传送。 d - s c a d a 系统应采用分布式的硬件和软件配置，整个系统应选用符合国际标准的、先 进的、通用的计算机硬件，必须功能完善、性能稳定；系统在结构和功能上都要实现分布 式。考虑到电力体制改革的深化，系统在改造时应考虑容量、结构和功能设计的可扩性。 整个系统应能实现硬件配置随时扩充而不需要修改任何软件，增加新的软件模块应不影响 浙江大学硕士学位论文配电网数据采集方式设计 整个系统运行的稳定性。 系统软件支撑平台应采用系统工业国际标准：服务器及工作站上采用p o s i x u n i x 操作系统，微机上采用w i n d o w s 操作系统；网络模型遵循i s o - o s i 七层网络参考模型、网 络协议遵循t c p i p ；编程语言采用c + + 、f f a v a 、f o r t r a n 等高级语言。软件要实现真正的 功能全分布，一项功能既可以在一台机器上实现，也可在多台机器上共同实现。 数据库采用实时数据库和商用数据库相结合的方式，既满足电力系统的实时性，又有 商用数据库的优越性。对数据库访问提供标准的a p i 接口，而且这种访问可延伸至多l a n 、 w a n 。 应用层功能真正开放，用户可以不修改原系统的任何程序，增加所需要的功能，即使 这些功能需要增加特殊的数据库表或属性域来支持。 1 4 浙江大学硕士学位论文配电网鼓据采集方武设计 4 崩毁“” 旦巴 勰 4 甘。审“审“ ir 麓。 ”譬0 白1 _ z * 二一# 嚣篙弋i 嚣；。 e 。褊窬。 南茈南 圉3 - ii o k v 配电网监控系统结构田 3 2d - s c a d a 系统基本配置 d - s c a d a 系统主要完成配电自动化信息的采集、处理与存储，并宴现对配电网的控制。 d - s c a d a 系统由前置采集系统、d - s c a d a 服务器、调度员工作站、工程师工作站、通信服 务器、网络子系统及外设等构成通信服务嚣通过网络交换机或路由器，完成与调度s c a d a 浙江大学硕士学位论文配电网数据采集方式设计 系统以及其它信息管理系统的接口与互联。d - s c a d a 系统的实时监控子系统和准实时监测 子系统具体配置如下： 3 2 i 实时监控子系统基本配置 成。 ( 一) 前置采集系统 实时监控子系统前置采集系统应由二套互为备用的前置处理机( 设立于安全i 区) 组 前置处理设备包括工作站、前置通信处理服务器、终端服务器或通信接口板、m o d e m 、 o p s 卫星时钟、故障切换板和带电源的标准工业机柜等。其中终端服务器或通信接口板用 于连接串行通信的配电终端设备，网络交换机用于连接网络型的配电终端设备。 实时监控子系统前置数据采集系统主要用于配电站( 杆变) 信息的接收、处理、监 视、控制命令发送等功能，并承担- 9 配电管理系统等信息系统的转发、与o p s 卫星时钟的 对时，能自动统计通道误码率、故障时间，记录故障起止时间、运行状态等，并形成日志 文件保存。 ( 二) 实时监控子系统数据库服务器 实时监控子系统服务器由二台互为备用的服务器组成，任何一台服务器的故障应不影 响整个系统的运行。实时监控子系统服务器一方面负责处理完成各种d - s c a c a 功能，另一 方面保存实时及历史数据库的数据。 ( 三) 调度员工作站 调度员工作站由二台工作站组成。能显示各种实时数据、历史曲线等，具有告警、事 故追忆等功能，并可对远方终端设备发送遥控命令。 ( 四) 工程师工作站 工程师维护工作站由一台工作站组成，主要用于对系统图形、数据的生成及维护、 系统网络的维护等。如：系统管理，网络管理、安全管理、通道管理，以及维护人员修改 1 6 浙江大学硕士学位论文配电网数据采集方式设计 系统信息等各种参数。 ( 五) 通信服务器 通信服务器由一台服务器组成，主要完成将系统采集的自动化信息发送到相关的调度 s c a d a 系统、配电生产管理系统以及其它信息管理系统，以实现与多个相关系统的接口与 互联。 ( 六) 网络子系统 网络子系统由所需的智能交换机、h u b 、网络安全隔离装置、终端服务器、网络附件 ( 包括工具，连接件、网络线、光纤) 等构成整个实时监控子系统所必需的设备组成。 ( 七) 外设 外设由实时监控子系统所必需的输出设备组成，如事故打印机、报表打印机等。 3 2 2 准实时监测子系统基本配置 ( 一) 前置采集系统 准实时监测子系统配置一套无线接收前置处理机( 设立于安全i i i 区) ，其中包括一台 采集与通信应用服务器、一台终端服务器和一个8 路机架式m o d e m 池和一台短信接1 ：2 装置。 采集与通信应用服务器完成规约处理、短消息处理、拨号呼叫、为客户端提供实时 事件报警、实时数据采集等功能。 终端服务器和一个8 路机架式m o d e m 池，根据需要进行语音拨号呼叫唤醒连接。 短信接口装置，通过下发短信方式修改负荷监测仪等设备的参数。 ( 二) 准实时监测子系统数据库服务器 准实时监测子系统配置一台数据库服务器( 安装o r a c l e9 i 数据库) ，完成基础数据 和历史数据的存储，历史数据的统计，以及与综合数据平台的数据接口。服务器操作系统 采用w i n d o w s2 0 0 3s e r v e r 。应用软件系统采用c 1l e n t s e r v e r 结构，客户机可以自动从 服务器上下载并更新为最新版本的客户端软件。 浙江大学硕士学位论文配电网数据采集方式设计 ( 三) 调度员工作站 由配电生产管理系统的调度员工作站兼做该子系统的调度员工作站。 ( 四) 工程师工作站 工程师维护工作站由一台工作站组成，主要用于对系统数据的生成及维护、系统网 络的维护等。如：系统管理、网络管理、安全管理、通道管理，以及维护人员修改系统信 息等各种参数。 3 3 本章小结 本章研究了上海电网完整的10 k v 配电网监控系统结构，按照这个结构从功能分类角 度对该系统的各个功能模块进行详细论述，并按照功能模块进行d - s c a d a 系统基本配置。 本章是全文的系统结构，下面章节中对系统的信息采集和故障诊断分析都是基于本章研究 内容。 浙江大学硕士学位论文配电网故障诊断系统设计 配电网数据采集方式设计 4 1 配电数据采集系统的组成及功能 目前在国内外的电力配电自动化系统中，各个通信方式( 如m o b i t e x ，g p r s ， c d m a ， p l c 和2 3 0 m h z 数传电台) 下的数据采集平台是相互独立的，各个数据采集平台通过各自的 网络与相应的电量采集终端通信，采集回本网络中的电量数据放到各自的后台数据库中， 以供后台各应用子系统调用。在当前各个通信方式并存的情况下，各数据采集平台只能取 用各自网络的电量数据，不能取用在其他网络下采集的电量数据，这种做法极大地浪费了 通信资源，加大了电力企业的成本；同时当前后台各应用子系统( 如抄表系统、监控系统 和配电系统等) 是相互独立的系统，每个子系统通过对数据采集平台下发命令进而与相应 的采集终端通信，采集回本系统的数据放到各自的后台数据库中，各系统只能取用独立的 数据，使得数据不能达到共享( 然而对于当前快速发展的配电自动化系统来说，各应用系 统所要处理的数据不仅需要本系统采集终端所采集回来的数据，而且还需要其他系统采集 的数据) 。 配电的数据采集属于配电自动化系统中的信息管理子过程，它是实现配电网自动化的 基础，其过程包括数据的采集、传输，分析处理和存储。基于多种通信方式( 如m o b it e x ， g p r s ，c d m a ，p l c 和2 3 0 m h z 数传电台) 的配电电量采集系统采用分层分布式系统结构设 计，充分考虑了电力系统对监测数据通信的要求，以计算机技术和网络通信技术为依托， 通过将电网中的各监测站点连成整体，实现了电力系统的网络化通信。可连续收集、记录 和存储被测区域内所有测量点的电量数据，为预先解决电网电能质量故障隐患，事后分析 事故原因等全面的职能化管理提供了可靠保证。基于多种通信方式的配电电量采集系统图 如图2 - 1 所示。 基于多种通信方式的配电电量采集系统主要由分布在各处的电量数据采集终端、各种 通信网络( 有线和无线) 、综合数据采集平台和各业务应用子系统构成。 1 9 浙江大学硕士学位论文 配电网故障诊断系统设计 ( 1 ) 数据采集系统的设计特点：采用面向对象技术，分组、分层设计的设计原则。 通信规约类库和通信设备类库设计的开放性和可扩展性。基于事件驱动的程序设计流程。 同组主备系统任务分流机制的实现。 ( 2 ) 数据源 数据采集软件运行于前置工作站上，采集和处理以下来源的数据：变电站、开关站、 环网柜、柱上开关、配电变压器等的实时数据，包括遥信、遥测、电度量，c , p s 时钟信号 和频率，及地调s c a d a 系统中实时数据；来自其它系统的数据，g p s 系统时钟同步信号、 能量累计数据及人工输入数据等非实时数据。系统可通过相应接口获取其它系统的实时数 据，对这些