（水利水电工程专业论文）电网调度员培训仿真系统中稳态模型的建立和实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 晕弘? 乒 斌要t j 一叫 电网调度员培训仿真系统( d i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t o r 简称d t s ) 是一套数 字仿真系统，它运用计算机技术，通过建立实际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，并将这些信息送到电力系统控制中心的模型内， 为调度员提供一个逼真的培训环境，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地实战演练的目的。 华中科技大学水电能源仿真中心与河南省电力调度通信局签订了研制调度员 培调模拟器的技术协议。作者参与了本项课题，完成了潮流计算软件的编制工作 f 电力系统潮流计算是d t s 系统中最基本的计算，潮流计算的结果又是频率计 算、动态计算等模块的基础，因此它是整个d t s 的基础揍文主要介绍了稳态潮 流计算模块中的各个部分，f 现详述如节： 。 第一章介绍了d t s 的概念、产生、发展及其意义。介绍了国内外d t s 的发 展现状。 第二章结合河南省的电力系统实际情况介绍了本套d t s 系统的硬、软件结构 和主要功能。 第三章主要对各种潮流算法作了性能上的比较，从总体上阐述了d t s 对潮流 计算的要求，将p q 分解法选择作为d t s 系统的稳态潮流算法。 第四章详细介绍了p q 分解法计算电网稳态潮流的各个组成模块，其中包括模 型的建立和程序的实现。 第五章中详细介绍了在稳态潮流计算所遇到的技术问题，包括加快收敛性的 研究，导纳矩阵、第一因子表和第二因子表的存储、以及负荷静特性的考虑等等。 针对以上问题，文中详细的讨论了的应对的方案，并在实际编程中加以运用。 第六章中给出了根据某时刻河南电网实时数据进行潮流计算的结果，从结果 可以看出，本文使用的算法可以满足河南d t s 的要求。 关键词：电力系统，潮流计算，导纳矩阵，收敛性， p q 分解法，电网调度员培训仿真系统 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t o ri s as e to f d i 百“s i m u l a t i n gs y s t e m ，w h i c hb u i l d s t h em a t hm o d u l eo fr e a lp o w e rs y s t e ma n dr e d i s p l a y st h es t a t u so fp o w e rs y s t e ma f t e r t h eo p e r a t i o n sa n dt h ea c c i d e n t a i it h ei n f o r m a t i o nw i l lb es e n tt ot h ec o n t r o lc e n t e r m o d l l l et h a tl o o k sl i k eav i r t u a l r e a le n v i r o n m e n tt ot h ed i s p a t c h e r s i nt h i se n v i r o n m e n t ， t h ed i s p a t c h e r sw i l lb et r a i n e da n dt h el e a lp o w e ts y s t e mw i l ln o tb ed i s t u r b e d h y d r o e l e c t r i ce n e r g ys i m u l a t i o nl a bo fh u s ta n dh e n a n p o w e r d i s p a t c h i n g & c o m m u n i c a t i o nc e n t e rh a v ec o o p e r a t e dt o d e v e l o pa s e to fd i s p a t c h e rt r a i n i n g s i m u l a t o rf o rh e n a np o w e rs y s t e m t h ea u t h o rt o o kp a r ti nt h i sp r o j e c ta n dt o o ki n c h a r g eo f t h es o f t w a 地d 髂i g no f l o a d f l o w m o d u l e l o a df l o wc a l c u l a t i o ni st h em o s te s s e n t i a la n di m p o r t a n tc a l c u l a t i o ni nd t s s y s t e m t h er e s u l to fl o a df l o wc a l c u l a t i o ni sb a s i ct ot h ef r e q u e n c yc a l c u l a t i o na n d d y n a m i cc a l c u l a t i o n ，s oi ti st h eb a s e m e n to f d t ss y s t e m t h ep a p 盯m a i n l yi n t r o d u c e s a l lp a r t so f l o a df l o wm o d u l eo f d t s 1 1 地c o n c e p t i o n , d e v e l o p m e n tp r o c e s so fd t s a n dt h er e s e a r c h i n gp u r p o s ea r e i n t r o d u c e di nc h a p t e r1 t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r eo fd t sa n dt h em a i nf u n c t i o no fd t sa r e i n t r o d u c e dd e t a i l e di nc h a p t e r2 砀el i m i t so f 垃el o a df l o wg i v e n b y t h ed t sa r ed i s c u s s e di nc h a p t e r3 ii nf u r t h e r , t h ec h a p t e ra l s o c o m p a r e sa l lo ft h ea l g o r i t h m so fl o a df l o wa n dc h o i c e s 也ef a s t d e c o u p l e dl o a df l o wa st h el o a df l o wa l g o r i t h mo f d t s a l l p a r t s o fl o a df l o w , i n c l u d i n gt h em o d u l eb u i l d i n ga n dp m g r a m m i n g ，a r e d i 璐s e di nc h a p t e r4 i nt h e b u i l d i n gp r o c e s s ，s o m ep r o b l e m s ，s u c ha sh o w t oa c c e l e r a t et h ec o n v e r g e n c e s p e e d ，h o wt os t o r et h ec o n d u c t i o nm a t r i xa n db ：b ”a n dh o wt oc o n s i d e rt h es t a t i c c h a r a c t e r i s t i co f l o a df l o w , w e r em e t t od e a lw i t ht h e m ，t h em e t h o d sa r ei n t r o d u c e di n c h a p t e r sa n d t h e yh a v e b e e n a p p l i e d i nt h e p r o g r a m s t h er e s u l to ft h el o a df l o wi sl i s t e di nc h a p t e r6 f r o m t h er e s u l t , w ec a ns t h a t t h ea l g o r i t h m o f f a s t - d e c o u p l e d l o a df l o wc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to f d t s k e y w o r d ：p o w e rs y s t e m ，l o a df l o w , c o n d u c t i o n m a t r i x ，c o n v e r g e n c e ， f a s td e c o u p l e dl o a d f l o w , d t s 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1d t s 的概念和产生的原因 1 1 1d t s 的概念【1 1 电网调度员培训仿真系统( d i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t o r 简称d t s ) 是一套数 字仿真系统，它运用计算机技术，通过建立实际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，并将这些信息送到电力系统控制中心的模型内， 为调度员提供一个逼真的培训环境，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地实战演练的目的。 1 1 2d t s 产生的原因1 2 j 随着电力系统及电力工业的飞速发展，电力系统的规模越来越大，单机容量 越来越大，输电线的电压等级越来越高，输电距离也越来越远，供电范围也越来 越广，现代化的继电保护及安全装置越来越复杂，系统的供电可靠性要求也越来 越高。但是电力系统的现代化并不能完全根除电力系统中的事故，由于各种各样 人为的、气候的、设备的原因，电力系统中存在着发生各种故障的可能性，有时 这种故障常常会因为运行方式编制不当及调度员处理不当而变成大面积、长时间 的灾难性的后果。电力系统的大面积停电事故是国民经济的灾难，将严重影响工 农业生产和人民的生活。面对这种极小概率的大面积停电事故采取何种对策才能 确保电力系统的安全稳定运行，已经得到越来越多的运行人员和研究人员的重视。 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。一旦系统进入了紧急状态，他们可以进行有效的紧急控制和恢复操 作，使系统恢复到安全状态，杜绝由一般事故演化为大面积的长时间的灾难性的 事故。而运行人员的经验又来自实际生产和操作，是在生产过程中不断地总结出 来的。对于一个新手来说，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，也面临着由于电网不断扩大、结构日益复杂而带来的各种新问题。这 样就出现了一个如何才能够更好地、更切合实际地培训新老运行人员的问题。 华中科技大学硕士学位论文 以前的培训有几种方式，如跟班学习、课堂式的反事故演习、事故处理经验 总结等等。这些方式效率低、周期长、效果差。在实际事故中调度员仍然会束手 无策。问题的关键是调度员有没有机会在电网多次异常和事故中磨练，积累处理 事故的知识和经验。而电网的事故概率恰恰又很小，难得碰见，并且过程很短， 稍纵即逝，调度员很难在一次事故中学到很多东西。实际电网又不允许人为制造 事故，更不可能多次制造事故。动模实验室和计算机电力系统离线计算程序可以 对调度员分析事故有所帮助，但是它们离调度员所面对的电力系统的真实感和实 时感又相距太远。必须开发一种既不影响实际电网的运行又能提供真实环境让调 度员真刀真枪地进行处理操作的调度员培训仿真系统。现在通过培训仿真来提高 运行人员的专业水平，杜绝由一般事故演变为灾难性的大面积的事故，已被认为 是最积极的反事故的措施之一。一次灾难性的电网事故将导致数亿元人民币的经 济损失，而一个省网级调度员培训仿真系统的投资仅仅两百多万人民币，仅占事 故损失的l 左右，一个地调级调度员培训仿真系统的投资仅仅五十多万元人民币 左右，所以其获得的经济效益和社会效益是非常巨大的。 自七十年代以来，电力系统调度员培训模拟仿真系统得到了迅速的发展。1 9 7 6 年l a t i m m e r 在明尼苏达电力系统年会上首先提出了调度员培训模拟器的概念。 1 9 7 7 年佛罗里达大停电的灾难，使人们更加认识到对反事故措施的研究以及对调 度员进行培训的重要性。1 9 8 4 年，美国电力科学研究院( e p ) 提出了电力系统 调度员培训模拟器的设计规范和要求。美国电力系统计算机应用公司( e s c a ) 研 究开发的调度员培训模拟器，已基本实现了所有预想功能，为受训调度员完成系 统正常和非正常操作提供了实时环境。另外，美国控制数据公司( c d c ) 和日本 的东京电力公司也先后推出了调度员培训模拟器，使其成为提高电网运行水平、 防止发生事故的有力工具。 为了适应电网的迅速发展，为了使调度员在新的情况下得到良好的训练，开 发现代化的调度员仿真系统以变得追在眉睫。利用它对新调度员进行上岗培训， 对老调度员进行年度培训，在真实的监控和操作环境中，使调度员对其所辖电网 的特性和薄弱环节有深入的了解，获得保证电能质量和预防出现重大事故的能力， 迅速积累正确的判断和处理各种故障的经验。d t s 可以帮助调度员熟悉 s c a d a e m s 系统的操作，并作为调度员业务水平晋级考核的工具，为调度员和 运行方式人员提供和选择较好的电网控制和调节方案。d t s 的正确使用会大量减 2 华中科技大学硕士学位论文 少因调度员处理延迟和操作失误造成的各种大小事故，使电网安全经济运行达到 一个新的水平。 1 2 国内外d t s 的发展现状 1 2 1国外d t s 的发展现状【2 j 【5 删 自从d t s 概念提出以来，国外d t s 的发展经历了几个阶段： ( 1 ) 7 0 年代以c d c 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程为基础。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：g e 公司长时间研究的l o t d y s 程序于1 9 7 4 年 问世：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 年代初出现了以美国能源控制公司( e s c a ) 和波因能源控制 公司( b o m g ) 为代表的第二代d t s 。其硬件平台为v a x l l 7 8 0 ( e s c a ) 和 s e l 3 2 7 7 ( b o i n g ) 超级小型机。其软件技术的核心是长过程模拟( l o n gt e r m d y n a m i cs i m u l a t i 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 本加紧了对d t s 的研究，并在1 9 8 1 年成立了总部在名古屋的中部电力公司的模 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 i ) 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。 1 2 2国内d t s 的发展现状【3 1 【4 1 【6 】啊 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 华中科技大学硕士学位论文 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 据库和画面) ，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 j s c ) 、 u n i x 操作系统引入d t s 系统，形成复杂指令( c i s c ) 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，已 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 3 课题的来源1 】 河南省位于黄河中下游，东与安徽省、山东省接壤，西与陕西省毗邻，南邻 湖北省，北连山西省、河北省。地处中原，地理条件优越。 解放以后，河南电力工业得到迅速发展。到1 9 9 0 年已形成具有2 2 0 k v 主网架 的中原电网，南连华中电网，西连陕西电网，并向山西省南部送电。目前，河南 电网的骨干网架仍由2 2 0 k v 网络为主，5 0 0 k v 网架尚未形成。至1 9 9 8 年底，河南 电网共有2 2 0 k v 线路1 0 7 条，线路总长达到5 8 2 6 0 5 k m ，有5 0 0 k v 线路两条，河 南境内线路总长度3 1 9 9 k m ；共有2 0 0 k v 变电站5 2 座，9 7 台主变压器，总容量 1 1 4 6 8 m 千伏安，有5 0 0 k v 变电站一座，容量为5 0 m 千伏安。河南电网以火电为 主，截止1 9 9 8 年底，全省装机容量1 3 7 8 4 4 m w ，火电占9 5 4 4 ，其中，省调通 装机9 3 0 0 m w ，集体电厂1 4 4 5 m w ，地方电厂4 3 3 9 9 m w 。全省发电量为6 2 6 2 4 亿千瓦时，其中省网发电量4 2 3 1 0 亿千瓦时，集体电厂发电量为5 1 3 亿千瓦时， 地方电厂发电量为1 9 7 8 3 亿千瓦时。1 9 9 8 年底，全省用电量为6 4 5 0 9 亿千瓦时， 其中，工业用电量为4 7 3 9 2 亿千瓦时，农业用电量为5 5 6 5 亿千瓦时，城乡居民 生活用电量为6 2 4 8 亿千瓦时。 九五期间，河南电网又得到了较大发展，网络结构也有较大变化。仅在1 9 9 9 4 华中科技大学硕士学位论文 年底，新增装机容量6 9 2 m w ( 蒲山电厂2 撑机，洛阳双源2 撑机，伊川电厂3 拌机和 小浪底1 # 机) ，新增5 0 0 k v 线路2 8 0 k m ( 洛阳郑州线路) ，5 0 0 k v 变电容量 1 5 0 0 m v a ( 洛阳变) ，新增2 2 0 k v 线路4 6 7 k m ( 信阳潢川i i 回线路等) ，2 2 0 k v 变电容量1 2 9 0 m v a ( 滑县变电站等) 。1 9 9 9 年，全省用电预计达6 6 0 亿千瓦时， 平均最高可调出力为6 5 2 0 - - 8 0 1 0 m w 。 本着真诚合作的意愿与精神，河南电力调度通信局决定与华中科技大学共同 开发河南电网d t s 系统。其目标是，建立一个能够反映河南电网真实运行状况， 稳态和动态功能比较完备、操作灵活、维护简便、安全性好、可扩充性好的d t s 系统。 1 4 本文的主要工作介绍 由于本文作者主要负责d t s 中稳态模型的建立和实现，所以本文主要介绍了 稳态潮流计算模块中的各个部分，现详述如下： 第一章介绍了d t s 的概念、产生、发展及其意义。介绍了国内外d t s 的发 展现状。 第二章结合河南电网介绍了d t s 系统的硬、软件结构和主要功能，并介绍了 d t s 设计的总体要求。 第三章主要从总体上阐述了d t s 对潮流计算的要求，进而对各种算法作了性 能上的比较，将p q 分解法选择作为d t s 系统的稳态潮流算法。 第四章详细介绍了p q 分解法计算电网潮流的各个组成模块，其中包括模型的 建立和程序的实现。 第五章中详细介绍了在稳态潮流计算所遇到的技术问题，包括加快收敛性的 研究，导纳矩阵、第一因子表和第二因子表的存储、以及负荷静特性的考虑等等。 针对以上问题，文中详细地讨论了应对的方案，并在实际编程中加以运用。 第六章中给出了利用某时刻河南电网实时数据进行潮流计算的结果，从结果 可以看出，本文使用的算法可以满足河南d t s 的要求。 华中科技大学硕士学位论文 2 河南d t s 系统的介绍 2 1d t s 系统硬件结构的总体介绍【2 1 d t s 的硬件结构有多种方式，但是不外乎独立型、非独立型和开放型的d t s 这几种类型。独立型的d t s 自成一个系统，从实时s c a d a e m s 系统取实时电网 数据；非独立型的d t s 只是s c a d a e m s 系统的一部分；开放型的d t s 兼有上 述两种d t s 的优点，成为了各国d t s 的发展方向。 独立型d t s 系统的硬件结构可以有以下几种方式：三机系统，d t s 的三个 子系统分别放在三台机上，三台计算机通过计算机网络联成一体，学员子系统所 在的计算机可以选择与实时系统相同的机型，这样可以保证学员予系统精确地模 拟实时s c a d a e m s 系统。d t s 系统可以通过网络与实时系统相联接，为保证 d t s 系统不影响实时系统，d t s 和s c a d a e m s 系统之间可以加网桥加以隔离； 两机系统，电网仿真子系统及教员和控制子系统共处于一台机上，其他部分和 三机系统相同。 非独立型d t s 的硬件结构：非独立型的d t s 由于与s c a d p 垤m s 成为一体， 它的硬件配置方式就更加多种多样。在分布式s c a d 刖e m s 系统中，d t s 作为其 中的一个功能，可以专门配置一个结点，也可以和其它功能软件共处于一个结点。 在这种结构中，受训的调度员可以将备用结点上的s c a d a e m s 切换成培训状态， 作为s a 蝴m s 仿真子系统，也可以专门配置一个结点作为s c 舢w e m s 仿真 子系统。d t s 作为s c a d a e m s 系统的一个功能，可以带来很多好处。一方面可 以保证s c a d a e m s 仿真子系统与实际s c a d a e m s 系统的一致性，另外一方面 可以减轻很多的维护工作量。 开放式d t s 系统。随着计算机技术的进步，八十年代末发展了开放式d t s 系 统，其思路是利用计算机网络技术将d t s 与电力系统的e m s 相连。它兼顾了上 述两种类型d t s 的优点，既可以独立运行，不影响e m s 的工作，又可以方便地 从e m s 中获取电力系统的实时数据。随着计算机技术的成熟与完善，硬件价格的 降低，开放式系统将成为d t s 应用的主流。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 2 河南d t s 系统的硬件结构2 】【1 l 】 河南电网d t s 系统采用开放式d t s 系统结构形式。d t s 系统作为电网 s c a d a e m s 系统的一个网络站点，d t s 的主系统由两台d e ca l p h a 工作站构 成，采用局域网连接。一台d e ca l p h a 工作站作为学员台主机，运行电力系统 控制中心模型( c c m ) ，培训环境与实际运行情况完全一致；另一台d e ca l p h a 服务器作为教员台主机，运行电力系统模型( p s m ) 和仿真支持功能模块( s s f ) 。 系统总体结构如图2 1 所示。 。 l 大屏- 投影仪t 图2 1 河南d t s 系统结构图 2 2 1 学员台配置 主机型号：c o m p a qx p 1 0 0 0 工作站，单c p ua l p h a2 1 2 6 45 0 0 m h z 硬盘：9 1 g b 内存：2 5 6 显示器：2 1 寸c r t 两台 键盘、鼠标各一个 电话机：两部 控制中心模型( c c m ) 设置在学员台。 学员台的计算机、键盘、c r t 、调度电话等主要硬件与s c a d a e m s 实际控 中心的硬件完全一样。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 2 2 教员台配置 主机型号：c o m p a q a l p h as e r v e r d s 2 0 ，单c p u ：a l p h a2 1 2 6 45 0 0 m h z 内存：2 5 6 m b 硬盘：9 1 g b 显示器：2 l 寸c r t 两台 键盘、鼠标各一个 电话机：两部 电力系统模型( p s m ) 、仿真数据库( p s s d b ) 设置在教员台。 2 ，2 3 大屏幕投影仪 型号：东芝t l p p 6 5 01 2 0 a n s i ，1 0 2 4 x 7 6 8 - - 1 2 8 0 x 1 0 2 4 ，i 礤一1 2 0 w ，梯形 矫正，局部放大，大屏幕投影仪实时显示电网主接线画面及数据。 2 2 4 录音系统 主机：i n t e lp e n t i u m - 4 5 0 3 2 m 1 4 4 m 4 3 g 控制方式：频率响应3 0 0 - - 3 4 0 0 h z ，电话语音卡，8 用户( p c m ，a d p c m l 6 ) 录音路数7 路 话音存储：5 0 0 小时路 2 2 5 网络 d t s 采用1 0 0 b a s e b t 架线方式构成e t l l e m e t 网络。 网络所需器件：e t h e m e t 网络卡；r g 5 8 细铜轴电缆；b n c 接头。 2 2 6 其它 打印机：h p - 5 0 0 0 c 4 1 1 0 a ，小型工作组激光打印机，a 3 ，1 2 0 0 d p i 1 6 p p m 。 打印服务器：j 3 2 6 5 a5 0 0 xi o i o o b t ，外置，三并e l 。 磁带机：h p5 0 0 0 e 4 g 4 m m s c s u 外置 u p s 电源 8 华中科技大学硕士学位论文 2 3 河南d t s 系统的软件结构1 】【2 1 【4 】 d t s 由三个功能模块组成，如图2 2 所示。其核心部分是电力系统仿真模块 p s m ( p o w e rs y s t e mm o d u l e ) ，它包括了电力系统元件和控制装置模型、电网模型以 及s c a d a 系统中的数据采集予系统模型。控制中心仿真模块c c m ( c o n t r o l c e n t e r m o d u l e ) f l | 除数据采集系统以外的电网e m s 系统的所有软件组成。教员控制功能 模块i c m ( i n s t r u c t o rc o n t r o lm o d u l e ) 包括培训前准备、培训中操作控制、培训后评 估等功能。i c m 、p s m 、c c m 三者之间的关系是i c m 向p s m 提供各种模型及参 数、初始化潮流和事件表，启动p s m 运行，p s m 的仿真结构以r t u 格式送至c c m ， c c m 将学员的操作控制命令以r t u 格式送至p s m 并告诉i c m ，改变p s m 运行 条件；学员的电话控制命令则由教员在i c m 侧完成，教员可以在事件表或者厂站 图上临时增加事件。 ! e m 8 数据接口卜一 一一一一l f 一一一 图2 2d t s 的软件结构图 2 3 1 电力系统模型子系统 8 1 9 1 1 1 】【1 2 1 1 3 1 1 5 】 电力系统模型子系统由以下软件模块所组成： ( 1 ) 网络拓扑模块 网络拓扑模块是p s m 中一个不可缺少的部分。在电力系统中主要是通过厂站 接线图来描述电网的物理联接关系，我们把接线图中每个元件两端的物理结点叫 做n o d e 。在厂站接线图中，不同元件的n o d e 可以相联接，其电压相同，这样的两 个n o d e 可以看成是同属于一个电气结点b u s 。在电力系统分析计算中，我们关心 的是电气结点b u s 而不是物理结点n o d e 。所以提出这样一个问题，如何将物理结 9 华中科技大学硕士学位论文 点n o d e 合并为电气结点b u s 。网络拓扑模块的主要任务是根据所有元件联接关系， 把面向n o d e 的物理模型转化为面向b u s 的电气模型，以方便下一步的潮流计算。 根据电力系统的接线特点，将复杂的电力系统用图来描述，其中计算结点用v 集合来描述，支路( 包括变压器支路，联络线支路) 用边集合e 来描述，这样， 将电力系统母线、结点、开关、支路转化为图来进行描述和处理。系统的开环合 环只需要判断相应的结点的连通与否即可决定，从而将系统的开合环这一难以加 以描述的问题采用图的联通性搜索方法轻松地加以解决。 拓扑分析主要由厂站内联通性分析和厂站间联通性分析两部分所组成。厂站 内联通性分析主要是根据厂站内的开关刀闸的状态，将厂站内的联通的母线合并 为一个计算结点：厂站间联通性分析则是根据厂站间联络线的联接关系和其开关 的开合状态，将由电气联接的计算结点组成一个子系统。 综上所述，网络拓扑主要的功能是：确定电力系统厂站、支路、发电机、负 荷等的描述及数据结构：根据开关刀阐的状态，将厂站内n o d e 归算为计算结点 b u s ；根据联络线开关的状态，将计算结点归算为子系统。 ( 2 ) 稳态潮流计算模块 无论在电力系统运行和规划中，还是在像d t s 这样的仿真系统中，都需要研 究电力系统的稳定运行情况，确定电力系统稳态运行状态。电力系统潮流计算是 d t s 系统中最基本、最重要的计算，也是动态潮流计算、频率计算等的基础。 根据网络拓扑模块搜索到的各个结点的联通情况，相互联通的结点组成一个 系统。这样，全网就可以分为若干个孤立的子系统，在子系统内，取一个结点作 为平衡结点，用来平衡该系统内部的功率不平衡，其余的结点根据其性质分为p q 结点或者p v 结点。稳态潮流计算采用的是p q 分解法，它是牛顿一拉夫逊法的合 理简化，与牛顿一拉夫逊方法相比，其简化假定只是影响的修正方程式的结构， 也就是说只影响了迭代的过程，但不影响最终的结果，因为p q 分解法和牛顿一 拉夫逊法都使用相同的数学模型，最后计算功率误差和判断收敛条件都严格按照 精确公式进行的，所以p q 分解法和牛顿一拉夫逊法都可以达到很高的精度。 ( 3 ) 频率计算模块 频率是调度员救视和控制的关键参数之一，一些继电保护和安全自动装置是 按照频率动作的，因此稳态仿真也需要仿真频率的变化情况。频率计算模块是计 算频率的动态变化而不是静态结果，计算中必须考虑发电机调速器的动态响应和 发电机转动惯量及负荷的频率特性效应，在每一动态潮流计算周期内计算5 1 0 次 频率。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 ( 4 ) 动态潮流计算模块 动态潮流计算软件是运行在d t s 上的主要软件，用于仿真实际电力系统的行 为，如操作开关、调节发电机出力或者变压器分接头等等所引起的系统潮流的变 化。与稳态潮流计算中假定整个电力系统是一个平衡的系统不同，动态潮流将网 络间功率不平衡分配到每台发电机上，而不是由一个或者几个松弛结点吸收，这 比较符合实际情况，d t s 提供按照发电机组惯性常数和发电机额定功率两种计算 不平街功率分配因子的方法。潮流计算用p q 分解法和牛顿一拉夫逊法，收敛慢 时自动转至牛顿法。动态潮流计算的周期一般定为5 秒。 动态全过程仿真中所采用的主要原件的动态模型主要包括以下几类：电源 模型，包括发电机、励磁系统、原动机、调速系统和锅炉；负荷模型：直流 输电系统模型；网络模型等等。 ( 5 ) 暂态过程仿真模块 当系统发生故障时，系统进入暂态过程。由于这时候系统处于剧烈变动之中， 为了详细而又正确地模拟系统这一剧烈变动，必须采用小的步长。这时，由于每 台发电机的变化情况都不一样，必须计算每台发电机的功角和角速度。在元件模 型方面，除了要选用较为详细的发电机模型之外，还有考虑诸如励磁系统和调速 系统等时间常数并不很大的调节装置的动态特性，而忽略时间常数比较大的调节 装置的作用，如锅炉的调节特性。 ( 6 ) 中长期动态仿真模块 考虑到仿真计算的速度和整个动态过程的物理特性，动态过程中暂态过程和 中长期过程是相互联系的，中长期过程可以看成是暂态过程的延续和扩展。考虑 到中长期过程仿真的特点，采用与暂态过程不完全相同的数学模型，并根据系统 所处的状态自动进入各个不同阶段的仿真计算，同时通过加入人工阻尼的方法实 现从中期到长期过程中的平稳过渡，此外，还利用稀疏技术和变步长等手段，以 保证仿真计算的快速性。 在d t s 长期动态过程中，由于仿真时间较长，原来在暂态过程中被忽略的锅 炉及附属设备等的响应过程必须考虑，也必须考虑到继电保护、自动装置、低频 减载等的动作，并把它加入到事件队列中去。同时，仿真的准确性和快速性也是 必须综合考虑的皿题，所以在中长期过程中模型的选择与暂态部分略有不同，同 时考虑到更大的简化性和灵活性，其模型有如下特点：模型比较安全，可供教员 选择、增删；为减轻计算负担，模型应在保证一定精度的前提下，做了适当的简 化，以保证计算步长即使在系统故障时，也不会太小：便于短期、中期和长期过 华中科技大学硕士学位论文 程的切换。 ( 7 ) 继电保护仿真模块 继电保护有四个基本的要求即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。相应地， 继电保护装置的仿真为了如实反映实际继电保护装置的以上基本要求，提出了三 个基本要求，即正确性、实时性和适应性。正确性是选择性和灵敏性的内在要求， 逻辑判别法通过专家的经验知识来实现，定值判别法是通过精确的数学模型来实 现；实时性保证速动性，逻辑判别法就是为了满足实时性而提出的方法，定值判 别法为了保证动作结果的正确性而牺牲了实时性；逻辑判别法通过与事件设置相 结合来仿真可靠性，定值判别法通过模型本身反应可靠性。适应性保证继电保护 装置仿真广泛的正确性。 任何继电保护装置都可以分解为若干种基本单元，这里主要分为距离保护、 电流保护、电压保护、方向保护、相差保护、短路保护、过负荷保护等等。只要 建立起继电保护基本单元的模型后，就可以由这些基本单元组装成各种继电保护 装置。基本单元是抽象同类保护的共同属性后的一个集合，由基本单元可以定义 无数的实例，将数据赋与这些实例，就形成了一个简单的实际的继电保护装置。 ( 8 ) 自动装置仿真模块 安全自动装置仿真的基本要求与继电保护仿真的基本要求的相同点是都要同 时满足正确性、实时性和适应性，因为实际的安全自动装置的基本要求与继电保 护一样要满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性；不同点是安全自动装置仿真的 实时性要求比较容易满足，因为安全自动装置的动作延时一般都比较长，动作延 时比较短的安全自动装置一般就是逻辑判断。 安全自动装置的基本类型有低频减载、低频解列、低压解列、低压减载、失 步解列、振荡解列、低频切机、过负荷切负荷、联切发电机、自动同期装置等等。 安全自动装置的模型可以由其基本单元模块组装而成，因此只需要建立安全自动 装置的基本单元模型。 2 3 2 仿真支持功能 教员台具有灵活的培训支持功能，教员可以灵活的设置各种事件、编制各种 教案，并且有足够的教案可以进行演示和培训，可以很方便地建立培训的初始条 件。培训时教员还可以很方便地设置、修改、删除和插入各种事件，可以很方便 地执行学员下达的各种调度命令，控制和监视培训进程，同时提供画面修改方式 华中科技大学硕士学位论文 和菜单提示操作方式，并具有暂停、恢复、快照、快放、倒回重放和慢速演示等 功能，使得教员台的操作灵活方便。 培训时，教员还同时充当下级调度员和厂站值班员，教员和学员通过电话进 行联系，与实际调度中心一样，学员通过电话向下级调度员和厂站值班员讯问情 况或者下达调度命令，只是在d t s 培i j i f 时，下级调度员和厂站值班员由教员充当 的。 培训结束后，教员可以方便地对培训做出评估和分析，分析学员每步操作的 正确性和事故的全过程，包括潮流、电压、频率和联络线功率的越限情况、开关 保护及自动装置的动作、少供电量等统计信息，指导学员的操作。 在教员台可以实现的系统操作包括：发电机出力及电压的调整、负荷有功和 无功的调节、变压器分接头的调节、开关及隔离刀闸的投切、区域出力和区域负 荷、同期操作等等。 在教员台上可以设置的故障包括：线路故障、母线故障、变压器故障、带负 荷拉合刀闸、带电压合地刀、中性点不接地、系统单相接地、保护及自动装置的 误动或者拒动、远动设备故障等等。 2 3 3 控制中心模型c c m c c m 由模拟s c a d a 系统、e m s 高级应用功能( a g c ) 及相关的人机界面和 其它设备( 如电话) 组成，向学员提供对虚拟电力系统进行监视与操作的界面和 手段。c c m 中模拟s c a d a 数据库的数据来源于p s m 的计算结果，当需要时， d t s 系统可以通过与实际e m s s c a d a 系统的数据接口取得e m s 的实时数据供 培训或分析使用。图2 2 中的虚线部分是d t s 系统与实际e m s ，s c a d a 系统的数 据接口。 2 3 4d t s 与e m s 其它功能的关系 d t s 作为e m s 系统的一个子系统，应力求与e m s 系统运行在同一个平台上， 而d t s 本身又自成一个子系统，同一平台体现在一下几个方面：d t s 与e m s 共 同使用一个数据库管理系统；d t s 与e m s 共同使用一个画面管理系统；d t s 与 e m s 共同使用一个网络通讯管理系统。 d t s 与e m s 共处一个平台可以共享信息资源，减少系统的维护工作量，主要 体现在以下方面：d t s 可以共享e m s 的网络库和网络参数；d t s 可以共享 华中科技大学硕士学位论文 s c a d a 、p a s 的厂站图、系统图；d t s 可以直接利用状态估计的结果。如果d t s 无法和s c a d a e m s 处于同一个平台，也应使d t s 的学员台尽可能的与实际系统 一致，另外在教员台系统数据库结构方面也应考虑到与实际系统接近，以减少用 户的维护工作量。图2 3 是图2 2 的细化，详细地说明了各个模块的组成。 圈2 3i ) t s 系统软件结 目的详细说明圈 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2 4 河南d t s 系统的基本功能1 】 d t s 应能够模拟电网正常和紧急状态下的稳态和中长期动态过程，逼真地反 映电网的运行特性和状态，能够培训在系统正常、故障和恢复情况下的操作，具 体如下所述。 2 4 1 基本调度指令模拟 开关分合操作： 刀闸投，切操作： 发电机的并网，退出操作； 发电机增减出力操作； 负荷调节； 发电机无功( 或电压) 调节； 电容器、电抗器的投切； 变压器分接头转换： 【 a g c 控制： 保护定值、时限的修改及投切操作； 自动装置的定值修改、投切、复位操作； 各种故障处理； 故障后的复原操作。 2 4 2 故障的设置 用于进行故障培训时模拟各种故障时间的输入，教员可以根据需要选择下列 故障要素。 故障起始时间：以培训时钟为参考，选定故障时刻( 时、分、秒) 。 故障点：在任何网络元件( 如发电机、线路、变压器、电抗器、母线等) 的 某一位置处( 如线路距始端处的百分比值) 。 故障的持续时间：瞬时，故障可自动重合成功；延时，故障后自动重合不成 功，但一次手动强送能成功；延时，故障后自动重合一次强送不成功，二次 强送可成功；永久故障，未经检修消除，重合永不成功。 故障类型：单相接她，两相短路，两相短路接地，三相短路，一相断线，二 华中科技大学硕士学位论文 相断线，三相断线，发电机励磁系统故障以及电力系统其它常见故障。 故障点接地阻抗：可零阻抗直接接地，也可输入菜一阻抗值接地。 2 4 3 误操作的模拟 对于带负荷拉刀闸、带负荷合刀闸、用刀闸充空载线路或变压器、带空载线 路或变压器拉刀闸、带电压合地刀、带地刀合开关、强送至永久故障上等基本操 作均可自动生成相应的故障事件。 2 4 4 继电保护和自动装置动作的模拟 故障时继电保护及自动装置模型将自动显示其动作情况，并伴有音响和闪光 信号。同时通过跳开相应的元件开关去影响p s m 。故障应跳开的开关在继电保护 模拟时，可选用下列两种方法：逻辑判断法和定值比较法。 2 4 5 开关或保护误、拒动模拟 可模拟任一开关或保护的拒动