（电力系统及其自动化专业论文）变压器分接头位置估计改进算法在晋中电网的应用.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文变压器分接头位置估计改进算法在晋 中电网的应用，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 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了谢意。 学位论文作者签名；盘霆煎 e t 期：星一! 竺：! ! ! 二7 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文：同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：盘重煎 日 期：兰竺丝竺：望 导师签名：童宝蒸 日 期：兰! 堕：望：! ! 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 本课题研究的意义 第一章引言 随着电力系统的发展和电网的商业化运行的深入开展，对电力系统的运行进行 调度和控制变得越来越复杂。电力系统能量管理系统e m s 可以使调度由经验型调度 上升至科学的分析型调度，提高调度员的调度能力和素质，从而有效地提高电网的 安全、优质和经济运行水平，更好地为电网的商业化运行服务。 传统的调度自动化系统在电力系统运行调度中发挥了不可替代的作用，被认为 是保证电网安全运行的三大支柱之一。但传统的调度自动化系统的功能主要是监 视和控制，起到调度人员的眼、耳、手、足的作用。后来发展的e m s 和d t s ，加强 了调度人员的脑力运用，提高了他们进行决策分析的能力。计算机网络技术的引入， 使e m s 的体系结构由传统的调度中心发展为开放的分布式现代能量控制中心“：。随 着电网的发展和电网管理水平的提高，电力系统运行调度涉及的业务范围不断扩 大，业务量也不断增加，电网运行的调度控制与运行管理的关联越来越紧密。小到 对一个设各的保护和控制，大到对电力系统的生产、计划、规划，这些都是相互关 联的。调度部门内部的各个职能部门间的信息相互关联，互通互动；实时信息与离 线信息、动态信息与静态信息、运行信息与管理信息、技术信息与经济信息等都相 互关联：调度人员既直接对电网运行实施调度控制职能，也需要其他职能部门的支 持和配合，需要信息互通。现代能量控制中心已经不是一个简单的电网运行监控中 心，不但负责安全和运行，而且负责交易和经营，是代表整个电力企业对电力系统 实现电力调度、管理和运营的一个高度信息化、智能化、集成化和自动化的指挥决 策中心。 晋中电网是山西电网的一个组成部分，是山西省南北联网的咽喉要塞，承担着 山西电网北电南送和东电西送的重要任务，属于典型的受电型电网，目前以2 2 0 e v 网络为主网络架构，以1 1 0 k v 和3 5 k v 网络为直配供电网的输变电体系。数据采集 与监控( s c a d a ) 系统投入使用已经多年，为山西晋中电网的安全稳定运行做出了重 要贡献。 但网络结构和电网运行方式的复杂，导致系列问题的出现，如电压偏高，不能 保证中低压侧的电能质量：接线方式导致部分地区供电可靠性差；供电负荷受到限 制：某些变电站运行方式安排复杂，使运行人员操作处理问题时带来不方便：系统 用电峰谷差大，负荷率偏低，也是电网的突出矛盾；调度员台环倒负荷操作中经验 华北电力大学工程硕士学位论文 估计占比较大成分，科学性低。 2 0 0 3 年1 月，晋中电网调度自动化系统进行了升级改造，ie s s 0 0 ( s c a d a ) 系统 的硬件体系结构采用了双网冗余分布结构，i e s s o o 系统的软件功能模块具有“即 装即用”特性，保证了系统实时运行的可靠性。为了提高系统的可用性，i e s l a b 充分利用了w i n d o w sn t 的高性能和易用性，并在i e s s 0 0 系统中集成了m i c r o s o f t 先进的数据库管理系统s q ls e r v e r 和o f f i c e 套件，采用客户服务器模式结构， 非常容易扩充和升级。 但是，现代化的调度系统要求能准确迅速而全面的掌握电力系统的实际运行状 态，预测和分析系统的运行趋势，对运行中发生的各种问题提出对策，从而保证电 力系统的安全性和经济性。而停留在s c a d a 水平上的调度自动化系统只具有安全监 控的功能，虽然调度人员可看到系统的实时信息但并不具备安全、经济分析能力， 各种调度决策仍然要靠经验解决，调度员的劳动强度很大，而且对调度员的要求也 很高。 为使调度由经验型分析上升至科学的分析，提高晋中电网的安全、稳定和经济 运行水平迸一步提高调度员的调度能力和素质，大幅度减轻调度员的工作强度， 更好地为晋中电网的商业化运行和营销服务，需要在原有的s c a d a 系统基础上开发 了能量管理系统( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ，e m s ) 高级应用软件。 状态估计模块在e m s 中有着举足轻重的作用，它为e g s 提供可靠而完整的系统 运行状态的信息，e m s 用状态估计提供的数据来建立各种高级应用软件所需的数据 库，可见，状态估计直接关系到电力系统安全可靠、优质经济的重大问题。状态估 计中存在的一些不足，其中变压器分接头位置估计的优劣对状态估计结果有很大的 影响，因此探索模型的实用性、算法的优越，具有重要的意义。同时各种新技术和 新理论的不断涌现，为解决状态估计的某些问题提供了可能。 1 2 国内外研究现状 1 2 1e m s 研究现状 近年来，电能量管理系统( e m s ) 在电力系统自动化中的应用非常广泛，虽然 国内外关于e m s 版本很多，但其主要功能是基本一致的，都是要实现对电能的安 全、经济生产、输送和分配进行监视、控制和管理，为调度提供一个准确、可靠的 辅助工具。该系统的功能主要包括数据采集与监控( s c a d a ) 、状态估计、调度员潮 流、静态安全分析、负荷预测、以及与之配套的调度员培训模拟系统( d t s ) 等等。 包括以上全部功能的系统称为能量管理系统( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) ，简称 f , m s 。”。 华北电力大学c 程颐士学位论文 传统的e m s 和电网仿真系统( d t s ) 应用软件是面向发输电系统设计和开发的，主 要是在大区电网和省网中应用。随着地区电网的迅猛发展和s c a d a 应用水平的大幅 度提高，地区电网的e m s d t s 应用功能的开发和研究已成为当前国内电网调度自动 化技术发展的重要趋势“1 。 e m s 高层应用软件可实现：检测和校正遥测、遥信中的错误数据：减小量测误 差，提高估计精度，提高数据的可靠性；分析运行方式改变后系统的潮流重新分粕 情况；对电网进行优化计算，改进电网经济特性；使调度员了解当前电网运行状态 发生哪些故障时，系统的稳定性要被破坏，由此调度员可通过校正控制措施来改善 电力系统的安全性。 电网互联是近年来国内外电力系统发展的总趋势。我国三峡电站及其输变电工 程的建设，促进了全国电网互联。“十五”期间，我国将建成一个远距离、大容量 的实现西电东送和南北互补的全国互联电网。与此同时，随着“厂网分开，竟价上 网”电力体制改革的不断深入和全面实施，将逐步形成新的电力调度管理格局。这 一新形势给电力系统的安全、经济运行带来了新的挑战，即在概念上、结构上、功 能上部应适应一次电力系统发展变化的需要。因此，电力调度自动化系统将迎来新 的发展机遇。 纵观电力调度自动化系统的发展，初期为s c a d a 系统，后来逐渐增加了发电控 制、经济调度和安全分析等功能，近些年叉在系统设计和开发中引入了网络和通信 技术、分布式计算机技术等现代信息技术的最新成果，发展为今天的e m s 。因此， 电力调度自动化系统的发展总是与一次电力系统运行、管理的需求相适应，同时也 伴随着信息技术的发展而不断升级和更新换代”：。 2 0 0 3 年1 月，晋中电网调度自动化系统进行了升级改造，同时增加了电网调 度高层应用e m s 系统。系统投运以来通过调度员、自动化专业人员和厂家专业人员 一道密切配合，将高层应用软件逐步完善，并将其功能熟练掌握，最大限度上的发 挥其功效，为晋中电网调度由经验型向分析型转变提供有力的手段。 1 2 2 状态估计研究现状 状态估计是当代电力系统能量管理系统e m s 的重要组成部分，尤其在电力市场 环境中发挥重要的作用。国外7 0 年代初期发表了第一批研究成果，国内7 0 年代中 期丌始研究这一课题。由于中国量测质量问题突出，所以这一课题进展迅速。7 0 年代后期试验了各种算法，7 0 年代末提出了多不良数据估计辨识法，1 9 8 0 年成功地 完成了京津唐电力系统实时试验，1 9 8 5 年湖北电网开始实用，8 0 年代末期完成了j 下 交化算法、逐次型不良数据辨识、量测误差在线估计和维护母线负荷预报模型等。 我国在电力系统状态估计方面，无论是理论、模型和算法方面，还是在软件设计和实 华北电力大学工程硕士学位论文 际运行方面，均居国际领先地位”。 状态估计问题的提出激发了许多学者的研究兴趣，他们以数学、控制理论和其 它新理论为指导，根据当时的计算机软件和硬件跳进，结合电力系统的特点，在理 论方面进行了大量研究。同时，以状态估计软件实用为目标，针对实际工程面临的 问题，探索和总结出许多可行的宝贵经验。状态估计的理论研究促进了工程应用， 而状态估计软件的工程应用也推动了状态估计理论的研究和发展。迄今为止，这两 方面部取得了大量成果”：。 然而，状态估计领域仍有不少问题未得到妥善解决，随着电力系统规模的不断 扩大，电力工业管理体制向市场化迈进，对状态估计有了新要求。 例如：变压器分接头位置对状态估计结果有很大的影响，特别是联络变压器分接 头位置错误会造成环网无功潮流的严重变形，因此希望能在线估计重要变压器分接 头位置，以弥补没有分接头位置量测或辨识分接头位置量测的错误。变压器分接头 位置估计实际就是变比估计，只要将变比扩展进状态量中即可进行变比估计了。变 压器分接头位置估计不扩展到全系统的状态估计之中，每台变压器可以单独进行， 必要的话可以连续估计。 1 3e m s 发展前景 将来的能量控制中心在概念上将有很大的扩展，不再是单一的电力系统监控中 心，而是信息化程度非常高、功能上高度综合、高度智能化和自动化的电力系统调 度、决策、指挥控制中心。 1 ) 由安全发展为安全与经济的协调 过去，调度中心的e m s 主要用于电网的安全监控，有些也按等微增率原则进行 经济调度计算和控制。自从将电力作为一种商品进行市场交易以来，对电力系统的 调度及控制与以前相比已经大不相同，电网的调度部门既要组织电力交易，使电力 市场有序进行，又要满足电网运行的技术约束，避免电网事故的发生。因此，电网 调度控制中心在组织电力交易的过程中，要时刻监视网络的安全进行有效的阻塞 管理。在设计交易算法时，把避免阻塞、消除阻塞作为硬性约束加以考虑。各种辅 助服务，包括旋转备用、无功支持、调频调压等都可蛆通过一定的经济杠杆在电力 交易中考虑，使为电网安全做出贡献者能得到应有的回报。交易算法中，网络安全 不但要计及稳态安全，还要计及动态安全，满足动态安全约束；不但要考虑单条线 路的传输限约束，而且要考虑联络线族断面的传输限约束。这里，可用传输容量( a t c ) 是一个重要的概念。基态时，在负荷节点注入功率不变的情况下，a t c 描述了给定 联络线断面的不同系统之间最大的可用交换功率增量值即告知断面还可以多送多 少功率潮流“。1 。将a t c 在电力市场即时信息发布系统( o a s i s ) 上发布，供发电商参 华北电力人学工程硕士学位论文 考以决定自己的竞争策略。有时，自己不发电而从外部电网买电可能更合算。a t c 不 但要考虑当前的值，还要考虑一l 情况下的值，它是描述电力系统安全裕度的重 要指标。 调度员熟悉电网安全，但不熟悉市场，不熟悉交易：交易员熟悉市场，熟悉交 易，但不熟悉电网，不熟悉安全。由于这两者紧密相关，必须交互，因此，今后调 度员和交易员之间的交互会越来越多，需要可视化地表达电网安全情况。 2 ) 由局部控制发展为全局分层分布控制 电力系统总发电和总负荷的不平衡会引起系统频率的升降。即使总发电和总负 荷保持平衡，系统频率能维持不变，但发电出力分配的不同将导致电网潮流的不同， 甚至导致联络线过负荷。按无穷大容量电网假设所做的电力交易，放到实际电网中 可能行不通。因此，有功交易必须从全局出发，既要考虑全局功率平衡，又要考虑 局部分配合理，减轻电网传输功率的力。无功电压相对更具局部性。过去大多用变 电站当地的控制器来控制无功电压，信息技术的发展使得无功电压的全局控制变成 可能。利用无功电压的区域性特点，采用既分又合的控制策略，即分区域设置中枢 点，分区域控制中枢点电压，而中枢点的电压控制曲线又是通过全局潮流计算和无 功优化计算给出的，这是一种实用的控制策略。采用软分区是一种可操作性很强的 方案1 。我们面对的电网是连在一起的，而管理体制决定了对电网的调度和控制是 分层、分区的。在研究自己管辖区电网中的问题时，如何看电网的其他部分；电网 的高层调度部门在研究全局电网时，如何看它的下层若干子区域的电网：同层各子 区域电网在分析自己区域网时，又如何看它的上层电网；在线运行时，上下层之间、 同层各个区域之间如何交换信息，交换什么信息，交换多少信息，交换的频度是多 少，才能使各自电网的分析计算正确和准确。这时，等值的概念和全局思维十分 重要1 。 高层电网在研究自己电网问题时，下一层的各个子网可以看做等值负荷( 等值 戴维南) ，这一等值负荷的内电势和内阻抗是变化的，随各子网内的运行方式变化 而变化。下层各个子区域电网在研究自己区域电网的问题时，从它的边界向高层电 网看过去，看到的是一个等值电源( 等值戴维南) ，该等值电源的内电势和内阻抗 也是变化的，随高层电网的运行方式的变化而变化。简单地切断外网，用一个没有 互阻抗的等值电源代替外网，不能保证分析结果正确和准确。内网基态潮流计算误 差可能不大，而一旦内网发生线路开断操作，就会产生很大的计算误差。因此，可 以在省级电网调度中心用软件自动计算每个地区电网的外网等值参数，通过计算机 远程通信系统自动下发到各个地区的电网调度中心，地区电网将这个外网等值贴到 自己电网的边界处进行自己内部电网的安全分析计算。 3 ) 由离线分析计算发展到实时在线计算 华北电力大学工程硕士学位论文 过去，许多为电网运行调度和控制服务的计算都是离线进行的，随着信息技术 的发展，越来越多的计算可以在线进行。例如：过去最优潮流( o p f ) 大多用于离线 计算，现在些控制中心也可以在线计算最优潮流”，即使并不是直接利用计算结 果下发控制命令，也可以作为调度人员调度决策的参考。动态安全分析的计算已经 可以在线进行“，不但可对当前系统的安全水平做出评估，而且可以给出预防控制 策略，辅助调度人员调整运行方式，提高电网的安全运行水平。同时，在线计算并 随时更新厂站端的稳定控制决策表，也是动态安全分析可以完成的任务“。为了加 快在线计算的速度，研究采用平行计算技术提高动态仿真的计算速度“”，或将大量 的故障算例分配给多台计算机同时分别计算，可以加快事故筛选和故障排序的计算 速度3 。 4 ) 由开环控制发展到闭环控制 电力系统频率和联络线潮流控制在数年前就已经实现了在线闭环运行，大大减 轻了调度员调频的工作量。将来的发展是。这些控制要和电力市场的实时交易综合 起来考虑，在a g c 之上多了一个附加控制环。系统级的无功电压闭环控制在欧洲已 经实施了多年“”，在我国虽然已有不少地区采用了变电站级的就地无功电压控制， 但到目前为止，在e m s 状态估计计算基础上的无功电压闭环控制还处于开始阶段。 当然这与我国e m s 应用软件的应用历史还不长、基础自动化条件还不太好有关。 近几年，这方面的工作己受到一些电网调度中心的重视，地区级无功电压闭环控制 在一些电网已经得到应用“，省级电网的无功电压闭环控制的科研和开发工作也已 经展开，估计很快就会取得实用的成果。虽然，实现系统级的稳定控制还相当遥远， 但实现在线动态安全分析，在系统级进行预防控制决策的分析和计算还是可能的。 可以在稳态闭环控制中考虑动态安全约束，提高系统的动态安全裕度，使稳态闭环 控制更合理，电力系统运行的抗扰性更强。 现代能量控制中心的特点是高度信息化、智能化、集成化和自动化。其功能由 安全功能发展为安全与经济的协调；由局部控制发展为全局分层控制：由离线分析 发展为在线分析：由开环控制发展为闭环控制：由在线稳态分析发展为在线暂态分 析。经过不断努力，人们向往的智能机器入调度自动化系统将会变成现实。 电力系统运行状态的变化很快，每天需要正常调整和控制的操作很多，异常和 事故情况下的操作就更多。控制中心的调度自动化系统的主要特点就是以自动化代 替人工电话指挥调度。但这种自动化不仅限于常规的监控，功能需要大大地扩展。 j 下常情况下，自动发电控制( a g c ) 是闭环执行的：电力市场环境下，闩前交易和实 时交易大部分也是自动进行的，不需要或很少需要人工干预；无功电压的控制也是 闭环的，尽管采用分层控制、每层各司其职的策略，但执行却是自动的。 1 4 本文所做的工作 华北电力大学工程硕士学位论文 1 ) 介绍了e m s 和支撑系统s c a d a 现状。 2 ) 重点研究状态估计模块，发现其中不足。 3 ) 对变压器分接头位置估计的算法进行了改进。 4 ) 算法改进后的应用算例。 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章对状态估计模块的研究 晋中供电分公司和山东鲁能积成电子股份有限公司共同研制开发的晋中电网 e m s 系统采用的是p a s 5 0 0 系列，它是按照电网中各个不同的电气设备元件的基本性 能，用数学模型的方法对图元设备逐一进行定义、建模，并经过整个网络的拓扑， 把整个电网的各个电器元件模拟成为较为实际的物理模型，借助于s c a d a 量测数据 的衔接，来完成工作任务。 本章介绍高层应用软件的支撑系统s c a d a 部分，对酬s 进行整体性介绍，重点对 状态估计模块进行深入研究发现此模块中变压器分接头位置估计存在不足，影响 了整个软件的性能，从而指出解决此缺陷的必要性。 2 1 支撑系统s c a d a 部分现状 e m s 的基础数据来源于s c a d a 部分收到并处理后的实时数据，因此本章首先介绍 e m s 的基础平台部分s c a d a ，从应用体系结构、系统硬件配置、前置通信接入子系统、 数据库处理后台部分、友好的前台人机界面等方面对s c a d a 做了具体介绍，对其为 e m s 所做的铺垫工作进行了分析。 首先硬件及网络方面充分考虑了数据的准确可靠性、完整性和可扩充性。 i e s 5 0 0 系列网络系统体系结构如图2 1 所示。 图2 1 网络系统体系结构图 华北电力大学工程硕士学位论文 由图2 1 可知，系统体系结构为网络分布式，采用了客户n 务器网络计算技术 和面向对象的程序设计技术，构造了一个全面支持s c a d a e m s d s 的电力调度自动 化主站应用环境。 i e s 5 0 0 系统的硬件体系结构采用了双网冗余分布结构，重要节点双机或多机备 份，保证了系统实时运行的可靠性。系统使用了易于配置和管理的智能高速串行通 道接口卡，每卡内置8 0 1 8 6 c p u ，控制8 个8 2 5 3 0 串行通信控制器，提供1 6 路全双工通 道。接口卡和主机之间通过双口r a m 通信，用标准的w i n d o w sn t 设备驱动程序与操 作系统紧密集成，该卡的每个通道可独立支持异步、字节同步、位同步( h d l c 、s d l c ) 规程。i e s 5 0 0 系统也可采用终端服务器( t e r m i h a ls e r v e r ) 、访问服务器( a c c e s s s e r v e r ) 等多种通用接入设备完成与r t u 通信。在终端服务器方式下，异步信号可 直接接入，同步信号通过同异步转换装置接入。可接入国内外各种远动通信规约。 为适应调度系统的高可靠性要求。i e s 5 0 0 系统的主服务器和其它有特殊硬件要求的 关键设备，如通讯控制机、智能通道接口装置、终端服务器等，均设计为双倍冗余 结构，在故障情况下可以自动切换。为进一步确保数据通讯的可靠性，系统采用交 换网络技术，其网络传输速率为i o m b 、1 0 0 m b 自适应。双网络同时工作，可实现自 动切换并可均衡网络负荷，单一网络故障不影响整个系统的正常工作。系统配置2 组1 0 1 0 0 m b 交换机。每个节点配置2 块i o 1 0 0 m b 自适应网卡。 s c a d a 的准确性是e m s 高层应用软件能否正常运行和达到实用化要求的前提， 因此本文对现状进行了改进。由于e m s 系统对数据质量的要求非常严格，这就对调 度远动信息的准确率提出了更高的要求。如何保证s c a d a 数据的可靠和畅通成了远 动技术人员的工作重点，由于一些量测信息在以前的数据监控工作中不需要监视， 而e m s 应用软件却都要使用，而且e m s 本身还采用一些特殊的命名规则，这就需 要迸行彻底的检查s c a d a 数据质量及其数据库的定义，在e m s 应用软件投运的1 年来，调度自动化人员与各厂、局配合查找并修改了上千处的信息问题，完善了实 时数据库，使数据采集与监控工作有了很大的提高。 其次软件方面i e s 5 0 0 充分发挥了w i n d o w sn t 2 0 0 0 的先进特性及广泛的平台适 应性，i e s 5 0 0 系统可以运行在i n t e lx 8 6 、d e ca i p h a 、p o w e r p c 等各种不同硬件平 台上，包括对称多处理器( s m p ) 平台，并支持同一系统中的混合硬件配置。系统 主机还可选择使用u n i x 操作系统，系统的数据库除可采用高性能的大型商用关系数 据库管理系统m ss q ls e r v e r # 1 ，还可选择使用o r a c l e ，s y b a s e 等，进一步提高了 系统组态的灵活性，给用户更大的选择空间。 i e s 5 0 0 系统的软件层次结构如图2 2 所示。由图可见在i e s 5 0 0 系统中集成了 m c r o s o f t 先进的数据库管理系统s q ls e r v e r 和o f f i c e 套件，用m i c r o s o f t 提供的优 华北电力人学程硕士学位论文 秀软件开发工具v i s u a lc + + 和v i s u a lb a s i c 在高起点上开发完成了强有力的电力 调度自动化主站系统。 图2 2i e s 5 0 0 系统的软件层次结构 在s c a d a 基础软件$ 口e m s 高层软件的系统整合方面，本文采用s c a d a e m s 一体化 系统的实施方案，共用数据库和图形，力求e m s 的人机界面与i e s 5 0 0s c a d a 界面一 致，既减少了维护量，又兼顾了调度员的使用习惯。实现了e m s 软件包与i e s s 0 0s c a d a 系统的紧密结合，两者整合成完善的地区电网调度自动化系统。i e s s 0 0 系统的软件 模块体系结构如图2 3 所示。它采用了客户朋务器模式结构，数据库和系统处理功 能分布在各个软件模块中。软件模块通过标准的o d b c 接口和一个称为“软总线( s b ) ” 的特殊软件模块相互联接，并由s b 统一管理。 通讯数据历史人机数麟|报表图形je l l s 应 模块 处理处理会话嫡鳞器i处理蚓 用 e 擘铂 ) o b ci ，i 描述燃头蜀瞄厍历史数硝荤拊 分新服务器 图2 3i 5 0 0 系统的软件模块体系结构 图中各个模块可以随意配置在各个节点机中，而且是“即插即用”的，非常容 易扩充和升级。为了提高系统的可用性，可以在多个节点机上为重要的功能模块配 备冗余模块。 i e s 5 0 0 系统软件体系结构的一个重要特点是广泛采用了客户服务器工作方 式。不仅对s o ls e r v e r 的访间是客户服务器的方式，而且对系统实时库的访问以 及各软件模块之间的交互也都是客户服务器的方式。这种工作方式优化了系统结 构，化解了系统复杂性，提高了系统效率。 华北电力大学工程硕士学位论文 以下是s c a d a 部分的综合现状介绍： 应用体系结构：采用自主开发的软总线和标准的o d b c 实现软件模块之间的信 息交换和数据库访问，使不依赖于专用硬件的应用软件模块可以安装在任何节点， 而且可以做到即插即用。 系统配置：具有很强的伸缩性和可用性，根据用户的需要，系统配置规模可大 到几十台机器分布运行，亦可小到单机运行所有的功能模块。对于重要的功能模块 可采取双机热备用方式运行，故障时自动切换。 客户n 务器模式：采用客户且务器网络计算模式，特别是实时数据库的访问 亦采用客户朋务器技术，解决了数据的一致性问题。同时，可对系统配置进行优 化，进一步提高整个系统的性价比。 前置通信子系统：可提供两种方案，一是多路全双工多规程智能i o 接口卡及 其多进程共享的应用方案；二是终端服务器方案。可接入各种类型的r t u ，通道 可择优切换。 数据库：采用面向电网和系统配置的数据库设计，统一了s c a d a e m s d m s 数据 库结构，能同时适应s c a d a 、e m s 、d m s 、d t s 等多种功能的需求，使得各项功能都能 够共享同一数据库，减少用户的重复输入以及由此产生的数据库不一致等问题。 友好的人机界面：采用多媒体技术的人机界面，可做到语音报警、多层图绘制、 放大漫游、各种类型的图形显示、电网动态着色等功能。 丰富的实用功能：具有强大的报表生成、计算、制作和打印功能，使用方便快 捷。采用图库一体化的设计思想，在绘图的同时可自动完成部分数据库的录入，并 自动建立电网的拓扑结构，进一步减少了用户的工作量。实用的调度管理应用功能， 如：操作票、工作票自动生成管理，调度员交接班记录管理等，进一步减轻了调度 员的劳动强度。电子值班功能可将系统运行故障和电网事故通过电话拨号通知运行 维护人员，并可进行电话语音查询。 远程维护：具有远程诊断、远程维护和远程启动应用模块的功能。具有使用远 程拨号联网，作为系统节点进入系统的能力。 以上部分从网络结构和软、硬件设备三方面了对数据的准确可靠性、完整性、 灵活性、可扩充性和后台处理的高效性进行了论证，从而说明s c a d a 为e m s 的实用奠 定了良好的数据基础和优秀的兼容环境。 由此可见我们具备使用高层应用软件e m s 的前提条件。 在地调级电网运行和管理中要求e m s 主要实现的功能是电网实时数据的量测、 对s c a d a 量测数据的状态估计、在线实时数掘的潮流计算、电网无功功率分布和无 华北电力人学工程硕士学位论文 功潮流的最优化处理、利用历史数掘的电网负荷预测等。具体包括：网络拓扑、状 态估计、调度员潮流、负荷预测、无功优化五个功能模块。 2 2 高层应用e m s 部分 2 2 1 设计原则 1 ) 先进性 采用九十年代技术最先进、应用最广泛的c l i e n t s e r v e r 主从分布式体系结构。 系统除可选用统一的软件平台w i n d o w sn t 2 0 0 0 操作系统外，系统主机还可选择使 用u n i x 操作系统。 2 ) 伸缩性 根据用户应用系统的需要和投资状况，可灵活选择系统的软、硬件配置。系统 具有跨多硬件平台的特点，可选c i s c 或r i s c 多种工作站、服务器、高档微机以及对 称多处理器机( $ m p ) 等硬件平台。系统的规模可从单台机器到多台机器、单种机 型到混合机型任选。扩充性在系统的生命周期中，系统的功能有可能不断地增加。 因此，系统的体系结构必须适应这一需要。应用软件采用模块组装式结构，可方便 地扩充应用模块。 3 ) 灵活性 应用软件各功能模块，是以数据库为核心灵活分布在网络的各个节点上，除个 别模块需要相关硬件外，能在任意节点机上运行，做到“即装即用”。 4 ) 安全性 e m s 系统硬件采用双机、双网、双电源、可按入双通道等冗余设计结构，发生 故障时可自动切换，保障系统的不间断可靠运行。操作系统和数据库满足c 2 级安全 性，并配合系统设计不同操作等级，可保证e m s 系统满足严格的安全要求。 2 2 2 系统性能指标“”2 们 状态估计是最基本也是最重要的模块，它的性能直接影响着整个e m s 的性能。 我们在省公司的实用化验收和日常维护工作中都是以国电公司的各项指标为依据 的。 以下是系统重要的考核指标： 状态估计月可用率：基本要求9 0 争取9 5 ： 状态估计月可用率= 之奚鬈藉鲁笔曼妻鬻t 。 华北电力大学工程硕士学位论文 用该指标进行考核时，要求状态估计全月计算总次数不少于4 0 0 0 次。状态估计 难确收敛次数是指遥测估计合格率9 5 的次数。 遥测估计合格率= 蔼预纛雾氅筝菩拿淼。 遥测估计合格点数是指遥测数据估计值误差1 5 的点数。 状态估计覆盖率：基本要求9 0 争取9 5 ： 状态估计覆盖率= 等糯嚣滕豁枷慨 调度员潮流计算结果误差：基本要求2 5 争取i o 厂一 调度员潮流计算结果误差= 、上孽x 1 0 0 其中n = 有潮流计算结果的遥测( 有功、无功、电压) 总点数。 。悼拟潮流计算结果( 有功、无功、电压) 一实际操作后重测值( 或状态估计值) i 巨。百丽酥谨石_ 1 0 0 上式分子中减号右边根据状态估计结果而定，如果量测值为坏数据，则取状 态估计值，反之取实时量测值。 2 2 3 模块之间的相互关系 图2 4 给出了e m s 高层应用功能模块的结构及其与s c a d a 系统的衔接关系。图 图2 4 高层应用功能模块的结构 华北电力大学1 i 程硕士学位论文 出图2 4 的层次关系可看出，高层应用功能模块使用s c a d a 采集的实时数据、 人工设置的某些状态和数据库对电网的描述数据作为分析计算的基础，而且使用 s c a d a 系统作为统一的人机界面。在这个意义上，s c a d a 是系统的支撑环节，高层应 用模块是在支撑系统上的应用系统。 图2 5e m s 软件数据流 由图2 5 中可以看出原始数据来源于s c a d a ，经过数据通讯通道收到电网运行中 的实时遥信量和遥测量，其中遥信量为网络拓扑模块提供数据分析依据，并结合动 态着色功能直接明了的显示在入机界面中，而遥测量则是运行方式下相应的实时数 据，遥测量和拓扑分析两者的结合为状态估计模块提供可观测性分析的基础条件。 状态估计产生出的结果分为实时数据和保存的历史断面数据，为调度员潮流研究模 块提供计算依据，而潮流计算结果则为无功优化和静态安全分析等其它模块的应用 提供数据来源。 由此可见状态估计是e m s 中最为基础和关键的模块，它的制约因素是s c a d a 带来 的遥测量和网络拓扑分析后的遥信量，而它产生的数据直接决定着潮流计算和其它 模块计算应用的质量优劣。 因此本章对状态估计模块进行了重点研究。 2 3 对状态估计模块的研究 2 3 1 基本描述乜5 1 状态估计根据s c a d a 提供的电网实时信息，电网部件参数和网络拓扑分析的结 果，实时的计算出电网内各母线电压( 幅值和相位) 和潮流的最优估计值，自动统计 量测系统的质量指标。 咽咽 h翮型 厂j 1 l圈菡 华北电力大学工程硕士学位论文 在现代电力调度自动化系统中，计算机已成为重要的一环。用计算机实现的在 线应用软件的特点是要对大量实时数据进行处理和分析，以确定电力系统的安全与 经济运行，因此保证电力系统实时数据的质量是进一步提高计算机在线应用水平的 关键。 为了建立可靠而完整的实时数据库，通常有两种途径：从硬件的途径可以增加 量测设备和远动设备，并提高起精密度，速度与可靠性；从软件的途径，可以采用 现代的准柜台估计技术，对数据进行实时处理。但对量测和远动设备提出过高的要 求会导致技术和经济上付出过大的代价。如果在具备一定的硬件基础上，采用状态 估计技术则能充分发挥已有硬件的潜力，提高数据的精度，补充测点和量点项目的 不足，排除偶然的错误信息和数据，提高整个数据系统的质量和可靠性。 状态估计也称为滤波，它是利用实时量测系统的冗余度来提高运行状态。数据 的不齐全性主要是由于r t u 分散不均或太少引起的。 电力系统量测误差来源大体分为以下几种： ( 1 ) p t c t 的误差； ( 2 ) a d 转换引起的误差； ( 3 ) 数据传输时受到干扰引起的误差； ( 4 ) 采集数据的不同时性引起的数据误差： ( 5 ) 运行中三相不平衡及功率因数的变化引起的误差； 稳态状念估计实际上是根据电网的实时量测数据和伪量测数据( 节点母线电压 幅值、节点有功无功注入、线路和变压器上的有功无功潮流等) 和网络方程，计 算出节点复数电压的估计值。有了节点复数电压估计值，就可以根据网络阻抗参数 计算出节点有功无功注入、线路和变压器上的有功无功潮流等的估计值。 电力网络由线路、变压器等支路元件和断路器、刀闸等开关元件组成，这些元 件的连接点称为“元节点”。状态估计和潮流计算能直接处理的是不含开关元件的 连通电网络。通过搜索开关元件的状态，把闭合开关连接在一起的元节点集合化为 一个节点，构成一个或多个不含开关元件的连通电网络( 电气岛) ，这就是网络接 线分析( 也称为网络拓扑分析) 的任务。在电力系统中，断路器刀闸组( 开关组) 往往按特定的方式连接。i e s 5 0 0 系统的接线分析预先对各种标准的开关组进行拓扑 分析，把结果保存在数据表中。在进行拓扑分析时，根据开关组的状态，通过查表， 立即可以集合开关组中的元节点，然后再对各厂站的各电压等级进行接线分析，这 样需要搜索的_ 丌关和元节点就很少了，可以大大提高网络接线分析的速度。开关组 的定义和连接表的形成都是在可视化环境进行的，非常方便。 华北电力大学工程硕士学位论文 2 3 2 状态估计的功能妇叫 状态估计模块主要应具备的功能如下： 1 ) 自动调用网络拓扑分析功能，根据遥信信息生成计算所需的电气岛和对应 的量测系统： 2 ) 可利用线路或变压器的有功、无功潮流量测、母线注入有功无功量测、母 线电压量测、零阻抗支路潮流量测； 3 ) 可检测和辨识开关信息中的错误，在画面上显示，并可自动在拓扑分析中 使用正确的遥信信息； 4 ) 可检测和辨识坏数据，显示其结果，并在状态估计时使用辨识结果代替坏 数据： 5 ) 量测粗检测功能，可指出不可观测节点： 6 ) 当有载调压变压器有潮流量测且各端母线有电压量测时，可估计分接头位 置： 7 ) 提供量测系统维护功能：修改实时遥信，人工置入无遥信刀闸的状态、无 分接头位置量测的变压器的档位，对明显不合理的量测进行屏蔽和人工修改； 8 ) 可人工霞入使用伪量测，扩大可观测区： 9 ) 可人工改变各种控制参数：人工设置平衡母线位置，设置伪量测，改变收 敛精度、改变迭代次数限值： 1 0 ) 启动方式有三种：人工请求启动( 研究方式) 、定时启动( 自或连续运行) 、 事件启动( 对网络状态的变化快速反应) ； 1 1 ) 在人工请求启动( 研究方式) 下可研究历史断面的量测，诊断可能存在的问 题： 1 2 ) 采用多次估计技术，在计算中自动调节量测的权重，提高计算的精度，并 同时保证计算的稳定性； 1 3 ) 在有足够量测时( 保证可观测) 自动剔除质量差的量测，过滤掉坏数据，提 高计算精度： 1 4 ) 估计结果的分析：显示不合格的量测，坏数据列表，量测误差列表，便于 维护人员分析； 1 5 ) 自动维护母线负荷预报模型，对不可观测区用母线负荷预报的结果进行状 态估计； 1 6 ) 可对历史断面进行保存，可以设置保存周期，可以保存每天典型时刻的断 面和典型同的断面； 1 6 毕北电力大学工程硕士学位论文 1 7 ) 自动进行实时网损的计算和统计： 1 8 ) 自动统计和保存实用化考核所需的各种统计指标，生成所需的统计报表。 统计指标数据库保存，便于查询和统计。 2 3 3 状态估计的特点 1 ) 通用而快速的结线分析功能，适用于任何结线方式的变电站： 2 ) 利用母线负荷预报，发电计划，电压调节计划等作为伪量测，保证全网的 可观测性。 3 ) 采用正交化分解算法和稀疏技术保证最佳数据的稳定性； 4 ) 采用基于预报残差的不良数据辨识法，保证最强的不良数据辨识能力； 5 ) 采用量测误差估计法，在线监视量测偏差和方差； 6 ) 在线网络状态监视。 综上所述，电力系统的状态估计程序输入的是低精度，不完整，偶尔有不良数 的生数据，而输出的则是精度高，完整可靠的准确数据。 2 3 4 研究方式 状态估计模块可以采用实时系统( 数据库描述+ 实时采集数据) 数据计算( 实 时运行方式) ；也可以从文件中读出先前存储的数据进行分析( 文件研究方式) 。 实时运行方式的基本处理过程为： 1 ) 从描述数据库或实时数据中心读取电力网络描述信息 2 ) 从s c a d a 系统获取电网数据断面 3 ) 拓扑计算( 接线分析) 4 ) 状态估计计算( 组建方程、进行求解) 5 ) 数据回送s c a d a 系统 实时运行方式的步骤1 ) 一般只执行一次，除非网络的静态描述信息有所改变。 连续运行过程中从步骤2 ) 到步骤5 ) 循环执行，每一步获得执行的前提是先前的步骤 成功完成。状态估计连续运行方式的计算时间间隔可以动态设定，时间从8 秒n 3 0 秒可调。 文件研究方式的基本处理过程为： 1 ) 从文件中读出网络描述信息和断面数据 2 ) 拓扑计算( 接线分析) 3 ) 状态估计计算( 组建方程、进行求解) 华北电力人学徉硕十学位论文 4 ) 在状态估计界面查看子系统信息和计算结果 两种方式可以通过读取数据库描述或者读取文件描述数据进行切换。通常状态 估计模块是在实时运行方式进行，当发现模块指标发生下降时转入文件研究方式， 对发生的数据断面进行具体分析，以找出问题，及时进彳亍处理。在初期的调试中多 使用后者进行研究，以对软件进行不断的改进和完善。后期系统稳定运行且各项指 标都满足实用化要求时就运行在实时状态。 2 3 5 研究界面 状态估计界面是标准的w i n d o w s 多文档窗口，窗口外观由标题栏、菜单条、工 具条、子窗口、及状态栏构成( 如图2 6 所示) 。 图2 6 状态估计界面图 2 3 6 计算数据不理想的问题发现 经过两个月的调试阶段，系统基本运行起来，进入实用化阶段，但在状态估计 模块的运行中发现6 月份的遥测估计合格率总是低于9 0 ，影响了状态估计月合格 率不能满足9 0 的指标，同时使得调度员潮流计算结果误差大于2 5 ，甚至常常 无法进行调度员潮流计算操作。表2 ，l 为状态估计6 月份统计表。 华北电力大学工程硕士学位论文 表2 i6 f l 状态估计月统计表 只计算次数 收敛次数合格次数收敛率可用率 14 6 7 8 4 7 7 53 1 1 69 9 7 6 6 6 6 1 25 9 4 8 5 9 2 82 3 6 79 9 6 6 3 9 ，7 9 31 0 3 9 01 0 3 8 02 3 6 79 9 9 0 2 2 7 8 41 0 3 9 0 1 0 3 8 01 4 3 99 9 9 0 1 3 8 5 59 8 3 8 9 7 6 84 8 7 99 9 2 9 4 9 5 9 69 8 3 8 9 7 6 84 9 7 2 9 9 2 9 5 0 5 4 79 7 4 99 6 9 l4 9 7 29 9 4 1 5 1 0 0 89 7 2 3 9 6 6 l 4 0 6 79 9 3 6 4 1 8 3 99 7 2 3 9 6 6 13 7 5 3 9 9 3 6 3 8 6 0 1 09 2 5 09 1 2 03 7 5 39 8 5 9 4 0 5 7 l l9 4 7 39 4 2 43 7 9 49 9 4 8 4 0 0 5 1 29 5 1 89 4 4 55 7 6 89 9 2 3 6 0 6 0 1 39 5 1 89 4 4 55 7 6 89 9 2 3 6 0 6 0 1 49 4 1 5 9 3 2 94 0 2 2 9 9 0 9 4 2 7 2 1 59 4 8 5 9 4 13 5 3 8 49 9 2 4 5 6 7 6 1 69 5 5 49 5 0 76 4 8 99 9 5 1 6 7 9 2 1 79 5 5 49 5 0 76 6 3 l9 9 5 1 6 9 4 1 1 8 9 1 7 59 0 2 46 6 3 l9 8 3 5 7 2 2 7 1 98 5 3 l8 1 2 65 0 6 19 5 2 5 5 9 3 2 2 0 9 0 5 78 7 5 l4 5 8 29 6 6 2 5 0 5 9 2 l1 0 7 9 91 0 7 9 97 8 0 ll o o 0 0 7 2 2 4 2 21 0 8 0 01 0 8 0 09 8 7 91 0 0 0 0 9 1 4 7 2 31 0 8 0 01 0 8 0 09 8 7 91 0 0 0 0 9 1 4 7 2 49 2 3 09 0 2 28 2 2 29 7 7 5 8 9 0 8 2 58 5 0 28 0 8 25 1 0 0 9 5 0 6 5 9 9 9 2 6