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第五章电力系统调度自动化 一 调度自动化概貌 电力是一种商品 它的生产 流通 消费具有一般商品的属性 1 电力运行概况 1 产品不可大规模储存性 电力不同于普通商品的特点 2 生产和消费的同时性 3 系统地域广阔 不同地域产品质量可能不同 4 产品质量不完全决定于生产环节 5 恶性连锁事故的破坏性 电力状态及其转换 电力系统一般动态过程 2 电力系统调度的主要任务 保证系统供电质量 电压偏移 频率偏移 波形畸变 提供强有力的事故处理能力 提高系统运行的经济性 合理的运行方式 保证一定的安全裕度 具有足够承受事故冲击能力 电力系统是人类创造的最复杂的工程系统 规模庞大 信息量巨大 实时性要求很高 电力系统控制的难点 负荷在短时间内以及长时间内都是在不断变化的 趋势的规律性以及短期的偶然性 大部分系统暴露于外部扰动之下 雷击 风 树 车辆 飞行物 鸟 小动物 误操作 恶劣天气 冰 设备状况的不可严格监测设备故障不可完全避免 人在设备安装 维护中的不确定因素 工程人员素质参差不齐 设备参数设置错误 误操作 3 调度自动化概貌 早期电话调度 反应慢 得到的信息是历史的 不一致的做出的判断和决策是不可靠的主要由厂站端的运行人员就地完成大部分监控功能厂站端人员不了解系统状态 不了解全局 大规模电力系统的需求 SCADA的必要性 实时了解系统的运行状态迅速 准确 可靠地将厂站端信息传送到调度中心迅速 准确 可靠地执行下发命令 现代电力调度中心 SCADA概貌 SCADA SupervisoryControlAndDataAcquisition 不是一个全面的控制系统 主要是基于管理层面的 位于硬件顶层的软件系统 通过PLC RTU等模块与被控系统联系 广泛应用于工业的过程控制系统中 运行于DOS VMS UNIX NT LINUX等操作系统之上 是一种软实时的控制系统 在电力系统中它是一个复杂的计算机群 数据采集 命令控制 RTU SCADA系统构成 数据传输 信道 数据的处理 主站计算机 SCADA在调度系统中的位置 电力系统 SCADA Actual Fixed Accurate simulation 快照 状态估计 拷贝 电力系统 AGC AVC 在线闭环控制 操作控制 在线开环控制 电力系统调度计划 模拟和培训 离线分析和规划 培训模式 SCADA是调度的 眼 和 手 数据流分类 控制任务分类 SCADA系统平台 数据采集 SCADA的基本功能 数据预处理 信息显示和报警 遥控和遥调操作 信息统计 储存和打印 事故追忆 PDR 和事件顺序记录 SOE 调度控制系统的状态监视和控制 4 电力系统的分区 分级调度 国调 网调 省调 地调 县调 支撑平台子系统整个系统的最重要基础 实现全系统统一平台 数据共享 支撑平台子系统包括数据库管理 网络管理 图形管理 报表管理 系统运行管理等 5 SCADA EMS系统的子系统划分 SCADA子系统包括数据采集 数据传输及处理 计算与控制 人机界面及告警处理等 高级应用软件PAS PowersystemApplicationSoftware 子系统包括网络建模 网络拓扑 状态估计 在线潮流 静态安全分析 无功优化 故障分析及短期负荷预报等一系列高级应用软件 调度员仿真培训系统DTS DispatcherTrainingSimulator 包括电网仿真 SCADA EMS系统仿真和教员控制机三部分 调度员仿真培训 DTS 与实时SCADA EMS系统共处于一个局域网上 DTS本身由2台工作站组成 一台充当电网仿真和教员机 另一台用来仿真SCADA EMS和兼做学员机 AGC EDC AutomaticGenerationControl EconomicDispatchControl 子系统自动发电控制和在线经济调度 AGC EDC 是对发电机出力的闭环自动控制系统 不仅能够保证系统频率合格 还能保证系统间联络线的功率符合合同规定范围 同时 还能使全系统发电成本最低 调度管理信息子系统DMIS DispatcherManagementInformationSystem 调度管理信息系统属于办公自动化的一种业务管理系统 一般并不属于SCADA EMS系统的范围 它与具体电力公司的生产过程 工作方式 管理模式有非常密切的联系 因此总是与某一特定的电力公司合作开发 为其服务 当然 其中的设计思路和实现手段应当是共同的 1 电网调度自动化的初级阶段安装于各厂站的远动装置 采集各机组出力 各线路潮流和各母线电压等实时数据 以及各断路器等开关的实时状态 然后通过远动通道传给调度中心并直接显示在调度台的仪表和系统模拟屏上 调度员可以随时看到这些运行参数和系统运行方式 还可以立刻 看到 断路器的事故跳闸 模拟屏上相应的图形闪光 遥测 遥信方式的采用等于给调度中心安装了 千里眼 可以有效地对电力系统的运行状态进行实时的监视 远动技术还进一步提供了遥控 遥调的手段 采用这些手段 可以在调度中心直接对某些开关进行合闸和断开的操作 对发电机的出力进行调节 千里手 6 调度自动化系统发展历程 2 电网调度自动化的第二阶段电力系统调度自动化的第二个发展阶段 是电子计算机在电力系统调度工作中的应用 1965年美国 加拿大和其它一些国家的电力系统大停电事故 使人们开始认识到 安全问题比经济调度更重要 一次大面积停电事故给国民经济造成的损失 远远超过许多年的节煤效益 计算机系统应首先参与电力系统的安全监视和控制 这样 就出现了SCADA系统 出现了AGC EDC以及电力系统安全分析等许多功能 大脑 3 电网调度自动化系统的快速发展阶段随着计算机技术 通信技术和网络技术的飞速发展 SCADA EMS技术进入了一个快发展阶段 经历了从集中式到分布式又到开放分布式的三代推进 新的开放系统结构应采用 面向对象 的技术 将各种应用按 组件 接口规范进行 封装 形成可以在不同软硬件系统上 即插即用 的 组件 实现软件的 即插即用 这是软件发展的理想目标 二 数据通信 原始通信技术语言 烽火 1 通信概述 通信指信息的传递 通信的要素目的是传送信息 信息 两点之间 媒介 信息传输的载体 规约 1838年 莫尔斯 Morse 发明有线电报 通信技术发展 1873年 麦克斯韦 Maxwell 提出电磁波理论 1876年 贝尔 Bell 发明电话 1876年 马可尼 波波夫发明无线电报 1907年 电子管的发明促使通信技术迅速发展 1918年 调幅广播和超外差收音机问世 1930年代 调制理论和多路复用技术取得重大进展 调频广播和电视先后开通 通信系统基本组成 信源 信宿 信道 有线 无线 发信设备 收信设备 按传输信号性质分类模拟通信系统 数字通信系统 通信系统分类 按传输媒体分类有线通信系统 电话 有线电视 电力载波 光纤 无线通信系统 微波 卫星 移动通信 通信系统主要环节 码元数据通信中 传送的是一个个离散脉冲信号 故把每个信号脉冲称为一个码元 数码率每秒传送的码元数 以Bd 波特 为单位 波特率 信息速率系统每秒传送的信息量 信息量以比特 bit 为单位 信息速率的单位就是bit s 比特 秒 在信息用二进制表示时 每个码携带1bit信息量 这时的数码率与信息速率是相同的 常见的传输速度 200 600 1200 2400 4800 9600 Microwave 误码传输中发生错误的码元 误码率数据经传输后发生错误的码元数与总传输码元数之比 称为误码率 在电网远动通信中 一般要求误码率应小于10 5数量级误码率与线路质量 干扰大小等因素有关 为了减小误码率 要采用各种检错 纠错的措施加以保护 差错控制在信息传送过程常会出现各种干扰 使所传输的信号码元发生差错 如某位1变成0或0变成1 在一个实用的通信系统中一定要能发现 检测 这种差错 并采取纠正措施 把出错控制在所能允许的尽可能小的范围内 这就是差错控制 奇偶校验采用偶校验传送7位二进制信息 则在传送的7个信息位后加上一个偶校验位 如前7位中1的个数是偶数 则第8位加0 如前7位中1的个数是奇数 则第8位加1 这样使整个字符代码 共8位 中1的个数恒为偶数 接收端如检测到某字符代码中 1 的个数不是偶数 即可判断为错码而不予接收 调制和解调 二进制信息通过调制加到交流高频信号上再传输 接收端将含有信息的交流信号解调 还原信息 调制和解调器调幅调频调相 传输信道是指信号传送时所经过的通道 有狭义与广义之别 传输信道 狭义信道也称传输媒体 分为有线和无线两类 架空线 同轴电缆等属前者 电磁波自由传输空间属后者 广义信道包括调制信道和编码信道 当前常用的载波属调制信道 微波属编码信道 常见传输媒介 电力线载波 30 500kHz高频信号 微波 2 13GHz高频信号 光纤 500MHz以上带宽 卫星 电话线 通信工作方式 发端 信道 收端 单工 单方向传输 发端 信道 半双工 可不同时上下行双向传输 收端 收端 发端 发端 信道 双工 可同时上下行双向传输 收端 收端 发端 信道 数据传输系统结构 电力通信网及其特点 我国已建成基于六大跨省电网的全国互联电网 装备水平日益提高 自动化技术在发 输 变 配 用等各个环节广泛采用 1 通信在电力系统中地位和作用 电力工业自动化的发展与电力通信的发展相互促进 1978年国家批准建设电力专用通信网 1 传送电力系统远动 保护 负荷控制 调度自动化等运行 控制信息 保障电网安全 经济运行 电力通信的作用 2 传输各种生产指挥和企业管理信息 为电力系统的现代化提供高速率 高可靠性的信息传输系统 电力通信网的特点 已存在规模庞大的公用通信网 为什么还要另建一个专用电力通信网 由电力系统运行的特点和对安全性的特殊要求决定 1 实时性信息的传输延时必须很小 由电力系统事故的快速性所要求 公网常遇到 占线 不通 情况 不能满足电力系统要求 电力通信具有以下特点 2 可靠性信息传输必须高度可靠 准确 不能出错 否则控制命令传输错误可能导致灾难性后果 3 连续性由于电力生产的不间断性 电力系统的许多信息需要占用专门信道 长期连续传送 在公网通信中难以实现 4 信息量较少电力通信主要传送电力系统的生产 控制 管理信息 电力通信系统的容量比公网小 5 网络建设可利用电力系统独特资源利用高压输电线进行载波通信 利用电力杆塔假设光纤等 电力系统数据传输模式 按发动通信传输的模式来划分 有一下几种类型 循环传输模式发送端按规定的顺序 周期性地主动将远动信息送给主站 一帧一帧周而复始不断传送 不需主站干予 只需使用单向信道 即使数据毫无变化 也照样发送 正常情况下信道利用率不高 自发 事件发动 传输模式只有在发送端发生事件时 例如开关位置状态发生变化 测量值得变动超过预定范围等 才向主站发送信息 有事件发生就立即向主站传送数据 最适合实时性的要求 减轻了正常运行情况下信道的负担 但在异常或事故情况下传送的工作量将大量增加 自发传输模式通常和其它传输模式组合使用 按请求 问答或轮询 传输模式主站作为发动通信的一方 由它向被控站发出命令 被控站则按请求发送有关信息 可以要求发送某一远动信息 也可以要求某些 方式灵活 问答传输模式要双工通信 因此需要双工信道 通常由主站逐一轮询各个子站 如此循环不息 以上是三种基本传输模式 实际应用中传输模式通常是它们的组合 例如将循环传输模式与自发传输模式组合 在正常情况下以循环传输模式工作 当发生紧急情况时 例如断路器跳闸 就插入事件发动传输 即优先插入遥信变位信息传输 待紧急信息传送完毕后 再恢复正常的循环传输模式 在各种模式组合时 事件发动传输模式的优先级通常是最高 循环传输模式的优先级最低 46 调度自动化系统高级应用 47 一 网络拓扑分析 电力系统由发电机 变压器 线路 母线 并联电容器等设备构成 48 1 电力系统 拓扑 参数 状态 各种电网设备通过开关 刀闸连接在一起共同组成电网 改变开关和刀闸的状态可组成不同的运行方式 49 电力系统设备 单端设备 发电机电容器 负荷电抗器 单端设备发电机 负荷 并联电容器 并联电抗器等描述 设备名 所在节点单端设备是一类特殊的双端设备 其一端固定为大地 50 电力系统设备 双端设备 线路 串联电抗器 变压器开关刀闸 双端设备线路 串联电抗器 变压器 开关 刀闸描述 设备名 从始节点到终节点 节点模型 物理模型 以节点表示的网络原始描述 输入数据用此模型 描述了所有物理设备及其逻辑联结关系 具有相对的唯一性 51 母线模型 计算模型 以母线表示的计算用网络描述 与网络方程联系在一起 母线模型随开关状态而变化 不唯一 2 电力系统网络模型 52 网络模型 例1 开关FromToA12B13C24D35E46F56 设备 节点对照表 3 2接线 53 3 2接线 节点模型 母线模型 54 网络模型 例2 单母线分段 节点模型 母线模型 55 网络模型 例3 双母线带旁路 节点模型 母线模型 56 网络模型 例4 四角接线 节点模型 母线模型 57 母线模型中省掉的开关 SF6开关模型照片 网络拓扑分析 根据开关状态和网络元件状态由电网的节点模型产生电网的母线模型过程 58 3 网络拓扑分析概念 分析步骤厂站的结线分析系统的结线分析 搜索方法深度优先搜索 DepthFirstSearch DFS 广度优先搜索 BreadthFirstSearch BFS 4 网络拓扑分析算法 59 深度优先搜索方法 DFS 深度优先搜索 DFS 示意图 60 广度优先搜索方法 BFS 广度优先搜索BFS示意图 二 状态估计 61 需要随时监视系统的运行状态 获知数据 62 1 状态估计技术背景 因此 如何低成本 高精度地提供电力系统实时数据是提高电力系统计算机应用水平的关键 测量所有关心的量是不经济的 也是不可能的 需要利用一些测量量来推算其它电气量 由于误差的存在 直接测量的量不甚可靠 甚至有坏数据 量测值与真实值的差值称为量测误差 63 误差及其来源 电力系统量测误差来源 环节 大体可归纳为 1 变换器 电压互感器和电流互感器 的误差 2 模数转换器的误差3 数据传送过程中的误差4 量测和传送过程中的时间延迟5 运行中三相不平衡及功率因数的变化 会给单相量测和计算带来误差 这种由远动装置直接传送来的数据具有较大的误差 偶尔还包含不良数据 习惯上称为生数据 rawdata 一般来讲 误差具有正态分布的性质 64 误差的性质 只有0 3 的可能性 Z落在3 范围之外误差大于 3 的量测数据可认为是不良坏数据 实际应用中不良数据误差界限往往取 6 7 平均数 标准差 建立可靠而完整的数据库有两条途径 65 提高数据可靠性和完备性的措施 硬件途径 增加量测设备和远动设备 并提高其精度 速度与可靠性 导致技术和经济上付出过大的代价 软件途径 采用数学 软件技术 对数据进行实时处理 提高数据的可靠性和完整性 在具备一定水平的硬件基础上 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 补充测点和量测项目的不足 排除偶然的错误信息和数据 提高整个数据系统的质量与可靠性 也称为滤波 它是利用实时量测系统的冗余度来提高数据精度 自动排除随机干扰所引起的错误信息 估计或预报系统的运行状态 或轨道 66 2 状态估计基本概念 状态估计作为近代计算机实时数据处理的手段 首先应用在宇宙飞船 卫星 导弹 潜艇和飞机的追踪 导航和控制 状态估计主要处理对象是某一时间断面上的高维空间 网络 问题 而且对量测误差的统计知识又不够清楚 因此目前很多电力系统实际采用的状态估计算法是最小二乘法 降低量测系统投资 少装测点 67 状态估计的作用 计算出未测量的电气量 利用量测系统的冗余信息 提高量测数据的精度 68 状态估计数学描述 量测矢量 Z Z1 Z2 Zm T m维实际量测值 量测误差矢量 1 2 m T m维 量测函数 h x h1 x h2 x hm x T理论 状态量 x x1 x2 xn T n维 量测方程 69 量测方程的特点 方程个数m大于状态变量的个数n 多余m n个方程为矛盾方程 找不到常规意义上的解 只能用统计的方法求在某种估计意义上的解 70 最小二乘估计 LeastSquaresEstimation 对量测方程 满足上述目标的称为的最小二乘估计值 建立目标函数 求极小值 71 最小二乘估计示例 状态量x为电流I 测量值 I 1 05A 1 05p u U 9 8V 0 98p u P 9 6W 0 96p u 量测方程 Z1 x v1Z2 Rx v2Z3 Rx2 v3 标么化 72 示例续 目标函数 Min J x 1 05 x 2 0 98 Rx 2 0 96 Rx2 2 令 73 状态的估计值x 0 9917 量测的估计值 电流I x 0 9917p u 0 9917A电压U Rx 0 9917p u 9 917V有功P Rx2 0 9835p u 9 835W 量测估计值的误差 电流 I 0 9917 1 0 0 0083A 0 0083p u 电压 U 9 917 10 0 0 083V 0 0083p u 有功 P 9 835 10 0 0 165W 0 0165p u 三 负荷预测 74 针对影响系统负荷的因素 系统总负荷预测模型一般可以按四个分量模型描述为 75 1 电力系统负荷预测模型 L t B t W t S t R t 式中 L t 为t时刻的系统总负荷 B t 为t时刻的基本正常负荷分量 W t 为t时刻的天气敏感负荷分量 S t 为t时刻的特别事件负荷分量 R t 为t时刻的随机负荷分量 76 1 2基本正常负荷分量模型 对于基本正常负荷分量 可用线性变化型模型和周期变化型模型描述 或用两者的合成共同描述 B t X t Z t 2 式中 X t 为线性变化模型负荷分量 Z t 为周期变化模型负荷分量 77 线性变化模型可表示为 78 3 2 周期变化模型 79 是用来反映负荷按日 按月 按年的周期变化特性 周期变化规律可以用日负荷变化系数表示 其中 Li t 为一天中各小时的负荷 Xi为当天的日平均负荷 利用历史数据来做日负荷预测 80 t 1 2 24 式中 n 过去日负荷的天数 Zi t 过去第i天第t小时负荷变化系数 B t X t Z t 81 1 3天气敏感负荷分量模型 以温度为例说明天气敏感负荷模型 以日负荷预测为例 给定过去若干天负荷记录 温度记录 利用线性回归或曲线拟合方法 可以用三段直线描述天气敏感负荷模型 可以用专家系统方法来实现 也可以简单用人工修正来实现 人工修正方法通常用因子模型来描述 因子模型又可以分为乘子模型和叠加模型 82 1 4特别事件负荷分量模型 乘子模型 用一乘子k来表示特别事件对负荷的影响程度S t B t W t k 叠加模型 直接把特别事件引起的负荷变化值当成特别事件负荷分量S t L t 时间序列法进行预测 83 1 5随机负荷分量模型 1 自回归模型 2 动平均模型 3 自回归动平均模型 4 累积式自回归动平均模型 四 电力系统安全分析 84 85 1 电力系统运行的要求 满足系统负荷需求 满足运行约束 无潮流和电压越限 满足稳定性约束 能够承受预想的故障 建立可靠的电力系统运行监视 分析和控制系统 是电网安全经济运行的重要保证 计算机技术的发展提供了必要的技术支持 安全的广义解释是保持不间断的供电 亦即不失去负荷 86 2 安全的含义 在实际运行中 可以用正常供电情况下 是否能保持潮流及电压在允许限值范围内来表示 静态安全分析 分析在发生预想事故后系统是否会发生过负荷或电压越限 动态安全分析 分析在发生预想事故后系统是否会失去稳定 87 3 电力系统运行的4种状态 将系统从警戒状态转变到正常状态的控制 称为预防控制 安全状态 也称为安全正常状态 满足三个安全运行的要求 即能满足全部负荷又没有越限 而且能承受预想故障的冲击 警戒状态 也可称为不安全正常状态 能满足全部负荷又没有越限 但承受不了预想故障的冲击 88 紧急状态 能满足全部负荷但已出现支路或电压越限 如能准确及时地采取安全校正措施 可能回到警戒状态或正常状态 否则可能导致系统瓦解 紧急状态下试图将系统转变到正常状态或警戒状态的控制措施为紧急控制 恢复状态 事故不再扩大 网络元件越限已经解除 但许多用户尚未恢复供电 通过恢复控制回到正常状态 89 90 4 预想故障分析的概念 预想故障分析指的是针对预先设定的电力系统元件故障及其组合 确定它们对电力系统安全运行产生的影响 对静态安全分析而言 预想故障主要包括支路开断和发电机开断 91 预想故障分析的功能要求 能够对多种给定运行方式 状态 进行预想事故分析 能快速扫描预想故障集并进行分类 能够对整个电网的安全水平进行评估 对会引起电网安全运行构成威胁的故障如 线路过载 电压越限和发电机功率越限等进行警示 提供方便的故障定义手段 可定义单 多重故障 多个元件同时断 合 故障元件包括 线路元件 变压器元件 开关 合 断 母线等 92 N 1故障扫描分析 N 1原则 电力系统安全稳定导则 正常运行方式下的电力系统中任一元件 如线路 发电机 变压器等 无故障或因故障断开 电力系统应能保证稳定运行和正常供电 其他元件不过负荷 电压和频率均在允许范围内 这通常称为N 1原则 电力系统静态安全分析指应用N 1原则 逐个断开如线路 变压器等元件 检查其他元件是否因此过负荷或电网低电压 用以检验电网结构强度和运行方式是否满足安全运行要求 93 N 1扫描故障分析存在的问题 随着电网结构的增强 绝大多数单重元件的开断已不构成对系统的危害 即使有极少数构成危害的单重元件的开断 其影响范围和安全对策已被调度人员所熟悉 因此机械地n 1扫描方式在实用中由于效率过低而不受重视 随着电网规模的扩大和结构的变化 调度人员更重视的是多重故障分析 但若进行n 2或n 3扫描方式则计算量将雪崩 技术上要求很高 94 预想故障集合 90年代出现了以预想故障集合方式代替n 1扫描方式 其特点是能方便灵活地定义多重故障 因此是最实用的方式 预想故障集合是由有经验的调度人员和运行分析人员给出的 它包括各种可能危及系统安全的故障及其组合 并且可以规定监视元件及条件故障以自动产生复杂故障 运行中使用者可以激活感兴趣的故障组进行分析计算 95 预想故障组合 故障组 故障 主开断元件 条件监视元件 条件开断元件 规则集 主开断元件 96 可以是电网中任何元件 如变压器 线路 发电机 负荷 电容器 电抗器 开关或母线等 故障可以是单重的 也可以是多重的 而多重故障可以是同一类元件 也可以是几类元件的组合 97 条件监视元件及条件开断元件 二者配合使用 可以模拟继发性故障 在实际电力系统中 某些元