电力系统调自动化

1、电力系统调度自动化电力系统调度自动化 电力系统 调度 自动化 最好的类比：城市道路交通系统及其调度自动化； 石油管道系统及其调度自动化； 医疗救护系统； 公安报警系统； 题目解析 美国加州电力调度大厅 我国某电厂调度室 定义 定义：利用现代计算机、通信和网络技术对于物理电力系统进行监视、分析 和控制。 能量管理系统(Energy Management System-EMS)：属于计算机系统、 二次系统 由软件系统和硬件系统构成； 几个类比：人体的神经系统、个人电脑、比尔盖茨的家庭管理系统 专著推荐 张伯明，相年德，邓佑满. 电力系统调度自动化. 清华大学电机系讲义， 2000 王士政. 电网调

2、度自动化与配网自动化技术 北京：中国水利水电出版 社, 2003年 周杰娜.现代电力系统调度自动化. 北京: 中国电力出版社. 2005年 本课程内容 上篇：SCADA系统（EMS的硬件 系统和低级软件）40 Supervisory Control And Data Acquisition 下篇：PAS系统（EMS的高级软件 系统）60 Power-system Analysis System 何为系统？ 紧密耦合与松散耦合； 最复杂的人造系统：电力系统。 最复杂的自然系统：人自身。 电力系统崩溃心脏停止跳动！ 何为电力系统？ 发电机及其控制系统、网络和负荷 E min (,) . . (,)

3、0 (,)0 (,)0 (,)0 PQ PQ IPQ EPQ IPQ f xx stP xx P xx Qxx Q xx ( , ) 0( , ) T YAyA dx f x y dt g x y 内容 序论： 调度自动化的定义、内容、历史与现状 上篇：SCADA系统 下篇：PAS 展望： 基于PMU/WAMS的新一代调度自动化 电力系统调度自动化的发展历程 电话调度阶段 远动调度阶段 计算机调度阶段 集中式系统； 分布式系统； 开放型系统； 基于PMU/WAMS的动态系统； 电话调度 速度慢、同时性差； 信息量少、片面； 依赖运行人员的经验； 直到今天，电话是无法取代的； 远动调度阶段 四遥

4、（厂站）： 千里眼：遥测、遥信； 千里手：遥调、遥控； 系统模拟屏（调度中心） 植物电力系统，没有大脑的电力系统 计算机调度 计算机技术的发展及其在电力系统分析中的应用； 1965年前后，北美发生了大停电事故； 现代调度自动化之父：Dyliaco； 通信技术和网络技术的飞速发展； 电力系统的分层分级调度 国调：三峡电厂与跨网联络线 网调：网调电厂与省间联络线 省调：省调电厂与省内220KV以上电网 地调：地方电源和地区110KV及其以下电网 县调：农村电网 调度自动化的三大任务 保证电力系统运行的安全 保证供电质量 保证电力系统运行的经济性 安全性 防止系统失去稳定、崩溃、大停电； 保证工作人

5、员的人生安全； 保证电力设备的安全； 外部系统的影响：恶劣气候等； 自身系统的隐患： 指挥倒闸操作； 进行事故处理； 合格性 电能质量三个指标： 频率 有功功率的平衡； 负荷预测、发电计划、AGC、卸负荷 电压 无功功率的平衡； AVC、电容电抗器投切 波形 经济性 经济调度； 环保调度； 降低网损； 水火电协调； 电力市场化改革：电能交易、报价与出清、辅助服务获取与回报； 调度自动化系统的基本结构 信息收集和执行子系统； 信息传输子系统； 信息处理子系统； 人机联系子系统； 上篇： 数据采集和监视控制系统数据采集和监视控制系统 SCADA SCADA的基本功能 数据采集 数据预处理 信息显示

6、和报警 调度员遥控遥调操作 信息统计、存储和打印 事故追忆和事件顺序记录 状态监视和控制 一、实时信息的采集 远动：四遥（远程监控） 遥测：（远程测量） 遥信：（远程信号） 遥控：（远程切换） 遥调：（远程整定） 二、实时信息的传输过程 下篇： 高级应用软件系统高级应用软件系统 （PAS） PAS软件功能结构框图 网络 拓扑 状态 估计 在线 潮流 静态安全分析 动态安全分析 安全约束调度 自动发电控制 自动电压控制 负荷 预测 优 化 控 制 灵敏度分析 调度员培训仿真系统调度员培训仿真系统 电力市场技术支持系统电力市场技术支持系统 生数据 熟数据 机组 组合 两种模式 实时模式 研究模式

7、一、网络拓扑分析 定义：根据开关的开合状态（遥信信息）和电网一次接线图来确定网络的拓 扑关系，即节点支路连通关系。 网络建模：建立和修改网络数据库； 网络模型分为物理模型和计算模型； 节点模型数据母线模型数 据 网络拓 扑 基本算法 厂站母线分析和系统网络分析 岛分析； 采用“堆栈原理”后进先出的搜索逻辑 二、状态估计(State Estimation) 何为“状态”？ 电力系统的运行状态可用各母线的电压幅值和相角来表示。 状态由谁决定？ 1，元件的电气参数； 2，各元件之间的联结情况； 3，边界条件：发电和负荷的状况； 量测系统可观测性分析的拓扑方 法 何为“可观测性”？ 量测系统分析的步骤

8、 先用支路潮流量测形成可观测岛； 再用可用注入量测扩大可观测岛； 注入量测的可用性及其判断法 1.辐射岛准则 2.递归搜索法 3.环形岛准则 为什么要进行状态估计？ 1.数据不齐全； 2.不良数据； 3.数据不准确； 何为“状态估计”？ 去伪存真、去粗取精、填平补齐。 是一种数学滤波方法，用量测信息的冗余 度来提高数据精度，自动排除随机干扰所 引起的错误信息，估计出系统的状态。 状态估计四步曲 1.建立数学模型 2.状态估计计算 3.不良数据的检测 4.坏数据的辨识 状态估计问题的数学描述 量测系统的数学模型：量测方程 ( )zh xv z 量测量向量，m维 x 状态向量，n维 v 量误差向量

9、， m维 ( )h x 基于基尔霍夫定律和欧姆定律的量测 函数方程， m维 mn 有m-n个多余方程 我院卫志农教授长期从事该领域的研究 2 1 ( )( ) ( )( ) m T ii i J xzh xzh xzh x 2 1 ( )( )( )( ) m T iii i J xzh xw zh xw zh x 三、负荷预测 根据运用的目的和预测时间不同，可分为： 1.长期负荷预测：月、年 2.短期负荷预测：24小时 3.超短期负荷预测：几分钟到1小时 负荷数据由三种分量叠加构成： 1.长期趋势分量 2.周期性分量 3.随机性分量 系统负荷预测和母线负荷预测 影响系统负荷的因素 系统负荷的

10、构成 系统负荷的时间变化规律 气象变化对系统负荷的影响 系统负荷的随机波动性 负荷预测的数学方法 指数平滑法 平均值外推法 将过去一段时间的历史数据取平均，作为未来负荷的预测值。 同上，但是对过去的历史数据给予不同的权重，对近期的数据给予较大的 权重。 回归分析法 假定一种负荷模型，利用历史数据来确定模型中 的参数，然后用此模型进行预报。 ii yx 一元线性回归 多元线性回归 1 1,2 2,iiikk i yxxx 1 , , 为模型参数 2 , 1 min () N ii i Syx 1 ()0 N ii i yx 1 ()0 N iii i yx x 为误差值 使误差平方和最小 0 S

11、 0 S 时间序列分析法 把随时间变化的负荷数据看作一组随机的时 间序列。 1122tttkt kt yyyy 相似日法 负荷模型的辨识问题 鞠平教授是国内该领域的权威 自动发电控制AGC 电力系统频率的一次调整 1.负荷的频率特性 2.发电机的功频特性 3.电力系统的频率特性 4.调速器的局部控制特性 5.属于发电机的一个自有属性 AGC是电力系统频率的二次调整 1.调度中心的集中控制、远动控制 2.闭环反馈控制系统 3.基于频率积差和调频功率比例系数 AGC 1 1 () L Gi n i i i P P K K 1, 2,in ,Gi newGi oldGi PPP 缺点： 积差信号总是

12、滞后于系统频率的瞬间变化，因此不能保证瞬时频率在 规定范围之内。 复合调节方案： 互联电力系统的自动调频 区域控制误差Area Control Error-ACE 网调考核省调AGC是否合格的指标 北美电力系统可靠性委员会NERC提出的评价标准 CPS1和CPS2 AGC 定频控制方式 定交换功率控制方式 定频定交换功率控制方式 自动修正时差控制方式 安全约束调度SCD 支路热约束； 断面稳定约束； 基于灵敏度的发电功率分配 11 ngng GiGj ij PP 1 0 ng Gi i P 经济调度(Economic Dispatch) 基于机组发电成本特性的发电功率分配 火电机组的煤耗率 1

13、122 ()()() GGkGk MinCC PC PCP 12DGGGk PPPP 目标函数 约束条件 拉格朗日函数为： 112212 ()()()() GGkGkGGGkD LC PC PC PPPPP 0 Gi L P (1,2, )in 0 L 1 1 0 G dC dP 0 k Gk dC dP 12 0 GGGkD PPPP 12 12 k GGGk dCdCdC dPdPdP 等耗量微增率准则 12 12 12 111 111 k GGGk GGGk dCdCdC PPP dPdPdP PPP 计及网损的等耗量微增率准则 机组组合（Unit Commitment-UC） 次日火电

14、机组的开停机计划 0-1整数规划问题 电力市场环境下由交易计划软件取代 两类算法：进化基因类算法和拉格朗日松弛法 自动电压控制AVC 闭环控制系统 发电机端电压的自动调节：就地控制 二级电压控制：AVC，集中控制 三级电压控制：网损最小最优潮流问题 我院丁晓群教授是国内该领域的专家，在中国的市场占有率很高。 在线潮流（调度员潮流） 潮流计算在电力系统分析中的重要地位 计算机技术与电力系统专业技术完美结合 稀疏技术（稀疏矩阵技术和稀疏矢量技术） 节点最优排序技术 约束处理技术 大量控制元件动作的模拟 潮流计算本是一门专门的课程 本专业研究生的必备知识（必修课） 这是本课程的重中之重。 何谓潮流计

15、算？ 潮流计算 网络参数 运行条件 节点电压 支路潮流 发电和负荷 (, , )0F X Y S X ,Y S 已知 求 X 得到 从而得到 (, )H X Y 满足关系 称为潮流方程 也就是基尔霍夫定律 1导出潮流方程式 2求解潮流方程的数值方法 3编程中的稀疏技术应用 潮流方程式的推导 假设条件：三相平衡，可用单相代替 节点支路关联矩阵 节点导纳矩阵（是一个复数、对称、非奇异、 稀疏、对角元占优、方矩阵） 电力网络的基本数学模型 复数方程组代数方程组 非线性代数方程组的牛顿解法 转化为线性代数方程组的迭代求解 计算中初值的选取问题 计算能否收敛的问题 ()0F X 0 0 ()0 X F

16、F XX X 0 1 0 () X F XF X X 0 ()XJ F X 10 XXX 图示说明 线性代数方程组的计算机解算方 法 高斯消元法 因子表求逆法 稀疏技术 稀疏矩阵元素的存放 最优消去顺序问题 因子表的稀疏存放 牛 顿 法 迭 代 流 程 图 形成导纳矩阵 最优消去顺序 赋初值 i=1 形成雅克比矩阵 形成右端列向量 因子化 前代回代计算 更新 满足收敛判据吗？END Start i=i+1 yes no 循环体 预处理 10 XXX 快速解耦法潮流计算 动机：当时（19601980年间）计算机发展 水平低，内存小、机时长，需要改进； 继续挖掘电力系统自身具有的特性； 节点有功注

17、入功率的变化，主要与有关节点的 电压相位变化相关； 节点无功注入功率的变化，主要与有关节点的 电压幅值变化相关； 支路电纳远大于电导（即电阻远小于电抗） 1.0 ij VV cos1 ij sin0 ij 静态安全分析 N-1（或N-m）分析：预想故障的筛选分析 支路过电流检查 节点电压越限检查 校正控制 预防性控制 动态安全分析： 功角稳定性评估与控制 电力系统的动态DAE模型 时域仿真法 直接法 袁越院长长期从事该领域的研究 电压稳定性评估与控制 本人是国内该领域的专家之一 可用传输容量ATC的计算 调度员培训仿真系统DTS 正常运行情况下的培训 紧急状态下的事故处理培训 事故后电力系统的恢复操作培训 预防性操作及操作后的分析 进行继电保护和自动装置研究 EMS和DTS一体化 电力市场及其技术支持系统 何谓电力市场？ 为什么要建设电力市场？ 股票交易中心的技术支持系统 电力市场化变革对于调度自动化的影响 世界上目前的现状 我国目前的现状 技术挑战 配电自动化技术 变电站无人化与综合自动化 负荷控制系统和需求侧管理 配电图资地理信息系统 AM自动绘图 FM设备管理 地理信息系统GIS 远程自动抄表计费系统 到此结束 谢谢大家! E min (,) . . (,)0 (,)0 (,)0 (,)0