电力工程概论第10讲

1、第10讲 电力系统安全运行与调度自动化自从电力作为能量被利用以来，世界各国都致力于在广泛的地域内实现电源、负荷的相互联系，从而形成了所好的互联系统。大系统具有若干优越性，同时也带来了一些问题：一是形成的电力系统愈大，联系愈紧密，系统事故的波及范围也愈大，发生系统性事故的概率也愈大；二是为了取得联网效益，如负荷时差、电源紧急备用、短时的发电经济优化、跨流域的水能综合发电优化等。一个电力系统的安全性是指在设备不过负荷，而且在它的网络上的变量不偏离允许范围的条件下。满足它的负荷的能力。特别值得关注的是系统的突然改变、其起因可能是内扰（如当一个设备由于过负荷而故障停运）或外扰（如当一个设备被雷击时）伴

2、随这些改变的是暂态扰动，许多设备可能过负荷或掉闸当最终的稳态建立起来时，系统可能缺乏发电容量，直到修复之前无法向所有负荷供电电力系统安全性检验： 电力系统被看作是处于两组约束下运行的：负荷约束和运行约束。 负荷约束的要求是所有负荷都必须被满足 运行约束则给出了网络运行参数的上限和下限 将系统运行状态分为四种： 安全正常状态、不安全正常状态、紧急状态和恢复状态。 正常状态时负荷约束与运行约束均被满足的状态。 紧急状态指对运行约束有重大破坏的状态。 恢复状态是指负荷约束被破坏的状态。安全性是相对于一族称之为下一个偶然事故集的随机事件而定义。已处于正常状态的电力系统，在承受一个合理的下一个偶然事故集

3、（预想事故集）的扰动之后，如果仍不违反负荷约束和运行约束，则称该系统处于安全正常状态。在大多数的电力系统中，预想事故一般是单一的，例如：开断任一台发电机或开断任一支路（线路或变压器）。而在某些情况下，有必要考虑双重事故，如：同时开断两条支路或同时开断一条支路和一台发电机等。当然根据某些特定电力系统的需要，还可再增加其它形式的扰动（例如，全厂发电机开断等）、只是在预想事故集中包含的合理扰动愈多，对系统安全性的要求就愈严格。如果运行在正常状态下的电力系统，在承受规定预想事故集的扰动过程中，只要有一个预想事故使系统不满足运行约束条件（即不等式约束条件），就称该系统处于不安全正常状态。当系统运行在不满

4、足不等式约束条件的状态下时，系统即处于所谓的紧急状态。紧急状态可以是静态的（某些设备过负荷、某些节点电压违限等），也可以是动态的（系统频率越限，发电机转子间的角度分开等）。概略地说，在静态紧急状态下系统虽违反运行约束条件但仍保持其稳定性，而在动态紧急状态下，系统将失去稳定。此时 无论等式和不等式约束条件都不能得到满足。处于紧急状态的电力系统，如果不及时采取某些措施（对静态紧急状态而言），或者来不及采取某些措施（对动态紧急状态而言），就有可能使系统运行条件继续恶化，甚至有可能出现广泛波及性的跳闸，导致整个系统的瓦解或崩溃。这时，虽然系统的某些个别部分仍可能处于某种正常状态（即同时满足等式和不等式

5、约束条件），但另一些部分却可能出现了同时违反等式和不等式约束条件的情况。这样的系统被称为处于待恢复状态。当系统工作在某一运行状态时 为了提高其安全性，应由电网控制中心的调度人员来拟订防止事故广泛波及的对策。这些不同的对策，来源于所谓的安全控制。 为了使电力系从不安全正常状态转变到安全正常状态，应采用预防控制（preventive control），以使系统有可能承受合理预想事故集中的各种扰动。 对于没有失去稳定性仅处于紧急状态的系统，应采用校正控制（corrective control），尽快地使系统恢复到正常状态。 在系统失去稳定性的紧急状态下，为了防止事故的进一步扩大以及缩小事故对系统的冲

6、击影响，应通过紧急控制（emergence control）运行人员的操作和或自动装置动作，如切负荷，切机，解列运行等使系统进入待恢复状态。 然后，采用恢复控制（restorative control）包括启动备用机组、重新并列瓦解的系统，以及在尽可能短的时间内，恢复对用户的供电等，来使系统重新恢复到正常状态。在现代的控制中心中，为了实现上述的安全控制，可以利用计算机的各种应用软件构成如下图所示的结构方案。这一方案的作用，是使保证系统安全性的各种控制功能形成一个有机性体，其中也包含有一些其它重要功能，以支援安全控制软件的工作。安全分析安全监视：通过对实时数据的校核，可以在线地识别实际的运行条件

7、，以判定系统是否处于正常状态、紧急状态或待恢复状态。 如果系统处于静态紧急状态，可以调用下述的校正对策分析程序，提出使系统返回正常状态的可行措施，即所谓校正控制的对策。 如果系统已进入动态紧急状态，则将由自动装置以及由运行人员进行必要的操作，在尽量减少大面积停电的条件下，使系统入待恢复状态。 至于使系统由待恢复状态返回到正常状态的恢复控制，出于操作项目的多样性和复杂性，几乎完全由运行人员进行手动操作来实现。在状态估计和安全监视中都需要知晓网络的拓扑现状，它可以由预过滤器对有关开关和隔离开关现状的实时信息进行处理来获得。在正常状态下，有可能要求显示所关心网络部分的实时潮流（在线潮流）。它利用了得

8、自网络拓扑的信息，同时，它还要求有一个确定外部系统等值的程序做为配合。在系统处于正常状态时，还要求安全分析功能来检验其安全水平， 主要由静态预想事故评定和预防控制组成。确定系统是否安全，并且也给出了某些必要的预防对策 使系统在预想事故集情况下出现的不安全正常状态转变为安全正常状态。如果预防控制有解，而且控制对策的代价很小，运行人员可以把控制对策投入运行，如果经济代价很高，而且可能出现的静态紧急状态并不严重，运行人员也可以在事故真正发生以前不采取任何预防对策。如果系统由于受到可控性的限制，而不能找到预防控制解时，可以在假想出现了（静态）紧急状态的情况下，以负荷卸除最少、或各机组偏离原经济运行状态

9、最小为目标函数，进行校正对策分析。这种分析有时也叫做预想事故规划或校正安全分析。它们能使运行人员了解到，可能出现的紧急状态的严重程度，从而在事先有所戒备。进行预想事故评定，需要构成预想事故集的表格。早期构成这种事故一览表的方法，要求进行相当数量的离线计算，然后按各可能预想事故发生的概率和严重程度，人为地排出每一个安全分析计算周期中，所需执行的预想事故项目。现在，巳可以利用实时条件，自动地按各可能预想事故所引起后果的严重程度，来排出预想事故一览表的程序。除了前述的各种功能外，也可以利用短时负荷预测（1530分钟后）的数据，来进行安全分析。这样就能错判断未来运行条件下系统的安全性。电力生产运行特点

10、 不可存储不可存储：电源和负荷间功率平衡、所有传输环节畅通无阻，因此生产、变换、输送、分配各设备环节需紧密配合。 暂态过程迅速暂态过程迅速：任何一点故障会在瞬间影响全系统，往往引起连锁反应，导致事故扩大和大面积停电 负荷不可预测和时变性、随机干扰负荷不可预测和时变性、随机干扰 大规模电网大规模电网：设备众多电力生产特点不可存储暂态过程迅速负荷不可预测和时变性随机干扰大规模电网电力生产要求安全可靠供电电能质量：频率、电压、波形供电经济性：节能管理方式转变：减员增效功率经济分配（优化问题）功率平衡（等式约束）各设备不越限运行（不等式约束）时刻监视数以千万的电气设备和运行参数的变化快速发电控制、故障

11、切除、运行方式切换、甩负荷操作等等减员、无人值守对电力系统运行的要求电力系统自动化3722电力系统自动化：是采用各种具有自动检测、决策和控制功能的装置，对电力系统进行就地或远方的自动监视、调节、控制和管理，保证电力系统的安全经济运行和具有合格的电能质量。 电力系统自动化：对电力设备及系统的自动监视、控制与调度电网调度自动化电网调度自动化(EMS)(EMS)配电网自动化配电网自动化( DMS)( DMS)火电厂自动化火电厂自动化水电厂自动化水电厂自动化电力系统调度自动化电力系统调度自动化发电厂自动化发电厂自动化变电站自动化变电站自动化电力系统自动化电力系统自动化发电用户配电输电发电效率管理能量管

12、理系统配电管理系统用户侧管理GEMDSMDMSEMS电力系统自动化的主要内容自动化技术的两个方面：自动控制代替人工操作信息处理：计算机和通信技术取代了传统人工记录25大规模的综合自动化系统大规模的综合自动化系统 控制对象自控装置测量信息控制信息 典型自控系统典型自控系统电网调度自动化系统电网调度自动化系统配电自动化系统配电自动化系统信息管理系统等信息管理系统等3728EMSEMS是什么？是什么？能量管理系统能量管理系统(EMS)(EMS)集中反映了高科技：预测理论、优化理论、稳定理论、可靠集中反映了高科技：预测理论、优化理论、稳定理论、可靠性理论、智能技术、通信技术、计算机技术等。性理论、智能

13、技术、通信技术、计算机技术等。能量管理系统能量管理系统(EMS)(EMS)集中反映了高科技：预测理论、优化理论、稳定理论、可靠集中反映了高科技：预测理论、优化理论、稳定理论、可靠性理论、智能技术、通信技术、计算机技术等。性理论、智能技术、通信技术、计算机技术等。经典理论现代理论 EMS电力市场系统工程市场理论控制论60708090数据收集能量管理交易竞价北美大停电1970198019902000电力市场系统工程系统工程电力市场技术支持系统Digital Power网络分析培训模拟负荷预测信息技术EMS中间件标准化系统工程电力企业信息/应用统一系统CompaqSun通用中间件平台（CORBA、J

14、2EE）基于IEC 61970 CIM/CIS 的标准接口技术IBMHPSolaris UNIX Tru64 UNIX AIX UNIXWindowsNT图形界面前置通讯Web报表Web浏览器调度员培训仿真系统DTS操作系统各种硬件通用平台数据库平台应用平台电力应用软件培训仿真电子商务工具LINUXOther PC网络互连通讯GISAGCNASDMIS DMSSCADATMRPTMSLFS交易员培训仿真系统PTS调度员电力系统商用数据库（Oracle、Sybase、DB2）通用参考模型WANRTURTURTURTU电力系统SCADA(2 sec.)LANDBMS(1 sec.)NAS(15 m

15、in.)OPS(24 hr.)UIS(1 sec.)EMSDTSGMS(2 sec.)UIS:用户界面子系统（User Interface Subsystem）DTS:调度员培训子系统EMS电力应用软件DBMS:数据库管理系统数据收集级数据收集级培训仿真级培训仿真级能量管理级能量管理级网络分析级网络分析级EMSEMS的电力应用软件的电力应用软件NAS:网络分析子系统（Network Analysis Subsystem）OPS:运行计划子系统（Operation Planning Subsystem）GMS:发电管理子系统（Generation Management Subsystem）DTS

16、:调度员培训子系统（Dispatcher Training Subsystem ）SCADA:监控与数据采集（ Supervisory Control And Data Acquisition）数据收集级(SCADA) 这一级的任务是实时收集电力系统数据并监视其状态。 实时数据收集是EMS与电力系统的总接口，它向能量管理级和网络分析级提供实时数据；EMS通过它向电力系统发送控制信号；网络分析可以向它返回量测质量信息。能量管理级(GMS&OPS) 能量管理级的特点是利用电力系统总体信息（频率、时差、机组功率、联络线功率等）进行调度决策，主要目标是提高控制质量和改善运行的经济性。 能量管理级功能模

17、块 实时发电控制 系统负荷预测 发电计划（火电调度计划） 机组经济组合 水电计划（水火电协调计划） 交换功率计划 燃料调度计划 机组检修计划网络分析级(NAS） 网络分析级的特点使利用电力系统全面信息（母线电压和角度）进行分析与决策，主要目标是提高运行的安全性，这一级应用软件使EMS的决策能做到安全性和经济性的统一。 网络分析级功能模块： 实时网络状态分析 网络结线分析 母线负荷预测 潮流 网络等值 网络状态监视 预想故障分析 安全约束调度 无功优化 最优潮流 短路电流计算 电压稳定分析 暂态分析 合同管理CMS发电报价 GBS信息发布 SIS结算 SBS电能计量TMR电力市场 ITSCADA

18、网络分析负荷预测AGC机组组合水电计划电力市场培训模拟电力市场 App交易计划辅助服务计划输电服务计划现有面临的问题 EMS已得到了广泛的应用，但目前只停留在分布式独立计算分析阶段，多数高级应用软件都需要人工调用，然后由调度员进行综合决策。 在电网事故状态下，没有良好的事故分析、定位和恢复手段。 实现配电网控制中心的各种监视、控制和管理功能实现配电网控制中心的各种监视、控制和管理功能的自动化系统的自动化系统. .以馈线自动化以馈线自动化（FAFA）为主的实）为主的实时应用系统。国时应用系统。国内第一轮配电自内第一轮配电自动化绝大多数试动化绝大多数试点项目都属于这点项目都属于这类系统类系统. .

19、将调度自动化将调度自动化和配电自动化和配电自动化合为一体的实合为一体的实时应用系统。时应用系统。最近几年各级最近几年各级供电企业的配供电企业的配电调度得到较电调度得到较多的应用，有多的应用，有较好的实用性。较好的实用性。实时应用和管理应用实时应用和管理应用相结合，面向供电企相结合，面向供电企业所辖的整个配电网业所辖的整个配电网的自动化及管理系统。的自动化及管理系统。工业发达国家的配电工业发达国家的配电自动化项目基本属于自动化项目基本属于这类系统。国内大中这类系统。国内大中型供电企业已开始应型供电企业已开始应用。用。配调自动化（配调自动化（D-SCADA）统一的基本系统平台统一的基本系统平台配电

20、自动化（配电自动化（DA）变电站集控（变电站集控（SCC）AM/FM/GIS可做到：调可做到：调/ /配一体化；配一体化； 调调/ /配配/ /集控一体化；集控一体化； 调调/ /配配/ /集控集控/GIS/GIS一体化一体化 DMS = DSCADA + DPAS + DA+DSM + GIS SCADA：配电网数据采集与监控配电网数据采集与监控PAS ： 核心计算、分析软件核心计算、分析软件DA ： 馈线自动化馈线自动化+变电所自动化变电所自动化DSM ： 需方管理系统需方管理系统GIS ： 地理信息系统地理信息系统 通信网 FTU 配电子站 柱上开关 TTU 重要 配变 FTU 柱上开关

21、 通信网 DTU 配电子站 环网柜 DTU 环网柜 FTU 柱上开关 DTU 开闭所 配电主站 通信网 上级调度自动化系统简易型配电自动化区域配电GIS应用系统安全隔离馈线自动化区域 通 信 网 FTU 配 电 子 站 柱 上开 关 TTU 重 要 配 变 FTU 柱 上开 关 通 信 网 DTU 配 电 子 站 环 网柜 DTU 环 网柜 FTU 柱 上开 关 DTU 开 闭所 配 电 主 站 通 信 网 上级调度自动化系统简易型配电自动化区域负控系统安全隔离基于IEC61968的信息交换总线或综合数据平台（安全I和II区）基于IEC61968的信息交换总线或综合数据平台（安全III和IV区

22、）企业GIS应用系统配变采集与监测系统生产管理系统PMS营销管理系统CIS企业资源计划ERP馈线自动化区域国电自动化研究院农村电气化研究所50国电自动化研究院农村电气化研究所51网网络络子子系系统统（T TC CP P/ /I IP P, ,U UD DP P）实实时时数数据据库库、商商用用数数据据库库应应用用功功能能支支撑撑平平台台网网络络子子系系统统（T TC CP P/ /I IP P, ,U UD DP P）实实时时数数据据库库、商商用用数数据据库库图图形形子子系系统统、报报表表子子系系统统操操作作系系统统硬硬件件平平台台网网络络子子系系统统（ T TC CP P/ /I IP P, ,U UD DP P）实实时时数数据据库库、商商用用数数据据库库继继电电保保护护