现代电力系统中的自动化技术

内容提要第3章现代电力系统中的自动化技术

现代电力系统自动化是对电能生产、传输和管理实现自动控制、自动调度和自动化管理的系统。本章围绕现代电力系统所具有的“多输入、多输出、复杂大系统”特点，介绍现代电力系统中的自动化新技术。现代电力系统自动化的目标是保证供电电能质量，保证电力生产和输送的安全、经济、可靠、稳定运行，提高经济效益和管理效能。我国电力系统自动化的目标是实现主干通道光纤化、信息传输网络化、电网调度智能化、运行指标国际化、管理手段现代化。根据智能电网的建设要求，通过传感器连接资产和设备提高数字化程度；形成数据的整合体系和数据的收集体系；依据已经掌握的数据进行相关分析，以优化运行和管理。第3章现代电力系统中的自动化技术序20世纪50年代以前，电力系统自动化多限于单项自动装置，且以安全保护和过程自动调节为主。20世纪60年代，电力系统开始装设模拟式调频装置和以离线计算为基础的经济功率分配装置，并广泛采用远动通信技术。开始推广使用晶体管保护装置、可控硅励磁调节器、电气液压式调速器等。20世纪70～80年代，电力系统开始采用计算机电网实时监控系统，过程控制开始使用集中式数字控制系统CCS；随着微处理机的发展，又产生了分布式过程控制系统DCS。20世纪90年代，新一代过程控制体系结构是厂站综合自动化系统，300MW及以上容量机组已全面采用分布式过程控制系统DCS，逐步形成了数据采集、模拟量控制、顺序控制、燃烧器管理及电气控制等五大系统，形成现代电力系统自动化系统。电力系统自动化系统大致可分为电力系统信息化系统、能量管理系统、发电厂综合自动化系统、变电站综合自动化系统、配电网自动化系统等，各系统之间通过通信网络进行通信，也可以根据需要将各系统集成。电力信息化技术数据是系统分析与处理的对象，构成系统的应用基础电力信息化是信息化技术在电力工业中的应用，实现各电力企业信息化是电力信息化的主要内容。电力信息化的目的是提高电力企业的生产运行和管理水平，增加企业的竞争能力，最终提高企业的综合效益。电力企业信息化包括生产过程自动化和管理信息化系统两大范畴，每个范畴下根据功能和对象的不同又划分为若干的应用系统，核心是建立在生产过程自动化基础上的企业内部管理信息系统MIS，以及企业资源计划ERP，重点是信息资源开发利用，由操作层向管理层延伸，实现信息化管理。MIS是一个利用现代计算机及网络通信技术，由人、计算机及其他外围设备等组成的能进行信息的收集、传递、存贮、加工、维护和使用的系统，是一个原则框架。ERP是电力行业管理信息化的具体实现模式，都属于广义的企业管理信息系统的范畴。

电力信息化技术电力企业信息系统的典型结构模型

电力企业MIS是电力工业信息化技术的核心，计算机信息网络是MIS的基础。逻辑上分为四层：宏观决策层、经营管理层、生产管理层和作业设备控制层。主要功能有数据处理、预测、计划、控制和辅助决策功能。电力企业信息系统的典型结构模型电力ERP电力ERP是一种面向供应链管理的现代企业管理思想和方法。应用电力ERP的目的是建立符合市场经济体制的现代企业管理模式。包括供应链和信息集成两方面的内容。

电力ERP的基本框架电网调度自动化电网调度自动化电网调度自动化系统的基本结构包括调度端SCADA/EMS系统（控制中心）、主站系统、厂站端(RTU)和信息通道三大部分。根据所完成功能的不同,可以将此系统划分为信息采集和执行子系统、信息传输子系统、信息处理子系统和人机联系子系统。主要包括：数据采集和控制（SCADA）、发电自动控制（AGC）、经济调度运行（EDC）、电网静态安全分析（SA）以及调度员培训模拟（DTS）在内的能量管理系统。厂站端RTU，功能：实现“四遥”。信息传输通道，功能：信号传送时的通道。控制中心调度计算机系统实时收集各个厂站RTU采集的数据，显示并监视系统运行参数和系统状态，向厂站端发动送控制和调节命令，协助调度员完成电网调度任务。主站系统构成：包括①硬件层：计算机、网络、通信、远动等；②系统软件层：操作系统、语言等；③支撑软件层：数据库、人机界面、应用接口等；④应用软件层：SCADA/EMS电力中心调度所控制室能量管理系系统EMSEMS构成成：①数数据收集级级（SCADA），，②能量量管理级，，③网络络分析级数据收集级级（SCADA）功功能：完成成实时数据据的收集和和系统监控控，包括：：①数据据采集（DA），②②数据预预处理和报报警，③事事件顺序序记录SOE，④事事故追忆忆PDR，，⑤远方方控制，⑥⑥远方调调整，⑦趋趋势曲线线和棒图，，⑧历史史数据存储储和制表打打印，⑨系系统统一一时钟，⑩⑩模拟盘盘接口。能量管理级级分为发电电控制类和和发电计划划类。功功能：利用用电网总体体信息（频频率、时差差、机组功功率、联络络线功率等等）进行调调度决策，，主要目标标是提高控控制质量和和改善电网网运行的经经济性。发电控制类类:自动动发电控制制AGC、、经济调度度控制EDC、发发电成本分分析、交换换计划评估估、机组计计划等，核核心是AGC/EDC。AGC对电网网的发电机机组出力自自动进行二二次调整，，满足控制制目标（频频率、交换换功率、旋旋转备用等等）的要求求。EDC可与AGC配合使使用。能量管理系系统EMS发电计划类类：负荷预预测LF、、机组启启停计划、、水火电协协调计划、、交换功率率计划、火火电计划等等。负荷预测LF：超短短期（几分分钟～1小小时）、短短期（日～～1周）、、中期（月月～1年）），用于安安全监视和和负荷控制制、运行计计划、检修修计划等。。网络分析级级的特点：：利用电力力系统全面面信息（母母线电压和和角度）进进行分析与与决策，目目标的提高高电网运行行的安全性性。基础础是经过网网络拓扑分分析和外部部网络等值值后形成的的简化网络络模型。包包括：状态态估计SE、（优化））潮流计算算、安全分分析、短路路电流计算算、电压稳稳定性分析析等。其核核心软件为为状态估计计和潮流计计算。一般般均可工作作在实时型型和研究性性二种模式式下。状态估计SE：根据据SCADA提供的的实时信息息，给出电电网内各个个母线电压压和功率的的估计值。。经过状态态估计后的的YC、YX值，比比SCADA提供的的数据更为为完整、准准确和可靠靠，产生的的“可靠数数据集”才才能用于其其它应用功功能。能量管理系系统EMS最优潮流：：满足电网网各种约束束的条件下下，使目标标函数（总总发电成本本、总损耗耗等）最小小的优化计计算，得出出系统最优优运行方式式。安全分析SA：静态态安全分析析和动态安安全分析静态安全分分析：对多多种给定运运行方式进进行预想事事故分析，，对引起线线路过负荷荷、电压越越限、发电电机功率越越限等故障障进行警告告，评估电电网的安全全水平，找找出薄弱环环节。仅仅仅考虑假想想事故后稳稳态运行状状态的安全全性，不考考虑状态转转移过程中中的稳定性性。以判断断当前状态态是否有足足够的安全全储备。动态安全分分析：在当当前、历史史或预想运运行方式下下，给定预预想事故集集，判断系系统是否失失去暂态稳稳定，给出出系统失稳稳的故障元元件的极限限切除时间间和系统的的稳定裕度度，筛选出出严重故障障。考虑假假想事故后后状态转移移过程中是是否失去稳稳定的问题题。一般EMS硬件平台台由数据库库服务器、、通信服务务器、前置置服务器、、SCADA服务器器、高级功功能软件服服务器、Web服务务器、调度度员工作站站、工程师师维护工作作站、DTS培训仿仿真工组站站、AGC工作站，，以及打印印设备、网网络通信设设备、物理理隔离设备备等组成。。EMS的硬硬件结构地级调度主主站典型配配置示意图图调度室南方电网新新调度室采采用了国际际先进的大大屏幕投影影墙系统，，该系统由由24块67in一一体化三片片多晶硅反反射式背投投单元和一一套多屏拼拼接控制器器构成，整整个大屏按按21°弧弧形排列，，每列屏幕幕之间成3°角；以以局域网连连接方式接接入EMS调度员模拟拟培训系统统DTS调度员模拟拟培训系统统DTS：：对电网的的模拟仿真真，用于培培训调度员员在正常状状态下的操操作能力和和事故状态态下的快速速反应能力力，也用于于电网调度度运行人员员和方式分分析人员分分析电网运运行的工具具。既可用用当前的运运行数据也也可用历史史或假想数数据。变电站自动动化SAS变电站自动动化SAS智能电子设设备IED变电站自动动化SASIEC61850标准定义义的SAS的功能包包括控制、、监视和保保护变电站站的设备及及其馈线，，同时，还还包括变电电站自动化化系统的维维护功能，，即系统组组态、通信信管理和软软件管理等等功能，它它包含变电电站的高压压电气设备备监视、继继电保护、、故障录波波、自动装装置及远动动装置等设设备，是集集保护、测测量、控制制、远传等等功能为一一体，通过过数字通信信及网络技技术实现信信息共享，，实现变电电站自动运运行监视和和操作，完完成变电站站运行任务务的一种集集成化二次次设备及系系统。IEC61850标准准将变电站自自动化系统中中的设备定义义为智能电子子设备IED，并定义IED是一个个或者多个处处理器协调工工作的设备，，它具有从或或到一个外部部源接受和发发送数据/控控制（如电子子式多功能表表计、数字继继电保护、控控制器）的能能力。采用IEC61850标准准将使传统变变电站自动化化系统中的““保护”和““自动化”及及设备的界限限发生根本变变化。智能电子设备备IED变电站自动化化SAS变电站自动化化SAS变电站自动化化SAS变电站自动化化SAS变电站自动化化SAS变电站自动化化SAS变电站自动化化SAS变电站自动化化SAS变电站自动化化SAS现代变电站自自动化系统是是一种数字化化变电站自动动化系统，其其物理结构特特征是一次设设备智能化、、二次设备网网络化，在逻逻辑上分层构构建，能够实实现智能设备备间信息共享享和互操作。。数字化变电站站自动化系统统在逻辑结构构上分为变电电站层、间隔隔层和过程层层3层。各层层内部及层次次之间是一种种高速通信网网络。包括计计算机监控、、间隔继电保保护、间隔控控制器、自动动装置、电能能质量自动控控制等多个子子系统。在各各个子系统中中，又由多个个智能模块组组成。在变电电站层和间隔隔层之间的网网络采用抽象象通信服务接接口映射到制制造报文规范范、以太网。。在间隔层和和过程层之间间的网络采用用单点向多点点的单向传输输以太网。变变电站内的IED均采用用统一的协议议，通过网络络进行信息交交换。智能化一次设设备的信号回回路和操作回回路采用智能能控制器和光光电技术设计计，用数字信信号网络取代代传统的导线线连接。网络化二次设设备及正在发发展中的在线线状态监测装装置全部采用用微处理器数数字化、模块块化设计，常常规功能装置置变成了逻辑辑上的功能模模块，逻辑功功能模块之间间采用高速网网络通信，通通过网络实现现数据共享、、资源共享。。变电站自动化化SAS智能化的的一次设设备包括括智能化化断路器器和光电电/电子子式互感感器等。。智能化断断路器由由微机、、电力电电子元器器件组成成执行单单元，代代替常规规机械结结构的辅辅助开关关和辅助助继电器器，实现现按电压压波形控控制跳、、合闸，，跳、合合闸时间间控制精精确，暂暂态过电电压幅值值减少。。能够检检测断路路器开断断前一瞬瞬间的各各种工作作状态信信息，具具有自动动选择和和调节操操动机构构以及灭灭弧室状状态相适适应的合合理工作作条件，，这样就就可获得得最佳开开断效果果。智能能化断路路器的设设备信息息由内部部微机直直接处理理，并独独立执行行其功能能，而不不依赖于于变电站站级的控控制系统统。光电/电电子式互互感器可可以输出出标准的的模拟量量信号和和数字量量信号，，直接用用于微机机保护和和智能化化计量设设备，能能同时适适用于测测量和保保护两种种功能的的应用，，以实现现变电站站控制系系统的数数字化、、智能化化和网络络化。变电站自自动化SAS现代变电电站自动动化系统统是将传传统上分分散布置置的设备备集成在在一起，，将二次次回路中中的逻辑辑通过智智能控制制器的软软逻辑替替代，强强电模拟拟信号和和控制信信号电缆缆被光数数字和光光纤代替替，完全全取消了了传统的的集中控控制屏、、继电保保护屏、、信号屏屏等。现代变电电站自动动化系统统在功能能上采用用现场总总线技术术完成““4遥””功能，，通过网网络与远远程通信信控制单单元和后后台计算算机系统统进行通通信，从从而完成成传统RTU和和变电站站自动化化系统的的功能，，包括自自动控制制功能（（电压/无功综综合控制制、低周周减载、、静止无无功补偿偿器控制制等）；；测量表表计功能能；继电电保护功功能，与与继电保保护相配配套的功功能（故故障录波波、测距距、小电电流接地地选线等等）；接接口功能能（与微微机五防防、电源源、电能能表计、、全球定定位装置置等接口口），系系统功能能（与主主站通信信、SCADA等），，以及五五防功能能。五防功能能是指①①防止误误分、合合断路器器。②防防止带负负荷分、、合隔离离开关。。③防止止带电挂挂（合））接地线线（接地地开关））。④防防止带接接地线（（接地开开关）合合断路器器（隔离离开关））。⑤防防止误入入带电间间隔。IEC60870远动设备备及系统统标准IEC60870-5系列标标准采用用三层参参考模型型，即物物理层、、链路层层、应用用层结构构，涵盖盖了各种种网络配配置（点点对点、、多个点点对点、、多点共共线、多多点环型型、多点点星形））,各各种传输输模式（（平衡式式、非平平衡式）），网络络的主从从传输模模式和网网络的平平衡传输输模式，，电力系系统所需需要的应应用功能能和应用用信息，，是一个个完整的的集，既既可用于于变电站站和控制制中心之之间交换换信息，，也可用用于变电电站和配配电控制制中心之之间交换换信息、、各类配配电远方方终端和和变电站站控制端端之间交交换信息息。上述述标准即即常说的的101、102、103、、104规约，，是相当当一段时时间里指指导变电电站自动动化技术术发展的的重要标标准，得得到了广广泛应用用，在变变电站和和控制中中心之间间使用101规规约，在在变电站站内部使使用103规约约，电能能量计量量计费系系统使用用102规约。。新的国国际标准准IEC61850颁颁布之后后，变电电站自动动化系统统从过程程层到控控制中心心将使用用统一的的通信协协议。IEC61850变电站通通信网络络和系统统国际标准准对象模型型与映射射数字化变变电站的的分层结结构数字化变变电站的的分层结结构数字化变变电站的的分层结结构站控层由由具有数数据库的的高性能能工作站站或专用用智能控控制器、、工业计计算机、、操作员员平台和和远方通通信接口口等组成成。主要要任务是是通过以以上两级级网络汇汇总全站站的实时时数据信信息，不不断刷新新实时数数据库，，按既定定规约将将数据信信息送向向调度或或控制中中心，接接收调度度或控制制中心的的控制命命令并转转间隔层层、过程程层执行行，以实实现各智智能电子子设备信信息采集集和处理理、监视视控制和和操作，，以及远远方网络络通信交交换功能能，包括括全变电电站的监监控计算算机、现现场总线线和局域域网，供供计算机机之间与与间隔层层交换信信息。站控层层的功功能分分两类类：一一是与与过程程有关关的变变电站站层功功能，，使用用多个个间隔隔或整整个变变电站站的数数据对对多个个间隔隔或整整个变变电站站的一一次设设备进进行操操作。。如变变电站站范围围内的的闭锁锁、自自动顺顺序控控制或或母线线保护护。这这些功功能主主要通通过逻逻辑接接口进进行通通信。。二是是与接接口有有关的的变电电站层层功能能，包包括变变电站站自动动化系系统与与本站站操作作员的的接口口HMI与与调度度控制制中心心的接接口TCI或或与远远方监监视和和维护护工程程师站站的接接口TMI。。这些些功能能通过过逻辑辑接口口和TCI与外外部进进行通通信。。具有有在线线可编编程的的全站站操作作闭锁锁控制制功能能、站站内当当地监监控功功能、、人机机联系系功能能，以以及对对间隔隔层、、过程程层设设备在在线维维护、、在线线组态态、在在线修修改参参数功功能，，还有有变电电站故故障自自动分分析和和操作作培训训功能能等。。电力地理信信息系统GISGIS的基基本含义地理信息系系统的构成成地理信息系系统的基本本功能GIS将计计算机技术术与空间数数据相结合合，基本功功能是数据据采集、管管理、处理理、分析和和输出。通通过利用空空间分析技技术、模型型分析技术术、网络技技术、数据据库和数据据集成技术术、二次开开发环境等等，演绎出出丰富多彩彩的各种应应用系统功功能。即，，GIS能能够解决空空间、时间间、原由和和解决方案案4大类问问题：空间间问题就是是用GIS的专业语语言描述事事物或物体体所处的地地理位置和和事情将要要发生的地地点；时间间问题就是是能准确推推断事情发发生的时间间和将要发发生的时间间；原由问问题就是能能通过数据据收集和分分析，推断断出事情发发生的原因因是什么，，解决方案案问题就是是通过对数数据分析，，正确找出出解决方法法。空间间信信息息处处理理和和分分析析功功能能：：位位置置、、条条件件、、变变化化趋趋势势、、模模式式和和模模型型。。包包括括拓拓扑扑空空间间查查询询、、缓缓冲冲区区分分析析、、叠叠置置分分析析、、空空间间集集合合分分析析、、地地学学分分析析等等。。数据采集、监监测、存储与与编辑功能：：包括图形数数据采集与编编辑和属性数数据编辑与分分析。数据存存储与组织是是建立地理信信息系统数据据库的关键步步骤，涉及到到空间数据和和属性数据的的组织。数据库管理功功能：包括数数据库定义、、数据库的建建立与维护、、数据库操作作、通信功能能等。制图功能：根根据GIS的数据结构构及绘图仪的的类型，用户户可获得矢量量地图或栅格格地图。GIS不仅可可以输出全要要素地图，而而且可以根据据需要分层输输出各种专题题地图，还可可以通过空间间分析得到一一些特殊的地地学分析用图图，如剖面图图等。电力GIS应应用软件的功功能电力GIS是是将电力企业业的电力设备备、变电站、、输配电网络络、电力用户户与电力负荷荷和生产及管管理等核心业业务连接形成成电力信息化化的生产管理理的综合信息息系统。它提提供的电力设设备设施信息息、电网运行行状态信息、、电力技术信信息、生产管管理信息、电电力市场信息息与地形地貌貌，及气象、、水文、地质质、资源等自自然环境信息息集中于统一一系统中。通通过GIS可可查询有关数数据、图片、、图象、地图图、技术资料料、管理知识识等。电力GIS平平台包括基本本构件层、系系统环境层、、数据库连接接层、图形与与数据接口工工具层、应用用系统层等。。分层建立各各种数据模型型，并建立各各层的连接关关系。建立地地理层信息与与设备信息的的拓扑和映射射关系。支持持多空间同屏屏显示和多空空间关联建模模、多空间索索引。电力GIS应应用软件的基基本功能应包包括电力空间间数据的建模模、存储、数数据管理、数数据交换格式式定义、信息息检索、查询询、挖掘和分分析、数据安安全保护保密密技术等。电力GIS可可实现电网数数字化描述，，能对电网实实现快速查询询，及时掌握握电网运行状状态，快速诊诊断电网故障障，提高处理理事故能力，，保证电网运运行质量以及及提高用户服服务质量。可可对图形数据据、可执行图图形和属性数数据的嵌套操操作与映射查查询关系运算算；根据配电电设备的图形形、属性信息息与地理位置置、地形数据据、环境数据据、线路走向向数据、线路路设备历史档档案和即时信信息，对线路路设计方案、、施工方案、、抢修和停电电措施提供决决策依据及辅辅助决策。电力GIS应应用软件的功功能电力GIS能能够实现与电电网调度自动动化系统、电电力用户关系系管理系统、、电力营销系系统、电力市市场管理系统统等应用系统统共享信息。。支持多种管管理应用系统统的连接，其其中包括与企企业的MIS系统融为一一体。电力GIS能能对信息库进进行安全保护护，制定管理理与使用的安安全保密措施施和机制，包包括内外网络络的隔离、重重要电力设施施电子地图和和设备信息数数据库的保护护等。输变电GIS的基本功能能配电网GIS配电网网GIS的的应用用主要要有两两种趋趋势，，一是是把GIS作为为整个个配电电管理理系统统DMS的基基础平平台，，另一一种是是把GIS作为为DMS的的子系系统，，与SCADA等其其他系系统共共同完完成整整个配配电网网自动动化的的功能能。基于于电电力力GIS的的配配电电管管理理系系统统DMS包包括括SCADA、、负负荷荷管管理理LM、、负负荷荷控控制制和和故故障障管管理理、、自自动动绘绘图图AM、、设设备备管管理理FM、、电电话话投投诉诉管管理理TCM等等，，是是一一个个涉涉及及供供电电企企业业运运行行管管理理、、设设备备管管理理、、用用户户服服务务等等各各个个方方面面的的计计算算机机集集成成系系统统，，从从而而实实现现配配电电网网管管理理自自动动化化、、配配电电网网运运行行优优化化，，提提高高供供电电可可靠靠性性，，为为用用户户提提供供优优质质服服务务。。配电网GIS的的基本功功能变电站遥遥视系统统网络简简介通过与SCADA系统的的接口，实时时显示模拟图图上设备的遥遥测信息，对对站内设备进进行监控；通过SCADA系统统与GIS的的接口，遥信信遥测站内开开关变位信息息，自动纠正正站内开关开开合状态并实实时分析处理理全网的线路路及设备停供供电状态，及及时刷新图形形窗口。利用变电站信信息查询功能能和Intranet应应用部分可显显示该变电站站的一次接线线图、现场录录像等。现场总线技技术简介现场总线既既是通信网网络，又是是网络控制制系统。作作为通信网网络，它所所传送的是是工业现场场的开关量量或数字量量指令与数数据；作为为网络控制制系统，在在系统结构构上的显著著特征是可可由单个节节点、也可可由多个网网络节点共共同完成所所要求的自自动控制功功能，是一一种由网络络集成的分分布式自动动化控制系系统。从网网络控制技技术的系统统层次上看看，控制网网络分为面面向设备的的现场网络络和面向控控制系统的的控制网络络两部分。。IEC61158国际标标准定义的的现场总线线通信协议议模型：模型在ISO参考模模型的第7层之上上增加了面面向用户的用户层。。现场总线模模型由物理理层、数据链链路层、应应用层和用用户户层层组组成成。。IEC61158现现场场总总线线的的类类型型IEC61158工工业业通通信信网网络络现现场场总总线线规规范范第第4版版规规定定了了20种种现现场场总总线线。。类型型3、、类类型型8、、类类型型10、、类类型型14、、类类型型18等等被被列列入入中中国国国国家家标标准准GB/T20540、、GB/T16657和和JB/T10308等等。。IEC61158现现场场总总线线的的类类型型IEC61158系系列列标标准准是是概概念念性性技技术术规规范范，，它它不不涉涉及及现现场场总总线线的的具具体体实实现现，，每每种种类类型型现现场场总总线线都都由由一一个个或或多多个个网网络络层层规规范范构构成成，，包包括括可可选选的的服服务务和和协协议议，，各各层层基基于于ISO/IEC7498、、ISO/OSI参参考考模模型型（（ISO/IEC7498））的的不不同同的的层层，，提提供供模模块块化化功功能能和和