1.1 电力系统运行及监控与调度自动化

电网监控与调度自动化第一章概述本章学习目标理解电力系统运行及监控与调度自动化概念掌握电网监控与调度自动化系统的结构理解电网监控与调度自动化系统基本功能第一章概述第一节电力系统运行及监控与调度自动化第二节电网监控与调度自动化系统的结构与功能第一节电力系统运行及监控与调度自动化

电力系统由发电厂、输变电系统、配电系统和各种类型负荷组成，由各级调度中心对系统进行控制和管理。各级调度的作用：对系统运行进行控制和管理，运行管理的目的尽量维持系统正常运行，提供高质量的电能，降低发电成本。由于负荷无时无刻不是变动和电力系统的故障不可预见性，要求对系统的监控和调度控制系统能够进行快速、有效的判别和正确的处理。电力系统概念通讯服务器发电用电输电变电配电RTURTURTU数据采集和传输应用服务器电网调度50.0Hz49.850.2发电用电电力系统示意图对电力系统运行的基本要求保证安全可靠地发供电。要有合格的电能质量。要有良好的经济性。一电力系统的运行状态1、进行电力系统运行状态划分的目的2、电力系统运行状态划分的标准

(视角和范围)2.1设备角度各设备均运行于参数允许范围之内。2.2系统角度电力系统运行中的约束条件1、系统负荷需求（等式约束，未计及网损，E）2、运行约束（无潮流电压越限，不等式约束，C）3、可靠性约束（预想事故分析检查，R）电力系统的运行状态储备系数减小或干扰概率增大由于外界干扰使电压、频率、潮流越限解列不安全安全危险系统解列

正常运行状态功率平衡频率、电压在允许范围内设备不过负荷足够的安全储备经济运行

正常→警戒状态负荷变动单向调节累积安全储备减少运行参数临界抗干扰能力下降

警戒→正常状态静、动态稳定分析调节发电机功率调整负荷改变运行方式

警戒→紧急状态严重干扰短路、机组停机参数越限电压越限频率越限设备过负荷

紧急→警戒状态告警紧急控制事故预案

紧急→系统崩溃未及时采取措施系统失稳系统解列切发电机切除负荷维持子系统控制维持区域供电

系统崩溃→恢复机组启动黑启动恢复供电系统并列

所谓黑启动，是指整个系统因故障停运后，系统全部停电(不排除孤立小电网仍维持运行)，处于全“黑”状态，不依赖别的网络帮助，通过系统中具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复。电力系统的运行状态（1）正常运行状态

特征：负荷的有功、无功一定与发电机发出的功率相等；系统频率和母线电压在正常范围。各电源设备和输电设备有足够的备用容量。适当的安全储备能承受系统正常的干扰。（2）警戒状态

原因：负荷变动，运行结构变动，小干扰结果：造成的单向调节累积；安全储备减少；运行参数临界；抗干扰能力下降。解决方法：采取预防性措施如：增发发电机的功率，调整负荷；改变运行方式。要求随时监测系统运行情况并做静态安全分析、动态安全分析对系统安全水平作出评价（3）警戒→紧急状态原因：严重干扰短路、机组停机结果：参数越限电压越限频率越限设备过负荷解决方法：向调度人员发出告警信号采取紧急控制提出事故预案。（4）紧急→系统崩溃原因：未及时采取措施或者采取的措施不利。结果：系统失稳系统解列切发电机切除负荷维持子系统控制维持区域供电。电网监控的目的之一就是尽可能避免这种状态的出现，一旦出现尽可能的采取措施不使系统瓦解（5）系统崩溃→恢复机组启动黑启动恢复供电系统并列所谓黑启动，是指整个系统因故障停运后，系统全部停电(不排除孤立小电网仍维持运行)，处于全“黑”状态，不依赖别的网络帮助，通过系统中具有自启动能力的发电机组启动，带动无自启动能力的发电机组，逐渐扩大系统恢复范围，最终实现整个系统的恢复。*（选学）电力系统控制的分类按控制对象时间特性假设条件*（选学）按控制对象分类的三大自动控制系统1、AGC(AutomaticGenerationControl) 自动发电控制（AFC）2、AVC(AutomaticVoltageControl) 自动电压控制3、ASC(AutomaticStateControl) 自动稳定控制视角：横向（维度）纵向（深度）*（选学）AGC(AutomaticGenerationControl)正常运行时的频率控制在负荷正常变化时，自动调节发电机的有功出力，以保持有功供需平衡和频率稳定，保持系统联络线的功率为规定值。同时，在调节发电功率时，还要考虑按最经济原则（EDC）分配各机组处理。

紧急状态下的频率控制在系统中有功功率出现大的扰动，频率出现大的偏差时，强力调控频率使其尽快返回正常值，以保证电力系统的运行安全。*（选学）按时间特性1、实时控制就地装置完成 2、非实时控制集中式控制系统完成*（选学）按假定条件第一条件：时间性质

过去现在将来

（1）将来预防性控制*（选学）按假定条件1、时间性质（2）过去现在基于当前所处状态的定义假定系统稳定运行，控制操作不会影响系统稳定运行稳态控制优化调度、经济运行、AGC、AVC假定系统不处于稳定运行状态或临界状态，控制操作目的使系统恢复系统稳定或返回正常运行状态紧急控制频率控制、电压控制、稳定控制假定系统崩溃后，系统处于恢复状态恢复控制黑启动（全停条件下的恢复）二电网监控与调度自动化在电力系统中的地位与作用1、信息就地处理系统就地、分散配置，控制、保护2、信息集中处理系统信息采集、通信、远方控制

信息就地处理系统（局部、事后）组成：继电保护和自动装置特点：对电力系统的情况能做出快速的反应就地、分散配置控制、保护缺点：不能全局、事先的信息来预测分析系统的运行情况和处理各种情况

信息集中处理自动化系统（电网监控和调度自动化系统）信息采集（RTU）然后将信息传输到调度中心的主站（MS）上根据得到的全局信息对运行状态进行安全性分析和负荷预测以及自动发电控制、经济调度控制、通信、远方控制二者的关系：互相补充而不能相互替代二电网监控与调度自动化在电力系统中的地位与作用信息就地处理系统

继电保护自动装置

同步发电机并列装置电压、无功自动调节装置频率及有功功率自动调节装置低频自动减负荷装置故障测距、小接地选线备用电源自投入自动重合闸

信息集中处理系统变电所发电厂调度中心变电所发电厂变电所

保证电力系统在进入电力市场时代后安全、优质、经济运行的支柱。继电保护安全自动装置安全稳定控制系统电网调度自动化系统电力专用通信网系统电力市场技术支持系统

二电网监控与调度自动化在电力系统中的地位与作用*（选学）电力系统中的可调控点1、可调控点位于厂站内2、具体的可调可控点发电机组调速器（调节原动机的进气量或进水量）——调节发电机有功功率P；发电机励磁调节器（调节发电机的转子励磁电流）——调节发电机无功功率Q；变压器档位调节开关（改变变压器绕组的匝数比和电压比）——调节变压器二次侧线电压；*（选学）电力系统中的可调控点断路器（控制电路的通断）——投入/切除发电机、变压器、线路、负荷、电容器、电抗器、制动电阻、以及电网的解列/并网；调相机励磁调节器（调节调相机的转子励磁电流）——调节调相机无功功率值Q；静止补偿器（调节晶闸管的导通角）——调节其无功功率Q汽轮机组快关汽门——快速减少发电机有功功率值P；发电机灭磁开关——快速减少发电机定子电压*（选学）电力系统中的可调控点

在一个大型电力系统中，发电机会有几百台，变压器会有上万台，而断路器则有几万台。因此大型电力的可调可控点一定是数以万计，甚至有几十万个。

怎么管理*（选学）电力系统的数据模型1、电力系统的数据模型1.1模型

对研究对象的有目的抽象。抽象是指从众多的事物中抽取出共同的、本质性的特征，而舍弃其非本质的特征。1.2电力系统模型

(1)什么是电力系统

(2)如何为电力系统建模如何有目的的省略后建立电力系统的模型

*（选学）什么是电力系统1、由发、输、变、配、用这样五个环节构成的系统，被称为电力系统。2、进行省略2.1输电系统发、输、变、配2.2配电系统输、变、配、用3、以输电系统为例进行建模

*（选学）以输电系统为例进行建模1、输电系统的构成(显式)输电线厂站（发电厂、变电站）2、输电系统的构成（隐式）公司（管理者）

控制区（逻辑管理）厂站内设备（发电厂设备、变电站设备）厂站的出线3、层次型的电力系统模型用树型(层次)结构表示实体类型及实体间联系的数据模型称为层次模型。*（选学）层次型的电力系统数据模型三电力系统的分层控制电能的产、输、配和用均在一个电力系统中进行的，我国目前已建成五个大电网（华北、东北、华东、华中、西北电网）以及一些省网，并且在大网之间通过联络线进行能量交换（如三峡、葛洲坝到上海的500KV输电线将华东和华中两大电网联系起来）。管理方式：五级分层调度管理。特点：信息分层采集，逐级传送，命令也按层逐级下达。大规模联合电网综合利用水力、火力、核能等发电能源，以解决能源资源与负荷分布地域间的不平衡。利用时差和季节错开负荷高峰，减少总的装机容量。采用大容量机组，节省投资和运行费用。发生故障时不同电网间可以互相支援。信息调度令三电力系统的分层控制信息调度令国家调度中心网局调度中心地区调度中心省级调度中心县级调度中心直属电厂地方电厂省属电厂直属变电站地方变电所变电所省属变电站三电力系统的分层控制国调职责国家调度（国调）通过计算机数据通信网与各大区电网控制中心相连，协调、确定大区电网间的联络线潮流和运行方式，监视、统计和分析全国电网运行情况。其主要任务包括：（1）在线收集各大区电网和有关省网的信息，监视大区电网的重要监测点工况及全国电网运行概况，并作统计分析和生产报表。（2）进行大区互连系统的潮流、稳定、短路电流及经济运行计算，通过计算机数据通信校核计算结果的正确性，并向下传达。（3）处理有关信息，作中期、长期安全经济运行分析。大区级调度职责

大区调度（区调）按统一调度分级管理的原则，负责跨省大电网的超高压线路的安全运行并按规定的发用电计划及监控原则进行管理，提高电能质量和运行水平。具体任务包括：（1）实现电网的数据收集和监控、经济调度以及有实用效益的安全分析。（2）进行负荷预计，制定开停机计划和水火电经济调度的日分配计划，闭环或开环地指导自动发电控制。（3）省（市）间和有关大区电网的供受电量计划编制和分析。（4）进行潮流、稳定、短路电流及离线或在线的经济运行分析计算，通过计算机数据通信校核各种分析计算的正确性并上报、下传。大区级调度职责（5）进行大区电网继电保护定值计算及其调整试验。（6）大区电网中系统性事故的处理。（7）大区电网系统性的检修计划安排。（8）统计、报表及其他业务。省级调度职责省级调度按统一调度，分级管理的原则，负责省内电网的安全运行并按照规定的发电计划及监控原则迸行管理，提高电能质量和运行水平。其具体任务包括：（1）实现电网的数据收集和监控、经济调度以及有实用效益的安全分析。（2）进行负荷预测，制定开停机计划和水火电经济调度的日分配计划，闭环或开环地指导自动发电控制。（3）地区间和有关省网的供受电量计划的编制和分析。（4）进行潮流、稳定、短路电流及离线或在线的经济运行分析计算，通过计算计算机数据通信校核各种分析计算的正确性并上报、下传。地区调度职责具体任务包括：（1）实现所辖地区的安全监控。（2）实施所辖有关站点（直接站点和集控站点）的开关远方操作、变压器分接头调节、电力电容器投切等。（3）所辖地区的用电负荷管理及负荷控制。县级调度职责县级调度主要监控110KV（*）及以下农村电网的运行，其主要任务有以下几点：（1）指挥系统的运行和倒闸操作。（2）充分发挥本系统的发供电设备能力，保证系统的安全运行和对用户连续供电。（3）合理安排运行方式，在保证电能质量的前提下，使本系统在最佳方式下运行。

我国电力系统调度管理的方式

统一调度、分级管理、分层控制与电力系统的实际物理结构密切相关，可解决可靠性、系统响应。调度管理的具体内容调度管理的主要内容包括：（1）电力系统运行计划的编制；（2）电力系统运行控制；（3）电力系统运行分析；（4）继电保护、通信和调度自动化等设备的运行管理，（5）有关规程制度的编制和人员培训等专业管理。据此，内部分为调度室（科、处）、运行方式室（科、处）、自动化室（科、处）、保护室（科、处）、通信室（科、处或公司）。1、统一调度统一调度的涵义和内容主要是指：(1)、电网调度机构统一组织全网调度计划(或称电网运行方式)的编制和执行，其中包括统一平衡和实施全网发电、供电调度计划，统一平衡和安排全网主要发电、供电设备的检修进度，统一安排全网的主接线方式，统一布置和落实全网安全稳定措施等。(2)、统一指挥全网的运行操作和事故处理。(3)、统一布置和指挥全网的调峰、调频和调压。(4)、统一协调和规定全网继电保护、安全自动装置、调度自动化系统和调度通信系统的运行。(5)、统一协调水电厂水库的合理运用。(6)、按照规章制度统一协调有关电网运行的各种关系。在形式上，统一调度表现为在调度业务上，下级调度必须服从上级调度的指挥。2、分级管理分级管理是指根据电网分层的特点，为明确各级调度机构的责任和权限，有效地实施统一调度，由各级电网调度机构在其调度管理范围内具体实施电网调度管理的分工。电网运行的统一调度、分级管理是一个整体，统一调度以分级管理为基础，分级管理是为了有效地实施统一调度、分级管理的目的是为了有效地保证电网安全、优质、统济的运行，维护社会的公共利益。(1)、从电力系统调度控制的角度来看，信息可以分层采集，只需把采集处理成一些必要的信息转发给上一级调度，上一级调度只向下一级调度发出总指标，由下一级调度进行控制。这样做既减轻了上级调度的负担，又加速了控制过程。(2)、在分控制的电力系统中，若局部的控制系统发生故障，一般不会严重影响电力系的其它控制部分，并且各分层间可以部分地互为备用又从而提高了电力系统运行的可靠性。在电力系统中，即使在紧急状态下部分电网与系统解列，也可以分别地独立运行。因为局部地区也有相应的调度自动化系统，可以对电网实现监控。(3)、实现分层控制以后，可以大大地降低信息流量，因而减少了对通信系统的投资。同样，分层以后减轻了计算机的负荷，投资也相应地下降。(4)、分层控制的自动化统结构灵活，可适应电力系统变更或扩大的需要。3、分层控制(1)、电力系统调度组织结构一般都是分层的。在量的局部性的调度控制任务可以由下层相应的调度机构来完成，而全网性或跨地区性的调度可以由上层相应调度机构来完成，这样便于协调和平衡。(2)、系统可靠性提高。采用调度分层控制方式后，调度自动化系统亦相应分层设立，某一层次自动化系统停运或故障，不致影响全系统调度自动化功能，还要有备用和互补作用，提高整个系统的可靠性。(3)、系统响应改善。在电力系统调度中实时性很重要，都必须在一定的时间内完成。采用调度分层控制还便于调度自动化系统的功能扩充、系统升级和分期投资。四电力系统调度自动化系统的发展1、早期阶段2、远动技术的应用3、以计算机技术为基础的调度自动化技术的应用4、调度自动化系统数据网络的建立早期阶段

数据收集困难，主要依靠自动装置、电话以及调度运行人员的经验来调度和操作，无法做到实时管理，无法及时处理事故，容易造成事故的而扩大化，造成严重损失。远动技术的应用

计算机与相应的远动装置（实现“四遥”功能）以及通信设备组成系统，主要用来完成电力系统运行状态的监视（包括信息的收集、处理和显示）、远距离开关操作以及制表记录和统计等功能，一般称为数据采集与监视控制（SCADA

SupervisoryControlAndDataAcquisition）。该阶段远动装置经历了从电子管和继电器逻辑、晶体管、集成电路的发展历程，最终进入全面的微机时代。以计算机技术为基础的调度自动化技术的应用（计算机技术、通信技术、网络技术）1、远动装置的微机化，功能多样化（如SOE）2、主站系统的功能升级

从最初的SCADA，功能扩展到AGC、网络分析NA、调度管理和计划功能的系统，被称为能量管理系统（EMSEnergyManagementSystem）。集中式——分布式——开放式调度自动化系统数据网络的建立

我国国家电力信息网作为电力工业市场化运作所必需的网络基础设施已建设为基于IP交换技术的四级网络。

网上开通的业务主要有：调度自动化系统、电子邮件服务、WWW服务、域名解析服务、办公自动化系统、管理信息系统、视频点播系统等，同时承载着实时准实时生产控制业务和管理信息业务。典型的调度管理模式

根据电网管理形式不同，世界上典型的调度管理模式大致可分为三种（1）统一电网、统一调度1)局部电网的统一管理、统一调度2)国家电网的统一管理、统一调度（2）联合电网、统一调度PJM电网（3）联合电网、联合调度北美电网等调度自动化的发展编年史40年代：出现模拟屏，直观展示系统状态50年代：布线逻辑的远动装置及机电式的调频装置实现自动发电控制（AGC）60年代：利用数字计算机实现电力系统经济调度70年代：经济调度转移为安全调度，电网SCADA系统出现80年代：电网自动调频、有功功率经济分配的装置、自动调节系统和SCADA系统结合，成为SCADA/AGC-EDC系统90年代：增加电网高级应用软件（PAS）形成能量管理系统（EMS）

20世纪：智能电网、调控云。。。

五调度自动化与电力市场调度自动化的发展范围：

局部→子系统→管理系统理论基础：

经典控制理论

→现代控制理论

→电力市场经济理论阶段

电力市场支持系统

（1）能量管理系统（EMS）（2）交易管理系统（TMS）（3）电能量计量系统（TMR）（4）结算系统（SBS）（5）合同管理系统（CMS）（6）报价处理系统（BPS）（7）市场分析与预测系统（MAF）（8）交易信息系统（TIS）（9）报价辅助决策系统（BSS）六、调度自动化系统及数据网络的安全防护十六字总体安全防护策略：安全分区、网络专用、横向隔离、纵向认证电力监控系统安全防护相关规定2015年2014年2006年2004年原电监会5号令《电力二次系统安全防护规定》原电监会34号文发改委发布14号令《电力监控系统安全防护规定》能源局36号文除配套方案由二次系统改为监控系统外，新增了电力监控系统二次安全防护评估规范，并对内容作了修订。配套文件：

1．电力二次系统安全防护总体方案

2．省级以上调度中心二次系统安全防护方案3．地、县级调度中心二次系统安全防护方案4．变电站二次系统安全防护方案5．发电厂二次系统安全防护方案6．配电二次系统安全防护方案六调度自动化系统及数据网络的安全防护电力监控系统安全防护总体示意图上级调度/控制中心下级调度/控制中心上级信息中心下级信息中心实时VPNSPDnet非实时VPNIP认证加密装置安全区I(实时控制区)安全区II(非控制生产区)安全区III(生产管理